《现场总线技术及其应用(第3版)》电子课件第二章 现场总线通信基础
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每位开始时有无跳变表示“0”或 “1”,有跳变表 示“0”,无跳变表示“1”。
Date: 2021/6/10
Page: 27
三、数据通信基础
4.数据传输技术
数据传输的方式有串行传输和并行传输；单向传输和双向传 输；同步和异步传输。 ➢ 串行传输和并行传输
1）串行通信：计算机中的一个字节由一个8位二进制代码 来表示。将准备传输的每个字节的二进制代码按照由低到高位 的顺序，依次发送。这种数据传输方式称为串行传输.适合远距 离传输，在分散控制系统中数据通信网络几乎全部采用串行通 信。
Date: 2021/6/10
Page: 20
三、数据通信基础
2．概念和术语
4）误码率
误码率是衡量通信系统线路质量的一个重要参数。它的 定义为：二进制符号在传输系统中被传错的概率，近似等 于被传错的二进制符号数与所传二进制符号总数的比较， 即：
误码率= 接收的错误比特数/传输的总比特数 在计算机网络中误码率要求低于10-6。
Date: 2021/6/10
Page: 28
三、数据通信基础
Date: 2021/6/10
Page: 12
一、总线的概念与操作
5.总线操作的基本内容
总线定时 ：主设备获得总线控制权以后，就进入总线 操作，即进行主设备和响应者之间的信息交换，这种信息 可以是地址也可以是数据。定时信号用于指明总线上的数 据和地址何时有效。大多数总线标准都规定主设备可发起 “控制”（Control）信号，指定操作的类型、从设备状态 响应信号。
每一位的中间有一跳变,位中间的跳变既作为时钟信号, 又作为数据信号：从高到低的跳变表示"1",从低到高的跳变 表示 "0"。
Date: 2021/6/10
Page: 25
三、数据通信基础
3.数据编码技术
曼彻斯特编码：应用最广泛的编码之一。特点：在每个 位时间内有一次信号跳变，使接收端可以利用这一跳变信 号作为提取数据的依据，即自同步信号。
总线上可以有多个设备，这些设备可以做主站也可 以做从站；总线上也可以有多个主设备，这些主设备都 具有主动发起信息传输的能力；但某一设备不能同时既 做主设备又做从设备。被总线主设备连接上的从设备通 常称为响应者，参与主设备发起的数据传送。
Date: 2021/6/10
Page: 5
一、总线的概念与操作
Date: 2021/6/10
Page: 6
一、总线的概念与操作
4.总线协议
总线协议（Bus Protocol）是管理主、从设 备工作的一套规则，是事先规定的、共同遵守的 规约。
Date: 2021/6/10
Page: 7
一、总线的概念与操作
5.总线操作的基本内容
总线操作是指总线上主设备与从设备之间通过 建立连接、数据传送、接收到脱开这一操作过程。 所谓脱开（Disconnected）是指完成数据传送操 作以后，主设备与从设备之间断开连接。主设备可 以在执行完一次或多次总线操作后放弃总线占有权。
《现场总线技术及其应用》
(第3版）
Date: 2021/6/10
Page: 1
第二章 现场总线通信基础
一、总线的基本概念与操作 二、通信系统的组成 三、数据通信基础 四、通信模型 五、现场总线控制系统
Date: 2021/6/10
Page: 2
第二章 现场总线通信基础
现场总线把分散的测量控制设备变成网络节点， 并把他们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控 任务的网络系统与控制系统。可以说现场总线系统 实际上就是控制领域的计算机局域网络。因此有必 要简述关于总线、数字通信、计算机局域网络方面 的基础知识。
信号是数据在传输过程中的具体物理表示形式，具有确定 的物理描述，如电压、磁场强度等。
信号一般有模拟信号和数字信号两种表示方式。
Date: 2021/6/10
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三、数据通信基础
2．概念和术语
1）比特率S和波特率B
数据传输率常用比特率和波特率表示。
比特率是一种数字信号的传输速率，它表示单位时间（1 秒）内所传送的二进制代码的有效位（bit）数。S用每秒比 特数bit/s（bps）、每秒千比特数（Kbps）或每秒兆比特数 （Mbps）等单位来表示。
优点：无需另外发送同步信号，这也是自同步信号得 到广泛应用的原因；不含直流成分。
缺点：传输速率低，因为每一位要占用两个波形。
Date: 2021/6/10
Page: 26
三、数据通信基础
3.数据编码技术
差分曼彻斯特编码：前者的改进。 特点：每一位中间的跳变只做提取 时钟之用，每一位数据的值根据起 始处有无跳变来决定。
Date: 2021/6/10
Page: 4
一、总线的概念与操作
2.总线主设备与总线从设备
总线主设备（Bus Master）是指能够在总线上发起 信息传输的设备，其具备在总线上主动发起通信的能力； 总线从设备（Bus Slaver）是挂接在总线上、不能在总 线上主动发起通信，只能对总线信息接收查询的设备。
Date: 2021/6/10
Page: 8
一、总线的概念与操作
5.总线操作的基本内容
通信请求：通信请求是由总线上某一设备向另一设备发 出的传送数据或完成某种动作的请求信号，要求后者给予响 应并进行某种服务。
总线仲裁：系统中可能会出现多个设备同时申请对总线 的使用权，为避免产生总线“冲突” ，需要由总线仲裁机构 合理地控制和管理系统中需要占用总线的申请者，在多个申 请者同时提出使用总线请求时，以一定的优先算法仲裁哪个 申请者应获得对总线的使用权。
Date: 2021/6/10
Page: 11
一、总线的概念与操作
