chap2-数据通信技术

计算机控制工程计算机控制工程第二章数据通信技术数据交换技术4数据通信技术3数据通信基础1数据传输介质2电话系统示例5计算机控制工程信息、数据和信号一第一节数据通信基础知识数据通信是控制系统基础，目的是交换信息。信息（Information）:载体是数字、文字、语音、图形和图像，计算机终端产生的信息一般是字母、数字、符号的组合。数据（Data）：为传送信息，首先要将每一个字母、数字或符号用二进制表示。被传输的进位制代码称为数据（Data)（如何表示问题？）信号（Signal）：数据在传输过程中电磁波、光波等表示形式。有数字和模拟信号两种表示。(如何传输)计算机控制工程1、数据通信系统一般结构数据通信系统结构二第一节数据通信基础知识数据通信系统是以计算机为中心，用通信线与分布在远地的数据终端设备连接起来，执行数据通信的系统。由主计算机、终端设备、通信线路和信号变换器组成。计算机计算机信号变换器信号变换器通信线路计算机控制工程第一节数据通信基础知识信号变换器：计算机及外围设备产生交换信息多为二进制代码信息，表现为系列脉冲信号。通信线路多采用电话线，在远距离传输中采用模拟交流信号。数字信号和模拟信号之间转换需要信号变换器。数字信号-模拟信号：调制器模拟信号-数字信号：解调器数据传输多是双向的，任一端即可以发送数据也可以接受数据，故通信线路两端都应有调制器和解调器，总称调制解调器MODEM。计算机控制工程第一节数据通信基础知识数字通信系统:数据终端设备DTE和数据通信设备DCE：DTE：计算机系统和终端设备。它们都是数据信息的源和目的地。DTE能进行一般数据输入输出外，还应该有纠错控制功能；DCE：通信线路上的设备如MODEM和其它一些中间设备称为数据通信设备，是网络设备的总称。计算机控制工程2、通信线路的连接方式第一节数据通信基础知识▶点－点连接：终端和计算机之间直接通过调制解调器连接，连接的线路可以是专用线路或租用线路，适用通信量较大场合。终端计算机MODEMMODEM计算机控制工程第一节数据通信基础知识▶分支式：通过主线路与计算机连接方式。计算机为控制站，负责对各终端信息进行发送控制和接受控制。各终端为从站。控制站可采用轮询方式对接受和发送进行控制，该方式充分利用线路，线路利用率高。计算机MODEMMODEM终端MODEM终端………主线路计算机控制工程第一节数据通信基础知识▶集线式：当多个终端设备都要与距离较远的计算机通信时，可把终端先经过集中器集中起来，再用一频带较高线路与计算机连接计算机终端…低速线路集中器终端计算机控制工程3、单向和双向通信第一节数据通信基础知识▶单向通信：通信线上的数据始终按一个方向创送，为保证数据传送正确，接受端要对接受的数据进行校验，若校验出错，接受端请求重发原信息。请求重发信号是检测信号，其方向与数据信息方向相反。这样，单工通信的线路一般采用两个信道，分别传送数据和控制信号，简称二线制。终端计算机A数据信号B检测信号计算机控制工程第一节数据通信基础知识▶双向不同时通信：数据信息可以双向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，要求A、B两端都有发送装置和接受装置。半双工方式适用于终端之间回话式通信，但是由于通信中要频繁调换信道方向，故效率低。K1发送装置接受装置接受装置发送装置K2数据信道检测信号计算机控制工程第一节数据通信基础知识▶双向同时通信：数据信息能同时两个方向进行通信，即有两个信道，可同时向两个方向传输信息。它相当于把两个相反方向的单工通信方式组合起来，因此一般采用四线制。全双工通信效率高，控制简单，但组成系统造价高，适于计算机之间通信。发送装置接受装置接受装置发送装置数据信道监测信号数据信道监测信号计算机控制工程1、傅立叶分析数据通信理论基础三第一节数据通信基础知识19世纪初期，法国数学家傅立叶证明：任何正常的周期为T的函数g(t),都可以由无限个正弦和余弦函数合成：11)2cos()2sin(21)(nnnnnftbnftactg其中：Tf1是基频；nnba,是正弦和余弦函数n次谐波的振幅；计算机控制工程第一节数据通信基础知识通过傅立叶级数可以重新合成原始函数，即已经知道周期T和振幅能够得到时间函数g(t)。对于任意给定的g(t)，通过数学分析可得到：TndtnfttgTa0)2sin()(2TndtnfttgTb0)2cos()(2TdttgTc0)(2思考：傅立叶变换与数据通信的关系。计算机控制工程第一节数据通信基础知识例：传输8比特字节编码的ASCII字符“b”，待传输的位模式为01100010。0101011000解：对此信号进行傅立叶变换：Tt/us计算机控制工程第一节数据通信基础知识TndtnfttgTa0)2sin()(28/78/68/38/)2sin()2sin(2TTTTdtnftdtnftT8/78/68/38/)2cos(21)2cos(212TTTTnfnfnfnfT8/78/68/38/)2cos()2cos(212TTTTnfnfnfT)4/7cos()4/6cos()4/3cos()4/cos(1nnnnn同理：)4/6sin()4/7sin()4/sin()4/3sin(1nnnnnbn83c计算机控制工程第一节数据通信基础知识低次谐波的幅度的平方根物理意义：22nnba相应频率nf处所传输的能量成正比。所有传输设备信号传输过程中都会损失能量，然而不同的傅立叶分量的衰减程度不同，因而输出信号发生畸变。通常在截止频率fc（Hz）以上的所有谐波衰减极大。（传输介质物理特性、滤波器）思考：如果带宽仅允许最低几次谐波通过，那么接受信号将呈现什么样的形状？计算机控制工程第一节数据通信基础知识变好计算机控制工程第一节数据通信基础知识假设比特率为每秒b▶发送8比特信息所需要的时间为：8/b秒，▶一次谐波的频率为：b/8Hz，▶普通语音级线路（电话线）截止频率3000Hz，▶那么允许通过的最高谐波次数则为：24000/b次结论：限制带宽就是限制数据传输速率计算机控制工程第一节数据通信基础知识说明（截止频率fc为3000Hz）计算机控制工程第一节数据通信基础知识2、奈奎斯特（Nyquist）定理（有限带宽无噪声信道）如果一个任意信号通过带宽为H的低通滤波器，那么每秒采样2H就能完整的重现被滤波的信号，以每秒高于2H的速度采样是无意义的。