第二章数据通信基础

工业数据通信与控制网络 清华大学自动化系阳宪惠 第2讲数据通信基础 工业数据通信系统的组成数据通信系统的性能有效性指标 可靠性指标通信信道通信信道的频率特性介质带宽信道容量信噪比对信道容量的影响 数据编码数字数据编码模拟数据编码数据传输方式串行传输和并行传输同步传输与异步传输基带传输与载波传输同步位同步 字符同步与帧同步通信线路的工作方式单工通信半双工通信全双工通信差错的检测与纠正 数据通信系统的组成 数据通信系统的组成发送设备接收设备传输介质传输报文通信协议数据通信系统实际上是一个硬软件的结合体 数据通信是两点或多点之间借助某种传输介质进行信息交换的过程 工业数据通信系统中的数据主要是与生产过程参数密切相关的数值 状态 或操作指令等数据通信技术主要涉及通信协议 信号编码 通信接口 时间同步 数据交换 通信控制与管理 安全等问题数据通信系统主要负责将数据按编码格式形成通信信号在两点或多点之间传输 一般不改变数据内容 工业数据通信系统的典型发送与接收设备 各种变送器 传感器 各种数据采集装置可编程逻辑控制器PLC PID控制器等作为监视操作设备的监控计算机或工作站各种调节阀门变频器机器人网络连接设备 中继器 网桥 网关等上述设备既可为发送设备 又可为接收设备 传输介质 传输介质是从发送设备到接收设备之间用于传递信号的媒介 是连接收发双方的物理通路典型传输介质有线传输介质 双绞线 电缆 电力线 光缆等 无线传输介质 如电磁波 红外线 传输介质的特性对网络中数据通信质量影响很大 物理特性 传输介质的物理结构 铜缆 光缆 传输特性 允许的传输速率 频率 容量以及调制技术 连通特性 点对点 一对多点的连接方式 地理范围 最大传输距离 抗干扰性 对噪声 电磁干扰等的抵御能力 报文与通信协议 报文与通信协议都属于通信系统中的软件报文指包含有文本 命令 参数值 图片 声音等数字信息的通信帧通信协议是通信系统中理解通信数据意义和控制数据通信的一组规则规定通信内容的含义规定通信何时进行规定通信如何进行按协议规定的语法 语义和时序进行通信帧的组织和调度 通信协议可上升为标准或行规如国际标准化组织的ISO标准 IEC标准等 广义通信系统模型香农 C E Shannon 信源为待传输数据的产生者 信宿为数据的使用者 用户 发送器将数据信息变换为适合于信道上传输的信号接收器从信道上接收信号并在信宿处变换为数据信息信道指发送器与接收器之间用于传输信号的物理介质噪声 通信中干扰信号传输 妨碍信号正确接收和理解的因素 描述通信系统性能的指标通信系统有效性指标 传输速率传输时间吞吐量频带利用率协议效率通信效率通信系统可靠性指标误码率 可靠性指标 误码率误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标 它是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率N为传输的二进制码元总数 Ne为被传输错的码元数理论上应有 N足够大时 才能把Pe在近似为误码率 误码率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数 实际的数据传输系统 不能笼统地说误码率越低越好 在数据传输速率确定后 误码率越低 数据传输系统设备越复杂 造价越高 计算机通信的平均误码率要求低于10 9 通信信道的频率特性 不同频率的信号通过信道时 其波形的幅值 相位的变化特性幅频特性指不同频率信号通过信道后其幅值衰减的变化特性 相频特性是指不同频率的信号通过信道后 其相角发生不同程度改变的特性 数字信号的频谱与带宽 数字信号的频谱与带宽数字信号可以被分解成无穷多个频率 幅度 相位各不相同的正弦波 传输数字信号相当于是在传送无数多个简单的正弦信号 信号所含频率分量的集合称为频谱 频谱所占的频率宽度称之为带宽 有效频谱与带宽以一定的幅度门限为依据 信号中幅度超过规定门限的频谱为该信号的有效频谱 有效频谱的频带宽度称之为有效带宽 数字信号的频谱与带宽数字信号数字信号的频谱与带宽 介质所能传输的信号频率范围称为介质带宽介质只能传输有效带宽在介质带宽范围内的信号如果介质带宽小于信号的有效带宽 