《工业通信与网络技术》第3章现场总线通信基础3.4-李中伟

1、哈工大网络与电气智能化研究所 23.4 模拟信号模拟信号和和数字信号编码技术数字信号编码技术p数字数据，数字信号n为二进制分配电平，改变信号频谱p数字数据，模拟信号n幅移键控（ASK） 、频移键控（FSK）以及相移键控（PSK）p模拟数据，数字信号n脉码调制（PCM）p模拟数据，模拟信号n调幅（AM） 、调频（FM）、调相（PM） 哈工大网络与电气智能化研究所 3发送器发送器传输媒体传输媒体接收器接收器数据数据信号信号信号信号标注接收者的姓名标注接收者的姓名编码编码 (时钟时钟, 差错检测差错检测)数据数据信号信号编码3.4.1 数字数字数据，数字数据，数字信号信号4编码与调制技术编码与调制技

2、术数字或模拟数字或模拟编码器编码器解码器解码器数字或模拟数字或模拟调制器调制器解调器解调器tfc tx ts tx fsf tg tg tm tm通过编码形成一个数字信号通过编码形成一个数字信号通过调制形成一个模拟信号通过调制形成一个模拟信号哈工大网络与电气智能化研究所 5数据的模拟信令方式数据的模拟信令方式模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号模拟数据模拟数据 -模拟信号模拟信号 数字数据数字数据 - 模拟信号模拟信号哈工大网络与电气智能化研究所 6数据的数字信令方式数据的数字信令方式+5V-5V数字信号数字信号模拟数据模拟数据 - 数字信号数字信号数字数据数字数据 - 数字信号数字信号哈工大网络

3、与电气智能化研究所 术语和概念（术语和概念（1）p数字信号n离散的、非连续的电压脉冲序列n一个脉冲就是一个信号元素n每个数据比特都编码成信号元素以传输二进制数据 0 1 0 0 1 1 0 0 1 二进制数据信号元素编码编码7哈工大网络与电气智能化研究所 8术语和概念（术语和概念（2）p单极性的（Unipolar）n信号元素具有相同正负号p极性n信号传输中，一个逻辑状态由正电平表示，另一个负电平表示哈工大网络与电气智能化研究所 9术语和概念（术语和概念（3）p数据信号传输数率（数据率）n数据传输的速率，比特每秒为单位p比特的持续时间或长度n发送器发送这个比特所需时间哈工大网络与电气智能化研究所

4、 数字术语和概念（数字术语和概念（4）p调制速率n信号电平改变的速率，用波特表示指每秒出现多少个信号元素101 1 1 1 15bits5s1bits1s1signal element0.5sNRZIManchester哈工大网络与电气智能化研究所 11编码方式方式p不归零电平不归零电平Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)p不归零不归零1制制Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)p双极性AMIBipolar -AMIp伪三进制Pseudoternaryp曼彻斯特曼彻斯特Manchesterp差分曼彻斯特差分曼彻斯特Differential

5、Manchesterp双极性8零替换B8ZSp高密度双极性3零HDB3NRZMultilevelBinaryBiphaseScrambling Techniques哈工大网络与电气智能化研究所 12不归零电平不归零电平 NRZ-Lp负电平代表一个二进制数，正电平代表另一个二进制数n即为不归零电平 NRZ-Lp1为负电平，0为正电平NRZ-L最简单的编码方法最简单的编码方法 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 +_哈工大网络与电气智能化研究所 13不归零不归零1制制NRZIp一个比特的持续时间内电平保持恒定p数据的编码形式是在一个比特起始时刻看信号有无跳变n1代表信号有跳变n0代表信号无

