第二章控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線技術(shù)-數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

1、 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)信息的發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、傳輸介質(zhì)、傳輸報(bào)文、通信協(xié)議等幾部分組成。圖1為工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的一個(gè)簡單示例。 圖 2 廣義通信系統(tǒng)模型 在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中, 主要采用如下三種數(shù)據(jù)編碼技術(shù):數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼； 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)編碼； 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼； 一、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)信號(hào)編碼;圖 3 單、雙極性的歸零碼和非歸零碼 圖 5 幾種基帶傳輸方式二、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)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0，1狀態(tài)。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。幅度鍵控ASK (amplitude-sheft keying)、頻移鍵

2、控FSK (frequency shift keying)相移鍵控PSK (phase-shift keying)是模擬數(shù)據(jù)編碼的三種編碼方法。 （b）ask；（c）fsk；（d）psk 圖 7模擬數(shù)據(jù)編碼調(diào)制后的信號(hào)波形 三、模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼三、模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼 在數(shù)字化的電話交換和傳輸系統(tǒng)中, 通常需要將模擬的話音數(shù)據(jù)編碼成數(shù)字信號(hào)后再進(jìn)行傳輸。這里常用的是一種稱為脈沖編碼調(diào)制PCM (Pulse Code Modulation) 的編碼技術(shù)。PCM編碼是以（香農(nóng)）采樣定理為基礎(chǔ)。 采樣定理: 如果在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi), 以有效信號(hào)f（t）最高頻率的兩倍或兩倍以上的速率對(duì)該信號(hào)進(jìn)

3、行采樣的話, 則這些采樣值中就包含了無混疊而又便于分離的全部原始信號(hào)信息。 根據(jù)信息傳輸方向與時(shí)間關(guān)系, 可以分為三種通信操作方式: 單工、半雙工和全雙工，如圖9 所示： 單工通信： 是指傳送的信息始終是一個(gè)方向，而不進(jìn)行與此相反方向的傳送，如圖9(a)，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。單工通信線路一般采用二線制。 半雙工通信：半雙工通信： 兩個(gè)設(shè)備之間有兩個(gè)傳輸通道, 可以分時(shí)輪流進(jìn)行雙向的信息傳輸, 在某一時(shí)刻只能沿著一個(gè)方向傳輸信息。 每個(gè)設(shè)備都具備發(fā)送器和接收器。如圖 9（b）半雙工通信方式一般用在通信設(shè)備或傳輸通道沒有足夠的帶寬去支持同時(shí)

4、雙向通信, 或者通信雙方的通信順序需交替進(jìn)行的場合。 為了提高通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量而提出的有效地檢測錯(cuò)誤，并進(jìn)行糾正的方法叫做差錯(cuò)檢測和校正，簡稱為差錯(cuò)控制。差錯(cuò)控制的主要目的是減少通信信道的傳輸錯(cuò)誤，目前還不可能做到檢測和校正所有的錯(cuò)誤。差錯(cuò)控制兩種策略: 讓每一傳輸?shù)膱?bào)文分組帶上足夠冗余信，以便在接收端能發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)糾正傳輸錯(cuò)誤，即糾錯(cuò)碼方案; 讓報(bào)文分組僅包含足以使接收端發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的冗余信息，但不能確定哪一比特是錯(cuò)的，并且自己不能糾正傳輸差錯(cuò)，即檢錯(cuò)碼方案。糾錯(cuò)碼方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，造價(jià)高，費(fèi)時(shí)間，一般的通信場合不易采用。檢錯(cuò)碼需要通過重傳機(jī)制達(dá)到糾錯(cuò)，但原理簡單，實(shí)現(xiàn)容易，編碼與解碼速度快，目前正

5、得到廣泛的使用。報(bào)文交換報(bào)文交換 報(bào)文交換是一種完全不同于電路交換的通信方法。 在這種交換方式中，兩個(gè)端點(diǎn)之間無需建立專用的信道。如果一個(gè)端點(diǎn)想要發(fā)送報(bào)文(數(shù)據(jù)傳輸單位), 則需要把目的端地址添加在報(bào)文中一起發(fā)送出去。 報(bào)文將從一個(gè)節(jié)點(diǎn)被傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，要接收整個(gè)報(bào)文并進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)，然后經(jīng)過路由選擇再發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 與電路交換方式相比，報(bào)文交換方式具有如下優(yōu)點(diǎn): 線路利用率高。 因?yàn)楣?jié)點(diǎn)之間的信道可被報(bào)文所共享。 這樣，對(duì)相同的流量要求，所需的總傳輸容量要小些。 接收者和發(fā)送者無需同時(shí)工作，當(dāng)接收者處于“忙”時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)將報(bào)文暫時(shí)存儲(chǔ)起來。 當(dāng)流量加大時(shí)，在電路交換網(wǎng)絡(luò)中可

