附:
一.数据通信中的主要技术指标
数据通信的任务是传输数据信息,希望达到传输速度快、出错率低、信息量大、可靠性高,并且既经济又便于使用维护。这些要求可以用下列技术指标加以描述。
1.数据传输速率 所谓数据传输速率,是指每秒能传输的二进制信息位数,单位为位/秒(bits per sec-ond),记作bps或b/s,它可由下式确定: s=1/T•log2N (bps) 式中T为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码情况)或重复周期(归零码情况),单位为秒。一个数字脉冲也称为一个码元,N为一个码元所取的有效离散值个数,也称调制电平数,N一般取2的整数次方值。若一个码元仅可取0和1两种离散值,则该码元只能携带一位(bit)二进制信息;若一个码元可取00、01、10和11四种离散值,则该码元就能携带两位二进制信息。以此类推,若一个码元可取N种离散值,则该码元便能携带log2N位二进制信息。 当一个码元仅取两种离散值时,S =(1/T),表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。由此,可以引出另一个技术指标一一'信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率,单位为波特(Baud)。信号传输速率表示单位时间内通过信道传输的码元个数,也就是信号经调制后的传输速率。若信号码元的宽度为T秒,则码元速率定义为: B=1/T (Baud) 在有些调幅和调频方式的调制解调器中,一个码元对应于一位二进制信息,即一个码元;,有两种有效离散值,此时调制速率和数据传输速率相等。但在调相的四相信号方式中,一个码元对应于两位二进制信息,即一个码元有四种有效离散值,此时调制速率只是数据传输速率的一半。由以上两式合并可得到调制速率和数据传输速率的对应关系式: S =B •log2N (bps) 或B =S/log2N(Baud) 一般在二元调制方式中,S和B都取同一值,习惯上二者是通用的。但在多元调制的情况下,必须将它们区别开来。例如采用四相调制方式,即N=4,且T=833×10-6秒,则可求出数据传输速率为: S=1/T•log2N=1/(833×10-6)•log24=2400 (bps) 而调制速率为： B=1/T=1/(833×10-6)=1200 (Baud) 通过上例可见,虽然数据传输速率和调制速率都是描述通信速度的指标,但它们是完全不同的两个概念。打个比喻来说,假如调制速率是公路上单位时间经过的卡车数,那么数据传输速率便是单位时间里经过的卡车所装运的货物箱数。如果一车装一箱货物,则单位时间经过的卡车数与单位时间里卡车所装运的货物箱数相等,如果→车装多箱货物,则单位时间经过的卡车数便小于单位时间里卡车所装运的货物箱数。
2.信道容量 信道容量表征一个信道传输数据的能力,单位也用位/秒(bps)。信道容量与数据传输速率的区别在于,前者表示信道的最大数据传输速率,是信道传输数据能力的极限,而后者则表示实际的数据传输速率。这就像公路上的最大限速值与汽车实际速度之间的关系一样,它们虽然采用相同的单位;但表征的是不同的含义。奈奎斯特(Nyquist)首先给出了无噪声情况下码元速率的极限值与信道带宽的关系: B =2•H (Baud) 其中,H是信道的带宽,也称频率范围,即信道能传输的上、下限频率的差值,单位为HZ。由此可推出表征信道数据传输能力的奈奎斯特公式: C =2•H•log2N (bpe) 此处,N仍然表示携带数据的码元可能取的离散值的个数,C即是该信道最大的数据传输速率。 由以上两式可见,对于特定的信道,其码元速率不可能超过信道带宽的两倍,但若能提高每个码元可能取的离散值的个数,则数据传输速率便可成倍提高。例如,普通电话线路的带宽约为3KHz,则其码元速率的极限值为6kBaud。若每个码元可能取的离散值的个数为16(即N=16),则最大数据传输速率可达C=2×3k×log216=24k bps。 实际的信道总要受到各种噪声的干扰,香农(Shannon)则进一步研究了受随机噪声干扰的信道的情况,给出了计算信道容量的香农舍式: C =H•log2(1+S/N) (bps) 其中,S表示信号功率,N为噪声功率,S/N则为信噪比。由于实际使用的信道的信噪比都要足够大,故常表示成10log10(S/N),以分贝(dB)为单位来计量,在使用时要特别注意。例如,信噪比为30dB,带宽为3kHZ的信道的最大数据传输速率为: C=3k×log2(1+1030/10)=3k×log2(1+1001)=30kbps. 由此可见,只要提高信道的信噪比,便可提高信道的最大数据传输速率。 需要强调的是,上述两个公式计算得到的只是信道数据传输速率的极限值,实际使用时必须留有充足的余地。