信号就可能产生失真如果信号频谱在信道带宽范围内 信号经传输后不失真如果信号频谱超过信道带宽 则信号经实际信道传输后其波形可能产生畸变 信号波形失真 传输介质的频率特性实际传输线路存在电阻 电感 电容 由它们组成分布参数系统 由于电感 电容的阻抗随频率而变 使得信号的各次谐波的幅值衰减不同 相角变化不同 实际传输介质只能传输某些频率范围内的信号 部分频率分量在传输过程中被严重衰减 导致接收端信号的带宽变窄 接收信号发生畸变 介质带宽 介质带宽不足会导致信号畸变 介质带宽限制传输速率的提高 当传输速率升高时 信号的有效带宽会随之增加提高信号的传输速率 要求传输介质具有更大的介质带宽 以避免信号畸变提高传输速率 受到传输介质带宽的限制传输速率提高时信号有效带宽的变化 信道容量 信道容量的香农计算公式W 信道带宽S N 信噪比提高带宽或信噪比能增加信道容量 在信道容量一定时 带宽与信噪比之间可以相互弥补 信噪比对信道容量的影响 S N 10db W 3000时S N 20db W 3000时信道容量随信噪比的提高增加了许多由于噪声功率N Wn0 n0为噪声的单边功率谱密度 因而随着带宽W的增大 噪声功率N也会增大 所以增加带宽W并不能无限制地使信道容量增大 数据的传输速率应该在信道容量容许的范围之内考虑到噪声环境 编码与编码波形 采用用模拟信号的不同幅度 不同频率 不同相位来表达数据的0 1状态的 称为摸拟数据编码 用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0 1状态的 称为数字数据编码 通过编码将数据转换成适合于传输的物理信号 模拟数据编码 模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0 1状态 信号的幅度 频率 相位是描述模拟信号的参数幅值键控 ASKAmplitude SheftKeying 又称键控调幅频移键控 FSKFrequency SheftKeying 又称键控调频相移键控 PSKPhase SheftKeying 又称键控调相几种模拟数据编码的波形 数字数据编码波形 单极性码信号电平是单极性 如逻辑1用高电平 逻辑0为0电平的信号表达方式 双极性码信号电平为正 负两种极性的如逻辑1用正电平 逻辑0为负电平的信号表达方式归零码 RZ 在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码双极性归零码的逻辑1只在该码元时间中的某段 如码元时间的一半 维持高电平后就回复到零电平 逻辑0只在该码元时间的一半维持负电平后也回复到零电平非归零码 NRZ 在整个码元时间内都维持有效电平的编码方式 a 单极性非归零码c 双极性非归零码b 单极性归零码d 双极性归零码单 双极性的归零码和非归零码 曼彻斯特编码 ManchesterEncoding 曼彻斯特编码规则把时间划分为等间隔的小段其中每小段代表一个比特 位bit 每个比特时间又被分为两半 前半段所传信号是该时间段比特值的反码 后半段传送的是该比特值本身 从高电平跳变到低电平表示0 从低电平跳变到高电平表示1 特点 其波形中间点总有一次信号电平的变化 因而具有使网络上各节点保持时钟同步的内在时钟信息信号本身携带有同步信息 无需另外传送同步信号 曼彻斯特编码的相关波形 数据时钟M编码 差分码 用时钟周期起点电平的变化与否代表数据 1 0 状态的编码时钟周期起点电平变化代表 1 不变化代表 0 差分码按初始状态为高电平或低电平 有相位截然相反两种波形 差分曼彻斯特编码时钟周期起点电平的变化与否代表数据的 1 0 状态既具有差分码的特点 又具有曼彻斯特编码的特点 ManchesterBiphase L编码 画出数据序列01101011的 数据波形时钟波形L Manchester编码波形双向L Manchester编码波形差分Manchester编码波形 编码指将数据转变为信号的一系列规则基带信号编码基带信号 不经任何调制 