第二 第2章1(2014)測(cè)控總線

1、 討論內(nèi)容概述：討論內(nèi)容概述： 2.1 基本術(shù)語 2.2 通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 2.3 數(shù)據(jù)編碼 2.4 數(shù)據(jù)傳輸方式 2.5 通信線路的工作方式 2.6 信號(hào)的傳輸模式 2.7 多路共傳（多路復(fù)用） 2.8 數(shù)據(jù)交換（） 2.9 傳輸差錯(cuò)及其檢測(cè) 2.10傳輸差錯(cuò)的校正第第2章章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)： 1陽憲惠現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：清華出版社 2史久根等CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù). 北京：國(guó)防工業(yè)出版社 3雷 霖現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 北京：電子工業(yè)出版社，2004 4甘永梅等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

2、總線技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 5李正軍現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006 6劉云計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)用教程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)用教程. 北京：清華大學(xué)出版社 第一章已述及： 現(xiàn)場(chǎng)總線以測(cè)控設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以雙絞線等傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)為紐帶，把位于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、具備數(shù)字計(jì)算具備數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力和數(shù)字通信能力的測(cè)控設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按公公開、規(guī)范的通信協(xié)議開、規(guī)范的通信協(xié)議，在多個(gè)測(cè)量控制設(shè)備間以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成適應(yīng)各種應(yīng)用需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 要深入了解現(xiàn)場(chǎng)總線，必須首先了解總線、數(shù)

3、總線、數(shù)據(jù)通信據(jù)通信等方面的基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)。這些知識(shí)正如該章標(biāo)題那樣，也是數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信方面的基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)這些知識(shí)也有利于掌握網(wǎng)絡(luò)與通信方面的知識(shí)（從而有利于后續(xù)其他相關(guān)課程的學(xué)習(xí)或彌補(bǔ)沒有學(xué)習(xí)相關(guān)課程而造成的知識(shí)體系的缺陷）。2.1 基本術(shù)語基本術(shù)語 2.1.1 總線總線 介紹與總線相關(guān)的基本術(shù)語，主要包括： 總線(bus)與總線段 總線協(xié)議 總線操作 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 總線主設(shè)備 總線從設(shè)備 總線仲裁 （1）總線(bus)與總線段(bus segment) 總線總線是網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)共享的傳輸媒體，是信號(hào)傳輸?shù)墓猜窂健?總線段總線段則是指通過總線連接在一起的一組設(shè)備，這組設(shè)備的連接與

4、操作方式遵循同一種技術(shù)規(guī)范。 一個(gè)總線段上的所有節(jié)點(diǎn)能同時(shí)收到總線上的報(bào)文信號(hào)。 通過總線段的相互連接可以把多個(gè)總線段連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 （2）總線協(xié)議(bus protocol) 總線上的設(shè)備如何使用總線的一套規(guī)則稱為總線協(xié)議總線協(xié)議。這是一套事先規(guī)定的、必須共同遵守的規(guī)約。 （3）總線操作 總線上數(shù)據(jù)發(fā)送者與接收者之間的連接連接數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送脫開脫開這一操作序列稱為一次總線操總線操作作。 這里的連接連接(connection)是指通信對(duì)象之間的邏輯綁定(binding)。 連接完成后通信報(bào)文的發(fā)送和接收過程，或者數(shù)據(jù)的讀寫操作過程，稱為數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送。 脫開脫開(disconnect

5、)是指完成一次或多次總線操作后，斷開發(fā)送者與接收者之間的連接關(guān)系，放棄對(duì)總線的占有權(quán)。 （4）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(fieldbus device) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接在現(xiàn)場(chǎng)總線上的物理實(shí)體。 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備必須具備兩個(gè)功能： 測(cè)量控制功能； 數(shù)據(jù)通信能力。 具有總線通信接口的傳感器、變送器、電子控制單元、執(zhí)行器等都屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。 （5）總線主設(shè)備(bus master) 可在總線上發(fā)起通信的設(shè)備總線上發(fā)起通信的設(shè)備稱為總線主設(shè)備。 即總線的通信權(quán)由總線主設(shè)備掌管。 （6）總線從設(shè)備(bus slaver) 不能在總線上主動(dòng)發(fā)起通信，只能掛接在只能掛接在總線上、對(duì)總線信息進(jìn)行接收查詢總線上、對(duì)總線信息進(jìn)

6、行接收查詢的設(shè)備稱為總線從設(shè)備（有時(shí)也被稱為基本設(shè)備）。 在一條總線段上可能連接有多個(gè)主設(shè)備，這些主設(shè)備都可主動(dòng)發(fā)起通信（名義上的）。 但某一時(shí)刻某一時(shí)刻，一條總線段上只能有一個(gè)主設(shè)備掌管總線的通信權(quán)，即只能由一個(gè)主設(shè)備只能由一個(gè)主設(shè)備執(zhí)行總線主設(shè)備的功能執(zhí)行總線主設(shè)備的功能。 （7）總線仲裁(bus arbitration) 前面介紹的第一個(gè)基本術(shù)語規(guī)定：總線總線是網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)共享的傳輸媒體，是信號(hào)傳輸?shù)墓猜窂健?采用總線連接方式會(huì)產(chǎn)生什么問題？采用總線連接方式會(huì)產(chǎn)生什么問題？ 當(dāng)有一個(gè)以上的設(shè)備企圖同時(shí)占用總線時(shí)就可能會(huì)發(fā)生沖突沖突(contention)。 采用總線仲裁方式來解決沖突問

7、題。 總線仲裁總線仲裁是指對(duì)總線沖突的處理過程，用于裁決哪一個(gè)主設(shè)備是下一個(gè)占有總線的設(shè)備。 某一時(shí)刻只允許某一個(gè)主設(shè)備占有總線，等到它完成總線操作，釋放總線占有權(quán)后才允許其他總線主設(shè)備使用總線。 總線設(shè)備為獲得總線占有權(quán)而等待仲裁的時(shí)間稱為訪問等待時(shí)間訪問等待時(shí)間(access latency)。 設(shè)備占有總線的時(shí)間叫做總線占有期總線占有期(bus tenancy) 。 總線仲裁有集中仲裁與分布式仲裁兩種總線仲裁有集中仲裁與分布式仲裁兩種。 集中仲裁集中仲裁由一個(gè)仲裁單元完成。如果有兩個(gè)以上主設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求使用總線時(shí)，由特定的一個(gè)仲裁單元利用優(yōu)先級(jí)方案進(jìn)行仲裁。 分布式仲裁分布式仲裁的仲裁過程

8、是在每一主設(shè)備中完成的。 當(dāng)某一主設(shè)備在公共總線上置起它的優(yōu)先級(jí)代碼時(shí)，就開始一個(gè)仲裁周期。 仲裁周期結(jié)束時(shí)，只有最高優(yōu)先級(jí)仍置放在總線上。某一主設(shè)備檢測(cè)到總線上的優(yōu)先級(jí)和它自己的優(yōu)先級(jí)相同時(shí)，就知道下一時(shí)刻的總線主設(shè)備是它自己。 有多種優(yōu)先級(jí)方案可以選用： 有的方案中允許高優(yōu)先級(jí)的設(shè)備可無限期地否決低優(yōu)先級(jí)主設(shè)備而占有總線； 另一些方案則不允許某一主設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間“霸占”總線。 2.1.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)概述 數(shù)據(jù)通信是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的基本功能。 數(shù)據(jù)通信過程是兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間借助傳輸媒體以二進(jìn)制等形式進(jìn)行信息交換二進(jìn)制等形式進(jìn)行信息交換的過程。 將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確準(zhǔn)確、

