第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2

第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2第一頁，共38頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信是通過某種類型的物理介質(zhì)（如電話線）從一個(gè)地點(diǎn)向另一個(gè)地點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)（數(shù)字或字符），它是解決數(shù)據(jù)信息的傳輸、交換、分配、集中及兼容等問題的一門技術(shù)。數(shù)據(jù)通信技術(shù)是測控系統(tǒng)通信的基礎(chǔ)。四要素：信號(hào)、數(shù)據(jù)、信息和信道思考：四要素之間的關(guān)系是什么？第二頁，共38頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.1信息信息（Information）是客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形式和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。水溫100度、車速80km/h等都是信息；信息不同于信號(hào)，信號(hào)是信息的載體，信息則是信號(hào)所載荷的內(nèi)容；信息不同于數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是記錄信息的一種形式，同樣的信息也可以用文字或圖像來表述。第三頁，共38頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)（Data）一般可以理解為“信息的數(shù)字化形式”或“數(shù)字化的信息形式”；數(shù)字、字母和符號(hào)都是數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)中包含信息，信息通過解釋數(shù)據(jù)而產(chǎn)生；數(shù)據(jù)可以分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩種。模擬數(shù)據(jù)表示的信息為隨時(shí)間變化的連續(xù)信號(hào)；數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表示的信息為離散的數(shù)字信號(hào)；第四頁，共38頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.3信號(hào)信號(hào)（Signal）是數(shù)據(jù)的具體表示形式，簡單地講就是攜帶信息的傳輸介質(zhì)。通信系統(tǒng)使用的信號(hào)主要有電信號(hào)、磁信號(hào)、光信號(hào)等；信號(hào)的特性表現(xiàn)為它的時(shí)間特性和頻率特性；信號(hào)的分類；信號(hào)的分析方法。第五頁，共38頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.3信道信道即信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些接口設(shè)備；信道有物理信道和邏輯信道之分；第六頁，共38頁。2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成

第七頁，共38頁。2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成

數(shù)據(jù)源(信源)：把待傳輸?shù)南⒒驍?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如電話系統(tǒng)中電話機(jī)可看成是信源；發(fā)送設(shè)備：將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的原始電信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)；信道：信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃梢允怯芯€的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些設(shè)備。接收設(shè)備：任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號(hào)來。數(shù)據(jù)宿(信宿)：將復(fù)原的原始電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。第八頁，共38頁。2.3傳輸方式

2.3.1并行傳輸方式及串行傳輸方式(1)并行傳輸字符編碼的各個(gè)比特同時(shí)傳輸特點(diǎn)：一個(gè)比特的時(shí)間內(nèi)可以傳輸一個(gè)字符，傳輸速度快；每個(gè)比特傳輸要求一個(gè)單獨(dú)的信道支持，通信成本高；遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，可靠性較低。(2)串行傳輸將組成字符的各個(gè)比特串行的發(fā)往線路特點(diǎn)：傳輸速度慢，一次一個(gè)比特；通信成本低，傳輸只要求一個(gè)

單獨(dú)的信道支持第九頁，共38頁。

2.3.2基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸

(1)基帶傳輸

基帶傳輸是指在基本不改變數(shù)據(jù)信號(hào)頻率的情況下，在數(shù)字通信中直接傳送數(shù)據(jù)的原碼信號(hào)，即按數(shù)據(jù)波的原樣進(jìn)行傳輸，不采用任何調(diào)制措施。它是目前廣泛應(yīng)用的最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式。凡按數(shù)字信號(hào)原碼進(jìn)行的傳輸稱為基帶傳輸。基帶傳輸中傳輸?shù)氖且幌盗蟹讲娒}沖信號(hào)。目前大部分計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，包括控制局域網(wǎng)，都采用基帶傳輸方式。其特點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)不用調(diào)制解調(diào)器，價(jià)格低廉。但傳輸距離一般不超過25km，數(shù)據(jù)傳輸速率小于l0Mbit/S。第十頁，共38頁。

