建筑设备自动化(第二章)修改稿2

第二章建筑设备自动化的技术基础智能建筑——多种高新技术的结晶：现代建筑技术、现代通信技术、现代计算机技术、现代控制技术。建筑设计建筑环境、支持平台计算机技术信息基础设施（舒适、节能、高度控制技术安全的工作环境）通信技术人们摆脱“孤岛”感觉。§2-1数据通信技术基础一、基础知识（一）通信系统模型1.概念通信目的——传递信息信源：一次通信中产生和发送信息的一端。信宿：接收信息的一端信道：信源和信宿之间的通信线路噪声：信息在传输过程中受到的外界干扰2.模型：信源产生的信息：①模拟数据——随时间连续变化的信号如：电话机说话器输出——话音信号电视摄像机产生的图像。可用信号的某种参量（幅度、相位、频率等）表示。信源信宿噪声信道通信系统模型②数字信号——只取有限个离散值（二）数据通信系统模型信源信宿二进制编码的数字数据信道传输采用模拟传输、数字传输。收发幅度t(a)(b)t幅度101101001(a)模拟信号；(b)数字信号1.模拟传输方式：优点：数字数据进入信道前模拟的调制信号频谱较窄信道的利用率缺点：模拟信号在传输中衰减噪声干扰2.数字传输方式优点：信号传送不失真数字设备可以大规模集成缺点：数字信号传送频带要宽得多频道利用率，但高带宽的卫星信道、光纤信道的发展能够克服上述缺点。调制二、基础理论（一）傅里叶分析1.任何周期信号＝基波信号＋高次谐波信号即：——常量，直流分量为基频、——n次谐波振幅的正铉和余铉分量110)2cos()2sin()(nnnnfntbnftaatg0aTdttgTa00)(2Tf1nanbdtnftTaTn)2(sin20dtnftTbTn)2(20cos2.周期脉冲信号频谱与信道带宽频谱——组成周期信号的各次谐波的振幅按频率的分布图信道带宽——谐波中的最高频率fn和最低频率f1之差。如图：为信号的频谱图现设一周期性脉冲——简单的周期函数幅值为A，脉宽，周期T，对称于纵轴如下图。1ffhf信号的频谱图μ该周期性脉冲的傅立叶级数中只含直流和余铉项。)(te220/aan23nwtnTnTTATAtgncos22sin2)(1t(b)(a)t0AT0(a)周期性脉冲；(b)周期性脉冲的频谱令，则则可以得到周期脉冲的频谱图：横轴——x，纵轴谱线包络为2nTxnwtxxTATAtgncossin2)(10aanTAa20xxTAansin2xxsinx0sinxx0(b)t谐波分量的频率幅值认为：信号绝大部分集中在第一个零点左侧。即：Tnnx2取，则有定义周期脉冲信号带宽：1nT11TfB周期脉冲信号的带宽反比脉冲的宽度脉冲频率（脉冲越窄）信号带宽要求信道的带宽（二）数据速率与信道带宽信道的最大数据速率是受信道带宽制约的。1.奈奎斯特公式无热噪声时信道带宽时最大数据速率的限制。H——信道带宽HzLHC2log2L——表示给定时刻数字信号可能取得离散值个数C——该信道最大的数据速率2.香农公式受噪声干扰的信道情况S——信号功率N——噪声功率s/N——信噪比注意：上述公式得到的C是信道数据速率的一个上界，真正要达到它是十分困难的。)/1(log2NSHC三、传输媒体传输媒体——收发双方之间进行通信的物理信号通路。对于局域网通常有：双绞线、同轴电缆、光纤1.双绞线：普遍用于模拟和数字数据。特点：1）可用来传输模拟信号和数字信号，在局域网中数据传输率可达1000Mbit/s2）价格比同轴电缆和光纤便宜，但考虑到安装费等，则大致相当。3）对干扰和噪声十分敏感，相邻线对上的信号也可能彼此干扰。4）易实现点——点的数据传输双绞线通信距离一般不超过100m带宽可达250KHz100m距离内速率可达100Mbps目前常用的是五类双绞线，有四根双绞线放在同一根电缆内三类：10Mbps五类：100Mbps（目前使用得最多）六类：200Mbps2.同轴电缆两种类型50电缆——专用于数字传输75电缆——用于模拟和数字信号1）可用于点到点和多点配置2）典型基带电缆的最大距离——限于数公里宽带网络——延伸到数十公里3）对较高频率，它的抗扰性优于双绞线安装较好的同轴电缆的成本介于双绞线和光纤之间。