9、及時(shí)及時(shí)地傳送到正確的目的地正確的目的地是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本任務(wù)基本任務(wù)。 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一般不對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行任何操作。 下圖給出了數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成。 虛線框虛線框內(nèi)是一個(gè)單向單向數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。 其硬件硬件由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、傳輸介質(zhì)組成。 由數(shù)據(jù)信息形成的通信報(bào)文和通信協(xié)議是通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸不可缺少的軟件軟件。 假設(shè)上圖是一個(gè)溫度變送器要將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的溫度測(cè)量值假設(shè)上圖是一個(gè)溫度變送器要將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的溫度測(cè)量值送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，則通信系統(tǒng)如圖中綠色部分所示。送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，則通信系統(tǒng)如圖中綠色部分所示?，F(xiàn)場(chǎng)溫度變送器計(jì)算機(jī)連接電纜溫度測(cè)量值存在計(jì)算機(jī)和溫度變送器內(nèi)的一組程序 下面簡(jiǎn)單說明

10、通信系統(tǒng)中的各主要部分。 2.1.3 數(shù)據(jù)通信的發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備數(shù)據(jù)通信的發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備 在前圖所示的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中： 具有通信信號(hào)發(fā)送電路的設(shè)備稱為發(fā)送器發(fā)送器(transmitter)或發(fā)送設(shè)備或發(fā)送設(shè)備。 具有通信信號(hào)接收電路的設(shè)備稱為接收器接收器(receiver)或接收設(shè)備接收設(shè)備。 發(fā)送、接收設(shè)備往往都與數(shù)據(jù)源連成一個(gè)整體。 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中許多測(cè)控設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中許多測(cè)控設(shè)備（監(jiān)控計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制儀表等）同時(shí)兼有測(cè)控功能同時(shí)兼有測(cè)控功能和信號(hào)發(fā)送、接收功能和信號(hào)發(fā)送、接收功能，它們?cè)谕瓿蓽y(cè)控功能的同時(shí)完成通信系統(tǒng)的發(fā)送、接收功能。即這些測(cè)控設(shè)備一般既可作為發(fā)送設(shè)備，又可

11、作為既可作為發(fā)送設(shè)備，又可作為接收設(shè)備接收設(shè)備。它們被稱為收發(fā)器收發(fā)器(transceiver)：一方面將設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送到通信系統(tǒng)，另一方面也接收其他設(shè)備傳送給它的信號(hào)。 例如，在傳送參數(shù)測(cè)量值時(shí)，變送器是發(fā)送設(shè)備而控制計(jì)算機(jī)是接收設(shè)備，而在計(jì)算機(jī)發(fā)出對(duì)變送器的零點(diǎn)和量程調(diào)校信息時(shí)，計(jì)算機(jī)是發(fā)送設(shè)備，而變送器則成為接收設(shè)備。此時(shí)變送器和計(jì)算機(jī)都是收發(fā)器。 2.1.4 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是指在兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間連接收發(fā)連接收發(fā)雙方的物理通路雙方的物理通路，是發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備之間信號(hào)傳遞所經(jīng)過的媒介，也被稱為傳輸媒體傳輸媒體。 雙絞線、電力線、光纜等是有線傳輸媒體有線傳輸媒體；

12、電磁波、紅外線等是無線傳輸媒體無線傳輸媒體。 傳輸媒體的固有特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量影響較大。這些特性特性主要包括下面五個(gè)方面： (1)物理特性物理特性 主要是指?jìng)鬏斀橘|(zhì)的物理結(jié)構(gòu)。 (2)傳輸特性傳輸特性 主要是指?jìng)鬏斀橘|(zhì)對(duì)通信信號(hào)傳送所允許的傳輸速率、頻率、容量等。 (3)連通特性連通特性 主要是指點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一對(duì)多點(diǎn)的連接方式。 (4)地域范圍地域范圍 主要是指?jìng)鬏斀橘|(zhì)對(duì)某種通信信號(hào)的最大傳輸距離。 (5)抗干擾性抗干擾性 主要是指?jìng)鬏斀橘|(zhì)防止噪聲與電磁干擾對(duì)通信信號(hào)影響的能力。 2.1.5 通信軟件通信軟件 前已述及，報(bào)文報(bào)文與通信協(xié)議通信協(xié)議屬于通信系統(tǒng)中的軟件軟件。 一般把需要傳送的

13、信息（包括文本、命令、參數(shù)值、圖片、聲音等）稱為報(bào)文報(bào)文（組織成報(bào)文）。這些信息可能是原始數(shù)據(jù)或測(cè)控參數(shù)值或是經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的結(jié)果或是某些測(cè)控指令或標(biāo)志等。 要理解各通信實(shí)體間傳送的二進(jìn)制碼等的含義，需有一套事先規(guī)定、共同遵守的規(guī)約。通信設(shè)備之間用于控制數(shù)據(jù)通信與理解通信數(shù)據(jù)意義的一組規(guī)則，稱為通信協(xié)議通信協(xié)議。 通信協(xié)議定義了通信的內(nèi)容、通信何時(shí)進(jìn)行以及通信如何進(jìn)行等。 通信協(xié)議的關(guān)鍵要素關(guān)鍵要素是語法、語義語法、語義和時(shí)序。時(shí)序。 （1）語法 通信協(xié)議中的語法語法是指通信中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、通信中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、格式及數(shù)據(jù)表達(dá)的順序格式及數(shù)據(jù)表達(dá)的順序。 一個(gè)簡(jiǎn)單的語法如下： 數(shù)據(jù)的前8位(或16位

14、)是發(fā)送者的地址即源地址；接著的8位(或16位)是接收者的地址即目的地址；后面緊跟要傳送的是指令或數(shù)據(jù)等。源地址目的地址數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2。 （2）語義 通信協(xié)議中的語義語義是指通信數(shù)據(jù)位流通信數(shù)據(jù)位流（前圖中的數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、。）中每個(gè)部分的中每個(gè)部分的含義含義。 收發(fā)雙方根據(jù)語義來理解通信數(shù)據(jù)的意義，如某數(shù)據(jù)表明了現(xiàn)場(chǎng)某點(diǎn)的溫度測(cè)量值，該點(diǎn)溫度是否處于異常狀態(tài)，該溫度測(cè)量?jī)x表本身的工作狀態(tài)是否正常等。 （3）時(shí)序 時(shí)序包括兩方面的特性： 一是數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間的先后次序先后次序； 二是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率發(fā)送速率。 收發(fā)雙方往往需要以某種方式校對(duì)時(shí)鐘校對(duì)時(shí)鐘周期并協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)處理的快慢協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)處理的快慢。 如果

15、發(fā)送方以100Mb/s的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收方僅能處理1Mb/s速率的數(shù)據(jù)，接收方將因負(fù)荷過重而導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)丟失。 在網(wǎng)絡(luò)通信中，由于傳輸遲延、路由路徑不等之類的原因，還會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)次序錯(cuò)亂數(shù)據(jù)收發(fā)次序錯(cuò)亂的現(xiàn)象（先發(fā)送的數(shù)據(jù)卻在某些數(shù)據(jù)之后才被接收到），這種現(xiàn)象在許多控制系統(tǒng)中（特別在許多控制系統(tǒng)中（特別是裝置啟?？刂七^程中）是不容許發(fā)生的是裝置啟?？刂七^程中）是不容許發(fā)生的。 總之，一個(gè)完整的通信協(xié)議所包含的內(nèi)容十分豐富，它規(guī)定了用以控制信息通信的各方面的規(guī)則。在通信設(shè)備或產(chǎn)品的形成過程中，還需要有依據(jù)通信協(xié)議所制定的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)或行規(guī)，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO，IEC等標(biāo)準(zhǔn)。2.2 通信系

16、統(tǒng)的性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 通信系統(tǒng)的任務(wù)是傳遞信息。 通信系統(tǒng)最主要的性能指標(biāo)最主要的性能指標(biāo)是： 信息傳輸?shù)挠行杂行院涂煽啃钥煽啃浴?有效性有效性是指?jìng)鬏斝畔⒌哪芰Γ从沉送ㄐ畔到y(tǒng)資源的利用率?？梢詮膬蓚€(gè)方面來考慮： （1）通信過程中用于傳輸有用報(bào)文的時(shí)間有用報(bào)文的時(shí)間比例比例越高信息傳輸?shù)挠行栽礁摺?（2）真正要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位在所傳輸?shù)挠杏糜杏脠?bào)文中占有的比例報(bào)文中占有的比例越高也說明信息傳輸?shù)挠行栽胶谩?可靠性可靠性是指接收信息的可靠程度。 通信系統(tǒng)的其他性能指標(biāo)其他性能指標(biāo)還有： 通信信道的頻率特性；通信信道的頻率特性； 信號(hào)帶寬與介質(zhì)帶寬；信號(hào)帶寬與介質(zhì)帶寬； 信道容量等