6、跳变p例子，差分编码哈工大网络与电气智能化研究所 14NRZNRZ-LNRZI +_比特起始时刻有跳变比特起始时刻有跳变1比特起始时刻没有跳变比特起始时刻没有跳变0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 15NRZ的优势和局限性的优势和局限性p优势n最容易实现n有效利用带宽p局限性n具有直流成分n缺乏同步能力用于数字磁记录信号传输应用中没有利用价值哈工大网络与电气智能化研究所 16双相位双相位p曼彻斯特Manchestern每个比特周期中央存在一个跳变n跳变表示了数据和定时机制p低到高表示1p高到低表示0n用于 IEEE 802.3p差分曼彻斯特Differential Manchest

7、ern中央的跳变只提供定时关系n0表示比特周期起始时存在跳变，1表示比特周期起始没有跳变n注: 这是一个差分编码技术n用于 IEEE 802.517双相位双相位 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 ManchesterDifferential Manchester0=比特周期的起始时刻跳变1=比特周期的起始时刻无跳变+_+1=从低到高跳变0=从高到低跳变18双相位的优势和局限性p局限性n比特周期内至少一次跳变，可能两次n最大调制率时 NRZ 的两倍n需要更大的带宽p优势n同步n无直流成分n差错检测p一个期待的跳变的丢失用于检测差错自定时编码用于检测错误用于检测错误哈工大网络与电气智能化

8、研究所 19编码的应用（编码的应用（1）p对于曼彻斯特编码，在IEEE 802.3标准中 广 泛 应 用 于CSMA/CD 总线 L A N s 中 ， 如ControNet二进制数据以电平脉冲的二进制数据以电平脉冲的序列被插入到电缆中传输序列被插入到电缆中传输哈工大网络与电气智能化研究所 20编码的应用（编码的应用（2）p对于差分曼彻斯特编码，在IEEE 802.5令牌环LANs中广泛应用二进制数据以电平脉冲的二进制数据以电平脉冲的序列被插入到电缆中传输序列被插入到电缆中传输哈工大网络与电气智能化研究所 多电平二进制多电平二进制p双极性-AMI (Alternate Mark Inversi

9、on)n使用多于2个电平n“0 ”没线路信号， “ 1” 表示正电平和负电平p极性交替p伪三进制Pseudoternaryn使用两个以上的电平n“1” 表示没有线路信号n“0” 表示正负电平交替21哈工大网络与电气智能化研究所 多电平二进制多电平二进制-Signal Wave1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 Bipolar-AMIPseudoternary+_+22哈工大网络与电气智能化研究所 多电平二进制多电平二进制-优势优势&局限性局限性p出现长串“0”或“1”不会失去同步p没有直流成分p带宽比NRZ小p能提供一个简单的差错检测方法n检测脉

10、冲p在AMI中出现长串“0”或在Pseudoternary 出现长串“1”的问题：n插入额外比特强制跳变n使用扰码技术23哈工大网络与电气智能化研究所 扰码技术扰码技术p利用扰码机制替换可能导致线路上产生的恒定电平的比特序列p填入比特序列 n必须产生足够多的跳变以保持同步n接收器必须能够识别填入的比特序列，并用原数据序列取而代之n与原比特序列的长度一样24哈工大网络与电气智能化研究所 扰码技术扰码技术p双极性8零替换（ B8ZS）n以以双极性双极性AMI码码为基础为基础n如果出现一个全零的八位组，并且在这个八位组之如果出现一个全零的八位组，并且在这个八位组之前的最后一个电压脉冲为前的最后一个电

11、压脉冲为 “+”, 那么这个八位组中的那么这个八位组中的八个零被编码为八个零被编码为000+-0-+n如果出现一个全零的八位组，并且在这个八位组之如果出现一个全零的八位组，并且在这个八位组之前的最后一个电压脉冲为前的最后一个电压脉冲为 “-”, 那么这个八位组中的那么这个八位组中的八个零被编码为八个零被编码为000-+0+-25哈工大网络与电气智能化研究所 扰码技术扰码技术p高密度双极性3零(HDB3)n以以 AMI码码 为基础为基础自上一次替换后双极性脉冲（比特1）的个数前面脉冲的极性奇数偶数-000-+00+000+-00-26哈工大网络与电气智能化研究所 扰码技术信号波形扰码技术信号波形

