数据通信2.ppt

第2章 数据通信的基础知识,数据通信是将计算机技术和通信技术相结合，实现数据传输、交换、处理等功能的通信技术，所以它包括利用计算机进行数据处理和利用通信设备和传输线路进行数据传输两方面的内容。与电子信息工程、通信工程和计算机技术等专业不同，自动化专业侧重于如何解决测控设备，如PC、PLC、DCS、SCADA和智能仪器之间的数据通信问题。,学习要求,1.了解二进制数据表示（位、字节、字符）2.了解数据通信的基本原理和概念3.了解3种数据传输模式 4.了解异步和同步数据传输方式5.了解数据编码和数字信号编码 6.了解差错控制的概念,学习目录,2.1 二进制数据表示2.2 数据通信的基本原理2.3 数据的传输方式2.4 数据编码和数字信号编码2.5 多路复用技术2.6 差错控制2.7 通用异步收发器（UART）,2.1 二进制数据表示,计算机采用二进制数（binary numbering）位（比特、Bit）：0 或 1字节（Byte）：8位（比特）16进制（Hexadecimal）字符（character）：26个字母（大小写）数字0-9 标点符号等字符编码：ASCII等,2.2 数据通信的基本原理和概念,通信系统模型 通信的3个要素：信源、信宿、信道 任何通信系统均可抽象成下面的模型：,编码器：数据适合传输的信号-便于识别、纠错调制器：信号适合传输的形式-频率、幅度、相位变化解调器：接收波形数字信号序列解码器：传输信号原始数据,2.2 数据通信的基本原理和概念,信息通过通信系统传输,把携带信息的数据用物理信号形式通过某种介质传送到目的地。信息和数据不能直接在介质上传输！,2.2 数据通信的基本原理和概念,通信系统的构成,实现数据通信需要解决的主要问题：1、采用什么形式传输数据？2、采用什么信号类型？3、逻辑1和0如何表示（信号编码）？4、数据或字符如何表示（数据编码）？5、如何保持收发两端的同步？6、怎样控制数据流以保证接收端不被淹没？7、怎样检测和更正传输错误？,2.3 数据传输方式,1、按数据代码传输的顺序划分串行传输方式特点：单线路、速度慢、成本低应用：现场总线、局域网等并行传输方式特点：即收即用（不需串并转换）；多位数据通过多条数据线路传送；至少需要8条数据线互联两个外设应用：适用于距离较短的通信模式，如：计算机内部、计算机与外设之间,2.3 数据传输方式,1、按数据代码传输的顺序划分 串行 并行,2.3 数据传输方式,2、按数据流动的方向及时间划分 单工传输方式特点：两个数据站之间只能沿一个指定的方向进行数据传输。此种方式适用于数据收集系统，如气象数据的收集、电话费的集中计算等 半双工传输方式特点：两个数据之间可以在两个方向上进行数据传输，但不能同时进行。问讯、检索、科学计算等数据通信系统运用半双工数据传输 全双工传输方式特点：在两个数据站之间，可以两个方向同时进行数据传输。全双工通信效率高，但组成系统的造价高，适用于计算机之间高速数据通信系统,2.3 数据传输方式,2、按数据流动的方向及时间划分 单工传输方式广播,2.3 数据传输方式,2、按数据流动的方向及时间划分 半双工传输方式对讲机,2.3 数据传输方式,2、按数据流动的方向及时间划分 全双工传输方式电话,2.3 数据传输方式,3、按串行数据的传输同步方式划分 串行数据传输中的二进制代码在一条总线上以数据位为单位按时间顺序逐位传递（先低位后高位），接收端顺序逐位接收，它必须能正确地按位区分才能正确恢复所传输的数据，这就是传输数据的同步问题。发送端和接收端都需要使用时钟信号，通过时钟决定什么时候发送和接收（读取）每一位数据。也就是使发送端和接收端在时间基准上保持一致（包括起始时间、位边界、重复频率等）。有3种同步方法：位同步 字符同步（异步传输）帧同步（同步传输）,2.3 数据传输方式,位同步：目的是使接收端接收的每一位数据都与发送端保持同步 外同步-发送端发送同步时钟信号，接收方用它来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步-通过特殊编码（如曼彻斯特编码）实现同步，这些数据编码信号包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,2.3 数据传输方式,字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步式每两个字符之间的间隔时间不固定。