02 通信基礎(chǔ) 網(wǎng)絡(luò)工程師培訓(xùn) 主要知識點 基本概念模擬信號與數(shù)字信號 模擬信號是連續(xù)變化的量 數(shù)字信號是離散的量 基本概念周期信號 如果一個信號能在一個可測定的時間內(nèi) 以同樣長短的周期不斷重復(fù)同一個完整的模式 則稱這個信號為周期性信號 如果一個信號在隨時間不斷變化的過程中沒有任何固定的模式和波形重復(fù)出現(xiàn) 則這個信號就是非周期性信號 周期信號也可以分為周期模擬信號和周期數(shù)字信號 基本概念信號的三要素 信號的三要素是 振幅A周期T 或頻率f 相位 基本概念簡單信號和復(fù)合信號 模擬信號可以分為簡單信號和復(fù)合信號 簡單模擬信號不能再分解 而復(fù)合信號可以被分解為多個簡單信號 a 簡單信號 b 復(fù)合信號 基本概念數(shù)字信號分解 一個數(shù)字信號可以被分解為無窮多個簡單的正弦波 或余弦波 這個簡單的正弦波 或余弦波 叫做諧波 每個諧波都有不同的振幅 頻率和相位 當(dāng)在傳輸介質(zhì)上發(fā)送數(shù)字信號時 其實是在發(fā)送多個簡單信號 基本概念波特率 比特率與碼元 波特率 BaudRate 是指單位時間內(nèi)信號波形所能達(dá)到的最大變換次數(shù) 單位為赫茲 Hz 信號波形的變換實質(zhì)上是表示信號的函數(shù)發(fā)生了改變 即示正弦諧波的三要素 振幅 頻率和相位中的某一元素發(fā)生變化 單位時間內(nèi)在信道上傳送的數(shù)據(jù)量 即比特數(shù) 稱為數(shù)據(jù)速率 又稱為比特率 其單位為bps或b s 在數(shù)字信號中 一個數(shù)字脈沖稱為一個碼元 Symbol 一次脈沖的持續(xù)時間稱為碼元的寬度 碼元速率 SymbolRate 表示單位時間內(nèi)信號波形的最大的變換次數(shù) 即單位時間內(nèi)通過信道的碼元個數(shù) 碼元速率即數(shù)字信號中的波特率 所以碼元速率的單位也為波特 看圖答問 下圖是一個典型的正弦波 請問它的波特率是多少 1秒 基本概念頻譜與帶寬 如果一個復(fù)合信號可以分解為多個諧波 每個諧波是原信號的分量 都有振幅 頻率和相位三個要素 信號頻譜是信號的所有分量的頻率的集合 帶寬 Broad 是頻譜的寬度 即頻譜中最高頻率與最低頻率的差值 帶寬的單位是赫茲 Hz 與頻率的單位相同 例如 一個周期信號可分解為五個頻率為100Hz 200Hz 400Hz 500Hz和800Hz的正弦波 則最高頻率fh 800Hz 最低頻率fl 100Hz 帶寬B fh fl 800Hz 100Hz 700Hz 基本概念介質(zhì)帶寬與有效帶寬 傳輸介質(zhì)在傳送信號時只能傳送某個頻率范圍內(nèi)的信號 這個頻率范圍的寬度便是介質(zhì)帶寬 即介質(zhì)所能傳送信號的最高頻率與最低頻率的差值 介質(zhì)帶寬是由介質(zhì)本身所決定的 它是介質(zhì)的一個物理性質(zhì) 數(shù)字信號與模擬信號的頻譜包括不同振幅的多個 甚至無窮多個 頻率 但在傳輸時不可能傳輸原始信號頻譜的全部頻率 而只是傳輸那些具有重要振幅的分量 這一部分被傳輸?shù)姆至康念l率組成的頻譜叫做有效頻譜 其帶寬為有效帶寬 基本概念傳輸模式 基本概念通信模式 數(shù)據(jù)通信理論基礎(chǔ)傅立葉分析 任何正常的周期為T的函數(shù)f t 都可以展開成多個 甚至無限個正弦和余弦函數(shù) 在通信中的意義是 任何一個周期信號 無論它有多么復(fù)雜 總可以被分解為多個 甚至無限個簡單信號 數(shù)據(jù)通信理論基礎(chǔ)尼奎斯特定理 當(dāng)一個無噪音的帶寬為3KHz的信道傳輸二進(jìn)制信號時 其最大數(shù)據(jù)傳輸速率 即比特率 不會超過6000bps 若信號包含八個離散級數(shù) 