工业数据通信基础课件.ppt
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1、第章工业数据通信基础2.1 2.1 数据传输方式数据传输方式2.1.1 2.1.1 单工、全双工和半双工传输单工、全双工和半双工传输 单工传输单工传输(simplex transmission)全双工传输全双工传输(duplex transmission)半双工传输半双工传输(half-duplex transmission)2.1.2 2.1.2 异步传输和同步传输异步传输和同步传输1.1.同步同步 同步包含了两个方面的要求:同步包含了两个方面的要求:接收方基准时钟起始位置必须和收到的位串的起始位置对准,即帧同步、字符同步;接收方基准时钟要和位串每一位对准,即位同步。实现帧同步和字符同步的方
2、法:实现帧同步和字符同步的方法:一般是在帧和字符前后增加标志字符和标志位。实现位同步有两种方法:实现位同步有两种方法:外同步(时钟信号线、数据传输线);内同步(时钟和数据一起编码)。2.1.2 2.1.2 异步传输和同步传输异步传输和同步传输(续续1)1)2.2.异步传输异步传输 (asynchronous transmission)通信双方使用独立的定位时钟通信双方使用独立的定位时钟,但要事先约定好但要事先约定好同样同样的传输速率的传输速率,以便进行以便进行位同步位同步;以字符为单位进行数据传输以字符为单位进行数据传输,每一个字符前后各加一每一个字符前后各加一个个起始位起始位和一个和一个停止
3、位停止位,以便实现以便实现字符同步字符同步;异步传输速率异步传输速率常有:常有:300、600、1 200、2 400、3 600、9 600和和19 200 b/s;RS-232C接口接口,使用异步传输方式。使用异步传输方式。2.1.2 2.1.2 异步传输和同步传输异步传输和同步传输(续续2)2)图图3.1 异步传输异步传输 的字符格式的字符格式 起始位起始位“0”,1比特:比特:标志着字符的开始标志着字符的开始,引起引起接收方的注意接收方的注意,准备接收后面的有效字符;准备接收后面的有效字符;停止位停止位“1”,12比特:比特:标志着传送字符的结束标志着传送字符的结束,使接收方有一个缓冲
4、处理的时间;使接收方有一个缓冲处理的时间;Bit1Bit7是是7比特的字符:比特的字符:有有5、6、7及及8比特;比特;奇偶校验位奇偶校验位:易于实现易于实现,编码效率高编码效率高,但只能检但只能检测出奇数个错而不能检测出偶数个错。测出奇数个错而不能检测出偶数个错。起始位起始位Bit1 Bit2 Bit3 Bit4Bit5Bit6 Bit7Bp停止位停止位2.1.2 2.1.2 异步传输和同步传输异步传输和同步传输(续续3)3)3.3.同步传输同步传输(synchronous transmission)数据不是以字符而是数据不是以字符而是以帧以帧(frame)为单位为单位进行进行传送;传送;帧
5、同步帧同步:帧定界符帧定界符;位同步位同步:通信双方使用:通信双方使用同一时钟同一时钟发送与接收;发送与接收;适用于适用于快速的和较大规模快速的和较大规模的信息传输,的信息传输,以太网以太网中应用;中应用;2.1.2 2.1.2 异步传输和同步传输异步传输和同步传输(续续4)4)3.3.同步传输同步传输(synchronous transmission)(续续1)同步传输有同步传输有两种方式两种方式:面向字符和面向位。:面向字符和面向位。面向字符面向字符的同步传输方式:的同步传输方式:20世纪60年代采用的传输方式;通信链路上所传送的数据是由选定的字符集中字符所组成,如ASCII码字符集;不仅
6、正文由字符集中的字符组成,控制信息也是由同个字符集中若干个指定的字符组成;存在一些缺点,比如它要求所有的通信设备都要使用同样的字符代码。2.1.2 2.1.2 异步传输和同步传输异步传输和同步传输(续续5)5)3.3.同步传输同步传输(synchronous transmission)(续续2)面向位面向位的同步传输方式:的同步传输方式:1974、IBM、SNA(System Network Architecture);在SNA数据链路层采用了面向位的传输规程同步数据链路控制SDLC(Synchronous Data Link Control);后来ISO把SDLC修改,称为高级数据链路控制H
