《差错控制》PPT课件讲解学习

由热噪声引起的差错属于一种随机差错。
➢ 冲击噪声
是由外界电磁干扰引起的，与热噪声相比，冲击 噪声的幅度较大，是引起差错的主要原因。冲击 噪声持续时间与数据传输中每个比特的发送时间 相比，可能较长，因而冲击噪声引起的相邻多个 数据位出错呈突发性。
冲击噪声引起的传输差错称为突发差错。
信道分类
▪ 按照噪声或干扰的变化规律，可把信道分 为三类：
的空格里填入正确的码组号。
例3：某数据通信系统采用返回重发的差错控制方式，发送端要向 接收端发送8个码组（序号0∽7），其中1号码组出错，请在下图中 的空格里填入正确的码组号。
差错控制编码的分类
▪ 按照差错控制编码的用途：检错码、纠错码和纠删码。 ▪ 按照信息码元和监督码元之间的函数关系：线性码和非线性码。 ▪ 按照对信息元处理方式的：分组码和卷积码。 ▪ 按照码组中信息码元在编码前后是否相同：系统码和非系统码。 ▪ 按照纠（检）错误的类型：纠（检）随机错误码、纠（检）突
许用码组与禁用码组
▪ 信道编码后的总码长为n，总的码组数应为
2n
有2k个，
通常称为许用码组；
▪ 其余的码组共有2n-k个，不传送，称为禁用 码组。
编码效率
▪ 发端误码控制编码的任务正是寻求某种规则从总码组中选 出许用码组；而收端译码的 任务则是利用相应的规则来 判断及校正收到的码字符合许用码组。通常又把信息码元 数目k 与编码后的总码元数目(码组长度)n之比称为信道编 码的编码效率或编码速率，表示为： R=k/n=k/k+r 其中，k是信息元的个数，r为校验码个数 。
计算机
1
0
异步传输
计算机
网络基础
循环冗余码CRC
▪ CRC是一种较为复杂的校验方法，它先将要发送的信息数据 与一个通信双方共同约定的数据进行除法运算，并根据余数 得出一个校验码，然后将这个校验码附加在信息数据帧之后 发送出去。接收端接收数据后，将包括校验码在内的数据帧 再与约定的数据进行除法运算，若余数为“0”，就表示接收 的数据正确，若余数不为“0”，则表明数据在传输的过程中 出错。
▪ 这是衡量纠错码性能的一个重要指标，一般情况下，监督 位越多(即r越大)，检纠错能力越 强，但相应的编码效率 也随之降低了
码长、码重、码距
▪ 编码码组的码元总位数称为码组的长度，简称码长。 ▪ 码组中，“1”码元的数目称为码组的重量，简称码
重。 ▪ 两个等长码组之间对应位上码元不同的数目称为这
两个码组的距离，简称码距。码距又称汉明距。通 常用d表示。 ▪ 各码组之间距离最小值称为最小码距，通常用d0表 示。
▪ 对于Go-Back-N方式，接收到的数据帧是 按顺序排列的，因而接收端不需要太多的 缓存，但由于发送端要将出错数据之后的 已发送数据帧重新发送，致使信道利用率 相对较低。
三种重发方式的比较
停发等候重发
返回重发
选择重发
发送方式
停止等待发送
连续发送
连续发送
传输效率
最低
比较高
最高
控制方法
简单
比较简单
汉明码
▪ 汉明码是一类常见的线性分组码，是一 种能够纠正单个错误的完备码。要纠正 码组中的单个错误，则要求与单个错误 图样对应的伴随式各不相同，且不能为 全零。若码长为n，监督码元的个数为r， 则要求2r-1≥n。码组为汉明码时取等号。 即用来纠正单个错误时，汉明码所用的 监督码元个数最少，效率最高。
差错控制的基本工作方式
▪ 前向纠错方式FEC
➢ 发端发送能够纠正错误的码，收端收到信码后自动地纠 正传输中的错误。
➢ 特点是单向传输，实时性好，但译码设备较复杂。
▪ 检错重发方式ARQ
➢ 发端发送检错码，收端收到信码后能够检查出错误。
▪ 混合纠错方式HEC
➢ 是FEC和ARQ方式的结合。
▪ 信息反馈方式IF
ARQ
发送端
接收端
DATA 1 ACK
DATA 2 NAK
DATA 2
ACK
发送端
DATA 1 DATA 2 DATA 3 DATA 4 DATA 5 DATA 4 DATA 6
接收端
ACK 1 ACK 2 ACK 3 NAK 4 ACK 5 ACK 4 ACK 6
发送端
DATA 1 DATA 2 DATA 3 DATA 4 DATA 5 DATA 4 DATA 5 DATA 6
