工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第1頁課程題目第6講現(xiàn)場總線通信基礎(chǔ)（2）串行傳輸?shù)臅r序控制技術(shù)（同步和異步傳輸）、數(shù)據(jù)傳輸過程（單工、半雙工和全雙工傳輸）、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信的差錯類型、差錯檢測和差錯糾正課時2學(xué)時教學(xué)目的：1．了解單工、半雙工和全雙工傳輸?shù)膫鬏敺绞剑?．掌握數(shù)字通信同步技術(shù)，包括并行傳輸和串行傳輸；2．掌握錯類型、差錯檢測和差錯糾正。教學(xué)重點與難點：重點：數(shù)字通信同步技術(shù)中的異步傳輸，差錯類型、差錯檢測和差錯糾正；難點：差錯類型、差錯檢測和差錯糾正。教學(xué)方法與手段：方法：講授法；手段：課堂教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容與課時分配：1.數(shù)字通信同步技術(shù)，單工、半雙工和全雙工傳輸；1.5學(xué)時2.差錯類型、差錯檢測和差錯糾正。0.5學(xué)時教具：作業(yè)與思考：教學(xué)后記：備注教學(xué)內(nèi)容工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第2頁備注教學(xué)內(nèi)容第6講現(xiàn)場總線通信基礎(chǔ)（2）一、數(shù)字通信的同步技術(shù)按數(shù)據(jù)被同時發(fā)送或接收的位數(shù)分，數(shù)據(jù)傳輸分并行傳輸和串行傳輸。圖3-34同步技術(shù)1、并行傳輸：同時發(fā)送多位圖3-35并行傳輸2、串行傳輸：同一時刻發(fā)送一位圖3-36串行傳輸重點：串行傳輸串行傳輸，信號元素一次一個地被發(fā)送到通信介質(zhì)（通信線）上；每個信號元素與數(shù)據(jù)位數(shù)的關(guān)系，可能：少于一位，如曼徹斯特編碼；等于一位，如NRZ-L（不歸零電平）和FSK（頻移鍵控）；多于一位，如QPSK（正交相移鍵控）。為簡化討論，假設(shè)：一個信號元素就代表一位；數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的接收：接收器對到來的信號進(jìn)行每次一位（逐次逐位）的采樣，并判斷采樣值的二進(jìn)制數(shù)值；接收器為了能夠正確地逐次逐位采樣，必須知道。每個數(shù)據(jù)位的到達(dá)時刻；數(shù)據(jù)位的持續(xù)時間（位時間）。3、同步技術(shù)–定義發(fā)送器發(fā)送數(shù)字信號，接收器通過逐次逐位地采樣到來的信號而接收數(shù)據(jù)。為保證接收器能夠全部正確地接收數(shù)據(jù)，要求接收器與發(fā)送器必須同步。同步：通信雙方或多方在數(shù)據(jù)交換過程中在時間（時序）上保持步調(diào)一致。同步技術(shù)：實現(xiàn)同步的方法。若有同步問題——非步調(diào)一致，如接收器與發(fā)送器的時鐘未精確校準(zhǔn)，且接收器依據(jù)自身時鐘（自以為是地）對到來的信號采樣（一般在每個位時間的中央采樣），則數(shù)據(jù)位流足夠長時，接收器的采樣時刻就會錯位（假設(shè)接收器的時鐘快了，那么在某一時刻，接收器本該采樣第n位，實際卻采樣了(n-1)位）。兩種同步技術(shù)（方式）異步傳輸（方式）；同步傳輸（方式）。