17、。信道容量等。 這些性能指標(biāo)分述如下。 2.2.1 有效性指標(biāo)有效性指標(biāo) 包括： 波特率、比特率； 吞吐量； 頻帶利用率； 協(xié)議效率； 傳輸遲延（傳輸時(shí)間）； 通信效率。 分別介紹如下。 數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率指單位時(shí)間內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)量。 當(dāng)信道一定時(shí)，傳輸速率越高傳輸速率越高，其數(shù)據(jù)通數(shù)據(jù)通信的有效性越好信的有效性越好。 在數(shù)字通信中使用了符號(hào)速率符號(hào)速率和信息速率信息速率兩種不同的衡量單位。 由于符號(hào)速率由于符號(hào)速率又稱碼元速率，因此在具體介紹符號(hào)速率和信息速率的定義前先簡(jiǎn)單介紹一下碼元碼元的概念。（通信概論） 在數(shù)字通信中除使用二進(jìn)制外還較多地使用四進(jìn)制和八進(jìn)制等。下圖給出了四進(jìn)制數(shù)字信

18、號(hào)波形。 圖中以四種脈沖幅度：+3、+1、-1、-3分別代表四進(jìn)制中的3、2、1、0四種計(jì)數(shù)符號(hào)。 幅度 +3 +1 -1 -3(11) (01) (00) (10) (01) (11) (00) 3 1 0 2 1 3 0四進(jìn)制數(shù)字信號(hào)t 多進(jìn)制使用的計(jì)數(shù)符號(hào)可以用若干二進(jìn)制代碼的組合表示，例如四進(jìn)制的計(jì)數(shù)符號(hào)3、2、1、0可分別用2位二進(jìn)制代碼組合11、10、01、00表示（如前圖所示）；八進(jìn)制的計(jì)數(shù)符號(hào)7、6、5、4、3、2、1、0可分別用3位二進(jìn)制代碼組合111、110、101、100、011、010、001、000表示。依次類推，n位二進(jìn)制碼組可以表示的不同狀態(tài)M為： M=2n (M

19、進(jìn)制) 數(shù)據(jù)通信中信息的一個(gè)基本單元信息的一個(gè)基本單元稱為碼元。碼元。 采用二進(jìn)制傳輸信息時(shí)，每一個(gè)二進(jìn)制位（0或1）是信息的一個(gè)基本單元信息的一個(gè)基本單元，即一個(gè)二進(jìn)制碼元含有一比特的信息。 依次類推，一個(gè)四進(jìn)制碼元（11或10或01或00，四進(jìn)制的一個(gè)基本單元）含有二比特的信息；一個(gè)八進(jìn)制碼元含有三比特的信息；一個(gè)M進(jìn)制的碼元IM=log2M(bit)，含有l(wèi)og2M個(gè)比特信息。 例如M=4（即四進(jìn)制） 此時(shí)的碼元I4=log24=2(bit)。 每秒鐘內(nèi)所傳送的符號(hào)（碼元）個(gè)數(shù)定義為傳輸?shù)姆?hào)速率符號(hào)速率，又稱碼元速率或波特率，單位為波特(Baud或Bd)。 每秒鐘內(nèi)所傳送的二進(jìn)制符號(hào)個(gè)

20、數(shù)定義為傳輸?shù)男畔⑺俾市畔⑺俾?，又稱數(shù)碼率或比特率，單位為每秒比特 (bit/s或b/s或bps)。(傳輸1比特所需要的時(shí)間稱為比特時(shí)間比特時(shí)間(bit time)。 從上面的定義可知，若數(shù)字通信系統(tǒng)采用二進(jìn)制，則符號(hào)速率（波特率）等于信息速率（比特率）。但是，對(duì)于M進(jìn)制數(shù)，符號(hào)速率符號(hào)速率（fB）與信息速率（）與信息速率（fb）之間的關(guān)系）之間的關(guān)系為： fb= fBlog2M=fBIM（IM為一個(gè)M進(jìn)制的碼元） 工業(yè)數(shù)據(jù)通信中常用的比特率常用的比特率有9600b/s、31.25Kb/s、500 Kb/s、1Mb/s、2.5Mb/s、10Mb/s以及100 Mb/s等。 吞吐量吞吐量(thr

21、oughput)是表示數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有有效性的又一指標(biāo)效性的又一指標(biāo)。以單位時(shí)間內(nèi)通信系統(tǒng)接收發(fā)送的比特?cái)?shù)、字節(jié)數(shù)或幀數(shù)來表示。 前面討論的符號(hào)速率符號(hào)速率和信息速率信息速率分別是每秒鐘內(nèi)所傳送的符號(hào)（碼元）數(shù)和每秒鐘內(nèi)所傳送的二進(jìn)制符號(hào)個(gè)數(shù)（比特?cái)?shù)），而吞吐量還可能是每秒鐘內(nèi)所傳送的字節(jié)數(shù)或幀數(shù)等。 顯然，吞吐量也描述了通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互能力。 頻帶利用率頻帶利用率是指單位頻帶內(nèi)的傳輸速度，它是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有效性的重要指標(biāo)有效性的重要指標(biāo)。單位為(bit/s)/Hz，即每赫茲帶寬所能實(shí)現(xiàn)的比特率。 由于傳輸系統(tǒng)的帶寬通常不同，因而通信系統(tǒng)的有效性僅僅看比特率是不夠的，還要看其占用帶寬的大小

22、。即真正衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)真正衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸有效性的指標(biāo)應(yīng)該是單位頻帶內(nèi)的傳輸速傳輸有效性的指標(biāo)應(yīng)該是單位頻帶內(nèi)的傳輸速度，即每赫茲每秒的比特?cái)?shù)。度，即每赫茲每秒的比特?cái)?shù)。 傳輸系統(tǒng)的帶寬將在2.2.4中介紹。 協(xié)議效率協(xié)議效率是衡量通信系統(tǒng)軟件有效性的指軟件有效性的指標(biāo)之一標(biāo)之一。協(xié)議效率指所傳數(shù)據(jù)包中有效數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包中有效數(shù)據(jù)位與整個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的比值位與整個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的比值。一般用百分比表示，它是對(duì)通信幀中附加量的量度。 不同的通信協(xié)議通常具有不同的協(xié)議效率。協(xié)議效率越高，其通信有效性越好。 在通信參考模型的每個(gè)分層，都會(huì)有相應(yīng)的層管理和協(xié)議控制的附加碼。從提高協(xié)議編碼效率的角度來看，減

23、少層次可以提高編碼效率。 傳輸遲延傳輸遲延指數(shù)據(jù)從鏈路或網(wǎng)段的發(fā)送端傳送到接收端所需的時(shí)間，也被稱為傳輸時(shí)間傳輸時(shí)間。它也是影響數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有效性的指標(biāo)之一有效性的指標(biāo)之一。 傳輸遲延包括：包括： 把數(shù)據(jù)塊從節(jié)點(diǎn)送上傳輸介質(zhì)所用的發(fā)送發(fā)送時(shí)間時(shí)間（發(fā)送時(shí)間等于數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)傳輸速率之比）； 信號(hào)通過一定長(zhǎng)度的介質(zhì)所需要的傳播時(shí)傳播時(shí)間間（傳播時(shí)間等于信號(hào)途經(jīng)的信道長(zhǎng)度與電磁波的傳輸速率之比）； 途經(jīng)路由器交換機(jī)一類的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)所需要的排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間（轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間取決于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的排隊(duì)等待狀況） 。 通信效率通信效率指數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)間傳輸時(shí)間與用于發(fā)送報(bào)文的所

