《工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》同步和異步傳輸

1、哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第 2 頁頁數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 同步同步 異步異步3.5 同步同步和和異步傳輸異步傳輸下一頁上一頁停止放映停止放映哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第 3 頁頁并行傳輸并行傳輸下一頁上一頁停止放映停止放映第第 4 頁頁串行傳輸串行傳輸哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映第第 5 頁頁l在同一個時間內(nèi)，信號元素是一個個傳輸在同一個時間內(nèi)，信號元素是一個個傳輸l每個信號元素可能：每個信號元素可能： 少于一個少于一個比特，如曼徹斯特編

2、碼比特，如曼徹斯特編碼 一個一個比特，如比特，如NRZ-L何何FSK 多余一個多余一個比特，如比特，如QPSKl接收器采樣接收器采樣 傳輸損傷傳輸損傷 定時定時關(guān)系：到達關(guān)系：到達時間和每個比特周期時間和每個比特周期 采樣時間采樣時間: 每個比特時間的中央時刻每個比特時間的中央時刻哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映第第 6 頁頁l定時問題要求一個機制來同步收發(fā)器定時問題要求一個機制來同步收發(fā)器 接收器在比特中央對信息流采樣接收器在比特中央對信息流采樣 如果時鐘排列不規(guī)則或者漂移，那么足如果時鐘排列不規(guī)則或者漂移，那么足夠多的比特發(fā)送將導(dǎo)致在錯誤時間采樣夠多的比特發(fā)送將導(dǎo)

3、致在錯誤時間采樣的后果的后果l有兩個解決同步時鐘的辦法有兩個解決同步時鐘的辦法 異步傳輸異步傳輸 同步傳輸同步傳輸同步和異步傳輸同步和異步傳輸哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映第第 7 頁頁l同一時間傳輸?shù)淖址麛?shù)據(jù)同一時間傳輸?shù)淖址麛?shù)據(jù)l定時在每個字符內(nèi)保持定時在每個字符內(nèi)保持l每個字符都要求重新取得每個字符都要求重新取得同步同步l這種機制的策略是拒絕傳輸無中斷的這種機制的策略是拒絕傳輸無中斷的長比特流，以此來避免時序上的問題。長比特流，以此來避免時序上的問題。異步傳輸異步傳輸哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映第第 8 頁頁異步傳輸異步傳輸下一頁

4、上一頁停止放映停止放映第第 9 頁頁實際的起始位和終止位實際的起始位和終止位哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映第第 10 頁頁對于穩(wěn)定信息流對于穩(wěn)定信息流, 字符的間隔是均勻分布字符的間隔是均勻分布的的(停止元素的長度停止元素的長度)l例子例子: 發(fā)送發(fā)送 IRA 字符字符“ABC” 1 起始起始比特，比特，7 位數(shù)據(jù)比特位數(shù)據(jù)比特, 1校驗比特校驗比特, 1 停止比特停止比特 空閑狀態(tài)，接收器搜索總線狀態(tài)從空閑狀態(tài)，接收器搜索總線狀態(tài)從1到到0 接著接著采樣采樣下下個個8位間隔位間隔 (字符長度字符長度) 接著搜索下個總線狀態(tài)從接著搜索下個總線狀態(tài)從1到到0為下為下個

5、字符個字符l定時差錯定時差錯 如如P8圖圖 (c) , 6% 漂移漂移l差錯差錯 比特采樣差錯比特采樣差錯 幀差錯幀差錯異步傳輸異步傳輸-過程過程哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映第第 11 頁頁l簡單便宜l但是 每個字符至少要求2-3個額外開銷 (20%)l為了取得更高的效率，使用不同形式的同步即：同步傳輸異步傳輸優(yōu)缺點異步傳輸優(yōu)缺點哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映第第 12 頁頁l傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊沒有起始和終止位傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊沒有起始和終止位l時鐘必須同步時鐘必須同步l可以可以使用獨立時鐘線使用獨立時鐘線(每位位時間對應(yīng)一個每位位時間對應(yīng)一個短脈

