7.5 数据通信关键技术
7.5.1 数据传输技术
1 数据信号的基带传输
数据信号所传的信息包含在码元中，因此只要接收端能够无差错的恢复发送的码元流，就可以得到所传的信息。因此在不影响恢复码元的前提下，可以允许波形有一定的失真。
因为数据信号大多采用矩形脉冲信号，而从频谱上来看，矩形脉冲的频带从0频一直延续到无限的频率，覆盖了整个频谱，但是它的能量90％以上集中在0频至1/T＝ （T为矩形脉冲的宽度）的频率范围内。要传输整个频谱范围内的频率分量是不可能的，而只要将0至1/T范围内的频率分量传输过去，就可以保证无失真的传输。这样虽然会失真成为钟型波，但是保持了信号的主要特征，可以由接收端正确的识别。这种将数字信号的0～1/T频率分量传输过去的方式称为数字信号的基带传输。通常把 ＝1/T称为信号的带宽。
由于信道的带宽受限，传输的矩形波会产生钟形失真，出现拖尾。这就需要设计合适的信道传输系数和频率特性，以保证码元的拖尾在其他码元的判决时刻为0。这样就不会出现码间干扰。奈奎斯特第一准则指出，如果传输信道具有理想低通滤波器的幅频特性，理想低通的截至频率为 /2（ 为码元速率），则在判决点无码间干扰，这时信道的极限利用率为2码元/s,Hz。记作2Bd/Hz，这里的码元可以是二进制码元，也可以是多进制码元。其中理想低通滤波器的幅频特性是指当f=(0~ /2)Hz时，传输系数K(f)=A（A为常数）；当 时，K(f)=0。
当数字信号在带宽受限信道中传输时，由于信道带宽受限、幅频特性不理想，不能将信号的全部分量传到接收端，再加上噪声的干扰，使得波形失真，信号码元的幅度减小。而且随着传输距离的增加，波形的失真以及码元幅度的减小会更加严重。当传输距离达到一定值以后，接收端就无法正确的识别出接收到的码元是‘0’码还是‘1’码。因此，为了延长通信的距离，在数字信号的传输过程中，每隔一段距离放置一个再生中继器。
再生中继器由均衡放大、定时提取以及判决再生三部分组成。均衡放大的作用是补偿信道特性的不理想，减少信号失真。定时提取是从信码流中提取出时钟信号，作为收端时钟基准，以保持收端和发端的时钟同频同相，使判决的脉冲对准码元的中心。判决再生是根据判决时刻码元的电平，再生出‘1’码和‘0’码。
2 调制解调技术（频带传输）
在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，可以采用基带传输。当在长距离传输的有线信道，特别是无线信道中，为了抵抗信号的衰落，提高抗干扰能力，大多采用频带传输，频带传输的关键是调制解调技术。正如本书前面所谈到的，调制解调器是术语调制器和解调器的总称，它根据传输的是‘1’还是‘0’来改变载波信号。在频带传输中需要使用调制技术，有时我们也称它为信道编码技术。调制的作用是将数字信息转移到传输介质上。到目前为止，已经开发出很多调制方法，它们在工作速率、对线路质量的要求、抗噪声性能和复杂度方面各有不同，其中一些调制方式之间互不兼容。
调制解调器可以分别改变模拟波形的3种主要特征参数——幅度、频率和相位——来对信息进行编码。利用波形的这三个特征，调制解调器就可以在一个波形周期内对多个比特进行编码，它检测到的这些变化越多，产生的比特率就越高。采用不同的调制方法，相应的频谱利用率也不同。频谱利用率是指在单个波形周期内编码的比特数。我们称一个波形循环周期为“符号周期”。为了提高频谱利用率，可以采用增加电平级数的办法。例如，要在相同的符号周期内对k个比特编码，就需要 个电平级。随着速率的增加，接收端要区分这些电平级就越加困难。因此，如何在很高数据速率的情况下区分电平级成为目前的一个难点。
2．调制技术的分类