24、有時(shí)間所有時(shí)間之比。 用于發(fā)送報(bào)文的所有時(shí)間所有時(shí)間除包括上述傳輸傳輸時(shí)間時(shí)間之外，還包括還包括競(jìng)用總線或等待令牌的排隊(duì)時(shí)間、用于發(fā)送維護(hù)信息等的時(shí)間之和。 通信效率為1，就意味著所有時(shí)間都有效地用于傳輸數(shù)據(jù)幀。 通信效率為0，就意味著總線被報(bào)文的碰撞、沖突所充斥。 2.2.2 可靠性指標(biāo)可靠性指標(biāo) 衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是誤碼率可靠性的指標(biāo)是誤碼率Pe，即數(shù)字通信中二進(jìn)制碼元出現(xiàn)傳輸出錯(cuò)的概率。 實(shí)際應(yīng)用中，如果N為傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元總數(shù)，Ne為傳輸出錯(cuò)的碼元數(shù)，則Ne與N的數(shù)值之比被認(rèn)為是誤碼率的近似值。即 理論上只有N時(shí)該比值才能趨近于誤碼率Pe 。 理解誤碼率定義時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問

25、題。NNPee (1)誤碼率應(yīng)該是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工正常工作狀態(tài)作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)。 (2)對(duì)于一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低越好，要根據(jù)實(shí)際傳輸要求要根據(jù)實(shí)際傳輸要求提出誤碼率要求提出誤碼率要求。在數(shù)據(jù)傳輸速率確定后，對(duì)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可靠性的要求越高，即誤碼率越低，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)備越復(fù)雜，造價(jià)造價(jià)越高。 (3)對(duì)于實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，若傳輸?shù)牟皇嵌M(jìn)制碼元，則要折合成二進(jìn)制碼元計(jì)算。 實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常采用的是平均誤碼率平均誤碼率。通過對(duì)一種通信信道進(jìn)行大量、重復(fù)測(cè)試，得到該信道的平均誤碼率，或者得到某些特殊情況下的平均誤碼率。測(cè)試中傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元數(shù)測(cè)試中傳輸?shù)亩M(jìn)制碼

26、元數(shù)越大，平均誤碼率越接近于真正誤碼率值越大，平均誤碼率越接近于真正誤碼率值。 計(jì)算機(jī)通信中一般要求其平均誤碼率低于10-9 。需要采取特定的差錯(cuò)控制措施才能滿足該誤碼率要求。 通信系統(tǒng)的有效性與可靠性兩者之間是相有效性與可靠性兩者之間是相互聯(lián)系、相互制約的互聯(lián)系、相互制約的。 2.2.3 通信信道的頻率特性通信信道的頻率特性 不同頻率的信號(hào)通過通信信道后其波形的幅度與相位會(huì)發(fā)生變化幅度與相位會(huì)發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致波形失真，產(chǎn)生畸變。常用頻率特性來描述通信信道的這種變化。 頻率特性分為幅頻特性和相頻特性頻率特性分為幅頻特性和相頻特性。 幅頻特性幅頻特性指不同頻率的信號(hào)在通過信道后其輸出信號(hào)幅值與

27、輸入信號(hào)的幅值之比。它表示了不同頻率的信號(hào)在通過信道過程中受到的不同衰減。 相頻特性相頻特性是指不同頻率的信號(hào)通過信道后其輸出信號(hào)的相位與輸入信號(hào)的相位之差。 信道頻率特性為什么會(huì)不理想？ 因?yàn)閭鬏斁€路是不理想的。 實(shí)際傳輸線路是一個(gè)包含電阻、電感、電實(shí)際傳輸線路是一個(gè)包含電阻、電感、電容等分布參數(shù)的系統(tǒng)容等分布參數(shù)的系統(tǒng)。而電感、電容的阻抗隨電感、電容的阻抗隨頻率而變頻率而變，因此它們對(duì)信號(hào)的各次諧波的幅值衰減、相角變化都不盡相同。 信道的頻率特性主要取決于傳輸介質(zhì)的物理特性和中間通信設(shè)備的電氣特性。 如果通信信號(hào)的頻率在信道帶寬信道帶寬的范圍內(nèi)，則傳輸?shù)男盘?hào)基本上不失真；否則信號(hào)的失真就較

28、嚴(yán)重。 2.2.4 信號(hào)帶寬與介質(zhì)帶寬信號(hào)帶寬與介質(zhì)帶寬 如果將通信系統(tǒng)中所傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，可以把位式的矩形波信號(hào)分解成無窮多個(gè)頻率、幅度、相位各不相同的正弦波頻率、幅度、相位各不相同的正弦波。這就意味著傳輸數(shù)字信號(hào)相當(dāng)于是在傳送無數(shù)多個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)。 信號(hào)中所含有的頻率分量的集合稱為頻譜頻譜。信號(hào)頻譜所占有的頻率寬度稱為信號(hào)帶寬信號(hào)帶寬。 因此，理論上矩形波信號(hào)具有的頻譜為無窮大，其頻譜如下圖所示。 發(fā)送端所發(fā)出的數(shù)字信號(hào)的所有頻率分量都必須通過通信介質(zhì)到達(dá)接收端，接收端接收端才能精確再現(xiàn)精確再現(xiàn)該數(shù)字信號(hào)的原有波形原有波形。如果其中一部分頻率分量在傳輸過程中被嚴(yán)重衰減，

29、就會(huì)導(dǎo)致接收端所收到的信號(hào)發(fā)生變形。如果能接如果能接收到具有主要振幅的那部分分量，則仍可按適收到具有主要振幅的那部分分量，則仍可按適當(dāng)?shù)木葟?fù)制出發(fā)送端所發(fā)送的數(shù)字信號(hào)。當(dāng)?shù)木葟?fù)制出發(fā)送端所發(fā)送的數(shù)字信號(hào)。 以一定的幅度門限為界，將在接收端能收到的那部分主要信號(hào)的頻譜從原來的無窮大的信號(hào)頻譜中劃分出來，這部分信號(hào)集合所具有的頻譜即為該信號(hào)的有效頻譜信號(hào)的有效頻譜。該有效頻譜的頻帶寬度稱為信號(hào)的有效帶寬信號(hào)的有效帶寬。 下圖為有效帶寬的示意圖。 介質(zhì)帶寬介質(zhì)帶寬指該傳輸介質(zhì)所能通過的物理信號(hào)的頻率范圍。 實(shí)際傳輸介質(zhì)的帶寬是有限的實(shí)際傳輸介質(zhì)的帶寬是有限的，它只能傳輸某些頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。 一

30、種介質(zhì)只能傳輸信號(hào)有效帶寬在介質(zhì)帶寬范圍內(nèi)的信號(hào)。如果介質(zhì)帶寬小于信號(hào)的有如果介質(zhì)帶寬小于信號(hào)的有效帶寬，信號(hào)就可能產(chǎn)生失真而使接收端難以效帶寬，信號(hào)就可能產(chǎn)生失真而使接收端難以正確辨認(rèn)。正確辨認(rèn)。 下圖描述了因介質(zhì)帶寬不足導(dǎo)致的信號(hào)失真。 當(dāng)傳輸速率升高時(shí)信號(hào)的有效帶寬隨之增加，因而需要傳輸介質(zhì)具有更大的介質(zhì)帶寬。即傳輸介質(zhì)的帶寬會(huì)限制傳輸速率的增高傳輸介質(zhì)的帶寬會(huì)限制傳輸速率的增高。 不同傳輸介質(zhì)具有不同的帶寬。例如同軸電纜的帶寬高于雙絞線。 信道帶寬越高，其數(shù)據(jù)傳輸能力越強(qiáng)。 2.2.5 信道容量及信噪比對(duì)信道容量的影響信道容量及信噪比對(duì)信道容量的影響 信道容量信道容量指在某種傳輸介質(zhì)中