每个字符的传输需要：（见下图）1个起始位 7或8个数据位 2个停止位 优点：频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步 缺点：增加了辅助位，所以传输效率较低 例如，1个起始位、8个数据位（含校验位）、2个停止位时，其效率为8/1172,起始,位,数据,位0,数据,位1,数据,位2,数据,位3,数据,位4,数据,位5,数据,位6,校验,位,停止,位,停止,位,字符2,字符1,字符3,字符4,任意间隔,任意间隔,任意间隔,2.3 数据传输方式,3、按串行数据的传输同步方式划分 异步传输例如计算机的RS-232接口,帧（Frame）包含数据和控制信息的数据块（包）,帧起始,控制信息,数据,帧结束,校验和,0-n,8bit,8bit,8-32,m,面向比特的以特殊位序列（7EH）作为帧（起始）标志来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。,面向字符的以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。,帧同步：以识别一个帧的起始和结束特征实现同步,2.3 数据传输方式,4、按信号的传输方式划分模拟传输和数字传输 数据在传输信道中是以电信号的形式传输的。电信号在传输通路中使用两种基本形式进行：一种为模拟传输方式；另一种为数字传输方式。在模拟传输方式中，需要注意的问题是保真，也就是保持波形不变，如电话、部分电视节目、音频传输设备等。它的优点是带宽较窄，只占用了部分带宽，适合于多路频分复用；缺点是信号容易失真，不失真恢复信号困难。在数字传输方式中，传输的是电平编码，各电平之间的电位差较大，容易识别，也容易保持其性质不变。它的优点是信号抗干扰能力强，比模拟传输更容易保真；缺点是带宽大，占用了整个通道，不适合频分复用，这是由数字信号的特性决定的。,2.3 数据传输方式,4、按信号的传输方式划分基带传输和频带传输所谓的基带指的是基本频带，也就是传输数据编码电信号所固有的频带，这种信号称为基带信号。所谓的基带传输也就是把基带信号直接加到信道上而不作任何处理，直接进行传输。基带传输方式传输的常常是数字信号，但数字信号被调制之后也可以进行频带传输。,2.3 数据传输方式,4、按信号的传输方式划分基带传输和频带传输 在进行远距离数据传输时，一般要借用已有的通信网络，如电话网和微波网。如果原始的数字信号是基带信号，则无法直接在这些网络中传输，这时就要将带宽很宽的数字信号变为带宽较窄的模拟信号。新的模拟信号由一个或几个频率组成，占用了一个固有的频带，这种传输方式称为频带传输。这种频带传输的模拟信号和原始的模拟信号含义是不同的，原始的模拟信号幅值和频率都发生改变，而频带传输的信号只有其中的一个参数发生变化，我们把模拟传输和频带传输统称为模拟传输。使用频带传输有两个优点：一是适应了公共信道的要求；二是容易实现多路复用(也就是后边介绍的频分复用和时分复用)。,2.3 数据传输方式,话音,模拟传输,模拟,数字,MODEM,模拟,模拟,CODEC,数字,数字,数字编码,数字,模拟数据，模拟信号,数字数据，模拟信号,数字数据，数字信号,模拟数据，数字信号,1010,1010,2.4 数据编码和信号编码,1、数据编码：信息 二进制数据,需要传递的信息：Hello!二进制数据=？解决方案之一：ASCII码,1、数据编码：信息 二进制数据ASCII：American Standard Code for Information Interchange，美国标准信息交换码H48H，1001000e65H，1100101l6CH，1101100l6CH，1101100o6FH，1101111！21H，0100001 给出异步传输时字符H的二进制数据传输的位图？,2.4 数据编码和信号编码,2.4 数据编码和信号编码,1、数据编码：信息 二进制数据测控系统中的数据大多不需要编码，直接传递其二进制数据，如经过A/D转换后的温度、压力测量值、控制开关的状态值（1：接通，0：断开）,2.4 数据编码和数字信号编码,字符A的位图,2、数字信号编码：二进制数据 信号电平波形,2.4 数据编码和信号编码,需要传递的数据：1001000(48H)1=？