计算机计算机要发送的数据计算校验位将其附加在数据后起始位数据位起始位校验位最终接收的数据检验校验位判断是否正确异步传输20201215精选ppt循环冗余码crccrc是一种较为复杂的校验方法它先将要发送的信息数据与一个通信双方共同约定的数据进行除法运算并根据余数得出一个校验码然后将这个校验码附加在信息数据帧之后发送出去
检错重发（ARQ）
常用的检错重发系统有三种，即停发等候重发、 返回重发和选择重发。
典型系统检错重发方式的原理方框图
检错重发（ARQ）
▪ 1、检错重发（ARQ） ▪ （1）思路 ▪ 发送端对数据序列进行分组编码，加入一定的码
元使之具有一定的检错能力，成为能够发现错误的 码组。接收端收到码组后，按一定规则对其进行有 无错误的判别，并把判决结果（应答信号）通过反 向信道送回发送端。如有错误，发送端把前面发出 的信息重新传送一次，直到接收端认为已正确接收 到信息为止。 ▪ （2）重发方式（3种形式）： ▪ ·停发等候重发 ▪ ·返回重发 ▪ ·选择重发
➢ 例如，两个码元构成四种码组00、01、10、 11，无法检错，而使用三个码元，有用码组 为000、011、101和110；
▪ 目前差错控制常采用冗余编码方案，检测和纠正 信息传输中产生的错误。
▪ 冗余编码思想就是：把要发送的有效数据在发送 时按照所使用的某种差错编码规则加上控制码 （冗余码），当信息到达接收端后，再按照相应 的校验规则检验收到的信息是否正确。
停止等待协议
▪ 在停止等待ARQ方式中，发送端在发送完一个数据帧后，要 等待接收端返回的应答信息，若应答为确认信息（ACK）时， 发送端才可以继续发送下一个数据帧；若应答为不确认帧 （NAK）时，发送端需要重发这个数据帧。停止等待ARQ协 议非常简单，由于是一种半双工的协议，因此系统的通信效 率低。
➢ 奇偶校验码； ➢ 水平垂直奇偶校验码； ➢ 恒比码 ➢ CRC循环冗余码等；
▪ 差错纠错编码：
➢ 汉明码； ➢ 卷积码；
奇偶校验码
▪ 采用奇偶校验法，在每个字符的数据位传输之前，先检测并计算 奇偶校验位，然后将其附加在后；
▪ 根据采用的奇偶校验位是奇数还是偶数，推出一个字符包含“1” 的数目，接收机重新计算收到字符的奇偶校验位，并确定该字符 是否出现传输差错；
接收端
ACK 1 ACK 2 ACK 3 NAK 4 NAK 4 ACK 4 ACK 5 ACK 6
停止等待k-N
选择ARQ与Go-Back-N的比较
▪ 采用选择ARQ方式时，由于接收到的数据 帧有可能是乱序的，因此，接收端必须提 供足够的缓存先将每个数据帧保存下来， 然后对数据帧重新排序。但由于该方式仅 重发出错的数据帧，因此，信道利用率高。
《差错控制》PPT课件
数据通信中的实际情况
发送的数据 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0
信号 噪音 信号+噪音 阈值
采样时钟
接收的数据 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0
差错比特
通信信道中的噪声
▪ 通信信道中的噪声分为热噪声和冲击噪声。
➢ 热噪声
是由传输媒体的电子热运动产生的，其特点是时 刻存在，幅度小，干扰强度与频率无关，但频谱 很宽，属于随机噪声。
➢ 随机信道：恒参高斯白噪声信道是典型的随机 信道，其中差错的出现是随机的，而且错误之 间是统计独立的。
➢ 突发信道：具有脉冲干扰的信道，是典型的突 发信道。错误是成串成群出现的，即在短时间 内出现大量错误。
➢ 混合信道
差错产生的原因
▪ 在通信过程中出现的传输差错，是由随机 差错和突发差错共同构成的，而造成差错 可能的原因包括：
▪ 若每个字符只采用一个奇偶校验位时，只能发现单个比特差错， 如果有两个或两个以上比特出错，奇偶校验位无效；
▪ 异步传输和面向字符的同步传输均采用奇偶校验技术；
▪ 多用于计算机内部数据校验。
要发送的数据
计算校验位,将 其附加在数据后
校验位
起始位
数据位
起始位
检验校验位,判 断是否正确
最终接收的数据
2022/2/13
连续ARQ协议
▪ 工作原理 ➢ 发送方发完一帧后，不必停下来等待对方的应答，可以连续 发送若干帧；如果在发送过程中收到接收方的肯定应答，可 以继续发送；若收到对其中某一帧的否认帧，则使用某种 ARQ方式重发数据；
