第2章数据通信基础

第2章数据通信基础,2.1工业数据通信系统的基本组成2.2通信系统的性能指标2.3数据编码2.4数据传输方式2.5通信线路的工作方式2.6信号的传输模式2.7差错控制习题,2.1工业数据通信系统的基本组成,2.1.1数据通信系统是硬软件的结合体工业数据：是指与生产过程密切相关的数值、状态、指令等的表达，如四大热工参数温度、压力、流量、液位。数据通信技术：主要涉及通信协议、信号编码、接口、同步、数据交换、安全、通信控制与管理等。数据通信系统：是由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议等几部分组成。,2.1.2广义通信系统模型由香农（C.E.Shannon）定义的广义通信系统模型如下所示。该模型包括信源、发送器、信道、噪声源、接收器和信宿等六个部分。,1、信源是指发出信息的信息源。2、发送器的功能是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。首先需将非电信号变成电信号，然后对电信号进行变换和处理，使它适合信道传输。在现代通信系统中，为满足不同的需求，需要进行不同的变换和处理，如调制、数/模转换、加密、纠错等。,3、信道是信号传输媒介的总称。从大类分，传输信道的类型有两种，一种是电磁信号在自由空间中传输，称之为无线信道；另一种是使电磁信号被约束在某种传输线上传输，称之为有线信道。4、接收器的功能是发送器的逆变换。它将从信道上接收的信号变换为接收者可以接收的信息。5、信宿是信息传送的终点，亦即信息接收者。它构成人-人通信或机-机通信、人-机通信或机-人通信。6、噪声源不是人为实现的实体，在实际通信系统中客观存在。事实上，在信源处、构成发送器的电子设备中、传输信道中以及接收端的各种设备中均可引入噪声干扰。,2.1.3发送与接收设备发送设备、接收设备和传输介质是通信系统的硬件。在工业数据通信系统中典型的收发设备如下：1、变送器、传感器2、数据采集设备3、PLC、PID控制器4、监控机或工作站5、调节阀6、电机控制设备7、变频器8、机器人9、网络连接设备,2.1.4传输介质传输介质是指从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介，是通信网络中连接收发双方的物理通路。是通信中实际传送信息的载体。它具有如下特性：1、物理特性：传输介质的特征。2、传输特性：使用模拟信号发送还是数字信号发送，调制技术、传输容量及传输的频率范围等。3、连通特性：点到点或者多点连接。4、地理范围：网上各节点间和整个网络覆盖的最大距离。5、抗干扰性：防止噪声对传输数据影响的能力。6、相对价格：以元件、安装和维护的价格为基础。,2.1.5通信软件报文：是指需要传送的文本、命令、参数值、图片、声音等信息。通信协议：是指通信设备间控制数据通信与理解通信数据意义的一组规则。它具有如下关键要素：1、语法：是指通信中数据的结构、格式及数据表达的顺序。2、语义：是指通信帧位流中各部分的含义。3、时序：是指数据的发送时间及数据的发送速率。,例1.1：接收程序PrivateSubMSComm1_OnComm()DimrnumAsVariantDimrbyte()AsByteSelectCaseMSComm1.CommEventCaseIs=comEvReceivers=MSComm1.InBufferCountrnum=MSComm1.Inputrbyte=rnumFori=1TorsText4.Text=Text4.Text_+Str$(rbyte(i-1)NextCaseIs=comEvSendEndSelectEndSub,例1.2：发送程序PrivateSubsendcmd_Click()DimflagAsBooleanDimmystr(4)AsByteDimjjAsVariantflag=check(Trim(Text1.Text)IfNotflagThensuccess=MsgBox(第一字节为空或为非法字符!,vbExclamation+vbOKOnly,errorwindow)Text1.SetFocusExitSubElsemystr(0)=CByte(Val(Trim(Text1.Text)EndIf.k=0Fori=0ToLen(mystr)-1k=kXormystr(i)Next,Mystr(4)=kjj=mystrMSComm1.Output=jjEndSub例1.3：串口属性说明.CommPort=1.InputBufferSize=1024.InputLen=50.InputMode=1-CommInputModeBinary.OutBufferSize=40.RThreshold=1.Settings=9600,n,8,1.SThreshold=1,2.2通信系统的性能指标,2.2.1有效性指标1、信息传输速率：亦称比特率，它是衡量数字通信系统有效性的指标之一。