目前存在多种不同的调制方法。第一类是单载波调制，这种方法中单个信道占据了整个带宽。第二类是多载波调制，它将一定数量的带宽汇聚在一起，再分成几个子带，每个子带采用单载波调制进行编码，并且这些子带的比特流在接收端是捆绑在一起的。这样就可以部分避开噪声频段，从而避免造成信号被干扰，造成失真。多载波调制是随着数字信号处理（DSP）的发展而出现的。
（1）单载波调制
正交调幅（QAM）是一种单载波调制技术，它将幅度调制和相位调制结合起来。因此，它的频谱利用率比2B1Q要高，即每秒的比特数更多。幅度变化的数量和相位变化的数量决定了其抗噪声性能。抗噪声性能越好，频谱利用率或者说单位赫兹的比特数就越高。我们用QAMnn表示各种级数的QAM，其中nn是指单位赫兹的状态数。如果每个符号周期的比特数为k，则 。因此，4bit／Hz相当于QAMl6，6bit／Hz相当于QAM64，8bit／Hz相当于QAM256。正如你所见到的，QAM和早期的技术（例如2B1Q，只有2bit／Hz）相比，吞吐量得到了很大的改善。
四相移相键控（4PSK或QPSK）是另一种单载波调制技术。它相当于QAM4，每个符号周期有两个比特。QPSK设计用于尖刺环境，例如空中传输和有线电视的返回通道。因为它具有鲁棒性和相对低的复杂性，所以广泛用于像直接卫星广播这样的应用中。尽管QPSK没有其他某些方案的效率高，但它可以保证可靠性。
无载波振幅／相位调制（CAP）是另一种单载波调制技术。CAP结合了幅度调制和相位调制，它是用于ADSL的早期技术之一。但是我们发现，ADSL的部分工作频段受到外部设备的噪声影响，例如个人无线设备和无线对讲机，因此你在通过ADSL线路呼叫时，如果这些设备正在工作，就会出现静电噪声或者造成数据错误。因此，CAP不再是ADSL的首选调制方法。
（2）多载波调制
离散多音频(DMT)是一种多载波调制技术。在这种方法中，每个子带的频谱利用率可以不同。我们知道，有线介质中每线的噪声特性可能不同，因此，DMT适用于有线介质，例如ADSL线路。正是由于每线的频谱利用率都可以优化，所以DMT成为ADSL的首选调制方法。
正交频分复用（OFDM）是另一种多载波调制技术。正交频分复用调制是一种信道利用率很高的调制方式, 其采用并行传送的方式,有较高的信道利用率,并有良好的抗衰落能力,它对每个子带采用相同的调制方法。OFDM通常用于空中广播，并假设所有的子带具有相同的抗噪声性能。这种技术在欧洲普遍使用，美国一些新出现的技术中也计划采用OFDM。
在无线移动信道中, 尽管存在着多径传播及多普勒频移所引起的频率选择性衰落和瑞利衰落,但OFDM 调制还是能够减轻瑞利衰落的影响。这是因为在高速串行传送码元时, 深衰落会导致邻近的一串码元被严重的破坏, 造成突发性误码。而与串行方式不同, OFDM 能将高速串行码流转变成许多低速的码流，并用这些码流对不同的载波进行调制，然后进行并行传送,这使得码元周期很长,即远大于深衰落的持续时间, 因而当出现深衰落时,并行的码元只是轻微的受损,经过纠错就可以恢复。另外对于多径传播引起的码间串扰问题, 其解决的方案是在码元间插入保护间隙, 只要保护间隙大于最大的传播延迟时间, 码间串扰就可以完全避免。而且在OFDM系统中，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统结构。同时由于各子载波上的频谱是相互重叠的，这些载波在整个符号周期内满足正交性，这样，在接收端能保证无失真地复原。这就大大提高了频谱利用率。
3 编码技术
编码就是将一种比特组合和某个字符集中的字符（例如回车符和其他键盘符号）对应起来。随着时间的流逝，不同的计算机厂商和团体分别制定了不同的编码方案。最常用的编码方案有ASCII、EBCDIC和Unicode。
