1、現(xiàn)場總線技術第二章,一、現(xiàn)場總線簡介 二、現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點 三、以現(xiàn)場總線為基礎的企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng) 四、現(xiàn)場總線技術的標準化,第一章內(nèi)容回顧,一、基本術語 二、通信系統(tǒng)的性能指標 三、數(shù)據(jù)編碼與傳輸方式 四、通信線路的工作方式與信號的傳輸模式 五、傳輸差錯及其檢測與校正,數(shù)據(jù)通信基礎,數(shù)據(jù)通信基礎,一、畫出通信系統(tǒng)的組成，并對系統(tǒng)各個組成部分功能進行 簡單介紹。 二、可靠性指標的概念？信道帶寬、介質(zhì)帶寬、信道容量和 信噪比的概念？信噪比對信道容量的影響？ 三、當傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)11001010時，試畫出HART和FF總 線的物理編碼波形示意圖？ 四、信號的傳輸模式有哪三種？他們各自的定義和特點是

2、什 么？ 五、差錯檢測中常用的冗余校驗方法有哪幾種？并對每種方 法進行簡單解釋。 六、待校驗數(shù)據(jù)為101011，CRC多項式為G(x)=x3+x2+1;寫出 循環(huán)冗余碼的計算和校驗過程。 七、最常用的差錯校正方法有哪兩種？,數(shù)據(jù)通信基礎,總線(bus)：是網(wǎng)絡上各節(jié)點共享的傳輸媒體，是傳輸信號或信息的公共路徑，遵循同一技術規(guī)范進行連接與操作。 總線段(bus segment)：一組設備通過總線連在一起稱為總線段。 總線協(xié)議(bus protocol)：總線上的設備如何使用總線的一套規(guī)則稱為“總線協(xié)議”。這是一套事先規(guī)定的、必須共同遵守的規(guī)約。,1. 總線基本術語,數(shù)據(jù)通信基礎,總線操作：總線上

3、數(shù)據(jù)發(fā)送者與接收者之間的連接數(shù)據(jù)傳送脫開這一操作序列，稱為一次總線操作。 連接（connection)：指在相同或不同設備內(nèi)，通信對象之間的邏輯綁定（binding）。 數(shù)據(jù)傳送：連接完成之后通信報文的發(fā)送與接收過程，或者數(shù)據(jù)的讀寫操作過程。 脫開(disconnect)：完成一次或多次總線操作后，斷開發(fā)送者與接收者之間的連接關系，放棄對總線的占有權。,1. 總線基本術語,數(shù)據(jù)通信基礎,現(xiàn)場設備(fieldbus device)：作為網(wǎng)絡節(jié)點連接在現(xiàn)場總線上的物理實體?，F(xiàn)場設備具備測量控制功能，也具有數(shù)據(jù)通信的能力。 總線主設備(bus master) ：有能力在總線上發(fā)起通信的設備。 總線從

4、設備(bus slaver)：不能在總線上主動發(fā)起通信，只能掛接在總線上、對總線信號進行接收查詢的設備。,1. 總線基本術語,數(shù)據(jù)通信基礎,總線仲裁（bus arbitration）：總線通信過程中出現(xiàn)沖突。為解決沖突需要進行總線占有權的仲裁。 某一時刻只允許一個主設備占有總線，它完成操作后釋放總線占有權，其他主設備才能使用總線； 訪問等待時間(access latency):主設備獲得總線占有權等待仲裁的時間； 總線占有期(bus latency):設備占有總線的時間。,1. 總線基本術語,數(shù)據(jù)通信基礎,總線仲裁有集中仲裁與分布仲裁。 集中總裁：由一個仲裁單元完成。如果有兩個以上主設備同時請

5、求使用總線時，由特定的總裁單元利用優(yōu)先級方案進行總裁； 分布總裁：仲裁過程在各主設備中完成。當某一主設備在總線上置起它的優(yōu)先級代碼時，開始一個仲裁周期。仲裁周期結(jié)束后，只有最高優(yōu)先級仍然置放在總線上。 優(yōu)先級方案有多種：高優(yōu)先級無限期否決低優(yōu)先級； 不允許某一主設備長期霸占總線。,1. 總線基本術語,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),數(shù)據(jù)通信過程，是兩個或多個節(jié)點之間借助傳輸媒體以二進制形 式進行信息交換的過程。將數(shù)據(jù)準確、及時地傳送到正確的目的 地，是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本任務。,噪聲,信源,編碼,調(diào)制,信道,解調(diào),解碼,信宿,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成,硬件由數(shù)據(jù)

