数据通信基础(第2讲)

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频移键控法(FSK)

又称频率调制法。它是由数字信号控制正 弦载波信号的频率,即通过改变载波信号 的频率来表示数字“1”和“0”,当数字信 号为1是,其频率较低;当数字信号为0时, 其频率较高
频率调制的特点是简单,易实现,抗干扰 能力较强,是目前最常用的方法之一。

相移键控法(PSK)


又称相位调制。它通过改变载波信号的相 位值来表示数字信号的1、0。一般用载波 的起始相位的变化表示0和1。起始相位无 变化时表示数字信号“0”,而在数字信号 “1”的前沿,载波信号的相位突变180°。 相移键控方法抗干扰能力强,但实现技术 较复杂。

(1)数据传输速率

单位时间内传送二进制代码的位数。

数据传输速率的单位:bit/s(比特/秒)
或bps

计算公式
1 Sb log 2 n T
其中,T为发送一位代码(码元)的最小单位时间 n为电脉冲信号的有效状态。 例某个脉冲只包含两种状态0和1,则n=2 工业数据通信中常用的标准数据信号速率为: 9600、31.25K、500K、1M、2.5M、10M以及 100Mbps

也可令起点电平变化代表“0”,不变化代表“1” 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码是数据通信 中最常用的数字数据信号编码方式。
数字-数字编码(续)
数 据 时 钟 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
(a)
NRZ (非归零码) 曼彻斯特 编码 差分曼彻 斯特编码
(b) (c)
数字数据的编码波形
通信系统的组成
发送设备
信息源
编码
调制 传 输 介 质 噪声
干扰 接收者 译码
解调
接收 设备
通信系统的组成

信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者



信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信 息源和离散信息源 发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹 配起来,即将信息源产生的信息信号 经过编码, 并转换为便于传送的信号形式,送往传输介质 传输介质是指发送设备到接收设备之间信号传递 所经媒介。它可以是有线的也可以是无线的



数据是指用来描述客观事物的数字、字母和符号以及所有 能输入计算机并被程序加工处理的符号集合。 信息则是对数据加工处理或赋予含义后的一种数据形式。 例如:电话号码028-84616***,这串数字本身就是一个数 据,它所包含的信息为:010表示北京,84616***则表示某 电话的电话号码。可见,信息是有含义的数据。


第二章 数据通信基础 工业数据通信系统的基本组成 通信系统的性能指标 数据编码 数据传输方式 通信线路的工作方式 信号的传输模式 数据交换技术 差错控制
数据、信息与信号

计算机所能处理的数字、文字、图形等信息都是以数 据的形式在计算机、外围设备和计算机网络中产生、 存储、传输和处理的。一般情况下,数据和信息这两 个术语常常被互通使用,但它们之间是有差别的。
2.3数据编码



数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式 表达数据 用0、1序列的不同组合来表达不同的信息内容,如 用2位二进制码的4种不同组合00、01、10、11, 可来分别表示某个控制电机处于断开、闭合、出 错、不可用4种不同的工作状态。8位二进制码的 256种不同组合可用来表示扩展的二进制编码 通过编码把一种0,1的组合与一个确定的内容联 系起来
同步传输与异步传输

在串行传输过程中,数据是一位一位依次传输 的,发送端通过发送时钟确定数据位的起始和 结束。而接收端为了能正确识别数据,则需要 以适当的时间间隔在适当的时刻对数据流进行 采样。即数据通过传输线路的传输到达接收端, 为了保证发送端的信号能够被接收端准确无误 地接收,接收端必须与发送端同步。
曼彻斯特编码的过程与波形

编码过程

发送时钟 发送信息 异或

发送信息的 曼彻斯特编码

编码波形
数字-数字编码(续)


差分曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进, 它与曼彻斯特编码的不同之处主要表现在

每一位中间的跳变只作提取时钟之用; 每一位数据的值根据起始处有无跳变来决定。每位 开始时有跳变表示数据“0”,每位开始时无跳变表 示数据“1”。
2.3.2数字数据的模拟信号编码


在频带传输中,数字信号需要变换(调制)为模拟信号 后才能进行传输,这种变换是借助于载波(载波是频率、 幅度都固定的周期信号,通常是正弦信号)来实现的。 具体的做法是利用数字数据对载波的某些特性(振幅、 频率、相位)进行控制,使数字数据“寄载”到载波上 传送出去。这种将数字数据“寄载”到载波上的过程被 称为调制。 模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0,1状态。信 号的幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数,可以通 过改变三个参数,实现模拟数据编码

1 0 1 1 0 1
0 0 1 0
1 0 1 1 0 1 0 0 1
a
t c A
b
t d

a. 单极性非归零码 c. 双极性非归零码 b. 单极性归零码 d . 双极性归零码 单、双极性的归零码和非归零码
数字-数字编码(续)


曼彻斯特编码(Manchester Encoding) 特点:具有内在的时钟信息,使网络上各节点 保持时钟同步。 曼彻斯特编码把时间划分为等间隔的小段,其 中每小段代表一个比特。每个比特时间又被分 为两半,前半个时间段所传信号是该时间段传 送比特值的反码,后半个时间段传送的是比特 值本身。从高电平跳变到低电平表示0,从低电 平跳变到高电平表示1。 其中间点总有一次信号电平的变化,因而携带 有信号传送的同步信息。无需另外传送同步信 号。
2.3.1数字数据的数字信号编码 单极性码
双极性码 归零码 非归零码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码

数字-数字编码
单极性码:信号电平是单极性的,如逻辑1 用高电平,逻辑0为0电平的信号表达方式。 双极性码:信号电平为正、负两种极性的。 如逻辑1用正电平,逻辑0为负电平的信号表 达方式


