ZXQ第二章数据通信基础.ppt

第2章 数据通信基础,教学目的与要求：掌握工业数据通信系统的组成，了解通信系统的性能指标，掌握数据编码方法、数据传输方式、通信线路的工作方式、信号的传输模式，掌握对传输错误的检测和校正方法教学重点：掌握曼切斯特编码和差分曼切斯特编码的编码规则及其波形教学难点：CRC循环冗余校验的工作原理、海明码的错误检测与纠正,第2章 数据通信基础,2.1 基本术语数据通信系统的组成2.2 通信系统的性能指标有效性指标可靠性指标通信信道的频率特性介质带宽信道容量信噪比对信道容量的影响,2.3 数据编码（重点）数字数据编码模拟数据编码2.4 数据传输方式串行传输和并行传输同步传输与异步传输位同步、字符同步与帧同步2.5 通信线路的工作方式单工通信半双工通信全双工通信2.6 信号的传输方式基带传输、载波传输与宽带传输2.7 传输差错的检测与校正（难点）,总线与总线操作,总线 (bus)　信号的公用传输线现场总线(filed bus)用于连接多个现场测量控制设备、在各现场设备之间传递信号的共享传输介质,总线段（bus segment）指总线和通过总线连接在一起的多个设备的组合，也被称为现场总线系统的一个网段同一总线段上设备的连接与操作方式遵循同一种协议规范多个总线段可连接成现场总线网络系统干线（trunk）为其他分支线路提供信号的通信主通道分支（spur）从干线连接到某些终端设备的支线电路。

总线与总线操作,总线操作(bus operation)总线上数据发送者与接收者之间从连接数据传送脱开这一操作序列称为一次总线操作连接（connect）指在相同或不同设备内，通信对象之间的逻辑绑定（binding）脱开(disconnect)指完成一次或多次总线操作后，发送者与接收者之间断开连接关系，放弃对总线占有权的过程数据传送(data transmission)通信连接及随后的报文发送与接收过程指跨越总线的数据读写操作过程,总线与总线操作,冲突(Contention)　总线是多个设备之间信号传输的公共路径, 当有一个以上设备企图同时占用总线时引发的矛盾，被称为冲突总线仲裁 (bus arbitration)总线仲裁指对总线冲突的处理过程，某一时刻只允许一个设备占用总线，等到它完成总线操作，释放总线占有权后，才允许其他设备占用总线总线仲裁用于根据某种规则确定下一个时刻具有总线占有权的设备总线仲裁有集中仲裁与分布式仲裁两种,总线与总线操作,集中仲裁(centralized arbitration)仲裁过程由某个特定的单元完成如果有两个以上主设备同时请求使用总线时，由该特定的仲裁单元根据规定的仲裁方案实行仲裁。

分布式仲裁(distributed arbitration)仲裁过程在各个主设备中自主完成按各主设备的优先级实现仲裁，如遇多个设备同时请求使用总线，待仲裁结束时，有最高优先级代码的设备取得总线访问权按网络地址轮流占用总线，仲裁周期传递的仲裁代码与某设备的地址相同，表明该设备在下一时刻获得总线访问权,总线与总线操作,访问等待时间(Access latency)总线设备为获得总线占有权而等待仲裁的时间总线持有时间(bus holding time)从获得总线占有权到主设备脱开总线的时间间隔称为总线持有时间、或总线占有期,总线与总线操作,语法(syntax)通信数据的结构、格式及次序如一个简单的协议可以定义数据的前面8位（或16位）是发送者地址即源地址的二进制码，接着的8位（或16位）是接收者地址即目的地址的二进制码，后面紧跟着的是要传送的指令或数据等语义(semanteme)指通信数据位流中每个部分的含义，收发双方正是根据语义来理解所通信数据的意义如该数据表明了现场某点的温度测量值，该点温度是否处于异常状态，该温度测量仪表本身的工作状态是否正常等,报文与协议,时序安排(scheduling)时序安排包括：各节点数据发送时间的先后次序；发送数据时占用通道的时间；数据的传输速率收发双方往往需要以某种方式校对时钟，并协调数据处理的快慢由于传输迟延、路由路径等原因，可能出现数据收发次序错乱的现象。