2.3.2基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸

(2)載帶傳輸在一條物理信道上，把要傳輸?shù)囊宦窋?shù)字信號(hào)依附在另一載波信號(hào)上進(jìn)行傳輸，這樣的傳輸方式稱為載帶傳輸。載帶傳輸傳送的是一路具有載波頻率的連續(xù)信號(hào)。把被傳信號(hào)依附在載波上稱為調(diào)制，把被傳信號(hào)從載波上卸下來稱為解調(diào)。常用的調(diào)制方法有調(diào)頻方式、調(diào)幅方式及調(diào)相方式。執(zhí)行調(diào)制與解調(diào)任務(wù)的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。第十一頁，共38頁。

數(shù)據(jù)調(diào)制方式（a）調(diào)幅（b）調(diào)頻（c）調(diào)相第十二頁，共38頁。

2.3.2基帶傳輸、載帶傳輸與寬帶傳輸(3)寬帶傳輸在一條物理信道上順序傳輸多路數(shù)字信號(hào)，每種要傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)依附在指定頻率的載波信號(hào)上，用不同頻率段進(jìn)行多路數(shù)字信號(hào)的傳輸，這樣的傳輸方式稱為寬帶傳輸。寬帶傳輸中同時(shí)傳輸?shù)氖菐捉M不同頻率的連續(xù)電信號(hào)。第十三頁，共38頁。

2.3.3單工方式、半雙工方式與全雙工方式

單工:只能有一個(gè)方向的通信，而沒有反方向的交互。半雙工:可以雙向通信，但不能雙向同時(shí)通信。

全雙工:雙向同時(shí)通信。單向車道交通管制的雙向車道

雙向車道

第十四頁，共38頁。2.4編碼2.4.1碼元

二進(jìn)制序列中的每一位稱為一個(gè)碼元,它只有0和1兩種狀態(tài)。表示0和1兩種狀態(tài)的電脈沖波形(即碼元波形)可以有多種形式。不同的碼元波形形成不同的編碼。常見的碼元波形有：(a)為單極性不歸零碼(b)雙極性不歸零碼(c)單極性歸零碼(d)雙極性歸零碼(e)曼徹斯特碼(f)差分碼適用于近距離、低速、抗干擾能力要求不高的場合，如實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，芯片之間的短距離異步通信；通信距離、速度和抗干擾能力稍強(qiáng)，如電路或模塊之間的外部通信；自同步編碼方式，包括數(shù)據(jù)信息和時(shí)鐘信息?？垢蓴_能力強(qiáng)，適用于復(fù)雜環(huán)境下，長距離外部通信。CAN、485第十五頁，共38頁。圖3常用碼元波形的對比在每一位中間都有一個(gè)跳變，這個(gè)跳變既作為時(shí)鐘，又表示數(shù)據(jù)。從高到低的跳變表示1，從低到高的跳變表示0。由于這種方法把時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)發(fā)送出去，簡化了同步處理過程，所以，有許多數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)采用這種表示方法。第十六頁，共38頁。圖3常用碼元波形的對比它的編碼規(guī)則是：若碼元為1，則其前半個(gè)碼元的電平與上一個(gè)碼元的后半個(gè)碼元的電平一樣；但若碼元為0，則其前半個(gè)碼元的電平與上一個(gè)碼元的后半個(gè)碼元的電平相反。不論碼元是１或０，在每個(gè)碼元的正中間時(shí)刻，一定要有一次電平的轉(zhuǎn)換。第十七頁，共38頁。2.4.2內(nèi)部碼與通信碼2.4.3編碼與解碼在計(jì)算機(jī)內(nèi)使用的編碼稱為內(nèi)部碼。在計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備（包括其它計(jì)算機(jī)）之間交換數(shù)據(jù)所使用的編碼稱為通信碼。把內(nèi)部碼碼元波形變換為通信碼碼元波形的過程稱為編碼。解碼是編碼的逆過程，它把計(jì)算機(jī)外部接收來的信息變換成內(nèi)部碼及其碼元波形。通過程序可方便的實(shí)現(xiàn)內(nèi)部碼與通信碼的互換，而碼元波形的變換，用簡單電路即可完成。第十八頁，共38頁。2.5復(fù)用技術(shù)2.5.1頻分復(fù)用2.5.2時(shí)分復(fù)用2.5.3波分復(fù)用解決一條信道上同時(shí)傳遞多路信號(hào)的問題。以載波信號(hào)的頻率區(qū)分不同的傳送信號(hào)。以占用信道的時(shí)間區(qū)分不同的傳送信號(hào)。以碼元波形區(qū)分不同的傳送信號(hào)。第十九頁，共38頁。2.7同步技術(shù)同步技術(shù)的定義

