1、0第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础聊城大学环境与规划学院聊城大学环境与规划学院2007年年1月月第五讲第五讲1第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配1.3 1.3 传输技术传输技术2第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配6.模拟信号的数字编码脉冲编码调制技术u采样定理：采样定理：要转换的模拟数据主要是电话语音信号要转换的模拟数据主要是电话语音信号语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过
2、三个步骤：换成数字信号。这需要经过三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：对每个样本舍入到量化级别上量化：对每个样本舍入到量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为编码后的信号称为PCMPCM信号信号 (脉码调制脉码调制,Pulse,Pulse Code Modulation)Code Modulation)1.3 1.3 传输技术传输技术3第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配PCM转换过程举例1.3 1.3 传输技术传输技术6.模拟信号的
3、数字编码脉冲编码调制技术ttt4第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配数字化的质量取决于采样频率和测量精度。数字化的质量取决于采样频率和测量精度。（1 1）采样频率：）采样频率：一秒内的采样次数，反映了采样点一秒内的采样次数，反映了采样点之间的间隔大小。之间的间隔大小。1.3 1.3 传输技术传输技术6.模拟信号的数字编码脉冲编码调制技术5第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配（2 2）测量精度：）测量精度：l是样本在垂直方向的精度，是样本的量化等级，是样本在垂直方向的精
4、度，是样本的量化等级，通过对波形垂直方向的等分而实现。通过对波形垂直方向的等分而实现。l常用二进制数的位数表示样本的量化等级。常用二进制数的位数表示样本的量化等级。l量级越高，采样精度越高。量级越高，采样精度越高。1.3 1.3 传输技术传输技术6.模拟信号的数字编码脉冲编码调制技术6第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配1.3 1.3 传输技术传输技术6.模拟信号的数字编码脉冲编码调制技术 想一想想一想 实际应用中，是不是采样频率和测量精实际应用中，是不是采样频率和测量精度越高越好？为什么？度越高越好？为什么？l 不是不是l 因为
5、采样频率和测量精度的提高都是以因为采样频率和测量精度的提高都是以存储容量为代价的。存储容量为代价的。7第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配7.数字编码 目的是把数字数据转换成某种数字脉冲信号。目的是把数字数据转换成某种数字脉冲信号。单极性码与双极性码单极性码与双极性码 归零码与不归零码归零码与不归零码 曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码常见的有两类：常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码不归零码和曼彻斯特编码1.3 1.3 传输技术传输技术8第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信
6、号与信道的匹配数据信号与信道的匹配7.数字编码各种编码方式的特点：各种编码方式的特点：单极性码单极性码 双极性码双极性码1.3 1.3 传输技术传输技术9第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配7.数字编码 归零码（归零码（Return to Zero,RZReturn to Zero,RZ）不归零码（不归零码（Non-Return to Zero,Non-Return to Zero,NRZNRZ）1.3 1.3 传输技术传输技术各种编码方式的特点：各种编码方式的特点：10第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3