則 最大數(shù)據(jù)傳輸速率 2 3K log28bps 6K 3bps 18Kbps 尼奎斯特定理用于計算理想信道 無噪音信道 的最大數(shù)據(jù)傳輸速率 最大數(shù)據(jù)傳輸速率 2Hlog2VbpsH 信道帶寬 V 信號有效離散級數(shù) 數(shù)據(jù)通信理論基礎(chǔ)香農(nóng)公式 在實際情況下 由于信噪比的值太大 通常用分貝 decibel dB 來描述 分貝值與信噪比有如下的關(guān)系 dB 10log10S N在一條帶寬為3000Hz 信噪比為30dB的信道中 信道上的最大傳輸率不超過30Kbps 其計算過程如下 先求出信噪比S N 由30 10log10S N 得log10S N 3 所以S N 103 1000 最大傳輸率 Hlog2 1 S N bps 3000log2 1 1000 bps 3000 9 97bps 299100bps 30Kbps 香農(nóng)公式用于計算有噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率 最大數(shù)據(jù)傳輸速率 Hlog2 1 S N bpsH 信道帶寬 S N 信噪比 同軸電纜主要用兩種 基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜 基帶同軸電纜是特性阻抗為50 的同軸電纜 用于數(shù)字信號的傳輸 是局域網(wǎng)中常用的同軸電纜 基帶同軸電纜又可分為粗同軸電纜 簡稱粗纜 如RG 8粗纜 RG 11粗纜等 和細(xì)同軸電纜 簡稱細(xì)纜 如RG 58細(xì)纜 寬帶同軸電纜是特性阻抗為75 的同軸電纜 用于傳輸模擬信號 寬帶同軸電纜常用于CATV CommunityAntennaTelevision 有線電視 網(wǎng)絡(luò) 因此被稱為CATV電纜 規(guī)格為RG 59 傳輸介質(zhì)同軸電纜 粗纜適用于大型局域網(wǎng) 它傳輸距離長 可靠性高 安裝時不需要切斷電纜 只須用夾板裝置夾在計算機(jī)需要連接的位置 細(xì)纜安裝則比較簡單 造價也較便宜 但安裝過程要切斷電纜 兩頭須裝上BNC接口 然后接在T型連接器兩端 傳輸介質(zhì)基帶同軸電纜 粗同軸電纜連接方法可見 雙絞線按其保護(hù)層外面是否含有金屬層 可分為UTP UnshieldedTwistedPair 非屏蔽雙絞線 和STP ShieldedTwistedPair 屏蔽雙絞線 STP在保護(hù)層里面套有一層鉛箔層 其作用是為了降低外界的電磁干擾 相對于UTP STP的抗干擾能力強(qiáng) 保密性好 不易被竊聽 且其傳輸速率也較快 但STP的價錢相對要貴一些 傳輸介質(zhì)雙絞線 傳輸媒介雙絞線的類別 光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱 是由纖芯 包層和涂覆層組成的 光纖的纖芯是由能傳播光的石英玻璃或特制塑料拉成的柔軟細(xì)絲 包層是涂在纖芯外的一層折射率比光纖纖芯低的材料 當(dāng)入射光以一定的角度射入纖芯后 會在纖芯與包層的交界處發(fā)生全反射 經(jīng)過這樣的若干次全反射之后 光線就損耗極少地到達(dá)光纖的另一端 傳輸介質(zhì)光纖 光線在光纖信道中的傳播模式有兩種 多模傳播與單模傳播 模 是指光線的入射角 多模傳播又可分別兩種類型 階躍模式和漸變模式 常用多模光纖中主要有Ala類50 125 m和Alb類62 5 125 m兩種類型 單模光纖的尺寸主要為8 m 125 m 傳輸介質(zhì)光纖 無線電傳輸微波傳輸衛(wèi)星傳輸紅外線傳輸激光傳輸 傳輸介質(zhì)無線傳輸 編碼與傳輸 在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時 