第二章网络和数字通信基础

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• 单工通信 • 半双工通信 • 全双工通信
– 同步传输方式和异步传输方式:是否具有统 一的时钟
数字通信的基本概念
• 串行通信的基本概念
– 特点
• 参与通讯的两台或多台设备共享一条物理通路
– 由位判决与字判决实现数据传输
• 位的判决:提供统一时钟或从接收的数据中提取位时钟来解决 • 字的识别:由规范的数据信息格式来获得
通信系统简介
• 通信系统的组成
– 信息源和信息接收者: – 发送设备: 将信息源和传输媒介匹配起来,经编码 发送出去 – 传输介质:设备之间信号传递的媒介,如无线、有线 (光纤) – 接收设备:进行解调、译码等将信号接收和恢复出来

通信系统的数据编码
– 模拟数据编码: 用不同幅度、频率、相位来表示0、 1数据 – 数字数据编码:用高低电平信号来表示0、1数据
数字通信的基本概念
• 现场总线特点
– 现场总线的终端一般具有一定的智能计算能力 (数字计算能力); – 现场总线本身只负责发送或接收较小数据报 文,并且以这种数据报文作为与较高一级的控 制系统实现设备数据往返传送的有效手段; – 现场总线的系统由于网络关系清晰,易于维护.
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数字通信的基本概念
• 现场总线基本概念
数字通信的基本概念
• 总线的基本概念
– Fieldbus网络体系结构及标准的研究和制定始于1985 年 – 网络形式——完全型还是简化型网络结构
• 现场总线是简化型网络结构
数字通信的基本概念
• 现场总线是简化型网络结构的原因
– 对于面向控制的信息通常十分有限,当要求这种信息 必须快速而可靠地到达目的站时,七层模式使数据转 换远远慢于实时操作要求; – 现场总线设备并不需要OSI地址; – 与OSI系统有关的网络接口的造价对现场总线系统来说 显得过高,包括OSI系统所有各层的总开销,对现场总 线的应用来说同样显得太高 – 现场总线网络可采用低成本的桥接器、路由选择器和 网间连接器等实现与其他开放式系统(例如OSI网络、 MAP网络)的连接
– 总线协议(Protocol):管理总线上所有设备使用总线 的一套规则
数字通信的基本概念
• 总线操作的基本内容
– 总线操作:总线上命令者与响应者之间的连接-〉数据传送-〉脱 开这一操作的过程称为 “一次总线交易(操作)” – 数据传送: 读/写 – 通讯请求:总线上某一设备向另一设备发出的请求信号,要求后 者给予注意并进行某种服务 – 寻址:命令者与一个或多个从设备建立联系的一种总线操作
计算机局域网与拓扑结构
– 星型拓扑 – 环型拓扑