5.总线操作的基本内容
出错检测及容错 ： 总线传送信息时，有时会因传导干 扰、辐射干扰等而出现信息错误，使得“1”变成“0”， “0”变成“1”，影响到现场总线的性能，甚至于现场总线 不能正常工作。除了在系统的设计、安装、调试时采取必 要的抗干扰措施以外，在高性能的总线中一般还设有出错 码产生和校验机构，以实现传送过程的出错检测。
数字数据采用数字信号传送是常采用非归零码、曼彻 斯特编码和差分曼彻斯特编码。
Date: 2021/6/10
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三、数据通信基础
3.数据编码技术
非归零码：nonreturn to zero code (NRZ) 一种二进制信息的编码，用两种不同的电联分别表示“1”
和“0”，不使用零电平。信息密度高，但需要外同步并有误码 积累。
广播寻址：用于选择多个响应者。
Date: 2021/6/10
Page: 10
一、总线的概念与操作
5.总线操作的基本内容
数据传送：如果主设备与响应者连接上，就可以进 行数据的读/写操作。读/写操作需要在主设备和响应 者之间传递数据。“读”（Read）数据操作是读取来 自响应者的数据；“写”（Write）数据操作是向响应 者发送数据。
波特率是一种调制速率，也称波形速率。它表示模拟信号 在传输过程中，从调制解调器输出的调制信号，每秒钟载波 调制状态改变的次数。或者说，数据传输过程中，线路上每 秒钟传送的波形个数就是波特率 B=1/T (Baud) 。
Date: 2021/6/10
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三、数据通信基础
2．概念和术语
2）带宽Hale Waihona Puke Date: 2021/6/10
Page: 16
数据是信息的载体，它是信息的表示形式，可以是数字、 字符、符号等。单独的数据没有实际的含义。数据和信息 既有区别又有联系，数据是独立的，虽然数据本身并没有 含义，但把数据按一定规则、形式组织起来时，就可以传 达某种意义，这种具有某种意义的数据集合就是信息。
优点：易实现，直接将计算机的信号加到通信线路上，未 做任何处理，代价最低；
缺点：接收方无法判断一位的开始和结束，即不具备同步 特性；含有直流成分（连续多个“1”或“0”），而数据传输中 最不希望存在的就是直流成分。
Date: 2021/6/10
Page: 24
三、数据通信基础
3.数据编码技术
曼彻斯特编码：应用最广泛的编码之一。特点：在每个 位时间内有一次信号跳变，使接收端可以利用这一跳变信 号作为提取数据的依据，即自同步信号。
Date: 2021/6/10
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三、数据通信基础
3.数据编码技术
数字通信系统的任务是传输数字信息，数字信息可能来
自数据终端设备的原始数据信号，也可能来自模拟信号经数
字化处理后的脉冲编码信号。
数字数据的数字信号为什么要编码？数字数据为二进制
数(0或1)，数字信号为高电平或低电平进行传输，所以需要
Date: 2021/6/10
Page: 9
一、总线的概念与操作
5.总线操作的基本内容
寻址：是主设备与从设备建立联系的一种总线操作， 通常有物理寻址、逻辑寻址及广播寻址三种方式。
物理寻址：用于选择某一总线段上某一特定位置 的从设备作为响应者；
逻辑寻址：用于指定存储单元的某一个通用区，而 不顾及这些存储单元在设备中的物理分布；
2.发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的
消息经过编码并变换成便于传送的信号形式，送往传输介 质。
3.信道：信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无
线的，甚至还可以包含某些设备。
4.接收设备：任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相
应的原始电信号来，即进行解调、译码、解密等。
5.信宿：信息的使用者，将复原的原始电信号转换成相
3.总线的控制信号
总线上的控制信号通常有三种类型，分别为： 1）控制设备的动作与状态。完成诸如设备清零、 初始化、启动、停止等所规定的操作。 2）改变总线操作方式。例如改变数据流的方向、 选择数据字段和字节等。 3）表明地址和数据的含义。例如对于地址，可以 用于指定某一地址空间或表示出现了广播操作；对于 数据，可以用于指定它能否转译成辅助地址或命令。
将二进制数转换为高电平或低电平。
可以采用：1）基带方式 2）4B/5B编码方式：就是
用5bit的二进制制码来代表4bit二进制码。
Date: 2021/6/10
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三、数据通信基础
3.数据编码技术
数字信号可以直接采用基带传输,所谓基带就是指基本频 带。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲,这 是一种最简单的传输方式,近距离通信的局域网都采用基带 传输。
Date: 2021/6/10
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二、通信系统的组成
通信系统是传递信息所需要的一切技术设备的总和。
信源
发送设备
信道
接收设备
信宿
发送端
噪声源
接收端
1.信源（信息源，也称发送端）
把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中 电话机可看成是信源。
Date: 2021/6/10