这在某些控制系统、特别是装置启停控制的过程中，不容许发生的现象,报文与协议,通信术语,位时间（bit time）通信中传输1个数据位即1比特所需要的时间位时间也被称为比特时间传输速率（Transmission rate）单位时间内传送数据量的多少传输速率是位时间的倒数常用单位是每秒传输数据的位数,也被称为比特率记作bit/s或bps工业数据通信中常用的数据传输速率为9600、31.25K、500K、1M、2.5M、10M以及100Mbps等,通信术语,波特（Baud）指信号的一个变化波形波特率（Baud rate）每秒传输信号波的个数称为波特率单位为波特，记作Baud 或B,数据信号,时钟信号,数据波形,同步(synchronous)同步是串行数据通信中收发双方对时钟周期采取的一致性措施，是保证数据通信正确进行的重要措施位同步(bit synchronous) 收发双方在每个数据位保持时钟周期的一致即同步位同步要求接收端与发送端定时信号的频率相同，并使数据信号与定时信号间保持固定的相位关系接收端可以从接收信号中提取位同步信号,通信术语,字符同步(Character or word synchronous) 以字符作为一个独立整体组织成组，在每组字符之前加上一个或多个同步字符的传送方式。

传输开始时用同步字符使收发双方进入同步接收端接收到同步字符，并根据它来确定字符的起始位置计算机与其外设间的通信中通常采用字符同步帧同步(Frame synchronous)收发双方以数据帧的起始标志和帧尾结束标志为特征实行同步的工作方式将数据帧作为一个整体，实行起止同步帧同步是现场总线系统通信中主要采用的同步方式,通信术语,传输时间（Transmission time）指数据从链路或网段的发送端传送到接收端所需要的时间，也被称为传输迟延包括：把数据从节点送上传输介质所用的发送时间，发送时间等于数据块长度与数据传输速率之比信号通过一定长度的介质所需要的传播时间，传播时间等于信号途经的信道长度与电磁波的传输速率之比途经路由器交换机一类的网络设备时所需要的排队转发时间，转发时间则取决于网络设备的数据处理能力和转发时的排队等待状况,通信术语,吞吐量（throughput）表示系统单位时间内收发的数据量，如数据位数、比特数、字节数、或帧数用于描述通信系统或网络系统的数据交互能力是通信系统有效性的指标之一频带利用率单位频带内所能实现的传输速度以每赫兹带宽所能实现的比特率为单位：bit/s.Hz用于描述传输介质有效性。

通信系统的有效性不仅看比特率，还要看其占用带宽的大小，因为传输系统的带宽通常不同,通信术语,协议效率所传数据包中的有效数据位与整个数据包长度的比值一般是用百分比表示是衡量通信系统软件有效性的指标之一协议效率越高，其通信有效性越好不同的通信协议通常具有不同的协议效率协议效率可用作对通信帧中附加量的量度在通信参考模型的每个分层，都会有相应的层管理和协议控制的加码从提高协议编码效率的角度来看，减少层次可以提高编码效率,通信术语,通信效率（Communication Efficiency）传输数据帧的时间与用于发送报文的所有时间之比用于描述通信过程的有效性用于发送报文的所有时间包括传输时间，竞用总线或等待令牌的排队时间通信效率为1，就意味着所有时间都有效地用于传输数据帧通信效率为0，就意味着总线被报文的碰撞、冲突所充斥闲聊（jabber）指因通信设备故障，在传输介质上连续不断地传输与有用信息无关的信号闲聊时的通信效率为0,通信术语,,数据通信系统的组成,数据通信系统的组成 发送设备接收设备传输介质传输报文通信协议数据通信系统实际上是一个硬软件的结合体,数据通信是两点或多点之间借助某种传输介质进行信息交换的过程。