3.误码率 误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标,它定义为二进制数据位传输时出错的概率。设传输的二进制数据总数为N位,其中出错的位数为风,则误码率表示为: Pe =Ne/N 计算机网络中,一般要求误码率低于10-6,即平均每传输106位数据仅允许错一位。可若误码率达不到这个指标,可以通过差错控制方法进行检错和纠错。
二.编码技术
模拟信号：是指模拟数据在某个区间产生连续的值。例如，声音和视频就是强度 连续变化的信号。大多数用传感器收集的数据，例如温度和压力都是连续值。
数字信号：是指数字数据产生离散的值。例如，文本信息和整数。
调制解调：当需要在只能传输模拟信号的线路上传输数据信号时(例如，通过一 条公用电话线将数据从一台计算机传输到另一台计算机)，在发送方，数据开始是数字数据，但是由于电话线只能传输模拟信号，所以数据必须进行数字到模拟的转换。这个转换过程就叫作调制。在接收方需要进行模拟到数字的转换，使它还原为原来的数字数据这个过程叫作解调。整个从数字数据到模拟信号再到数字数据的过程称作调制解调。
调制解调有三种基本形式：幅移键控法(AmplitudeShift Keying，ASK)、频移键控法(Frequency Shift Keying，FSK)和相移键控法(PhaseShift Keying，PSK)。
不归零(Non-Return to Zero，NRZ)编码：在用数字信号传输数字数据时，信号的电平是根据它所代表的二进制数值决定的。一个正电压值代表1，而一个负电压值代表0，因而信号的电平依赖于它所代表的数值。
曼彻斯特编码：在曼彻斯特编码中，每个比特中间引入跳变来同时代表不同数值 和同步信息。一个负电平到正电平的跳变代表0，而一个正电平到负电平的跳变则代表1。通过这种跳变使曼彻斯特编码获得了同步信息和数字编码。
差动曼彻斯特编码：在差动曼彻斯特编码中，用两个比特之间的跳变来代表不同 的数值，在间隙中有跳变的代表0，没有跳变的代表1。比特中间的跳变只用来表示同步信息，不同的数值通过在比特间隙是否跳变来表示。
三.数据传输技术
多路复用：在计算机网络系统中，当传输介质的能力超过传输单一信号的情况时， 为了有效地利用传输系统，希望一个信道能够同时传输多路信号。多路复用，就是把许多信号在单一的传输线路上进行传输。一般普遍使用三种多路复用技术，即频分多路复用(FDM)、时分多路复用(TDM)和统计时分多路复用(STDM)。
同步传输：是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步，中间没有间断，实现这种同步方法又有自同步法和外同步法。
异步传输：是基于字节的，每字节作为一个单位通过链路传输，因为没有同步脉 冲，接收方不可能通过计时方式来预测下一个字节何时到达，因而在每个字节的开头都要附加一个0，通常称为起始位，在每个字节尾部还加上一个或多个1，被称为停止位。 单工通信：是指在通信链路上的两个站点，只能一个发送信息，另一个接收。
半双工通信：在通信链路上的两个站点都可以发送和接收信息，但是不能同时发 送和接收，当其中一个站点在发送信息时，另一个站点只能接收，反之亦然。
全双工通信：在通信链路上的两个站点可以同时发送和接收信息，即一个站点发 送信息的同时也能接收信息。
四.差错控制方法
差错的产生原因及其控制差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错,把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。 信号在物理信道中传输时线路时，线路本身电气特性造成的随即噪声、信号幅度的衰减、频和相位的畸变、电气信号在线路上产生反射造成的回音效应、相邻线路间的串扰以及各种外界因素(如大气中的闪电、开关的跳火、外界强电流磁场的变化、电源的波动等)都会造成信号的失真。在数据通信中,将会使接收端收到的二进制数位和发送端实际发送的二进制数位不一致,从而造成由"0"变成"1"或由"1"变成"0"的差错。
