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第二章网络通信基础知识课程知识结构网络通信基础知识现场总线技术局域网技术与协议网络互联技术与协议工业自动化网络技术工业自动化网络课程网络通信基础知识(重要概念、技术)•数据通信的基本概念–信息、信号；模拟信号、数字信号；周期信号、非周期信号•信息编码技术–数字/数字、模拟/数字、数字/模拟、模拟/模拟•数据传输控制方式–单工、半双工、全双工•数据传输方法–并行传输、串行传输（异步、同步）•多点传输中–链路复用技术：频分复用、时分复用、波分复用–数据交换技术：线路交换、报文交换、分组交换数据通信基础•通信的思考？人与人的交流：相同语言耳朵一直竖着共同的语义足够的音量适当的频率设备间的通信：对0、1的表示相同接收端口打开信号的能量足够大传输数据的频率适当通信过程须考虑的问题•“0”、“1”如何表示？•信号电平大小？•接收方怎样知道已开始发送？•发送的快慢？•多点发送要考虑什么问题？通信系统的组成•发送方发送消息的设备。也称为：信源。•接收方接收消息的设备。也称为：信宿。•信息需要通信的信息。可以由文本、数字、图片或声音等组成。•传输媒介消息从发送方传输到接收方的物理链路。•协议控制数据通信的一组规则。（通信双方的共同约定，对同步方式、传送速度、传送步骤及检纠错方式定义等问题做出统一规定）。发送方接收方传输媒介信息协议协议信息与信号•信息事物不确定性的描述。可以以数据、声音、图象等形式出现。•信号是信息的传输形式。分为：模拟信号、数字信号、周期信号和非周期信号。信息必须被转化为电磁信号才能传输。编码技术•信息的编码方式依赖于信息的原始形式和传输信号的形式。数字/数字编码模拟/数字数字/模拟模拟/模拟不同的编码方法任何信息都要被转化为电磁信号才能在传输介质上传输。•不同类型的数据转换成不同类型的信号有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。调制编码和调制•数字或模拟数据数字信号：编码•数字或模拟数据模拟信号：调制为什么要进行调制或编码？•数字信号不可能通过为模拟信号设计的传输线（如电话线）传送，反之亦然。•调制：用无线电通过空间传输低频信号。为了有效地传输这种信号，天线尺寸必须与所辐射的信号波长的尺寸大致相同。然而，约1000Hz的低频模拟信号的波长约300KM。数字-数字编码模拟-数字编码数字-模拟编码模拟-模拟编码1.编码技术：数字-数字编码•数字-数字编码：用数字信号来表示数字信息。•数字信号：用不同电压电平的脉冲序列表示。可分为：不归零编码（NRZ）曼彻斯特码差分曼彻斯特码逢“1”变化的NRZ码逢“0”变化的NRZ码不归零制码（NRZ：Non-ReturntoZero）原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，低电平表示“0”，高电平表示“1”。缺点：a.没有同步信号；b.难以分辨一位的结束和另一位的开始；c.若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。结论：容易产生传播错误，接收方不能正确接收数据。同步数据传输中不采用。曼彻斯特码（Manchester，相位编码）原理：每一位中间都有一个跳变，从高跳到低表示“0”，从低跳到高表示“1”。优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，作为节点间的同步信息，实现网络节点间的时钟同步，无需另外传送同步信号。差分曼彻斯特码（DifferentialManchester）原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。优点：时钟、数据分离，便于提取。每位数据位有跳变，整个脉冲序列直流分量均衡。检查每位数据位起点有无跳变区分0，1，比检查电平的高低状态更为可靠，抗干扰能力强。逢“1”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。逢“0”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。数字-数字编码技术小结•NRZ：无同步信号，直流分量累积同步数据传输时，通常不采用。•曼彻斯特码，差分曼彻斯特码：带有数据位的同步信息自同步编码每位数据位有跳变整个脉冲序列直流分量均衡，可电路隔离数据和时钟始终同时在一条线路上传输，不会失步较高速率传输数据。2.编码技术：模拟-数字编码模拟-数字编码：用数字信号来表示模拟信息。语音信号要在数字线路上传输，须转换成数字信号。三个步骤：1）采样——按一定间隔对语音信号采样2）量化——对每个样本舍入到量化级别上3）编码——对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM（PulseCodedModulation）信号（脉码调制信号）——用于语音处理•问题：模拟信息无限，离散信息有限，如何在编码中保证信号质量不失真？奈奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。方案：采样频率的选择：采样频率必须至少是信号最高有用频率的两倍。--话音信道带宽4KHz--采样时钟频率：8KHz(2倍话音最大频率)--量化级数：256级(8位二进制码表示)--数据率：8000次/s*8bit=64Kb/s∴每路PCM信号的速率=64000bpsPCM转换过程举例经数字－数字编码3.编码技术：数字-模拟编码•数字-模拟编码：用模拟信号来表示数字信息。•典型应用—Modem调制解调器•载波：S(t)=Acos(ωt+φ),其中A、ω、φ可变。•根据载波S(t)的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种基本调制技术：–幅移键控(ASK)：频率、相位不变，两种幅值。–频移键控(FSK)：幅值、相位不变，两种频率。–相移键控(PSK)：频率、幅值不变，两种相位。组合方式(QAM)：正交调幅，利用幅移键控和相移键控组合。基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波S(t)=Acos(ωt+φ)S(t)的参量包括：幅度A、频率ω、相位φ调制：使这三个参量随数字信号的变化而变化幅移键控(ASK)•通过改变信号的强度（振幅）来表示二进制0、1。振幅改变的同时，频率和相位保持不变。缺点：受噪声影响大，信号易受干扰。频移键控(FSK)•通过改变信号的频率来表示二进制0、1。频率改变的同时，振幅和相位保持不变。特点：抗干扰性好。相移键控(PSK)•通过改变信号的相位来表示二进制0、1。相位改变的同时，振幅和频率保持不变。（抗干扰性好）多级调制方法1-单参量多级调制•数据传输速度是2相位PSK的2倍。4相位相移键控(PSK)比特率=波特率xlog2M，M：调制级数正交调幅（QAM）•正交调幅：同时利用正弦波的两个特性（振幅和相位）。相移数已达到上限还要提高传输速率多级调制方法2–多参量多级调制•8-QAM(正交振幅调制)时域图比特率=波特率xlog2M，M：调制级数16-QAM(正交振幅调制):使用振幅和相位的16种组合，可表示4位2进制数：0000，0001，…，11114.编码技术：模拟-模拟编码模拟数据转换成模拟信号传输，主要是使其能作长距离传输。一般常用的调制信号技术包含三种：1）振幅调制（AmplitudeModulation，简称AM）2）频率调制（FrequencyModulation，简称FM）3）相位调制（PhaseModulation，简称PM）数字信号传输（基带传输）：•基带：基本频带，原始信号所固有的频带•基带传输：在传输时直接使用基带信号•最简单最基本的传输方式•适用范围：低速和高速的各种情况。•限制：基带信号所带的频率成分很宽，对传输线有一定的要求。数字信号与模拟信号的传输模拟信号传输（频带传输）：•频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。•用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。•调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。•解调（Demodulation）：调制的反变换。•调制解调器MODEM（modulation-demodulation)