31、單位時(shí)間內(nèi)可能傳送的最大比特?cái)?shù)，即該傳輸介質(zhì)容許的最大該傳輸介質(zhì)容許的最大數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率。若實(shí)際傳輸速率超過信道容量，傳輸不能正確進(jìn)行。 傳輸介質(zhì)的帶寬會(huì)限制傳輸速率的增高。傳輸介質(zhì)的帶寬會(huì)限制傳輸速率的增高。 （1）理想低通信道 傳輸介質(zhì)的帶寬與傳輸速率之間的關(guān)系由奈由奈奎斯特第一準(zhǔn)則奎斯特第一準(zhǔn)則確定：一個(gè)帶寬為帶寬為W的無噪聲低通信道最高能傳輸2W符號(hào)符號(hào)/秒秒的數(shù)字信號(hào)而不會(huì)產(chǎn)生符號(hào)間干擾。這是能達(dá)到的極性速率，常稱為奈氏限奈氏限，可以用下面幾種等效的表示方法： 2W符號(hào)/秒= 2W波特=2波特/赫=2符號(hào)/赫。符號(hào)可以是二進(jìn)制的，也可以是多進(jìn)制的。 須強(qiáng)調(diào)的是，要實(shí)現(xiàn)奈氏限

32、的傳輸速率，信道的傳輸函數(shù)必須滿足理想的低通特性或等效理想的低通特性及準(zhǔn)確的定時(shí)。(通信概論) 根據(jù)以上概念，當(dāng)傳輸信道頻帶給定后，當(dāng)傳輸信道頻帶給定后，最高傳輸速率隨之確定。最高傳輸速率隨之確定。例如64kHz帶寬的理想低通信道，最高可傳輸128kBd的信息。 同樣地，待傳輸?shù)男盘?hào)速率給定后，要求待傳輸?shù)男盘?hào)速率給定后，要求的最小的理想低通信道帶寬也就確定。的最小的理想低通信道帶寬也就確定。例如要傳輸2400Bd的信號(hào)，最小理想低通信道帶寬為1200kHz。 （2）非理想信道有限帶寬高斯噪聲干擾 噪聲大小一般由信噪比來衡量。信噪比指信號(hào)功率S與噪聲功率N的比值，一般用表示為 10lgS/N（

33、單位為分貝） 信道容量C與信道帶寬W，信噪比S/N之間的香農(nóng)（Shannon）計(jì)算公式為 由香農(nóng)公式可以看出：提高信噪比可增加信道容量。 如帶寬W為3000Hz，當(dāng)信噪比為10dB (10lgS/N =10，即S/N=10)時(shí)，其信道容量 如果信噪比提高為20dB (10lgS/N=20，即 S/N=100) ，其信道容量 可見信道容量增加了許多。 由香農(nóng)公式 可看出： 增加帶寬增加帶寬W也可提高信道容量也可提高信道容量，但同時(shí)，噪聲功率N (N=Wn0，n0為噪聲的單邊功率譜密度)也將隨著帶寬的增大而增大，從而導(dǎo)致信噪比降低，信道容量也隨之降低。所以增加帶寬增加帶寬W并不能線性地使信道容量增

34、大并不能線性地使信道容量增大。 由香農(nóng)公式還可以看出：在信道容量信道容量C一定一定時(shí)時(shí)，帶寬與信噪比之間可以相互彌補(bǔ)帶寬與信噪比之間可以相互彌補(bǔ)。即提高信道帶寬可使具有更低信噪比的信號(hào)得以通過，而傳輸信噪比較高的信號(hào)時(shí)，可適當(dāng)放寬對(duì)信道帶寬的要求。2.3 數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)編碼 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信任務(wù)是傳送數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)化的信息。這些數(shù)據(jù)通常以離散的二進(jìn)制0，1序列的方式表示。 數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)編碼是指通信系統(tǒng)中以何種物理信號(hào)的形式來表達(dá)數(shù)據(jù)。 分別用模擬信號(hào)的不同幅度幅度、不同頻率頻率、不同相位相位來表達(dá)數(shù)據(jù)的0，1狀態(tài)，稱為模擬數(shù)模擬數(shù)據(jù)編碼據(jù)編碼。 用高低電平的矩形脈沖信號(hào)來表達(dá)數(shù)據(jù)的0，1狀態(tài)，稱

35、為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼。 采用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼，在基本不改變數(shù)據(jù)信號(hào)頻率的情況下，直接傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方式，稱為基帶傳輸基帶傳輸（信號(hào)不經(jīng)調(diào)制就在信道上傳輸）?；鶐鬏斂梢赃_(dá)到較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，是目前廣泛應(yīng)用的近距離數(shù)據(jù)通信方式近距離數(shù)據(jù)通信方式。也是我們這個(gè)專業(yè)用得比較多的數(shù)據(jù)通信方式?；鶐鬏斎菀讓?shí)現(xiàn)，工作原理易于理解。 （1）單極性碼 信號(hào)電平是單極性的。如邏輯1用高電平，邏輯0用零電平的信號(hào)表達(dá)方式。 （2）雙極性碼 信號(hào)電平有正、負(fù)兩種極性。如邏輯1用正電平，邏輯0用負(fù)電平的信號(hào)表達(dá)方式。 （3）非歸零碼(NRZ) 在整個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)維持有效電平（如上面兩圖）。2.3.1 幾種基帶

36、傳輸數(shù)據(jù)編碼波形幾種基帶傳輸數(shù)據(jù)編碼波形 （4）歸零碼(RZ) 在每一位二進(jìn)制信息傳輸之后均返回零電平的編碼。例如雙極性歸零碼的邏輯1只在該碼元時(shí)間中的某段（如碼元時(shí)間的一半）維持高電平后就回復(fù)到零電平，其邏輯0只在該碼元時(shí)間的一半維持負(fù)電平后也回復(fù)到零電平。 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 （5）差分碼 在各時(shí)鐘周期的起點(diǎn)，采用信號(hào)電平的變化與否來代表數(shù)據(jù)“1”和“0”的狀態(tài)。 例如規(guī)定用時(shí)鐘周期起點(diǎn)的信號(hào)電平變化代表“1”，不變化代表“0”。按此規(guī)定形成的編碼稱為差分碼。 差分碼按初始狀態(tài)信號(hào)為高電平或低電平，有相位截然不同的兩種波形。下圖表示了一個(gè)8位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)波形及其差分碼波形

37、。當(dāng)初始信號(hào)狀態(tài)為低電平時(shí)形成差分碼波形1；當(dāng)初始信號(hào)狀態(tài)為高電平時(shí)形成差分碼波形2。顯然，差分碼不可能是歸零碼。差分碼波形1(初始狀態(tài)為低)差分碼波形2(初始狀態(tài)為高)時(shí)鐘周期起點(diǎn)的信號(hào)電平變化代表“1”，不變化代表“0”。 通過檢查信號(hào)在每個(gè)周期起點(diǎn)處有無電平跳變來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的“0” 、“1” 狀態(tài)往往更可靠。即使作為通信傳輸介質(zhì)的兩條導(dǎo)線的連接關(guān)系顛倒了（例如信號(hào)線與地線的顛倒），對(duì)該編碼信號(hào)的狀態(tài)判別結(jié)果依然有效（相當(dāng)于將前圖中的差分碼波形1變成了差分碼波形2）。 根據(jù)信息傳輸方式，還可分為平衡傳輸平衡傳輸和非平衡傳輸非平衡傳輸。 平衡傳輸指無論“0”或“1”均有規(guī)定的傳輸格式；而非平衡

38、傳輸中，只有“1”被傳輸，“0”則以在指定的時(shí)刻沒有脈沖來表示。 平衡、歸零、雙極性 在這種方式中，信息通過兩種極性的脈沖傳輸，而且在脈沖之間保留一定的空閑間隔。主要用于低速傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是比較可靠。衡 實(shí)際傳輸過程往往是上述幾種數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方式的結(jié)合。常見的幾種方式介紹如下。 平衡、不歸零、單極性 主要用于速度較低的異步傳輸系統(tǒng)。這是一種最簡(jiǎn)單的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方式。 平衡、歸零、單極性 該方式具有對(duì)稱形式，在每個(gè)比特期間內(nèi)均有跳變，可以簡(jiǎn)化同步的處理。實(shí)際上是曼徹斯特編碼（后面詳細(xì)介紹）。 非平衡、歸零、單極性 這種方式除了“0”脈沖被取消（即非平衡）外，其余與形式相似（ 平衡、歸零、雙極性）。