同轴电缆带宽约500MHz数据速率可达500Mbps有两种传输信息模式基频广泛用于局域网中宽带每个频率范围都携带各自的编码信息，可以在一根电缆上传输多个数据流，如有线电视绝缘体铜质或铝质导线网状导线外皮3.光纤——应用发展很快利用全内反射来传输经信号编码的光束。一种软而细的能够传导光束的媒体传输方式：多模—多个反射角；单模—单个角度（只有轴向光束）——性能较优、成本较高光源：发光二极管（LED）——便宜，工作寿命长；注入式激光二级管（ILD）——支持较高数据速率接收端：光电二级管：光信号电信号光纤传输速率高（几十至数百Gbps）抗干扰能力强保密性好无接地麻烦光纤与电缆频率衰减多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如图所示，当传输频率超过100MHz时，5类双绞线随着频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在300MHz以内，衰减基本不变。图2.58光纤与电缆频率－衰减关系图62.5/125μm渐变增强型多模光纤01101003001000频率(MHz)衰减(dB/km)051015202530355类UTP双绞电缆图2-13光纤与电缆频率与衰减关系图优点：①信号容量大，数据传输率②衰减小，通信距离可达1000km以上。③耐辐射：A外界环境对信息传输没有影响。B在传输过程中也没有向外的电磁辐射。四、传输技术1.数据通信方式数据传输方向分：单工通信、半双工通信、全双工通信1）单工——在单工信道上信息只能在一个方向传送。如：无线电广播，电视广播2）半双工——通信双方可交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。如：航空、航海无线电台以及对讲机3）全双工——可同时进行双向信息传送的通信方式同步方式分：异步传输、同步传输1）异步传输：把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息优点：简单起始位字符校验终止位1位7位1位1位2）同步传输：在数据块的前后加入控制字符SYNC效率更高。2.交换方式——交换节点转发信息的方式通信网络由许多交换节点互通而成。1）线路交换——把发送方和接收方用一系列链路直接连通。如：电话交换系统特点：①建立连接需要等待较长时间②建立后不会有别的用户干扰，不再有传输延迟2）报文交换每一个节点发送信息时，它把完整的信息组织成一个数据包(报文)，该数据包中某个约定的位置含有目标节点的地址。完整的报文在网络中一站一站地传送。优点：不建立专用链路，线路利用率很高。缺点：①一站一站地传送，带来传输的延迟。②交换节点设备的缓冲存储容量要求很大（∵报文可能很长）3）分组交换：数据包有固定的长度：进行分组交换时发送节点要先对传送的信息分组，对各个分组编号，加上源和宿地址以及约定的头和尾信息。3.多路复用技术——把多个低速信道组合成一个高速信道的技术1）多路器MUX多路复合器——在发送端根据某种约定的规则把多个低带宽的信号复合成一个多带宽的信号。多路分配器——在接收端根据同一规则把高带宽信号分成多个低带宽信号。2）相反地使用多路复用技术——把一个高带宽的信号分成到几个低速线路上同时传输，然后在接收端再合成为原来的高带宽信号。3）多路复用技术：a.频分多路复用（FDM）——在一条传输介质上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输载波调制方式：ASK（调幅）、FSK（调频）、PSK（调相）该技术早已用在无线电广播中。在电缆电视（CATV）中也使用频分多路技术。b.时分多路复用（TDM）各个子通道按时间轮流地占用整个带宽。时间片的大小可以按一次传送一位、一个字或一个固定大小的数据块所需时间来确定。§2.2计算机网络技术基础一、计算机网络及分类1.