1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院2007年1月第五講1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配1.3 傳輸技術(shù)1 數(shù)字信道和模擬信道2 數(shù)據(jù)信號(hào)的表示3 數(shù)據(jù)信號(hào)分析4 信道的主要性能參數(shù)5 數(shù)字信號(hào)的模擬調(diào)制6 模擬信號(hào)的數(shù)字編碼脈沖編碼調(diào)制技術(shù)7 數(shù)字編碼1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配6.模擬信號(hào)的數(shù)字編碼脈沖編碼調(diào)制技術(shù)采樣定理：要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話語音信號(hào)語音信號(hào)要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這需要經(jīng)過三個(gè)步驟：采樣：按一定間隔對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣量化：對(duì)每個(gè)樣本舍入到量化級(jí)別上編碼：對(duì)每個(gè)舍入后的樣本進(jìn)行編碼編碼后的信號(hào)稱為PCM信號(hào) (脈碼調(diào)制, Pulse C

2、ode Modulation)1.3 傳輸技術(shù)1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配 原 始 信 號(hào)011100011011001100 PCM 輸出（編碼）343314011100011011001100 PCM脈沖(量化) （有量化誤差） PAM脈沖(采樣)PCM轉(zhuǎn)換過程舉例1.3 傳輸技術(shù)6.模擬信號(hào)的數(shù)字編碼脈沖編碼調(diào)制技術(shù)3.23.92.83.41.24.2ttt1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配數(shù)字化的質(zhì)量取決于采樣頻率和測(cè)量精度。（1）采樣頻率：一秒內(nèi)的采樣次數(shù)，反映了采樣點(diǎn)之間的間隔大小。1.3 傳輸技術(shù)6.模擬信號(hào)的數(shù)字編碼脈沖編碼調(diào)制技術(shù) 原始信號(hào)(波形) PAM脈沖(采樣)fs=

3、16kHz1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配（2）測(cè)量精度：是樣本在垂直方向的精度，是樣本的量化等級(jí)，通過對(duì)波形垂直方向的等分而實(shí)現(xiàn)。常用二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示樣本的量化等級(jí)。量級(jí)越高，采樣精度越高。1.3 傳輸技術(shù)6.模擬信號(hào)的數(shù)字編碼脈沖編碼調(diào)制技術(shù)1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配1.3 傳輸技術(shù)6.模擬信號(hào)的數(shù)字編碼脈沖編碼調(diào)制技術(shù) 想一想 實(shí)際應(yīng)用中，是不是采樣頻率和測(cè)量精度越高越好？為什么？ 不是 因?yàn)椴蓸宇l率和測(cè)量精度的提高都是以存儲(chǔ)容量為代價(jià)的。1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配7. 數(shù)字編碼 目的是把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成某種數(shù)字脈沖信號(hào)。 單極性碼與雙極性碼 歸零碼與不歸零碼 曼徹斯特編碼與

4、差分曼徹斯特編碼常見的有兩類：不歸零碼和曼徹斯特編碼1.3 傳輸技術(shù)1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配7. 數(shù)字編碼各種編碼方式的特點(diǎn)： 單極性碼 只在表示“1”時(shí)才發(fā)出電流，表示“0”時(shí)不發(fā)出電流，電流只有一個(gè)極性。 雙極性碼 表示“1”時(shí)發(fā)出正電流，表示“0”時(shí)發(fā)出負(fù)電流，電流具有兩個(gè)極性。1.3 傳輸技術(shù)1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配7. 數(shù)字編碼 歸零碼（Return to Zero, RZ）每次進(jìn)行0-1變換或1-0變換時(shí)，都要在無電流處停留一下。 不歸零碼（Non-Return to Zero, NRZ）每次進(jìn)行0-1變換或1-0變換時(shí)都是直接的，不在無電流處停留。1.3 傳輸技術(shù)