6、信息的發(fā)送設備、接收設備、傳輸介質(zhì)組成。 軟件由數(shù)據(jù)信息形成的通信報文和通信協(xié)議組成。,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),發(fā)送設備：具有通信信號發(fā)送電路的設備，也稱為發(fā)送器(Transimitter)。 接收設備：具有通信信號接收電路的設備，也稱為接收器(Receiver)。 既可以作為發(fā)送設備，又可以作為接收設備，稱為收發(fā)器(Transceiver)。,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),按數(shù)據(jù)終端設備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設備(DCE)的連接方式不同,分為:點-點連接和多點分支連接兩種。 點-點連接:連接A和B兩個端點之間的線路。可采用專用線路，也可采用交換線路。,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 數(shù)據(jù)通信

7、系統(tǒng),多點分支連接:是一條線路連接兩個以上端點（站）進行通信的方式。分為：集中式多點和非集中式多點結(jié)構(gòu)。,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),集中式多點式結(jié)構(gòu)：在一個多點式結(jié)構(gòu)中，有一個站負責整個網(wǎng)絡中信息傳輸?shù)目刂婆c管理工作，則這個站稱為控制站。 特點：任何兩個站之間的信息傳輸和交換，均要在控制站的控制下進行。 非集中式多點式結(jié)構(gòu)：在一個多點式結(jié)構(gòu)中的控制站，當它輪詢到從屬站在回答時表明它有信息要發(fā)送。但不是發(fā)給控制站，而是發(fā)給同一條多點線路上的另一個從屬站時，控制站就退居監(jiān)視地位，由這兩個從站之間直接交換信息，待交換完畢后，發(fā)結(jié)束命令（送畢），控制站就收回線路控制權，進行下一輪詢。,數(shù)據(jù)通信

8、基礎,2. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 傳輸介質(zhì)是指在兩點或多點之間連接收發(fā)雙方的物理通路，是發(fā)送設備與接收設備之間信號傳遞所經(jīng)過的媒體，也稱之為傳輸媒體。 有線：各種電纜、電力線、光纜、雙絞線、光纖。 無線：電磁波、紅外線。 傳輸媒體的特性主要指： （1）物理特性（2）傳輸特性（3）連通特性（4）地域范圍 （5）抗干擾性,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),報文和通信協(xié)議都屬于通信系統(tǒng)中的軟件。 報文：一般把需要傳送的信息，包括文本、命令、參數(shù)值、圖 片聲音等稱為報文。 通信協(xié)議：通信設備之間用于控制數(shù)據(jù)通信與理解數(shù)據(jù)通信意 義的一組規(guī)則。協(xié)議的關鍵是語法、語義和時序。 語法：通信中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、格式以及數(shù)據(jù)

9、表達的順序。 語義：通信數(shù)據(jù)位流中每個部分的含義。 時序：一是數(shù)據(jù)發(fā)送時間的先后次序，二是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率。 通信協(xié)議標準： ISO標準， IEC標準,數(shù)據(jù)通信基礎,實際的信道上存在三類損耗：衰減、延遲、噪聲。 a）衰減：信道的損耗引起信號強度減弱，導致信噪比S/N降低。 b）延遲：信號中的各種頻率成分在信道上的延遲時間各不相同，在接收端會產(chǎn)生信號畸變。 c）噪聲 熱噪聲：由導體內(nèi)的熱擾動引起，又稱為白噪聲。 串擾：信道間產(chǎn)生的不必要的耦合。例：多對雙絞線。 脈沖噪聲：非連續(xù)、隨機、振幅較大。多由外部電磁干擾造成（閃電、大功率電機啟動等）。 噪聲將破壞信號，產(chǎn)生誤碼。持續(xù)時間0.01s的干擾可以

10、破壞約560個比特（56Kbps）。,數(shù)據(jù)通信基礎,1. 有效性指標,數(shù)據(jù)位傳輸速率,位（bit）/秒,其中：T為數(shù)據(jù)信號周期，n為一個信號所表示的有效狀態(tài)。,例：在二進制中，信號的有無就表示這個碼元狀態(tài)的“0”或“1”。 所以n =2。,數(shù)據(jù)通信基礎,可度量通信系統(tǒng)每秒傳送的信息量。二進制信號的信息速率用每秒比特（bit/s,bps,b/s）作單位。如比特率為9600bps意味著每秒可傳輸9600個二進制脈沖。當信道一定時，信息速率越高，有效性越好。,1. 有效性指標,比特率,位（bit）/秒,數(shù)據(jù)通信基礎,波特（Baud)是指信號的一個變換波形。把每秒傳輸?shù)男盘柌ǖ膫€數(shù)稱為波特率。單位為波