在信息论中信息量的度量单位是“比特”(bit)。一个二进制码元所含的信息量是一个“比特”，即一个“1”或一个“0”就是一个比特。在多进制中(设为n进制)，则每个码元的信息量为lbn。2、码元传输速率：亦称波特率，是指单位时间(s)内所传输的码元数目，其单位为波特(Baud)。信息传输速率和码元传输速率的关系为Sb=SBlbn1b代表log2式中，Sb表示信息传输速率，SB表示码元传输速率如果波特率为600Baud，则在二进制时，由于lbn=1，比特率为600bps，虽然在数值上波特率和比特率是相等的，但其意义是不同的。在四进制时，比特率则为1200bps。,3、频带利用率频带利用率是指单位频带内的传输速率。它是衡量数据传输系统有效性的重要指标，传输的速率愈高，所占用的信道频带愈宽。通常用来表示数字信道频带的利用情况，即频带利用率为：当传输速率是码元传输速率时，其单位为波特/赫兹(Baud/Hz)；当传输速率是信息传输速率时，其单位为比特/秒/赫兹(bps/Hz)。,4、协议效率协议效率是指所传输的数据包中的有效数据位与整个数据包长度的比值。它是衡量通信系统软件有效性的指标之一，协议效率越高，其通信有效性越好。5、通信效率通信效率是指数据帧的传输时间（与数据帧的长度、传输波特率、传输距离有关）与发送报文的所有时间（总线竞争或令牌等待、传输时间、发送维护帧等时间之和）之比。2.2.2可靠性指标误码率是衡量数字通信系统可靠性的重要指标。,1、误码误码是指数字信号在信道传输过程中，由于信道本身有关参数的影响和噪声干扰，导致在接收端判决再生后的码元出现错误。2、误码率误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，一般用Pe来表示。显然，误码率愈小，通信的质量愈高。,2.2.3通信信道频率特性频率特性是指不同频率的信号通过信道后，其波形发生变化的特性。它包括幅频特性和相频特性。2.2.4介质带宽频谱是指信号所含的频率分量的集合。带宽是指频谱所占的频率宽度。标准电话线路的信号频带为300(Hz)3400(Hz)，其带宽为：3400300=3100(Hz)。频率在频带范围内的谐波在信道传输的过程中是无衰减的，频率超出频带范围的所有谐波在传输过程中衰减极大。2.2.5信道容量信道容量是指在某种传输介质中单位时间内可能传送的最大比特数，亦即该传输介质容许的最大数据传输速率。,2.2.6信噪比对信道容量的影响信噪比是指信号功率S与噪声功率N的比值，单位为分贝。信道容量C、信道带宽W、信噪比S/N三者之间的关系可由香农公式表示为：由公式可知提高信噪比即能增加信道容量。,2.3数据编码,2.3.1数字编码波形1、模拟数据编码：用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表示数据的0、1状态的编码方式。2、数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的0、1状态的编码方式。3、数据编码波形(1)、单极性码信号电平为单极性的编码。(2)、双极性码信号电平为正、负两种极性的编码。(3)、归零码在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。(4)、不归零码整个码元时间内维持有效电平的编码。,(5)、差分码用电平是否变化来表示逻辑“1”和“0”的编码。如果电平变化表示“1”，不变化表示“0”，则称为传号差分码。如果电平变化表示“0”，不变化表示“1”，则称为空号差分码。(6)、曼切斯特编码又称分相码，是工业数据通信系统中最常用的的一种基带信号编码。在该编码中，时间被划分为等间隔的小段（与一个比特即一位相对应），每个比特的中点存在电平跳变，高-低表示“0”，低-高表示“1”。(7)、差分曼切斯特编码是曼切斯特编码的一种变形，它既具有曼切斯特编码在每个比特时间间隔中间信号一定会发生跳变的特点，也具有差分码用电平变化来表示逻辑“1”，不变化表示逻辑“0”的特点。,2.3.2模拟数据编码调制（Modulation）：将基带数字信号的波形变换为适合于模拟信道传输的模拟信号波形（将数字信号转换成模拟信号）。解调（Demodulation）：将由调制器变换过的模拟信号波形恢复成原来的基带数字信号波形（将模拟信号转换成数字信号）。模拟数据编码：利用描述模拟信号的幅度、频率、相位参数来表示数据的“0”、“1”状态。有幅值键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）三种编码方法。幅值键控（Amplitude-shiftkeying）：载波信号的频率、相位不变，幅度随调制信号而变化。频移键控（Frequency-shiftkeying）：载波信号的幅度、相位不变，频率随调制信号而变化。