7、数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配7.数字编码 曼彻斯特（曼彻斯特（ManchesterManchester）编码）编码 差分曼彻斯特（差分曼彻斯特（Different ManchesterDifferent Manchester）编码）编码 1.3 1.3 传输技术传输技术各种编码方式的特点：各种编码方式的特点：11第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配 0 0 1 1 0 1 0 00 0 1 1 0 1 0 0单极性归零单极性归零（RZRZ）编）编码码双极性归零双极性归零（RZRZ）编码）编码单极性不归零单极性不归零（N
8、RZNRZ）编码）编码高高低低高高低低高高低低双极性不归零双极性不归零（NRZNRZ）编码）编码高高低低1.3 1.3 传输技术传输技术7.数字编码tttt12第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配 0 0 1 1 0 1 0 00 0 1 1 0 1 0 0曼彻斯特曼彻斯特编码编码差分曼彻差分曼彻斯特编码斯特编码双极性不归零双极性不归零（NRZNRZ）编码）编码高高低低高高低低高高低低1.3 1.3 传输技术传输技术7.数字编码ttt13第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道
9、的匹配 评价数字信号编码方式的优缺点可以从以下评价数字信号编码方式的优缺点可以从以下几点考虑：几点考虑：v 脉冲的宽度脉冲的宽度l脉冲宽度越大，信号的能量就越大，对于脉冲宽度越大，信号的能量就越大，对于提高接收端的信噪比有利。提高接收端的信噪比有利。v 占用的频带宽度占用的频带宽度l脉冲宽，占用的频带就窄，如归零码比不脉冲宽，占用的频带就窄，如归零码比不归零码占用的频带要宽。归零码占用的频带要宽。1.3 1.3 传输技术传输技术7.数字编码14第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配v 直流分量的成分直流分量的成分l直流分量低有利于传
10、输，如双极性码的直流分直流分量低有利于传输，如双极性码的直流分量较低，而曼彻斯特码和差分曼彻斯特码则没有量较低，而曼彻斯特码和差分曼彻斯特码则没有直流分量。直流分量。v 自同步能力自同步能力l曼彻斯特码和差分曼彻斯特码的每个码元中都曼彻斯特码和差分曼彻斯特码的每个码元中都有跃变，可以提供自同步能力有跃变，可以提供自同步能力。如在。如在IEEE 802.5IEEE 802.5中，正常的信号编码都采用差分曼彻斯特码。中，正常的信号编码都采用差分曼彻斯特码。1.3 1.3 传输技术传输技术7.数字编码15第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的
11、匹配 在一个信道上进行数据传输的成败和质量，不仅在一个信道上进行数据传输的成败和质量，不仅取决于信道的质量，还与信号自身的形式有关。本节取决于信道的质量，还与信号自身的形式有关。本节介绍了不同形式的信号对传输质量的影响，以及将不介绍了不同形式的信号对传输质量的影响，以及将不同的数据变换为不同形式的信号的技术。这些是传输同的数据变换为不同形式的信号的技术。这些是传输技术中非常重要的内容。技术中非常重要的内容。1.3 1.3 传输技术传输技术小 结16第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制1.差错产生的原因与基本对策差错产生的原因与基本对策n 信号
12、在物理信道中进行传输存在差错，使得信号在物理信道中进行传输存在差错，使得接收到的数据与原来发送的数据不一致，称为接收到的数据与原来发送的数据不一致，称为传输差错传输差错。n 与语音、图像传输不同，计算机通信要求极与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。低的差错率。n 除了信号的衰减外，信道噪声引起传输信号除了信号的衰减外，信道噪声引起传输信号的畸变是产生差错的主要原因。的畸变是产生差错的主要原因。1.3 1.3 传输技术传输技术17第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制 传输中的差错都是由噪声引起的。传输中的差错都是由噪声引起的。噪声
13、有两大类：噪声有两大类：v热噪声热噪声信道固有的、持续存在的信道固有的、持续存在的v冲击噪声冲击噪声 由外界特定的短暂原因所造成的由外界特定的短暂原因所造成的1.3 1.3 传输技术传输技术18第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制 为减少传输差错，提高传输质量，可以采取为减少传输差错，提高传输质量，可以采取以下措施：以下措施：改善通信线路的质量改善通信线路的质量 采用差错控制技术检测错误，纠正错误，采用差错控制技术检测错误，纠正错误，把差错限制在尽可能小的允许范围内；把差错限制在尽可能小的允许范围内；u 检错码检错码u 纠错码纠错码 采用合适