12、1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 双极性双极性AMIB8ZS+_+1 1 0 0 0 V B 0 V B 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 V B 0 0 V 1 B 0 0 V 0 1 0 HDB3+-27哈工大网络与电气智能化研究所 优势优势p没有直流成分p没有长期序列零级线路信号p没有减少数据传输率p错误检测能力p用于长距离传输28哈工大网络与电气智能化研究所 3.4.2 数字数据数字数据, 模拟信号模拟信号p公用电话网n调制解调器 (Modulator-demodulator)n声音：300Hz to 3400Hzn数据：

13、600Hz to 3000Hz (带宽2400Hz）p调制技术p性能29哈工大网络与电气智能化研究所 电话网带宽电话网带宽30哈工大网络与电气智能化研究所 3.4.2.1 调制技术调制技术pASKpFSKpPSK001)2cos()(二进制二进制tfAtSc0)2cos(1)2cos()(21二进制二进制tfAtfAtS0)2cos(1)2cos()(二进制二进制tfAtfAtScc31哈工大网络与电气智能化研究所 调制的模拟信号的数字数据调制的模拟信号的数字数据001)2cos()(bitBinarybitBinarytfAtSc0)2cos(1)2cos()(21bitBinarytfAb

14、itBinarytfAtS0)2cos(1)2cos()(bitBinarytfAbitBinarytfAtScc32幅移（振幅或幅度）键控幅移（振幅或幅度）键控ASKp不同的载波振幅所代表的值不同p通常，一个幅度为零p易受突变的增益变化的影响p效率低p在话音级线路上，用于数据率不高于1200 bps的情况下p用于在光纤中传输数字数据33哈工大网络与电气智能化研究所 频移键控频移键控FSKp不同的频率代表不同的值(载波附近)p比ASK的抗差错性稍强p在话音级线路上，典型的数据率为1200bpsp高频无线电传输p在使用同轴电缆的局域网中，他甚至可用于更高的频率34哈工大网络与电气智能化研究所 话

15、音级线路的话音级线路的FSK“1”“0”“0” “1”1700340035哈工大网络与电气智能化研究所 多值频移键控多值频移键控MFSK36( )cos21iis tAf tiM 哈工大网络与电气智能化研究所 多值频移键控多值频移键控MFSK37例5.4 设fc= 250 kHz，fd = 25 kHz，M=8（L=3比特），分别为8个可能的3比特数据组合分配如下的频率例5.5 下图所示为M=4时多值频移键控的一个例子。输入的20个比特的比特流一次两个比特地编码，传输时分别为四种可能的2比特组合分配四个不同的频率。从图中可以出传输频率（y轴）是时间（x轴）的一个函数。每一列代表一个时间单元T，

16、在此期间有一个2比特的信号元素传输。每一列中有阴影的方决表示了在该时间单元内的传输频率。相移键控相移键控PSKp数 据 是 通 过 载 波 信 号 的 相 位 偏 移 来 表 示 的n差分相移键控：相移相对于前一个传输，而不是一些参考信号。38哈工大网络与电气智能化研究所 四值相移键控（四值相移键控（QPSK和OQPSK） 39cos(2)1143cos(2)014( )3cos(2)004cos(2)104ccccAf tAf ts tAf tAf tQPSK11( )( )cos2( )sin222ccs tI tf tQ tf tcbc11( )( )cos2()sin222s tI tf tQ tTf tOQPSK哈工大网络与电气智能化研究所 传输带宽传输带宽pASK & PSKpFSKp多值相移键控MPSKp多值频移键控MFSK10)1 (rRrBT12)1 (2ffffFRrFBccT211()()logTrrBRRLM40哈工大网络与电气智能化研究所 2(1)()logTr MBRM3.4.3 模拟数据，数字信号p数字化n模