工業(yè)網(wǎng)絡技術-數(shù)據(jù)通信基礎

第2講數(shù)據(jù)通數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的–有效性指標通信信信噪比對信道容量的數(shù)字數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)位同步通信線路的工作方單工通半雙工全雙工差錯的檢測與糾接收設發(fā)送設數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的接收設傳輸介通信協(xié)–數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實際上 工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)主要是與生產(chǎn)過程密切相關的數(shù)值、狀態(tài)、或操作通口、時間同步、數(shù)據(jù)交換、通信控制與 裝可編程邏輯控制器PLC，PID控制器作為監(jiān)視操作設備 計算機或工作傳輸介有線傳輸介質(zhì)：雙絞線、電纜、電力線、光纜無線傳輸介質(zhì)：如電磁波、紅外線傳輸介質(zhì)的特性對網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)通信質(zhì)量影響很物理特性：傳輸介質(zhì)的物理結構（銅纜、光纜傳輸特性：允許的傳輸速率、頻率、容量以及調(diào)連通特性：點對點；一對多點的地理范圍：最大傳輸距報文與通信協(xié)議都屬于報文指包含有文本、命令、參數(shù)值 、聲音等字信息的通信通信協(xié)議是通信系統(tǒng)中理解通信數(shù)據(jù)意義和控制通信的一組規(guī)規(guī)定通信內(nèi)容的含規(guī)定通信何時規(guī)定通信如何通信協(xié)議可上升為標準或如國際標準化組織的ISO標準，IEC （C.E.信宿為數(shù)據(jù)的使用者（用戶信道指發(fā)送器 之間用于傳輸信號的物理介噪聲通信系統(tǒng)可靠性PPNeeN可靠性誤碼誤碼率是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標。它是指二進元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概N為傳輸?shù)亩M制碼元總數(shù)，Ne–理論上應有Ｎ→∞。N足夠大時，才能把Pe誤碼率是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下數(shù)實際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低越好，在通信信道的頻率特數(shù)字信號的頻譜與帶簡單的正弦信號。信號所含頻率分量的集合稱為頻譜頻譜所占的頻率寬度稱之為帶寬以一定的幅度門限為依據(jù)，信號中幅度超過規(guī)頻譜為該信號的有效頻譜有效頻譜的頻帶寬度稱之為有效帶寬數(shù)字信號的頻譜與帶數(shù)字信 數(shù)字信號的頻譜與帶 介質(zhì)帶介質(zhì)所能傳輸?shù)男盘栴l率范圍稱為介質(zhì)只能傳輸有效帶寬在介質(zhì)帶寬范圍內(nèi)的如果介質(zhì)帶寬小于信號的有效帶寬，信號就可能產(chǎn)生失–如果信號頻譜超過信道帶寬，則信號經(jīng)實際信傳輸介質(zhì)的頻率–介質(zhì)帶寬不足會導致信號介質(zhì)帶寬限制傳輸速率的提當傳輸速率升高時，信號的有效帶寬會隨之以避免信號畸變提高傳輸速率，受到傳信道容量 計W:信道帶S/N

信道容C

( 1 1信噪比對信道容量的S/N=10db，W=3000C3000log2(110)S/N=20db，W=3000C3000log2(1100)信道容量隨信噪比的提高增加了許多由于噪聲功率N=Wn0n)，因而隨著帶寬W的增大，噪聲功率N也會增大。所以增加帶寬W并不能無限制地使信道容量增大。數(shù)據(jù)的傳輸速率應該在信道容量容許的范圍考慮到噪聲編碼與編碼波同相位來表達數(shù)據(jù)的0，1狀態(tài)的，稱為摸擬數(shù)據(jù)編碼。用高低電平的矩形脈沖信號來表達數(shù)據(jù)的01狀態(tài)的，稱為數(shù)字數(shù)據(jù)編碼號模擬數(shù)據(jù)編模擬數(shù)據(jù)編碼采用模擬信號來表達數(shù)據(jù)的0，1幅度、頻率、相位是描述模擬信號的參數(shù)幅值鍵控(ASKAmplitude-SheftKeying頻移鍵控(FSKFrequency-SheftKeying相移鍵控(PSKPhase-SheftKeying)又稱鍵控幾種模擬數(shù)據(jù)編碼的數(shù)字數(shù)據(jù)編碼波如邏輯1用高電平，邏輯0為0信號電平為如邏輯1用正電平，邏輯0歸零碼雙極性歸零碼的邏輯1只在該碼元時間中的某段(如碼元時間的一半)維持高電平后就回復到零電平，邏輯0只在該碼元時間的一半維持負電平后也回復到零電平非歸零碼a.b.