对二进制位脉冲的单比特信号,传输速率为 9600bps,其波特率为9600B,即每秒可传输9600 个二进制脉冲。如果信号由2个比特组成,当传 输速率为9600bps时,其波特率只有4800B。 讨论信道的传输频带宽度时,通常采用波特率; 在涉及系统实际的数据传送能力时,则使用比特 率
2.可靠性指标
数字信号的模拟信号编码波形

三种模拟数据编码调制后的信号波形
2.4数据传输方式


数据传输方式是指数据代码的传输顺序和数 据信号传输时的同步方式 根据代码的传输顺序可分为


串行传输 并行传输

根据数据信号传输时的同步方式可分为

同步传输 异步传输
串行传输和并行传输

串行传输( Serial Transmission)中, 数据流以串行方式逐位地在一条信道上传 输。每次只能发送一个数据位,发送方必 须确定是先发送数据字节的高位还是低位。 同样,接收方也必须知道所收到字节的第 一个数据位应该处于什么位臵。串行传输 具有易于实现,在长距离连接中可靠性高 等优点。适合远距离的数据通信

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信号可分为模拟信号和数字信号,模拟信号是指取值随 时间连续变化的信号,数字信号是指时间和数值上都不 连续的信号。模拟信号和数字信号之间有着明显的差异, 但两者在一定的条件下是可以相互转换的。
2.1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

可见:信息是有含义的数据。由于计算机所处理的数 据总是有某种意义的数据,所以通常在不混淆的情况 下,很少对信息和数据这两个概念加以区分
数据、信息与信号


工业数据一般指与生产过程密切相关的数值、状态、指 令等的表达 数字1表示管道的阀门开启,用数字0表示阀门的关闭; 规定数字1表示生产过程处于报警状态,数字0表示生产 过程处于正常状态;以及表示温度、压力、流量、液位 等的参数数值都是典型的工业数据。 信号与数据和信息有所不同,信号是数据的具体物理表 现,具有确定的物理描述形式,如电压、磁场强度等。 数据通常需要用某种信号进行传递和处理。
串行传输和并行传输的区别在于组成 一个字符或字节的各数据位是依顺序 逐位传输还是同时并行地传输 典型应用事例:计算机的串口与并口

发 送 端
0 1 0 0 1 0 0 1 同时发送
(a) 并行通信
接 收 端 发送端 01001001 逐位发送 接收端
(b) 串行通信 图1.12 并行传输和串行传输
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 公式:
Ne Pe N
其中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在近似为误码率。
误码率(续)



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)调制速率 又称码元数率,是信号经调制后的传输速率。 表示单位时间内传输的码元个数,用波特率表 示,单位记为波特(Baud)


公式: B=1/T 比特率:通信系统每秒传输数据的位数为比特率, 记作bps。 波特率 :1波特(Baud或B)指信号大小方向的 一个变化波形。每秒传输信号波形的变化次数 称为波特率

并行传输(Parallel Transmission)是将数 据以成组的方式在两条以上的并行通道上同 时传输。它可以同时传输一组数据位,每个 数据位使用单独的一条导线,例如采用8条导 线并行传输一个字节的8个数据位,另外用一 条“选通”线通知接收者接收该字节,接收 方可对并行通道上各条导线的数据位信号并 行取样。若采用并行传输进行字符通信时, 不需要采取特别措施就可实现收发双方的字 符同步。

传输介质 报文
接收设备
协议
发送设备
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 质以二进制形式进行信息交换的过程。 数据通信技术主要涉及通信协议、信号编码、 接口、同步、数据交换、安全、通信控制与 管理等问题 数据通信系统主要负责将数据按编码格式在 两点之间准确传输,一般并不对数据内容进 行任何操作。

数字-数字编码(续)
归零码(RZ):在每一位二进制信息传输之 后均返回零电平的编码。例如双极性归零 码的逻辑1只在该码元时间中的某段(如码 元时间的一半)维持高电平后就回复到零电 平,其逻辑0只在该码元时间的一半维持负 电平后也回复到零电平 非归零码(NRZ):在整个码元时间内都维持 有效电平的编码方式。
通信系统的组成

接收设备的基本功能就是完成发送设备的 反变换,即进行解调、译码、解密等。它 的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出 原始信息来,对于多路复用信号,还包括 解除多路复用,实现正确分路。 噪声:传输过程中影响接收者正确接收和 理解信号

2.2通信系统的性能指标
衡量一个数据通信系统好坏的主要性能指标有 传输速率和误码率 1 传输速率 传输速率包括数据传输速率和调制速率两种, 分别用比特率和波特率来表示



分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相 位来表达数据的0,1状态称为模拟数据编码 用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0,1状 态的,称为数字数据编码 模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信 号来表示并传输。除模拟数据的模拟信号传输以 外,都需要某种形式的数据编码,因此主要有三 种数据编码 数字数据的数字信号编码、数字数据的模拟信号 编码、模拟数据的数字信号编码


幅移键控(ASK Amplitude-Sheft Keying)又称键控调幅 频移键控(FSK Frequency-Sheft Keying)又称键控调频 相移键控(PSK Phase-Sheft Keying)又称键控调相
幅移键控法(ASK)

又称为振幅调制。它用载波信号的振幅表示 数字信号的“1”和“0”。当传输的数字信号为1 时,载波的振幅保持不变,即有载波信号发射; 当传输的信号为0时,载波的振幅为零,即没有 载波信号发射。可以看出,振幅调制实际上相 当于用一个受数字信号控制的开关来开启和关 闭正弦载波信号。 振幅调制信号容易实现,技术简单,但抗干扰 能力较差(有直流信号)。
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