數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

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1、1.2 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 1.2.1 模擬數(shù)據(jù)通信和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信 1. 信息、數(shù)據(jù)和信號(hào) (1) 通信的目的是交換信息(Information)；信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形 或圖像；計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字、符號(hào)、圖形或圖像的組合；為了傳送這 些信息，首先要將每一個(gè)字母、數(shù)字、符號(hào)或圖形、圖像用二進(jìn)制代碼表示。 (2) 數(shù)據(jù)通信是指在不同計(jì)算機(jī)之間傳送表示字母、數(shù)字、符號(hào)或圖形、圖像的二進(jìn) 制代碼 0、 1 比特序列的過程。 ( 3) ASCII 碼 ASCII碼是目前應(yīng)用最廣泛的是美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)編碼ASCII碼(American Standard Code for

2、 Information Interchange)； ASCII碼本來是一個(gè)信息交換編碼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但后 來被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO接受，成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 646,又稱為國(guó)際5號(hào)碼。因此，它 被用于計(jì)算機(jī)內(nèi)碼，也是數(shù)據(jù)通信中的編碼標(biāo)準(zhǔn)。 ASCII碼采用7位二進(jìn)制比特編碼，可以表示128個(gè)字符。字符分為圖形字符與控制 字符兩類。圖形字符包括數(shù)字、字母、運(yùn)算符號(hào)、商用符號(hào)等。 例如：數(shù)字5的ASCII編碼為0110101；字母A的ASCII編碼為1000001 ；控制字符 用于數(shù)據(jù)通信收發(fā)雙方動(dòng)作的協(xié)調(diào)與信息格式的表示。例如，控制字符“發(fā)送結(jié)束 EOT” 的 ASCII 編碼為 000010

3、0。 2多媒體(multimedia)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用問題 在多媒體技術(shù)中，語音與圖像首先都要進(jìn)行數(shù)字化處理，并將文本、圖形、圖像與語 音的數(shù)字信息之間建立邏輯連接，集成為一個(gè)交互式系統(tǒng)；利用數(shù)字通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多 媒體信息的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)傳輸是當(dāng)前數(shù)據(jù)通信技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一；與文本、圖形信 息傳輸相比較，語音、圖像信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是：要求數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有高帶寬與低延時(shí) 的特性。 (1) 以傳送數(shù)字化的語音信號(hào)為例： *每秒鐘對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行 22,050 次取樣； *每次取樣值用 1 byte 表示； 那么單聲道每秒鐘需要傳送22,050 byte；要求數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到：0.1764Mbps；

4、雙聲 道立體聲要求數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到： 0.3528Mbps； (2) 多媒體技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，將對(duì)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的性能提出更高的要求： * 高速 高帶寬 *實(shí)時(shí)、交互 低延時(shí) 圖 1-2-1 多媒體網(wǎng)絡(luò) 對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說，它關(guān)心的是信息用什么樣的編碼體制表示出來。例如，如何用 ASCII 碼表示字母、數(shù)字與符號(hào)，如何用雙字節(jié)去表示漢字，如何表示圖形、圖像與語 音。 對(duì)于數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來說，它要研究的是如何將表示各類信息的二進(jìn)制比特序列通過傳 輸介質(zhì)，在不同計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行傳送的問題。 1.2.2 信號(hào)的表示形式 電話線上傳送的按照聲音的強(qiáng)弱幅度連續(xù)變化的電信號(hào)稱為模擬信

5、號(hào)(analog signal)； 模擬信號(hào)的信號(hào)電平是連續(xù)變化的；計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的電信號(hào)是用兩種不同的電平去表示 0、1比特序列的電壓脈沖信號(hào)，這種電信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)(dligital signal)。 按照在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘?hào)類型，可以相應(yīng)地將通信系統(tǒng)分為： *模擬通信系統(tǒng) *數(shù)字通信系統(tǒng) 傳輸就是把信號(hào)通過信道從一處傳送到另一處。不管是模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以 用模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)來表示，因而可以用這二種信號(hào)形式的任意一種來傳輸。通常， 模擬數(shù)據(jù)是時(shí)間的函數(shù)并占有一定的頻率范圍，它可直接由占有相同頻率范圍的電磁信 號(hào)表示。例如，聲音的頻譜為 20Hz-20KHz 之間，但聲音的絕

