测控原理第四章 数据通信技术PPT课件

精选,1,4.1数据通信基础,在串行通信中，按照数据流的方向，可以分为三种工作方式：单工通信(只允许单方向传送)半双工(可以双向传送，但在某一时刻只允许往一个方向传送)全双工(可以同时进行双向传送),精选,2,调制解调器,PC机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,正文,正文,PC机,精选,3,信道按传输介质分可以分为有线和无线两类,精选,4,精选,5,传输介质的分类,精选,6,传输介质的电磁频谱,精选,7,无线频谱的分配,精选,8,传输介质的特点,精选,9,双绞线,精选,10,同轴电缆,精选,11,光纤,精选,12,无线信道,精选,13,无线电的分类,精选,14,无线电的传播,精选,15,微波,精选,16,精选,17,红外线,精选,18,红外线传输方式,精选,19,精选,20,多路复用技术由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，让多个信号同时共用一条物理线路。常用三种方法：时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）-统计时分复用STDM(StatisticTDM)主要用于数字数据传输,如T1载波，分成24个信道频分复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）波分复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）-光的频分复用,精选,21,码分复用CDMA,常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。,精选,22,由于时分复用系统优于频分复用系统因此在测控系统中基本采用时分复用系统。时分复用系统中，数据传输形式一般又分为基带传输和频带传输两种。基带传输：按照数字信号的原样传输，要求信道具有较宽的通频带，无需调制解调器。频带传输：采用调制解调技术的传输形式。,精选,23,串行通信概念若干个数据设备之间的信息交换称为数据通信。通常数据通信采用两种不同的方式：并行方式和串行方式。并行方式是指数据的各位同时传送，每一位数据都需要一条传输线，如图9-1（a）所示，8位数据总线的微机系统，一次传送8位数据（1个字节），将需要8条数据线，此外，还需要一条信号线和若干条控制信号线，这种方式仅适合于短距离的数据传输，并行传输的特点是：传输速率快，接口电路简单。,精选,24,串行传输是指数据中的各位分时传送，此时只需要一条数据线，外加一条公共信号地线和若干条控制信号线。因为一次只能传送一位，所以对于一个字节的数据，至少要分8位才能传送完毕。如图9-1（b）所示。串行通信的必要过程是：发送时，要把并行数据变成串行数据发送到线路上去，接收时，要把串行信号变成并行数据，才能被计算机及其它设备处理。串行通信的同步方式与异步方式异行通信又有两种方式：异步串行通信和同步串行通信。1、异步串行通信：特点是：数据以字符为单位传送，在每个字符数据的传送过程中都要加进一些识别信息位和校验信息位，构成一帧字符信息。在发送时，信息位的同步时钟并不发送到线路上去，在数据的发送端和接收端各自有独立的时钟。,精选,25,异步通信一帧字符信息由四部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。如图9-2所示。有的字符信息也有带空闲位形式，即在字符之间有空闲字符。异步通信的速率：波特率。即：每秒钟传送二进制数的位数或者是每秒钟所传输的字符数与位数的乘积。,精选,26,2、同步串行通信同步串行通信是以数据块方式传输数据。其帧结构为：同步字符SYN、数据块、校验字符CRC。同步方式需要提供单独的时钟信号，且要求接收器时钟和发送器时钟严格保持同步。,精选,27,数据传输速率和误码率波特率（baud）和比特率（bps）：比特率：每秒钟传送的二进制位数,也称数据传输速率。S=Blog2V(bps)其中B为波特率，V为调制信号波的状态数。波特率：每秒钟信号变化的次数，也称调制速率/码元速率/信号传输速率。B=1/T(baud),信号码元的宽度为T秒B=S/log2V(baud)波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系例：每个信号值可表示位，则比特率是波特率的倍；每个信号值可表示位，则比特率和波特率相同。,精选,28,一般数据传输速率也指单位时间内传送的数据量，数据量的单位可以是比特、字符、码组等。时间单位可以是秒、分、小时等。通常用字符分为单位。这里数据传输速率和比特率之间的关系需要考虑用多少比特来表示一个字符，另外，如果是起止同步方式传输的话，还需要考虑在数据以外附加传输的比特数。