6、沖短脈沖) 有利于短距離傳輸有利于短距離傳輸 遭受傳輸損傷遭受傳輸損傷 (長距離傳輸長距離傳輸)l在數(shù)據(jù)中嵌入時鐘信息 曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼(數(shù)字信號數(shù)字信號) 載頻載頻(模擬信號模擬信號)同步傳輸同步傳輸-比特級比特級哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映第第 13 頁頁l必須指示數(shù)據(jù)塊的起始和結(jié)束必須指示數(shù)據(jù)塊的起始和結(jié)束l使用前同步碼和后同步碼使用前同步碼和后同步碼l比異步效率更高比異步效率更高 (較少的額外開銷較少的額外開銷)，例子，例子: HDLC 48 位控制信息、位控制信息、前同步碼和后同步碼前同步碼和后同步碼 1000字符數(shù)據(jù)塊字符數(shù)據(jù)塊 額外開銷額外開

7、銷=48/(8x1000+48)x100%=0.6%同步同步傳輸傳輸-數(shù)據(jù)塊級數(shù)據(jù)塊級哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映3.6 單工單工、半雙工半雙工和和全雙工傳輸全雙工傳輸單工、半雙工、全雙工通信單工、半雙工、全雙工通信u單工通信：信息流只能沿一個方向傳輸，不能單工通信：信息流只能沿一個方向傳輸，不能反向；反向；u半雙工通信：可以雙向傳輸，但同一時間內(nèi)只半雙工通信：可以雙向傳輸，但同一時間內(nèi)只能單向傳輸；能單向傳輸；u全雙工通信：允許在同一時刻兩個方向同時進全雙工通信：允許在同一時刻兩個方向同時進行數(shù)據(jù)傳輸。行數(shù)據(jù)傳輸。u單工通信一般用于無線廣播、有線廣播及電視單工通

8、信一般用于無線廣播、有線廣播及電視廣播，數(shù)據(jù)通信中很少使用；全雙工和半雙工廣播，數(shù)據(jù)通信中很少使用；全雙工和半雙工比：全雙工效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也比較比：全雙工效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也比較高高。第第 14 頁頁哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映3.6 單工單工、半雙工半雙工和和全雙工傳輸全雙工傳輸?shù)诘?15 頁頁哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 下一頁上一頁停止放映停止放映哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第 16 頁頁差錯差錯類型：類型：l單單比特差錯比特差錯 孤立的差錯狀態(tài)孤立的差錯狀態(tài) 只改變一個比特只改變一個比特 白噪聲引起白噪聲引

9、起l突發(fā)性差錯突發(fā)性差錯 連續(xù)的連續(xù)的B比特比特序列中序列中第一個第一個和和最后一個最后一個比特以比特以及任意多個中間比特接收不正確及任意多個中間比特接收不正確 沖激噪聲沖激噪聲引起引起 移動無線環(huán)境中的移動無線環(huán)境中的信號衰弱信號衰弱引起引起3.7 差錯差錯類型類型、差錯檢測差錯檢測和和差錯差錯糾正糾正哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第17頁頁差錯檢測差錯檢測v錯誤在所難免錯誤在所難免v使用錯誤檢測碼檢測使用錯誤檢測碼檢測v附加在發(fā)送器附加在發(fā)送器v接收器重新計算和檢測接收器重新計算和檢測v也有可能存在不能檢測到的錯誤也有可能存在不能檢測到的錯誤v奇偶校驗奇偶校驗 設(shè)置奇偶比特，看字符設(shè)置奇

10、偶比特，看字符“1”個數(shù)是奇數(shù)個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)還是偶數(shù) 比特錯誤偶數(shù)個檢測不到比特錯誤偶數(shù)個檢測不到哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第18頁頁下一頁上一頁停止放映停止放映哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第第 19 頁頁l奇偶校驗奇偶校驗 最簡單的差錯檢測機制最簡單的差錯檢測機制 典型的例子：典型的例子： 偶校驗偶校驗用于用于同步同步傳輸傳輸 奇校驗奇校驗用于用于異步異步傳輸傳輸 不安全性不安全性 噪聲脈沖的長度經(jīng)常破壞一個以上的噪聲脈沖的長度經(jīng)常破壞一個以上的比特比特奇偶校驗奇偶校驗哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第20頁下一頁上一頁停止放映停止放映哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣

