數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)
在數(shù)字通信中，我們一般使用比特率和誤碼率來分別描述數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸速率的大小和傳輸質(zhì)量的好壞等；在模擬通信中，我們常使用帶寬和波特率來描述通信信道傳輸能力和數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率。 1.帶寬
在模擬信道中，我們常用帶寬表示信道傳輸信息的能力，帶寬即傳輸信號(hào)的最高頻率與最低頻率之差。理論分析表明，模擬信道的帶寬或信噪比越大，信道的極限傳輸速率也越高。這也是為什么我們總是努力提高通信信道帶寬的原因。
2.比特率
在數(shù)字信道中，比特率是數(shù)字信號(hào)的傳輸速率，它用單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位(bit)數(shù)來表示，其單位為每秒比特?cái)?shù)bit/s(bps)、每秒千比特?cái)?shù)(Kbps)或每秒兆比特?cái)?shù)(Mbps)來表示(此處K和M分別為1000和1000000，而不是涉及計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器容量時(shí)的1024和1048576)。
3.波特率
波特率指數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，它用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來表示，其單位為波特(Baud)。 波特率與比特率的關(guān)系為：比特率=波特率X單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)。
顯然，兩相調(diào)制(單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)1個(gè)二進(jìn)制位)的比特率等于波特率；四相調(diào)制(單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)2個(gè)二進(jìn)制位)的比特率為波特率的兩倍；八相調(diào)制(單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)3個(gè)二進(jìn)制位)的比特率為波特率的三倍；依次類推。
4.誤碼率
誤碼率指在數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤率。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一般要求數(shù)字信號(hào)誤碼率低于10^(-6)。
數(shù)據(jù)傳輸方式(Data Transmission Mode)
一、基帶信號(hào)與寬帶信號(hào)以及它們的傳輸
1.基帶信號(hào)與基帶傳輸
基帶信號(hào)(Baseband Signal)直接用兩種不同的電壓來表示數(shù)字信號(hào)1和0，因此我們將對(duì)應(yīng)矩形電脈沖信號(hào)的固有頻率稱為"基帶"，相應(yīng)的信號(hào)稱為基帶信號(hào)。
基帶傳輸(Baseband Transmission)指通過有線信道直接傳輸基帶信號(hào)，一般用于傳輸距離較近的數(shù)字通信系統(tǒng)，如基帶局域網(wǎng)系統(tǒng)。
2.寬帶信號(hào)
寬帶信號(hào)(Wideband Signal)用多組基帶信號(hào)1和0分別調(diào)制不同頻率的載波，并由這些分別占用不同頻段的調(diào)制載波組成。
3.多路復(fù)用
為了充分利用通信干線的通信能力，人們廣泛使用多路復(fù)用(Multiplex)技術(shù)，即讓多路通信信道同時(shí)共用一條線路。多路復(fù)用可分為頻分多路復(fù)用和時(shí)分多路復(fù)用。
·頻分多路復(fù)用
當(dāng)我們采用寬帶信號(hào)時(shí)，由于同一線路上不同頻率的各路信道互不干擾地同時(shí)傳輸各自的信號(hào)，我們稱之為頻分多路復(fù)用(Frequency -Division Multiplexing)。頻分多路復(fù)用常用于寬帶網(wǎng)絡(luò)中。
·時(shí)分多路復(fù)用
當(dāng)我們采用基帶信號(hào)時(shí)，如讓各路通信按時(shí)間順序瞬時(shí)地分別占有線路的整個(gè)頻帶，并周期性地重復(fù)此過程，該線路就按時(shí)間分隔成了多個(gè)邏輯信道，我們稱之為時(shí)分多路復(fù)用(Time Multiplexing)。其中，同步分時(shí)多路通信可以確定每個(gè)信道何時(shí)使用線路；反之則稱為異步分時(shí)多路通信。時(shí)分多路復(fù)用常用于基帶網(wǎng)絡(luò)中。
二、并行與串行方式(Parallel & Serial Mode)