4、同步技術(shù)--異步傳輸不傳輸無中斷的長位流，以此來避免同步問題；傳輸?shù)氖且宰址麨橹饕煞郑▊鬏攦?nèi)容）的短幀（可簡稱為“字符幀”），其組成：起始位（startbit），只有1位“0”：標(biāo)志一幀的起始；字符本身，由5-8位組成：傳輸內(nèi)容（用戶數(shù)據(jù)/應(yīng)用數(shù)據(jù)）；奇偶校驗位（可有可無），只有1位：用作差錯檢測；停止位（停止元素(stopelement)），至少1位“1”：標(biāo)志一幀的結(jié)束。發(fā)送器與接收器的同步是在起始位實現(xiàn)的：接收器通過檢測到通信線（總線）上的起始位來獲知一幀的起始（到來）；在起始位后，接收器依據(jù)自身的時鐘對總線上的信號逐次逐位采樣。異步傳輸方式為位起始同步方式。異步傳輸?shù)倪^程：沒有字符幀傳輸時，總線處于空閑(idle)狀態(tài)?？臻e等同于“1”的信號元素；若用NRZ-L，空則閑狀態(tài)就是總線上為負(fù)電平。發(fā)送器字符幀時，按以下順序向總線發(fā)送信號：起始位的1位“0”；字符的5-8位（從低位開始發(fā)送）；奇偶校驗位（可有可無）的1位；停止元素的至少1位的“1”。接收器為接收字符幀，不斷采樣總線信號：當(dāng)檢測到總線電平由“1”（負(fù)電平）變?yōu)椤?”（正電平）時，即認(rèn)為檢測到了一個字符幀的起始位，（接收器與發(fā)送器實現(xiàn)了同步。）其后：依據(jù)自身的時鐘對總線上的信號逐次逐位采樣以接收數(shù)據(jù)，直到檢測到停止元素（1位的“1”（高電平））。例子：發(fā)送IRA（國際基準(zhǔn)編碼）（ASCII）的字符“A”（0101101）1起始位，7位數(shù)據(jù)位（字符），無奇偶校驗位，1位停止元素。圖3-37例題圖圖3-38同步技術(shù)-異步傳輸描述圖(c)中描繪了因時序誤差太大而導(dǎo)致接收時出現(xiàn)差錯的情況。假設(shè)數(shù)據(jù)率為10000bps(10kbps)，即位時間為0.1ms，或100μs。再假設(shè)接收器的時鐘（比發(fā)送器的時鐘（基準(zhǔn)））快6%，即1位的位時間快6μs，因此，自對起始位采樣后，接收器每隔94μs對收到的字符進(jìn)行采樣（參照發(fā)送器的時鐘），所以，最后一個樣本是錯誤的。5、異步傳輸優(yōu)點：簡單便宜。缺點：為傳輸每個字符，至少需要要求2-3位（起始位、停止位、可能有的奇偶校驗位）的額外開銷(20%)。6、同步傳輸傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊（可稱為（數(shù)據(jù)）幀）可以很長；需提供兩種級別的同步；接收器與發(fā)送器的位同步，保證接收器正確接收每位數(shù)據(jù)；接收器與發(fā)送器的幀同步，保證接收器能夠區(qū)別（判斷）一個數(shù)據(jù)塊（數(shù)據(jù)幀）的開始和結(jié)束。位同步方法，有兩種：外同步：在發(fā)送器和接收器之間提供一條獨立的時鐘線路，發(fā)送器在每個位時間內(nèi)向線路發(fā)送一個短脈沖信號，接收器按此脈沖采樣數(shù)據(jù)信號。很適合短距離傳輸；長距離傳輸，可能遭受傳輸損傷。內(nèi)同步（自同步）：對于數(shù)字信號，可采用曼徹斯特編碼或差分曼徹斯特編碼；對于模擬信號，可利用載波本身的相位。幀同步方法：每個數(shù)據(jù)塊（幀）以一個“前同步(preamble)碼”的位模式開始，并用一個“后同步(postamble)碼”的位模式結(jié)束。前同步碼，標(biāo)志幀的起始；后同步碼，標(biāo)志幀的結(jié)束。幀中還有其他一些控制信息位；同步傳輸比異步傳輸效率高：較少的額外開銷。例子:HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路控制）48位的控制信息、前同步碼和后同步碼1000字節(jié)（=1000x8位）的用戶數(shù)據(jù)（位于信息字段中），c、額外開銷=48/(8x1000+48)x100%=0.6%。