7、DLC(High level Data Link Control),作为国际标准ISO3309;HDLC和SDLC具有相同的帧结构。2.1.2 2.1.2 异步传输和同步传输异步传输和同步传输(续续6)6)HDLCHDLC帧格式帧格式(图(图3.2)比特比特 8 8 8 可变可变 16 8 帧同步帧同步:在一帧的首尾附加有标识符:在一帧的首尾附加有标识符“01111110”,1,1字节字节 零比特填充法零比特填充法:数据中遇:数据中遇5个个“1”,插入插入“0”地址字段地址字段:目的地址:目的地址,全全“1”为广播为广播 控制字段控制字段:帧的性质和类型帧的性质和类型,数据帧、应答帧和数据帧、
8、应答帧和命令帧等命令帧等 帧校验序列帧校验序列FCSFCS:循环冗余校验循环冗余校验CRC码码 01111110地址地址控制控制数数 据据FCS011111102.1.3 2.1.3 频带传输与基带传输频带传输与基带传输1.1.频带传输频带传输 数字数字数据转换成数据转换成模拟模拟信号信号(调制调制),借助于借助于模模拟信道拟信道(电话系统电话系统)进行传输。进行传输。FDM(Frequency Division Multiplexing):频带传输可利用频分多路复用FDM实现多路复用,提高传输信道的利用率。基本原理是将多路数字信号的每一路用不同的载波频率进行调制,每一路信号调制后占用信道的不
9、同频段,互不重叠干扰,从而实现在一条电缆上进行多路信号的传输。2.1.3 2.1.3 频带传输与基带传输频带传输与基带传输(续续)2.2.基带传输基带传输 对应于频带传输的另一种传输方式对应于频带传输的另一种传输方式;基带基带(base band):数字数据不经调制进行编码变成的数字信号所占用的频带,频谱一般从0开始;在数字数据传输前需进行编码在数字数据传输前需进行编码,转换为数字传输转换为数字传输信号信号,然后然后用数字信道进行传输:用数字信道进行传输:即用不同的电平和波形来代表数字“0”和“1”;可利用可利用TDM(Time Division Multiplexing)实现多路实现多路复用
10、复用,提高传输信道利用率提高传输信道利用率。2.2 2.2 数据转换技术数据转换技术2.2.1 2.2.1 调制解调技术调制解调技术频带传输必须先将频带传输必须先将数字数据数字数据转换为转换为模拟信号模拟信号;调制调制(modulation),解调解调(demodulation);载波载波(carrier):正弦波正弦波 三种调制方法:三种调制方法:*幅移键控法幅移键控法ASK(Amplitude Shift Keying)*频移键控法频移键控法FSK(Frequency Shift Keying)*相移键控法相移键控法PSK(Phase Shift Keying)S(t)=A sin(t+f
11、)图图2.3 2.3 数字数据的数字数据的3 3种调制方法种调制方法幅移键控法幅移键控法ASK/ASK/幅度调制法幅度调制法:容易容易受增益变化受增益变化的影响;的影响;调制解调器很少采用调幅方式。调制解调器很少采用调幅方式。频移键控法频移键控法FSK/FSK/频率调制法频率调制法:一般情况下一般情况下,“1”载波频率变为载波频率变为f+f0,“0”载波频载波频率变为率变为f-f0,其中其中f为中心频率为中心频率,f0为频移量;为频移量;实现简单实现简单,可靠性高可靠性高,用于用于频率不高频率不高的调制解调器;的调制解调器;一个例子:美国一个例子:美国Bell-103 modem。图图3.42
12、.2.1 2.2.1 调制解调技术调制解调技术纠错码(error-correcting code),可以纠错的编码C(x)=xr K(x)+R(x)=G(x)Q(x)+R(x)+R(x)在光纤使用早期,各电话公司有自己的专用光纤TDM主干线路。码多项式:C(x)=Cn-1xn-1+Cn-2xn-2+C1x+C0SONET TDM:用相位跳变表示数字0/1(正跳变/负跳变)。容易受增益变化的影响;数字数据已有了1/0码值区别,为何不直接使用高/低电平加到物理信道上传输,而要编码呢?须外同步方式,增加投资;Bit1Bit7是7比特的字符:有5、6、7及8比特;选32个5B码中至少有两个1的编码,F
13、DDI在光纤中传输的光信号至少发生两次跳变,4B/5B(4 out of 5)编码若余数为零,则认为传输无误;N可以是3、4、6、8、12、16和64等。分组在发送时必须标上表示顺序的标志,以便在目的结点重组。5/125、100/140 m等,4 波分多路复用WDM/DWDM频带传输必须先将数字数据转换为模拟信号;载波(carrier):正弦波图图3.4 频率调制解调器频率调制解调器Bell-103(1170100Hz及 2150 100Hz1)采用采用全双工全双工的传输方式;的传输方式;在每个通道上在每个通道上,通信双方都可以主动地启动一次通信过程。通信双方都可以主动地启动一次通信过程。相位