必須將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號或模擬信號 以便于在信道上傳輸 由于數(shù)據(jù)源可以是模擬數(shù)據(jù) 也可以是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 所以共有四種編碼方式 數(shù)字 數(shù)字編碼關(guān)鍵問題 直流分量 當(dāng)傳輸信號的平均振幅不是零時 這將產(chǎn)生直流分量 頻率為0的分量 當(dāng)信號含有直流分量 它不能由沒有處理直流分量的媒體傳輸 例如微波或變壓器 同步 當(dāng)一個信號不發(fā)生改變時 接受方無法知曉每比特的開始和結(jié)束 如果傳輸延時或噪聲使信號發(fā)生扭曲 將導(dǎo)致接收方無法正確接收數(shù)據(jù) 數(shù)字 數(shù)字編碼常見類別 數(shù)字 數(shù)字編碼是用數(shù)字信號來表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 在數(shù)字線路中傳輸 脈沖的極性是電壓的正負(fù) 單極性編碼只使用了電壓的一極 單極性編碼實現(xiàn)簡單 但它會出現(xiàn)兩個問題 直流分量和同步控制問題 數(shù)字 數(shù)字編碼單極性編碼 采用兩個電壓值 正電壓與負(fù)電壓 信號的電平是由它所代表的比特位決定的 正電壓代表比特1 負(fù)電壓代表比特0 減輕了直流分量問題 沒有解決同步控制問題 數(shù)字 數(shù)字編碼NRZ L NonReturn to Zero Level 非歸零電平編碼 信號電平的一次反轉(zhuǎn)代表比特1 沒有電平變化代表比特0 減輕了直流分量問題 解決了傳送 1 時的同步控制問題 但沒有解決傳送 0 時的同步控制問題 可以通過進(jìn)一步的編碼 例如4B 5B編碼 解決傳送 0 時的同步控制問題 數(shù)字 數(shù)字編碼NRZ I NonReturn to ZeroInvert 非歸零反相編碼 正電平代表比特1 負(fù)電平代表比特0 任何比特間隙的中間 信號將歸零 減輕了直流分量問題 解決了同步控制問題 但由于每個比特位需要兩次信號變化 從而增加了信號占用的帶寬 數(shù)字 數(shù)字編碼RZ Return to Zero 歸零編碼 曼徹斯特編碼在每個比特間隙中間的電平跳變來同時代表比特位和同步信息 負(fù)電平到正電平的跳變代表比特1 而正電平到負(fù)電平的跳變則代表比特0 當(dāng)然 反過來也是可以的 只要通信雙方采用相同的定義規(guī)則就可以了 解決了直流分量問題 解決了同步控制問題 但由于每個比特位需要兩次信號變化 從而增加了信號占用的帶寬 數(shù)字 數(shù)字編碼曼徹斯特編碼 ManchesterEncoding 差分曼徹斯特編碼的比特間隙中間的跳變僅用于攜帶同步信息 每比特的開始位置沒有電平跳變表示比特1 有電平跳變表示比特0 解決了直流分量問題 解決了同步控制問題 但由于每個比特位需要兩次信號變化 從而增加了信號占用的帶寬 數(shù)字 數(shù)字編碼差分曼徹斯特編碼 DifferentialManchesterEncoding 零電平代表二進(jìn)制0 正負(fù)電平交替代表比特1 解決了直流分量問題 電平交替變換的比特1可以進(jìn)行同步 但對于連續(xù)的比特0則沒能提供同步機(jī)制 數(shù)字 數(shù)字編碼AMI AlternateMarkInversion 信號交替反轉(zhuǎn)碼 模擬 數(shù)字編碼 模擬 數(shù)字編碼是用數(shù)字信號來表示模擬數(shù)據(jù) 即模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化 