11、特，記作Baud或B。 比特率和波特率的區(qū)別 每個信號可以包含1個、也可以包含2個二進制數(shù)據(jù)位。 1個 比特率=波特率 2個 比特率=波特率2 在討論信道特性，特別是傳輸頻帶寬度時，通常采用波特率； 涉及實際的數(shù)據(jù)傳送能力時，則使用比特率。,1. 有效性指標,波特率,數(shù)據(jù)通信基礎,吞吐量（throughput)單位時間內(nèi)通信系統(tǒng)接收發(fā)送的比特數(shù)、字節(jié)數(shù)或幀數(shù)來表示。表示通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互能力。 頻帶利用率是指單位頻帶內(nèi)的傳輸速度。單位為bps / Hz，即每赫茲帶寬所能實現(xiàn)的比特率。 協(xié)議效率是指傳輸數(shù)據(jù)包中，有效數(shù)據(jù)位與整個數(shù)據(jù)包長度的比值，一般用百分比表示。,1. 有效性指標,數(shù)據(jù)通信基礎

12、,傳輸延遲指數(shù)是指數(shù)據(jù)從鏈路或網(wǎng)段的發(fā)送端傳送到接收端所需要的時間，也被稱為傳輸時間。 傳輸延遲指數(shù)=發(fā)送時間+傳播時間+排隊轉(zhuǎn)發(fā)時間 通信效率是指數(shù)據(jù)幀的傳輸時間與用于發(fā)送報文的所有時間之比。 除傳輸時間外，還包括競用總線或等待令牌的排隊時間、用于發(fā)送維護信息等的時間總和。 通信效率=1，所有時間都有效地用于傳輸數(shù)據(jù)幀； 通信效率=0，總線被報文的碰撞、沖突所充斥。,1. 有效性指標,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 可靠性指標,誤碼率,誤碼率是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)； 實際中經(jīng)常采用的是平均誤碼率； 誤碼率并非越低越好，誤碼率越小，則系統(tǒng)越復雜，造價越高； 計算機通信中一般要求其

13、平均誤碼率低于10-9； 通信系統(tǒng)的有效性與可靠性兩者之間是相互聯(lián)系、相互制約的。,數(shù)據(jù)通信基礎,3. 通信信道的頻率特性,頻率特性分為幅頻特性和相頻特性,幅頻特性是指不同頻率的信號在通過信道后，其輸出信號幅值與 輸入信號的幅值之比，它表示了信號在通過信道的過程中受到的 不同衰減。 相頻特性是指不同頻率的信號在通過信道后，其輸出信號相位與 輸入信號的相位之差。 信道的頻率特性取決于傳輸介質(zhì)的物理特性和中間通信設備的電 氣特性。,數(shù)據(jù)通信基礎,4. 信道帶寬與介質(zhì)帶寬,信號帶寬：信號頻譜所占有的頻率寬度。,信號的有效帶寬,數(shù)據(jù)通信基礎,4. 信道帶寬與介質(zhì)帶寬,信道帶寬：是指信道容許通過的物理信

14、號的頻率范圍，即容 許通過的信號的最高與最低頻率之差。 介質(zhì)帶寬：是指該傳輸介質(zhì)能通過的物理信號的頻率范圍。,介質(zhì)帶寬與信號的畸變,數(shù)據(jù)通信基礎,4. 信道帶寬與介質(zhì)帶寬,信道容量：是指信道在單位時間內(nèi)可能傳送的最大比特數(shù)。,M 最大數(shù)據(jù)率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps 16 24000 bps 32 30000 bps 64 36000 bps,C = 2W log2 M,W = 帶寬 M = 信號電平級數(shù) 若碼元的電平級數(shù)為4 (即1個碼元攜帶2bit的信息量),話音級線路的信道容量計算 (3000 Hz),Nyquist公式為估算已知帶寬信

15、道的最高速率提供了依據(jù)。,Nyquist 公式： 用于理想低通信道,數(shù)據(jù)通信基礎,5. 信噪比對信道容量的影響,信噪比：信號功率S與噪聲功率N的比值。一般用10lgS/N來表示， 單位分貝（dB)。,Shannon計算公式：高斯噪聲干擾信道的信道容量,C表示信道容量，W表示信道帶寬。 從上式可以看到，提高信噪比或增加信道帶寬均可增加信道容量。,C =,W log2 (1+,S N,),b/s,數(shù)據(jù)通信基礎,5. 信噪比對信道容量的影響,例：信道帶寬W=3KHz，信噪比為10dB（S/N=10)，則 C=3000*log2(1+10) 10380bps,如果信噪比提高為20dB（S/N=100)

