数据通信原理及基础课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,/37,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,/37,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,/37,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,工业通信网络技术和应用,（工业,现场总线,）,主讲：莫太平,前置课程：数据通信基础、计算机网络等,教材:许勇-工业通信技术-原理与应用，西安电子科技大学出版社，2012,参考教材:许勇-工业通信技术-原理与应用，中国电力出版社，2008.9,参考教材：阳宪惠-网络化控制系统-现场总线技术，清华大学出版社，2009.5,教师:许勇,Email:xuyguet.edu.eduTelephone:229-1208,教材及参考资料,主要教学内容和学时分配,第,1,章 工业通信概论,第,2,章 数据通信原理及基础,第,3,章 总线接口技术介绍,第,4,章 工控机与测控仪器接口总线,第,5,章 工业通信常用技术,第,6,章 常用的工业现场总线,第,7,章,CAN Bus,和汽车网络,第,8,章 工业以太网技术及应用,源系统,传输系统,目的系统,传输,系统,源点,终点,发送器,接收器,输入信息,输出信息,输入数据,输出数据,发送的,信号,接收的,信号,第,2,章数据通信原理及基础,为有效而可靠地通信，通信双方必须按一定的规程进行，如双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维护和拆除及数据流量控制等。,通信系统：硬件（信道+结点/设备）；软件（通信协议）,数据（,Data,）,：传递（携带）信息的实体。,信息（,Information,）,：是数据的内容或解释。,信号（,Signal,）,：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。,模拟信号、数字信号,基带（,Base band,）、宽带（,Broad band,）,信道（,Channel,）,：传送信息的线路（或通路）。,时延（,Delay,）,：,信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。,时延,=,处理时延,+,排队时延,+,发送时延,+,传播时延,处理时延,=,对数据进行处理和错误校验所需的时间,排队时延,=,数据在中间结点等待转发的延迟时间,发送时延,=,数据位数,/,信道带宽,传播时延,=,d/s,d,:,距离，,s,:,介质中信号传播速度,(,0.7c),基本术语,协议,在计算机网络中，协议,(protocol),是通信双方必须严格遵守的规则。,协议精确地规定在网络通信中使用的各种控制信息的格式、意义以及各种事件出现的先后顺序。,协议在通信网络中起着非常重要的作用：,寻址,差错控制,流量控制,信道复用,。,信号和信号传输,基带（基本频带）传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲。近距离通信的局域网都采用基带传输，信号由矩形脉冲组成。,信号和信号传输,数字信号通过实际的信道,失真不严重,失真严重,实际的信道,（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输入信号波形,输出信号波形,(,失真不严重,),输入信号波形,实际的信道,（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输出信号波形,(,失真严重,),模拟传输和数字传输所使用的技术,话音,移频,调制,模拟,数字,模拟,模拟,PCM,编码,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,调制,1,）,2,）,3,）,1),使数字数据能在模拟信道上传输,三种常用的调制技术：,幅移键控,ASK,（,Amplitude Shift Keying,）,频移键控,FSK,（,Frequency Shift Keying,）,相移键控,PSK,（,Phase Shift Keying,）,原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。,载波信号,S(t)=,A,cos(,t+,),S(t),的参量包括：,幅度,A,、,频率,、初相位,调制就是要使,A,、,或,随数字基带信号的变化而变化,ASK,：用载波的两个不同振幅表示,0,和,1,FSK,：用载波的两个不同频率表示,0,和,1,PSK,：用载波的起始相位的变化表示,0,和,1,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK,FSK,PSK,2),数字编码,1,0,1,1,0,0,1,1,1,0,0,时钟,NRZ,Manchester,差分,Manchester,3,）使模拟数据能在数字信道上传输,采样定理：,如果模拟信号的最高频率为,F,，若以,2F,的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。,要转换的模拟数据主要是电话语音信号,模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：,采样,：按一定间隔对语音信号进行采样,量化,：把每个样本舍入到最接近的量化级别上,编码,：对每个舍入后的样本进行编码,编码后的信号称为,PCM,信号（脉码调制,Pulse Coded Modulation,）。,脉码调制（,PCM,）的原理,PCM,输出：,001 001 100 011,111 100 001 100,数据传输的同步技术,目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：,同步脉冲频率,数据从什么时候开始，什么时候结束,位边界,数据块边界,数据通信中需要在三个层次上实现同步：,位,位同步,字符,字符同步,帧,(Frame),帧同步,位同步,：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，,2,种同步方法：,外同步,发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号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），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,字符同步,：找到正确的字符边界。