既可用于模擬信號的數(shù)字傳輸 也可以用于模擬信號的數(shù)字處理 如數(shù)字化音頻 數(shù)字化視頻 模擬 數(shù)字編碼最常見的技術(shù)是PCM 它以PAM PulseAmplitudeModulation 脈沖振幅調(diào)制 技術(shù)為基礎(chǔ) PCM技術(shù)包括三個獨立的過程 脈沖振幅調(diào)制 即采樣 量化和二進(jìn)制編碼 采樣密度和量化等級是影響誤差的最關(guān)鍵因素 模擬 數(shù)字編碼PCM PulseCodeModulation 脈沖編碼調(diào)制 數(shù)字 模擬編碼 數(shù)字 模擬編碼是用模擬信號來表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 一個正弦波 或余弦波 可由其三要素確定 振幅 頻率和相位 當(dāng)其中的任一要素改變時 相位改變不為周期的整數(shù)倍 其波形就會改變 利用模擬信號的波形變化 可以用來表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 數(shù)字 模擬編碼主要技術(shù) 在模擬傳輸中 發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生一個高頻信號作為基波來承裁信息信號 這個基波稱為載波信號或載波頻率 接收設(shè)備調(diào)整自己的接收頻率與載波信號一致 數(shù)字信息通過改變載波信號的一個或多個要素 振幅 頻率和相位 被調(diào)制到載波信號上 載波信號的波形的改變稱為移動鍵控 ShiftKeying 調(diào)制后的信息信號稱為調(diào)制信號 根據(jù)載波信號要素的改變方式 數(shù)字 模擬編碼主要技術(shù)有以下四種 數(shù)字 模擬編碼ASK AmplitudeShiftKeying 幅移鍵控 通過改變振幅的大小來表示二進(jìn)制0 1的 而頻率和相位則保持不變 ASK編碼實現(xiàn)簡單 但由于振幅很容易受噪聲的影響 故其抗干擾性差 振幅的等級越多 每次改變時可表示的二進(jìn)制數(shù)據(jù)越多 例如 4個振幅等級 每次改變可以表示2個比特 8個振幅等級 每次改變可以表示3個比特 2n個振幅等級 每次改變可以表示n個比特 數(shù)字 模擬編碼FSK FrequencyShiftKeying 頻移鍵控 FSK是通過改變信號的頻率來表示二進(jìn)制0 1的 而振幅和相位則保持不變 在每個比特時延中信號的頻率是一個常數(shù) 由于噪聲對頻率的影響很小 故FSK的抗干擾性要比ASK強(qiáng)些 但由于FSK技術(shù)是通過改變頻率來表示二進(jìn)制的 因此FSK技術(shù)會受到介質(zhì)帶寬的影響 數(shù)字 模擬編碼PSK PhaseShiftKeying 相移鍵控 PSK是通過改變信號的相位來表示二進(jìn)制0 1的 而振幅和頻率則保持不變 相位的等級越多 每次改變時可表示的二進(jìn)制數(shù)據(jù)越多 例如 4個相位等級 每次改變可以表示2個比特 稱為4 PSK 8個相位等級 每次改變可以表示3個比特 稱為8 PSK 2n個相位等級 每次改變可以表示n個比特 稱為2n PSK 數(shù)字 模擬編碼星座表與星座圖 星座表可以用列表的方式記錄相移鍵控的相位值 星座圖可以用坐標(biāo)的方式記錄相移鍵控的相位值 2 PSK 4 PSK 數(shù)字 模擬編碼QAM QuadratureAmplitudeModulation 正交調(diào)幅 正交調(diào)幅編碼技術(shù)是將幅移鍵控和相移鍵控以某種方式結(jié)合起來的一種編碼技術(shù) 以求得到更多的信號狀態(tài) 模擬 模擬編碼 模擬 模擬編碼是用模擬信號來表示模擬數(shù)據(jù) 模擬 模擬通信的典型例子就是收聽無線電臺的無線電波信號 使用模擬信號來傳輸模擬數(shù)據(jù)仍需要調(diào)制的主要原因有兩個 一是為了實現(xiàn)傳輸?shù)挠行?