6、大部分能量都集中在 300Hz-3400Hz這一窄得多的范圍內(nèi)。在300Hz-3400Hz頻率范圍內(nèi)傳播的聲音已足夠清 晰。所以，電話系統(tǒng)也僅傳送在此頻率范圍的信號(hào)。 如果模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號(hào)表示和傳送，就需要有一個(gè)把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的設(shè) 備。如聲音，可以通過一個(gè)變換器(稱作編碼譯碼器)進(jìn)行數(shù)字化后再予以傳送，而在 線路另一端的編碼譯碼器將數(shù)字化的信號(hào)再重新構(gòu)造成模擬數(shù)據(jù)。 1. 模擬傳輸 模擬傳輸是用模擬信號(hào)傳輸?shù)囊环N方法，與信號(hào)本身所表示的是模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字?jǐn)?shù) 據(jù)無關(guān)。它們可以表示模擬數(shù)據(jù)如聲音；也可以表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，如通過調(diào)制解調(diào)器變換 后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。模擬信號(hào)傳輸一定距離后，信

7、號(hào)也會(huì)由于幅度衰減而失真。所以，模 擬信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，每隔一段距離需加放大器將信號(hào)放大。但放大器同時(shí)放大了噪 聲，因此不會(huì)消去誤差，并且誤差還是沿途積累的。對(duì)于聲音，有點(diǎn)誤差尚可辯認(rèn)，但 對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)任何一點(diǎn)微小誤差都是不充許的。 2. 數(shù)字傳輸 數(shù)字傳輸是用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，它可以直接傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)或編碼后形成的二進(jìn)制 數(shù)據(jù)，包括經(jīng)過數(shù)字化后的模擬數(shù)據(jù)，如數(shù)字化了的聲音。數(shù)字傳輸過程中，信號(hào)由于 幅度衰減而引起失真。但數(shù)字信號(hào)只包含有限個(gè)電平值，如二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)就只有二個(gè) 電平值，分別為“0”和“1”，所以，長(zhǎng)距離傳輸中，每隔一段距離，在數(shù)字信號(hào)衰減到 不能辯認(rèn)之前，加中繼器將該信號(hào)恢復(fù)

8、原電平值，再繼續(xù)傳輸，因此能保證傳輸?shù)恼_ 性。中繼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且不會(huì)產(chǎn)生積累誤差。這也是當(dāng)今采用數(shù)字傳輸方法傳輸模擬 數(shù)據(jù)的原因。 數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信是通過計(jì)算機(jī)或其他數(shù)據(jù)裝置與通信線路，完成數(shù)據(jù) 編碼信號(hào)的傳輸、轉(zhuǎn)接、存儲(chǔ)和處理的通信技術(shù)，所以數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)也就是以計(jì)算機(jī)為 中心。用通信線路連接分布在遠(yuǎn)地的終端設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)。 1.2.3 數(shù)據(jù)傳輸速率和信號(hào)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率n數(shù)據(jù)傳輸速率也稱為數(shù)據(jù)率，它的單位為比特/秒，記作bps,即每秒 能傳輸多少二進(jìn)制位的數(shù)據(jù)。其中，比特（bit）即指二進(jìn)制的位。下面簡(jiǎn)稱“位”，數(shù)據(jù) 率高低由每位所占時(shí)間決定，如果每一位所占時(shí)間脈沖寬

9、度越小，則數(shù)據(jù)率越高。 1.碼元 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，各種不同的數(shù)據(jù)和信息都是以離散的代碼形式傳輸?shù)?，而代碼又由 若干碼元組成。也就是說在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是用碼元序列表示的。這里的碼元 指的是信號(hào)碼元，它是信號(hào)的基本單元，碼元之間以寬度、位置和方向相區(qū)別。 2. 信號(hào)傳輸速率 信號(hào)傳輸速率又稱調(diào)制速率或波特率，它是對(duì)每秒內(nèi)信號(hào)在一通信信道中變化或狀態(tài) 發(fā)生轉(zhuǎn)換的次數(shù)的量度，其中狀態(tài)可以是頻率、電平或相位角等，如果信號(hào)的狀態(tài)變化 一次僅表示一個(gè)比特的數(shù)據(jù)，那么，波特率和數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)值上是相等的。 3. 波特 在通信系統(tǒng)中，信號(hào)的一次狀態(tài)變化可能傳輸一個(gè)比特位，也可能傳輸多個(gè)比特位，