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应的消息。
Date: 2021/6/10
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三、数据通信基础
1．数据与信息
1）信息（Information）是客观事物属性和相互联系特性
的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。
2）数据（Data）一般可以理解为“信息的数字化形式”或
“数字化的信息形式”。狭义的“数据”通常是指具有一定数 字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中 区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系统中，数据通常 被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。
2．概念和术语
3）信道容量
信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。是传输 信息的必经之路。一般来说，一条通信线路至少包含两条 信道，一条用于发送的信道和一条用于接收的信道。
信道容量一般是指物理信道能够传输信息的最大能力， 它的大小由信道的带宽F、可使用的时间T、传输速率，及 信道质量（即信号功率与干扰功率之比S/N ）等因素决定。
Date: 2021/6/10
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一、总线的概念与操作
1.总线与总线段
总线是多个系统功能部件之间传输信号或信息的 公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式； 使用统一的总线标准，不同设备之间的互连将更容易 实现。一组设备通过总线相互连接在一起就称为“总 线段”（Bus Segment）；总线段之间可以相互连接 构成一个网络系统。
物理信道的频带宽度，即信道允许的最高频率和最低 频率之差，单位为赫兹（Hz）。
模拟信道中，使用“带宽”表示传输信息的能力，单 位有Hz，KHz，MHz。
数字信道中，使用“数据传输率”表示传输信息的能 力，单位有bps，Kbps，Mbps。
Date: 2021/6/10
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三、数据通信基础
Date: 2021/6/10
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三、数据通信基础
4.数据传输技术
数据传输的方式有串行传输和并行传输；单向传输和双向传 输；同步和异步传输。 ➢ 串行传输和并行传输
1）串行通信：计算机中的一个字节由一个8位二进制代码 来表示。将准备传输的每个字节的二进制代码按照由低到高位 的顺序，依次发送。这种数据传输方式称为串行传输.适合远距 离传输，在分散控制系统中数据通信网络几乎全部采用串行通 信。
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三、数据通信基础
2．概念和术语
4）误码率
误码率是衡量通信系统线路质量的一个重要参数。它的 定义为：二进制符号在传输系统中被传错的概率，近似等 于被传错的二进制符号数与所传二进制符号总数的比较， 即：
误码率= 接收的错误比特数/传输的总比特数 在计算机网络中误码率要求低于10-6。
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三、数据通信基础
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一、总线的概念与操作
5.总线操作的基本内容
总线定时 ：主设备获得总线控制权以后，就进入总线 操作，即进行主设备和响应者之间的信息交换，这种信息 可以是地址也可以是数据。定时信号用于指明总线上的数 据和地址何时有效。大多数总线标准都规定主设备可发起 “控制”（Control）信号，指定操作的类型、从设备状态 响应信号。
每一位的中间有一跳变,位中间的跳变既作为时钟信号, 又作为数据信号：从高到低的跳变表示"1",从低到高的跳变 表示 "0"。
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三、数据通信基础
3.数据编码技术
曼彻斯特编码：应用最广泛的编码之一。特点：在每个 位时间内有一次信号跳变，使接收端可以利用这一跳变信 号作为提取数据的依据，即自同步信号。
总线上可以有多个设备，这些设备可以做主站也可 以做从站；总线上也可以有多个主设备，这些主设备都 具有主动发起信息传输的能力；但某一设备不能同时既 做主设备又做从设备。被总线主设备连接上的从设备通 常称为响应者，参与主设备发起的数据传送。
Date: 2021/6/10
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一、总线的概念与操作
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一、总线的概念与操作
4.总线协议
总线协议（Bus Protocol）是管理主、从设 备工作的一套规则，是事先规定的、共同遵守的 规约。
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一、总线的概念与操作
5.总线操作的基本内容