目前最广为流行的编码是美国标准信息交换码（ASCII）。其中，每个字符用7比特表示，还有一个附加控制比特，称作校验比特，它用于差错检测。在ASCII中，7个‘1’或者‘0’的比特位组合在一起表示某个字符，总共可以表示128（即 ）个字符。
在全世界都一致采纳ASCII方案的同时，IBM制定了适合自己产品的编码方案，我们称它扩展的二进制表示的十进制编码（EBCDIC）。它是一种8位代码，不包含控制比特，因此可以表示256（即 ）个不同的字符。这个数字看上去很大，实际上还不足以包含所有的字符。例如，要表示东方的语言，大约需要6万个字符。
在ASCII码中大写字母A和在EBCDIC码中的A大不相同。由此可见它们是不兼容的。如果你的工作站采用ASCII编码，要和一台采用EBCDIC编码的主机通信，结果显示屏上会出现了一堆你看不懂的字符，这是因为你的机器无法理解对方主机所使用的字母表。在20世纪80年代中期，出现了一种叫Unicode的编码。其中每个字符分配16位，可以表示65000多个字符（即 个字符）。
如今大部分人相信，最好的编码方案就是使用自然语言接口，例如语音识别。我们期望， 到2008年或2009年，自然语言接口将成为最普遍的数据输入形式。但在这之前，我们必须知道存在多种编码方案，它们在同一个网络中互不兼容，因此在通信时需要进行转换。这种转换可以在用户侧某个网元上完成，也可以由网络侧提供。事实上，早期的X．25网络就是将编码格式转换作为一种附加业务来提供。
4 信道复用技术
“复用”是通信技术中常用的名词，是指能在同一传输媒质中同时传输多路信号的技术，用以提高通信线路的利用率。常用的方式有频分复用、时分复用、码分复用等。频分复用是利用不同的频率使不同的信号同时传送而互不干扰；时分复用是利用不同的时隙使不同的信号同时传送而互不干扰；码分复用是利用各路信号的代码相互正交而实现互不干扰。
数据通信系统中采用比较多的复用方式是统计时分复用技术。统计时分复用技术实际上也是时分复用技术的一种。全称叫做“统计时分多路复用”，简称STDM，又称“异步时分多路复用”。所谓“异步”或是“统计”，是因为它利用公共信道“时隙”的方法与传统的时分复用方法不同，传统的时分复用接入的每个终端都固定地分配了一个公共信道的一个时隙，是对号入座的，不管这个终端是否正在工作都占用着这个时隙，这就使时隙常常被浪费掉了。因为终端和时隙是“对号入座”的，所以它们是“同步”的。而异步时分复用或统计时分复用是把公共信道的时隙实行“按需分配”，即只对那些需要传送信息或正在工作的终端才分配给时隙，这样就使所有的时隙都能饱满地得到使用，可以使服务的终端数大于时隙的个数，提高了媒质的利用率，从而起到了“复用”的作用。统计分析，统计复用可比传统的时分复用提高传输效率2-4倍。这种复用的主要特点是动态地分配信道时隙，所以统计复用又可叫做“动态复用”。
7.5.2 数据交换技术
交换是网络实现数据传输的一种手段。在数据进行通信实现交换过程中，交换节点并不关心数据的内容，只是负责把数据从一个节点传到下一个节点，直到到达信宿节点为止。实现数据交换有三种技术：电路交换、报文交换和分组交换。
随着数据通信技术的发展和演变，其网络交换技术历经了电路方式、报文方式、分组方式、帧方式和信元方式。
1 电路交换
电路方式是从一点到另一点传递信息的最简单的方式，如本书第五章所讲，电路交换是一种预先分配资源的交换方式，在多个输入线和输出线之间直接形成传输信息的物理链路。不管在这条电路上实际有无数据传输，电路一直被占用，直到双方通信完毕拆除连接为止。
电路交换分三个阶段：
（1）连接建立阶段（预先分配资源）
（2）数据传输（独占预先分配的资源）
（3）连接清除阶段（释放资源）
电路交换的特点：呼损、发送方与接受方速率相同、延迟短且固定、适用于连续大批量的数据传输。
2 报文交换