10、 甚至亦有可能傳輸?shù)谋忍匚簧儆谝粋€(gè)。 信號(hào)傳輸速率（B）以波特（Baud）為單位，它等于信號(hào)調(diào)制時(shí)間間隔的倒數(shù)，即調(diào) 制速率為E=1/T（波特）其中T為碼元寬度，單位為秒。 4. 數(shù)據(jù)傳輸速率與信號(hào)傳輸速率的關(guān)系 數(shù)據(jù)傳輸速率C和信號(hào)傳輸速率（即調(diào)制速率）B不是一回事。一般情況下，它們之 間的關(guān)系可用下式表示：C：數(shù)據(jù)傳輸速率（也可稱數(shù)據(jù)率或位率），單位：bps； B： 信號(hào)傳輸速率（也可稱調(diào)制速率或波特率），單位：Baud； N：為一個(gè)碼元所具有的狀 態(tài)數(shù)，它往往取2的幕次數(shù)，在二進(jìn)制不歸零編碼方法中，脈沖的有或無就表示碼元具 有“0”和“1”二個(gè)狀態(tài)。因此由上式可求得C=B。也就是

11、說該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和 信號(hào)傳輸速率（調(diào)制速率）在數(shù)值上是相等的。 如果一個(gè)碼元具有四個(gè)狀態(tài)，則由上 式可求得C = 2B。也就是此時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率是信號(hào)傳輸速率的2倍。 數(shù)據(jù)傳輸速率（位率）與波特率之間的關(guān)系也可用下式表示：C = B

12、:Pe=Ne/N 1.2.5 基帶、寬帶和頻帶傳輸 1. 基帶傳輸 信號(hào)占有一定的頻率范圍，由計(jì)算機(jī)或終端產(chǎn)生的，頻譜從零開始，而未經(jīng)調(diào)制的數(shù) 字信號(hào)所占用的頻率范圍叫基本頻帶，簡(jiǎn)稱基帶（Base Band,縮寫為BAB）。而這種數(shù) 字信號(hào)就稱基帶信號(hào)。 2. 頻帶傳輸 頻帶傳輸，就是把二進(jìn)制電信號(hào)（數(shù)字信號(hào)）進(jìn)行調(diào)制變換，變換成能在公共電話線 上傳輸?shù)囊纛l信號(hào)（模擬信號(hào)），音頻信號(hào)在傳輸介質(zhì)中傳送到接收端后，再由調(diào)制解 調(diào)器將該音頻信號(hào)解調(diào)變換成原來的二進(jìn)制電信號(hào)，這種把數(shù)字信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后再傳 送，傳送到接收端后又經(jīng)過解調(diào)還原成原來信號(hào)的傳輸，稱為頻帶傳輸。這種頻帶傳輸 不僅克服了

13、目前許多長(zhǎng)途電話線路不能直接傳輸基帶信號(hào)的缺點(diǎn)，而且能實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用 的目的，從而提高了通信線路的利用率。但是頻帶傳輸在接收端和發(fā)送端都要設(shè)置調(diào)制 解調(diào)器。 3. 寬帶傳輸 寬帶（Broad Band，縮寫為BRB）,是指比音頻帶寬更寬的頻帶，它包括大部分電磁波 的頻譜。使用這種寬頻帶進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)，稱為寬帶傳輸系統(tǒng)，寬帶傳輸系統(tǒng)一般被分 為多個(gè)信道，每個(gè)信道6MHz，可以用作模擬電視信道、高質(zhì)音頻信道或數(shù)字信道。 基帶通常用于傳輸數(shù)字信息。而寬帶通常用于傳輸模擬信號(hào)。而且一個(gè)寬帶信道能劃 為多個(gè)邏輯信道。這樣就能把聲音、圖象和數(shù)據(jù)信息的傳輸集中在一個(gè)物理信道上進(jìn)行 傳輸。以滿足辦公自動(dòng)化

