第2章 通信基础.ppt

1、第二章 数据通信基础,一.基本概念,1.信息（Information）,有价值的数据，是对客观事物的反应。,2.数据（Data）,可以用符号定义的信息，包括数字数据和模拟数据,3.信号（Signal）,是运载信息的工具，是信息的载体，包括光信号、声信号、电信号等,4.码元（Code Cell）,在数字通信中，相同时间间隔内的一个信号编码单元。,另一种说法：在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本 波形就称为码元。,5.数据传输速率,比特率,波特率,6.总线,总线，总线协议，总线操作，现场设备，主设备，从设备，总线仲裁。,二.数据通信模型,信源为待传输数据的产生者； 信宿为数据

2、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,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

3、、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：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 语法、语义和时序,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

4、靠性指标 误码率,三、通信系统性能的指标,四、数字信号的频谱与带宽,介质带宽不足会导致信号畸变,信道容量的香农计算公式 W:信道带宽 S/N:信噪比 C:信道容量,信道容量的奈奎斯特计算公式 W:信道带宽 C:信道容量,信道容量,五.数据编码与编码波形,数字数据的数字信号编码（把数字数据转换成某种数字脉冲信号）,1.不归零码（NRZ）-Non Return to Zero,把二进制数字0、1分别用两种电平来表示。常常用“+5V”表示“1”，“-5V”表示“0”,反过来也可以。,2.曼彻斯特编码（Manchester Encoding）,3.差分曼彻斯特编码,曼彻斯特编码（Manchester

5、Encoding）,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。,差分曼彻斯特编码,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 时钟周期起点电平有变化代表“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。,举例:,画

6、出数据序列01101011的： NRZ 编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码波形,练习：,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(ASK Amplitude-Shift Keying)又称键控调幅 频移键控(FSK Frequency-Shift Keying)又称键控调频 相移键控(PSK Phase-Shift Keying)又称键控调相 几种模拟数据编码的波形,数字数据的模拟信号编码,.模拟数据编码的模拟信号,.模拟数据编码为数字信号,也可以用调幅、调频、调相三种方法,六、串行传输和并行传输,1.串行通信：数据流以串行方式逐位

7、地在一条信道上传输,特点：,易于实现,可靠性高,节省通信信号线,用途：,适合远距离的数据通信,2.并行通信：将一个字节或一个字的各位同时进行传输,特点：,传输速度快,传输的信息率高,比串行通信需要更多的通信信号线,用途：,短距离传输、数据传输速度要求高的场合,七、异步传输和同步传输,1.异步通信：信息以字符为单位进行传送，字符与字符间传输间隔 是任意的，发送方和接收方的不需要严格的位同步。,注意：,所谓“异步”是指字符与字符之间的异步，字符内部仍为 同步。,串行通信才有同步和异步的问题！,串行异步通信规定了字符数据的传送格式：,每一帧由起始位(1位)、数据位(5、6、7或8位)、奇偶校验位(1

8、位)、 停止位（1、1.5或2位）和线路空闲状态组成，,2.同步传输：是按数据帧进行传送、字符与字符间的传输是同步 无间隔的，收发方的时钟必须严格一致。,八、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,九、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

9、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。 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。,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,十、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

10、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。,奇偶校验 在每个字符或字节中添加一个奇偶校验位，使得校验位加上该字符或字节中1的总个数是奇数为奇校验 总个数为偶数为偶校验。 奇偶校验应用简单，但可能漏掉大量错误 求和校验 在发送端将数据分成K段，每段为n比特，然后各段相加，得到的n位结果，取反

11、，放在第k+1段的位置。接收端对收到的k+1段数据求和，结果为0正确，结果不为0则出错。 校验和能检测出95的错误 计算量大于奇偶校验方法,检错方法,水平奇偶校验,垂直奇偶校验,1 0 1 0 1 0 1 x,1 0 1 0 1 0 1 x,1 0 1 0 1 0 1 x,1 0 1 0 1 0 1 x,1 0 1 0 1 0 1 x,1 0 1 0 1 0 1 x,1 0 1 0 1 0 1 x,x x x x x x x x,纵向冗余校验LRC,循环冗余检错码,任何一个n位的帧看成是一个n-1次的多项式f（x） 如：101001看成x5+x3+x0 设定一个生成多项式G(X) 如果xkf(

12、x)/G(X)=Q(X)+R(X)/G(X)（k为生成多项式的最高幂值） 将R(X)附在帧后一起发送，即发送数据xKf(x)+ R(X) 模2运算，加法减法都做异或运算0+1=1，0-1=1 相当于发送xkf(x)-R(X)，如果传输中未出错，则数据位加校验位一定能被G(X)整除，否则则表示出错。所以接收方只要计算余数为0即正确。,冗余码的计算,思想:给定n比特的帧或信息,发送装置产生一个k-1比特的帧检验序列 FCS,使得产生的这个由 (n+k-1) bit 组成的码字可以被事先选定好的长度为 (k) bit 的数 P整除，然后接收装置将收到的码字除以同样的数P,当没有余数时,则认为传输没有

13、错误。,冗余码的计算举例,设n=5,f(X)=X9+X7+X3+X2+X0,G(X) = X5+X4+X2+X0， X5f(X)=x14+x12+x8+x7+x5模 2 运算的结果是：商 Q = 1101010110， 余数R = 01110。 将余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去，即发送的数据是101000110101110，或 2kf - R。,1101010110 Q 商 除数 P 110101 101000110100000 2kM 被除数 110101 111011 110101 111010 110101 111110 110101 101100 110101 11

14、0010 110101 01110 R 余数,循环冗余检验的原理说明,练习:,已知CRC生成多项式为G(X)=X4+X+1,设要传送的码字为10110,试计算校验码。 答案：余数即循环冗余校验码为1111，最后传输的编码信息为：101101111。,帧检验序列 FCS,在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。 循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。 CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。 FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的惟一方法。,检测出差错,只要得出的余

15、数 R 不为 0，就表示检测到了差错。 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。 一旦检测出差错，就丢弃这个出现差错的帧。 只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。,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 -12 G(x)=x12+x11+ x3+x2+x+1 CRC -16 G(x)=x16+x15+ x2+1 CRC -CCITT G(x)=x16+x12+x5+1 CRC -32 G(x)=x32+x26+ x23+x22+ x16+x12+ x11+x10+x8

16、+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

17、序列，按此序列发送 接收端 按与发送方相同的方法，和相同的数据位组合，重新计算出各数据位组合的校验值，该值排列成的数可指示出该传输过程是否出错，以及发生错误的精确位置，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 -1 m + r； 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,

18、 22, 23位置上，即R 1, 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R 1, 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

19、码为R 1的值 即R 1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R 2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R 3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R 1是1； 对第2、3、6、7、10、11这6位作偶校验