现场总线2-数据通信基础知识

第二章数据通信基础,本章内容：1、数据通信的基本概念、基础知识；2、不同通信系统特点及信号的编码方式；3、数据交换常用方法-电路交换、报文交换及报文分组交换；4、介质访问控制方法及差错控制技术。,2,一、数据通信基础知识,1、基本概念信息:数据所包含的内容和解释。数据:是传递信息的载体，是事物的表现形式。它包含了事物的内容，例如一个文件中的文字、符号、图形、数码都是用数据来表示的。信号:信号是数据的载体，信号的表现形式：声、光、电。信源：产生和发送信号的设备。信宿：接收和处理信息的设备。信道:传输信息的通道（模拟信道与数字信道）,3,信号带宽:信号覆盖的频率范围。信道带宽：能传输信号的最大频率范围。基带信号:信号固有的频率范围。基带传输：以信号的原始形式直接传输。频带传输：频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。噪声：信号传输过程中的干扰。误码率：数据被传错的概率。数据传输速率（后面单独介绍）远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。,4,2、通信信道的分类有线信道和无线信道模拟信道和数字信道专用信道和公共交换信道,5,3、异步和同步传输异步传输（AsychronousTransmission）比特被划分成小组独立传送。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。异步传输被设计用于低速设备，比如键盘和某些打印机等。,传输在右边起始,6,同步与异步传输的区别1,异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。2,异步传输的单位是字符而同步传输的单位是桢。3,异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。4,异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。5,异步传输相对于同步传输效率较低。接收端要与发送端的时间和发送频率保持一致（同步），才能正确接收数据（可以先举CPU向RAM写数据简明扼要举例子，然后引入串行通讯需要同步的概念）。同步方式分两种：异步、同步。此异步波形，右边是开始，发送3、2、1的ASCII编码33H、32H、31H。信号为负逻辑，高电平表示0，低电平表示1。,解释上一页,7,同步传输（SynchronousTransmission）接收方可以用同步头进行自己的时钟同步，以便后面的准确接收。位同步：每位均有同步信号。帧同步：它不是独立地发送每个字符，而是把它们组合为数据帧一起发送。在每帧前面加特殊的同步头。,8,4、数据通信的主要技术指标码元与比特信号传输时的一个波形单元称为一个码元（指信号）；二进制数的一位称为一比特（指二进制数据）。数据传输速率S（比特率）单位时间内所传送的二进制代码的有效比特数（bps)。信号传输速率B（波特率）单位时间内所传送的波形单元数(Baud)。S=Blog2NN为一个码元所取的有效离散值的个数，一般取2的方幂。误码率Pe二进制码元在传输中出错的概率：Pe=Ne/NN为二进制总位数，Ne为出错的位数。如果一个码元被分为4级，如0伏、1伏、2伏、3伏分别表示00、01、10、11，则其每个码元表示2（log24）个二进制数。传输数据的速率增加了。,9,二、通信系统简介,模拟通信：以模拟信号形式在信道上传送数据(频带)数字通信：以数字信号形式在信道上传送数据(基带)模拟信号容易失真、数字信号可以避免失真（有效距离内）,1、通信系统组成,10,2、模拟通信系统,信源,信宿,调制器,解调器,模拟信道,模拟信号,模拟信号,数字信号通过调制以后利用模拟信道进行传送；模拟信号直接传送。有的模拟信号也需要数字化后再调制进行传送。可以讲一下有线模拟通信系统，及无线通信系统。,11,3、数字通信系统,信源,数字信道,信宿,数字信号,数字信号,节点利用数据局的数字通讯系统进行通信模拟信号通过变换以后可以用数字信道传输信号，数字信号可以直接用数字信道进行传输,12,数字信号编码：对数字信号进行编码，以适合信道传输传输。分为：数字信号的模拟编码和数字信号的数字编码。1.数字信号的模拟编码以正弦信号为载波，改变载波特征进行编码。有三种编码方法。,三、信号的编码技术（信道编码）,（2）移频键控法（FSK,frequencyshiftkeying）：用载波频率附近的两种不同频率表示二进制的两种状态；,（3）移相键控法（PSK,Phaseshiftkeying）：用载波信号相位移动表示二进制的两种状态；,（1）移幅键控法（ASK，Amplitudeshiftkeying）:用载波的两种不同幅度表示二进制的两种状态,13,3.2r日讲到此，数据的信号编码又称为信道编码。数据的编码类型取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型，可分为模拟信号编码和数字信号编码。信号编码与信息编码不是一个层面上的，信息编码相当一种信源编码,如ASCII码，信号编码是信号传输的物理形式。,解释上一页,14,移幅键控法(ASK),移频键控法(FSK),移相键控法(PSK),15,移幅键控：有载波信号表示1，无载波信号表示0；移频键控：用两个不同频率的载波频率表示数据1，0；移相键控：用载波的相位偏移表示数据1，0；相移为0表示1，相移180度表示0；这是二相位移相键控，也可实现多相移相键控。