3.1.1 差错控制的基本概念
1.差错分类
数据信号在信道中传输，会受到各种不同的噪声干扰。噪声大体分为两类:随机噪声和脉冲噪声。前者包括热噪声、散弹噪声和传输介质引起的噪声等;后者是指突然发生的噪声，比如雷电、开关引起的瞬态电信号变化等。随机噪声导致传输中的随机差错;脉冲噪声使传输出现突发差错。
随机差错又称独立差错，它是指那些独立地、稀疏地和互不相关地发生的差错。存在这种差错的信道称为无记忆信道或随机信道。
突发差错是指一串串，甚至是成片出现的差错，差错之间有相关性，差错出现是密集的。例如，传输的数据信号序列为00000000…，由于噪声干扰，接收端收到的数据信号序列为01110100…，其中11101为一串互相关联的差错，即一个突发差错。突发长度为第一个差错与最后一个差错之间的长度(中间可能有少数不错的码)，本例中突发长度等于5。
产生突发差错的信道称为有记忆信道或突发信道。
实际信道是复杂的，所出现的差错也不是单一的，而是随机差错和突发差错并存的，只不过有的信道以某种差错为主而已，这两类差错形式并存的信道称为组合信道或复合信道。
2.差错控制的基本思路
差错控制的核心是抗干扰编码，或差错控制编码，简称纠错编码，也叫信道编码。
差错控制的基本思路是:在发送端被传送的信息码序列(本身无规律)的基础上，按照一定的规则加入若干监督码元后进行传输，这些加入的码元与原来的信息码序列之间存在某种确定的约束关系。在接收数据信号时，检验信息码元与监督码元之间的既定的约束关系，若该关系遭到破坏，则收端可以发现传输中的差错，乃至纠正差错。一般在k位信息码后面加r位监督码构成一个码组，码组的码位数为n。即:
信息码(k)+监督码(r)=码组(n)
可以看出，用纠(检)错进行控制差错的方法来提高数据通信系统的可靠性是以牺牲有效性为代价换取的。
一般来说，针对随机差错的编码方法及设备比较简单，成本较低，且效果较显著;而纠正突发差错的编码方法和设备较复杂，成本较高，效果不如前者显著。因此，要根据差错的性质设计编码方案和选择差错控制的方式。
3.差错控制方式
在数据通信系统中，差错控制方式一般可以分为4种类型，如图3-1所示。
图3-1 差错控制方式的4种类型
(1)检错重发
检错重发又称为自动重发请求(ARQ)。
①ARQ的思路
图3-1(a)表示检错重发(ARQ)方式。这种差错控制方式在发送端对数据信号序列进行分组编码，加入若干位监督码元使之具有一定的检错能力，成为能够发现差错的码组。接收端收到码组后，按一定规则对其进行有无差错的判别，并把判决结果(应答信号)通过反向信道送回发送端。如有差错，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。
②ARQ的重发方式
在具体实现检错重发系统时，通常有3种重发方式，即停发等候重发、返回重发和选择重发，图3-2给出了这3种重发方式的工作原理。
图3-2 ARQ的3种重发方式示意图
·停发等候重发:停发等候重发是发送端每发送一个码组就停下来等候接收端的应答信号，若收到确认信号ACK，则接着发下一个码组;若收到否认信号NAK(说明所发码组有错)，则重发刚才所发的码组。图3-2(a)表示停发等候重发系统发送端和接收端信号的传递过程。发送端在T W时间内发送码组1给接收端，然后停止一段时间T D，T D大于应答信号和线路延时的时间。接收端收到码组1后经检验若未发现错误，则通过反向信道发回一个确认信号ACK给发送端，发送端收到ACK信号后再发出下一个码组2。假设接收端检测出码组2有错(图中用*号表示)，则由反向信道发回一个否认信号NAK，请求重发。发送端收到NAK信号，重发码组2。并再次等候ACK或NAK信号，依此类推，可了解整个过程。这种工作形式在发送两个码组之间有停顿时间(T D)，使传输效率受到影响，但由于工作原理简单，在数据通信中仍得到一定的应用。