例如，在使用数据信号速率为1200B/s的传输电路，按起止同步方式来传送ASCll码数据时，其数据传输速率为数据传输速率=(1200*60)/(8+2)=7200（字符分）分母中的“2”是在一个字符的比特前后附加的起始比特和终止比特。,精选,29,例：采用8种相位、每种相位各有两种幅度的PAM调制方法，T=833微秒,求波特率和比特率。解：B=1/T=1200（baud）,S=Blog2V=1200log228=9600（bps）.例：对于比特率为bps的信道，发送位所需的时间为8/B秒，若位为一个周期，则一次谐波的频率是：f1=B/8Hz能通过信道的最高次谐波数目为：N=fc/f1音频线路的截止频率为3000Hz，则N=fc/f1=3000/(B/8)=24000/B结论：即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率。,精选,30,差错控制技术,在美国和其他国家，本地回路还在使用模拟的铜双绞线，且还要使用几十年的时间，因而差错在本地回路还是经常发生。更进一步的是，无线通信变得越来越普遍，差错率要比中间光纤干线大得多。因此传输差错控制仍是未来许多年需要面对的问题。差错控制技术：使用纠错码传数据，效率低，适用于不可能重传的场合；大多数情况采用检错码加重传。,精选,31,纠错编码的检错、纠错原理,精选,32,精选,33,精选,34,奇偶校验编码,精选,35,循环冗余校验码,精选,36,CRC的工作过程,精选,37,循环码,精选,38,循环码的生成多项式,精选,39,校验码的产生,精选,40,校验码的产生,精选,41,数据编码技术研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换）1).数字数据的数字传输（基带传输）基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是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。基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。适用范围：低速和高速的各种情况。限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要求。,4.2数字信号的基带传输,精选,42,常用的编码方式:-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)难以分辨一位的结束和另一位的开始；b)发送方和接收方必须有时钟同步；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。-曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“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，能够自同步。,精选,43,-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。-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。,精选,44,NRZ,曼彻斯特,差分曼彻斯特,逢“1”变化NRZ,逢“0”变化NRZ,精选,45,基带信号传输接口,物理接口的4个特性（1）机械特性。（2）电气特性。（3）功能特性。（4）规程特性。,精选,46,物理接口标准举例（以RS-232D接口标准为例）RS-232D是美国电子工业联合会（EIA）制定的物理接口标准，也是目前数据通信与网络中应用较为广泛的一种标准，它的前身是美国电子工业联合会在1969年制定的RS-232C标准，经1987年1月修改后，定名为EIA-232D，由于相差不大，人们常简称它们为“RS-232标准”。,精选,47,物理接口标准举例（以RS-232D接口标准为例）,图RS-232D连接器的接口图,精选,48,物理接口标准举例（以RS-232D接口标准为例）机械方面的技术指标是：RS-232D规定使用一个25根插针的标准连接器，每个插座（孔是插座，针是插头）有25针插头，RS-232D规定在DCE一侧采用针式结构，上面一排针（从左到右）分别编号为113，下面一排针（从左到右）编号为1425电气特性方面，RS-232D采用负逻辑，即逻辑0用515V表示，逻辑1用-5-15V表示，允许的最大数据传输率为20kb/s，最长可驱动电缆15m。,精选,49,物理接口标准举例（以RS-232D接口标准为例）功能特性方面:RS-232D定义了连接器中25根引脚与哪些电路连接以及每个引脚的功能。,图RS-232D连接器常用的10根引脚的作用,精选,50,物理接口标准举例（以RS-232D接口标准为例）规程特性方面:RS-232D规定了在DTE和DCE之间发生的事件的合法顺序。