14、系統(tǒng)中電話會(huì)議、圖象傳真、電子郵件、事務(wù)處理等服務(wù)的需 要。寬帶傳輸一定是采用頻帶傳輸技術(shù)的，而頻帶傳輸不一定就是寬帶傳輸。 1.2.6 PCM 技術(shù) PCM技術(shù)就是在發(fā)送端通過對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行取樣，量化和編碼三個(gè)步驟，將模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的技術(shù)。這樣所得到的數(shù)字信號(hào)也稱為編碼脈沖，它們被發(fā)送到信道上 傳送到對(duì)方，在接收端，以發(fā)送端發(fā)送編碼脈沖的數(shù)據(jù)速率，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，譯碼， 恢復(fù)其原有幅值，重構(gòu)原模擬信號(hào)。下面具體討論P(yáng)CM技術(shù)的取樣，量化和編碼三個(gè) 步驟。 1.取樣 按取樣定理：如果對(duì)信號(hào)F（t）每隔一定的時(shí)間間隔取樣，如果取樣頻率大于信號(hào)最高有 效頻率的兩倍，則此取樣信息就

15、能包含原信號(hào)F（t）的全部信息。所以，取樣頻率為：n F = 1/T〉=2Fmax式中:F—取樣頻率T —取樣周期Fmax—原始模擬信號(hào)的最高頻 率一般，聲音數(shù)據(jù)的帶寬為4000Hz,則每秒8000次取樣，完全可以代表聲音信號(hào)的 特征。 2.量化 量化是決定取樣樣本屬于哪個(gè)量級(jí)，并按量化級(jí)將樣本幅度值取整，這時(shí)取整后的樣 本值就不是連續(xù)值了。量化過程應(yīng)先將信號(hào)分成若干量化級(jí)（如可分為8級(jí)或16級(jí)、...。）， 規(guī)定好每一級(jí)對(duì)應(yīng)的幅值范圍，再將取樣所得樣本的幅值與上述量化級(jí)幅值范圍相比較 后取整定級(jí)。 3.編碼 編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進(jìn)制碼來表示已經(jīng)量化的取樣樣本的量級(jí)。如取N個(gè)量化級(jí)，

16、則二進(jìn)制的位數(shù)應(yīng)為L(zhǎng)og2N。如量化級(jí)為8個(gè)等級(jí)，則需要有3位長(zhǎng)度編碼。經(jīng)過編 碼后，每個(gè)取樣樣本就由相應(yīng)的編碼脈沖來表示。再將該編碼脈沖發(fā)送到信道上進(jìn)行傳 輸。當(dāng)前，聲音數(shù)字化系統(tǒng)中，分為128個(gè)等級(jí)，所以，需要有7位長(zhǎng)度編碼。聲音信 號(hào)的帶寬為4000Hz，取樣速率為每秒8000個(gè)樣本，所以，該系統(tǒng)的傳輸速率應(yīng)該為7x8 K,即56Kbps。PCM技術(shù)還可用于彩色電視信號(hào)。彩色電視信號(hào)帶寬為6MHz,取樣 速率為每秒 12M 個(gè)樣本，一個(gè)樣本用 10 位二進(jìn)制表示，那么其數(shù)據(jù)傳輸速率要求高達(dá) 120Mbps。 1.2.7 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬傳輸 將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)的基本方式有三種 *

17、振幅鍵控（ASK） *移頻鍵控（ FSK） *移相鍵控（PSK） 1. 振幅鍵控 在ASK調(diào)制方式中，載波信號(hào)的兩個(gè)不同振幅代表二進(jìn)制的兩個(gè)數(shù)值。例如，用振幅 恒定的載波的“有”、“無”代表二進(jìn)制數(shù)值，即有載波表示二進(jìn)制“1”、無載波表示二進(jìn) 制“0”。ASK方式易受突發(fā)干擾的影響，是一種不十分理想的調(diào)制方式。在傳輸聲音的 線路中，傳輸速率一般只能達(dá)到1200bps。 2. 移頻鍵控 在FSK調(diào)制方式中，載頻附近的兩個(gè)不同的頻率分量分別代表二進(jìn)制的兩個(gè)數(shù)值，其 抗干擾能力優(yōu)于ASK。在音頻線路中，傳輸速率也只有1200bpso FSK方式還常用于高 頻（3 —30MHz）無線傳輸，