根據(jù)一次傳輸數(shù)位的多少可將基帶傳輸分為并行(Parallel)方式和串行(Serial)方式，前者是通過一組傳輸線多位同時(shí)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，后者是通過一對(duì)傳輸線逐位傳輸數(shù)字代碼。通常，計(jì)算機(jī)內(nèi)部以及計(jì)算機(jī)與并行打印機(jī)之間采用并行方式，而傳輸距離較遠(yuǎn)的數(shù)字通信系統(tǒng)多采用串行方式。
并行傳輸方式要求并行的各條線路同步，因此需要傳輸定時(shí)和控制信號(hào)，而并行的各路信號(hào)在經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)與放大處理時(shí)，將引起不同的延遲與畸變，故較難實(shí)現(xiàn)并行同步。若采用更復(fù)雜的技術(shù)、設(shè)備與線路，其成本會(huì)顯著上升。故在遠(yuǎn)距離數(shù)字通信中一般不使用并行方式。 串行通信雙方常以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸信息，但由于串行方式只能逐位傳輸數(shù)據(jù)，因此，在發(fā)送方需要進(jìn)行信號(hào)的并/串轉(zhuǎn)換，而接收方則需要進(jìn)行信號(hào)的串/并轉(zhuǎn)換。
三、單工、半雙工和全雙工方式(Simplex, Half Duplex & Full Duplex)
根據(jù)通信雙方的分工和信號(hào)傳輸方向可將通信分為三種方式：單工、半雙工與全雙工。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中主要采用雙工方式，其中：局域網(wǎng)采用半雙工方式，城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)采用全雙年方式。
1. 單工(Simplex)方式：通信雙方設(shè)備中發(fā)送器與接收器分工明確，只能在由發(fā)送器向接收器的單一固定方向上傳送數(shù)據(jù)。采用單工通信的典型發(fā)送設(shè)備如早期計(jì)算機(jī)的讀卡器，典型的接收設(shè)備如打印機(jī)。
2. 半雙工(Half Duplex)方式：通信雙方設(shè)備既是發(fā)送器，也是接收器，兩臺(tái)設(shè)備可以相互傳送數(shù)據(jù)，但某一時(shí)刻則只能向一個(gè)方向傳送數(shù)據(jù)。例如，步話機(jī)是半雙工設(shè)備，因?yàn)樵谝粋�(gè)時(shí)刻只能有一方說話。
3. 全雙工(Full Duplex)方式：通信雙方設(shè)備既是發(fā)送器，也是接收器，兩臺(tái)設(shè)備可以同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送數(shù)據(jù)。例如，電話是全雙工設(shè)備，因?yàn)殡p方可同時(shí)說話。
四、異步傳輸與同步傳輸(Asynchronous & Synchronous Transmission)
1.同步問題的重要性
在數(shù)字通信中，同步(Synchronous)是十分重要的。當(dāng)發(fā)送器通過傳輸介質(zhì)向接收器傳輸數(shù)據(jù)信息時(shí)，如每次發(fā)出一個(gè)字符(或一個(gè)數(shù)據(jù)幀)的數(shù)據(jù)信號(hào)，接收器必須識(shí)別出該字符(或該幀)數(shù)據(jù)信號(hào)的開始位和結(jié)束位，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻正確地讀取該字符(或該幀)數(shù)據(jù)信號(hào)的每一位信息，這就是接收器與發(fā)送器之間的基本同步問題。
當(dāng)以數(shù)據(jù)幀傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，為了保證傳輸信號(hào)的完整性和準(zhǔn)確性，除了要求接收器應(yīng)能識(shí)別每個(gè)字符(或數(shù)據(jù)幀)對(duì)應(yīng)信號(hào)的起止，以保證在正確的時(shí)刻開始和結(jié)束讀取信號(hào)，也即保持傳輸信號(hào)的完整性外；還要求使其時(shí)鐘與發(fā)送器保持相同的頻率，以保證單位時(shí)間讀取的信號(hào)單元數(shù)相同，也即保證傳輸信號(hào)的準(zhǔn)確性。
因此當(dāng)以數(shù)據(jù)幀傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，要求發(fā)送器應(yīng)對(duì)所發(fā)送的信號(hào)采取以下兩個(gè)措施：①在每幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)信號(hào)的前面和后面分別添加有別于數(shù)據(jù)信號(hào)的開始信號(hào)和停止信號(hào)；②在每幀數(shù)據(jù)信號(hào)的前面添加時(shí)鐘同步信號(hào)，以控制接收器的時(shí)鐘同步。
2.異步傳輸與同步傳輸
異步傳輸與同步傳輸均存在上述基本同步問題：一般采用字符同步或幀同步信號(hào)來識(shí)別傳輸字符信號(hào)或數(shù)據(jù)幀信號(hào)的開始和結(jié)束。兩者之間的主要區(qū)別在于發(fā)送器或接收器之一是否向?qū)Ψ桨l(fā)送時(shí)鐘同步信號(hào)。