60年代和70年代，在数据通信中普遍采用报文交换方式，目前这种技术仍普遍应用在某些领域（如电子信箱等）。为了获得较好的信道利用率，出现了存储——转发的想法，这种交换方式就是报文交换。它的基本原理是用户之间进行数据传输，主叫用户不需要先建立呼叫，而先进入本地交换机存储器，等到连接该交换机的中继线空闲时，再根据确定的路由转发到目的交换机。由于每份报文的头部都含有被寻址用户的完整地址，所以每条路由不是固定分配给某一个用户，而是由多个用户进行统计复用，如图7-7所示。
图7-7 报文交换技术
报文交换中，若报文较长，则需要较大容量的存储器，而如果将报文放到外存储器中去时，会造成响应时间过长，增加了网路延迟时间。另一方面报文交换通信线路的使用效率仍不高。
3 分组交换
分组交换与报文交换都是采用存储——转发交换方式，但分组方式在发送方需要将传送的信息划分为一定长度的包，称为分组，每个分组前边都加上固定格式的分组标题，用于指明该分组的发端地址、收端地址及分组序号等，以分组为单位进行存储转发。在分组交换网中，一条实际的电路上能够传输许多对用户终端间的数据而互不混淆，因为每个分组中含有区分不同起点、终点的编号，称为逻辑信道号。
分组方式与报文方式比，有许多优点。首先，分组方式对电路带宽采用了动态复用技术，效率明显提高。其次，分组在各交换节点之间传送比较灵活，交换节点不必等待整个报文的其他分组到齐，而是一个分组、一个分组地转发。这样大大压缩节点所需的存储容量，也缩短了网络的时延。第三，较短的分组比长的报文可大大减少差错的产生，提高了传输的可靠性。另外，为了保证分组的可靠传输，防止分组在传输和交换过程中的丢失、错发、漏发、出错，分组通信制定了一套严密的，较为繁琐的通信协议。例如：在分组网与用户设备间的X.25规程就起到了上述作用，因此人们又称分组网为“X.25网”。
4 帧交换
帧方式实质上也是分组通信的一种形式，只不过它将X.25分组网中分组交换机之间的恢复差错，防止拥塞的处理过程进行了简化。帧方式的典型技术就是帧中继。由于传输技术的发展，数据传输误码率大大降低，分组通信的差错恢复机制显得过于繁琐，帧中继将分组通信的三层协议简化为两层，大大缩短了处理时间，提高了效率。帧中继网内部的纠错功能很大一部分都交由用户终端设备来完成。
5 信元交换
信元方式是将信息以信元为单位进行传送的一种技术。信元主要由两部分构成，即信元头和信元净荷。信元头所包含的是地址和控制信息，信元净荷是用户数据。信元的长度是固定的。采用信元方式，网络不对信元的用户数据进行检查；但是信元头中的CRC比特将指示信元地址信息的完整性。信元方式也是一种快速分组技术，它将信息通过适配层切割成固定长度的信元。信元方式适用于各种类型信息的传输，是提供综合业务的网络技术基础。信元方式仅是一个非常宏观的概念，在具体应用中，还需规范详尽的格式及协议，例如在B-ISDN中所采用的ATM技术也是基于信元的。
7.5.3 差错控制技术
1 差错的产生
由于通信线路上总有噪声存在，噪声对有用信息的干扰会导致有用信息出现差错。噪声可分为两类，一类是热噪声，另一类是冲击噪声。热噪声引起的差错是一种随机差错，亦即某个码元的出错具有独立性，与前后码元无关。冲击噪声是由短暂原因造成的，例如电机的启动、停止，电器设备的放弧等，冲击噪声引起的差错是成群的，其差错持续时间称为突发错误的长度。
衡量信道传输性能的指标之一是误码率PO。PO=错误接收的码元数/接收的总码元数。目前普通电话线路中，当传输速率在600~2400bit/s时，PO在 之间，对于大多数通信系统，PO在 之间，而计算机之间的数据传输则要求误码率低于 。
2 差错检测技术