14、调制法相位调制法:二相二相调制调制(图图3.3c):相位是反相的相位是反相的,差差180度。度。四相四相调制调制(表表3.1):八相八相调制调制(表表3.2):数字数据数字数据00011011相位(度)相位(度)090180270数字数据数字数据000001010 011100101110111相位(度)相位(度)0 45901351802252703152.2.1 2.2.1 调制解调技术调制解调技术(续续)2.2.2 2.2.2 编码解码技术编码解码技术 编码(编码(coding)意义)意义:有利于接收端有利于接收端区分区分 0 与与 1;传输信号中传输信号中携带时钟携带时钟;充分利用信道
15、充分利用信道,达到更高的数据传输速率。达到更高的数据传输速率。编码方法:编码方法:不归零制不归零制编码;编码;(差分差分)曼彻斯特曼彻斯特编码编码;4B/5B(4 out of 5)编码编码;多进制多进制编码编码。数字数据已有了数字数据已有了1/0码值区别码值区别,为何不直接使用为何不直接使用高高/低电平加到物理信道上传输低电平加到物理信道上传输,而要编码呢而要编码呢?2.2.2 2.2.2 编码解码技术编码解码技术 (续续1)1)1.1.不归零制编码不归零制编码(Non-Return to Zero Coding)用不同的电平信号表示用不同的电平信号表示0/1,+5V表示“1”,0V表示“0
16、”(单极性码),+5V表示“1”,-5V表示“0”(双极性码)。信号占满整个码元宽度信号占满整个码元宽度,中间不归零。中间不归零。问题:问题:难以区分0与1;须外同步方式,增加投资;直流分量:造成传输线路的电压漂移,导致信号的畸变,难以使用交流耦合的器件与电路。2.2.2 2.2.2 编码解码技术编码解码技术(续续2)2)2.2.曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester Coding)以太网使用;以太网使用;用相位跳变表示数字用相位跳变表示数字0/1(正跳变(正跳变/负跳变)负跳变)。优点:优点:自带时钟码自带时钟码(self-clocking-code);相位的跳变容易判断容易判断0/
17、1;无直流分量无直流分量。缺点:缺点:传输效率减少了一半减少了一半,100Mb/s的数据传输速率需要有200Mbaud的码元传输速率。2.2.2 2.2.2 编码解码技术编码解码技术(续续3)3)3.3.差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differential M.C.)令牌环令牌环使用;使用;在每一数据位的中间也有一个跳变在每一数据位的中间也有一个跳变,只用来生成只用来生成同步时钟信号同步时钟信号,不用跳变的相位表示数字不用跳变的相位表示数字“0”和和“1”;每位开始有无跳变每位开始有无跳变(有有/无无)表示数字表示数字0/1;在解码过程在解码过程,只要把前一位的后半位和本位的前只要把前一
18、位的后半位和本位的前半位进行半位进行“异或异或”,相同相同“1”;不同不同“0”。图图3.5 数字数据编码数字数据编码2.2.2 2.2.2 编码解码技术编码解码技术(续续4)4)4.4.4B/5B(4 out of 5)编码编码 FDDI使用;使用;4B/5B编码将欲发送的数据流编码将欲发送的数据流每每4比特比特作为作为一组一组,然后将每组按然后将每组按4B/5B编码规则转换成编码规则转换成相应的相应的5B码码;优点:优点:选32个5B码中至少有两个1的编码,FDDI在光纤中传输的光信号至少发生两次跳变,选32个5B码中没有连续的个的编码,保证接收端时钟提取,易于同步。2.2.2 2.2.2
19、 编码解码技术编码解码技术(续续4)4)4.4.4B/5B(4 out of 5)编码编码 5B码和码和4B码的对照情况:码的对照情况:代表符号代表符号 4B码码 5B码码 代表符号代表符号 4B码码 5B码码 0 0000 11110 8 1000 10010 1 0001 01001 9 1001 10011 2 0010 10100 A 1010 10110 3 0011 10101 B 1011 10111 4 0100 01010 C 1100 11010 5 0101 01011 D 1101 11011 6 0110 01110 E 1110 11100 7 0111 01111