基本保持数据波原样的传输信号称为基带信号基带信号编码编码后信号基本保持基带信号频率的编码方式曼彻斯特编码为一种典型的基带信号编码 数据信号的传输方式 平衡传输和非平衡传输平衡传输无论 0 或 1 都需要传输脉冲信号 非平衡传输只有 1 被传输在指定的时刻没有脉冲传输则表示 0 串行传输和并行传输串行传输 SerialTransmission 数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输每次只能发送一个数据位发送方必须确定是先发送数据字节的高位还是低位 同样 接收方也必须知道所收到字节的第一个数据位应该处于什么位置串行传输具有易于实现 在长距离连接中可靠性高等优点 适合远距离的数据通信 并行传输 ParallelTransmission 数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传输可同时传输一组数据位 每个数据位使用单独的一条导线如用8条导线并行传输一个字节的8个数据位 另外用一条 选通 线通知接收者接收该字节 接收方可对并行通道上各条导线的数据位信号并行取样采用并行传输传输字符时 便于收发双方的字符同步串行传输中将数据按规定的顺序逐位传输 并行传输将数据组成字符或字节后同组传输典型应用 计算机的串口与并口 基带传输与载波传输 基带传输在基本不改变数据信号频率的情况下 直接传送数据的基带信号 即基本按数据基波的原样传输 传输过程对信号不采用调制措施属于被广泛采用的数据传输方式载波传输发送设备要产生某个频率的信号作为载波来承载数据信号按幅值键控 频移键控 相移键控等不同调制方式改变载波信号的幅值 频率 相位 形成承载了数据的调制信号发送承载了数据的载波信号 即载波传输载波传输中传输的调制信号与数据基波的差别较大 基带信号传输中的滤波理想方波信号包含从零到无限高的频率成分 而介质允许传输的带宽是有限的 为了与线路传输特性匹配 除很近距离的传输外 一般采用低通滤波器将矩形波整形成为变换点比较圆滑的波形 接收端在每个码元的最大值 中心点 取样 复原信号 同步传输与异步传输 同步传输与异步传输指串行传输中使用的时钟同步的不同方式 传输中的同步问题通信系统要求收发双方的工作能协调一致各项工作均在一定时序脉冲的控制下进行通信中的发送者和接收者都需要使用时钟信号 通过时钟决定何时发送和读取每一位数据时钟同步是收发双方协调一致工作的基础 同步传输指通信系统中所有设备都使用一个共同时钟 所有数据位的传输都和这个时钟信号同步时钟源可由参与通信的一台设备产生 也可由外部时钟提供的时钟可具有固定频率 也可按不规则的周期切换每个数据位只在时钟信号跳变 上升或者下降沿 之后的一个规定的时间内有效 收发双方利用时钟跳变来决定什么时刻发送或读取每一个数据位 同步传输用于 一块电路板元器件之间传送数据短距离数据通信 如连接电缆在30 40cm甚至更短同步传输适合高速传输需要一条专线传输时钟信号长距离数据通讯时同步传输的代价较高 容易受到噪声的干扰 异步传输每个通信设备都有自己的时钟信号通信设备之间必须在时钟频率上保持一致 所有时钟之间的误差必须在保持在一定范围传输开始时要求同步各设备的时钟异步传输并不要求收发两端在传送每一个数据位时都同步例如在传输字符前设置一个起始位 预告传输即将开始 在代码和校验信号结束后 设置终止位 表示该字符结束在传输数据帧的开头和结尾设置起始 结束标志 或字节 在起始和结束标志之间 包含要传送的字符 数据 指令异步传输的特点易于实现对线路和收发器的要求较低需要额外传输一个或多个同步字符或帧头而增加网络开销 异步传输中时钟信号的同步方式 异步传输中各设备之间的时钟同步对通信至关重要按传输数据的基本组织单位 分为位同步 字符同步与帧同步时钟信号满足 接收端与发送端时钟信号的频率相同时钟信号与数据信号间保持固定的相位关系 位同步 bitsynchronous 收发两端按时钟信号实行位同步接收端从接收信号中提取时钟同步信号 字符同步 Characterorwordsynchronous 将字符组织成组后连续传送每个字符内不加附加位 字符前加一个或多个同步位接收端根据接收到的同步位确定字符的起始位置字符同步用于电报传输 