5、各種編碼方式的特點(diǎn)：1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配7. 數(shù)字編碼 曼徹斯特（Manchester）編碼 每個(gè)比特周期的前半個(gè)周期傳送該比特的原碼，后半個(gè)周期傳送該比特的反碼。 差分曼徹斯特（Different Manchester）編碼 是對(duì)曼徹斯特編碼的改進(jìn)，用每一碼元開始邊界處有無躍變來區(qū)別“0”和“1”，有躍變表示為“0”，無躍變表示為“1” 。1.3 傳輸技術(shù)各種編碼方式的特點(diǎn)：1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配 0 0 1 1 0 1 0 0單極性歸零（RZ）編碼雙極性歸零（RZ）編碼單極性不歸零（NRZ）編碼高低高低高低雙極性不歸零（NRZ）編碼高低1.3 傳輸技術(shù)7. 數(shù)字編碼t

6、ttt1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配 0 0 1 1 0 1 0 0曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼雙極性不歸零（NRZ）編碼高低高低高低1.3 傳輸技術(shù)7. 數(shù)字編碼ttt1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配 評(píng)價(jià)數(shù)字信號(hào)編碼方式的優(yōu)缺點(diǎn)可以從以下幾點(diǎn)考慮： 脈沖的寬度脈沖寬度越大，信號(hào)的能量就越大，對(duì)于提高接收端的信噪比有利。 占用的頻帶寬度脈沖寬，占用的頻帶就窄，如歸零碼比不歸零碼占用的頻帶要寬。1.3 傳輸技術(shù)7. 數(shù)字編碼1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配 直流分量的成分直流分量低有利于傳輸，如雙極性碼的直流分量較低，而曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼則沒有直流分量。 自同步能力曼徹斯特碼和差分曼

7、徹斯特碼的每個(gè)碼元中都有躍變，可以提供自同步能力。如在IEEE 802.5中，正常的信號(hào)編碼都采用差分曼徹斯特碼。1.3 傳輸技術(shù)7. 數(shù)字編碼1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配 在一個(gè)信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某蓴『唾|(zhì)量，不僅取決于信道的質(zhì)量，還與信號(hào)自身的形式有關(guān)。本節(jié)介紹了不同形式的信號(hào)對(duì)傳輸質(zhì)量的影響，以及將不同的數(shù)據(jù)變換為不同形式的信號(hào)的技術(shù)。這些是傳輸技術(shù)中非常重要的內(nèi)容。1.3 傳輸技術(shù)小 結(jié)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制1. 差錯(cuò)產(chǎn)生的原因與基本對(duì)策 信號(hào)在物理信道中進(jìn)行傳輸存在差錯(cuò)，使得接收到的數(shù)據(jù)與原來發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致，稱為傳輸差錯(cuò)。 與語音、圖像傳輸不同，計(jì)算機(jī)通信要求極低的差錯(cuò)率。

8、 除了信號(hào)的衰減外，信道噪聲引起傳輸信號(hào)的畸變是產(chǎn)生差錯(cuò)的主要原因。1.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制 傳輸中的差錯(cuò)都是由噪聲引起的。 噪聲有兩大類：熱噪聲信道固有的、持續(xù)存在的沖擊噪聲 由外界特定的短暫原因所造成的1.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制 為減少傳輸差錯(cuò)，提高傳輸質(zhì)量，可以采取以下措施： 改善通信線路的質(zhì)量 采用差錯(cuò)控制技術(shù)檢測(cè)錯(cuò)誤，糾正錯(cuò)誤，把差錯(cuò)限制在盡可能小的允許范圍內(nèi)； 檢錯(cuò)碼 糾錯(cuò)碼 采用合適的差錯(cuò)控制協(xié)議1.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制2. 誤碼檢測(cè)（1）校驗(yàn)和 假定要傳輸?shù)?個(gè)數(shù)字為1、2、3、5，它們的和用十六進(jìn)制表示為B，則將和連同數(shù)據(jù)一