39、非平衡傳輸中，只有“1”被傳輸，“0”則以在指定的時(shí)刻沒有脈沖來表示 非平衡、歸零、雙極性 此方式用極性交替的脈沖信號(hào)表示極性交替的脈沖信號(hào)表示1，用無，用無脈沖表示脈沖表示0。由于脈沖總是交替變化的，因此此方式有助于差錯(cuò)檢測(cè)，通常用于高速傳輸。非平衡傳輸中，只有“1”被傳輸，“0”則以在指定的時(shí)刻沒有脈沖來表示 非平衡、歸零、變形雙極性 此方式與形式的區(qū)別在于：只有在出現(xiàn)只有在出現(xiàn)相鄰的相鄰的“1”信號(hào)時(shí)，脈沖極性才發(fā)生變化。信號(hào)時(shí)，脈沖極性才發(fā)生變化。由于進(jìn)一步減少了脈沖之間的干擾，所以有助于較好地利用信道帶寬。非平衡傳輸中，只有“1”被傳輸，“0”則以在指定的時(shí)刻沒有脈沖來表示 非平衡、

40、不歸零、單極性 這種方式是：凡是遇到“1”，脈沖幅值便發(fā)生變化，故也稱為“跳1法”，又名不歸零1編碼方法，廣泛用于磁帶記錄中，也可以用于數(shù)據(jù)傳輸中。非平衡傳輸中，只有“1”被傳輸，“0”則以在指定的時(shí)刻沒有脈沖來表示 非平衡、不歸零、雙極型 這里“0”用零電平表示，而用零電平表示，而“1”用雙極性形用雙極性形式表示式表示。當(dāng)兩個(gè)當(dāng)兩個(gè)“1”之間的之間的“0”是奇數(shù)個(gè)時(shí)，是奇數(shù)個(gè)時(shí)，“1”的脈沖極性發(fā)生變化，否則保持相同極性。的脈沖極性發(fā)生變化，否則保持相同極性。非平衡傳輸中，只有“1”被傳輸，“0”則以在指定的時(shí)刻沒有脈沖來表示五學(xué)時(shí)至此,2013 （6）曼徹斯特編碼 (Manchester

41、Encoding) 這是數(shù)據(jù)通信中最常用的一種基帶信號(hào)編碼，最常用的一種基帶信號(hào)編碼，編碼本身具有使網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)保持時(shí)鐘同步的編碼本身具有使網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)保持時(shí)鐘同步的同步信息同步信息。 在曼徹斯特編碼中，每個(gè)時(shí)鐘周期傳送一個(gè)比特。每個(gè)比特時(shí)間又被分成兩半，前半個(gè)時(shí)間前半個(gè)時(shí)間段傳送的是比特值的反碼，后半個(gè)時(shí)間段傳送的段傳送的是比特值的反碼，后半個(gè)時(shí)間段傳送的是比特值本身。是比特值本身。因而從高電平跳變到低電平表示從高電平跳變到低電平表示0，從低電平跳變到高電平表示，從低電平跳變到高電平表示1。 這樣這樣，在一個(gè)位時(shí)間內(nèi)，其中間點(diǎn)總有一次在一個(gè)位時(shí)間內(nèi)，其中間點(diǎn)總有一次信號(hào)電平的變化，這一信

42、號(hào)電平變化可用來作為信號(hào)電平的變化，這一信號(hào)電平變化可用來作為節(jié)點(diǎn)間的同步信息而無需另外的同步信號(hào)節(jié)點(diǎn)間的同步信息而無需另外的同步信號(hào)。 下圖表示了曼徹斯特編碼過程與波形。 從高電平跳變到低電平表示0，從低電平跳變到高電平表示1。 差分曼徹斯特編碼(Differential Manchester Encodng) 它是曼徹斯特編碼的一種變形，既具有曼徹斯特編碼在每個(gè)比特時(shí)間間隔中間信號(hào)一定會(huì)發(fā)生跳變的特點(diǎn)，也具有差分碼用時(shí)鐘周期起點(diǎn)電平變化與否代表邏輯“1”或“0”的特點(diǎn)（時(shí)鐘周期起點(diǎn)的信號(hào)電平變化代表“0”，不變化代表“1” ）。 下圖表示了曼徹斯特編碼與差分曼徹斯特編碼的信號(hào)波形。從高電平

43、跳變到低電平表示0，從低電平跳變到高電平表示1時(shí)鐘周期起點(diǎn)的信號(hào)電平：不變化代表“1”，變化代表“0”在每個(gè)比特時(shí)間間隔中間信號(hào)一定會(huì)發(fā)生跳變(初始狀態(tài)為低) 為什么要討論上述的基帶傳輸數(shù)據(jù)編碼波形呢？主要是為了使傳輸數(shù)據(jù)適合在信道中傳輸。 基帶傳輸數(shù)據(jù)編碼波形應(yīng)考慮如下原則： 盡量減少數(shù)據(jù)編碼波形頻譜中的高頻分量； 數(shù)據(jù)編碼波形頻譜中沒有直流分量，且低頻分量盡量少； 數(shù)據(jù)編碼波形中應(yīng)含有時(shí)鐘頻率分量，便于接收端從碼流中提取同步信息； 碼流中1和0的統(tǒng)計(jì)概率應(yīng)各占1/2，避免數(shù)據(jù)編碼波形中出現(xiàn)長(zhǎng)連0或長(zhǎng)連1； 對(duì)噪聲及碼間干擾有一定的抗干擾能力。 從頻譜分析理論可知，理想的方波信號(hào)包含從零到無

44、限高的頻率成分，由于傳輸線中不可避免地存在分布電容，故允許傳輸?shù)膸捠怯邢薜?，所以要求波形完全不失真的傳輸是不可能的，為了與線路傳輸特性匹配，除很近距離的傳輸外，一般可用低通濾波器將數(shù)據(jù)編碼波形中的矩形波整形成變換點(diǎn)比較圓滑的基帶信號(hào)，而在接收端，則在每個(gè)碼元的最大值（中心點(diǎn)）取樣復(fù)原。 2.3.2 模擬數(shù)據(jù)編碼模擬數(shù)據(jù)編碼 模擬數(shù)據(jù)編碼采用模擬信號(hào)來表達(dá)數(shù)據(jù)的采用模擬信號(hào)來表達(dá)數(shù)據(jù)的0，1狀態(tài)狀態(tài)。 信號(hào)的幅度、頻率、相位是描述模擬信號(hào)的參數(shù)，可以通過改變這三個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)編碼。 相應(yīng)的有三種模擬數(shù)據(jù)編碼方法三種模擬數(shù)據(jù)編碼方法： 幅度鍵控 (amplitude-shift keyin

45、g,ASK)； 頻移鍵控 (frequency-shift keying, FSK)； 相移鍵控 (phase-shift keying,PSK)。 (1)幅度鍵控ASK 載波信號(hào)的頻率、相位不變，幅度隨調(diào)制載波信號(hào)的頻率、相位不變，幅度隨調(diào)制信號(hào)變化。信號(hào)變化。 如何變化？例如一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，在幅度調(diào)制后波形的時(shí)域表達(dá)式為： 這里A為載波信號(hào)幅度， 為載波頻率，an為二進(jìn)制數(shù)字0或1。當(dāng)an為1時(shí)，SA所得波形代表數(shù)字1；當(dāng)an為0時(shí)，SA=0就代表0。下圖中，(b)表示了幅度鍵控調(diào)制后的波形與數(shù)據(jù)信號(hào)的關(guān)系。c (2)頻移鍵控FSK 載波信號(hào)的頻率隨著調(diào)制信號(hào)而變化，而載波信號(hào)的頻率隨