计算机与其外设之间的数据传输中 它们通常以字符为单位收发 帧同步 Framesynchronous 数据帧是一种按规范约定将数据组织成组的结构形式帧同步指收发双方按帧头帧尾的特征标志实行同步将数据帧作为一个整体实行同步帧同步是工业数据通信中通常采用的同步方式 数据帧的构成 通信线路的工作方式 单工通信信息传送始终朝着一个方向 不进行反向传送发送端与接收端不变换角色 如设A为发送端 B为接收端 数据只能从A传送至B 而不能由B传送至A 单工通信线路一般采用二线制半双工通信指信息传输可在两个方向上进行 但同一时刻只限于一个方向传输 通信双方都具有发送器和接收器 双方可变换通信角色当A站向B站发送信息时 A站将发送器连接在信道上 B站将接收器了解接在信道上 当B站向A站发送信息时 B站则要将接收器从信道上断开 并把发送器接入信道 A站则反之 半双工通信采用二线制线路 信道可改换传输方向 全双工通信信息传输可同时在两个方向进行相当于两个相反方向的单工通信的组合常用于计算机 计算机之间的通信 差错控制 差错控制指为提高通信传输质量而提出的有效检测错误并进行纠正的方法差错控制的主要目的是减少通信传输错误 差错检测使报文中包含差错冗余信息 接收端通过检查冗余信息发现通信错误不判断是哪一位出错 也不纠正传输中的差错差错检测原理简单 实现容易 编码与解码速度快在工业数据通信中得到广泛使用 差错纠正使报文中带有足够的冗余信息 以便接收端能发现并自动纠正传输错误 差错纠正在功能上优于差错检测 但实现复杂 造价高 检错方法 检错仅识别错误的出现 不判别哪一位或哪些位出现了错误常用检错方法 冗余如对每个字符都传输两次 如果没有能够连续两次收到相同的字符 就意味着发生了一个传输错误 回送将接收到的信号回送给发送者如在操作人员手工键盘输入的应用场合 接收端把收到的每一个字符都回送给操作人员 让操作人员来确认字符是否被正确输入 如通过回送发现了传输错误则重传 奇偶校验在每个字符或字节中添加奇偶校验位 使得一个字符或字节中1的总个数总是奇数 为奇校验添加奇偶校验位 使得一个字符或字节中1的总个数总是偶数 为偶校验奇偶校验应用简单 但可能漏掉大量错误求和校验在发送端对传输数据求和 将校验和附在数据之后一并发送 接收端也对收到的数据求和 如果求得的校验与接收到校验和有差异 就判断通信出错校验和能检测出95 的错误计算量大于奇偶校验方法 循环冗余校验 CyclicRedundancyCode 按照要发送数据的位序列形成一个多项式 x x 的各项系数为数据序列的0 1状态用预先约定的生成多项式G x 去除 x 求得一个余数多项式R x 将余数多项式加到数据多项式之后发送接收端用同样的生成多项式G x 去除接收数据多项式 x 得到计算余数多项式如果计算余数多项式与接收余数多项式相同 则表示传输无差错 如果计算余数多项式不等于接收余数多项式 则表示传输有差错 的计算规则 采用即减法不借位 加法不进位的异或操作 CRC能检测出约99 95 的错误与前几种方法相比 其计算量大几种生成多项式G x CRC 12G x x12 x11 x3 x2 x 1CRC 16G x x16 x15 x2 1CRC CCITTG x x16 x12 x5 1CRC 32G x x32 x26 x23 x22 x16 x12 x11 x10 x8 x7 x5 x4 x2 x 1 差错的纠正 两种常用的纠错方法 自动重传当检测到一个错误时 接收端自动请求重新传输技术简单 但确认 重发过程可能造成通信障碍前向差错纠正在接收端检测和纠正差错 无需请求重发将一些额外的位按照某种方式进行编码 加入到通信数据中 根据这些位的状态可检测到一定数量的错误并进行纠正 增加这些额外的位增加了通信开支 同时也增加了计算量海明 R W Hamming 码常用于前向差错纠正 海明码纠错 海明码的编码规则发送端根据要传输的数据单元的长度 确定冗余位的个数 确定各冗余位在数据单元中的位置 计算出各冗余校验位的值排列成包含冗余校验位的数据序列 按此序列发送接收端按与发送方相同的方法 计算出接收数据的冗余校验位 