c.d.11101011010101tacAbtd曼徹斯特編碼（Manchester把時間劃分為等間隔的其中每小段代表一個比特(位每個比特時間又被分為兩半，前半段所傳信號段比特值的反碼，后半段傳送的是該比特值本從高電平跳變到低電平表示0，從低電平跳變示1特點其波形中間點總有一次信號電平的變化，因而絡上各節(jié)點保持時鐘同信號本身攜帶有同步信息。無需另外傳送同步曼徹斯特編碼的相關 數(shù)數(shù)號01100101差分碼差分時鐘周期起點電平變化代表“1”，不變化代表“0”差分碼按初始狀態(tài)為高電平或低電平，有相差分曼徹斯特編時鐘周期起點電平的變化與否代表數(shù)據(jù)的 、既具有差分碼的特點，又具有曼徹斯特編碼的畫出數(shù)據(jù)序 的數(shù)據(jù)波時鐘波Manchester編碼波差分Manchester編碼波編碼指將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柕囊幌盗幸?guī)基帶信號編編碼后信號基本保持基曼徹斯特編碼為一種典平衡傳輸和非平衡傳平衡傳無論“0”或“1”都需要傳輸脈沖信號非平衡傳只有“1”在指定的時刻沒有脈沖傳輸則表示串行傳輸和并行傳串行傳輸（Serial數(shù)據(jù)流以串行方式逐位每次只能發(fā)送一個數(shù)據(jù)發(fā)送方必須確定是先發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)的處于什么位置串行傳輸具有易于實現(xiàn)，在長距離連接中可靠點。適合遠距離的數(shù)并行傳輸（Parallel數(shù)據(jù)以成組的方式在兩條以上的并行通道上同可同時傳輸一組數(shù)據(jù)位，每個數(shù)據(jù)位使用單如用8條導線并行傳輸一個字節(jié)的8個數(shù)據(jù)位，另外用一條“選通”線通知接收者接收該字節(jié)，接收方可對并行通道上各條導線的數(shù)據(jù)位信號并行取樣典型應用：計算機的串口與并基帶傳輸與載波傳基帶傳在基本不改變數(shù)據(jù)信號頻率的情況下，直接傳帶信號，即基本按數(shù)據(jù)基波的原樣傳傳輸過程對信號不采用屬于被廣泛采用的數(shù)據(jù)發(fā)送設備要產(chǎn)生某個頻率的信號作為載波來承按幅值鍵控，頻移鍵控、相移鍵控等不同調(diào)波信號的幅值、頻率、相位，形成承載了數(shù)據(jù)發(fā)送承載了數(shù)據(jù)的載載波傳輸中傳輸?shù)恼{(diào)制信號與數(shù)據(jù)基波的差別較大理想 信號包含從零到無 的頻率成分,而介質(zhì)允許傳輸?shù)膸捠怯邢薜?，為了與線路傳輸特性匹配，很近距離的傳輸外，一般采用低通濾波器將矩形波整成為變換點比較圓滑的波形，接收端在每個碼元的最值(中心)取樣，復原信號同步傳輸與異步傳傳輸中的同步問通信系統(tǒng)要求收發(fā)雙方各項工作均在一定時序通信中的發(fā)送者和接收者都需要使用時鐘信決定何時發(fā)送 每一位數(shù)時鐘同步是收發(fā)雙方協(xié)同步同步傳輸用于一塊電路板元器件之間短距離數(shù)據(jù)通信，如連接電纜在30～40cm需要一條專線傳輸時鐘信異步每個通信設備都有自通信設備之間必須在時鐘頻率上保持一致，所有時鐘之的誤差必須在保持在一定范傳輸開始時要求同步各異步傳輸并不要求收發(fā)兩端在傳送每一個數(shù)例如在傳輸字符前設置一個起始位，預告?zhèn)鬏敿磳㈤_始，在代碼和校驗信號結束后，設置終止位，表示該字符結束在傳輸數(shù)據(jù)幀的開頭和結尾設置起始、結束標志（或字節(jié)在起始和結束標志之間，包含要傳送的字符、數(shù)據(jù)、指易于異步傳輸中時鐘信號異步傳輸中各設備之間的時鐘同步對通信至關重位同步、字符同步與幀時鐘信號與數(shù)據(jù)信號間保持固定的相位關系位同步(bit收發(fā)兩端按時鐘信號實接收端從接收信號中提字符同步(Characterorword將字符組織成組后連續(xù)傳幀同步(Frame數(shù)據(jù)幀是一種按規(guī)范約定將數(shù)據(jù)組織成組的結幀同步指收發(fā)雙方按幀頭幀尾的特征標志實行同步將數(shù)據(jù)幀作為一個整體幀同步是工業(yè)數(shù)據(jù)通 結束通信線路的工作方信息傳送始終朝著一個方向，不進行反向傳發(fā)送端與接收端不變換角色，如設A為發(fā)送端，B為接收數(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方向傳輸。通信雙方都具有發(fā)送器 ，雙方可變換通信角當A站向B站發(fā)送信息時，A站將發(fā)送器連接在信道上，B站將了解接在信道上， 半雙工通信采用二線制線路，信道可改換傳 全雙工

