数据通信的主要技术指标
在数字通信中，我们一般使用比特率和误码率来分别描述数据信号传输速率的大小和传输质量的好坏等；在模拟通信中，我们常使用带宽和波特率来描述通信信道传输能力和数据信号对载波的调制速率。 1.带宽
在模拟信道中，我们常用带宽表示信道传输信息的能力，带宽即传输信号的最高频率与最低频率之差。理论分析表明，模拟信道的带宽或信噪比越大，信道的极限传输速率也越高。这也是为什么我们总是努力提高通信信道带宽的原因。
2.比特率
在数字信道中，比特率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示，其单位为每秒比特数bit/s(bps)、每秒千比特数(Kbps)或每秒兆比特数(Mbps)来表示(此处K和M分别为1000和1000000，而不是涉及计算机存储器容量时的1024和1048576)。
3.波特率
波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，其单位为波特(Baud)。 波特率与比特率的关系为：比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数。
显然，两相调制(单个调制状态对应1个二进制位)的比特率等于波特率；四相调制(单个调制状态对应2个二进制位)的比特率为波特率的两倍；八相调制(单个调制状态对应3个二进制位)的比特率为波特率的三倍；依次类推。
4.误码率
误码率指在数据传输中的错误率。在计算机网络中一般要求数字信号误码率低于10^(-6)。
数据传输方式(Data Transmission Mode)
一、基带信号与宽带信号以及它们的传输
1.基带信号与基带传输
基带信号(Baseband Signal)直接用两种不同的电压来表示数字信号1和0，因此我们将对应矩形电脉冲信号的固有频率称为"基带"，相应的信号称为基带信号。
基带传输(Baseband Transmission)指通过有线信道直接传输基带信号，一般用于传输距离较近的数字通信系统，如基带局域网系统。
2.宽带信号
宽带信号(Wideband Signal)用多组基带信号1和0分别调制不同频率的载波，并由这些分别占用不同频段的调制载波组成。
3.多路复用
为了充分利用通信干线的通信能力，人们广泛使用多路复用(Multiplex)技术，即让多路通信信道同时共用一条线路。多路复用可分为频分多路复用和时分多路复用。
·频分多路复用
当我们采用宽带信号时，由于同一线路上不同频率的各路信道互不干扰地同时传输各自的信号，我们称之为频分多路复用(Frequency -Division Multiplexing)。频分多路复用常用于宽带网络中。
·时分多路复用
当我们采用基带信号时，如让各路通信按时间顺序瞬时地分别占有线路的整个频带，并周期性地重复此过程，该线路就按时间分隔成了多个逻辑信道，我们称之为时分多路复用(Time Multiplexing)。其中，同步分时多路通信可以确定每个信道何时使用线路；反之则称为异步分时多路通信。时分多路复用常用于基带网络中。
二、并行与串行方式(Parallel & Serial Mode)
根据一次传输数位的多少可将基带传输分为并行(Parallel)方式和串行(Serial)方式，前者是通过一组传输线多位同时传输数字数据，后者是通过一对传输线逐位传输数字代码。通常，计算机内部以及计算机与并行打印机之间采用并行方式，而传输距离较远的数字通信系统多采用串行方式。
并行传输方式要求并行的各条线路同步，因此需要传输定时和控制信号，而并行的各路信号在经过转发与放大处理时，将引起不同的延迟与畸变，故较难实现并行同步。若采用更复杂的技术、设备与线路，其成本会显著上升。故在远距离数字通信中一般不使用并行方式。 串行通信双方常以数据帧为单位传输信息，但由于串行方式只能逐位传输数据，因此，在发送方需要进行信号的并/串转换，而接收方则需要进行信号的串/并转换。
三、单工、半双工和全双工方式(Simplex, Half Duplex & Full Duplex)
根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：单工、半双工与全双工。在计算机网络中主要采用双工方式，其中：局域网采用半双工方式，城域网和广域网采用全双年方式。
1. 单工(Simplex)方式：通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。采用单工通信的典型发送设备如早期计算机的读卡器，典型的接收设备如打印机。
2. 半双工(Half Duplex)方式：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则只能向一个方向传送数据。例如，步话机是半双工设备，因为在一个时刻只能有一方说话。
3. 全双工(Full Duplex)方式：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。例如，电话是全双工设备，因为双方可同时说话。
四、异步传输与同步传输(Asynchronous & Synchronous Transmission)
1.同步问题的重要性
在数字通信中，同步(Synchronous)是十分重要的。当发送器通过传输介质向接收器传输数据信息时，如每次发出一个字符(或一个数据帧)的数据信号，接收器必须识别出该字符(或该帧)数据信号的开始位和结束位，以便在适当的时刻正确地读取该字符(或该帧)数据信号的每一位信息，这就是接收器与发送器之间的基本同步问题。
当以数据帧传输数据信号时，为了保证传输信号的完整性和准确性，除了要求接收器应能识别每个字符(或数据帧)对应信号的起止，以保证在正确的时刻开始和结束读取信号，也即保持传输信号的完整性外；还要求使其时钟与发送器保持相同的频率，以保证单位时间读取的信号单元数相同，也即保证传输信号的准确性。
因此当以数据帧传输数据信号时，要求发送器应对所发送的信号采取以下两个措施：①在每帧数据对应信号的前面和后面分别添加有别于数据信号的开始信号和停止信号；②在每帧数据信号的前面添加时钟同步信号，以控制接收器的时钟同步。
2.异步传输与同步传输