排列成包含冗余校验位的数据序列将按计算结果排列出的数据序列与接收到的数据序列比较 判断传输过程是否有错 是哪一位出错 并将出错位取反 以纠正该错误 确定纠正单比特错误所需的冗余位数设纠正单比特错误需增加的冗余位数为r r应满足 2r m r 1 m为数据单元的长度如7位的ASCII码 m为7 取r为4可满足上式 且r为4是满足上式的最小取值要纠正7位ASCII码中的1位错误 需要增加4个冗余位 冗余位的定位将4个冗余位分别编号为R1 R2 R3 R4按海明码的编码规则 这4个冗余位应分别插到数据单元的20 21 22 23位置上 即R1 R2 R3 R4将被分别插入到数据单元的D1 D2 D4 D8的位置上 各冗余位在11位海明码中的位置 各冗余位取值的计算海明码的每个冗余位的值都是一组数据的奇偶校验位 冗余比特位R1 R2 R3 R4分别是4组不同数据位的奇偶校验位 采用二进制数据来表示海明码11个数据位数有0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011这11种情况对这11种情况中位数最低位为1的位置进行偶校验 即对0001 0011 0101 0111 1001 1011这6个数据位做偶校验 得到的偶校验码为R1的值即R1为对从低位数起的第1 3 5 7 9 11这6位作偶校验而得到的校验位 对这11种情况中位数的次低位为1 即倒数第2位为1的位进行偶校验 即对0010 0011 0110 0111 01010 1011 第2 3 6 7 10 11 这6个数据位做偶校验 得到的偶校验校验位的值为R2的值依此类推对这11种情况中倒数第3位为1 0100 0101 0110 0111 的位置 即第4 5 6 7这4位做偶校验 得到的偶校验码为R3的值R4是对倒数第4位为1的位置 即第8 9 10 11 1000 1001 1010 1011 这4位作偶校验得到的校验位的值 示例1 数据1001101变成海明码的编码过程由数据1001101得到的海明码为10011100101 海明码对1位出错的检测与纠正 示例2 上例中形成的10011100101海明码如经传输出现1位错误 如何检测与纠正 如第7位出错 由原本的1变为0 使接收方收到数据为 10010100101接收方如何从数据10010100101中发现有错 错在哪一位 纠错接收方收到数据后 采用与发送方相同的方法计算出偶校验位的值 对第1 3 5 7 9 11这6位作偶校验 得到的校验位R1是1 对第2 3 6 7 10 11这6位作偶校验 得到的校验位R2是1 对第4 5 6 7这4位作偶校验而得到的校验位R3是1 对第8 9 10 11这4位作偶校验得到的校验位R4是0 对接收数据按与发送端相同的方法作偶校验 由相应位偶校验得到的校验位排列成R4R3R2R1 其二进制数为0111这一结果表明通信传输出现了错误出错位位于第7位将接收数据的第7位求反 由0改变为1 便纠正了传输过程中出现的错误如果该海明码传输过程正确 没有出错 其偶校验位R1 R2 R3 R4为多少 本讲要点 工业数据通信系统的基本组成发送设备 接收设备 传输介质 传输报文 通信协议广义通信系统模型 香农 C E Shannon 模型有效性指标数据传输速率 比特率 波特率 频带利用率 协议效率 通信效率可靠性指标误码率通信信道的频率特性幅频特性 相频特性 传输信号的失真与畸变介质带宽信号的有效频谱 介质带宽 介质带宽不足导致信号失真 传输介质的带宽会限制传输速率的增高信道容量C 带宽W 信噪比S N之间的香农计算公式提高信噪比能增加信道容量 增加带宽W可以增加 但不能无限制地使信道容量增大 数据编码 数字数据编码波形 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 ManchesterBiphase L编码模拟数据编码 幅值键控 频移键控 相移键控传输方式 串行传输 并行传输 同步传输 异步传输 基带传输 载波传输异步传输中同步方式位同步 字符同步 帧同步通信线路的工作方式单工通信 半双工通信 全双工通信差