16、，則 C=3000*log2(1+100) 19980bps,1. 增加帶寬也可以提高信道容量。但噪聲功率N=Wn0(n0為噪聲的單邊功率譜密度）。隨著W增大，N增大，會導致信噪比降低。 2. 在信道容量一定時，帶寬與信噪比之間可以相互彌補。即提高信道帶寬可使具有更低信噪比的信號得以通過，而傳輸信噪比比較高的信號時，可適當放寬對信道帶寬的要求。,數(shù)據(jù)通信基礎,5. 信噪比對信道容量的影響,Nyquist公式和Shannon公式的比較,C = 2W log2M 此公式說明數(shù)據(jù)傳輸率C隨信號編碼級數(shù)增加而增加。 C = W log2(1+S/N) 無論采樣頻率多高，信號編碼分多少級，此公式給出了

17、信道能達到的最高傳輸速率。 原因：噪聲的存在將使編碼級數(shù)不可能無限增加。,數(shù)據(jù)通信基礎,數(shù)據(jù)(Data)：傳遞（攜帶）信息的實體，信息(Information)則是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。 -模擬(Analog)數(shù)據(jù)與數(shù)字(Digital)數(shù)據(jù) 信號(Signal)：數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電編碼），數(shù)據(jù)以信號的形式傳播。 -模擬信號與數(shù)字信號 -基帶(Baseband) 與寬帶( Broadband )信號,數(shù)據(jù)通信基礎,數(shù)字信道與模擬信道 數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式（離散信號）傳輸數(shù)據(jù) 的信道。 模擬信道：以連續(xù)模擬信號形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。,數(shù)據(jù)通信基礎,模擬信號與數(shù)字信號 模擬信號：時間上連續(xù)，

18、包含無窮多個值。 數(shù)字信號：時間上離散，僅包含有限數(shù)目的預定值。,t,t,a) 模擬信號,b) 數(shù)字信號,數(shù)據(jù)通信基礎,數(shù)據(jù)：模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字數(shù)據(jù) 信號：模擬信號、數(shù)字信號 信道：模擬信道、數(shù)字信道,不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種組合， 每一種相應地需要進行不同的編碼處理。,數(shù)據(jù)通信基礎,模擬傳輸和數(shù)字傳輸,Modem,數(shù)據(jù)通信基礎,數(shù)字通信的優(yōu)點 抗噪聲（干擾）能力強 可以控制差錯，提高了傳輸質(zhì)量 便于用計算機進行處理 易于加密、保密性強 可以傳輸語音、數(shù)據(jù)、影像 僅在不得已的情況下，才會采用模擬通信。 如用modem通過撥號線路傳輸數(shù)字信號。,數(shù)據(jù)通信基礎,1. 數(shù)據(jù)編碼波形,數(shù)

19、據(jù)編碼的目的：為了降低信號傳輸過程中的直流分量和改善噪聲，減少對硬件帶寬的要求，且能方便提取同步信號，必須對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼后再發(fā)送。 數(shù)據(jù)編碼分：數(shù)字數(shù)據(jù)編碼和模擬數(shù)據(jù)編碼 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼：用高低電平的矩形脈沖信號來表達數(shù)據(jù)的0，1狀態(tài)的，稱為數(shù)字數(shù)據(jù)編碼。 模擬數(shù)據(jù)編碼：分別用模擬信號的不同幅值、不同頻率、不同相位來表達數(shù)據(jù)的0，1狀態(tài)的稱為模擬數(shù)據(jù)編碼。,數(shù)據(jù)通信基礎,一、單極性編碼 信號電平是單極性的，如邏輯1用高電平，邏輯0用低電平。 二、雙極性編碼 信號電平為正、負兩種極性的，正電平用1，負電平用0。,2. 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼,數(shù)據(jù)通信基礎,三、歸零碼（RZ） 在每一位二進制信息傳輸之后

20、均返回零電平。如邏輯1只在該碼元時間中的某段維持高電平后就回復到低電平。 四、非歸零碼（NRZ） 在整個碼元時間內(nèi)都維持其邏輯狀態(tài)相應電平的編碼。,2. 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼,數(shù)據(jù)通信基礎,三、歸零碼（RZ） 在每一位二進制信息傳輸之后均返回零電平。如邏輯1只在該碼元時間中的某段維持高電平后就回復到低電平。 四、非歸零碼（NRZ） 在整個碼元時間內(nèi)都維持其邏輯狀態(tài)的相應電平的編碼。,2.數(shù)字數(shù)據(jù)編碼,數(shù)據(jù)通信基礎,五、差分碼 在各時鐘周期的起點，采用信號電平的變化與否來代表數(shù)據(jù)“1”和“0”的狀態(tài)。例如規(guī)定用時鐘周期起點的信號電平變化代表“1”，不變化代表“0”，按此規(guī)定形成的編碼稱為差分碼。,2.

