数据通信编码与差错控制技术

实训18数据通信编码与差错控制技术【实训内容】◎网络传输速度测试◎校验码.1准备知识互联网的昀吸引的人的地方在于能提供一个信息交互的平台。而信息的载体是数据，那么信息交互的实质是数据如何在互联网的节点（设备）上进行交换；而这必须依赖于互联网上如何对数据进行编码。这就类似于联合国开会，会议的目的是为了交换意见，类似数据交换；而面对全世界这么多不同国家的语言，必须选择一种统一的语言进行交流，这就类似于对数据进行统一编码。.1.1通信编码1．通信的模型一个数据通信系统由三大部分组成、即信源系统（发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端）。在数据通信系统中，产生和发送信息的一端叫信源，接受信息的一端叫信宿。信源与信宿之间通过通信设备和传输介质进行通信。2．模拟数据、数字数据模拟数据是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。数字数据则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。信源发出的可以是模拟数据，也可以是数字数据；而信道又可分为模拟信道和数字信道，所以两种信号在两种信道上面传输有以下4种可能的关系：①数字数据在数字信号传输。例如：100BASE-T以太网。②数字数据在模拟信号传输。例如：使用ADSLMODEL上网。③模拟数据在数字信号传输。例如：数字电视传输系统。④模拟数据在模拟信号传输。例如：收音机和早期的电话传输系统。3．数字信号编码在计算机网络中，信源和信宿发出和接受的数据，都是数字信号；而在信道的传输过程中，可以使用数字信号或者模拟信号两种表达方式，也就是上面所提到的①、②两种方式。因此，根据通信过程中信号的表达方式不同，分为基带传输和频带传输，统称为数据通信。1)基带传输由计算机、终端等直接发出的二进制信号的典型的矩形电脉冲信号，其频谱包含直流（零频）、低频和高频（从直流一直到无限高的频率）等多种成分。因此，数字信号的频带非常宽，但是，其主要能量集中在低频段，那么把直流开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称基带，为此数字信号也被称为数字基带信号，简称为基带信号。如果在数据通信中，直接传输基带信号，则该信号几乎占用整个频带。在大多数局域网中，尤其是在传输距离不远的有线情况下，大都采用了基带传输方式。特点如下：优点：速率高、误码率低。缺点：占用的频带，不利于远程。2)频带传输和宽带传输频带传输：是用电话线和电话交换网作为传输信道时采用的传输技术。频带传输中的信道带宽为3100Hz。在采用频带传输方式时，在发送端和接受端都要安排调制解调器。宽带传输：通常是采用75Ω的有线电视（CATV）的同轴电缆或光缆作为传输介质时的传输技术。宽带传输中的信道带宽为300MHz。因为宽带同轴电缆是用来传输电视信号的，所以传输数字信号时，需要利用电缆调制（CableMondem）把数字信号变成频率为几十到几百兆赫兹（MHz）的模拟信号。远程通讯一般都是采用频带传输和宽带传输。特点如下：优点：可以利用现有的大量模拟信道（电话交换网）通信，价格便宜，容易实现。缺点：速率低，误码率高。4．基带传输与数字信号编码在基带传输中，用不同的电压极性或者电平信号对数字数据0和1进行编码（反之为解码），但在基带传输的编码过程中，需要解决基带信号的编码问题和接收双方之间的同步问题，常采用以下3种编码方法。1)非归零编码（NonReturnZero,NRZ）编码规则：非归零编码如图所示，用负电压代表逻辑1，用正电压代码逻辑0。当然也可以用其他表示方法，不过原理一样。特点：非归零码的优点是简单、容易实现：缺点是接收方和发送方无法保持同步。为了保证收发方同步，必修在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时发送同步时钟信号。应用：计算机串口和调制解调器之间使用的就是基带传输中的非归零编码技术。