46、著調(diào)制信號(hào)而變化，而載波信號(hào)的幅度、相位不變載波信號(hào)的幅度、相位不變。例如，可定義信號(hào)0對(duì)應(yīng)的載波頻率高，信號(hào)1對(duì)應(yīng)的載波頻率低，調(diào)制后信號(hào)波形如上圖(c)所示。 HART現(xiàn)場(chǎng)總線的通信信號(hào)采用的就是這種編碼方式。信號(hào)頻率為1200Hz時(shí)表示信號(hào)1，信號(hào)頻率為2200Hz時(shí)表示信號(hào)0。 （3）相移鍵控PSK 載波信號(hào)的相位隨著調(diào)制信號(hào)而變化，而載波信號(hào)的相位隨著調(diào)制信號(hào)而變化，而載波信號(hào)的幅度、頻率不變。載波信號(hào)的幅度、頻率不變。例如在二進(jìn)制相移鍵控中，通常用相位0和180來分別表示1或0，調(diào)制后信號(hào)的典型波形如上圖(d)所示。 2.4 數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式 數(shù)據(jù)傳輸方式是指數(shù)據(jù)代碼的傳輸

47、順序傳輸順序和數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸時(shí)的同步方式同步方式。 2.4.1并行傳輸和串行傳輸并行傳輸和串行傳輸 并行傳輸并行傳輸(parallel transmission)是將數(shù)據(jù)以成組的方式在兩條以上的并行通道上同時(shí)傳輸在兩條以上的并行通道上同時(shí)傳輸。它可以同時(shí)傳輸一組數(shù)據(jù)位，每個(gè)數(shù)據(jù)位使用單獨(dú)的一條導(dǎo)線。1011100010111000設(shè)備A設(shè)備Bbit0bit7bit7bit0(a ) 并行通信 例如，采用8條導(dǎo)線并行傳輸一個(gè)字節(jié)的8個(gè)數(shù)據(jù)位，另外用一條“選通”線通知接收者接收該字節(jié)，接收方接收方可對(duì)并行通道上各條導(dǎo)線的數(shù)據(jù)位信號(hào)并行取樣并行取樣。 并行通信的特點(diǎn)特點(diǎn)是：各數(shù)據(jù)位同時(shí)傳送，傳送速度快

48、、效率高，但有多少數(shù)據(jù)位就需多少根數(shù)據(jù)線，因此傳送成本高，只適用于近距離的通信（一般是板內(nèi)或板間；如果是設(shè)備間，相距不超過數(shù)米）。 串行傳輸串行傳輸(serial transmission)中，數(shù)據(jù)流以串行方式逐位地在一條信道上傳輸。每次只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)位，發(fā)送方必須確定是先發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)的高位還是低位。同樣地，接收方也必須知道所收到字節(jié)的第一個(gè)數(shù)據(jù)位應(yīng)該處于字節(jié)的什么位置。 1011100010111000設(shè)備A設(shè)備Bbit0bit7bit7bit0 串行傳輸具有易于實(shí)現(xiàn)，在長(zhǎng)距離傳輸（從幾米到幾千米 ）中可靠性高等優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)。但需要在收發(fā)雙方采取同步措施。 一般地，數(shù)據(jù)通信指的是串行數(shù)據(jù)通信。

49、 2.4.2 異步傳輸與同步傳輸異步傳輸與同步傳輸 在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，各種處理工作總是在一定的時(shí)序脈沖控制下進(jìn)行的。如串行數(shù)據(jù)傳輸中的二進(jìn)制代碼在一條總線上以數(shù)據(jù)位為單位按時(shí)間順序逐位傳送，接收端則按順序逐位接收。因此，接收端能正確地按位區(qū)分才能正確恢復(fù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。串行通信中的發(fā)送者和接收者都需要使用時(shí)鐘信號(hào)。通過時(shí)鐘決定什么時(shí)候發(fā)送和讀取每一位數(shù)據(jù)。 目前所采用的同步方法有兩種：異步傳輸方式和同步傳輸方式。 1.異步傳輸方式（Asynchronous Data Communication） 異步傳輸中每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都有自己的時(shí)鐘異步傳輸中每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都有自己的時(shí)鐘信號(hào)，且在時(shí)鐘頻率上應(yīng)保持一

50、致信號(hào)，且在時(shí)鐘頻率上應(yīng)保持一致（所有時(shí)鐘的誤差必須控制在一定范圍內(nèi)）。早期PC廣泛使用的RS 232接口采用的就是異步傳輸方式。 異步傳輸方式又稱起止式起止式(start-stop)同步方式，它以字符為單位進(jìn)行同步。以字符為單位進(jìn)行同步。由于每一字每一字符的起始時(shí)刻可為任意，為給接收端提供一個(gè)符的起始時(shí)刻可為任意，為給接收端提供一個(gè)字符開始和結(jié)尾的信息，在每個(gè)字符前設(shè)置字符開始和結(jié)尾的信息，在每個(gè)字符前設(shè)置“起起”信號(hào)，在結(jié)尾處設(shè)置信號(hào)，在結(jié)尾處設(shè)置“止止”信號(hào)信號(hào)。 異步傳輸方式的代碼結(jié)構(gòu)代碼結(jié)構(gòu)如下圖所示。 “起起”信號(hào)信號(hào)的長(zhǎng)度為1個(gè)碼元寬度，為邏輯“0”， “止止”信號(hào)信號(hào)可以為1、

51、1.5或2個(gè)碼元的寬度，為邏輯“1”，與不進(jìn)行通信時(shí)的狀態(tài)相同。 同步過程：發(fā)送端要發(fā)送時(shí)，從不傳信息狀態(tài)（1）轉(zhuǎn)到起始態(tài)（0），接收端檢測(cè)出這種極性改變時(shí)，就利用該極性變化啟動(dòng)接收時(shí)鐘以實(shí)現(xiàn)收發(fā)時(shí)鐘同步。同理，接收端一旦收到止信號(hào)（1），就將定時(shí)器復(fù)位。 在異步傳輸方式中，字符可以被單獨(dú)發(fā)送或連續(xù)發(fā)送，字符與字符的間隔期間可以連續(xù)發(fā)送“1”狀態(tài)（止信號(hào)），而且當(dāng)不傳送時(shí)，不要求收發(fā)時(shí)鐘同步，僅在傳輸字符時(shí)，收發(fā)時(shí)鐘才需在字符的每一位上都同步。 串行通信時(shí)，無論是發(fā)送還是接收，都必須有時(shí)鐘信號(hào)對(duì)傳送的位信息進(jìn)行定位。一般都是在發(fā)送時(shí)鐘的下降沿將數(shù)據(jù)串行移位輸出而在接收時(shí)鐘的上升沿對(duì)接收數(shù)據(jù)采樣

52、。 收/發(fā)時(shí)鐘的頻率與信息速率的關(guān)系為： 收/發(fā)時(shí)鐘頻率=n信息速率 式中的n=1,16，（32），64 異步通信時(shí)，通常采用n=16 （對(duì)于后面介紹的同步通信而言，n=1） 異步通信不要求收發(fā)雙方采用同一個(gè)時(shí)鐘異步通信不要求收發(fā)雙方采用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，但其收信號(hào)，但其收/發(fā)時(shí)鐘的頻率在理論上必須相同。發(fā)時(shí)鐘的頻率在理論上必須相同。 通信開始時(shí)，在發(fā)送時(shí)鐘下降沿將起始位0串行移位輸出。接收端的接收器從接收線上檢測(cè)到這個(gè)由1到0的下降沿時(shí)，接收器在接收時(shí)鐘的控制下對(duì)其接收線上的狀態(tài)進(jìn)行采樣，在n=16時(shí)，接收器在采到8個(gè)低電平后，就確定為收到異步通信的起始位，收發(fā)雙方同步。 之后，接收器在接收時(shí)