·返回重发:返回重发系统的工作原理如图3-2(b)所示。与停发等候重发不同，其发送端无停顿地发送一个个连续码组，不再等候接收端返回的ACK信号，一旦接收端发现某个码组有错并返回NAK信号，发送端则从下一个码组开始重发前一段N组信号，N的大小取决于信号传输及处理所带来的延时(图中用虚线表示ACK信号，实线表示NAK信号)。图3-2(b)中，假设N=5。接收端收到码组2有错，返回NAK信号，当码组2的NAK到达发送端时，发送端正在发送或刚发送完码组6，等发完码组6后重发码组2、3、4、5、6，接收端重新接收。图中码组4连续两次出错，发送端重发两次。这种返回重发系统的传输效率比停发等候重发系统有很大改进，在许多数据传输系统中得到应用。
·选择重发:图3-2(c)表示选择重发系统的工作原理。它也是连续不断地发送一个个码组，接收端检测到某个码组有错后返回NAK信号。与返回重发系统不同的是，选择重发系统发送端不是重发前面的所有N个码组，而是只重发有错的那一个码组。图3-2(c)中显示发送端只重发接收端检出有错的码组2和8，对其他码组不再重发。接收端已认可的码组，从缓冲存储器读出时重新排序，恢复出正常的码组序列。显然，选择重发系统的传输效率最高，但它的成本也最贵，因为它要求较复杂的控制，在发送端和接收端都要求有数据缓存器。
根据不同思路，ARQ还可以有其他的工作形式，如混合发送形式，它是将等候发送与连续发送结合起来的一种形式。发送端连续发送多个码组以后，再停下来等候接收端的应答信号，以决定是重发还是发送新的码组。在国际标准化组织(ISO)建议的高级数据链路控制规程(HDLC)中就推荐采用这一工作形式。
③ARQ的优缺点
·ARQ方式中，接收端要通过反向信道发回应答信号，若接收端检测到差错后，会要求发送端重发，所以需反向信道，实时性较差。
·ARQ方式在信息码后面所加的监督码不多，所以信息传输效率较高。
·译码设备较简单。
(2)前向纠错(FEC)
①FEC的思路
图3-1(b)表示前向纠错(FEC)方式。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差错的码，接收端的译码器根据编码规律检验出差错的位置并自动纠正。
②FEC的优缺点
·前向纠错方式不需要反向信道;由于能自动纠错，不要求重发，因而延时小，实时性好。
·缺点是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。
·为了纠正较多的错码，译码设备会相应地较复杂;而要求附加的监督码也较多，传输效率则较低。
(3)混合纠错检错(HEC)
①HEC的思路
图3-1(c)表示混合纠错检错(HEC)方式。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组，接收端收到码组后，检查差错情况，若差错少于纠错能力，则自行纠正;若干扰严重，差错很多，超出纠正能力，但能检测出来，则经反向信道要求发送端重发。
②HEC的优缺点
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中，因而近年来，在数据通信系统中采用较多。
(4)信息反馈(IRQ)
①IRQ的思路
图3-1(d)表示信息反馈(IRQ)方式。信息反馈方式又称回程校验，这种方式在发送端不进行纠错编码，接收端把收到的数据序列全部由反向信道送回发送端，发送端自己比较发送的数据序列与送回的数据序列，从而发现是否有差错，并把认为有差错的数据序列的原数据再次传送，直到发送端没有发现差错为止。
②IRQ的优缺点
·这种方式的优点是不需要纠错、检错的编译码器，设备简单。
·缺点是需要和前向信道相同的反向信道，实时性差。
·发送端需要一定容量的存储器以存储发送码组，环路时延越大，数据速率越高，所需存储容量越大。
因而IRQ方式仅使用于传输速率较低，数据信道差错率较低，且具有双向传输线路及控制简单的系统中。
上述几种差错控制方式应根据实际情况合理选用。除IRQ方式外，都要求发送端发送的数据序列具有纠错或检错能力。为此，必须对信息源输出的信息码序列以一定规则加入多余码元(监督码)。对于纠错编码的要求是加入的多余码元(监督码)尽量少而纠错能力却很高，而且实现方便，设备简单，成本低。