二、單工、半雙工和全雙工傳輸傳輸線路上的數(shù)據(jù)交換，可分為：單工、半雙工、全雙工傳輸單工傳輸：信號只能沿一個方向傳輸，不能反向；單工傳輸一般用于無線廣播、有線廣播及電視廣播，數(shù)據(jù)通信中很少使用。半雙工傳輸：信號可以雙向傳輸，但同一時刻內(nèi)只能單向傳輸。全雙工傳輸：允許在同一時刻在兩個方向進(jìn)行信號傳輸。全雙工與半雙工相比：全雙工效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也比較高。圖3-39單工、半雙工和全雙工傳輸三、差錯類型、差錯檢測和差錯糾正差錯：在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，（數(shù)據(jù)）位在被發(fā)送出去之后和被接收到之前的過程中發(fā)生了改變：發(fā)送的是“1”，而接收到的卻是“0”；發(fā)送的是“0”，而接收到的卻是“1”。差錯類型，分兩大類：1）、單個位差錯只有一位差錯；孤立的差錯狀態(tài)，不影響鄰近的其他位。2）、突發(fā)性差錯連續(xù)的B位序列中第一位和最后一位出現(xiàn)差錯，以及任意多個中間位出現(xiàn)差錯。差錯出現(xiàn)原因：單個位差錯白噪聲引起。突發(fā)性差錯沖激噪聲引起；移動無線環(huán)境中的信號衰弱引起。數(shù)據(jù)率越高，對突發(fā)性差錯的影響就越大例：假設(shè)發(fā)生了1μs的沖激噪聲事件或衰落事件當(dāng)數(shù)據(jù)率為10Mbps時，導(dǎo)致的突發(fā)性差錯為10位；當(dāng)數(shù)據(jù)率為100Mbps時，導(dǎo)致的突發(fā)性差錯為100位。差錯檢測—原理（文字描述）傳輸差錯在所難免；所有差錯檢測技術(shù)的原理均相同（使用差錯檢測碼檢測差錯）：發(fā)送器工作給定欲被傳輸?shù)膋位的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)塊）（也稱報文）發(fā)送器通過某種算法對該k位數(shù)據(jù)進(jìn)行運算，得到m位的差錯檢驗碼(error-detectingcode)，也稱為檢驗位(checkbits)；通常，m<k發(fā)送器將m位差錯檢驗碼拼接（附加）在k位數(shù)據(jù)后面，組成m+k=n位的幀發(fā)送器發(fā)送n位幀接收器工作接收器接收到n位幀，將其分割成k位的數(shù)據(jù)和m位的差錯檢測碼接收器對k位數(shù)據(jù)執(zhí)行同樣的運算，得到自身的m位差錯檢驗碼接收器將自己運算得到的m位差錯檢驗碼與接收到的m位差錯檢驗碼相比較；當(dāng)且僅當(dāng)比較結(jié)果不同時，表明有被檢測到的差錯存在。也有可能存在不能檢測到的差錯圖3-40差錯檢測原理（圖示）1、差錯檢測—奇偶校驗（方法）差錯檢測機(jī)制（方法）奇偶校驗；循環(huán)冗余檢驗；奇偶校驗；在數(shù)據(jù)塊的末尾附加奇偶校驗位。典型的例子是用于字符的傳輸，為每個7位的IRA字符附加一個奇偶校驗位0或1，其值選擇：使整個字符中1的個數(shù)為偶數(shù)——偶校驗；使整個字符中1的個數(shù)為奇數(shù)——奇校驗。2、差錯檢測--奇偶校驗（例子）假設(shè)發(fā)送器發(fā)送IRA字符G(1110001)，并且使用奇校驗，那么就在字符后面附加一個1，形成11110001（1的個數(shù)為奇數(shù)），發(fā)送之。注意：最先發(fā)送的是字符的最低位，故奇偶校驗位是最高位；接收器檢測接收到的字符幀：如果1的總數(shù)是奇數(shù),那么就認(rèn)為沒有差錯發(fā)生；如果其中有1個(或任意奇數(shù)個)位在傳輸過程被錯誤地翻轉(zhuǎn)了(例如11100001)，那么接收器就能檢測到這個錯誤。