6、能導(dǎo)致一些呼叫被阻塞；而在報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)文仍然可以接收，但延時(shí)會(huì)增加。 報(bào)文交換系統(tǒng)可同時(shí)向多個(gè)目的站發(fā)送同一報(bào)文。 這種功能在電路交換方式中是難以實(shí)現(xiàn)的。 可以建立報(bào)文傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)。 能夠在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)報(bào)文的差錯(cuò)控制和糾錯(cuò)處理。 報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行傳輸速率和代碼格式的轉(zhuǎn)換，使兩個(gè)傳輸速率不同且數(shù)據(jù)格式相異的端點(diǎn)可相互連接。 發(fā)送給未準(zhǔn)備好終端的報(bào)文可以被暫時(shí)存儲(chǔ)下來，或者轉(zhuǎn)發(fā)給其它終端。 報(bào)文交換方式的主要缺點(diǎn)是不適于實(shí)時(shí)通信或交互式通信，網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)比較長，波動(dòng)范圍比較大。所以，它不能用來傳輸聲音或圖像信號(hào)，也不適用于交互式通信。報(bào)文交互方式主要用在早期的廣域網(wǎng)中。 2、分組交換（、分組

7、交換（Packet Switching）綜合了報(bào)文交換和電路交換的優(yōu)點(diǎn)，并使兩者的缺點(diǎn)能夠相互彌補(bǔ)。分組交換與報(bào)文交換十分相似。形式上的主要差別在于: 在分組交換網(wǎng)絡(luò)中，要限制所傳輸數(shù)據(jù)單元的長度，典型的報(bào)文長度限制在1 千到數(shù)千比特；而報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文長度則要長得多。因此，對(duì)于分組交換，如果報(bào)文長度超過最大長度的限制，則必須將報(bào)文分成若干較小的數(shù)據(jù)單元方可發(fā)送，每次只能發(fā)送一個(gè)單元。 為了區(qū)別這兩種交換技術(shù)，分組交換中的數(shù)據(jù)單元稱為分組（Packet）。在每個(gè)分組中都包含有數(shù)據(jù)和地址信息，其傳輸過程與報(bào)文交換方式相類似。 在分組交換網(wǎng)中, 通常采用數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路兩種方式來處理這些分組流。

8、 (1) 數(shù)據(jù)報(bào)（Datagram）方式中，每個(gè)分組將獨(dú)立地進(jìn)行傳輸，如同報(bào)文交換中每個(gè)報(bào)文被獨(dú)立地傳輸那樣。由于網(wǎng)絡(luò)的中間交換節(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)分組可能選擇不同的路由，這些分組到達(dá)目的端的順序可能與發(fā)送的順序不同，因此目的端必須重新排序分組，組裝成一個(gè)完整的原始報(bào)文。在這種方式中，這些被獨(dú)立傳輸?shù)姆纸M稱為“數(shù)據(jù)報(bào)”。 （2）虛電路（Virtual Circuit）方式中，數(shù)據(jù)傳輸過程與電路交換方式類似，也分成三個(gè)階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和拆除連接。 建立連接：源端在發(fā)送數(shù)據(jù)分組之前，首先使用建立連接請(qǐng)求分組建立一條邏輯連接，網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)將根據(jù)該請(qǐng)求在源端和目的端之間預(yù)先選擇一條傳輸路徑。由于該路徑上

9、的各段線路是共享的，非獨(dú)占的，因此，這種邏輯連接稱為虛電路。 數(shù)據(jù)傳輸：當(dāng)虛電路建立起來后，源端和目的端之間便可以在這條虛電路上交換數(shù)據(jù)，并且每個(gè)數(shù)據(jù)分組中都必須包含一個(gè)虛電路標(biāo)識(shí)符，用于標(biāo)識(shí)這個(gè)虛電路。 虛電路的傳輸路徑是預(yù)先選擇好的，因此，每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)只要根據(jù)虛電路標(biāo)識(shí)符都能查找到相應(yīng)的路徑來傳輸這些數(shù)據(jù)分組，而無需重新選擇路由。 拆除連接：當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后，其中的任一個(gè)端點(diǎn)都可以發(fā)出拆除連接請(qǐng)求分組，終止這個(gè)虛電路。虛電路是一種面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方式，它既不像電路交換那樣需要一條專用的通道，每個(gè)分組還要暫存于每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排隊(duì)，等待轉(zhuǎn)發(fā)；又和數(shù)據(jù)報(bào)方式不同，它只是在建立虛電路時(shí)選擇一次

10、路由，而無需為每個(gè)分組選擇路由。數(shù)據(jù)交換技術(shù)小結(jié)數(shù)據(jù)交換技術(shù)小結(jié) 最后簡單小結(jié)一下數(shù)據(jù)交換技術(shù)的主要特點(diǎn): 電路交換。 在數(shù)據(jù)傳送開始之前必須首先建立一條獨(dú)占的信道；在電路釋放以前；該信道將被一對(duì)端點(diǎn)完全占用；對(duì)于猝發(fā)式的通信；電路利用率不高。 報(bào)文交換。報(bào)文從源端傳送到目的端采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式。在傳送報(bào)文時(shí)，同時(shí)占一段信道；在交換節(jié)點(diǎn)中需緩沖存儲(chǔ)，報(bào)文需要排隊(duì)。因此，報(bào)文交換不能滿足實(shí)時(shí)通信要求。 分組交換。報(bào)文被分成若干分組進(jìn)行傳輸，并規(guī)定了最大的分組長度。在數(shù)據(jù)報(bào)方式中，交換節(jié)點(diǎn)必須為每個(gè)分組選擇路由，并且目的端需要重新組裝報(bào)文；在虛電路方式中，交換節(jié)點(diǎn)只是建立虛電路時(shí)選擇一次路由，以后的數(shù)