,图RS-232D的规程特性（两个DTE通信实例）,精选,51,USB接口由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求，因此，USB总线技术应运而生。USB（UniversalSerialBus)翻译为中文就是通用串行总线，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和NorthenTelecom等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免费的标准化连接器，它支持各种PC与外设之间的连接，还可实现数字多媒体集成。现在生产的PC几乎都配备了USB接口，Microsoft的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系统都增加了对USB的支持。,精选,52,USB接口的优点：USB1.0具备12Mb/s的数据传输率;USB2.0具备480Mb/s的数据传输率;USB接口允许带电状态下“热插拔”设备，而无需关机安装，同时对于插入USB插座中的设备，可直接驱动，无需重启操作系统。USB接口设备可采用级联方式连接，一个USB控制器可支持连接多达127个设备，连接线缆可长达5米。USB接口可向外部提供+5V电压和0.5A电流的电源，这样可为一些小功率外设提供电源。,精选,53,USB的数据流传输控制传输类型：支持外设与主机之间的控制，状态，配置等信息的传输，为外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外设之间就可以传送配置和命令/状态信息。等时传输类型：支持有周期性，有限的时延和带宽且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输。该类型无差错校验，故不能保证正确的数据传输，支持像计算机电话集成系统（CTI）和音频系统与主机的数据传输。中断传输类型：支持像游戏手柄，鼠标和键盘等输入设备，这些设备与主机间数据传输量小，无周期性，但对响应时间敏感，要求马上响应。数据块传输类型：支持打印机，扫描仪，数码相机等外设，这些外设与主机间传输的数据量大，USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。,精选,54,连接方式USB芯片在外设领域的应用面很广。USB控制器一般有两种类型：一种是MCU集成在芯片里面的，另一种就是纯粹的USB接口芯片，仅处理USB通信。集成MCU的USB控制芯片优点是CPU与控制器在同一片芯片里，CPU只需要访问一系列寄存器和存储器，便可实现USB口的数据传输，最大限度的发挥USB高速的特点。而且简化了程序的设计，极大地降低了USB外设的开发难度。缺点是灵活性不够高，开发成本较大。纯粹的USB接口芯片的优点是系统组成灵活，可根据不同的系统需求，搭配不同的MCU，具有较高的性能价格比。但因为USB控制器是通过串行口或并行口与MCU连接，在传输速度方面不如集成了MCU的控制芯片。不同的实现方式在设计开销、元器件开销和引脚数方面各有优劣，选择不同的方案意味着在以上各项指标中进行取舍。,精选,55,4.3数字信号的频带传输,载波调制是按基带信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。调制的载波可以分为两类：一类用正弦型信号，称为正弦载波调制；一类用脉冲串，称为脉冲调制。基带信号也可分为两类：一类是模拟信号，即基带信号的取值是连续的，称为模拟调制；另一类是数字信号，即基带信号的取值是离散的，称为数字调制。,精选,56,调制的目的,将消息变换为便于传输的形式。也就是说，变换为某种形式使信道容量达到最大，而且传输更可靠和有效。提高性能，特别是提高抗干扰性。有效的利用频带。,精选,57,数字数据的模拟信号编码通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码。最基本的数字数据模拟信号调制方式有以下三种：幅移键控方式（ASK，Amplitude-ShiftKeying）频移键控方式（FSK，Frequency-ShiftKeying）相移键控方式（PSK，Phase-ShiftKeying）,精选,58,基带数字信号的几种调制方法,精选,59,二进制移频键控（2FSK）,数字频率调制又称移频键控，记作FSK（FrequencyShiftKeying），二进制移频键控记作2FSK。,精选,60,2FSK信号的调制方法,模拟调频法用数字基带矩形脉冲控制一个振荡器的某些参数（例如电容C），可直接改变振荡频率，使输出得到不同频率的已调信号。数字键控法它是用数字矩形脉冲控制电子开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间进行转换，从而在输出端得到不同频率的已调信号。