楼宇智能化技术第4版 许锦标 张振昭第1章

楼宇智能化技术,广东工业大学自动化学院,第一章 信息传输网络技术,第一节 功能及传输对象 第二节 网络传输介质 第三节 网络技术基础 第四节 通信网络(广域网) 第五节 计算机网络(局域网),第一节 功能及传输对象,一、网络的基本功能 二、数据与信号 三、模拟传输和数字传输,一、 网络的基本功能,楼宇的信息传输是“楼宇智能化“的基础功能，信息传输网络是智能楼宇的神经系统，它不仅能实现话音通信，而且能实现话音、数据、图像的综合传输、交换、处理和利用，它包括: 1)支持建筑物内部有线电话、有线电视、电信会议等话音和图像通信。 2)支持楼宇设备自动监控、楼宇运营管理、住户共用信息处理、住户专用信息处理等系统中设备之间的数据通信。 3)支持各种广域网连接，包括具有与公用电话网、公用数据网、移动通信网和各种计算机通信网的接口。,智能楼宇对信息传输的需求，可从以下几方面分析 1)商用个人计算机(PC)、传真机、文字处理机、工作站的安装量和生产量 2)数据通信需求状况 3)多媒体通信的需求 适用于智能楼宇的信息传输网络，目前主要有三种技术 1)程控用户交换机PABX(Private Automatic Branch eXchange)网 2)计算机局域网络LAN(Local Area Network) 3）PABX与LAN的综合以及综合业务数字网ISDN(Integrated Services Digital Network),二、数据与信号, 模拟数据和数字数据 数据可以分为模拟数据和数字数据两种形式。模拟数据是连续的值。例如：声音和电视图像就是强度连续变化的，大多数用传感器搜集的数据，例如温度和压力，都是连续取值的，它们都是模拟数据。数字数据是离散的值。不仅在时间上离散，而且在幅度上也是离散的值（即幅度只取有限个离散的值）模拟数据可以通过“数字化”处理，转变成数字数据. 模拟信号和数字信号 模拟信号是电磁波，这种电磁波可以按照不同频率在各种介质上传输。例如，话音经过声-电转换器变成一个模拟电信号。数字信号是一系列的电脉冲。模拟数据可以用模拟信号来表示，数字数据可以用数字信号表示。,三、模拟传输和数字传输,数字传输称为基带传输，模拟传输称为宽带传输。 模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而也可以用这些形式传播，右图为示意图。,第二节 网络传输介质,一、 信道和传输损耗 二、 双绞线 三、 同轴电缆 四、 光纤 五、 无线信道 六、 传输介质的选择,一、 信道和传输损耗, 信道分类 按信道的用途分 例如用于电话的叫电话信道，用于电报的叫电报信道，用于电视的叫电视信道等 按传输介质分 分为有线信道和无线信道，有线信道中的双绞线、同轴电缆和光纤，以及无线信道中的无线微波接力和卫星中继通信系统。 按传输信号的频谱分 分为基带传输信道和载波信道 按允许通过的信号分 分为模拟信道和数字信道 按使用的方法分 分为专用(租用)信道和公共(交换)信道, 信道容量,一个给定信道的信道容量是在传输差错概率趋于零的条件下，单位时间内可以传输的信息量，或把信道能够传送信息的最大速率信道容量。 香农导出了一个公式来计算理论上的信道容量,它与信道带宽以及分布于该有限带宽上的信噪比有关。该公式如下式所示: C=×log2 1+S/N 在这个公式中，S是信号通过信道的功率，以W为单位;N是信道上噪声的功率，单位为W;而则是信道的带宽，单位为Hz。 传输损耗 信号在信道中传输时，面临许多损耗，其中，最重要的是衰减、延迟畸变和噪声。,二、 双绞线,物理描述 双绞线由两条绝缘铜导线排成匀称的螺旋状组成，一对线作为一条通信线路。通常，一定数量这样的导线对捆成一个电缆，外面包着硬保护性护套。电缆中可以有多对线。导线对的绞纽可以减少线对之间的电磁干扰。以提供相对稳定的导电特性。电缆的粗细为4.517mm不等，如图1-3所示。,2.