现场总线2-数据通信基础知识

第二章数据通信基础本章内容：1、数据通信的基本概念、基础知识；2、不同通信系统特点及信号的编码方式；3、数据交换常用方法-电路交换、报文交换及报文分组交换；4、介质访问控制方法及差错控制技术。2一、数据通信基础知识1、基本概念信息:数据所包含的内容和解释。数据:是传递信息的载体，是事物的表现形式。它包含了事物的内容，例如一个文件中的文字、符号、图形、数码都是用数据来表示的。信号:信号是数据的载体，信号的表现形式：声、光、电。信源：产生和发送信号的设备。信宿：接收和处理信息的设备。信道:传输信息的通道（模拟信道与数字信道）3信号带宽:信号覆盖的频率范围。信道带宽：能传输信号的最大频率范围。基带信号:信号固有的频率范围。基带传输：以信号的原始形式直接传输。频带传输：频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。噪声：信号传输过程中的干扰。误码率：数据被传错的概率。数据传输速率（后面单独介绍）远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。42、通信信道的分类•有线信道和无线信道•模拟信道和数字信道•专用信道和公共交换信道信源信道信宿53、异步和同步传输异步传输（AsychronousTransmission）比特被划分成小组独立传送。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。异步传输被设计用于低速设备，比如键盘和某些打印机等。传输在右边起始6同步与异步传输的区别1,异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。2,异步传输的单位是字符而同步传输的单位是桢。3,异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。4,异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。5,异步传输相对于同步传输效率较低。接收端要与发送端的时间和发送频率保持一致（同步），才能正确接收数据（可以先举CPU向RAM写数据简明扼要举例子，然后引入串行通讯需要同步的概念）。同步方式分两种：异步、同步。此异步波形，右边是开始，发送3、2、1的ASCII编码33H、32H、31H。信号为负逻辑，高电平表示0，低电平表示1。解释上一页7同步传输（SynchronousTransmission）接收方可以用同步头进行自己的时钟同步，以便后面的准确接收。位同步：每位均有同步信号。帧同步：它不是独立地发送每个字符，而是把它们组合为数据帧一起发送。在每帧前面加特殊的同步头。。84、数据通信的主要技术指标码元与比特信号传输时的一个波形单元称为一个码元（指信号）；二进制数的一位称为一比特（指二进制数据）。数据传输速率S（比特率）单位时间内所传送的二进制代码的有效比特数（bps)。信号传输速率B（波特率）单位时间内所传送的波形单元数(Baud)。S=B×log2NN为一个码元所取的有效离散值的个数，一般取2的方幂。误码率Pe二进制码元在传输中出错的概率：Pe=Ne/NN为二进制总位数，Ne为出错的位数。如果一个码元被分为4级，如0伏、1伏、2伏、3伏分别表示00、01、10、11，则其每个码元表示2（log24）个二进制数。传输数据的速率增加了。9二、通信系统简介信源信道信宿模拟通信：以模拟信号形式在信道上传送数据(频带)数字通信：以数字信号形式在信道上传送数据(基带)模拟信号容易失真、数字信号可以避免失真（有效距离内）1、通信系统组成102、模拟通信系统信源信宿调制器解调器模拟信道模拟信号模拟信号数字信号通过调制以后利用模拟信道进行传送；模拟信号直接传送。有的模拟信号也需要数字化后再调制进行传送。可以讲一下有线模拟通信系统，及无线通信系统。113、数字通信系统信源数字信道信宿数字信号数字信号节点利用数据局的数字通讯系统进行通信模拟信号通过变换以后可以用数字信道传输信号，数字信号可以直接用数字信道进行传输12数字信号编码：对数字信号进行编码，以适合信道传输传输。分为：数字信号的模拟编码和数字信号的数字编码。1.数字信号的模拟编码以正弦信号为载波，改变载波特征进行编码。有三种编码方法。三、信号的编码技术（信道编码）（2）移频键控法（FSK,frequencyshiftkeying）：用载波频率附近的两种不同频率表示二进制的两种状态；（3）移相键控法（PSK,Phaseshiftkeying）：用载波信号相位移动表示二进制的两种状态；uMsin(ωt+φ)0u(t)=﹛表示数字1表示数字0uMsin(ω1t+φ)u(t)=﹛表示数字1表示数字0uMsin(ω2t+φ)uMsin(ωt+0)u(t)=﹛表示数字1表示数字0uMsin(ωt+π)（1）移幅键控法（ASK，Amplitudeshiftkeying）:用载波的两种不同幅度表示二进制的两种状态133.2r日讲到此，数据的信号编码又称为信道编码。数据的编码类型取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型，可分为模拟信号编码和数字信号编码。信号编码与信息编码不是一个层面上的，信息编码相当一种信源编码,如ASCII码，信号编码是信号传输的物理形式。解释上一页14移幅键控法(ASK)移频键控法(FSK)移相键控法(PSK)0Ts2Ts3Ts4TsS2PSK(t)A-A0ar2tt15移幅键控：有载波信号表示1，无载波信号表示0；移频键控：用两个不同频率的载波频率表示数据1，0；移相键控：用载波的相位偏移表示数据1，0；相移为0表示1，相移180度表示0；这是二相位移相键控，也可实现多相移相键控。解释上一页16单极性码：无电压表示“0”，高电压表示“1”；双极性码：“1”码和“0”码都有电流，“1”为正电流，“0”为负电流；归零码：每位信息位传输后返回零电平的编码；非归零码：整个码元期间维持有效电平；曼彻斯特编码（自带时钟的编码）：每比特的周期T分为两个相等的部分，从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”，中间的电平跳变作为双方的同步信号。