可能需要較高的頻率 二是通過調(diào)制就可以使用頻分復(fù)用技術(shù) 模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制技術(shù)主要有三種 調(diào)幅 AmplitudeModulation AM 調(diào)頻 FrequencyModulation FM 以及調(diào)相 PhaseModulation PM 多路復(fù)用 為了有效地利用傳輸系統(tǒng) 把多路信號放在同一個媒體上進(jìn)行傳輸 就是多路復(fù)用 多路復(fù)用技術(shù)主要有三種 用于模擬信道傳輸 在信道的可用頻帶 帶寬 上同時傳輸多個頻率不同的模擬信號 每路信號占據(jù)其中一個頻段 接收方用適當(dāng)?shù)臑V波器將多路信號分開 再分別進(jìn)行解調(diào)和終端處理 最常見的例子就是有線電視系統(tǒng) CATV 中的信號轉(zhuǎn)輸 多路復(fù)用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 頻分多路復(fù)用 用于數(shù)字信道傳輸 將使用信道的時間分成一個個的時間片 時隙 按一定規(guī)則將這些時間片分配給各路信號 每一路信號只能在自己的時間片內(nèi)獨占信道進(jìn)行傳輸 時分多路復(fù)用技術(shù)又分為同步時分多路復(fù)用和統(tǒng)計時分多路復(fù)用 統(tǒng)計時分多路復(fù)用根據(jù)用戶實際需要動態(tài)分配線路資源 效率更高 多路復(fù)用TDM TimeDivisionMultiplexing 時分多路復(fù)用 用于光纖傳輸 是FDM的一個變例 利用波分復(fù)用設(shè)備將不同信道的信號調(diào)制成不同波長的光 并復(fù)用到光纖信道上 接收方采用波分設(shè)備分離不同波長的光 多路復(fù)用WDM WaveLengthDivisionMultiplexing 波分多路復(fù)用 接收方為了能夠正確讀取發(fā)送方發(fā)出的數(shù)據(jù) 必須清楚數(shù)據(jù)幀發(fā)送的開始位置和結(jié)束位置 這就需要同步控制 異步傳輸以字節(jié)為單位傳輸數(shù)據(jù) 采用比特形式的同步信號 發(fā)送端和接收方具有相互獨立的時鐘 并且兩者中任一方都不向?qū)Ψ教峁r鐘同步信號 同步傳輸以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù) 采用字節(jié)形式或位組合形式的同步信號 由發(fā)送端或接收方提供專用于同步的時鐘信號 同步控制 同步控制 接收方為了能夠正確讀取發(fā)送方發(fā)出的數(shù)據(jù) 必須清楚數(shù)據(jù)幀發(fā)送的開始位置和結(jié)束位置 這就需要同步控制 多路復(fù)用技術(shù)主要有三種 起停同步控制 字符逐一傳輸 并且傳送一個字符時總是以起始位開始 以停止位結(jié)束 字符之間沒有固定的時間間隔要求 例如 SYN同步控制 一次傳送由若干個字符組成的數(shù)據(jù)幀 而不是只傳送一個字符 采用SYN SOH STX ETX等特殊字符進(jìn)行同步控制 如果被傳送數(shù)據(jù)中包含同步控制使用特殊字符 需要進(jìn)行轉(zhuǎn)義 或者稱為字符填充 例如IBM公司的二進(jìn)制同步傳輸協(xié)議BSC 標(biāo)志同步控制 一次傳送由任意比特組成的數(shù)據(jù)幀 而不是單個字符 靠約定的比特組合模式標(biāo)志幀的開始和結(jié)束 