,精选,61,2FSK信号的解调,二进制频移键控信号的解调方法很多，常采用非相干检测法（包络检测法）相干检测法（同步检波法）过零检测法差分检波法等。,精选,62,2FSK信号包络检测法,2FSK信号的包络检测方框图及波形图如图所示。用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1及f2的高频脉冲，经包络检测后分别取出它们的包络。,精选,63,2FSK信号同步检波法,载波频率的选取有Bell标准和CCITT标准，课程中不再介绍,精选,64,调制解调器（Modem）,调制解调器的英文“Modem”来自于调制器（Modulator）和解调器（Demodulator）的缩写，世界上有些地方又称它为数传机（DataSet）。,精选,65,Modem的分类,按功能分类：通用Modem和具有传真功能的Modem。按外形分类：外置式和内置式。按传输速率分类：标准的传输速率为1200bit/s，2400bit/s，9600bit/s，14400bit/s，33600bit/s和56000bit/s等。按操作模式分类：同步和异步两种模式。按数据压缩及纠错方法分类：可以以数据纠错的方法保证收到的数据正确无误，同时通过对数据进行压缩提高有效传输速率，其中最常用的是MNP5和V.42bis。按传输介质分类：有线和无线Modem。,精选,66,Modem工作原理,精选,67,Modem标准,调制协议V.34标准，传输速率33.6kbpsV.90标准，传输速率56kbps差错控制协议:是为了保证传输正确而提供的协议，主要有两个工业标准MNP和V.42。数据压缩协议:数据压缩是高速Modem的关键技术，数据压缩有两个工业标准：V.42bis和MNP5。通信软件:对于智能型Modem能提供很多高级功能，但要靠通信软件完成。,精选,68,56K高速Modem,56kbit/sModem是1997年才开始上市的拨号高速调制解调器，它的传输速率之所以能有高于传统电话线路上33.6kbit/s的极限速率，是因为它采用了完全不同于33.6kbit/s的调制解调技术，其工件原理和使用要求与33.6kbit/s高速Modem相比也有一定的区别。,精选,69,宽带调制解调器简介,目前Modem若以带宽区分，则可以细分为窄带Modem和宽带Modem。窄带Modem指的是带宽在56kbit/s以下的Modem，也就是传统的Modem。宽带Modem则是指电缆线Modem（CableModem）和ADSLModem。,精选,70,宽带调制解调器,电缆调制解调器前面介绍的Modem主要是在电话线路上使用的，而电缆调制解调器（CableModem）主要在有线电视线路上使用的。ADSLModemADSL（非对称数字用户环路）是指现有的电话线上加装ADSLModem（又称为ATU-R），利用ADSL技术用户可以在使用电话时，同时以高于一般Modem的速率接入Internet或进行数据的传输，而且上网和打电话两不误。,精选,71,（1）发射电路,（2）调制，把要传递的信号附加到高频等幅振荡电流上的过程叫调制调制分调幅和调频两种方式.,4.4数字信号的无线传输,精选,72,信号源,振荡电路,调制（加载）,电台发射,调幅,精选,73,信号源,振荡电路,调制（加载）,调频,精选,74,接收电路,放大至工作电路,解调,精选,75,电谐振:当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫电谐振.,精选,76,使接收电路产生电谐振的过程叫调谐.能够调谐的电路叫调谐电路,调谐电路接收到的信号中既有传递的信息信号，又有高频信号，这就需要我们将这两种信号进行分离.,精选,77,检波（解调）,将电磁波中携带信息的信号从高频振荡信号中分离出来叫做检波.,解调是调制的逆过程,精选,78,高频无线传输电路的集成化和模块化,和低频范围的模拟电路一样，高频电路也被集成化，已大批生产多种单片集成发射电路、集成接收电路或集成收发电路芯片。与低频模拟电路相比较，高频电路的集成化具有特别重要的意义。分立元件组成的高频电路的设计一向是十分困难的，主要原因是缺乏恰当的检测仪器和方法对电路中各关键点的电流电压进行测量，从而影响了高频电路工作状态的分析。,精选,79,常用的射频电路芯片有以下几类：,（1）无线发射芯片,精选,80,常用的射频电路芯片有以下几类：,（2）无线接收芯片,精选,81,常用的射频电路芯片有以下几类：,（3）无线收发芯片,精选,82,无线收发模块,无线模块可以由分立元件组成，也有许多模块是以无线收发芯片为核心组成，下面通过实例作扼要的介绍。,高频情况下外接元器件的布局、各元器件之间，元器件与收发芯片引脚之间连接线的安排，以及印制电路板的品质等都对最后组成的通信系统的质量有严重的影响，缺少经验，常导致安装调试失败。