11、智能化研究所 第第 21 頁頁l循環(huán)冗余檢驗循環(huán)冗余檢驗 Cyclic Redundancy Check, CRC *模模2運算運算* 使用無進位的二進制加法，即異或（使用無進位的二進制加法，即異或（XOR）操作操作 多項式多項式 數(shù)字邏輯數(shù)字邏輯循環(huán)冗余校驗循環(huán)冗余校驗哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第22頁CRCv最常用最有效的方法最常用最有效的方法v給定一給定一個個k位位數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)塊，發(fā)送器生成一個塊，發(fā)送器生成一個（n-k）位比特序列）位比特序列 (FCS，幀檢驗序列幀檢驗序列)v必須使最后得到的含有必須使最后得到的含有n個比特的幀可以個比特的幀可以被被整除整除v接收器用同樣的數(shù)值對接收到

12、的幀進行接收器用同樣的數(shù)值對接收到的幀進行除法運算除法運算 沒有余數(shù)就說明沒有錯誤。沒有余數(shù)就說明沒有錯誤。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第23頁v使用無進位的二進制加法使用無進位的二進制加法 異或異或(XOR)操作操作v定義如下定義如下: T=要發(fā)送的要發(fā)送的n位位幀幀 M（D）=k位數(shù)據(jù)塊，位數(shù)據(jù)塊，T中的前中的前k位位 F=n-k位幀檢驗序列位幀檢驗序列FCS，T中后中后n-k位位 P=n-k+1位位的特定比特的特定比特序列，它序列，它是預(yù)定的是預(yù)定的除數(shù)除數(shù)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第24頁2n kMRQPP2nkTMRPPRRQQP2n kTMR2n kMPRTn-kn-k+1哈

13、工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第25頁哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第26頁vCRC 過程可以描述為如下 v例子, M=110011 M(X)=X5+ X4 +X+1 P=11001 P(X)=X4+ X3 +1)X(R)X(MX)X(T)X(P)X(R)X(Q)X(P)X(MXknkn13445894XXXXXX)X(P)X(MX哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第27頁多項式與除式多項式與除式例例 仍然用前面所舉的例子，對仍然用前面所舉的例子，對D = 1010001101，有，有D(X) = X9 + X7 + X3 + X2 +1，而對，而對P= 110101，有，有P(X) = X5 +

14、X4 + X2 + 1。最后得到的結(jié)果應(yīng)該是。最后得到的結(jié)果應(yīng)該是R = 01110，對應(yīng)，對應(yīng)R(X) =X3 + X2+X。下圖下圖描繪描繪了上一個例子中的二進制除法所對了上一個例子中的二進制除法所對應(yīng)的多項式除法。應(yīng)的多項式除法。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第28頁多項式與除式多項式與除式哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第29頁v差錯檢測進而整塊數(shù)據(jù)重傳不適用差錯檢測進而整塊數(shù)據(jù)重傳不適用于無線通信于無線通信v原因如下原因如下: 無線鏈路上的比特差錯率相當無線鏈路上的比特差錯率相當高高 導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)重傳導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)重傳 很長的傳播時延，單幀傳輸時間也相當長很長的傳播時延，單幀傳輸時間

15、也相當長 導(dǎo)致系統(tǒng)效率非常低導(dǎo)致系統(tǒng)效率非常低v事實上，我們希望：事實上，我們希望： 接收器能夠在接收過程中根據(jù)傳輸比特來糾正接收器能夠在接收過程中根據(jù)傳輸比特來糾正差差錯錯哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第30頁哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第31頁四種輸出的情況四種輸出的情況v沒有比特差錯沒有比特差錯v某些差錯模式，解碼器可以檢測并糾正某些差錯模式，解碼器可以檢測并糾正v某些模式，能檢測但無法糾正某些模式，能檢測但無法糾正v檢測不出來（比較少見）檢測不出來（比較少見）v差錯糾正是通過傳輸報文附加冗余信息完成的差錯糾正是通過傳輸報文附加冗余信息完成的 即即哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所 第32頁v漢