3、奇偶校驗–應(yīng)用與缺點奇偶校驗最簡單的差錯檢測機(jī)制；一般情況下；偶校驗用于同步傳輸；奇校驗用于異步傳輸。不安全性如果有2個(或任意偶數(shù)個)位因錯誤而翻轉(zhuǎn)，那么就檢測不到錯誤；噪聲脈沖的長度經(jīng)常破壞一個以上的數(shù)據(jù)位，特別是在數(shù)據(jù)率較高的情況下。4、循環(huán)冗余檢驗—原理循環(huán)冗余檢驗采用的差錯檢驗碼是：循環(huán)冗余檢驗(CyclicRedundancyCheck，CRC)碼。CRC碼是一種最常用也最有效的差錯檢測碼；CRC碼也被稱為幀檢驗序列(FrameCheckSequence，F(xiàn)CS)。循環(huán)冗余檢驗原理（描述1）；循環(huán)冗余檢驗（CRC）原理的第一種描述（描述1）與上面給出的差錯檢測技術(shù)原理的描述完全相同：只要將后者的“差錯檢驗碼”換成“循環(huán)冗余檢驗（CRC）碼或幀檢驗序列（FCS）”，就得到了前者原理的完整描述。有關(guān)細(xì)節(jié)：m=n–k位的CRC碼（FCS）是一個除法（除式）的余數(shù)；被除數(shù)是k位數(shù)據(jù)左移m位（空位中填0）后形成的k+m=n位的數(shù)據(jù)（或其對應(yīng)的多項式），除數(shù)是發(fā)送器與接收器之間預(yù)定的m+1=n–k+1位的數(shù)據(jù)（或其對應(yīng)的多項式）。實際上，正是n位數(shù)據(jù)除以n–k+1位數(shù)據(jù)，得到了n–k=m位的余數(shù)（CRC碼（FCS））；被發(fā)送器發(fā)送和接收器接收的幀仍為由k位數(shù)據(jù)附加m位CRC碼（FCS）構(gòu)成的n位幀。循環(huán)冗余檢驗原理（描述2）；給定一個k位數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)塊），也稱為報文，發(fā)送器生成一個m=n-k位的位序列，即幀檢驗序列(FCS)或稱循環(huán)冗余檢驗碼（CRC碼），n為發(fā)送器發(fā)送的幀的位數(shù)生成的FCS滿足：k位數(shù)據(jù)（報文）附加m=n-k位的FCS后形成的n位的幀可被一些預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)整除；發(fā)送器將m位FCS附加在k位數(shù)據(jù)后面，組成m+k=n位的幀；發(fā)送器發(fā)送n位幀；接收器接收n位幀，并用同樣的預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)對接收到的n位幀進(jìn)行除法運算；若運算結(jié)果沒有余數(shù)（余數(shù)為0），就認(rèn)為沒有錯誤。描述2與描述1在本質(zhì)上是完全相同的：描述2與描述1的FCS（CRC碼）是相同的；按描述1給出的FCS的生成方法得到的m位FCS，再與k位數(shù)據(jù)拼接，組成的n位幀即可被預(yù)定的數(shù)據(jù)整除。描述2的求余數(shù)運算與描述1的求FCS運算是等同的d、在描述1中，接收器比較運算得到的FCS與接收到的FCS。為此接收器須求得FCS，即進(jìn)行除法運算，其被除數(shù)是k位數(shù)據(jù)左移m位后形成的k+m=n位的數(shù)據(jù)，除數(shù)是預(yù)定的m+1=n–k+1位的數(shù)據(jù)，余數(shù)就為FCS。e、在描述2中，接收器根據(jù)余數(shù)是否為0來判斷是否出錯。