,常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：,1,个起始位、,5,8,个数据位、,1,、,1.5,或,2,个停止位,采用这种同步方式的通信也称“异步通信”。,起止式的优缺点：,频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；,每两个字符之间的间隔时间不固定；,增加了辅助位，所以传输效率低；,例如，采用,1,个起始位、,8,个数据位、,2,个停止位时，其传输效率为,8/1173,起始位,数据位,停止位,字符间隔不固定,1,个字符时间,逻辑,“,0,”,逻辑,“,1,”,帧同步,：识别一个帧的起始和结束,。,帧（,Frame,）,：数据链路中的传输单位,包含数据和控制信息的数据块,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,面向比特的,以特殊位序列（,7EH,，即,01111110,）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧,帧起始,控制信息,数据,帧结束,校验和,0,n bit,8bit,8bit,8-32,m,7EH,7EH,信道：物理层介质,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X,射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅,无线电,调频,无线电,海事,无线电,光纤,电视,(Hz),f,(Hz),f,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,10,4,10,5,10,6,10,7,10,8,10,9,10,10,10,11,10,12,10,13,10,14,10,15,10,16,10,0,10,2,10,4,10,6,10,8,10,10,10,12,10,14,10,16,10,18,10,20,10,22,10,24,移动,无线电,电信用电磁波频谱,-,The Electromagnetic Spectrum,常用传输介质的比较,传输介质,传输方式,速率,/,工作频带,传输距离,性能,价格,应用,双绞线,宽带,基带,1Gb/s,模拟,:10km,数字,:500m,较好,低,模拟,/,数字信号传输,50,同轴电缆,基带,10Mb/s,3km,较好,较低,基带数字信号,75,同轴电缆,宽带,450MHz,100km,较好,较低,模拟电视、数据及音频,光纤,基带,40Gb/s,20km,以上,很好,较高,远距离高速数据传输,微波,宽带,4-6GHz,几百,km,好,中等,远程通信,卫星,宽带,1-10GHz,18000km,很好,高,远程通信,工业通信系统的可靠性,工业通信系统需要满足高可靠性和安全性需求。大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过,95%,。但是工业通信系统层次需要在干扰频繁的恶劣环境中工作，来自生产过程现场的模拟信号可能出错，传输中常混杂有干扰信号。,可靠性要求,：,1,）控制错误，和,2,）容错,。,即,系统有足够的抗干扰措施，同时要求在无法完全避免错误的情况下，有差错控制机制。以保证系统能正常地工作。,常用的差错控制技术,信号在物理信道中传输时，线路,/,电器随机噪声、信号的衰减、频率和相位的畸变、信号在线路上反射、相邻线路间 的串扰等都会造成信号的失真。,噪声有两大类，一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声；另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。,热噪声引起的差错称为随机差错，与前后码元没有关系。它导致的随机错通常较少。,冲击噪声呈突发状，声幅度可能相当大，无法靠提高幅度来避免冲击噪声造成的差错。,差错的控制方法,：检错（纠错码）,-,纠错（出错重传）,差错控制,编码,最常用的差错控制方法是差错控制编码。数据信息在向信道发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个检错码附在数据信息后发送，这个过程称为差错控制编码过程。接收端收到该码字后，检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生，这个过程称为检验过程。,差错控制编码可分为检错码和纠错码。差错控制方法分两类，一类是自动请求重发,ARQ,（,Automatic Repeat reQuest,），另一类是前向纠错,FEC(Forwarding Error Correction),。在,ARQ,方式中，当接收端发现差错时，就设法通知发送端重发，直到收到正确的码字为止。,ARQ,方式只使用检错码。,1.,奇,/,偶校验码,(1),水平奇,/,偶校验码,校验字段占一位，也称校验位，常用于字符校验；,校验位的取值应使整个码字,(,包括校验位,),中为“,1”,的位数 为奇,(,偶,),数。传输时，形成的校验位附加在字符之后传输，可检一位错。,异步传输方式中采用偶校验，编码效率,:Q/(Q+1),同步传输方式中采用奇校验。（信息字段占,Q,位）,例：信息字段 奇校验码 偶校验码,0110001 01100010 0110001,（,2,）垂直奇,/,偶校验码,将被传输的信息进行分组（如按字符分组），分组中的相同位进行奇,/,偶校验，可检一位错。,编码效率为,:PQ/P(Q+1),（假设信息分组占,Q,行,P,列）,例如：,4,行,7,列信息组的垂直奇,/,偶校验码。,信息组：,0,1,1,1,0,0,1,0,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,1,1,0,1,0,1,0,1,垂直奇校验字符,0,1,0,1,1,0,1,垂直偶校验字符,1,0,1,0,0,1,0,0101101,(,奇校验）,例：当约定采用水平,/,垂直奇,/,偶校验码来传输,ASCII,字符集（低位先传）时，若收到的序列“,传输是否正确？能否根据该序列指出实际传输的字符？,1,分组区分校,验字段：,1100101 0,0010111 0,1010101 1,0010011 1,1001111 1,1111001 1,2,偶校验,1100101 0,0010111 0,1010101 1,0010011 1,1001111 1,1111001 1,3,纠错,/,解码,（低位先传）,1010011-OC123:S,1110100-OC164:t,1,1,10101-