异步传输与同步传输均存在上述基本同步问题：一般采用字符同步或帧同步信号来识别传输字符信号或数据帧信号的开始和结束。两者之间的主要区别在于发送器或接收器之一是否向对方发送时钟同步信号。
异步传输(Asynchronous Transmission)以字符为单位传输数据，采用位形式的字符同步信号，发送器和接收器具有相互独立的时钟(频率相差不能太多)，并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。异步传输的发送器与接收器双方在数据可以传送之前不需要协调：发送器可以在任何时刻发送数据，而接收器必须随时都处于准备接收数据的状态。计算机主机与输入、输出设备之间一般采用异步传输方式，如键盘、典型的RS-232串口(用于计算机与调制解调器或ASCII码终端设备之间)：发送方可以在任何时刻发送一个字符(由一个开始位引导，然后连续发完该字符的各位，后跟一个位长以上的哑位)。
同步传输(Synchronous Transmission)以数据帧为单位传输数据，可采用字符形式或位组合形式的帧同步信号(后者的传输效率和可靠性高)，由发送器或接收器提供专用于同步的时钟信号。在短距离的高速传输中，该时钟信号可由专门的时钟线路传输；计算机网络采用同步传输方式时，常将时钟同步信号植入数据信号帧中，以实现接收器与发送器的时钟同步。
错误检测与修正(Error Check & Correct)
在数字数据通信中，由发送器发送的数据信号祯(Frame)在经由网络传到接收器后，由于多种原因可能导致错误位(bit errors)的出现，因此必须由接收器采取一定的措施探测出所有的错误位，并进而采取一定的措施予以修正。
一、错误检测的基本原理(Principle of Error Check)
发送器向所发送的数据信号祯添加错误检验码(Check Bits)，并取该错误检测码作为该被传输数据信号的函数；接收器根据该函数的定义进行同样的计算，然后将两个结果进行比较：如果结果相同，则认为无错误位；否则认为该数据祯存在有错误位。
一般说来，错误检测可能出现三种结果：
1. 在所传输的数据祯中未探测到，也不存在错误位
2. 所传输的数据祯中有一个或多个被探测到的错误位，但不存在未探测到的错误位
3. 被传输的数据祯中有一个或多个没有被探测到的错误位。
显然我们希望尽可能好地选择该检测函数，使检测结果可靠，即：所有的错误最好都能被检测出来；如检测出现无错结果，则应不再存在任何未被检测出来的错误。
实际采用的错误检测方法主要有两类：奇偶校验(Parity)和CRC循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check)。
二、奇偶校验(Parity)
1.单向奇偶校验
单向奇偶校验(Row Parity)由于一次只采用单个校验位，因此又称为单个位奇偶校验(Single Bit Parity)。发送器在数据祯每个字符的信号位后添一个奇偶校验位，接收器对该奇偶校验位进行检查。典型的例子是面向ASCII码的数据信号祯的传输，由于ASCII码是七位码，因此用第八个位码作为奇偶校验位。
单向奇偶校验又分为奇校验(Odd Parity)和偶校验(Even Parity)，发送器通过校验位对所传输信号值的校验方法如下：奇校验保证所传输每个字符的8个位中1的总数为奇数；偶校验则保证每个字符的8个位中1的总数为偶数。
显然，如果被传输字符的7个信号位中同时有奇数个(例如1、3、5、7)位出现错误，均可以被检测出来；但如果同时有偶数个(例如2、4、6)位出现错误，单向奇偶校验是检查不出来的。
一般在同步传输方式中常采用奇校验，而在异步传输方式中常采用偶校验。
2.双向奇偶校验
为了提高奇偶校验的检错能力，可采用双向奇偶校验(Row and Column Parity)，也可称为双向冗余校验(Vertical and Longitudinal Redundancy Checks)。
三、CRC循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check) 1.CRC循环冗余校验的基本原理 发送器和接收器约定选择同一个由n+1个位组成的二进制位列P作为校验列，发送器在数据 祯的K个位信号后添加n个位(n < K)组成的FCS 祯检验列(Frame Check Sequence)，以保证新组成的全部 信号列值可以被预定的校验二进制位列P的值对二取模整除；接收器检验所接收到数据 信号列值(含有数据信号 祯和FCS 祯检验列)是否能被校验列P对二取模整除，如果不能，则存在传输错误位。P被称为CRC循环冗余校验列，正确选择P可以提高CRC冗余校验的能力。(注：对二取模的四则运算指参与运算的两个二进制数各位之间凡涉及加减运算时均进行XOR异或运算，即：1 XOR 1=0，0 XOR 0=0，1 XOR 0=1)。可以证明，只要数据 祯信号列M和校验列P是确定的，则可以唯一确定FCS 祯检验列(也称为CRC冗余检验值)的各个位。 FCS 帧检验列可由下列方法求得：在M后添加n 个零后对二取模整除以P所得的余数。 例如：如要传输的M=7位列为1011101，选定的P校验二进制位列为10101(共有n+1=5位)，对应的FCS 帧校验列即为用1011101 0000(共有 M+n=7+4=11位)对二取模整除以10101后的余数0111(共有n=4位)。因此，发送方应发送的全部数据列为10111010111。接收方将收到的11位数据对二取模整除以P校验二进制位列10101，如余数非0，则认为有传输错误位。 2.CRC循环冗余校验标准多项式P(X) 为了表示方便，实用时发送器和接收器共同约定选择的校验二进制位列P常被表示为具有二进制系数(1或0)的CRC标准校验多项式P(X)。 (1)CRC循环冗余校验常用的标准多项式P(X) 常用的CRC循环冗余校验标准多项式如下： CRC(16位) = X^16+X^15+X^2+1 CRC(CCITT) = X^16+X^12+X^5+1 CRC(32位) =X^32+X^26+X^23+X^16+X^12+X^11+X^10+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+1 以CRC(16位)多项式为例，其对应校验二进制位列为1 1000 0000 0000 0101。
|