異步傳輸(Asynchronous Transmission)以字符為單位傳輸數(shù)據(jù)，采用位形式的字符同步信號(hào)，發(fā)送器和接收器具有相互獨(dú)立的時(shí)鐘(頻率相差不能太多)，并且兩者中任一方都不向?qū)Ψ教峁⿻r(shí)鐘同步信號(hào)。異步傳輸?shù)陌l(fā)送器與接收器雙方在數(shù)據(jù)可以傳送之前不需要協(xié)調(diào)：發(fā)送器可以在任何時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收器必須隨時(shí)都處于準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。計(jì)算機(jī)主機(jī)與輸入、輸出設(shè)備之間一般采用異步傳輸方式，如鍵盤、典型的RS-232串口(用于計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器或ASCII碼終端設(shè)備之間)：發(fā)送方可以在任何時(shí)刻發(fā)送一個(gè)字符(由一個(gè)開始位引導(dǎo)，然后連續(xù)發(fā)完該字符的各位，后跟一個(gè)位長以上的啞位)。
同步傳輸(Synchronous Transmission)以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，可采用字符形式或位組合形式的幀同步信號(hào)(后者的傳輸效率和可靠性高)，由發(fā)送器或接收器提供專用于同步的時(shí)鐘信號(hào)。在短距離的高速傳輸中，該時(shí)鐘信號(hào)可由專門的時(shí)鐘線路傳輸；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用同步傳輸方式時(shí)，常將時(shí)鐘同步信號(hào)植入數(shù)據(jù)信號(hào)幀中，以實(shí)現(xiàn)接收器與發(fā)送器的時(shí)鐘同步。
錯(cuò)誤檢測(cè)與修正(Error Check & Correct)
在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信中，由發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)禎(Frame)在經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳到接收器后，由于多種原因可能導(dǎo)致錯(cuò)誤位(bit errors)的出現(xiàn)，因此必須由接收器采取一定的措施探測(cè)出所有的錯(cuò)誤位，并進(jìn)而采取一定的措施予以修正。
一、錯(cuò)誤檢測(cè)的基本原理(Principle of Error Check)
發(fā)送器向所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)禎添加錯(cuò)誤檢驗(yàn)碼(Check Bits)，并取該錯(cuò)誤檢測(cè)碼作為該被傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的函數(shù)；接收器根據(jù)該函數(shù)的定義進(jìn)行同樣的計(jì)算，然后將兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行比較：如果結(jié)果相同，則認(rèn)為無錯(cuò)誤位；否則認(rèn)為該數(shù)據(jù)禎存在有錯(cuò)誤位。
一般說來，錯(cuò)誤檢測(cè)可能出現(xiàn)三種結(jié)果：
1. 在所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中未探測(cè)到，也不存在錯(cuò)誤位
2. 所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中有一個(gè)或多個(gè)被探測(cè)到的錯(cuò)誤位，但不存在未探測(cè)到的錯(cuò)誤位
3. 被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中有一個(gè)或多個(gè)沒有被探測(cè)到的錯(cuò)誤位。
顯然我們希望盡可能好地選擇該檢測(cè)函數(shù)，使檢測(cè)結(jié)果可靠，即：所有的錯(cuò)誤最好都能被檢測(cè)出來；如檢測(cè)出現(xiàn)無錯(cuò)結(jié)果，則應(yīng)不再存在任何未被檢測(cè)出來的錯(cuò)誤。
實(shí)際采用的錯(cuò)誤檢測(cè)方法主要有兩類：奇偶校驗(yàn)(Parity)和CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check)。
二、奇偶校驗(yàn)(Parity)
1.單向奇偶校驗(yàn)
單向奇偶校驗(yàn)(Row Parity)由于一次只采用單個(gè)校驗(yàn)位，因此又稱為單個(gè)位奇偶校驗(yàn)(Single Bit Parity)。發(fā)送器在數(shù)據(jù)禎每個(gè)字符的信號(hào)位后添一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，接收器對(duì)該奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行檢查。典型的例子是面向ASCII碼的數(shù)據(jù)信號(hào)禎的傳輸，由于ASCII碼是七位碼，因此用第八個(gè)位碼作為奇偶校驗(yàn)位。