总线操作是指总线上主设备与从设备之间通过 建立连接、数据传送、接收到脱开这一操作过程。 所谓脱开（Disconnected）是指完成数据传送操 作以后，主设备与从设备之间断开连接。主设备可 以在执行完一次或多次总线操作后放弃总线占有权。
《现场总线技术及其应用》
(第3版）
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第二章 现场总线通信基础
一、总线的基本概念与操作 二、通信系统的组成 三、数据通信基础 四、通信模型 五、现场总线控制系统
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第二章 现场总线通信基础
现场总线把分散的测量控制设备变成网络节点， 并把他们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控 任务的网络系统与控制系统。可以说现场总线系统 实际上就是控制领域的计算机局域网络。因此有必 要简述关于总线、数字通信、计算机局域网络方面 的基础知识。
信号是数据在传输过程中的具体物理表示形式，具有确定 的物理描述，如电压、磁场强度等。
信号一般有模拟信号和数字信号两种表示方式。
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三、数据通信基础
2．概念和术语
1）比特率S和波特率B
数据传输率常用比特率和波特率表示。
比特率是一种数字信号的传输速率，它表示单位时间（1 秒）内所传送的二进制代码的有效位（bit）数。S用每秒比 特数bit/s（bps）、每秒千比特数（Kbps）或每秒兆比特数 （Mbps）等单位来表示。
优点：无需另外发送同步信号，这也是自同步信号得 到广泛应用的原因；不含直流成分。
缺点：传输速率低，因为每一位要占用两个波形。
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三、数据通信基础
3.数据编码技术
差分曼彻斯特编码：前者的改进。 特点：每一位中间的跳变只做提取 时钟之用，每一位数据的值根据起 始处有无跳变来决定。
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一、总线的概念与操作
2.总线主设备与总线从设备
总线主设备（Bus Master）是指能够在总线上发起 信息传输的设备，其具备在总线上主动发起通信的能力； 总线从设备（Bus Slaver）是挂接在总线上、不能在总 线上主动发起通信，只能对总线信息接收查询的设备。
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一、总线的概念与操作
5.总线操作的基本内容
通信请求：通信请求是由总线上某一设备向另一设备发 出的传送数据或完成某种动作的请求信号，要求后者给予响 应并进行某种服务。
总线仲裁：系统中可能会出现多个设备同时申请对总线 的使用权，为避免产生总线“冲突” ，需要由总线仲裁机构 合理地控制和管理系统中需要占用总线的申请者，在多个申 请者同时提出使用总线请求时，以一定的优先算法仲裁哪个 申请者应获得对总线的使用权。
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一、总线的概念与操作
5.总线操作的基本内容
出错检测及容错 ： 总线传送信息时，有时会因传导干 扰、辐射干扰等而出现信息错误，使得“1”变成“0”， “0”变成“1”，影响到现场总线的性能，甚至于现场总线 不能正常工作。除了在系统的设计、安装、调试时采取必 要的抗干扰措施以外，在高性能的总线中一般还设有出错 码产生和校验机构，以实现传送过程的出错检测。
数字数据采用数字信号传送是常采用非归零码、曼彻 斯特编码和差分曼彻斯特编码。
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三、数据通信基础
3.数据编码技术
非归零码：nonreturn to zero code (NRZ) 一种二进制信息的编码，用两种不同的电联分别表示“1”
和“0”，不使用零电平。信息密度高，但需要外同步并有误码 积累。
广播寻址：用于选择多个响应者。
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一、总线的概念与操作
5.总线操作的基本内容
数据传送：如果主设备与响应者连接上，就可以进 行数据的读/写操作。读/写操作需要在主设备和响应 者之间传递数据。“读”（Read）数据操作是读取来 自响应者的数据；“写”（Write）数据操作是向响应 者发送数据。
波特率是一种调制速率，也称波形速率。它表示模拟信号 在传输过程中，从调制解调器输出的调制信号，每秒钟载波 调制状态改变的次数。或者说，数据传输过程中，线路上每 秒钟传送的波形个数就是波特率 B=1/T (Baud) 。
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2．概念和术语
2）带宽Hale Waihona Puke Date: 2021/6/10
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数据是信息的载体，它是信息的表示形式，可以是数字、 字符、符号等。单独的数据没有实际的含义。数据和信息 既有区别又有联系，数据是独立的，虽然数据本身并没有 含义，但把数据按一定规则、形式组织起来时，就可以传 达某种意义，这种具有某种意义的数据集合就是信息。
优点：易实现，直接将计算机的信号加到通信线路上，未 做任何处理，代价最低；
缺点：接收方无法判断一位的开始和结束，即不具备同步 特性；含有直流成分（连续多个“1”或“0”），而数据传输中 最不希望存在的就是直流成分。
