工控机的数据通信技术讲解

异步传输
同步传输
差错检查
异步传输
• 这种方式为：每个字符都独立传输，接收设备每收到一 个字符的开始位后进行同步。每个字符在传输时都前后 分别加上起始位和结束位，以表示一个字符的开始和结 束。起始位为“0”，结束位为“1”，结束位的长度可以 为1位、1.5位或2位。起始位和结束位的作用是实现字 符同步，字符之间的间距（时间）是任意的，但发送一 个字符时，发送每一位占用的时间长度都是双方约定好 的，且保持各位都恒定不变。每位占用时间的倒数称为 波特率。如果没有发送的数据，那么发送方就发送连续 的停止位。接收方根据从1到0的跳变来识别一个新字符 的开始。这样收发双方的收发速率按编程约定而基本保 持一致，从而实现位同步；通过起始位和结束位而实现 字符同步；帧同步靠传送特殊控制字符来实现。
② 比特率 比特率又称为信息速率，简称数据率，是指发送端和接收端之间单位 时间内传输数据的平均比特数，其单位是每秒位(bps)，或每秒千位 (kbps)，或每秒兆位(Mbps)。数据传输速率反映了终端设备之间的信 息处理能力，它是一段时间的平均值。通常用它来描述数据通信系统 的性能。
2）数据传输的质量 衡量数据传输质量的指标是差错率，通常用误码率来表 示。 误码率＝（接收方出现差错的比特数（位数）/总的传输 比特数（位数））×100％ 误码率是一个统计平均值，在统计和测试时应采用统计 学的方法，在足够时间和足够统计的数量后方可正确得 出。 计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6。如果实 际传输的不是二进制码元，需折合成二进制码元计算。
01101001
单极性不归零码 单极性归零码
② 双极性归零码:在每一码元时间间隔内，当发1时，发出正 的窄脉冲；当发0时，发出负的窄脉冲。两个码元之间的间 隔时间可以大于每一个窄脉冲的宽度。采样时间总是对准中 心。
双极性不归零码
01101001
双极性归零码 数据通信系统
频带传输
• 利用模拟信道传输二进制数据的方式称为频带传输。频 带传输的关键问题是如何将计算机中的二进制数据转化 为适合模拟信道传输的模拟信号。在发送端，需要将二 进制数据变换成能在电话线或其他传输线路上传输的模 拟信号，即所谓的调制（modulation）；而在接收端， 则需要将收到的模拟信号重新还原成原来的二进制数据， 即所谓的解调（demodulation）。通常将在发送端承担 调制功能的设备称为调制器（modulator），而将在接收 端承担解调功能的设备称为调制器（demodulator）。 由于数据通信是双向的，所以实际上在数据通信的任何 一方都要同时具备调制和解调功能，我们将同时具备这 两种功能的设备称为调制解调器（modem）。目前，调 制解调器已逐渐被ADSL取代。
工控机的数据通信技术
最简单的数据通信系统
• 数据通信 发送方将要发送的数据转换成信号通过物理信 道传送到数据接收方、而接收方将收到的信号转换为数 据的过程就称为是数据通信。
• 根据信号的不同，数据通信可以被分为模拟数据通信和 数字数据通信。
• 在数据通信中，通常将数据的发送方称为源点，而将数 据的接收方称为终点。源点和终点一般是计算机或其它 一些数据终端设备。
1
1位 起始位
00
1
5 位信息位
0
1.5位 停止位
1
1位 起始位
1 个字符
(a)
0 00
1
0
7 位信息位
10
1位
2位
校验位 停止位
1 个字符
(b)
异步通信位同步的方法
方式
同步传输
• 这种方式为：以固定的时钟节拍来发送数据信号， 字符间顺序相连，既无间隙也没有插入位。收发双 方的时钟信号与传输的每一位严格对应，以达到位 同步，在开始发送一帧数据前须发送固定长度的帧 同步字符，发送完数据后再发送帧终止字符，这样 就实现了字符和帧的同步，之后连续发送空白字符， 直到发送下一帧时重复上述过程。
R(x) x6K(x) / G(x) x3 x2 x 1
T (x) x6K(x) R(x) x13 x10 x8 x7 x3 x2 x 1
循环冗余码(CRC)例子：