相移键控（Phase-shiftkeying）：载波信号的幅度、频率不变，相位随调制信号而变化。,180,0,相位改变,相位不变,2.4数据传输方式,2.4.1串行传输和并行传输1、串行传输：数据流以串行方式位的在一条信道上传输，且每次只能发送一个数据位。适合远距离的数据通信。2、并行传输：数据流以成组的方式在两条以上的并行信道上同时传输，且每次可传输一组数据位。适合近距离的数据通信。2.4.2同步传输和异步传输在数据通信系统中，各种处理工作总是在一定的时序脉冲控制下进行的，而通信系统的收发端工作的协调一致性是实现信息传输的关键，亦即传输同步。,1、异步方式亦即起止同步方式，在该传输方式中，每传送一个字符（58位）都在每个字符码前加一个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加一个停止位，表示字符结束。由起始位启动定时机构，实现同步。适合低速传输。,2、同步方式同步方式最基本特点是接收端的时钟应与发送端严格保持一致，从而使接收时钟与接收数据位之间不存在误差积累的问题，因此它不同于异步方式，在每个字符前后并不附加起止位作为字符的边界，而是在发送字符之前先发送一组816位的同步字符（区别于一般信息编码的一种特殊的二进制编码如01111110，通常选择在数据码中极少出现的码型，以避免可能造成的混乱）使收发双方进入同步。有面向字符和比特两种同步传输方式，适合高速传输。,2.4.3位同步、字符同步与帧同步1、位同步所谓位同步是指收发双方的时钟同步。(1)、收发双方的定时信号频率应相同。(2)、定时信号与数据信号间保持固定的相位关系。2、字符同步：数据流以字符组织成组发送，并在字符前附加一个或多个同步字符SYN，以使收发双方进入同步的工作方式。3、帧同步数据帧是一种按事先约定将数据信息组织成组的形式。所谓帧同步是指收发双方以帧头帧尾为特征实现同步的工作方式。,2.5通信线路的工作方式,通信系统的传输方式有四种：单工、半双工、全双工及全/全双工。1、单工通信：是指所传送的信息始终朝着一个方向，而不会出现相反方向的传输。单工系统有时称为单向的、只接收或只发送的系统。商业电台或电视广播是单工传输的一个例子，电台总是发射端而用户总是接收端。2、半双工通信：是指信息流可以在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输。半双工系统亦称为双向交替。使用对讲开关控制发射机的双向无线电系统，如民用波段和警察波段电台。3、全双工通信：是指信息流可以同时在两个方向上传输。它相当于两个完全相反的单工通信方式的组合，如标准的电话系统。4、全/全双工：是指每个终端可同时发送和接收，且不必在相同的两个位置间进行，如A站可以发送到B站，并同时从C站接收。,2.6信号的传输模式,2.6.1基带传输基带传输是指在不进行任何调制的情况下直接传送数据基带信号的数据传输模式。2.6.2载波传输载波传输是指用数字信号对载波进行调制后传输的一种传输模式。最基本的有幅值键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）三种调制方式。2.6.3宽带传输宽带传输是基带传输的拓展，它由多条基带信道组成，数据传输速率可达400Mbps。,2.6.4异步传输模式（ATM）ISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork）是综合业务数字网。它是通过单一线路发送数字语音呼叫和数据的一种电信标准。ATM是支持B-ISDN（高速传输数字化的声音、视像和多媒体信息）服务的一种交换技术，它是建立在电路交换和分组交换基础上的一种快速分组交换技术。ATM主要特点归结为：1、ATM是面向连接的传输方式。2、ATM采用固定长度的短信元作为数据传输的单位，有利于高速交换（端口独享155Mbps或622Mbps)。3、信头的功能十分有限，其主要功能是用来根据虚电路标志识别虚连接。4、ATM采用统计时分复用的方式来进行数据传输。5、能支持不同速率的各种业务。6、传输误码率低，且容量很大。,PC机接入ISDN,2.7差错控制,所谓差错控制是指在计算机通信中为了提高通信系统的传输质量而提出的有效的检测错误并进行纠正的的方法。2.7.1差错检测差错检测是指接收端通过包含在数据报文分组中的冗余信息判别差错的一种方法，其常用的方法如下：1、冗余4、奇偶校验2、回传5、计算校验和3、精确计数编码6、循环冗余校验（CRC）,2.7.2差错纠正差错纠正是指接收端通过包含在数据报文分组中的冗余信息判别差错并自动纠正错误的一种方法，其常用的方法如下：1、自动重传（ARQ）2、前向差错纠正（FEC）3、混合纠错（HEC1，2合并）,2.7.3CRC检错码的工作原理CRC是将需发送的数据位序列作为多项式F(x)的系数，与双方约定的生成多项式G(