0=？解决方案：数字信号编码、模拟信号编码（调制）,2、数字信号编码：二进制数据 信号电平波形 为什么要进行（数字）信号编码？在通信设备（计算机）内部传输数据，由于各电路功能模块之间的距离短，工作环境可以控制，在传输过程中一般采用简单高效的数字信号传输方式，比如直接将二进制信号送上传输通道进行传输等。而在远距离传输的过程中，由于线路较长，数字信号在传输介质中将会产生损耗和干扰，为减少在特定的介质中的损耗和干扰，需要将传输的信号进行转换，使之成为适于在该介质上传输的信号，这一过程称为信号编码。,2.4 数据编码和信号编码,2.4 数据编码和信号编码,2、数字信号编码：二进制数据 信号电平波形在工业数据通信系统中传递的二进制数据，其每一位只能在0或1两个状态中取一个，这每一位就叫做一个码元。，,2.4 数据编码和信号编码,3、几种数字信号编码波形（1）单极性不归零码 此种码型的编码规则为：对于数据传输代码中的“1”用+E电平表示，“0”用零电平表示。这种代码和信源数据代码结构基本相同，接口电路十分简单。它的缺点有两个：一是容易出现连续“0”和连续“1”，不利于接收端同步信号的提取；二是因为电平不归零和电平的单极性造成这种码型有直流分量，不利于判决电路的工作。,2.4 数据编码和信号编码,3、几种数字信号编码波形（2）单极性归零码 此种码型的编码规则为：数据代码中的每一个“1”都对应一个脉冲，可能是正脉冲也可能是负脉冲，脉冲宽度比每位的传输周期短，即脉冲提前回到零电位；数据“0”仍然为零电平。,2.4 数据编码和信号编码,3、几种数字信号编码波形（3）双极性不归零码 此种码型的编码规则为：对于数据中的“1”用正电平或负电平表示，对数据“0”用相反的电平表示。常用的RS-232接口的电平标准即采用这种编码方式（1-负电平，0-正电平）。,2.4 数据编码和信号编码,3、几种数字信号编码波形（4）双极性归零码 此种码型的编码规则为：对于数据中的“1”用一个正或负的脉冲来表示，数据“0”用相反的脉冲来表示，这两种脉冲的宽度都小于一位的传输时间，即提前回到零电平。对于任意组合的数据位之间都有零电平间隔。这种编码波形有利于从中提取同步信号。,2.4 数据编码和信号编码,3、几种数字信号编码波形（5）差分码 此种码型的编码规则为：用电压极性的跳变来代表数据“1”，用电压极性不变代表数据“0”。这种码的波形为一种相对波形，按初始状态为高电平或低电平，会得出相位截然相反的两种波形。显然，差分码不可能是归零码。,2.4 数据编码和信号编码,3、几种数字信号编码波形（6）曼彻斯特码 此种码型的编码规则为：对于数据代码“1”用电平正跳变(或负跳变)来代表，数据代码“0”用与数据代码“1”相反的跳变来表示，这种跳变在一位数据传输时间内完成。所谓的正跳变指的是一位代码前半个周期为低电平，后半个周期为高电平；负跳变前半个周期为高电平，后半个周期为低电平。,2.4 数据编码和信号编码,3、几种数字信号编码波形（6）曼彻斯特码 这种码型的优点为：首先，每传输一位电压都存在一次跳变，有利于同步信号的提取；另外，每一位正电平或负电平存在的时间相同，若采用双极型码，可抵消直流分量。其缺点为：由于跳变的存在，编码后的脉冲频率为传输频率的2倍，多占用信道带宽。曼彻斯特码是在工业数据通信中最常用的一种基带信号编码。,4、模拟信号编码：二进制数据 模拟信号波形,2.4 数据编码和信号编码,需要传递的数据：1001000(48H)1=？0=？（在模拟信道上）解决方案：模拟信号编码或称数字信号的调制编码,2、模拟信号编码：二进制数据 模拟信号波形 为什么要进行模拟信号编码（调制）？数字信号一般是方波脉冲信号。由方波的频谱可知，其带宽很大，占用了整个信道，在实际的信道中无法不失真地传输。另外为了节约带宽，提高传输效率，要求信号的带宽越小越好。实际中常采用以固定频率的正弦波作为载波，利用的是它的频带窄，把要传输的信号加载在正弦波上，合成的信号若保持载波的原频率，而幅度按照要传输的信号的幅度变化，这样的一个过程叫做幅度调制。常用的调制方式还有调频、调相等。