18、在使用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)的局部網(wǎng)絡(luò)中，尚可使用更 高的頻率。 3. 移相鍵控 在 PSK 調(diào)制方式中,用載波信號(hào)的相位移動(dòng)來表示數(shù)據(jù)。以相鄰兩位的載波信號(hào)相差 0 度或 180 度來區(qū)別兩位是相同狀態(tài)或不同狀態(tài)，這種調(diào)制方式稱為差分相位調(diào)制，也可 以根據(jù)0或1狀態(tài)，分別給予已調(diào)信號(hào)0度或180度，這種調(diào)制方式稱為絕對(duì)相位調(diào)制。 對(duì)于只有0或180度變化的方式，稱為兩相調(diào)制；如果有四種狀態(tài)的變化，例如輸出相 位為：＋45、－45、＋135、－135 度，就稱為四相調(diào)制。在四相調(diào)制的情況下，每一次 信號(hào)調(diào)制可表示2個(gè)比特的信息，使數(shù)據(jù)傳輸速率增加一倍。PSK較FSK有更強(qiáng)的抗 干擾能力和更高

19、的效率。在音頻線路中，傳輸速率可達(dá)9600bps。 圖 1-2-2 模擬傳輸方式 1.2.8 信道容量計(jì)算 1. 奈奎斯特公式 奈奎斯特在1924年推導(dǎo)出了一個(gè)有限帶寬無噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率的公 式。該公式為：Vmax=2Elog2N 其中：Vmax:最大數(shù)據(jù)傳輸速率；E：信道帶寬；N：信號(hào)幅度所取離散值的個(gè)數(shù), 亦即對(duì)信號(hào)幅度所分的級(jí)數(shù)，N表示在信道上傳送的信號(hào)幅度有N個(gè)可能取值。如對(duì)二 進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，N = 2,即信號(hào)幅度只有“0”和“1”兩個(gè)可能取值。若傳送的是八進(jìn)制 數(shù)，則有八個(gè)可能取值，此時(shí)N=8。 2. 香農(nóng)公式 香農(nóng)在對(duì)有噪聲信道的數(shù)據(jù)傳送進(jìn)一步研究后，于194

20、8年推出了香農(nóng)公式。熱噪聲以 信號(hào)功率與噪聲功率之比來度量，這個(gè)比值叫做信噪比。如果用S表示信號(hào)功率，N表 示噪聲功率，則信噪比為S/N。通常人們習(xí)慣使用101gS/N，來度量信噪比，其單位稱 為分貝(db)。如果S/N為10，則101g10=10，信噪比是10分貝。如果S/N為100，則 信噪比是20分貝。依此類推。 香農(nóng)公式可如下描述： 任何帶寬為HHz，信噪比為S/N的信道，其最大數(shù)據(jù)傳輸Vmax為：Vmax (bps) = Hlog2 (1+S/N)。 例如，一條帶寬為3000Hz,信噪比為30db的信道，那么101gS/N=30,則S/N=1000。 Vmax=Hlog2 (

21、1+S/N)=30001og2 (1+1000) v30000bps 1.2.9 傳輸模式 傳輸模式(Transmission Mode )定義了比特組合從一個(gè)設(shè)備傳到另一個(gè)設(shè)備的方式。 它還定義了比特是可以同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸，還是設(shè)備必須輪流地發(fā)送和接收信息。 1.串行和并行傳輸 首先，我們來區(qū)分串行和并行傳輸。 并行傳輸(Parallel Trans mission)指可以同時(shí)傳輸一組比特，每個(gè)比特使用單獨(dú)的一條 線路(導(dǎo)線)。這些線路通常被捆扎在一條電纜里。并行傳輸非常普遍，特別是用于兩 個(gè)短距離的設(shè)備之間。 最常見的例子是計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備之間的通信。其他的例子還包括CP

22、U、存儲(chǔ)器模塊 和設(shè)備控制器之間的通信。 圖 1-2-3 計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備通信 并行傳輸應(yīng)用到長(zhǎng)距離的連接上就無優(yōu)點(diǎn)可言了。首先，在長(zhǎng)距離上使用多條線路要 比使用一條單獨(dú)線路昂貴。其次，長(zhǎng)距離的傳輸要求較粗的導(dǎo)線，從而降低信號(hào)的衰減。 這時(shí)要把它們捆到一條單獨(dú)電纜里相當(dāng)困難。第三個(gè)問題涉及比特傳輸所需要的時(shí)間。 短距離時(shí)，同時(shí)發(fā)送的比特幾乎總是能夠同時(shí)收到。但長(zhǎng)距離時(shí)，導(dǎo)線上的電阻會(huì)或多 或少地阻礙比特的傳輸，從而使它們的到達(dá)稍快或稍慢，這將給接收端帶來麻煩。 串行傳輸(Serial Transmission)提供了并行傳輸以外的另一種選擇它只使用一條線路， 逐個(gè)地傳送所有的比特。它比較