若被传信号电平分为V级，则最大数据传输率为：Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。sbVH/log22例如：一个无噪音的3000Hz信道不能高于6000b/s的速率传输二进制信号。V最大数据率(C)26200bps412400bps818600bps1624800bps3231000bps计算机控制工程第一节数据通信基础知识如果是非理想信道情况又会如何？实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。如：持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特(56Kbit/s)计算机控制工程第一节数据通信基础知识3、香农（Shanon）定理（有限带宽噪声信道）信噪比（S/N)：信号功率和噪声功率之比。例：一个3000Hz,信噪比为30dB信道，不管使用多少信号级电平，也不管采用多大采样频率，决不能大于30000b/s速率传输数据。sbNSH/)1(log2任何带宽为H,信噪比为S/N的信道，最大数据传输率为：分贝（dB)：10log10S/N计算机控制工程第一节数据通信基础知识4、Nyquist和Shannon比较Nyquist：数据传输率随信号编码级数V增加而增加。sbVH/log22Shannon：无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。sbNSH/)1(log2原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。计算机控制工程数据通信系统的主要技术指标四第一节数据通信基础知识数据通信系统的技术指标主要从数据的数量和质量来衡量。数量指传输线上传输数据的速度(数据传输速率)，质量指标指数据传输的可靠性（出错率)。1、传输速率（数据传输速率和调制速率）数据传输速率S：指单位时间内传送二进制代码的位数，单位：bps。传输速率S为：nTS2log1Tnn2log信号脉冲重复周期（码元周期）1个脉冲信号代表的有效状态数，为2的整幂数:单位脉冲表示比特数。如：n＝4表示1个单位脉冲为2比特，即1个脉冲信号传送2位二进制数据。计算机控制工程第一节数据通信基础知识调制速率B：信号经调制后的传输速率，也可以说是信号在调制过程中信号状态变化的次数，以波特B为单位：B＝1/T两种速率之间存在如下关系：nBS2log可以看出：当n＝2时，S＝B，即在二元制调制方式中，数据传输率和调制速率相等。计算机控制工程第一节数据通信基础知识出错率指信息传输的错误率，是数据通信系统在正常工作情况下，传输可靠性的指标，由于传输中信息的最小单位不同，可以是比特、码元、码字、一组码字。出错率表示方法有：2、出错率（1）误特率Pb：接受的错误比特数占传输总比特数的比例。（2）误码率Ps：接受的错误码元数占传输总码元数的比例。（3）误字率Pw：接受的错误码字占传输总码字数的比例。计算机控制工程第一节数据通信基础知识信道传输信息的最大能力，通常用数据传输速率来表示。信道容量由信道频带（带宽）HZ，可使用的时间T及能通过的信号功率与噪声功率之比决定，信道容量表达式为：3、信道容量C：信道容量(bps)；B：信道带宽（Hz)；S:接受端信号的平均功率（W）；N:信道内噪声平均功率（W）；)/1(log2NSBC计算机控制工程第一节数据通信基础知识同步:接受端按照发送端所发送码元的重复频率及起止时间来接受数据，使收发双方在时间基准上保持一致同步技术五同步过程:在通信过程中，接受端根据发送端发送数据的起止时间和重复频率校正自己的时间基准与重复频率的过程。计算机控制工程第一节数据通信基础知识1、码元同步码元为时间轴上的一个信号编码单元;使接受端接受的每一码元都和发送端准确保持同步。实现码元同步的方法有外同步法和内同步法。外同步法：根据发送端发送的同步时钟作为接受端同步标准的方法。t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲计算机控制工程内同步法：从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法如曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码都是自含时钟法。第一节数据通信基础知识计算机控制工程第一节数据通信基础知识2、字符同步以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制：2）每个字符前加一位起始位（逻辑1），字符最后一位后加1、1.5或2位停止位（逻辑0）。1）每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符之间的时间间隔是任意的；起始位数据位停止位间隔,不固定计算机控制工程第一节数据通信基础知识3、帧同步面向字符帧：由面向字符型数据链路控制协议产生，所有用于同步（SYN，76H）及其它数据链路控制信息均用一个特定字符表示面向比特帧：由面向比特的数据链路控制协议产生，典型链路控制协议只规定一个特殊帧标志字符F（7EH），用它表示一帧数据传输的开始与结束，同时F也起到比特同步的作用。帧起始控制信息数据帧结束校验和0–nbit8bit8bit8-32m计算机控制工程第一节数据通信基础知识目的:为了有效地利用传输系统，希望通过同时携带多个信号来高效地使用传输介质，就需要采用多路复用技术：频分多路复用FDM和时分多路复用TDM多路复用（multiplexing）六1、频分多路复用（FDM）介质的可用带宽往往超过给定信号所需要的带宽，如果每个信号以不同的载波频率进行调制，而且每个载波频率是完全独立的，即信号的带宽不互相重叠，那么就可以同时携带多路信号。每个信号需要一个以它的载波频率为中心的