20、 F 1111 11101 2.2.2 2.2.2 编码解码技术编码解码技术(续续4)4)4.4.4B/5B(4 out of 5)编码编码 一般形式为一般形式为mBnB,mn,把,把m比特一组比特一组的二进制码用的二进制码用n比特的代码组来表示比特的代码组来表示;4B/5B、5B/6B、8B/10B等等;100Mb/s的双绞线以太网的双绞线以太网100BaseTX也使用也使用4B/5B编码。编码。193b125 s=1.3 同步光纤网SONET/SDH(续)不归零制编码(Non-Return to Zero Coding)虚电路(virtual circuit)方式:采用全双工的传输方式;虚
21、电路与电路交换非常相似的3个传输步骤:传输效率减少了一半,100Mb/s的数据传输速率需要有200Mbaud的码元传输速率。代表符号 4B码 5B码 代表符号 4B码 5B码在电路上加入一个适当长度的天线,电磁波便可以有效地通过天线广播,在距离天线一定范围内可以被接收器收到;采用全双工的传输方式;当光照到它时会产生电流。实现位同步有两种方法:比特 8 8 8 可变 16 8分类:基带同轴电缆,宽带同轴电缆*相移键控法PSK(Phase Shift Keying)3 同步光纤网SONET/SDH单模光纤 single-mode fiber:C(x)=xr K(x)+R(x),(n-1)次。外同步
22、(时钟信号线、数据传输线);3以太网介质访问控制帧中采用的CRC校验生成多项式。2.2.2 2.2.2 编码解码技术编码解码技术(续续5)5)5.5.多进制编码多进制编码 四四进制:进制:码元状态数码元状态数4;M进制:进制:码元状态数码元状态数M;四四/M(M=2n)进制码每个码元携带了)进制码每个码元携带了2/n 比特数据比特数据。图图3.5 图图2.5 四进制基带传输信号四进制基带传输信号2.3 2.3 多路复用技术多路复用技术 多路复用多路复用(Multiplexing)由来由来:铺设、维护高带宽干线和低带宽线路的成本是基铺设、维护高带宽干线和低带宽线路的成本是基本相同的本相同的。基本
23、方式基本方式 频分多路复用频分多路复用 FDM 时分多路复用时分多路复用 TDM 例子:广播例子:广播 频分:若干电台频分:若干电台 时分:同个电台的不同节目(音乐、广告)时分:同个电台的不同节目(音乐、广告)2.3 2.3 多路复用技术多路复用技术(续续)在计算机网络系统中在计算机网络系统中:数字传输系统,主要使用时分多路复用技术TDM;采用同步光纤网SONET的TDM,已达到10Gb/s;近十年来,人们对多路复用技术的研究又由电信号的时分多路复用转向光信号的波分多路复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)。码分多路复用码分多路复用/码分多址:码分多址:
24、CDMA(Code Division Multiplexing Address);根据码型(波形)结构的不同实现信号的复用;主要应用于卫星通信和移动通信中。2.3.1 2.3.1 频分多路复用频分多路复用FDM FDM(续续)频分多路复用频分多路复用FDMFDM:以频率作为信号分割的参量,信道频带分成若干频段,每路信号占其中一段。电话系统中电话系统中:每路电话信号的带宽是每路电话信号的带宽是300Hz300Hz3400Hz3400Hz;当多个通道复合到一起时当多个通道复合到一起时,每个通道分配每个通道分配 4000Hz4000Hz作为标准带宽;作为标准带宽;在各路信号间留有在各路信号间留有防护
25、带防护带避免串扰;避免串扰;图图3.73.7示意了示意了FDMFDM如何将如何将3 3个话音通道个话音通道复合在一复合在一起。起。图图3.7 频分多路复用频分多路复用FDM2.3.2 2.3.2 时分多路复用时分多路复用TDM TDM 时分多路复用时分多路复用:频分多路复用频分多路复用FDMFDM只用于模拟通信只用于模拟通信;发达国家的电话主干已经数字化发达国家的电话主干已经数字化,TDM,TDM用于用于数数字数据传输字数据传输,越来越广泛地被采用;越来越广泛地被采用;以以时间时间作为信号分割参量作为信号分割参量,一帧分成一帧分成若干时若干时隙隙,每路信号占其中每路信号占其中一个时隙一个时隙。
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