通信技术基础知识

4/11/40page1第二章数据通信的基础知识本章重点基本概念●多路复用信道●数据交换技术传输媒体●差错控制编码4/11/40page22.1基本概念数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。--模拟(Analog)数据与数字(Digital)数据信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电子或电磁编码），数据以信号的形式传播。--模拟信号与数字信号--基带(Baseband)与宽带(Broadband)信号●一些术语4/11/40page3发送设备：用于匹配信息源和传输介质，即将信息源产生的报文经过编码变换为便于传输的信号形式，送给传输介质。例如：广播电台、电视发射塔、计算机等。接受设备：解调、译码、解密等。从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息，对于多路复用信号，其任务还包括解除多路复用，实现正确分路。在工业网络通信系统中，发送设备与接受设备往往都与数据源紧密连接为一个整体。（测量控制装置）4/11/40page4在工业网络通信系统中典型的发送与接受设备：各种变送器、传感器、执行机构各种数据采集和控制装置智能仪表，如无纸记录仪、显示仪表、多功能控制仪可编程逻辑控制器变频器、视觉识别系统、伺服驱动器、机器人作为监视操作设备的监控计算机、数据服务器或工作站网络连接设备，如中继器、网桥、网关等。4/11/40page5智能式变送器是由传感器和微处理器（微机）相结构而成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能力，可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理（如滤波、放大、A/D转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等。微处理器是智能式变送器的核心。它不但可以对测量数据进行计算、存储和数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件和硬件功能，因而它可以完成传统变送器难以完成的任务。所以智能式变送器降低了传感器的制造难度，并在很大程主上提高了传感器的性能。另外，智能式变送器还具有以下特点：4/11/40page61.具有自动补偿能力，可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿。可自诊断，通电后可对传感器进行自检，以检查传感器各部分是否正常，并作出判断。数据处理方便准确，可根据内部程序自动处理数据，如进行统计处理、去除异常数值等。2.具有双向通信功能。微处理器不但可以接收和处理传感器数据，还可将信息反馈至传感器，从而对测量过程进行调节和控制。可进行信息存储和记忆，能存储传感器的特征数据、组态信息和补偿特性等。3.具有数字量接口输出功能，可将输出的数字信号方便地和计算机或现场总线等连接。4/11/40page7信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。比特率(BitRate)：数据传输速率(bps，b/s)。码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始4/11/40page8波特率(Baud)：每秒传送的码元数(即信号传送速率)。1Baud=（log2M）bps其中M是信号的编码级数。也可以写成Rbit=Rbaudlog2M例如：4级编码（p23图2.3b）一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。4/11/40page9带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围信道容量(Channelcapacity)：信道的最大数据率误码率(Biterrorrate)：信道传输可靠性指标P=错误的位数/传输的总位数信息编码：将信息用二进制数表示的方法。数据编码：将数据用物理量表示的规则。例如：字母‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t4/11/40page10●通信系统模型通信的三个要素：信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：噪声信源编码调制信道解调解码信宿编码器：数据适合传输的信号——便于识别、纠错调制器：信号适合传输的形式——按频率、幅度、相位解调器：接收波形数字信号序列解码器：传输信号原始数据4/11/40page11信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息通信系统的任务信息通过通信系统传输把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。4/11/40page12●通信系统的构成◆数据传输系统：1）传输线路（包括传输介质和中继设备）2）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等◆数据处理系统：主要是指计算机。●通信基本过程—包含两项内容：数据传输和通信控制建立物理连接→建立逻辑连接→数据传送→断开逻辑连接→断开物理连接（对比：打电话的过程）4/11/40page132.2信道及其主要特征1.数字信道和模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。4/11/40page142.模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号4/11/40page153.周期信号和非周期信号周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号），能被分解成无数个周期信号的叠加。ttTTTTTT周期信号4/11/40page164/11/40page17数字通信的优点•抗噪声（干扰）能力强•可以控制差错，提高了传输质量•便于用计算机进行处理•易于加密、保密性强•可以传输语音、数据、影像，通用、灵活仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。如用modem通过拨号线路传输数字信号。4/11/40page184.