在通信過程中，接收端根據(jù)發(fā)送端的起止時(shí)間和重復(fù)頻率校正自己的基準(zhǔn)時(shí)間與重復(fù)頻率的過程稱為同步過程，這種統(tǒng)一收端和發(fā)端的措施稱為同步技術(shù)。同步技術(shù)并不是同步傳輸時(shí)才使用的技術(shù)，如異步傳輸中就使用了外同步法。第二十頁，共38頁。在同步傳輸中，所有設(shè)備都使用一個(gè)共同的時(shí)鐘。在時(shí)鐘的協(xié)調(diào)下，每一位數(shù)據(jù)同步收發(fā)。傳輸?shù)拿總€(gè)數(shù)據(jù)位只在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或者下降沿之后的一個(gè)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)有效。需要一條額外的線來傳輸時(shí)鐘信號(hào)。在異步傳輸中，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都有自己的時(shí)鐘信號(hào)，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)必須在時(shí)鐘頻率上保持一致，并且所有的時(shí)鐘必須在一定誤差范圍內(nèi)相吻合。異步傳輸時(shí)，每一位數(shù)據(jù)不需要同步收發(fā)，但當(dāng)傳輸一個(gè)字節(jié)時(shí)，通常會(huì)包括一個(gè)起始位來同步時(shí)鐘。一數(shù)據(jù)幀往往包含幀頭和幀尾，用于同步。第二十一頁，共38頁。同步的目的：

保證接收方在時(shí)間上與發(fā)送方取得同步，以便能夠正確地識(shí)別和接收發(fā)送方發(fā)來的數(shù)據(jù)。同步技術(shù)需要解決的主要問題有：

何時(shí)開始發(fā)送數(shù)據(jù)；發(fā)送過程中的數(shù)據(jù)傳輸速率；持續(xù)時(shí)間的長短；發(fā)送時(shí)間間隔的大小。當(dāng)發(fā)送端以某一速率，在一定的起始時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，接收端也必須以同一速率在相同的起始時(shí)間內(nèi)接收數(shù)據(jù)。否則接收端與發(fā)送端就會(huì)產(chǎn)生微小誤差，隨著時(shí)間的增加，誤差將逐漸積累，并造成收發(fā)的失步（不同步），從而出現(xiàn)錯(cuò)誤。第二十二頁，共38頁。1、幀同步2、位同步3、字符同步同步的實(shí)現(xiàn)方法：通信的基本單位是幀；通過幀信息的首尾標(biāo)志符實(shí)現(xiàn)同步。通信的基本單位是位；通過時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)位同步。通信的基本單位是字符；異步傳輸利用起始位和停止位實(shí)現(xiàn)字符同步；同步傳輸利用專門的同步字符實(shí)現(xiàn)字符同步。第二十三頁，共38頁。2.8差錯(cuò)控制方法1、概念通信雙方為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性而設(shè)定的有關(guān)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的策略和方法。2、原因

噪聲和干擾3、常用方法回聲法表決法自動(dòng)重發(fā)糾錯(cuò)法(ARQ)前向糾錯(cuò)法(FEC)混合糾錯(cuò)法(HEC)第二十四頁，共38頁。差錯(cuò)控制編碼就是對網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行抗干擾編碼，目的是為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的容錯(cuò)性和可靠性，它在發(fā)送端被傳輸?shù)男畔⒋a元序列中，以一定的編碼規(guī)則附加一些校驗(yàn)碼元，接收端利用該規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的譯碼，譯碼的結(jié)果有可能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)或糾正差錯(cuò)。在差錯(cuò)控制碼中，檢錯(cuò)碼是指能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)差錯(cuò)的編碼，糾錯(cuò)碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能夠自動(dòng)糾正差錯(cuò)的編碼。當(dāng)然，檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力是用信息量的冗余和降低系統(tǒng)的效率為代價(jià)來換取的。第二十五頁，共38頁。2.9檢錯(cuò)編碼1、字符奇偶校驗(yàn)2、水平奇偶校驗(yàn)3、累加和校驗(yàn)4、異或和校驗(yàn)碼5、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）6、BCH校驗(yàn)碼第二十六頁，共38頁。1.字符奇偶校驗(yàn)又稱為垂直奇偶校驗(yàn)，一次只能校驗(yàn)一個(gè)字符。編碼規(guī)則：在字符后面附上一位奇偶校驗(yàn)位。若附上奇偶校驗(yàn)位后使形成的數(shù)碼中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，就稱為偶校驗(yàn)。如果使“l(fā)”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則稱為奇校驗(yàn)。例如：數(shù)碼中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，采用偶校驗(yàn)時(shí)在數(shù)碼后面附上偶校驗(yàn)位“1”，成為數(shù)碼l1001111，使“1’的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。