2)曼切斯特编码（Manchester）编码规则：每个比特的周期T分为前后两个相等的部分；每一位二进制的中间都有跳变，其中间的这个电平跳变就作为双方的同步信号；当比特值为1时，前半部分为高电平，中间有一次由低电平向高电平的跳跃；当比特值为0时，则相反。特点：曼切斯特编码是目前广泛使用的编码方法之一，和非归零码相比，无需专门传递同步信号的线路，成本低，降低直流分量。但是效率较低，信号占用的频带较宽。应用：典型的10BASE-T以太网使用的就是曼切斯特编码技术。3)差分曼切斯特编码编码规则：差分曼切斯特编码是对曼切斯特编码的改进。每个比特值无论是1还是0，中间都有一次电平的跳变，这个跳变做同步之用。若比特值为0，则前半个比特的电平与上一个比特的后半个比特的电平相反；若比特值为1，则前半个比特的电平与上一个比特的后半个比特的电平相同。特点：收发双方可以根据编码自带的时钟信号来保持同步，无需专门传递同步信号的线路，因此成本低。另外，降低了直流分量，抗干扰性能较好。缺点在于实现技术复杂。上面介绍了基带传输的3种编码技术。总之，基带传输抗干扰能力较强。可靠性高且成本低，但基带信号频带宽，传输时必修占用整个信道，因此通信信道利用率低，信号也容易衰减，且只能使用有线介质传输，限制了使用场合。在局域网中经常使用基带传输技术。5．频带传输与数字信号调制在远距离通信的一些信道中，尤其是电话信道、无线信道和光信道中，数字基带信号必修经过调制才能传输。由于传统的电话通信信道是为了传输语音信号而设计的，它只适用于传输音频范围300~3400Hz的模拟信号。不适用于直接传输频带很宽又集中在低频段的计算机产生的数字信号。为了利用电话交换网实现较长距离计算机之间的数学信号传输，必须将数字信号转换成模拟信号。为此，需要在发送端选取音频范围的某一频率的正（余）弦模拟信号作为载波，用它运载所要传输的数字信号，通过电话信号将其送至另一端；在接收端再将数字信号从载波上分离出来，恢复为原来的数字信号波形。这种利用模拟信道实现数字通信传输的方法就是频带传输。如前所述，为了利用模拟信道实现计算机的数字信号传输，首先必须对计算机的数字信号进行调制。对正（余）弦载波来说：振幅，角频率和相位是载波信号的3个可变参量，它们的变化对正（余）弦载波的波形产生影响，为此，可以通过改变这3个参量实现对模拟信号的编码，如下所述：幅度调制(AmplitudeShiftKeying,ASK)：又称为幅移键控，通过改变载波信号的振幅来表示数字数据信号0或1的调制技术。其特点技术比较简单，信号容易实现，但抗干扰能力较差。频率调制(Frequency-ShiftKeying,FSK)：又称为频移键控，通过改变载波信号的频率来表示数字数据信号0或1的调制技术。其特点电路简单，抗干扰能力强，但频带的利用率低，适用于传输速度较低的数字数据信号。相位调制(Phase-ShiftKeying,PSK)：又称为相移键控，通过改变载波信号的相位来表示数字数据信号0或1的调制技术。其特点占用频带较窄，抗干扰性能好，在实际中经常使用。6．宽带接入技术目前宽带接入的主要方式有以太网接入、ADSL接入和CableModem接入和昀新的FTTH（光纤到户）几种。那么我们以基带传输为代表的以太网和频带传输为代表的ADSL为例。1)ADSLADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine）是非对称数据用户环路，是用数字数据对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。之前叙述过，传统的电话通信信道是为了传输语音信号而设计的，它只适用于传输音频范围300~3400Hz的模拟信号。但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz（1000000Hz）。因此ADSL技术就把0~4000Hz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。由于用户在上网时主要是从Internet下载数据，而向Internet发送信息一般都不大，因此ADSL把上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户。