总线拓扑
– 树型拓扑
网络的传输介质
– – 传输介质是网络中连接收发双方的物理通路,也是 通信中实际传送信息的载体 常用的传输介质
• • • • • 电话线 同轴电缆 双绞线 光导纤淮电缆 无线与卫星通信 物理特性:传输介质物理结构的描述; 传输特性:传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技 术、传输容量、传输的频率范围; 连通特性:允许点-点或多点连接; 地理范围:传输介质最大传输距离; 抗干扰性:传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响 的能力; 相对价格:器件、安装与维护费用。
– 总线:传输信号或信息的公共路径 – 总线主设备:发起信息传输的设备(Bus Master) – 总线从设备:不能在总线上主动发起通讯、只能挂在 总线上进行接受查询的设备(Bus Slaver) – 控制信号: 总线上的控制信号通常有三种类型。
• • • 总线上设备的控制信号,如设备清零、初始化、启动和停止等。 改变总线操作方式的控制信号,如改变数据流的方向,选择数据字 段的宽度和字节等。 地址和数据表示控制信号,如对于地址,可用于指定某一地址空 间,或表示出现了广播操作;对于数据,可用于指定它能否转译成 辅助地址或命令。
有噪声,信道容量香农定理: C=Wlog2(1+S/N) (bps), S信道功率、N噪声功率,W 信道带宽。 得出结论: (1)提高信噪比能提高信道容量 (2)增加带宽不能无限制提高信道容量,由于N=Wn0, (no为噪声的单边功率谱密度,W增加,N也增加)
通信系统简介
• 信号的传输方式
– – – – 基带传输: 数据波的原样进行传输(0-10Mbps) 载波传输:通过调制后进行传输 宽带网:多条基带信道(0-1000Mbps) 异步传输模式ATM:时分多路复用技术基础上发展起 来的。被称为宽带综合业务数字网(B-ISDN)的传 输模式。速度可达155M-2.4GB。在数据传输中采用 固定长度的短帧(信元Cell),帧长度为53个字 节,5个为信元头。异步:表示信元插入线路的位置 是任意的,无固定结构。
– 串行数据传输距离
• 从几米到几千公里, • 介质: 直接连线、市话网、无线网
– 通信可靠性
• 接口之间的握手关系需要一些通信协议来保障
数字通信的基本概念
• 串行通信位的判决 – 异步传输
• 收发两端各自有相互独 立的位定时时钟 • 数据的传输速率是双方 约定的, • 收方利用数据本身来进 行同步的传输方式,一 般采用了异步起止式。 • 一帧信息是由起始位、 数据位、奇偶校验位和 停止位四部分组成的
通信系统简介
• 数字数据编码
– – – – – – 单极性码:信号极性是单极性 的,如 1-高电平,0-低电平 双极性码:信号极性为正、负 两种。 归零码: 每一位二进制信息传 输后均返回零电平 非归零码: 在每一信号码元内 维持有效电平 差分码:电平变化表示1,不变 化表示0 曼彻斯特编码(Manchester Encoding):一个时钟周期的前 半个周期表示信号的原码、后 半个周期表示信号的反码
– 保证CPU效率,接口满足:
• 设置了数据寄存器或锁存器 • 命令寄存器或工作方式寄存 器 • 状态寄存器 • 中断申请电路 • 满足速度匹配
数字通信的基本概念
• 串口、并口的基本功能
– 数据缓冲功能
• 协调CPU与外设在速度上差异
– 信号变换功能
• 电平变换和匹配
– 可编程功能 – 错误检测功能 – 寻址功能

主要特性
• • • • • •
网络的传输介质
– 双绞线
• • 物理特性:双绞线由按规则螺旋结构排列的两 根或四根绝缘线组成 传输特性:双绞线最普遍的应用是语音信号的 模拟传输 ,可多路复用,最多复用24条,带宽 可达268kHz 连通性:双绞线可以用于点-点连接,也可用于 多点连接 地理范围:双绞线用作远程中继线时,最大距 离可达15Km;用于10Mbps局域网时,方案线器 的距离最大为100m。 抗干扰性:双绞线的抗干扰性取决于一束线中 相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。在低频传 输时,其抗干扰能力相当于同轴电缆,在10100KHz时,其抗干扰能力低于同轴电缆 价格低
数字通信的基本概念
• 串行通信的字判决
– 异步:每一个字符要使用起始位和停止位的额外开销 用作再同步 – 同步:不是将每一个字符当做一个独立的信息来传 送,而是将许多字符组成一个信息块,加入适当的控 制信息和错误检测数据后再传送出去
数字通信的基本概念
• 串口的结构
– 输入输出是为实现串行与并行转换的功能,要有移位 寄存器和数据寄存器。在其间串口电路要实现不同通 信方式下的数据格式转化。在异步方式下,接口电路 要能在发送时自动生成和在接收时自动掉起/停位。
• • • •
网络的传输介质
– 光缆
• 物理特性:光纤是一种直径为50~100μm的柔软、 能传导光波的介质,各种玻璃和塑料可以用来制 造光纤 传输特性:光导纤维通过内部的全反射来传输一 束经过编码的光信号。 可达几千Mbps。 连通性:主要是点-点连接, 地理范围:6-8km无需中继器 抗干扰性:抗干扰能力强。一般双绞线典型的误 码率在10-5~10-6之间,基带同轴电缆为10-7,宽 带同轴电缆为10-9。而光纤误码率可以低于10-10 价格高
• 按统一时钟,有节奏通讯
– 简单方式和握手控制方式 :按控制方式
• 简单方式:发方只发数据,收方只接收 • 握手方式:需要联络线
– 数字接口和模拟接口 :交互信号的类型
数字通信的基本概念
• 串口、并口的基本结构
– 接口:CPU与外设桥梁
• 面向CPU的通过总线完成, • 面向外设的则通过相应的数 据线和控制线