数据=1101011011 G(x) (生成多项式)=10011 传输码元=数据（移位后）+余数
• ① 正确区分和识别每个比特（即每位）；
• ② 区分出每个代码（如一个ASCII码字符），即区 分出每个代码的起始和结束位；
• ③ 区分出完整的报文数据块（数据帧）的开始和结 束位。
• 以上三个问题对应着三个概念：位同步、字符同步 和数据帧同步。通常解决上述问题的办法有两种： 同步传输方式和异步传输方式。这两种传输方式的 区别在于发送和接收设备的时钟是异步的，还是同 步的。
② 双极性码 在每一码元时间间隔内，发正电流表示二进制的1；发负 电流表示二进制的0。正的幅值和负的幅值相等，所以称 为双极性码。这种情况的判决门限定为零电平。接收信号 的值如在零电平以上，判为1；如在零电平以下判为0。
• (2) 单极性归零码和双极性归零码
• ① 单极性归零码:在每一码元时间间隔内，当发1时， 发出正电流，但是发电流的时间短于一个码元的时 间，就是说，发一个窄脉冲。当发0时，仍然完全不 发送电流。这样发1时有一部分时间不发电流，幅度 降为回零电平。所以称这种码为归零码。
01001
101
ω2 ω1 ω2 ω2 ω1 ω1 ω2
ω1
(c) 绝 对 相 位 调 制 相对相位调制
数字比特流
数据通信系统 模拟信号
模拟信号
数字比特流
公用电话网
PC机
Modem
Modem
PC机
源系统
传输系统
目的系统
输入 信息
源点
发送器
输入 数据
发送的 信号
传输系统 器
接收的 信号
接收器
终点
输出 数据
数据通信系统
数据通信方式
数据传送方式：按照一次传输的比特数划分可以分为串行和 并行，通常情况下，并行通信用于距离较近的情况，串行通 信用于距离较远的情况；按照数据传输的方向划分可以分为 单工、半双工和双工。
0 DTE 1
1
数2
0
据3
1
源 n-1
1
信号地
0
1 DTE
2
数
3
据
n-1 宿
信号地
DTE 数
数据通信系统
数字通信系统的质量指标
数据通信系统中，有效性用传输速率来表示，可靠性用 差错率（误码率）来衡量。
（1） 数据传输速率 数据传输速率有两种度量单位：波特率和比特率
① 波特率 波特率又称为波形速率或码元速率。指数据通信系统中，线路上 每秒传送的波形个数。其单位是“波特”（Baud）。设一个波形 的持续周期为T，则波特率B可以由下式给出：B=1/T（波特）
CRC校验的前提：发送方和接受方必须事先确定一个二进 制数G(x) (生成多项式)。
发送端：根据计算规则计算校验码，并将校验码附加在基 本信息码的末尾构成传输码，传输码对应的多项式能够整 除生成多项式G(x)。
接收端：收到带校验和的数据后，用G(x)去除它，如果有余 数，则传输出错。
差错校验
CRC校验码的生成规则
采用基带信号进行传输的数字通信系统的模型如图所示。该系 统要解决的关键问题是数字数据的编解码问题。即在发送端， 要解决如何将二进制数据序列通过某种编码方式转化为可直接 传送的基带信号；而在接收端，则要解决如何将收到的基带信 号通过解码恢复为与发送端相同的二进制数据序列。
信号噪声
源
编
解
终点
点
码
码
数字信道
(1) 幅度调制。在幅度调制中，频率和相位都是常数，振幅 为变量，即载波的幅度随发送的信号而变化。
(2) 频率调制。在频率调制中，振幅和相位为常量，频率 随发送的信号而变化。
(3)相位调制。在相位调制中，振幅、频率为常量，相位随发 送的信号而变化。
数据 (a) 幅 度 调 制
(b) 频 率 调 制
种高低不同的电平来表示两个二进制 “0”和“1”。例如， 用高电平表示“1”，低电平表示“0”。 • ① 单极性码 • 在每一码元时间间隔内，有电流发出表示二进制的1； 无电流发出则表示二进制的0。
每一个码元时间的中心是采样时间，判决门限为半幅度电平， 即0.5。若接收信号的值在0.5与1.0之间，就判为1；若在0.5 与0之间，就判为0。每秒钟发送的二进制码元数称为码速， 其单位为波特（Baud）。在二进制情况下，1波特相当于信 息传输速率为1比特每秒（bps），此时码元速率等于信息速 率。