在介绍差错检测技术之前，我们先举一个日常生活中的实例。如果你发出一个通知：“明天14：00~16：00开会”，但在通知过程中由于某种原因产生了错误，变成“明天10：00~16：00开会”。别人收到这个错误通知后由于无法判断其正确与否，就会按这个错误时间去行动。为了使收者能判断正误，可以在发通知内容中增加“下午”两个字，即改为：“明天下午14：00~16：00开会”，这时，如果仍错为：“明天下午10：00~16：00开会”，则收到此通知后根据“下午”两字即可判断出其中“10：00”发生了错误。但仍不能纠正其错误，因为无法判断“10：00”错在何处，即无法判断原来到底是几点钟。这就是检错码的工作原理，检错码利用冗余技术来使接收方检查所接收到的数据是否是正确的，但接受方只能根据检错码判断出是否正确，但不能判断出在哪发生了错误。所以说，检错码只能检错，不能纠错。
差错检测码有多种形式，其中最常用的两种是奇偶校验和循环冗余校验。
对于采用异步传输的ASCII码终端通常采用奇偶校验。奇偶校验就是将比特值相加得到一个共同的数值，要么是偶数要么是奇数。是奇或是偶并不重要，可一旦你选择了奇数或者偶数，每个终端都必须设置成相同的值。我们来讨论奇校验的情况。如图7-8所示，首先看图中字符#1，将其比特值相加，得到数值2，这是一个偶数。因为是奇校验，所以终端插入一个1比特，使得相加的和为3，是个奇数。对于字符#2，相加的结果是3，因此终端插入一个0作为校验比特。等所有6个字符都算完，终端通过网络将所有的比特发送到接收端。接收端用相同的方法计算，如果结果是奇数，则认为正确接收。如果结果不是奇数，接收端判断有错，但它不能纠错，这也是奇偶校验的缺点。而且奇偶校验只能检测出来奇数位的误码，偶数位的误码就无法检测出来。
图7-8奇偶校验
同步终端及其传输采用循环冗余校验的差错控制方法。即通过某种数学算法对整个消息块进行计算。循环校验（CRC）码附加到消息的后面，一起传送到接收端。接收端重新计算消息块，并对两个CRC进行比较。如果匹配，通信过程继续；如果不匹配，接收端就请求重传直到问题解决，如果在规定的时间内不能解决，就终止会话。CRC的检错能力与生成多项式有关
那么如何纠正错误呢？仍然以上例为例，收端可以告诉发端再发一次通知，这就是检错重发。为了实现不但能判断正误（检错），同时还能改正错误（纠错），可以把发的通知内容再增加“两个小时”四个字，即改为：“明天下14：00~16：00两个小时开会”。这样，如果其中“14：00”错为“10：00”，不但能判断出错误，同时还能纠正错误，因为其中增加的“两个小时”四个字可以判断出正确的时间为“14：00~16：00”。
通过上例可以说明，为了能判断传送的信息是否有误，可以在传送时增加必要的附加判断数据；如果要纠正错误，则需要增加更多的附加判断数据。这些附加数据在不发生误码的情况之下是完全多余的，但如果发生误码，即可利用被传信息数据与附加数据之间的特定关系来实现检出错误和纠正错误，这就是误码控制编码的基本原理。具体地说就是：为了使信源代码具有检错和纠错能力，应当按一定的规则在信源编码的基础上增加一些冗余码元(又称监督码)，使这些冗余码元与被传送信息码元之间建立一定的关系，发信端完成这个任务的过程就称为误码控制编码；在收信端，根据信息码元与监督码元的特定关系，实现检错或纠错，输出原信息码元，完成这个任务的过程就称误码控制译码(或解码)。
3 差错校正技术
差错控制是一个检错和纠错的过程，差错校正方式基本上分为两类，一类称为“重发纠错”，另一类称为“前向纠错”。在这两类基础上又派生出一种称为“混合纠错”。
（1）重发纠错
这种方式在是发信端采用某种能发现一定程度传输差错的简单编码方法，它对所传信息进行编码，然后加入检错码，在接收端则根据编码规则对收到的编码信号进行检查，一但检测出（发现）有错码时，即向发信端发出询问的信号，要求重发。发信端收到询问信号时，立即重发已发生传输差错的那部分信息，直到正确收到为止，如图7-9所示。所谓发现差错是指在若干接收码元中知道有一个或一些码元是错的，但不一定知道错误的准确位置。