特性传输,双绞线可以用于传输模拟及数字信号。对于模拟信号，每隔56km需要放大器，对于数字信号，每隔23km需要转发器。与其他传输介质相比，双绞线的传输距离、带宽和数据率有限。当频率增高时，信号衰减增大。 其他损耗对双绞线也很严重。由于其易于和电磁场藕合，它对于干扰和噪声相当敏感。例如，与交流电力线平行的线会获得50Hz的交流干扰。脉冲噪声也易于侵入双绞线。 可以采取一些措施来减少损耗。如用金属编织网来屏蔽，可减少干扰;线的绞纽可减少低频干扰，相邻的线对采用不同的纹纽长度可减少串音。另一个技术是使用平衡传输线。对于非平衡线路，双绞线的一条是地电位，而对于平衡传输，二条线都高于地电位，它们携带信号(例如表示二进制0和1)的幅度相同，但相位相反，接收端是用相位差来判断而不是用幅度差来判断，因而可有效降低加性噪声的干扰，增加传输距离。,双绞线最常用于声音的模拟传输。虽然语音的频谱在20Hz20kHz之间，但是进行可理解的语音传输所需要的带宽却窄得多。一条全双工音频通道的标准带宽是300Hz4kHz。在一根双绞线上，使用频分多路复用技术可以进行多个音频通道的多路复用。每个通道4kHz的带宽，并在通道间提供适当的隔离。双绞线的带宽可达268kHz，具有24条音频通道的容量。 使用Modem就可以在模拟音频通道上传输数字数据。根据目前Modem的设计，使用移相键控法PSK，实用的速度达到9600bps以上。在一条24通道的双绞线上，总的数据传输率是230kbps. 也可以在双绞线上发送数字信号。目前，3类标准的无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair)数据传输率达到10Mbps,5类标准的UTP数据传输率达到100Mbps,150的屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）数据传输率超过100Mbps。,应用,到目前为止，用于模拟和数字数据通信中非常普遍的传输介质仍是双绞线。它是电话系统的支柱。双绞线也被广泛用于微机局域网络的传输介质，双绞线最适合用于局域网络内点点之间的设备连接，但很少用于作为广播方式传输的共用媒体。因为广播方式的总线通常需相当长距离的非失真传输。另外，要想不影响其他用户，又不较大地改变传输特性，而同时要对双绞线进行抽头是比较困难的。,三、 同轴电缆 物理描述,像双绞线一样，同轴电缆也是由两个导体组成，但其结构不同。它能在 一个较宽的频率范围内工作。同轴电缆的基本结构如图1-4所示。它由一 个空心的外圆柱面导体包着一条内部线形导体组成。外导体可以是整体 的或金属编织的，内导体是整体的或多股的。用均匀排列的绝缘环或整 体的绝缘材料将内部导体固定在合适的位置，外部导体用绝缘护套覆 盖。单根同轴电缆的直径大约为0.52.5cm,几个同轴电缆线往往套在一 个大的电缆内，有些里面还装有2芯纽绞线或4芯线组，用于传输控制信 号。同轴电缆的外导体是接地的，由于它的屏蔽作用，外界噪声很少进 入其内。,传输特性,同轴电缆可以传输模拟和数字信号。同轴电缆比双绞线有着优越的频率 特性，因而可以用于较高的频率和数据传输率。由于其屏蔽的同轴心结 构，比起双绞线来，它对于干扰和串音就不敏感。影响性能的主要因素 是衰减、热噪声和交调噪声。对于模拟信号的长途传输，每隔几千米就 需要设置一个放大器。如果使用的频率较高，则此距离还要缩短。模拟 信号传输的可用频率大约可达到400MHz,对于长距离的数字信号传输来 说，每km左右需设置转发器，而要达到较高的传输速率，转发器的间隔 还要近些。在实验室里，转发器间距为16km时，传输数据率可达到 800Mbps。,应用,同轴电缆是用途非常广的传输介质，它广泛地应用于长距离的电话或电报传输、有线电视(电缆电视)、局部网络和短距离系统连接的通信线路等。同轴电缆是长途电话系统中的一种重要传输介质，虽然面临光纤、微波和卫星等传播信道的竞争，但是同轴电缆仍然是普遍应用的介质。