如果被傳送數(shù)據(jù)中包含同步控制使用的比特組合 需要進(jìn)行比特填充以避免混淆 例如HDLC HighLevelDataLinkControl 高級數(shù)據(jù)鏈路控制 物理層編碼違例同步控制 適用于那些在物理介質(zhì)的編碼策略中采用冗余技術(shù)的網(wǎng)絡(luò) 以特殊的非數(shù)據(jù)信號表示幀的開始和結(jié)束 例如使用差分曼徹斯特編碼的令牌環(huán)網(wǎng) 交換技術(shù) 電路交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā) 電路交換方式就是在兩個站點之間建立一條專用的通信通路 優(yōu)點是傳輸迅速 延遲穩(wěn)定并且保持發(fā)送時的傳輸次序 缺點是線路利用率低 存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換不需要建立起物理的接續(xù)通路 而是以接力方式 數(shù)據(jù)報根據(jù)報頭信息在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間逐段傳送 直到目的節(jié)點 優(yōu)點是線路利用率高 相對電路交換 傳輸速率低 延遲不穩(wěn)定 而且不一定能保持發(fā)送時的次序 空分交換與時分交換 空分交換就是不同信號通路之間從物理上被分隔開 空間分隔 的交換 時分交換實際上是時分多路復(fù)用 TDM 技術(shù)在交換系統(tǒng)的應(yīng)用 報文交換與分組交換 報文交換中 報文完整地在網(wǎng)絡(luò)中逐個節(jié)點地向前傳送 報文越大傳輸延遲越大 并且出錯重傳的代價越大 分組交換中 發(fā)送節(jié)點將大的報文分割為若干個小的分組 再進(jìn)行傳輸 接收方最后再重組報文 與報文交換相比 分組交換的傳輸延遲相對較小 出錯重傳的代價相對較低 與報文交換相比 分組交換增加了傳輸?shù)拈_銷 虛電路交換與數(shù)字報交換 在數(shù)據(jù)報交換中 每個分組被獨立處理 分組到達(dá)目的地的順序可能和發(fā)送的順序不一致 目的節(jié)點必須對收到的分組重新排序以恢復(fù)原來的信息 難以進(jìn)行流量控制和差錯控制 因此傳輸?shù)目煽啃韵鄬^低 虛電路通信之前 要在發(fā)送節(jié)點和目的節(jié)點之間建立一條邏輯的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)信道 該信道是通過各中間節(jié)點交換機(jī)的路由表映射功能實現(xiàn)的 因此又稱為虛電路 與數(shù)據(jù)報交換相比 雖然增加了虛電路管理方面的工作 但每個分組無需單獨進(jìn)行路由計算 可以減少中間節(jié)點的處理時間 另外 虛電路交換方式能更方便地實現(xiàn)流量控制和差錯控制 交換虛電路與永久虛電路 虛電路可以是暫時的 即會話開始建立 會話結(jié)束拆除 這叫做交換虛電路 SVC SwitchedVirtualCircuit 或呼叫虛電路 在某些情況下 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對信息流量的控制較好且不擁擠時 可考慮采用永久虛電路 PVC PermanentVirtualCircuit 永久虛電路即通信雙方不管是否在通信 都永遠(yuǎn)存在一條虛電路 這種虛電路省去了虛呼叫和虛拆除的過程 幾種交換方式的比較 流量控制 流量控制技術(shù)是用來限制發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)流量 使其發(fā)送速率不要超過接收方的接收處理速率 以免 淹沒 接收方的一種技術(shù) 流量控制方案的基本原理都是相同的 