,解释上一页,16,单极性码：无电压表示“0”，高电压表示“1”；双极性码：“1”码和“0”码都有电流，“1”为正电流，“0”为负电流；归零码：每位信息位传输后返回零电平的编码；非归零码：整个码元期间维持有效电平；曼彻斯特编码（自带时钟的编码）：每比特的周期T分为两个相等的部分，从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”，中间的电平跳变作为双方的同步信号。（某些系统的0，1信号表示法相反，0到1跳变表示1）差分曼彻斯特编码：每比特的周期T分为两个相等的部分，起始部分有跳变表示“0”，无跳变表示“1”,2、数字信号的数字编码技术,17,非归零码(NRZ),曼彻斯特码,差分曼彻斯特码,跳变表示“0”,不跳变表示“1”,中间跳变,中间跳变,数字的数字编码方法很多，除单极性编码外还有几种常见的编码方法。如双极性码、双极性归零码（如ARINC429总线信号）、曼彻斯特编码。,18,曼彻斯特编码：每位中间发生跳变，由负到正表示0，由正到负表示1，且携带同步信息（或定义：前半周期为0表示0，前半周期为1表示1；也可能定义的相反）；差分曼彻斯特编码：数据位开始时刻出现跳变表示0，不发生跳变表示1；中间也发生跳变为同步提供信息。曼彻斯特与差分曼彻斯特编码不含直流成分，并带有同步信息，这需要较大带宽。（跳变增加带宽自然增加）差分曼彻斯特编码：在信号位开始时不改变信号极性，表示辑“1”在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑“0”；【注意】：如果在最初信号的时候，即第一个信号时：如果中间位电平从低到高，则表示0；如果中间位电平从高到低，则表示1；后面的（从第二个开始）就看每个信号位开始时有没有跳变来决定。,解释上一页,19,四、数据通信方式,1、并行通信,2、串行通信,3、通信的方向单工通信半双工通信双工通信,20,(1)频分多路复用FDM将多个信号调制在不同的载波频率上，互不干扰，同时传输。,五、信道共享,1.多路复用技术,模拟通信,21,(2)时分多路复用TDM将传输时间划分为多个短而不重叠的时隙，分时传输，数字通信方式。,起始数据,数字通信，CSMA/CD,令牌实际都是此方式,22,3、波分多路复用（WDM）不同波长的光载波同在一根光纤上传输，是光纤上的频分复用技术。,23,在整个WDM系统中，光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，其性能的优劣对系统的传输质量具有决定性作用。将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为复用器；反之，将同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为解复用器。1.充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍到几十倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。2.由于WDM技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种信号的综合和分离，实现多媒体信号混合传输。,解释上一页,24,六、数据交换技术（通信子网内部）,1、线路交换方式,B,A,C,D,E,F,7,5,4,3,2,1,6,通信时通信双方在通信子网建立起实际的物理线路连接。,25,数据传输的最简单方式是直接连接通信双方，如果两个用户之间都采取直接相连的方式，连线个数会随着用户数成几何级数增加。这节讨论的通信子网的问题，而不是和一个简单的局域网络的问题。经过多个节点转发，到达目的地。节点是电子或机电结合的交换设备，节点设备不存储数据，不具备差错控制能力。整个电路交换的过程包括建立线路、占用线路并进行数据传输和释放线路三个阶段。下面分别予以介绍。（1）电路建立如同打电话先要通过拨号在通话双方间建立起一条通路一样，数据通信的电路交换方式在传输数据之前也要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。它的具体过程如下。发起方向某个终端站点（响应方站点）发送一个请求，该请求通过中间节点传输至终点。如果中间节点有空闲的物理线路可以使用，接收请求，分配线路，并将请求传输给下一中间节点；整个过程持续进行，直至终点。如果中间节点没有空闲的物理线路可以使用，整个线路的连接将无法实现。仅当通信的两个站点之间建立起物理线路之后，才允许进入数据传输阶段。,解释上一页,26,线路一旦被分配，在未释放之前，其他站点将无法使用，即使某一时刻，线路上并没有数据传输。（2）数据传输电路交换连接建立以后，数据就可以从源节点发送到中间节点，再由中间节点交换到终端节点。当然终端节点也可以经中间节点向源节点发送数据。这种数据传输有最短的传播延迟，并且没有阻塞的问题，除非有意外的线路或节点故障而使电路中断。但要求在整个数据传输过程中，建立的电路必须始终保持连接状态，通信双方的信息传输延迟仅取决于电磁信号沿媒体传输的延迟。（3）电路拆除当站点之间的数据传输完毕，执行释放电路的动作。该动作可以由任一站点发起，释放线路请求通过途经的中间节点送往对方，释放线路资源。被拆除的信道空闲后，就可被其他通信使用。线路交换方式要占用信道，效率低，因此出现存储转发方式，动态灵活。,接着上一页解释,27,（1）报文交换：数据报文经过多个结点传送到目的地。,2、存储转发方式,28,首先根据一定的协议，形成具有地址、控制信息、差错校验的报文，通信站点可以完成数据单元接收、差错校验、存储、路选、转发功能，多个报文可以分时共享信道，效率高。问题的提出：当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法的缺点是信道容量和有效时间的浪费。