通信系统简介
• 通信系统的性能
• 传输速度: 度量通信系统每秒传送带信息量 s=1/T log2n T – 传输代码的最小时间, n – 信道的有效状态 (n=2), 单位:bps 误码率:二进制码元在数据传输系统中传错的概率: p=e/N
– N为总元数,e是被传错码数
• • •
信道容量:信道在单位时间内传输的最大比特数 信噪比:信道功率与噪声功率之比。 10lgS/N 分贝
1
0
0
1
0
1
1
时钟
曼切斯特编码
通信系统简介
• 数字数据编码
– 模拟数据编码 模拟数据编码采 用模拟信号来表达数据的0,1状 态。幅度、频率、相位是描述模 拟信号的参数,可以通过改变这 三个参数,实现模拟数据编码。
• 幅度键控ASK中,载波信号的频率、 相位不变,幅度随调制信号变化 , 如:SA=anAcos(ωt+φ), an=0,1 频移键控FSK中,载波信号的频率随 着调制信号而变化,而截波信号的幅 度、相位不变 相移键控PSK中,载波信号的频率、 幅值不变,相位随调制信号变化
数字通信的基本概念
• 串口的结构
– 发送数据寄存器(TxD R):它通过数据总线缓冲器, 从CPU接收并行的数据; – 发送移位寄存器(Txs R):它从发送数据寄存器取得 并行的数据,以发送时钟TxC的速率把数据逐位移出; – 接收移位寄存器(Rxs R):它以接收时钟的速率把出 现在串行数据输入线上的数据,逐位地移入接收移位 寄存器。当寄存器接收满后,将数据并行地送往接收 数据寄存器(RxD R); – 接收数据寄存器(RxD R) :它从接收移位寄存器接 收并行的输入数据再经过数据总线缓冲器,将数据送 入微处理器。 – 数据总线缓冲器:它是微处理器与数据寄存器(RxD R 或RxD R)交换数据的双向缓冲器。
• •


网络的传输介质
– 同轴电缆
• • 物理特性:由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外部保 护层组成 传输特性:同轴电缆可以分为基带同轴电缆和宽带 同轴电缆两类 。基带速率可达10M。宽带可用于频 分复用。 连通性:同轴电缆支持点-点连接,也支持多点连接。 宽带同轴电缆可支持数干台设备的连接 地理范围:基带同轴电缆最大距离限制在几公里范 围内,而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里 抗干扰性:抗干扰能力较强 价格中
• • • 物理寻址 逻辑寻址 广播寻址 集中仲裁:有一个仲裁单元完成(利用优先级) 分布式仲裁:主设备发出优先级代码,实现一个仲裁周期,完成仲 裁。

总线仲裁:裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备
• •
– – –
总线定时:用定时信号进行同步,指明总线上何时数据有效。 出错检测:奇偶校验 容错:允许某个设备故障时,总线正常运行
第二章 网络和数字通信基础
1. 数字通信的基本概念 2. 总线的基本概念 3. 通信系统简介 4. 计算机局域网与拓扑结构 5. 网络的传输介质 6. 共享介质的访问方式 7. 数据交换 8. 差错控制
数字通信的基本概念
• 数字计算机数据交换接口概念
– 串行和并行 :按照接口电路数据传送方式 – 同步方式和异步方式 :数据收发时钟
数字通信的基本概念
• 并行接口的基本介绍
– 并口的特点 :
• 多根数据线传输,以数据字为单位同时传递 • 并行接口传递的数据不要求固定的格式 • 并行接口从电路结构来看,有可编程和不可编程 之分,而可编程结构居多 • 并行接口适合于近距离数据传送
数字通信的基本概念
• 串行通信的基本概念
– 数据传输是按位进行的 – 基本的传送方式
数字通信的基本概念
• 串行通信位的判决
– 起始位——是在高电平后的一位宽的低电平,其下降 沿表征了时钟关系,通知接收方传输开始: – 数据位——可为5~8位,具体由双方通过软件设定。 数据位紧跟在起始位后,是传送的信息主体。传送时 低位在前,高位在后; – 奇偶校验位——仅占l位,进行数据检查,也可以不设 校验位; – 停止位——可为l位、l/2位或2位,电传机采用l/2 位,计算机采用1或2位,具体由收发双方确定。停止 位是高电平,标志一个字符的结束,也为下一个字做 准备。
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