9、起發(fā)送，即發(fā)送0001 0010 0011 0101 1010（1235B）。接收方收到數(shù)據(jù)后，重新計(jì)算一邊數(shù)據(jù)的和，如果非B，說明傳輸中發(fā)生了錯(cuò)誤。 1.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制2. 誤碼檢測(cè)校驗(yàn)和漏檢的例子B校驗(yàn)和50101300112001010001發(fā)送的數(shù)據(jù)B校驗(yàn)和10001501013001120010接收到的數(shù)據(jù)1.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制（2）循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC） 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC，Cyclic Redundancy Code)是一種能力相當(dāng)強(qiáng)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)碼。它是采用多項(xiàng)式的編碼方式，這種方法把要發(fā)送的數(shù)據(jù)看成是一個(gè)多項(xiàng)式的系數(shù)，數(shù)據(jù)為Cn

10、-1Cn-2CC (其中為0或1)，則其對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式為 Cn-1xn-1+Cn-2xn-2+Cx+C0 例如：數(shù)據(jù)“10010101”可以寫為多項(xiàng)式x+x+x2+1。1.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制 循環(huán)冗余校驗(yàn)方法的原理如下： (1) 設(shè)要發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式為M(x)。 (2) 發(fā)送方和接收方約定一個(gè)生成多項(xiàng)式G(x)，設(shè)該生成多項(xiàng)式的最高次冪為k。 (3) 在數(shù)據(jù)塊的末尾添加k個(gè)0，則其相對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式為M(x)=M(x)xk。（左移k位） (4) 用M(x)除以G(x)(模2除)，獲得商Q(x)和余式R(x)，則M(x)=Q(x)G(x)+R(x)。 (5) 采用模2加運(yùn)算，

11、計(jì)算T(x)=M(x)+R(x)，即形成循環(huán)冗余校驗(yàn)碼T(x)。1.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制 (6) 發(fā)送T(x)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。 (7) 設(shè)接收端接收到的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式為T(x)，將T(x)除以G(x)，若余式為0，則認(rèn)為沒有錯(cuò)誤，否則認(rèn)為有錯(cuò)。即若T(x)=T(x)，則 T(x)/G(x)=Q(x)G(x)+R(x)+R(x)/G(x) =Q(x)G(x)/G(x)=Q(x) 余式為0。若T(x)T(x)，余式不為0。 根據(jù)模2加的規(guī)則，兩數(shù)相同為0，兩數(shù)相異為1。故有R(x)+R(x)= R(x)+-R(x)=01.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制例子：對(duì)四位有效信息

12、1100做循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，選擇生成多項(xiàng)式G(x)為1011（k=3）(1) M(x)=x3+x2 (=C3x3+C2x2+Cx+C)(2) M(x)x3=x6+x5=1100000(k=3,左移三位)(3) 模2除， M(x)xk/ G(x)=1100000/1011 =1110+010/1011，即余數(shù)R(x)=010 1 1 1 0 商1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 余數(shù)(4) 模2加，得到T(x)= M(x)x3+R(x) =1100000+010=11

13、00010。1.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制CRC循環(huán)碼的出錯(cuò)模式（G（x） =1011）D7D6D5D4D3D2D1余數(shù)出錯(cuò)位正確1100010000錯(cuò)誤110001100111100000010211001101003110101001141110010110510000101116010001010171.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制“循環(huán)碼”的來歷。【例】G(x)1011，M(x)1100，若接收端收到的碼字為1100110，用G(x)1011做模2除得到一個(gè)不為0的余數(shù)100，說明D3位傳輸有錯(cuò)。將此余數(shù)繼續(xù)補(bǔ)0用G(x)1011作模2除，同時(shí)讓碼字循環(huán)左移。做了

14、4次后，得到余數(shù)為101，這時(shí)碼字也循環(huán)左移4位。說明出錯(cuò)位已移到最高位D7位，將最高位1取反后再將它循環(huán)左移3位，補(bǔ)足7次，出錯(cuò)位回到D3位，就成為一個(gè)正確的碼字1100010。1.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制生成多項(xiàng)式G(x)應(yīng)滿足的要求： 最高位和最低位同時(shí)為1； 任何一位發(fā)生錯(cuò)誤都應(yīng)使余數(shù)不為0； 不同位發(fā)生錯(cuò)誤應(yīng)使余數(shù)不同； 對(duì)余數(shù)繼續(xù)做模2除運(yùn)算應(yīng)使余數(shù)循環(huán)。1.3 傳輸技術(shù)1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制常用的標(biāo)準(zhǔn)生成多項(xiàng)式有以下幾種：CRC-ITU-T: G(x)=x16+x12+x+1CRC-12: G(x)=x12+x11+x+x+x+1CRC-16: G(x)=x16