工业数据通信系统中的数据主要是与生产过程参数密切相关的数值、状态、或操作指令等数据通信技术主要涉及通信协议、信号编码、通信接口、时间同步、数据交换、通信控制与管理、安全等问题 数据通信系统主要负责将数据按编码格式形成通信信号在两点或多点之间传输，一般不改变数据内容,数据通信系统的典型发送与接收设备,各种变送器、传感器、各种数据采集装置可编程逻辑控制器PLC，PID控制器等作为监视操作设备的监控计算机或工作站各种调节阀门变频器机器人网络连接设备：中继器、网桥、网关等上述设备既可为发送设备，又可为接收设备,传输介质,传输介质是从发送设备到接收设备之间用于传递信号的媒介，是连接收发双方的物理通路典型传输介质有线传输介质：双绞线、电缆、电力线、光缆等；无线传输介质：如电磁波、红外线；传输介质的特性对网络中数据通信质量影响很大物理特性：传输介质的物理结构（铜缆、光缆）； 传输特性：允许的传输速率、频率、容量以及调制技术；连通特性：点对点；一对多点的连接方式；地理范围：最大传输距离；抗干扰性：对噪声、电磁干扰等的抵御能力,报文与通信协议,报文与通信协议都属于通信系统中的软件 报文指包含有文本、命令、参数值、图片、声音等数字信息的通信帧通信协议是通信系统中理解通信数据意义和控制数据通信的一组规则规定通信内容的含义规定通信何时进行规定通信如何进行按协议规定的语法、语义和时序进行通信帧的组织和调度。

通信协议可上升为标准或行规如国际标准化组织的ISO标准，IEC标准等,广义通信系统模型 香农（C. E. Shannon）,信源为待传输数据的产生者；信宿为数据的使用者（用户）发送器将数据信息变换为适合于信道上传输的信号 接收器从信道上接收信号并在信宿处变换为数据信息信道指发送器与接收器之间用于传输信号的物理介质噪声：通信中干扰信号传输、妨碍信号正确接收和理解的因素,,2.2通信系统性能的指标通信系统有效性指标：传输速率传输时间吞吐量频带利用率协议效率通信效率通信系统可靠性指标误码率,2.2.2 可靠性指标,误码率误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标它是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率N为传输的二进制码元总数，Ne为被传输错的码元数理论上应有Ｎ→∞ N足够大时，才能把Pe近似为误码率误码率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数 实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，在数据传输速率确定后，误码率越低，数据传输系统设备越复杂，造价越高计算机通信的平均误码率要求低于10-9,,,2.2.3 通信信道的频率特性,不同频率的信号通过信道时，其波形的幅值、相位的变化特性幅频特性指不同频率信号通过信道后其幅值衰减的变化特性。

相频特性是指不同频率的信号通过信道后，其相角发生不同程度改变的特性数字信号的频谱与带宽,数字信号的频谱与带宽数字信号可以被分解成无穷多个频率、幅度、相位各不相同的正弦波传输数字信号相当于是在传送无数多个简单的正弦信号信号所含频率分量的集合称为频谱频谱所占的频率宽度称之为带宽有效频谱与带宽以一定的幅度门限为依据，信号中幅度超过规定门限的频谱为该信号的有效频谱有效频谱的频带宽度称之为有效带宽数字信号的频谱与带宽数字信号 数字信号的频谱与带宽,实际频谱,有效频谱,理论上矩形波信号具有的频谱为无穷大，如右上图所示介质所能传输的信号频率范围称为介质带宽介质只能传输有效带宽在介质带宽范围内的信号如果介质带宽小于信号的有效带宽，信号就可能产生失真如果信号频谱在信道带宽范围内，信号经传输后不失真如果信号频谱超过信道带宽，则信号经实际信道传输后其波形可能产生畸变，信号波形失真传输介质的频率特性实际传输线路存在电阻、电感、电容，由它们组成分布参数系统由于电感、电容的阻抗随频率而变，使得信号的各次谐波的幅值衰减不同，相角变化不同实际传输介质只能传输某些频率范围内的信号。

部分频率分量在传输过程中被严重衰减，导致接收端信号的带宽变窄，接收信号发生畸变。