测控网络与数字通信技术之1.ppt

1 7 1数字通信基础 7 2数字信号的传输 7 3总线通信技术 2 7 1数字通信基础7 1 1数字通信系统的基本组成 信源 信宿 数据的出发点与目的地 成为数据终端设备控制器 控制数据传输的设备 主要功能有 1 链路控制 2 同步 3 差错控制 收发器 收发数据的设备 基本功能是将传输数据信号变换成适用于信道传输的形式 信道 数据传输的通道 包括传输介质和中间通信设备噪声源 耦合到通信系统中的噪声 3 7 1数字通信基础7 1 2信道的分类 信道的种类 1 有线信道电缆 双绞线 同轴电缆 多芯电缆光缆 光纤 2 无线信道无线电波 微波 频率在300MHz 300GHz的电磁波 波长微米级红外光 发光二极管 激光二极管 光电二极管等 4 7 1数字通信基础7 1 2信道的分类 2 信道的多路复用 1 空分制 按空间划分信道的传输方法如 每对导线只传输一个信号 2 频分制 FDMA 将一个信道分割成多个频段 每个频段只传输一个信号 每个频段的频谱在信道内互不重叠 资源利用率高 结构简单 但是需要调制解调器 3 时分制 TDMA 将一个信道分割成多个时间段 每个时间段只传输一个信号 每个信号的时间段在信道内互不重叠 4 码分制 CDMA 给每个用户分配一个唯一的伪随机码作为该用户的地址码 然后实现信道复用 在接收端 用与发送端相同的伪随机码进行解码 5 7 1数字通信基础7 1 3数据传输形式 测控系统中多采用时分制 TDMA 分为如下两种形式 1 基带传输 是指按照数字形式的原样传输 要求信道具有较宽的通频带 否则信号波形会发生畸变 基带传输不需要调制解调器 设备简单 2 频带传输 采用调制解调技术传输信号 常用的有 调幅 PAM 调频 PFM 调相 PPM 具有调制解调功能的装置称之为 MODEM 6 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 降低出错率的方法有两种 1 改善信道的电气性能 2 增加差错控制手段 差错控制包括 纠错技术和检错技术纠错技术 1 重发纠错 接收端根据约定的方法判断传输是否有错误 并将信息反馈给发送端 若传输有错 发送端再次发送 直至接收端接收到正确数据 2 自动纠错 发送端发送能够纠错的信息码 接收端发现错误后自动纠错 但是纠错能力有限 3 混合纠错 1 与 2 混合使用 先自动纠错 超出自动纠错能力后 要求发送端重新发送数据 7 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 降低出错率的方法有两种 1 改善信道的电气性能 2 增加差错控制手段 差错控制包括 纠错技术和检错技术 2 检错技术 1 奇偶校验 奇校验 偶校验给一个n比特数据附加一位 第n 1位 奇偶校验位 来进行奇偶校验 选择奇偶校验位为 0 或者为 1 使得 奇校验 n 1位数中 1 的个数为奇数 偶校验 n 1位数中 1 的个数为偶数 例如 8位数据 10100111 奇校验 0 10100111 同或 偶校验 1 10100111 异或 问题 错两位怎么办 8 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 降低出错率的方法有两种 1 改善信道的电气性能 2 增加差错控制手段 差错控制包括 纠错技术和检错技术2 检错技术 2 累加和校验和垂直异或校验 奇偶校验大多用于单字节 对于多字节传输 可以考虑使用 本方法 比传输数据多一个字节 累加和 DATA n 1 DATA 0 DATA 1 DATA 2 DATA n 垂直异或 DATA n 1 DATA 0 xorDATA 1 xor xorDATA n 9 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 降低出错率的方法有两种 1 改善信道的电气性能 2 增加差错控制手段 差错控制包括 纠错技术和检错技术2 检错技术 3 循环冗余校验 CRC CRC是一类重要的线性分组码 编码和解码方法简单 检错和纠错能力强 在通信领域广泛地用于实现差错控制 10 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 2 检错技术 3 循环冗余校验 CRC 也叫 N K 码 1 基本原理 在发送端根据要传送的K位二进制码序列 以一定的规则产生一个校验用的R位监督码 CRC码 附在原始信息后边 构成一个新的二进制码序列数共K R位 然后发送出去 在接收设备 根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验 以确定传送中是否出错 这个规则 在差错控制理论中称为 生成多项式 11 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 2 检错技术 3 循环冗余校验 CRC 2 校验码的具体生成过程为 发送端在基本信息位发送的同时发送端的CRC校验位生成器自动生成CRC校验位 用基本信息位除以一个给定的多项式G x 生成 一旦基本信息位发送完毕 就将CRC校验位紧接着发送出去 假设发送信息用信息多项式C X 表示 将C x 左移R位 则可表示成C x 2的R次方 这样C x 的右边就会空出R位 这就是校验码的位置 通过C x 2的R次方除以生成多项式G