23、便宜，用在長(zhǎng)距離連接中也比并行傳輸更加可靠。因?yàn)?它每次只能發(fā)送一個(gè)比特位，所以其速度也比較慢。 圖 1-2-4 串行傳輸 這種傳輸方式給發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備增加了額外的復(fù)雜性。發(fā)送方必須明確比特發(fā)送 的順序。比如說，發(fā)送一個(gè)字節(jié)的8 個(gè)比特位時(shí)，發(fā)送方必須確定是先發(fā)送高位比特還 是先發(fā)送低位比特。同樣，接收方必須知道一個(gè)目標(biāo)字節(jié)中收到的第一個(gè)比特位應(yīng)該放 在什么位置上。這個(gè)問題雖然看起來比較瑣碎，但不同的體系結(jié)構(gòu)對(duì)字節(jié)內(nèi)比特的編號(hào) 各不相同，而且如果各協(xié)議在比特的順序上無法取得一致的話，信息的傳輸將出現(xiàn)錯(cuò)誤。 2. 異步和同步傳輸 有兩種提供串行通信的方法： 異步傳輸和同步傳輸。 異

24、步傳輸(Asynchronous Transmission)指比特被劃分成小組獨(dú)立傳送。發(fā)送方可以 在任何時(shí)刻發(fā)送這些比特組，而接收方從不知道它們會(huì)在什么時(shí)候到達(dá)。 異步傳輸存在一個(gè)潛在的問題。注意接收方并不知道數(shù)據(jù)會(huì)在什么時(shí)候到達(dá)。在它檢 測(cè)到數(shù)據(jù)并作出響應(yīng)之前，第一個(gè)比特已經(jīng)過去了。這就象有人出乎意料地從后面走上 來跟你說話，而你沒來得及反應(yīng)過來，漏掉了最前面的幾個(gè)詞。因此，每次異步傳輸都 以一個(gè)開始位開頭。它通知接收方數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)了。這就給了接收方響應(yīng)、接收和緩存 數(shù)據(jù)比特的時(shí)間。在傳輸結(jié)束時(shí)，一個(gè)停止位表示一次傳輸?shù)慕K止。按照慣例，空閑(沒 有傳送數(shù)據(jù))的線路實(shí)際攜帶著一個(gè)代表二進(jìn)

25、制1的信號(hào)。開始位使信號(hào)變成0。其他 的比特位使信號(hào)隨比特值而變化。最后，停止位使信號(hào)重新變回1，該信號(hào)一直保持到 下一個(gè)開始位到達(dá)。 圖 1-2-5 異步傳輸數(shù)據(jù)幀 同步傳輸(Synchronous Transmission)的比特分組要大得多。它不是獨(dú)立地發(fā)送每個(gè) 字符，每個(gè)字符都有自己的開始位和停止位，而是把它們組合起來一起發(fā)送。我們稱這 些組合為數(shù)據(jù)幀，或簡(jiǎn)稱為幀。 圖 1-2-6 同步傳輸數(shù)據(jù)幀 數(shù)據(jù)幀的具體組織形式隨協(xié)議而定，數(shù)據(jù)幀有許多公共的特征。數(shù)據(jù)幀的第一部分包 含同步字符(SYN Character)，它是一個(gè)獨(dú)特的比特組合，用于通知接收方一個(gè)幀已經(jīng) 到達(dá)。SYN字

26、符類似于前面提到的開始位，但它還能確保接收方的采樣速度和比特的到 達(dá)速度保持一致。 接下來是控制位，可能包含下列這些元素： * 源地址，指出數(shù)據(jù)幀從哪里來。 * 目標(biāo)地址，指出數(shù)據(jù)幀到哪里去。這在數(shù)據(jù)幀必須經(jīng)過幾個(gè)節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)目的地的網(wǎng) 絡(luò) 中非常重要。每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)依據(jù)目標(biāo)地址進(jìn)行路由選擇。第 7 章將進(jìn)一步討論路由問題。 * 數(shù)據(jù)的實(shí)際字節(jié)數(shù)。 * 序列號(hào)。它用于有很多幀被傳送出去，但由于某種原因無法按順序到達(dá)目的地的情況。 * 幀類型，隨協(xié)議而定。 數(shù)據(jù)位定義了要發(fā)送的信息。字符間不需要開始位和停止位。錯(cuò)誤檢查位被用來檢測(cè) 或校正傳輸錯(cuò)誤。但接收方如何得知錯(cuò)誤的發(fā)生呢？ 發(fā)送