因此，许多厂家利用无线收发芯片和高频晶体管，配以必须的电阻、电感、电容等元器件，直接生产各种无线收发模块供用户选用,精选,83,无线收发模块,精选,84,无线收发模块,精选,85,模块外接元器件,精选,86,就目前来说，手机都具有蓝牙模块，同时蓝牙的传输速率也成为了手机评测的一个重要数据，但是你是否知道目前的蓝牙技术发展到了什么阶段呢，你又知道蓝牙都能干什么呢？而蓝牙又是什么呢？,蓝牙是一种短距的无线通讯技术，电子装置彼此可以透过蓝牙而连接起来，省去了传统的电线。透过芯片上的无线接收器，配有蓝牙技术的电子产品能够在十公尺的距离内彼此相通，传输速度可以达到每秒钟1兆字节。以往红外线接口的传输技术需要电子装置在视线之内的距离，而现在有了蓝牙技术，这样的麻烦也可以免除了。,蓝牙技术,精选,87,蓝牙这个名称来自于第十世纪的一位丹麦国王HaraldBlatand,Blatand在英文里的意思可以被解释为Bluetooth(蓝牙)因为国王喜欢吃蓝梅，牙龈每天都是蓝色的所以叫蓝牙。在行业协会筹备阶段，需要一个极具有表现力的名字来命名这项高新技术。行业组织人员，在经过一夜关于欧洲历史和未来无限技术发展的讨论后，有些人认为用Blatand国王的名字命名再合适不过了。Blatand国王将现在的挪威，瑞典和丹麦统一起来；他的口齿伶俐,善于交际,就如同这项即将面世的技术，技术将被定义为允许不同工业领域之间的协调工作，保持着个各系统领域之间的良好交流，例如计算，手机和汽车行业之间的工作。名字于是就这么定下来了,蓝牙技术的起源,精选,88,蓝牙的支持者很多，从最初只有五家企业发起的蓝牙特别兴趣小组（SIG）发展到现在已拥有了近3000个企业成员。根据计划，蓝牙从实验室进入市场经过三个阶段。,第一阶段是蓝牙产品作为附件应用于移动性较大的高端产品中。如移动电话耳机、笔记本电脑插卡或PC卡等，或应用于特殊要求或特殊场合，这种场合只要求性能和功能，而对价格不太敏感，这一阶段的时间大约在2001年底到2002年底。,精选,89,第二阶段是蓝牙产品嵌入中高档产品中，如PDA、移动电话、PC、笔记本电脑等。蓝牙的价格会进一步下降，估计其芯片价格在10美元左右，而有关的测试和认证工作也将初步完善。这一时间段是2002年2005年。,精选,90,第三阶段是2005年以后，蓝牙进入家用电器、数码相机及其他各种电子产品中，蓝牙网络随处可见，蓝牙应用开始普及，蓝牙产品的价格在2美元5美元之间，每人都可能拥有2-3个蓝牙产品。我国正处于第二阶段的起步阶段。,精选,91,蓝牙的技术特点,（1）全球范围适用：蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.42.4835GHz，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。,（3）蓝牙模块体积很小、便于集成,（2）同时可传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。,精选,92,（4）低功耗,（5）可以建立临时性的对等连接（Ad-hocConnection)：根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（Master）与从设备（Slave）。,（6）具有很好的抗干扰能力：蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625。,（7）开放的接口标准,（8）成本低,精选,93,面临的挑战,蓝牙的确是比较方便，无需线缆，覆盖范围通常可以达到数米，还有能达到100米的。但是蓝牙也面临着许多挑战，现在的蓝牙协议速度还比较低，每一种应用只能分配700kb的带宽。还有两个大的问题困扰着蓝牙的应用。,1.连接不方便，手机连接蓝牙耳机相对还算比较方便，但是电脑的蓝牙端就有些复杂了，能连接的应用很多，往往需要一个一个的设定。,2.连接的稳定性不好。如果配对了多个设备，却不能每一种都自动连接，有时候需要手动连接。而稳定性也不够，有时候手动连接也会失败，于是又要重新设置。也就是说蓝牙连接的迁移性不好。,精选,94,蓝牙的应用,现代家庭与以往的家庭有许多不同之处。在现代技术的帮助下，越来越多的人开始了居家办公，生活更加随意而高效。他们还将技术融入居家办公以外的领域，将技术应用扩展到家庭生活的其它方面,通过使用Bluetooth技术产品，人们可以免除居家办公电缆缠绕的苦恼。鼠标、键盘、打印机、膝上型计算机、耳机和扬声器等均可以在PC环境中无线使用，这不但增加了办公区域的美感，还为室内装饰提供了更多创意和自由（设想，将打印机放在壁橱里）。此外，通过在移动设备和家用PC之间同步联系人和日历信息，用户可以随时随地存取最新的信息。,Bluetooth设备不仅可以使居家办公更加轻松，还能使家庭娱乐更加便利：现在您不必撇开客人，单独离开去选择音乐。用户可以在30英尺以内无线控制存储在PC或Ap