14、的差错控制协议采用合适的差错控制协议1.3 1.3 传输技术传输技术19第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制2.误码检测误码检测（1）校验和）校验和 假定要传输的假定要传输的4个数字为个数字为1、2、3、5，它们的和用，它们的和用十六进制表示为十六进制表示为B，则将和连同数据一起发送，即发送，则将和连同数据一起发送，即发送0001 0010 0011 0101 1010（1235B）。接收方收到数据。接收方收到数据后，重新计算一边数据的和，如果非后，重新计算一边数据的和，如果非B，说明传输中发，说明传输中发生了错误。生了错误。1.3 1.3
15、传输技术传输技术20第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制2.误码检测误码检测校验和漏检的例子校验和漏检的例子B校验和校验和50101300112001010001发送的数据发送的数据B校验和校验和10001501013001120010接收到的数据接收到的数据1.3 1.3 传输技术传输技术21第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制（2）循环冗余校验码（）循环冗余校验码（CRC）循环冗余校验码循环冗余校验码(CRC(CRC，Cyclic Redundancy Code)Cyclic Redun
16、dancy Code)是一种能力相当强的检错、纠错码。它是采用多项式是一种能力相当强的检错、纠错码。它是采用多项式的编码方式，这种方法把要发送的数据看成是一个多的编码方式，这种方法把要发送的数据看成是一个多项式的系数，数据为项式的系数，数据为C Cn-1n-1C Cn-2n-2C CC C (其中为其中为0 0或或1)1)，则其对应的多项式为则其对应的多项式为 C Cn-1n-1x xn-1n-1+C+Cn-2n-2x xn-2n-2+C+Cx+Cx+C0 0 例如：数据例如：数据“1001010110010101”可以写为多项式可以写为多项式x x+x+x+x+x2 2+1+1。1.3 1.
17、3 传输技术传输技术22第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制 循环冗余校验方法的循环冗余校验方法的原理原理如下：如下：(1)(1)设要发送的数据对应的多项式为设要发送的数据对应的多项式为M(x)M(x)。(2)(2)发送方和接收方约定一个生成多项式发送方和接收方约定一个生成多项式G(x)G(x)，设该生成多项式的最高次幂为设该生成多项式的最高次幂为k k。(3)(3)在数据块的末尾添加在数据块的末尾添加k k个个0 0，则其相对应的，则其相对应的多项式为多项式为M(x)=M(x)M(x)=M(x)x xk k。（左移。（左移k k位）位）(4
18、)(4)用用M(x)M(x)除以除以G(x)(G(x)(模模2 2除除)，获得商，获得商Q(x)Q(x)和和余式余式R(x)R(x)，则，则M(x)=Q(x)M(x)=Q(x)G(x)+R(x)G(x)+R(x)。(5)(5)采用模采用模2 2加运算，计算加运算，计算T(x)=M(x)+R(x)T(x)=M(x)+R(x)，即形成循环冗余校验码即形成循环冗余校验码T(x)T(x)。1.3 1.3 传输技术传输技术23第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制 (6)(6)发送发送T(x)T(x)所对应的数据。所对应的数据。(7)(7)设接收端接收到
19、的数据对应的多项式为设接收端接收到的数据对应的多项式为T(x)T(x)，将，将T(x)T(x)除以除以G(x)G(x)，若余式为，若余式为0 0，则认为没有错误，否则认，则认为没有错误，否则认为有错。即若为有错。即若T(x)=T(x)T(x)=T(x)，则，则 T(x)/G(xT(x)/G(x)=Q(x)=Q(x)G(x)+R(x)+R(x)/G(x)G(x)+R(x)+R(x)/G(x)=Q(x)=Q(x)G(x)/G(x)=Q(x)G(x)/G(x)=Q(x)余式为余式为0 0。若。若T(x)T(x)T(x)T(x)，余式不为，余式不为0 0。根据模根据模2加的规则，两数相同为加的规则，两
20、数相同为0，两数相异为，两数相异为1。故有。故有R(x)+R(x)=R(x)+-R(x)=0R(x)+R(x)=R(x)+-R(x)=01.3 1.3 传输技术传输技术24第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制例子：对四位有效信息例子：对四位有效信息1100做循环冗余校验码，选择生成做循环冗余校验码，选择生成多项式多项式G(x)G(x)为为10111011（k=3k=3）(1)M(x)=x(1)M(x)=x3 3+x+x2 2(=C(=C3 3x x3 3+C+C2 2x x2 2+C+Cx+Cx+C)(2)M(x)(2)M(x)x x3 3=