27、方通常要傳送由數(shù)據(jù)決定的附加比特位。如果數(shù)據(jù)發(fā)生改變，附加位將不再與之 保持一致。幀的最后一部分是一個(gè)幀結(jié)束標(biāo)記。和SYN字符一樣，它是一個(gè)獨(dú)特的比 特串，用于表示沒有別的即將到達(dá)的比特了(至少在下一幀開始之前)。 同步傳輸通常要比異步傳輸快速得多。接收方不必對(duì)每個(gè)字符進(jìn)行開始和停止的操作。 一旦檢測(cè)到SYN字符，它就在接下來的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)接收它們。另外，它的開銷也比較 少。比如說，一個(gè)典型的幀可能有500字節(jié)(即4000比特)的數(shù)據(jù)，其中包含1 00比 特的開銷(實(shí)際數(shù)值各異)。這時(shí)，增加的比特位使傳輸?shù)谋忍乜倲?shù)增加2.5%。不妨 把它和異步傳輸中25%的增值作一個(gè)比較。 3. 單工、雙工

28、和全雙工通信 討論了從一臺(tái)設(shè)備傳輸信息到另一臺(tái)設(shè)備的各種方法，它們?cè)诎l(fā)送方和接收方之 間有明確的方向性。這是一種典型的單工通信(Simplex Communication)其他的應(yīng)用要 求更高的靈活性，使得設(shè)備既可以發(fā)送，也可以接收。實(shí)現(xiàn)的方法多種多樣。有些使用 半雙工通信(Half-Duplex Communication)。這樣的設(shè)備可以發(fā)送和接收，但必須輪流 進(jìn)行。最復(fù)雜的方法是全雙工通信(Full-Duplex Communication)。這樣的設(shè)備可以同 時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。當(dāng)設(shè)備在一條線路上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它可能會(huì)收到其他的數(shù)據(jù)。雙向 通信比較復(fù)雜，特別是在網(wǎng)絡(luò)上。協(xié)議必須確保信息能被

29、正確而有序地接收，并允許設(shè) 備有效地進(jìn)行通信。 圖 1-2-7 單工、雙工和全雙工通信 1.2.10 多路復(fù)用 多路復(fù)用技術(shù)就是將多個(gè)信道的信號(hào)以一定方式組合在一根物理線路上傳送的技術(shù)。 一般可分為兩類，即頻分和時(shí)分多路復(fù)用。 1. 頻分多路復(fù)用 頻分多路復(fù)用(Frequency-Division Multiplexing, FDM )技術(shù)用于模擬信號(hào)。它最普遍 的應(yīng)用可能是在電視和無線電傳輸中。多路復(fù)用器接受來自多個(gè)源的模擬信號(hào)，每個(gè)信 號(hào)有自己獨(dú)立的帶寬。接著這些信號(hào)被組合成另一個(gè)具有更大帶寬更加復(fù)雜的信號(hào)，產(chǎn) 生的信號(hào)通過某種媒體被傳送到目的地，在那里另一個(gè)多路復(fù)用器完成分解工

30、作，把各 個(gè)信號(hào)單元分離出來。 這種多路復(fù)用的方法包含幾個(gè)步驟。首先，傳輸媒體的可用帶寬被劃分成多個(gè)分離的范 圍或信道。接著，為每個(gè)信道定義一個(gè)載波信號(hào)Carrier Signal)。與信道對(duì)應(yīng)的輸入信 號(hào)使載波信號(hào)發(fā)生改變(調(diào)制)，從而產(chǎn)生另一個(gè)信號(hào)(調(diào)制信號(hào))。在頻分多路復(fù)用的 最后一步，所有輸入的調(diào)制信號(hào)被結(jié)合成一個(gè)更加復(fù)雜的單一模擬信號(hào)。 2. 時(shí)分多路復(fù)用 和頻分多路復(fù)用一樣，時(shí)分多路復(fù)用(Time-DivisionMultiplexing, TDM)把許多輸入 信號(hào)結(jié)合起來，并一起傳送出去。但時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)用于數(shù)字信號(hào)。因此，和頻分多 路復(fù)用把信號(hào)結(jié)合成一個(gè)單一的復(fù)雜信號(hào)的