為此接收器須求得余數(shù)，即進(jìn)行除法運算，其被除數(shù)是n位幀數(shù)據(jù)，除數(shù)是預(yù)定的m+1=n–k+1位的數(shù)據(jù)。f、（2）與（1）的除數(shù)相同，而（2）的被除數(shù)是（1）的被除數(shù)加上FCS所得的n位幀，故（2）的求余數(shù)運算與（1）的求FCS運算是等同的。5、循環(huán)冗余檢驗—方法循環(huán)冗余檢驗的具體實現(xiàn)有3種方法：模2運算；使用無進(jìn)位的二進(jìn)制加法、無借位的二進(jìn)制減法，即異或（XOR）操作。多項式；數(shù)字邏輯。6、循環(huán)冗余檢驗—模2運算-參數(shù)定義模2運算（參數(shù)定義）T=要發(fā)送的n位幀；D=k位數(shù)據(jù)（塊）（報文），即T中的前k位；3）、F=n-k位幀檢驗序列（FCS），即T中的后n-k位；4）、P=發(fā)送器與接收器之間預(yù)先設(shè)定的n–k+1位的特定位序列，即預(yù)定的除數(shù)。7、循環(huán)冗余檢驗原理描述1的模2運算實現(xiàn)過程（1）發(fā)送器工作：1）做除法運算；（式3-6）得到商Q和余數(shù)R，而R就是FCS，即F=R2）得到F后，可得到（式3-7）3）發(fā)送幀T。接收器工作：1）接收幀Tr（發(fā)送器發(fā)送的是幀T，接收器接收的是幀Tr；若無差錯，則T=Tr），將Tr拆分成Dr和Fr。2）做與發(fā)送器相同的除法運算得到商Qr1和余數(shù)Rr1。3）比較計算得到的Rr1和接收到的Fr：若Rr1=Fr，則認(rèn)為沒有差錯；否則，就認(rèn)為有差錯。循環(huán)冗余檢驗原理描述2的模2運算實現(xiàn)過程（2）（1）發(fā)送器工作描述2的發(fā)送器工作與描述1的發(fā)送器工作相同（2）接收器工作1）接收幀Tr2）做除法運算（式3-8）得到商Qr2和余數(shù)Rr2。3）根據(jù)Rr2的值判斷是否出錯：若Rr2=0，則認(rèn)為沒有差錯；否則，就認(rèn)為有差錯。發(fā)送的n位幀T可被預(yù)定除數(shù)P整除的證明：（式3-8）任何二進(jìn)制數(shù)與它自己相加模2（異或運算）后得到的是零，故（式3-9）結(jié)果沒有余數(shù)，因此說T可以被P整除。給定：報文D=1010001101（10位）；預(yù)定位序列（預(yù)定除數(shù)）P=110101（6位）；求：幀檢驗序列R和n位幀T；解：（1）由給定條件：k=10；n–k+1=6；故n=15，n–k=5，即幀檢驗序列F為5位，幀T為15位。（2）將報文D乘以25，得到：25D=101000110100000（3）得到的數(shù)值25D除以P：得到幀檢驗序列（余數(shù)）R=01110（4）25D加上余數(shù)R之后得到15位幀T：T=101000110101110尚可做以下工作：（5）若沒有差錯，則接收器接收到的T原封未動。接收到的幀除以P后得到：由于沒有余數(shù)，因此可以認(rèn)為傳輸沒有差錯。在循環(huán)冗余檢驗的多項式方法中，將二進(jìn)制數(shù)值表示成一個虛構(gòu)變量X的多項式，其系數(shù)均為二進(jìn)制數(shù)：這些系數(shù)與二進(jìn)制數(shù)值中的每一位相互對應(yīng)。D=110011，D(X)=X5+X4+X+1；P=11001P(X)=X4+X3+1運算操作依然是模2的循環(huán)冗余檢驗（CRC）的多項式實現(xiàn)過程：（式3-10）8、循環(huán)冗余檢驗—多項式（例子）例：仍然用前面所舉的例子，對D=1010001101，有D(X)=X9+X7+X3+X2+1，而對P=110101，有P(X)=X5+X4+X2+1。最后得到的結(jié)果應(yīng)該是R=01110，對應(yīng)R(X)=X3+X2+X。下圖描繪了上一個例