單工通信單向信道接收單向信道發(fā)送發(fā)送接收接收發(fā)送接收接收發(fā)送雙向信道全雙工通信信息傳輸可同時在兩個方向進相當于兩個相反方向的常用于計算機—計算差錯 有效檢測錯誤并進差錯控制的主要目的是信錯誤差錯檢測原理簡單，實現(xiàn)容易，編碼 速度差錯糾傳輸錯誤。差錯糾正在功能上優(yōu)于差錯檢測，但實現(xiàn)復雜，造價高檢錯常用檢錯方法冗如對每個字符都傳輸兩次。如果沒有能夠連到相同的字符，就意味著發(fā)生了一個傳輸錯將接收到的信號回送給則重傳奇偶校在每個字符或字節(jié)中添加奇偶校驗位，使得一或字節(jié)中1的總個數(shù)添加奇偶校驗位，使得一個字符或字節(jié)中1是偶數(shù)，為偶校驗奇偶校驗應用簡單，但驗與接收到校驗和有差異，就判斷通信出錯校驗和能檢測出95計算量大于奇偶校驗f(x).xG(

Q(x)R(G(

f'(x).x

Q(

R(G( G(x)循環(huán)冗余校驗ＣＲＣ（CyclicRedundancy按照要發(fā)送數(shù)據(jù)的位序列形成一個多項式的各項系數(shù)為數(shù)據(jù)序列的0、1用預先約定的生成多項式G(x)去除ｆ(x)數(shù)多項式將余數(shù)多項式加到數(shù)接收端用同樣的生成多項式G(x)去除接收數(shù)據(jù)ｆ’(x)如果計算余數(shù)多項式與接收余數(shù)多項式相同，則表示傳則表示傳輸有差錯ＣＲＣ的計算規(guī)則：采用即減法不借位，加法不進位異或操作CRC能檢測出約99.95%的錯與前幾種方法相比，其計算量幾種生成多項式–CRC-–CRC-

G(x)=x12+x11+G(x)=x16+x15+–CRC-CCITT–CRC-32G(x)=x32+x26+x23+x22+x11+x10+x8+x7+差錯的糾兩種常用的糾錯當檢測到一個錯誤時，接收端自動請求重新技術簡單，但確認、重發(fā)過程可能造成通在接收端檢測和糾正差正。增加這些額外的位增加了通信開支，同時也增加了計算海明（R.W.Hamming）海明碼海明碼的編碼規(guī)發(fā)送根據(jù)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元的長度，確定冗余位的確定各冗余位在數(shù)據(jù)單計算出各冗余校驗位的排列成包含冗余校驗位的數(shù)據(jù)序列，按此序列接收按與發(fā)送方相同的方法，計算出接收數(shù)據(jù)的排列成包含冗余校驗位的數(shù)據(jù)序位取反，以糾正該錯誤。確定糾正單比特錯誤所需的冗余位設糾正單比特錯誤需增加的冗余位數(shù)為r應滿足2r≥mr+1m為數(shù)據(jù)單元的如7位的ASCII碼，m為7，取r為4足上要糾正7位ASCII碼中的1位錯誤，需要增4個冗余冗余位的定將4個冗余位分別編號為R1R2R3到數(shù)據(jù)單元的20,21,22,23位置上，即R1,R2R3R4將被分別插入到數(shù)據(jù)單元的D1，D2，各冗余位在11位海明碼中的位 987654321ddddddd海明碼的每個冗余位的值都是一組數(shù)據(jù)的奇冗余比特位R1R2R3R4分別是4組不同數(shù)據(jù)驗位采用二進制數(shù)據(jù)來表示海明碼11有1010，1011這11種情對這110001；0011；0101；0111；1001，1011這6個數(shù)據(jù)位做偶校驗，得到的偶R的值即R為對從低位數(shù)起的第、、、、、這位作偶校驗而得校驗位的值為R2的值對這11種情況中倒數(shù)第3位為1（0100；0101；0110；0111）的位置，即第4、5、6、7這4位做偶校驗，得到的偶 為R的值R4是對倒數(shù)第4位為1的位置，即第8、9、10、（1000；1001；1010；1011）這4位作偶校驗示例1：數(shù) 位987654321數(shù)1001101在從低位數(shù)起的第作偶校驗而得到的校驗位R1是1加入R10011011在從低位數(shù)起的第、、、、 這位作偶校驗而得到的校驗位R2是0加入R100110101在從低位數(shù)起的第4、5、6、7這4位作偶校驗而得到的校驗位R3是01001100101在從低位數(shù)起的第、作偶校驗而得到的校驗位R4是1加入R10011100101 示例2：上例中形成的10011100101海明碼如經(jīng)傳輸出現(xiàn)1如第7位出錯，由原本的1變?yōu)?，使接收接收方如何從數(shù)據(jù)10010100101中發(fā)現(xiàn)有錯在哪一糾接收方收到數(shù)據(jù)后，采用與發(fā)送方相同的方法作偶校驗，得到的校驗位R1是作偶校驗，得到的校驗位R2是對第4、5、6、7這4位作偶校驗而得到的校驗位R3是、R4是01010010100101101101001001010110010100101 由相應位偶校驗得到的校驗位排列R4R3R2R1,其二進制數(shù)為這一結果表明通信傳輸出現(xiàn)了出錯位位于第7其偶校驗位R1、R2、R3、