53、鐘的控制下，每隔16個(gè)接收時(shí)鐘對(duì)接收線上的狀態(tài)進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果即為接收到的位信息（這些位信息是發(fā)送方在發(fā)送完16個(gè)發(fā)送時(shí)鐘的起始位電平之后接著發(fā)送的一幀信息中的其他各位），直至將一幀信息中的所有位全部采樣完畢。此時(shí)，一個(gè)字符的通信過程結(jié)束。接收器在處理接收到的信息的同時(shí)，像前面已經(jīng)敘述過的那樣，繼續(xù)對(duì)接收線的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到1到0的下降沿，開始接收新的字符（或數(shù)據(jù)）。 可以用一個(gè)圖來描述這個(gè)發(fā)送過程。 異步傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)：異步傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)： 每一個(gè)字符本身就包括了該字符的同步信息（起止位），不需要在線路兩端設(shè)置專門的同步設(shè)備，收發(fā)同步簡(jiǎn)單。收發(fā)時(shí)鐘的頻率漂移不會(huì)積累，每個(gè)字符都為該字

54、符的位同步提供了時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)線路和收發(fā)器要求較低。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 每發(fā)一個(gè)字符就要添加起止位，造成附加開銷，降低了通信有效性（前述協(xié)議效率是指所傳數(shù)據(jù)包中有效數(shù)據(jù)位與整個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包中有效數(shù)據(jù)位與整個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的比值比值）。 異步傳輸方式常用于低速數(shù)據(jù)傳輸中，且目前仍在廣泛使用。 2. 同步傳輸方式（Synchronous Data Communication） 同步傳輸中所有設(shè)備都使用一個(gè)共同的時(shí)鐘所有設(shè)備都使用一個(gè)共同的時(shí)鐘，時(shí)鐘可由參與通信的設(shè)備或器件中的一個(gè)產(chǎn)生，也可由外部鐘信號(hào)源提供。時(shí)鐘可以頻率固定，也可間隔一個(gè)不規(guī)則的周期進(jìn)行切換。所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位都和這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)同步。傳輸

55、的每個(gè)數(shù)據(jù)位只在時(shí)鐘信號(hào)跳變之后的一個(gè)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)有效。接收方利用時(shí)鐘跳變來決定什么時(shí)候讀取每個(gè)輸入的數(shù)據(jù)位。如發(fā)送者在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)位，接收者則在時(shí)鐘信號(hào)中間的上升沿接收并鎖存數(shù)據(jù)位。也可利用檢測(cè)到的邏輯高或低電平來鎖存數(shù)據(jù)。 同步通信不像異步通信那樣靠起始位在每個(gè)字符開始通信時(shí)使收/發(fā)雙發(fā)取得同步，而是通過同步字符在每個(gè)數(shù)據(jù)塊開始時(shí)使收發(fā)雙方通過同步字符在每個(gè)數(shù)據(jù)塊開始時(shí)使收發(fā)雙方取得同步。取得同步。同步通信發(fā)送字符塊的過程在后面介紹。 由于同步式比異步式傳輸效率高，在高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于長(zhǎng)距離（教材上的超過幾十cm偏保守）的數(shù)據(jù)通信，同步傳輸?shù)拇鷥r(jià)較高，需要一條額外

56、的信號(hào)線來傳輸時(shí)鐘信號(hào)，并且時(shí)鐘信號(hào)容易受到噪聲的干擾。 3.位同步、字符同步與幀同步 同步是數(shù)據(jù)通信中須解決的重要問題。 接收方為了能正確恢復(fù)位串序列，應(yīng)能正確區(qū)分出： 信號(hào)中的每一位每一位位同步位同步 每個(gè)字符每個(gè)字符的起始與結(jié)束位置字符同步字符同步 報(bào)文幀的起始與結(jié)束報(bào)文幀的起始與結(jié)束位置幀同步幀同步 （1）位同步(bit synchronous) 位同步要求收發(fā)兩端按數(shù)據(jù)位保持同步。這是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中收發(fā)兩端最基本的時(shí)鐘同步，是所有同步的基礎(chǔ)。接收端可以從接收信號(hào)中提取位同步信號(hào)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，位同步要求接收端與發(fā)送端的定時(shí)信號(hào)頻率相同，并使數(shù)據(jù)信號(hào)與定時(shí)信號(hào)間保持固定的相位關(guān)

57、系。 前面介紹異步通信過程時(shí)，介紹了位同步的過程。 （2）字符同步(character or word synchronous)。 為提高傳輸效率，可將字符組織成組（數(shù)據(jù)塊）后連續(xù)傳送，此時(shí)可采用字符同步。 字符同步時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)塊中的各個(gè)字符不加附加位，在每組字符（每個(gè)數(shù)據(jù)塊）之前加上一個(gè)或多個(gè)同步字符。在傳輸開始時(shí)用同步字符使收發(fā)雙方進(jìn)入同步。接收端接收到同步字符，并據(jù)此確定字符塊信息的起始位置。 字符同步如下圖所示。 上圖中，發(fā)送端在傳輸開始時(shí)，用一個(gè)或多個(gè)同步字符(SYN)使收發(fā)雙方進(jìn)入同步。當(dāng)接收端搜索到同步字符時(shí)，開始接收信息。同步字符之后一組數(shù)據(jù)或字符是一次傳輸?shù)恼w信息。這就是前

58、面述及的同步通信發(fā)送/接收數(shù)據(jù)塊的過程。 （3）幀同步(frame synchronous)。 數(shù)據(jù)幀是一種按協(xié)議約定將數(shù)據(jù)信息組織成組的形式。下圖為通信數(shù)據(jù)幀的一般結(jié)構(gòu)形式。 第一部分第一部分是用于實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方同步的一個(gè)獨(dú)特的字符段或數(shù)據(jù)位組合，稱為起始標(biāo)志或幀頭幀頭，其作用是通知接收方有一個(gè)通信幀已到達(dá)。 中間中間是通信控制域、數(shù)據(jù)域和校驗(yàn)域。 幀的最后最后是幀結(jié)束標(biāo)記結(jié)束標(biāo)記，和起始標(biāo)志一樣，是一個(gè)獨(dú)特的位串組合，用于標(biāo)志該幀結(jié)束。幀頭（起始標(biāo)志）控制域 數(shù)據(jù)域 校驗(yàn)域幀尾（結(jié)束標(biāo)志） 幀同步是指數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)收發(fā)雙方以幀頭和幀尾為特征實(shí)行同步的工作方式。它將數(shù)據(jù)幀作為一個(gè)整體，實(shí)行起止同步

59、。 幀同步是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)通信時(shí)主要采用的幀同步是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)通信時(shí)主要采用的同步方式同步方式。2.5 通信線路的工作方法通信線路的工作方法2.5.1 單工通信單工通信 單工，就是指通信線路傳送的信息流始終朝著一個(gè)方向而不進(jìn)行與此相反方向的傳送，如下圖所示。圖中設(shè)A為發(fā)送終端，B為接收終端，數(shù)據(jù)只能從A傳送至B，而不能由B傳送至A。AB 2.5.2 半雙工通信半雙工通信 半雙工通信是指信息可在兩個(gè)方向上傳輸，但同一時(shí)刻只限于一個(gè)方向傳輸，如下圖所示。信息可以從A傳至B，或從B傳至A，所以通信雙方都具有發(fā)送器和接收器。實(shí)現(xiàn)雙向通信必須改換信道方向。AB 半雙工通信當(dāng)A站向B站發(fā)送信息時(shí)，A站將發(fā)送

60、器接在信道上，B站將接收器接在信道上。當(dāng)B站向A站發(fā)送信息時(shí)，B站則要將接收器從信道上斷開，并把發(fā)送器接入信道，A站也要相應(yīng)地將發(fā)送器從信道上斷開，而把接收器接入信道。 2.5.3 全雙工通信全雙工通信 全雙工通信是指通信系統(tǒng)能同時(shí)進(jìn)行如下圖所示的雙向通信。它相當(dāng)于把兩個(gè)相反方向的單工通信方式組合在一起。 與半雙工相比，全雙工通信效率高，控制簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。AB2.6 信號(hào)的傳輸模式信號(hào)的傳輸模式 基帶傳輸載波傳輸寬帶傳輸 2.6.1 基帶傳輸基帶傳輸 基帶基帶（baseband）是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為傳輸信號(hào)時(shí)其數(shù)據(jù)變化本身所具有的頻帶。 基帶傳輸基帶傳輸指在基本不改變信號(hào)頻率的情況