采用报文交换则不存在这种问题。1.报文交换原理报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。,解释上一页,29,2.报文交换的特点1)报文从源点传送到目的地采用存储-转发方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。2)在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。3.报文交换的优点1)电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。2)在电路交换网络上，当通信量变得很大很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。3)报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。4)报文交换网络可以进行速度和代码的转换。4.报文交换的缺点1)不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。2)有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。报文是不限制数据长度，一并发送。报文分组限制最大数据长度，将一个长报文分成多个报文分组，接收端再恢复成长报文。,30,将报文分割为若干个段，各个段沿不同路线传送到目的地。,B,A,C,D,E,F,7,5,4,3,2,1,6,（2）报文分组交换：,31,报文分组长度较短，传输差错检错容易，出错重发费时较少，目前公用数据交换网主要采用此种交换技术。采用报文分组交换技术的通信子网称为分组交换网CHINAPAC中国分组交换网。分组交换技术在实际应用中分为两类：数据报和虚电路方式。数据报方式不预先建立固定链路，传输路径可动态调整。虚电路预先建立逻辑连接的虚电路，传输完成后需拆除虚电路。,解释上一页,32,（1）带有冲突检测的载波侦听多路存取方法CSMA/CD（IEEE802.3）（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）先听再讲，三种CSMA方法:非坚持型CSMA1-坚持型CSMA空闲时，立即发送数据，如冲突，等待一个随机时间，重新监听发送。P-坚持型CSMA（2）令牌总线TokenRing（IEEE802.4）,七、竞争的介质访问方法,33,非坚持型CSMA：如空闲则发送，否则等一段随机时间，重复第一步；lP-坚持型：如介质空闲，以P概率发送，或以（1-P）概率延迟一个时间单位后重复处理。为了避免冲突，这种方式可能降低介质的利令牌总线：有一个令牌的逻辑环（网络可以是总线型）。令牌环总线：每个节点的出口与另一个节点的入口相连，构成一个物理连接的环，数据在每个节点上转发，传输时间确定，但可靠性差，一个节点故障全局瘫痪。令牌总线：逻辑环按地址递减次序组成。刚发送完的站将令牌传给后继站，后继站应立即发送数据帧或令牌帧，原先释放令牌帧的站监听到总线上的信号，便可以确认后续站已获得令牌。令牌与令牌环应加一个图好一些。1、在总线的基础上，通过在网络结点之间有序地传递令牌（一组特定的比特模式）来分配各结点对共享型总线的访问权利，形成闭合的逻辑环路。2、完全采用半双工的操作方式，只有获得令牌的结点才能发送信息，其它结点只能接收信息，或者被动地发送信息（在拥有令牌的结点要求下，发送信息）。3、为了保证逻辑闭合环路的形成，每个结点都动态地维护着一个连接表，该表记录着本结点在环路中的前继、后继和本结点的地址，每个结点根据后继地址确定下一占有令牌的结点(如下图所示)。如A站的前继站是D，后继站是C。,解释上一页,34,（3）令牌环TokenBus（IEEE802.5）,35,(1)虽然一个结点发出的帧仍然可以像总线形网络那样被网络中的所有结点接收，但这种接收是由环中所有的RPU的合作而实现的，每个RPU仅从其上行链路上获取帧，再生帧中的每一位，并转发到下行链路。(2)环形网要求专门的环监控器，监视和维护环路的工作。有时，环监控的功能也分布在RPU中，但可以看到，RPU如果出现故障可能会导致整个网络瘫痪，因此，实用中RPU常用多路访问器（MAU）代替。RPU从其中的一个环段（称为上行链路）上获取帧中的每个位信号，再生（整形和放大）并转发到另一环段（称为下行链路）。如果帧中宿地址与本结点地址一致，复制MAC帧，并送给附接本RPU的结点帧的撤出问题：MAC帧无止境地在环路中再生和转发。由发送结点完成。（发送节点获得其自己发送的帧后，交出令牌）专门的环监控器，监视和维护环路的工作；RPU负责：网段的连接、信息的复制、再生和转发、环监控等，RPU故障，可导致网络瘫痪。多路访问器（MAU）同一时刻，环上只有一个数据帧在传输（一个结点在传输数据）；网上所有结点共享网络带宽；有最小的传输延迟时间（令牌传输需要时间）；数据从一个结点传到另一个结点的时间是可计算的，可用于实时控制。标准：IEEE802.5,解释上一页,36,八、差错控制技术,差错是指在数据通信中，接收端接收的数据与发送端实际发出的数据不一致的现象。传输中的差错由多种原因引起（传输衰减、延迟畸变、噪声）。1、差错控制方法对传输的数据进行抗干扰编码。纠错码：在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过附加位对所接收的数据进行正错判断，并自动纠正错误。检错码：在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过附加位对所接收的数据进行正错判断。如奇偶校验，循环冗余校验。拥有数字通信中,37,