,2.4 数据编码和信号编码,2、模拟信号编码：二进制数据 模拟信号波形 数字设备（如计算机或终端）通过调制解调器接入电话网络进行通信是利用模拟信号传输数字数据的典型情况。模拟信号发送的基础就是一种称之为载波信号的连续的频率恒定的信号。通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行模拟信号编码。三种常用的调制技术：1）幅移键控 ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 2）频移键控 FSK(Frequency Shift Keying)，调频 3）相移键控 PSK(Phase Shift Keying)，调相 基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。,2.4 数据编码和信号编码,2、模拟信号编码：二进制数据 模拟信号波形,2.4 数据编码和信号编码,2、模拟信号编码：二进制数据 模拟信号波形,2.4 数据编码和信号编码,（1）幅移键控方式（ASK）：载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于无载波输出，而“1”对应于有载波输出。（2）频移键控方式（FSK）：载波的频率随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于频率f，而“1”对应于频率f2。（3）相移键控方式（PSK）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于相位0，而“1”对应于180。,2.5 多路复用技术,复用多个信息源共享一个公共信道 为何要复用？降低线路成本,DEMUX,复用器,解复用器,共享信道,2.5 多路复用技术,复用类型,FDM(频分复用),WDM(波分复用),TDM(时分复用),Frequency Division Multiplexing,Wave Division Multiplexing,Time Division Multiplexing,2.5 多路复用技术-频分复用,原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道，频率通道之间留有防护频带。,适用于模拟信号传输,2.5 多路复用技术-波分复用,F2,F1,F3,光谱,光纤2,光纤3,光纤1,共享光纤,采用无源设备，更可靠,棱柱/衍射光栅,原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。,2.5 多路复用技术-时分复用,原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。,2.5 多路复用技术-统计（异步）时分复用,TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。,2.6 差错控制,传输差错：数字传输系统很容易受到干扰，这些干扰能引起随机数据的出现以及传输数据的丢失或改变。产生差错的原因：1）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；2）信号反射；3）串扰；4）闪电、大功率电机的启停等。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。,2.6 差错控制,差错控制是在数据通信过程中，发现、检测差错，对差错进行纠正，从而把差错限制在数据传输所允许的尽可能低的范围内的技术和方法。差错控制方法自动检错重发法（ARQ）：采用具有检错能力的校验码，发现有错后控制重传。向前纠错：采用具有纠错能力的编码，在接收端不仅能检错，而且能纠错。差错控制编码（抗干扰编码）：为了检错纠错，通常随数据一起发送一小部分附加信息。发送计算机从数据中计算附加信息的值，接收计算机进行同样的计算来核对结果。,2.6 差错控制,差错控制基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。差错检测主要有3种方法：奇偶校验校验和循环冗余校验,END,