通常下行数据率在32Kb/s到6.4Mb/s之间，而上行数据率在32Kb/s到640Kb/s之间。【知识点】为什么我装了2M的ADSL宽带，但是下载速度不到200k？经常会有人提这样的问题。首先问题的本身语言表达得不太准确。2M其实是指的是速度为2Mb/s，但一般下载软件用的速度指标是KB/s，换算关系为：1MB=1000KB，1字节（B）=8比特（b）即1KB/S=8Kb/s。所以，2Mb/s的宽带实际速度是2Mb/s=0.25MB/s=250KB/s。这只是理论带宽，实际中由于线路和设备的干扰问题和信号的衰减，实际中的实际带宽要比250KB/s更低一些。随便提及：速度单位是1M=1000KB，而容量单位1MB=1024KB。所以如果用250KB/s宽带传输一个大小为250KB的文件，实际的传输速度应该大于1秒（250X1024B/250X1000B=1.024s）。2)快速以太网ADSL和CableModem（有线电视网）均可利用丰富的铜线资源，因此在旧的居民小区和大楼中实现宽带接入有很大的优势。但在新建小区和大楼的宽带接入中，10BASE-T双绞线以太网的接入方式以其高带宽和稳定的性能赢得了很大的市场。在以太网中是采用基带传输，所有计算机被连接一条同轴电缆上，采用具有冲突检测的载波感应多处访问（CSMA/CD）方法，采用竞争机制和总线拓朴结构。随着网络的发展，传统速度为10Mbps标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需求。目前广泛普及的100Mbps的快速以太网和吉比特以太网（千兆以太网），以及只使用光纤（不再使用铜线）的10吉比特以太网（万兆以太网）。.1.2差错控制技术由于通信线路上总有噪声存在，噪声和有用信息中的结果使得收到的数据与原来发送的数据不一致的现象就称为差错。差错是不能避免的，因此，在网络通信技术中必须对此加以研究和解决。通常差错控制技术包括两个主要内容：差错的检查和差错的纠正。1．差错控制类型通信信道的噪声分为热噪声和冲击噪声两种。由这两种噪声分别产生两种类型的差错，随机差错和突发差错。热噪声是由传输介质导体的电子热运动产生的，它的特点是：时刻存在，幅度较小且强度与频率无关，但频谱很宽，是一类随机噪声。由热噪声引起的差错称随机差错。此类差错的特点是：差错是孤立的，在计算机网络应用中是极个别的。与热噪声相比，冲击噪声幅度较大，是引起传输差错的主要原因。冲击噪声的持续时间要比数据传输中的每比特发送时间要长，因而冲击噪声会引起相邻多个数据位出错。冲击噪声引起的传输差错称为突发差错。常见的突发错是由冲击噪声（如电源开关的跳火、外界强电磁场的变换等）引起，它的特点是：差错呈突发状，影响一批连续的bit（突发长度）。计算机网络中的差错主要是突发差错。通信过程中产生的传输差错，是由随机差错和突发差错共同构成的。2．差错控制差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错，将差错限制在尽可能小的允许范围内。差错检测是通过差错控制编码来实现的；而差错纠正是通过差错控制方法来实现的。3．差错控制编码差错控制编码的原理是：发送方对准备传输的数据进行抗干扰编码，即按某种算法附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送。接收方收到数据后进行校验，即检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生。差错控制编码分检错码和纠错码两种，检错码是能自动发现差错的编码，纠错码是不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码效率R：其中，n表示码字的位长，k表示数据信息的位长，r表示冗余位的位长。计算机网络中常用的差错控制编码是奇偶校验码和循环冗余码。.2动手实践.2.1网络传输测试1．实验目的了解通信的传输模型2．实验环境设备要求：装配windows2003（XP亦可）操作系统的联网PC机两台。3．实验步骤建立测试用文件。计算机A中利用WinZIP等压缩工具创建三个文件，大小分别为10MB,20MB,40MB。且将文件所在的文件夹设置为“共享”，另一台计算