比如限制發(fā)送方何時發(fā)送下一數(shù)據(jù) 在未獲得接收方允許前 禁止發(fā)送數(shù)據(jù)等 通常 接收方都會維護(hù)一個一定大小的緩沖區(qū) 當(dāng)有數(shù)據(jù)到來時 接收方一般先把數(shù)據(jù)緩存起來 然后進(jìn)行處理 處理完后清除緩沖區(qū) 開始接收下一批數(shù)據(jù) 常見的流量控制協(xié)議有停等協(xié)議和滑動窗口協(xié)議 停等協(xié)議在傳輸延遲比較大時 顯得性能比較低 采用滑動窗口協(xié)議可以在保證接收方不被 淹沒 的前提下 盡可能提高傳輸?shù)男?滑動窗口協(xié)議 滑動窗口協(xié)議與停等協(xié)議的不同是它允許連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀而無需等待應(yīng)答 其實現(xiàn)原理是 對所有數(shù)據(jù)幀按順序賦予編號 發(fā)送方在發(fā)送過程中始終保持著一個發(fā)送窗口 只有落在發(fā)送窗口內(nèi)的幀才允許被發(fā)送 同時接收方也維持著一個接收窗口 只有落在接收窗口內(nèi)的幀才允許接收 通過調(diào)整發(fā)送方窗口和接收方窗口的大小可以實現(xiàn)流量控制 就象通過閥門控制水流速度一樣 差錯控制 奇偶校驗碼 奇偶檢驗通過增加一位校驗位來使編碼中1的個數(shù)為奇數(shù) 奇校驗 或者為偶數(shù) 偶校驗 這種方法簡單實用 但只能檢查出奇數(shù)個錯誤 偶校驗 奇校驗 海明碼海明距離 一個編碼系統(tǒng)中任意兩個合法編碼 碼字 之間不同的二進(jìn)數(shù)位 bit 的個數(shù)叫這兩個碼字的海明距離 HammingDistance 也叫做碼距 例如 ASCII碼中 1 的碼字為0110001 2 的碼字為0110010 3 的碼字為0110011 則 1 與 2 之間的海明距離為2 1 與 3 之間的海明距離為1 2 與 3 之間的海明距離為1 整個編碼系統(tǒng)中任意兩個碼字的最小距離就是該編碼系統(tǒng)的海明距離 以ASCII碼為例 雖然 1 與 2 之間的海明距離為2 但 1 與 3 之間的海明距離為1 按最小距離取值 得知ASCII碼的海明距離為1 海明碼海明距離的糾錯原理 若海明距離d為奇數(shù) 如果傳輸中發(fā)生錯誤 只要每個編碼的錯誤位數(shù)不超過d 則必定不是個有效的編碼 接收方就可以將其識別出來 因此對于編碼系統(tǒng)來說 d位的海明距離則可以發(fā)現(xiàn) d 1 位錯 ASCII碼的海明距離為1 意味著ASCII碼不具備發(fā)現(xiàn)錯誤的能力 當(dāng)編碼發(fā)生錯誤時 接收方可以對編碼系統(tǒng)進(jìn)行對比 尋找與錯誤編碼最貼近 海明距離最小 的一個編碼 只要編碼中的錯誤位數(shù)不超過abs d 1 2 時 abs為取絕對值函數(shù) 與錯誤編碼最貼近的那個編碼就是錯誤編碼對應(yīng)的原始編碼 這就是海明距離的糾錯原理 海明碼海明碼的糾錯能力 海明碼將信息用邏輯形式編碼 在m個數(shù)據(jù)位之間插入r個校驗位 每一個校驗位被編在傳輸碼字的特定位置上 全部傳輸碼字由原來的信息和附加的校驗位組成 海明碼要采用這種碼字能夠糾正所有的單個錯誤 如果一個幀包含m個數(shù)據(jù)位和r個校驗位 則幀的總長度n m r 在編碼系統(tǒng)中總共有2n個碼字 其中有效碼字只有2m個 要保證有效報文各對應(yīng)n個無效的碼字 它們與該報文的距離為1 這些無效的碼字可以由有效碼字的n位逐位分別取反所得到的 從而每個有效的碼字都應(yīng)該對應(yīng)有n 1個碼字 n個無效碼字 1個有效碼字 為了使編碼系統(tǒng)能夠糾正單個錯誤 必須有2n n 1 2m 由n