x 得到的余数就是校验码 12 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 2 检错技术 3 循环冗余校验 CRC 3 接收端检错过程为 用接收到的信息除以生成多项式G x 与发送端相同 若余数为0 认为传输正确 否则 认为传输有错 原理框图 13 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 2 检错技术 3 循环冗余校验 CRC 4 CRC多项式 a CRC生成多项式G x CRC生成多项式G x 由协议规定 目前已有如下多种生成式列入国际标准 14 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 2 检错技术 3 循环冗余校验 CRC 4 CRC多项式 b 信息码对应的K x 多项式与校验码对应的R x 多项式 任何一个由二进制数位串组成的代码都可以和一个只含 0 和 1 两个系数的多项式建立一一对应关系 例如 代码 1011011 对应的多项式为 代码 110110 对应的多项式为 15 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 2 检错技术 3 循环冗余校验 CRC 4 CRC多项式 b 信息码对应的K x 多项式与校验码对应的R x 多项式 k位要发送的信息码对应一个k 1次多项式K x r位CRC校验码对应一个r 1次多项式R x 由信息码多项式K x 产生CRC校验码R x 的过程就是一个已知K x 求R x 的过程 16 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 2 检错技术 3 循环冗余校验 CRC 4 CRC多项式 c 校验码R x 与发送码T x 的产生过程 具体做法是 用一个事先约定的r次多项式G x 去除以XrK x 把所得余式作为R x 由此而构成的n位 n k r 发送码所对应的n 1次多项式 17 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 2 检错技术 3 循环冗余校验 CRC 4 CRC多项式 d 接收端的检错过程 设 G x 除以XrK x 的商为Q x 则 进而得到 这里的 是逻辑异或 故 所以 所以 若传输无错 T x 可以被G x 整除 18 7 1数字通信基础7 1 4差错控制 2 检错技术 3 循环冗余校验 CRC 4 CRC多项式 d 接收端的检错过程 所以 接收端的检错过程就是用除以接收到的代码多项式来实现 若余式为零 传输无错 若余式不为零 则传输有错 例如 19 7 2数字信号的传输7 2 1基带传输 由计算机或终端产生的 未经调制的数字信号所固有的频带 简称基带 利用基带直接传输的方式叫做基带传输 数字通信仲 一般用电脉冲代表二进制序列进行数据传输 这些电脉冲如何表示二进制中的 0 与 1 即如何编码 通常有三种方式 1 不归零编码NRZ Non ReturnZero 特点 用不同的电平表示 0 或者 1 分正逻辑与负逻辑 不足 缺乏同步能力 很难判断一位的结束与另一位的开始 对策 采取措施 保证发送时钟与接收时钟的同步 20 7 2数字信号的传输 21 7 2数字信号的传输7 2 1基带传输 2 曼彻斯特编码特点 每一位电信号的中点 1 2周期位置 有一个电平跳变 它既用于定时 也代表数据信号 当电平信号由高变低时代表 0 当电平信号有底变高时代表 1 3 微分曼彻斯特编码特点 每一位电信号的中点 1 2周期位置 有一个电平跳变 它用于定时 不代表数据信号 当每一位的边界有跳变时代表 0 边界没有跳变时代表 1 2与3方式中 时钟包含在数据流序列中 故也称之为自同步码 22 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 1 EIA 232D RS 232C EIA 232D等同于RS 232C RS232接口是1970年由美国电子工业协会 EIA 联合贝尔实验室 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准 它的全名是 数据终端设备 DTE 和数据通讯设备 DCE 之间串行二进制数据交换接口技术标准 最初 该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器 对连接器的每个引脚的信号内容加以规定 还对各种信号的电平加以规定 目前代替DB25的是DB9接口 RS是英文 推荐标准 的缩写 232为标识号 C表示修改次数 23 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 EIA 232D RS 232C RS 232既有电气标准又有物理标准RS 232对连接器的机械特性及电气特性做了明确规定 DB9连接器 24 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 EIA 232D RS 232C RS 232对连接器的机械特性及电气特性做了明确规定 DB9连接器 91 25 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 