21、x=x6 6+x+x5 5=1100000(k=3,=1100000(k=3,左移三位左移三位)(3)(3)模模2 2除，除，M(x)M(x)x xk k/G(x)=1100000/1011/G(x)=1100000/1011 =1110+010/1011 =1110+010/1011，即余数，即余数R(x)=010R(x)=010 1 1 1 0 商商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 余数余数(4)(4)模模2 2加，得到加，得到T(xT(x)=M(x)=M(
22、x)x x3 3+R(x)+R(x)=1100000+010=1100010 =1100000+010=1100010。1.3 1.3 传输技术传输技术25第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制CRC循环码的出错模式循环码的出错模式（G（x）=1011）D7D6D5D4D3D2D1余数余数出错位出错位正确正确1100010000错错误误110001100111100000010211001101003110101001141110010110510000101116010001010171.3 1.3 传输技术传输技术26第第1章章 计算机网络
23、技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制l“循环码循环码”的来历。的来历。l【例【例】G(x)1011，M(x)1100，若接收端收到的，若接收端收到的码字为码字为1100110，用，用G(x)1011做模做模2除得到一个不为除得到一个不为0的的余数余数100，说明，说明D3位传输有错。将此位传输有错。将此余数继续补余数继续补0用用G(x)1011作模作模2除，同时让除，同时让码字循环左移码字循环左移。做了。做了4次次后后，得到，得到余数为余数为101，这时码字也循环左移，这时码字也循环左移4位。说明位。说明出错位已移到最高位出错位已移到最高位D7位，将最高位位，将最
24、高位1取反后再将它取反后再将它循环循环左移左移3位位，补足，补足7次，出错位回到次，出错位回到D3位，就成为一位，就成为一个正确的码字个正确的码字1100010。1.3 1.3 传输技术传输技术27第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制l生成多项式生成多项式G(x)G(x)应满足的要求：应满足的要求：最高位和最低位同时为最高位和最低位同时为1 1；任何一位发生错误都应使余数不为任何一位发生错误都应使余数不为0 0；不同位发生错误应使余数不同；不同位发生错误应使余数不同；对余数继续做模对余数继续做模2 2除运算应使余数循环。除运算应使余数循环。1
25、.3 1.3 传输技术传输技术28第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制常用的标准生成多项式有以下几种：常用的标准生成多项式有以下几种：CRC-ITU-T:CRC-ITU-T:G(x)=x G(x)=x1616+x+x1212+x+x+1+1CRC-12:CRC-12:G(x G(x)=x)=x1212+x+x1111+x+x+x+x+x+1+x+1CRC-16:CRC-16:G(x G(x)=x)=x1616+x+x1515+x+x+1+1CRC-32:CRC-32:G(xG(x)=x)=x3232+x+x2626+x+x2323+x+x22
26、22+x+x1616+x+x1212+x+x1111+x+x1010+x+x+x+x+x+x+x+x+x+x+x+1+x+11.3 1.3 传输技术传输技术29第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配v 说明最基本的几种调制方法的特点。说明最基本的几种调制方法的特点。v 试绘出二进制数据试绘出二进制数据0101100101011001的下列编码波形：的下列编码波形：l 单极性不归零编码；单极性不归零编码；l 双极性归零编码；双极性归零编码；l 曼彻斯特编码；曼彻斯特编码；l 差分曼彻斯特编码。差分曼彻斯特编码。v 数字信号的编码方式有
27、哪几种？数字信号的编码方式有哪几种？1.3 1.3 传输技术传输技术习题与思考题30第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制3.差错控制协议差错控制协议 由于发送方对出错的数据帧进行重复是自动进行的，由于发送方对出错的数据帧进行重复是自动进行的，所以这种差错控制体制常简称为所以这种差错控制体制常简称为ARQ（Automatic Repeat reQuest），直译是自动重复请求，意思是），直译是自动重复请求，意思是自动自动请求重发请求重发。31第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制（1）停等）停等