▪ 优点 ➢ 连续发送提高了信道利用率；
▪ 连续ARQ协议包括 ➢ 选择ARQ ➢ Go-Back-N ARQ
要发送的数据
计算出CRC码,将 其附加在数据后
2022/2/13
计算机
CRC码 数据块
同步字节 同步传输
重新计算,判断 是否正确
最终接收的数据
计算机
网络基础
3.线性分组码
▪ 线性分组码的定义和特点
➢ 线性分组码，是指信息码元与监督码元 之间的关系可以用一组线性方程来表示 的分组码，即在（n，d）分组码中， 每一个监督码元都是码组中某些信息码 元按模2和而得到的，线性分组码是一 类重要的纠错码，应用很广。
最小码距与检纠错能力的关系
▪ ①在一个码组内为了检测e个误码，要求最小
码距应满足： d0 ≥e＋1 ②在一个码组内为了纠正t个误码，要求最小
码距应满足： d0 ≥2t＋1 ③在一个码组内为了纠正t个误码，同时能检
测e个误码(e＞t)，要求最小码距应满足： d0 ≥e＋t＋1 ；
差错编码
▪ 差错检测编码：
优缺点
▪ 混合纠错检错方式在实时性和译码复杂性方 面是前向纠错和检错重发方式的折衷。
例1：某数据通信系统采用停发等候重发的差错控制方式，请在 下图的“？”处填入ACK、NAK或码组号。
例2：某数据通信系统采用选择重发的差错控制方式，发送端要向 接收端发送7个码组（序号0∽6），其中1号码组出错，请在下图中
➢ 在数据通信中，信号在物理信道上的线路本 身的电气特性随机产生的信号幅度、频率、 相位的畸形和衰减；
➢ 电气信号在线路上产生反射噪声的回波效应； ➢ 相邻线路之间的串线干扰； ➢ 大气中的闪电、电源开关的跳火、自然界磁
场的变化以及电源的波动等外界因素。
差错的控制
▪ 在数据通信中，原发送信息，不具备抗干扰性能， 如果引入冗余度后，就可以使新的码组具有一定 的抗干扰能力。
比较复杂
缓冲存储器 成本
发送端有 低
发送端有 比较低
发送和接收端都要 求有
比较高
ARQ的优缺点
▪ （3）ARQ的优缺点 ▪ ·需反向信道，实时性差。 ▪ ·编码效率较高。 ▪ ·译码设备较简单。
前向纠错（FEC）
▪ 2、前向纠错（FEC） 思路 ▪ 前向纠错系统中，发送端的信道编码器将输入数
据序列变换成能够纠正错误的码，接收端的译码 器根据编码规律检验出错误的位置并自动纠正。
➢ 收端将接收的消息原封不动地送回发端，由发端将反馈 信息和原发送信息进行比较，发现错误进行重发，其优 点是方法和设备简单，无需纠（检）错编译系统。
差错控制的基本工作方式
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。
错则用于单向数字信号的传输，例如广播 数字电视系统，因为这种系统没有反馈通 道。
优点 ：不需要反向信道，实时性好。 缺点：1、所选择的纠错码必须与信道的错码特性
密切配合，否则很难达到降低错码率的要求；2、 为了纠正较多的错码，译码设备复杂；3、要求附 加的监督码也较多，传输效率较低。
混合纠错检错（HEC）
思路
▪ 混合纠错检错方式是前向纠错方式和检错重 发方式的结合。在这种系统中，发送端发出 同时具有检错和纠错能力的码，接收端收到 码后，检查错误情况，如果错误少于纠错能 力，则自行纠正；如果干扰严重，错误很多， 超出纠正能力，但能检测出来，则经反向信 道要求发端重发。
发错误码和既能纠（检）随机错误同时又能纠（检）突发错误
▪ 按照每个码元的取值：二进码和多进码。
差错控制编码的基本原理
▪ 差错编码的基本思想是在被传输信息中增 加一些冗余码，利用附加码元和信息码元 之间的约束关系加以校验，以检测和纠正 错误，增加冗余码的个数可增加纠检错能 力。
信息码元、监督码元
▪ 信息码元又称信息序列或信息位，这是发端由信源编码
后得到的被传送的信息数据比特，通 常以k表示。 ▪ 监督码元又称监督位或附加数据比特，这是为了检纠错
码而在信道编码时加入的判断数据位 。通常以r表示， 即为：
n=k+r或r=n－k ▪ 经过分组编码后的码又称为(n,k)码，即表示总码长为n
位，其中信息码长(码元数)为k位， 监督码长(码元数)为 r=n－k。通常称其为长为n的码字(或码组、码矢)。