按距离分：1）局域网（LAN：LocalAreaNetwork）覆盖范围：几m~几km一般是一幢建筑物内或1个单位范围常见：Ethernet(以太网)，Token-Ring（令牌环），Token-Bus(令牌总线)，PDDI光纤局域网2）广域网WAN地区、国家内甚至国际范围内的计算机网络，如：Internet3）城域网MAN覆盖范围:在WAN和LAN之间技术原理与LAN类似距离到30~50km2.按介质分类：1）有线网：使用同轴电缆，双绞线，光纤等传输介质来传送数据。2）无线网：如移动通信采用：微波干线或卫星通信。二、计算机网络的拓扑结构——网络中各个站点相互连接的方式和形式是决定网络特性的主要因素之一。1.选择时考虑因素①费用低②灵活性强③可靠性高3.按数据交换的基本方式分类1）共享型网络网络上的每台计算机必须争得传输通道的使用权后才能传送数据。当两个用户正在互相传送数据时，其他用户就不能传送数据。低速的LAN中使用2）交换型网络每个工作站独立一定带宽。高速的LAN和WAN采用。2.拓扑结构类型1）星形拓扑结构中央节点相当复杂。执行集中式通信控制策略。a.优点：①方便服务：中央节点可方便地提供服务和网络重新配置。②连接节点故障隔离。③集中控制和故障诊断。④简单的访问协议。任何一点只涉及到中央节点，介质访问控制的方法很简单。b.缺点：①电缆用量大；②依赖中央节点，对中央节点要求很高。星形2）总线拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质上——总线上。a.优点：①用缆长度短，布线容易②可靠性高：结构简单，无源元件③成本低。b.缺点：①故障诊断困难——不是集中控制②故障隔离困难站点隔离简单传输介质发生故障整段总线交换。总线形3）环形拓扑结构数据只向一个方向流动（一个节点接收到数据并把它送到环上的下一个节点）a.优点：①用缆长度短（与总线相当）②可用光纤（单方向传输）b.缺点：①对节点可靠性要求高②诊断故障困难③不易重新配置网络环形4）树形拓扑结构由总线拓扑演变而来，（形状像一棵倒置的树，常采用同轴电缆作为传输介质，使用宽带技术）。a.优点：①易于扩展②故障易隔离b.缺点：整个网络对根节点依赖太大树形计算机网络协议定义：通信双方事先约定好的和必须遵守的规则。计算机网络不可缺少的部分（核心）。常用协议：OSI/RM开放系统互联参考模型TCP/IPTCP：传输控制协议IP：互联网协议三、开放系统互连参考模型OSI(OpenSystemInterconnectionReferencemodel）由国际标准化组织（ISO）于1979年公布的。目的：改变以前各网络设备厂家生产的封闭式网络设备之间难以实现互连的状况——研究出的一种新型网络体系结构国际标准。OSI为开放互连系统提供了一种7层的功能分层框架。网络通信功能的实现是一件很复杂的事，故采用常用的分解原理，将一个复杂事物分解为若干个相对简单便于解决的事物。OSI/RM参考模型1物理层2数据链路层3网络层4传输层5会话层6表示层7应用层与用户应用进程的接口进行数据格式转换会话管理和数据同步从端到端透明地传输报文分组传输和路由选择在链路上无差错地传输一帧一帧信息将比特流放到物理介质上传送OpenSystemInterconnection，ReferenceModel，七层结构1）物理层：规定通信设备的机械的、电气的、功能的和过程的特性，用以建立，维持和释放数据链路实体间的连接。如：什么电压代表“1”，什么电压代表“0”；传输是双向的，还是单向的；设备间连接件的尺寸和接头数应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层数据链路层物理层网络层网络层物理层数据链路层数据链路层物理层网络层传输层会话层表示层应用层主机A主机B应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议网络1网络22）数据链路层：向网络层提供相邻节点间无差错的信道。相邻节点之间的数据交换是分帧进行的，各帧按按顺序传送，并通过按收端