1 EIA 232D RS 232C DB9连接器管脚定义及连线图 26 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 1 EIA 232D RS 232C RS 232接口电气特性采用负逻辑 逻辑 0 规定为 5 15V 逻辑 1 规定为 5 15V 一般为 12V 信号速率 20kbit S电缆长度 15m与TTL电平不兼容 需要采用MAX232 SP232等转换 27 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 2 RS 485 RS 485是电气标准 物理接口形式不限采用差动传输方式 不需要相对于某个参照点来检测信号 系统只需检测两线之间的电位差就可以了 逻辑 0 规定两线间电位差为 2 6 V 逻辑 1 规定两线间电位差为 2 6 V 信号速率 100kbit S 100kbps 电缆长度 1200m中继点数量 32个 具体数量要查使用的驱动器 与TTL电平不兼容 需要采用MAX485 SP485等转换 28 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 2 RS 485 需要注意事项 RS485接口组成的半双工网络 一般是两线制 双绞线 1 网络拓扑问题 RS 485接口支持总线式网络结构 不支持环形 树状结构 采用一条双绞线电缆作总线 将各个节点串接起来 从总线到每个节点的引出线长度应尽量短 以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低 主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加 会造成信号质量下降 有些网络连接尽管不正确 在短距离 低速率仍可能正常工作 但随着通信距离的延长或通信速率的提高 其不良影响会越来越严重 29 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 2 RS 485 需要注意事项 RS485接口组成的半双工网络 一般是两线制 双绞线 2 阻抗的连续性问题 应注意总线特性阻抗的连续性 在阻抗不连续点就会发生信号的反射 下列几种情况易产生这种不连续性 1 总线的不同区段采用了不同电缆 2 某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装 3 过长的分支线引出到总线 总之 应该提供一条单一 连续的信号通道作为总线 30 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 2 RS 485 需要注意事项 RS485接口组成的半双工网络 一般是两线制 双绞线 3 终端负载电阻问题 RS 485在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻 一般取120 相当于电缆特性阻抗的电阻 因大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100 120 还有一种采用二极管的匹配方法 这种方案虽未实现真正的 匹配 但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号 达到改善信号质量的目的 节能效果显著 31 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 2 RS 485 电路图 32 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 2 RS 485RS232与RS485转换接口实物图 33 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 3 USB串行通信总线的简称 USB1 1 12Mbit S1998年公布标准USB2 0 480Mbit S2000年公布标准USB3 0 3Gbit S2008年公布标准 34 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 3 USB特点 具有即插即用和热插拔功能携带方便标准统一传输距离 几十米以内可从计算机 窃电 可连接127个外设 如鼠标和键盘等 35 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 3 USB接口及定义 PC接口 A型口 4根线红色 USB电源 5V 500mA白色 数据线 负 绿色 数据线 正 黑线 地线 36 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 3 USB其他类型接口 MiniB 5Pin型 37 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 3 USB其他类型接口 MiniB 4Pin型 38 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 3 USB其他类型接口 其它型 39 7 2数字信号的传输7 2 2基带信号传输接口 3 USB其他类型接口 USB3 0接口 40