设K(x)对应一个k位要发送的信息，G(x)为一个生成多项式， 其最高次方为r，R(x)对应一个CRC多项式，那么R(x)为：
•xrK(x)/G(x) 的余式(取异或) •发送多项式为：T(x)= xrK(x)+R(x)
K(x) x7 x4 x2 x
G(x) x6 x4 x2 1
输出 信息
数据通信系统
多路复用技术
在数据传输时，为了高效合理地利用资源，通常采用多路复 用技术，使多路数据信号共同使用一条线路进行传输。
Ｓ 1
n个 输入
Ｓ 2
Ｓ n
…
多路复 用器
一 条 链 路n 个 信 道
多路分 配器
…
Ｓ 1
Ｓ 2
n个 输出
Ｓ n
频分多路复用技术FDM 时分多路复用技术TDM
波分多路复用技术WDM 码分多路复用技术CDMA
在调制过程中，选用的载波信号可以表示为 y＝A(t)cos(ωt+φ) 其中，振幅A、角频率ω、相位φ是载波信号的三个电参量， 它们是正弦波的控制参数，称为调制参数。它们的变化将对 正弦载波的波形产生影响，通过改变这三个参量可以实现对 模拟数据信号的编码，相应的调制方式分别称为幅度调制、 频率调制和相位调制。
同步字符
数据1
数据2
一帧
…
数据n
数据场
校验字符 校验字符
CRC1
CRC2
下一帧
同步字符
（a）单同步格式
同步字符
同步字符
数据1
一帧
数据2
…
数据n
校验字符 校验字符
CRC1
CRC2
下一帧
同步字符
（b）双同步格式
同步信号的编码和解码
方式
差错检查和控制
差错类型：随机差错；突发差错 差错检测码：奇偶校验码；循环冗余校验码
1
a
1 10 00 01
0
m
1 10 11 01
0
g
1 10 01 11
0
n
1 10 11 10
0
c
1 10 00 11
1
o
1 10 11 11
1
垂直奇校验 0 1 1 1 1 1 0
0
差错控制
任何一个二进制代码都可以和一个只有0、1两个系数的多项 式建立一一对应的关系。 1011011
1 x6 0 x5 1 x4 1 x3 0 x2 1 x1 1 x0
0 1 00 11 0 1
DTE 数
据
据
源
宿
数据同步方式
• 无论是并行传输还是串行传输，发送端和接收端的收发
动作必须控制在同一时间内进行，接收方必须正确地区
分出每一个代码，这是正确完成传输任务必须解决的一 个问题，这就是数据的同步方式。
• 在串行通信中，为了节省信道，通常不能设立专用的握 手信号线实现收发双方的数据同步，必须在串行数据信 道上传输的数据编码中解决此问题。在数据串行传输过 程中，传输的是已编码的各种传输码形，接收到的是变 化的电平信号，为了正确识别和恢复代码，必须解决以 下问题：
奇偶校验码：发送端在每个字符的最高（或最低）位之 后附加一个奇偶校验位，这个校验位可为1或0，以便保 证整个字符为1的位数为奇数或偶数。
循环冗余校验码 ：发送端在发送基本信息的同时也发送
一个按照一定规则自动生成CRC校验码。
奇偶校验
CRC校验
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网络结构
字符
ASCII 水平奇校验
H
1 00 10 00
基带传输 频带传输 多路复用技术 质量指标
数据通信方式
基带传输
• 在计算机系统中，通常用二进制比特来表示各类数 据。而方波信号是二进制比特的典型表达方式，按 傅利叶分析，方波信号由直流、基频、低频和高频 等多个分量组成，随着频率的升高，其相应的幅度 减小直至趋于零。在方波信号的整个频谱中，从零 开始有一段能量相对集中的频率范围被称为基本频 带(base band)，简称基频或基带，基频等于方波信 号的固有频率。与基频对应的数字信号称为基带信 号。
数字数据的数字信号编码
• 传输数字信号最普遍而且最容易的办法是用两个电压电 平来表示两个二进制数字。例如，无电压（也就是无电 流）常用来表示0，而恒定的正电压用来表示1。常用的 数字数据的数字信号编码有以下几种：
• (1) 单极性不归零码和双极性不归零码 • 不归零编码(Non-Return Zero，简称NRZ)分别采用两