特點(diǎn)：只需附加一位奇偶校驗(yàn)位，編碼效率高；能檢出奇數(shù)個(gè)差錯(cuò)，若發(fā)生2個(gè)、4個(gè)等偶數(shù)個(gè)差錯(cuò)，接收端就無法檢出。

第二十七頁，共38頁。2.水平奇偶校驗(yàn)水平奇偶校驗(yàn)，一次能校驗(yàn)多個(gè)字符。編碼規(guī)則：在n個(gè)有效字符后面附上一個(gè)校驗(yàn)字節(jié)。若附上奇偶校驗(yàn)字節(jié)后使n個(gè)字節(jié)和校驗(yàn)字節(jié)的同一位中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，就稱為偶校驗(yàn)。如果使“l(fā)”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則稱為奇校驗(yàn)。該方法數(shù)據(jù)越長，可信度就越低。第二十八頁，共38頁。與碼元對應(yīng)的權(quán)282726252423222120

信息組10011100010100110010100110010101校驗(yàn)和110101101將校驗(yàn)和附在信息組之后一起傳送，校驗(yàn)和只保留8位，溢出位不計(jì)。3.累加和校驗(yàn)

數(shù)組級校驗(yàn)方法。一次可以校驗(yàn)多個(gè)數(shù)據(jù)。編碼規(guī)則：對發(fā)送數(shù)據(jù)按字節(jié)順序累加求和，對最高位溢出不作處理，最后得到一個(gè)累加和字節(jié)。累加和字節(jié)附在有效數(shù)據(jù)后面一并發(fā)出，用于檢錯(cuò)。第二十九頁，共38頁。4.異或(XOR)校驗(yàn)

數(shù)組級校驗(yàn)方法。一次可以校驗(yàn)多個(gè)數(shù)據(jù)。編碼規(guī)則：用全0字節(jié)對發(fā)送數(shù)據(jù)按字節(jié)順序異或運(yùn)算，最后得到一個(gè)異或結(jié)果。該異或結(jié)果作為校驗(yàn)碼附在有效數(shù)據(jù)后面一并發(fā)出，用于檢錯(cuò)。5.循環(huán)冗余(CRC)校驗(yàn)

循環(huán)冗余碼（CRC，CyclicRedundancyCode）校驗(yàn)是目前在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信及存儲(chǔ)器中應(yīng)用最廣泛的一種校驗(yàn)編碼方法，它所約定的校驗(yàn)規(guī)則是：讓校驗(yàn)碼能為某一約定代碼所除盡；如果除得盡，表明代碼正確；如果除不盡，余數(shù)將指明出錯(cuò)位所在位置。第三十頁，共38頁。2.10拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)總線型結(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。任何兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間的通信都要經(jīng)過主節(jié)點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)對主節(jié)點(diǎn)的依賴比較嚴(yán)重，可靠性較低，在分散控制系統(tǒng)中應(yīng)用得較少?？偩€型結(jié)構(gòu)由一個(gè)總線和多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)之間通過總線可以靈活傳輸數(shù)據(jù)，但總線是分時(shí)復(fù)用的。即只有總線空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)才能發(fā)送數(shù)據(jù)。該結(jié)構(gòu)靈活、方便、可靠性高，在分散控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。第三十一頁，共38頁。環(huán)型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)所有的節(jié)點(diǎn)通過鏈路組成一個(gè)環(huán)形。信息在環(huán)上只能按某一確定的方向傳輸。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有中繼作用。該結(jié)構(gòu)控制簡單，但主要問題是在節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)會(huì)影響通信速度，另外，環(huán)是封閉的，不便于擴(kuò)充。第三十二頁，共38頁。多種結(jié)構(gòu)的復(fù)合星－星復(fù)合