利用频分多路复用技术，一条同轴电缆可以同时传送一万多个话音信道。 有线电视网使用视频电缆传送电视信号，在它上面可以开通视频图像通信和交互式信息服务。 同轴电缆极为广泛的用途是被许多局域网络选为广播式传播介质。用粗电缆或细电缆以及标准的接口器件可以连接大量的计算机设备和外部设备。,四、 光纤 光纤的物理描述及光纤传光原理,光纤是能传导光线的一种媒质。多种玻璃和塑料可用于制造光纤。超纯纤维制造成本高，损耗稍高的多成分玻璃纤维也能达到较好的传输性能，并且成本低。塑料纤维更是便宜，可用作短距离的传输媒质。 图1-5是目前己经实用化的一种多模光纤的结构。它由直径为5075m的玻璃纤维芯线和适当厚度的玻璃包层构成。芯线的折射率n1略大于包层的折射率n2,在芯与包层之间形成良好的光学界面。,光纤信道的组成,光纤信道的简化框图如图1-8所示。它由光源、光纤线路和光探测器等三个基本部件组成。 光纤信道可以传送模拟和数字信息。但目前由于光源特别是激光器的非线性比较严重，模拟光纤系统用得较少，而广泛采用的是数字光纤信道，即用光载波脉冲的有无来代表二进制数据。光纤信道是典型的数字信道。,传输特性,光纤利用光的全反射来传输携带电信号的光线，光波覆盖可见光频谱和部分红外频谱。与其他信道一样，光纤信道也存在传输损耗，而且有时延失真。 时延失真(畸变) 时延失真表现为输入的信号脉冲经光纤传输后，输出的脉冲展宽，限制了传输数据率，因为高的数据率使脉冲间距减小，那么输出脉冲就会重叠，发生码间串扰现像。导致时延失真的原因是色散和时散。 传输损耗 产生传输损耗的主要原因是瑞利散射和材料吸收。如果光纤发生弯曲，还可能带来附加的损耗，这是由介质不均匀以及光入射角度的变化引起的。但实测表明，当弯曲半径大于8cm时，其损耗可以忽略。 目前有一种多点使用光导纤维的方法，它在商业上是实用的，称为无源星形耦合器。这种构形在物理上是星形结构，但是在逻辑上是总线结构。无源星形耦合器实际上是许多光导纤维熔化在一起制造而成的。任何输入到耦合器一边的一条纤维上的光线都被等分，并从另一边的所有纤维上输出。这样，每一台设备需要有两条纤维连接到耦合器。,应用及特点,实用的光纤通信系统已在国内外普遍应用。单模光纤不仅适用于长距离大容量点到点的通信，在广域网和局域网中的应用尤为乐观，许多厂家推出了光纤局域网产品。光纤分布式数据接口(FDDI)标准、快速以太网标准支持1O0Mbps的数据率, 千兆以太网标准支持1O00Mbps的数据率。同双绞线和同轴电缆相比,光纤具有下列优点： 较大的带宽 尺寸小而重量轻 较低的衰减 电磁隔离 较大的转发器间距 由于光纤通信具有损耗低、频带宽、数据率高、抗电磁干扰强等特点，对高速率、距离较远的局域网也是很适用的。,五、 无线信道 微波信道,微波（130GHz）的波长很短，它具有类似光的传播特性，在自由空间里只能像光波一样沿直线传播，即所谓的视线传播，其绕射能力、穿透性很弱。在传播过程中遇到不均匀介质时，将产生折射和反射现像。微波要在更远距离传输信息，就需要采用“接力”方式了。 微波信道具有如下特点： 微波信道频段的频带很宽，传输数据率较高，可以容纳同时工作的无线电设备就多。 在高频段，受工业、无线电(中、长、短波)和宇宙等外部干扰的影响小，可使其传输能力大大提高。 在lOGHz以下的波段受风雨雪等恶劣气像条件的影响小，可使其稳定度大大提高。 发射波束在视线范围内直线、定向传播，保密性较全向的无线电波高。 与电缆通信相比，其通信质量相当，并且具有初期投资少，建设速度快，便于翻山过水和机动灵活等优点，但保密性和日常维护不及电缆通信。,卫星中继信道,卫星中继构成的信道可视为无线接力信道的一种特殊形式，它是以距地面35860km的同步卫星为中继站，实现地球上18000km范围内的多点之间的联接。 卫星通信信道中传输的最适宜频率范围是11OGHz，低于1GHz时，相当大的噪声来自于自然界，包括银河系、太阳系及大气层的噪声，还