m r可以得出校驗位數(shù)目必須滿足2r m r 1 海明碼海明碼的編碼規(guī)則 設(shè)r個校驗位為PrPr 1 P1 m個數(shù)據(jù)位為DmDm 1 D1 海明碼為Hr mHr m 1 H1 則有 Pi在海明碼的第2i 1位置 也即Hj Pi j 2i 1 數(shù)據(jù)位則依序從低到高占據(jù)海明碼中剩下的位置 例如 對于8位數(shù)據(jù)位進(jìn)行海明校驗 根據(jù)公式需要4位校驗位 海明碼的生成方法如下表所示 其中 檢驗位在表格中用藍(lán)色背景標(biāo)示 海明碼海明碼的校驗關(guān)系 海明碼海明碼的校驗公式 海明碼海明碼的糾錯過程 按照海明碼的原理 當(dāng)碼字中出現(xiàn)一位錯誤時 海明碼能夠進(jìn)行識別和糾錯 海明碼的糾錯也需要計算檢驗4個公式 如果發(fā)現(xiàn)有一個公式的計算結(jié)果不為0 則說明該公式中的某一個位存在錯誤 如果計算結(jié)果為0 則說明該公式內(nèi)的位沒有錯誤 找到一個位 它存在于每個計算結(jié)果為 的公式 但又不存在于每個計算結(jié)果為0的公式 將該位反向 就完成了糾錯過程 CRC碼生成多項式 CRC CyclicRedundancyCode 循環(huán)冗余碼 又稱為多項式碼 PolynomialCode 它是一種基于模2運算的校驗碼 其檢錯能力非常強(qiáng) 并且容易采用硬件電路實現(xiàn) CRC編碼的基本思想將位串看成系數(shù)為0或1的多項式 一個n位的幀被看成是n 1次多項式的系數(shù)列表 最左邊是xn 1項的系數(shù) 接著是xn 2項的系數(shù) 依此類推 直到X0項的系數(shù) 例如 多項式x4 x 1相當(dāng)于1 x4 0 x3 0 x2 1 x1 1 x0 因此其對應(yīng)的二進(jìn)制串為10011 CRC碼計算方法 CRC編碼通過模2運算來建立有效信息和校驗位之間的約定關(guān)系 模2運算相當(dāng)于異或運算 計算CRC編碼前 發(fā)送方和接收方必須事先約定一個生成多項式G x 生成多項式的最高位和最低位都是1 例如 x4 x 1是一個4階的生成多項式 CRC算法的思路是將校驗和加在被校驗數(shù)據(jù)幀的末尾 使得這個帶校驗和的幀的對應(yīng)多項式M x 可以被生成多項式G x 除盡 接收方收到這個帶校驗和的幀后 如果發(fā)覺無法被G x 除盡 則說明數(shù)據(jù)出錯 CRC碼示例 計算得到CRC校驗碼為0100 CRC碼校驗?zāi)芰?主要的CRC生成多項式有 CRC 12 G x x12 x11 x3 x2 x 1CRC 16 G x x16 x15 x2 1CRC CCITT G x x16 x12 x5 1CRC 32 G x x32 x26 x23 x22 x16 x12 x11 x10 x8 x7 x5 x4 x2 x 1CRC的檢錯能力很強(qiáng) 以CRC 16或CRC CCITT為例 它可以捕捉到所有的單位錯誤和雙位錯誤 所有的奇數(shù)位數(shù)的差錯 所有長度小于或等于16位的突發(fā)差錯 99 997 的長度為17位的突發(fā)錯誤以及99 998 的長度為18位或多于18位的突發(fā)錯誤 差錯控制ARQ AutomaticRepeatRequest 自動請求重發(fā)方式 ARQ的工作原理是 發(fā)送方對所發(fā)送的序列進(jìn)行差錯編碼 接收方根據(jù)檢驗序列的編碼規(guī)則判斷有無錯誤 若發(fā)現(xiàn)錯誤 則利用反向信道要求發(fā)送方重發(fā)出錯的信息 直至接收方檢驗無誤為止 從而達(dá)到糾正差錯的目的 常用的三種形式的ARQ協(xié)議分別為停等ARQ協(xié)議 后退N幀ARQ協(xié)議和選擇重傳ARQ協(xié)議 差