优点：设备简单，容易实现；
缺点：需要具备双向信道，有一定重发延迟。
适用于传输时延小且信道误码率低的场合，比如有线信道。
图7-9 重发纠错示意图
（2）前向纠错
这种方式是发信端采用某种在解码时能纠正一定程度传输差错的较复杂的编码方法，使接收端在收到信码中不仅能发现错码，还能够纠正错码。在图7-10中，除去虚线所框部分就是前向纠错的方框示意图。采用前向纠错方式时，不需要反馈信道，也无需反复重发而延误传输时间，对实时传输有利，但是纠错设备比较复杂。
优点：只需要单向信道且重发时延小，实时性好；
缺点：设备复杂。
适用于传输时延大且信道误码率高的场合，比如卫星信道或无线信道
图7-10 前向纠错示意图
（3）混合纠错
混合纠错的方式是：少量纠错在接收端自动纠正，差错较严重，超出自行纠正能力时，就向发信端发出询问信号，要求重发。因此，“混合纠错”是“前向纠错”及“重发纠错”两种方式的混合。
对于不同类型的信道，应采用不同的差错控制技术，否则就将事倍功半。另外，无论检错和纠错，都有一定的判别范围，如本节例题中，若开会时间错为“16：00~18：0 0”，则无法实现检错与纠错，因为这个时间也同样满足附加数据的约束条件，这就应当增加更多的附加数据（即冗余）。我们已知，信源编码的中心任务是消去冗余，实现码率压缩，可是为了检错与纠错，又不得不增加冗余，这又必然导致码率增大，传输效率降低；显然这是个矛盾。我们分析误码控制编码的目的，正是为了寻求较好的编码方式，能在增加冗余不太多的前提下来实现检错和纠错。再者，经过信源编码，如果传送信道容量与信源码率相匹配，而且信道内引入的噪声较小，则误码率一般是很低的。例如，当信道的信杂比超过20dB时，二元单极性码的误码率低于 ，即误码率只 分之一，故通过信道编码实现检错和纠错是可以做到的。
4 误码控制编码的分类
随着数字通信技术的发展，研究开发了各种误码控制编码方案，各自建立在不同的数学模型基础上，并具有不同的检错与纠错特性，可以从不同的角度对误码控制编码进行分类。
（1）按照误码控制的不同功能，可分为检错码、纠错码和纠删码等。检错码仅具备识别错码功能而无纠正错码功能；纠错码不仅具备识别错码功能，同时具备纠正错码功能；纠删码则不仅具备识别错码和纠正错码的功能，而且当错码超过纠正范围时可把无法纠错的信息删除。
（2） 按照误码产生的原因不同，可分为纠正随机错误的编码与纠正突发性错误的编码。前者主要用于产生独立的局部误码的信道，而后者主要用于产生大面积的连续误码的情况，例如磁带数码记录中磁粉脱落而发生的信息丢失。
（3） 按照信息码元与附加的监督码元之间的检验关系可分为线性码与非线性码。如果两者呈线性关系，即满足一组线性方程式，就称为线性码；否则，如果两者关系不能用线性方程式来描述，就称为非线性码。
（4） 按照信息码元与监督附加码元之间的约束方式的不同，可以分为分组码与卷积码。在分组码中，编码后的码元序列每n位分为一组，其中包括k位信息码元和r位附加监督码元，即n=k+r ，每组的监督码元仅与本组的信息码元有关，而与其他组的信息码元无关。卷积码则不同，虽然编码后码元序列也划分为码组，但每组的监督码元不但与本组的信息码元有关，而且与前面码组的信息码元也有约束关系。
（5） 按照信息码元在编码之后是否保持原来的形式不变，又可分为系统码与非系统码。在系统码中，编码后的信息码元序列保持原样不变，而在非系统码中，编码后的信息码元会改变其原有的信号序列。由于原有码位发生了变化，使译码电路更为复杂，故较少选用。
对于某种具体的数字设备，为了提高检错、纠错能力，通常同时选用几种误码控制编码方式。