一般来说,传输中的差错都是由噪声引起的。噪声有两大类,一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声;另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。 热噪声引起的差错称为随机错,所引起的某位码元的差错是孤立的,与前后码元没有关系。由于物理信道在设计时,总要保证达到相当大的信噪比,以尽可能减少热噪声的影响,因而由它导致的随机错通常较少。 冲击噪声呈突发状,由其引起的差错称为突发错。冲击噪声幅度可能相当大,无法靠提高信号幅度来避免冲击噪声造成的差错,它是传输中产生差错的主要原因。冲击噪声虽然持续时间很短,但在一定的数据速率条件下,仍然会影响到一串码元。例如,一个冲击噪声(如一次电火花)持续时间为10ms,但对于4800bps的数据速率来说,就可能对连续48位数据造成影响,使它们发生差错。从突发错误发生的第一个码元到有错的最后一个码元间所有码元的个数,称为该突发错的突发长度。
数据通信中不加任何差错控制措施,直接用信道来传输数据是不可靠的。最常用的差错控制方法是差错控制编码。数据信息位在向信道发送之前,先按照某种关系附加上一定的冗余位,构成一个码字后再发送,这个过程称为差错控制编码过程。接收端收到该码字后,检查信息位和附加的冗余位之间的关系,以检查传输过程中是否有差错发生,这个过程称为校验过程。
利用差错控制编码来进行差错控制的方法基本上有两类,一类是自动请求重发ARQ(Automatic Repeat reQuest),另一类是前向纠错FEC(FOIW盯d Eπor Correction)。在ARQ方式中,接收端检测出有差错时,就设法通知发送端重发,直到正确的码字收到为止。在FEC方式中,接收端不但能发现差错,而且能确定二进制码元发生错误的位置,从而加以纠正。因此,差错控制编码又可分为检错码和纠错码。检错码是指能自动发现差错的编码,纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。 ARQ方式只使用检错码,但必须有双向信道才可能将差错信息反馈至发送端。同时,发送方要设置数据缓冲区,用以存放已发出去的数据,以便知道出差错后可以调出数据缓冲区的内容重新发送。FEC方式必须用纠错码,但它可以不需要反向信道来传递请求重发的信息,发送端也不需要存放以备重发的数据缓冲区。虽然FEC有上述优点,但由于纠错码一般说来要比检错码使用更多的冗余位,也就是说编码效率低,而且纠错设备也比检错设备复杂得多,因而除非在单向传输或实时要求特别高(FEe由于不需要重发,实时性较好)等场合外,数据通信中使用更多的还是ARQ差错控制方式。有些场合也可以将上述两者混合使用,即当码字中的差错个数在纠正能力以内时,直接进行纠正;当码字中的差错个数超出纠正能力时,则检出差错,使用重发方式来纠正差错。 衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码效率R,它是码字中信息位所占的比例。若码字中信息位为k位,编码时外加冗余位为r位,则编码后得到的码字长度为n=k+r位,由此编码效率R可表示为: R=k/n=k/(k+r) 显然,编码效率越高,即R越大,信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。
奇偶校验码、循环冗余码和海明码是几种最常用的差错控制编码方法。 *
奇偶校验码 奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中"1"的个数恒为奇数或偶数的编码方法,它是一种检错码。在实际使用时又可分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验等几种。
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