（某些系统的0，1信号表示法相反，0到1跳变表示1）差分曼彻斯特编码：每比特的周期T分为两个相等的部分，起始部分有跳变表示“0”，无跳变表示“1”2、数字信号的数字编码技术17非归零码(NRZ)曼彻斯特码差分曼彻斯特码跳变表示“0”不跳变表示“1”中间跳变中间跳变数字的数字编码方法很多，除单极性编码外还有几种常见的编码方法。如双极性码、双极性归零码（如ARINC429总线信号）、曼彻斯特编码。18曼彻斯特编码：每位中间发生跳变，由负到正表示0，由正到负表示1，且携带同步信息（或定义：前半周期为0表示0，前半周期为1表示1；也可能定义的相反）；差分曼彻斯特编码：数据位开始时刻出现跳变表示0，不发生跳变表示1；中间也发生跳变为同步提供信息。曼彻斯特与差分曼彻斯特编码不含直流成分，并带有同步信息，这需要较大带宽。（跳变增加带宽自然增加）差分曼彻斯特编码：在信号位开始时不改变信号极性，表示辑“1”在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑“0”；【注意】：如果在最初信号的时候，即第一个信号时：如果中间位电平从低到高，则表示0；如果中间位电平从高到低，则表示1；后面的（从第二个开始）就看每个信号位开始时有没有跳变来决定。解释上一页19四、数据通信方式1、并行通信发送端接收端2、串行通信发送端接收端3、通信的方向•单工通信•半双工通信•双工通信20(1)频分多路复用FDM将多个信号调制在不同的载波频率上，互不干扰，同时传输。五、信道共享1.多路复用技术模拟通信21(2)时分多路复用TDM将传输时间划分为多个短而不重叠的时隙，分时传输，数字通信方式。起始数据数字通信，CSMA/CD,令牌实际都是此方式223、波分多路复用（WDM）不同波长的光载波同在一根光纤上传输，是光纤上的频分复用技术。23在整个WDM系统中，光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，其性能的优劣对系统的传输质量具有决定性作用。将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为复用器；反之，将同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为解复用器。1.充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍到几十倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。2.由于WDM技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种信号的综合和分离，实现多媒体信号混合传输。解释上一页24六、数据交换技术（通信子网内部）1、线路交换方式BACDEF7543216通信时通信双方在通信子网建立起实际的物理线路连接。25数据传输的最简单方式是直接连接通信双方，如果两个用户之间都采取直接相连的方式，连线个数会随着用户数成几何级数增加。这节讨论的通信子网的问题，而不是和一个简单的局域网络的问题。经过多个节点转发，到达目的地。节点是电子或机电结合的交换设备，节点设备不存储数据，不具备差错控制能力。整个电路交换的过程包括建立线路、占用线路并进行数据传输和释放线路三个阶段。下面分别予以介绍。（1）电路建立如同打电话先要通过拨号在通话双方间建立起一条通路一样，数据通信的电路交换方式在传输数据之前也要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。它的具体过程如下。①发起方向某个终端站点（响应方站点）发送一个请求，该请求通过中间节点传输至终点。②如果中间节点有空闲的物理线路可以使用，接收请求，分配线路，并将请求传输给下一中间节点；整个过程持续进行，直至终点。如果中间节点没有空闲的物理线路可以使用，整个线路的连接将无法实现。仅当通信的两个站点之间建立起物理线路之后，才允许进入数据传输阶段。解释上一页26③线路一旦被分配，在未释放之前，其他站点将无法使用，即使某一时刻，线路上并没有数据传输。（2）数据传输电路交换连接建立以后，数据就可以从源节点发送到中间节点，再由中间节点交换到终端节点。当然终端节点也可以经中间节点向源节点发送数据。这种数据传输有最短的传播延迟，并且没有阻塞的问题，除非有意外的线路或节点故障而使电路中断。但要求在整个数据传输过程中，建立的电路必须始终保持连接状态，通信双方的信息传输延迟仅取决于电磁信号沿媒体传输的延迟。（3）电路拆除当站点之间的数据传输完毕，执行释放电路的动作。该动作可以由任一站点发起，释放线路请求通过途经的中间节点送往对方，释放线路资源。被拆除的信道空闲后，就可被其他通信使用。线路交换方式要占用信道，效率低，因此出现存储转发方式，动态灵活。接着上一页解释27（1）报文交换：数据报文经过多个结点传送到目的地。BACDEF75432162、存储转发方式28首先根据一定的协议，形成具有地址、控制信息、差错校验的报文，通信站点可以完成数据单元接收、差错校验、存储、路选、转发功能，多个报文可以分时共享信道，效率高。问题的提出：当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法的缺点是信道容量和有效时间的浪费。采用报文交换则不存在这种问题。1.报文交换原理报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。解释上一页292.报文交换的特点1)报文从源点传送到目的地采用存储--转发方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。2)在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。3.报