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3.数据编码技术
曼彻斯特编码：应用最广泛的编码之一。特点：在每个 位时间内有一次信号跳变，使接收端可以利用这一跳变信 号作为提取数据的依据，即自同步信号。
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三、数据通信基础
3.数据编码技术
数字通信系统的任务是传输数字信息，数字信息可能来
自数据终端设备的原始数据信号，也可能来自模拟信号经数
字化处理后的脉冲编码信号。
数字数据的数字信号为什么要编码？数字数据为二进制
数(0或1)，数字信号为高电平或低电平进行传输，所以需要
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5.总线操作的基本内容
寻址：是主设备与从设备建立联系的一种总线操作， 通常有物理寻址、逻辑寻址及广播寻址三种方式。
物理寻址：用于选择某一总线段上某一特定位置 的从设备作为响应者；
逻辑寻址：用于指定存储单元的某一个通用区，而 不顾及这些存储单元在设备中的物理分布；
2.发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的
消息经过编码并变换成便于传送的信号形式，送往传输介 质。
3.信道：信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无
线的，甚至还可以包含某些设备。
4.接收设备：任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相
应的原始电信号来，即进行解调、译码、解密等。
5.信宿：信息的使用者，将复原的原始电信号转换成相
3.总线的控制信号
总线上的控制信号通常有三种类型，分别为： 1）控制设备的动作与状态。完成诸如设备清零、 初始化、启动、停止等所规定的操作。 2）改变总线操作方式。例如改变数据流的方向、 选择数据字段和字节等。 3）表明地址和数据的含义。例如对于地址，可以 用于指定某一地址空间或表示出现了广播操作；对于 数据，可以用于指定它能否转译成辅助地址或命令。
将二进制数转换为高电平或低电平。
可以采用：1）基带方式 2）4B/5B编码方式：就是
用5bit的二进制制码来代表4bit二进制码。
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3.数据编码技术
数字信号可以直接采用基带传输,所谓基带就是指基本频 带。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲,这 是一种最简单的传输方式,近距离通信的局域网都采用基带 传输。
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二、通信系统的组成
通信系统是传递信息所需要的一切技术设备的总和。
信源
发送设备
信道
接收设备
信宿
发送端
噪声源
接收端
1.信源（信息源，也称发送端）
把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中 电话机可看成是信源。
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应的消息。
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三、数据通信基础
1．数据与信息
1）信息（Information）是客观事物属性和相互联系特性
的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。
2）数据（Data）一般可以理解为“信息的数字化形式”或
“数字化的信息形式”。狭义的“数据”通常是指具有一定数 字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中 区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系统中，数据通常 被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。
2．概念和术语
3）信道容量
信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。是传输 信息的必经之路。一般来说，一条通信线路至少包含两条 信道，一条用于发送的信道和一条用于接收的信道。
信道容量一般是指物理信道能够传输信息的最大能力， 它的大小由信道的带宽F、可使用的时间T、传输速率，及 信道质量（即信号功率与干扰功率之比S/N ）等因素决定。
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一、总线的概念与操作
1.总线与总线段
总线是多个系统功能部件之间传输信号或信息的 公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式； 使用统一的总线标准，不同设备之间的互连将更容易 实现。一组设备通过总线相互连接在一起就称为“总 线段”（Bus Segment）；总线段之间可以相互连接 构成一个网络系统。
物理信道的频带宽度，即信道允许的最高频率和最低 频率之差，单位为赫兹（Hz）。
模拟信道中，使用“带宽”表示传输信息的能力，单 位有Hz，KHz，MHz。
数字信道中，使用“数据传输率”表示传输信息的能 力，单位有bps，Kbps，Mbps。
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三、数据通信基础