传输模式(通信方式)—数据流动的方向•单工：数据单向传输（无线电广播）•半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）•全双工：数据可同时双向传输（电话）两个方向的信号共享链路带宽：1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输4/11/40page195.数字数据的传输方式•基带传输：不需要调制解调器，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。传输距离=25km，信号随距离增加衰减，随频率增加畸变。价格便宜。例如：以太网•即将数字信号“1”或“0”直接用两种不同的电压表示，这种高电平和低电平不断交替的信号称为基带信号，而基带就是这种原始信号所占的基本频带。将基带信号直接送到线路上传输称为基带传输。基带传输要求信道有较宽的频带。4/11/40page20载波传输：长距离传输。增加了调制与解调环节，即在复接器后增加了一个调制器，在分接器前增加一个解调器。在许多情况下，可以把载波信号等效成基带信号数字信号的调制方式称为键控：ASK、FSK、PSK。宽带传输：基带网不适于传输语音、图像等信息。宽待传输系统在数据通信领域则指数据传输速率超过1Mbps的传输系统，宽带传输系统传输的是模拟信号，需采用适当的调制解调技术，采用频分多路复用技术（信道容量大大增加），支持多路信号传输（使系统具有多种用途）。4/11/40page21即若将多路基带信号、音频信号和视频信号的频谱分别移到一条电缆的不同频段传输，这种传输方式称为宽带传输。宽带传输所传输的信号都是经过调制后的模拟信号。因此可用宽带传输系统实现文字、声音和图像的一体化传输。在宽带系统中，要用放大器增加传输距离。宽带传输与基带传输相比的优点：能在一个信道中传输声音、图像和数据信息，使系统具有多种用途。一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，能实现多路复用，因此信道的容量大大增加。宽带传输的距离比基带远，因为基带直接传输数字信号，传输的速率越高，传输的距离越远。4/11/40page226.数据同步方式目的是使接收端与发送端在时间基准上一致(包括开始时间、位边界、重复频率等)。有三种同步方法：●位同步●字符同步（异步传输）●帧同步（同步传输）4/11/40page23位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步●外同步——发送端发送同步时钟信号，接收方用它来锁定自己的时钟脉冲频率。●自同步——通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。4/11/40page24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——每两个字符之间的间隔时间不固定。每个字符的传输需要：1个起始位5，6，7，8个数据位1，1.5，2个停止位—频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步—增加了辅助位，所以效率低例如，1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其效率为8/11＜72％4/11/40page25异步传输：将比特分成小组进行传输，小组可以是8比特位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接受方不知道他们何时到达。例如：计算机键盘与主机的通信。实现容易；但却产生了较多开销。如：键盘上数字“1”按照8比特位的扩展ASCII编码将发送“00110001”，加上1个起始位和1个停止位，总的传输负载就增加了25%。对于数据传输量很大的高速设备来说，25%负荷增值就相当严重。4/11/40page264/11/40page27帧（Frame）——包含数据和控制信息的数据块（包）帧起始控制信息数据帧结束校验和0-n8bit8bit8-32m面向比特的——以特殊位序列（7EH）作为帧（起始）标志来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。面向字符的——以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。帧同步：识别一个帧的起始和结束。4/11/40page28同步传输：所有设备都使用一个共同的时钟（可由参与通信的设备中的一台产生，也可由外部时钟信号源提供；可以固定频率，也可不规则切换），所有传输的数据位都和这个时钟信号同步，即传输的每个数据位只在时钟信号跳变（上升或下降）之后的一个规定时间内有效。接受方利用时钟跳变来决定什么时候读取一个输入的数据位。可用于一个单块电路板元件之间的数据传输，或用于连接在30~40cm甚至更短距离的数据通信。代价较高，需要一条额外的线来传输时钟信号，易受到噪声干扰。4/11/40page29信道最大数据传输率M最大数据率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bpsC=2Wlog2MW=带宽M=信号电平级数话音级线路的信道容量计算(3000Hz)Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。Nyquist公式：用于理想低通信道4/11/40page30非理想信道实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。a）衰减信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。b）延迟信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变。c）噪声热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。噪声将破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰可以破坏约560个比特（56Kbps）。4/11/40page31Shannel公式：高斯噪声干扰信道S/N信噪比（dB分贝）C=Wlog2(1+SN)S/NdB=10log10S/N例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则C=3000*log2(1+1000)≈30Kbps4/11/40page32Nyquist公式和Shannel公式的比较●C=2Wlog2M此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。●C=Wlog2(1+S/N)无论采样频率多高，信号编码分多少级