15、+x15+x+1CRC-32:G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x+x+x+x+x+x+11.3 傳輸技術(shù)1.3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)與信道的匹配 說明最基本的幾種調(diào)制方法的特點(diǎn)。 試?yán)L出二進(jìn)制數(shù)據(jù)01011001的下列編碼波形： 單極性不歸零編碼； 雙極性歸零編碼； 曼徹斯特編碼； 差分曼徹斯特編碼。 數(shù)字信號(hào)的編碼方式有哪幾種？1.3 傳輸技術(shù)習(xí)題與思考題1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制3. 差錯(cuò)控制協(xié)議 在計(jì)算機(jī)通信中，一般都要求有極低的比特差錯(cuò)率。為此廣泛地使用了編碼技術(shù)，主要有兩大類：前向糾錯(cuò)：開銷較大，不適合于計(jì)算機(jī)通信。檢錯(cuò)重發(fā)：在計(jì)算機(jī)通信中是最常用的

16、。 由于發(fā)送方對(duì)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重復(fù)是自動(dòng)進(jìn)行的，所以這種差錯(cuò)控制體制常簡(jiǎn)稱為ARQ（Automatic Repeat reQuest），直譯是自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求，意思是自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)。1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制（1）停等ARQ協(xié)議 基本原理是發(fā)送方根據(jù)應(yīng)答信號(hào)來確定接下來發(fā)送數(shù)據(jù)幀的情況。DATA0ACKACKACKDATA2DATA1出錯(cuò)a) 正常情況b) 數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)送主機(jī)AB送主機(jī)送主機(jī)DATA0ACKNAKACKDATA1DATA1送主機(jī)AB送主機(jī)重傳1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制DATA0ACKACKDATA1DATA1丟失DATA0ACKACKACKDATA1DATA1丟失c) 數(shù)據(jù)幀丟失d)

17、 應(yīng)答幀丟失送主機(jī)送主機(jī)丟棄送主機(jī)送主機(jī)AABBtouttout（1）停等ARQ協(xié)議要解決的兩個(gè)問題1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制 優(yōu)點(diǎn)：比較簡(jiǎn)單 。 缺點(diǎn)：通信信道的利用率不高，也就是說，信道還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被數(shù)據(jù)比特填滿。 為了克服這一缺點(diǎn)，就產(chǎn)生了另外兩種協(xié)議，即連續(xù) ARQ 和選擇重傳 ARQ。停止等待協(xié)議 ARQ 的優(yōu)缺點(diǎn) 1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制提示停止等待ARQ協(xié)議的信道利用率不高。解決思路允許發(fā)送方不等確認(rèn)幀返回就連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀連續(xù)ARQ協(xié)議的基本思想。（2）連續(xù)ARQ協(xié)議允許多少幀？這要引入一定的技術(shù)（算法）加以控制1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制 在發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，不是停下來等待應(yīng)答幀（ACK），而是可以連續(xù)再發(fā)送若干個(gè)數(shù)據(jù)幀。 如果這時(shí)收到了接收方發(fā)來的確認(rèn)幀，那么還可以接著發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 由于減少了等待時(shí)間，整個(gè)通信的吞吐量就提高了。 若傳輸信道的傳輸質(zhì)量很差因而誤碼率較大時(shí)，連續(xù)ARQ不一定優(yōu)于停止等待協(xié)議。連續(xù)ARQ協(xié)議的基本原理1.3.4 差錯(cuò)檢測(cè)與控制DATA1DATA2DATA3DATA4DATA5重傳 DATA2重傳 DATA3ACK1ACK1 確認(rèn) DATA1DATA2 出錯(cuò)，丟棄DATA3 不按序，丟棄DATA4 不按序，丟棄DATA5 不按序，丟棄ACK2ACK2 確認(rèn) DATA2ACK3 確認(rèn) DATA3ACK3重傳 DATA5重傳 DA