31、做法不同，時(shí)分多路復(fù)用保持了信號(hào)物理上 的獨(dú)立性，而邏輯上把它們結(jié)合在一起。 1.2.11 差錯(cuò)處理 1. 差錯(cuò)類型 一般，引起錯(cuò)誤的噪聲分兩類，一類是白噪聲，一類是沖擊噪聲，相應(yīng)地出現(xiàn)的錯(cuò)誤 也分兩類，一類是隨機(jī)錯(cuò)誤，一類是突發(fā)錯(cuò)誤。 2. 差錯(cuò)控制方法 在數(shù)據(jù)通信中采用的差錯(cuò)控制方法有三種：第一種方法稱為檢錯(cuò)反饋重發(fā)或稱自動(dòng)請(qǐng) 求重發(fā)(Automatic Repeat Request)，簡(jiǎn)寫為ARQ。在這種方法中，通信雙方中的接收 方檢測(cè)有無誤碼，如果發(fā)現(xiàn)有誤碼則利用反向信道要求發(fā)送方重發(fā)有錯(cuò)的信息。直到接 收方檢測(cè)認(rèn)為無誤碼為止。第二種方法稱為自動(dòng)糾錯(cuò)或稱前向糾錯(cuò)( Forwa

32、rd Error Control)0簡(jiǎn)寫為FEC。使用FEC方法，發(fā)送方在每一個(gè)要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊上附加足夠的 冗余信息，接收方檢測(cè)到接收幀有錯(cuò)后，根據(jù)冗余信息，通過一定的運(yùn)算，能夠推導(dǎo)出 已發(fā)出的數(shù)據(jù)是什么，從而將它糾正過來。FEC方法不使用反向信道，故稱為前向糾錯(cuò)。 第三種方法是介于前二種方法之間，稱為混合方式。在這種方式中，由于數(shù)據(jù)塊中包含 有限的冗余信息，因此僅能糾正有限范圍內(nèi)的錯(cuò)誤，如果錯(cuò)誤太多，就請(qǐng)求發(fā)送方重傳 出錯(cuò)數(shù)據(jù)。 3. 糾(檢)錯(cuò)編碼 所謂檢錯(cuò)碼是指能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的碼，所謂糾錯(cuò)碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能自動(dòng)糾 正差錯(cuò)的碼。下面討論常見的幾種檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。 (1)奇偶校

33、驗(yàn) 奇偶校驗(yàn)一般分為三種:垂直奇偶校驗(yàn)、水平奇偶校驗(yàn)、水平垂直奇偶校驗(yàn)。垂直奇偶 校驗(yàn)(VRC),又叫字符校驗(yàn)。這是一種最簡(jiǎn)單的校驗(yàn)方法，其編碼規(guī)則是以字符為單 位，在每個(gè)字符后面附加一位冗余校驗(yàn)位，構(gòu)成一個(gè)碼字，使得整個(gè)碼字代碼中V”的 個(gè)數(shù)成為偶數(shù)或奇數(shù)。如果“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)的稱為偶校驗(yàn)，而“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)的稱 為奇校驗(yàn)。 (2)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼( CRC) 計(jì)算校驗(yàn)碼的算法如下： a. 設(shè)G(X)的階為r,在待發(fā)送的m位二進(jìn)制位串后面添加［個(gè)0,使其長(zhǎng)度達(dá)到m + 『位。其相應(yīng)的多項(xiàng)式是XrM(X)。 b. 按模2除法用對(duì)應(yīng)于G(X)的位串去除對(duì)應(yīng)于XrM(X)位串。得到的余數(shù)就是校驗(yàn)碼。 按模2減法從對(duì)應(yīng)于XrM(X)位串減去余數(shù)(等于或小于r位)。結(jié)果就是要傳送的帶校 驗(yàn)碼的多項(xiàng)式T(X)0 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的基本原理是：將計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)于T(X)的位串，發(fā)送出去。當(dāng)接收 方收到該位串時(shí)，用與發(fā)送方相同的G(X)的位串去除它，如果能除盡，說明收到的編 碼信息正確。否則就是錯(cuò)誤的。把收到的正確的編碼信息，去掉r位尾部，就是應(yīng)得到 的數(shù)據(jù)信息。