28、ARQ协议协议 基本原理是发送方根据应答信号来确定接下来发基本原理是发送方根据应答信号来确定接下来发送数据帧的情况。送数据帧的情况。DATA0DATA0ACKACKACKACKACKACKDATA2DATA2DATA1DATA1出错出错a)a)正常情况正常情况b)b)数据帧出错数据帧出错送主机送主机A AB B送主机送主机送主机送主机DATA0DATA0ACKACKNAKNAKACKACKDATA1DATA1DATA1DATA1送主机送主机A AB B送主机送主机重传重传32第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制DATA0DATA0ACKACK
29、ACKACKDATA1DATA1DATA1DATA1丢失丢失DATA0DATA0ACKACKACKACKACKACKDATA1DATA1DATA1DATA1丢失丢失c)c)数据帧丢失数据帧丢失d)d)应答帧丢失应答帧丢失送主机送主机送主机送主机丢弃丢弃送主机送主机送主机送主机A AA AB BB Btouttout（1）停等）停等ARQ协议协议要解决的两个问题要解决的两个问题33第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制停止等待协议停止等待协议 ARQ ARQ 的优缺点的优缺点 34第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检
30、测与控制差错检测与控制提示提示停止等待停止等待ARQ协议的信道利用率不高。协议的信道利用率不高。解决解决思路思路允许发送方不等确认帧返回就连续发送多允许发送方不等确认帧返回就连续发送多个数据帧个数据帧连续连续ARQ协议的基本思想。协议的基本思想。（2）连续）连续ARQ协议协议允许多少帧？允许多少帧？这要引入一定的技术这要引入一定的技术（算法）加以控制（算法）加以控制35第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制n 在发送完一个数据帧后，不是停下来等待应答帧在发送完一个数据帧后，不是停下来等待应答帧（ACK），而是可以），而是可以连续再发送连续再发送
31、若干个数据帧。若干个数据帧。n 如果这时如果这时收到收到了接收方发来的了接收方发来的确认帧确认帧，那么还可以接，那么还可以接着发送数据帧。着发送数据帧。n 由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了。由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了。n 若传输信道的传输质量很差因而误码率较大时，连续若传输信道的传输质量很差因而误码率较大时，连续ARQ不一定优于停止等待协议。不一定优于停止等待协议。连续连续ARQARQ协议的基本原理协议的基本原理36第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制DATA1DATA2DATA3DATA4DATA5重传重传 D
32、ATA2重传重传 DATA3ACK1ACK1 确认确认 DATA1DATA2 出错，出错，丢弃丢弃DATA3 不按序，不按序，丢弃丢弃DATA4 不按序，不按序，丢弃丢弃DATA5 不按序，不按序，丢弃丢弃ACK2ACK2 确认确认 DATA2ACK3 确认确认 DATA3ACK3重传重传 DATA5重传重传 DATA4AB送交主机送交主机送交主机送交主机?NAK237第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制0123452345ACK0 ACK1 NAK2ACK2ACK3丢弃丢弃ItItouttTtn 当发送方发现前面某一数据帧未收到确认信息而计
33、时当发送方发现前面某一数据帧未收到确认信息而计时器已经超时后，就会重发该帧以及随后的器已经超时后，就会重发该帧以及随后的N个数据帧。个数据帧。38第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制n 为了进一步提高信道的利用率，可设法只重传出为了进一步提高信道的利用率，可设法只重传出现差错的数据帧或者是定时器超时的数据帧。现差错的数据帧或者是定时器超时的数据帧。n 但这时必须加大收方的缓冲区，以便先收下发送但这时必须加大收方的缓冲区，以便先收下发送序号不连续但仍处在缓冲区中的那些数据帧。序号不连续但仍处在缓冲区中的那些数据帧。n 等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机。等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机。（3）选择重传）选择重传ARQ协议协议39第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础1.3.4 差错检测与控制差错检测与控制40第第1章章 计算机网络技术基础计算机网络技术基础THANK YOU VERY MUCH！