單向奇偶校驗(yàn)又分為奇校驗(yàn)(Odd Parity)和偶校驗(yàn)(Even Parity)，發(fā)送器通過校驗(yàn)位對(duì)所傳輸信號(hào)值的校驗(yàn)方法如下：奇校驗(yàn)保證所傳輸每個(gè)字符的8個(gè)位中1的總數(shù)為奇數(shù)；偶校驗(yàn)則保證每個(gè)字符的8個(gè)位中1的總數(shù)為偶數(shù)。
顯然，如果被傳輸字符的7個(gè)信號(hào)位中同時(shí)有奇數(shù)個(gè)(例如1、3、5、7)位出現(xiàn)錯(cuò)誤，均可以被檢測(cè)出來；但如果同時(shí)有偶數(shù)個(gè)(例如2、4、6)位出現(xiàn)錯(cuò)誤，單向奇偶校驗(yàn)是檢查不出來的。
一般在同步傳輸方式中常采用奇校驗(yàn)，而在異步傳輸方式中常采用偶校驗(yàn)。
2.雙向奇偶校驗(yàn)
為了提高奇偶校驗(yàn)的檢錯(cuò)能力，可采用雙向奇偶校驗(yàn)(Row and Column Parity)，也可稱為雙向冗余校驗(yàn)(Vertical and Longitudinal Redundancy Checks)。
三、CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check) 1.CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)的基本原理 發(fā)送器和接收器約定選擇同一個(gè)由n+1個(gè)位組成的二進(jìn)制位列P作為校驗(yàn)列，發(fā)送器在數(shù)據(jù) 禎的K個(gè)位信號(hào)后添加n個(gè)位(n < K)組成的FCS 禎檢驗(yàn)列(Frame Check Sequence)，以保證新組成的全部 信號(hào)列值可以被預(yù)定的校驗(yàn)二進(jìn)制位列P的值對(duì)二取模整除；接收器檢驗(yàn)所接收到數(shù)據(jù) 信號(hào)列值(含有數(shù)據(jù)信號(hào) 禎和FCS 禎檢驗(yàn)列)是否能被校驗(yàn)列P對(duì)二取模整除，如果不能，則存在傳輸錯(cuò)誤位。P被稱為CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)列，正確選擇P可以提高CRC冗余校驗(yàn)的能力。(注：對(duì)二取模的四則運(yùn)算指參與運(yùn)算的兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)各位之間凡涉及加減運(yùn)算時(shí)均進(jìn)行XOR異或運(yùn)算，即：1 XOR 1=0，0 XOR 0=0，1 XOR 0=1)�？梢宰C明，只要數(shù)據(jù) 禎信號(hào)列M和校驗(yàn)列P是確定的，則可以唯一確定FCS 禎檢驗(yàn)列(也稱為CRC冗余檢驗(yàn)值)的各個(gè)位。 FCS 幀檢驗(yàn)列可由下列方法求得：在M后添加n 個(gè)零后對(duì)二取模整除以P所得的余數(shù)。 例如：如要傳輸?shù)腗=7位列為1011101，選定的P校驗(yàn)二進(jìn)制位列為10101(共有n+1=5位)，對(duì)應(yīng)的FCS 幀校驗(yàn)列即為用1011101 0000(共有 M+n=7+4=11位)對(duì)二取模整除以10101后的余數(shù)0111(共有n=4位)。因此，發(fā)送方應(yīng)發(fā)送的全部數(shù)據(jù)列為10111010111。接收方將收到的11位數(shù)據(jù)對(duì)二取模整除以P校驗(yàn)二進(jìn)制位列10101，如余數(shù)非0，則認(rèn)為有傳輸錯(cuò)誤位。 2.CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式P(X) 為了表示方便，實(shí)用時(shí)發(fā)送器和接收器共同約定選擇的校驗(yàn)二進(jìn)制位列P常被表示為具有二進(jìn)制系數(shù)(1或0)的CRC標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)多項(xiàng)式P(X)。 (1)CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)常用的標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式P(X) 常用的CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)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)多項(xiàng)式為例，其對(duì)應(yīng)校驗(yàn)二進(jìn)制位列為1 1000 0000 0000 0101。
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