21、數(shù)字數(shù)據(jù)編碼,數(shù)據(jù)通信基礎,六、曼徹斯特編碼(Manchester Encoding) 也稱自同步編碼或相位編碼。 特點：這是一種常用的基帶信號編碼，它具有內(nèi)在的時鐘信息，因而能使網(wǎng)絡上的每一個系統(tǒng)保持同步。 方法：在曼徹斯特編碼中，時間被劃分為等間隔的小段，其中每小段代表一個比特。每一小段時間本身又分為兩半，前半個時間段所傳信號是該時間段傳送比特值的反碼，后半個時間段所傳送的是比特值本身。,2. 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼,數(shù)據(jù)通信基礎,基金會現(xiàn)場總線采用雙向L曼徹斯特編碼，下降沿代表“1”，上升沿代表“0”。實際上它是曼徹斯特編碼的反碼。 例： 1 1 0 0 1010的字節(jié)，F(xiàn)F總線的物理編碼示意圖：

22、,2. 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼,數(shù)據(jù)通信基礎,模擬數(shù)據(jù)編碼采用模擬信號來表達數(shù)據(jù)的0，1狀態(tài)。幅值、頻率、相位是描述模擬信號的參數(shù)，可通過改變這三個參數(shù)，實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)編碼。 模擬數(shù)據(jù)編碼的三種形式： 一、幅值鍵控ASK（amplitude-sheft keying） 二、頻移鍵控FSK（frequency-sheft keying） 三、相移鍵控PSK（phase-sheft keying） 這三種形式是模擬數(shù)據(jù)編碼的三種編碼方法。,3. 模擬數(shù)據(jù)編碼,數(shù)據(jù)通信基礎,幅值鍵控ASK中，載波信號的頻率、相位不變，幅度隨調(diào)制信號變化。如：一個二進制數(shù)字信號，調(diào)制后波形的時域表達式為：,3. 模擬數(shù)據(jù)編碼,數(shù)

23、據(jù)通信基礎,頻移鍵控FSK：載波信號的頻率隨著調(diào)制信號的變化而變化，而載波信號的幅度、相位不變。如：定義信號0對應的載波頻率大，信號1對應的載波頻率小。 （HART協(xié)議采用該種通信方式，1200Hz為1，2200Hz為0）。 相移鍵控PSK：載波信號的相位隨著調(diào)制信號而變化，而載波信號的幅度、頻率不變。用相位0和180分別代表1和0。,3. 模擬數(shù)據(jù)編碼,數(shù)據(jù)通信基礎,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK調(diào)幅,FSK調(diào)頻,PSK調(diào)相,數(shù)據(jù)通信基礎,串行傳輸（serial transmission)：數(shù)據(jù)流以串行方式逐位地在一 條信道上傳輸。是一個位接一個位地傳送。從發(fā)送端到接收端

24、 的信道只要一條傳輸線即可。 串行傳輸具有易于實現(xiàn)，在長距離傳輸中可靠性高等優(yōu)點。適 合遠距離的數(shù)據(jù)通信。但需要在收發(fā)雙方采取同步措施。 并行傳輸（parallel tranmission)：是將數(shù)據(jù)以成組的方式在兩 條以上的并行通道上同時傳輸。例如，8條并行導線，是一個 字節(jié)一個字節(jié)地傳送。從發(fā)送端到接收端要用8根傳輸線，同 時傳送一個字節(jié)的不同位。,4. 串行傳輸與并行傳輸,數(shù)據(jù)通信基礎,5. 同步傳輸與異步傳輸,同步傳輸和異步傳輸是指通信處理中使用時鐘信號的不同方式。 同步傳輸：所有設備都使用一個共同的時鐘。 同步傳輸比異步傳輸效率高，適合高速傳輸?shù)囊蟆５珎鬏斁嚯x 短，需要傳輸時鐘信號

25、，并且容易受到噪聲的干擾。 異步傳輸：每個通信節(jié)點都有自己的時鐘信號。 異步傳輸實現(xiàn)起來簡單容易，頻率的漂移不會累計，對線路和收 發(fā)器要求較低。但異步傳輸中，往往因同步的需要，要另外傳輸 一個或多個同步字符或幀頭，因而會增加網(wǎng)絡開銷，使線路效率 受到一定影響。,數(shù)據(jù)通信基礎,6. 位同步、字符同步與幀同步,目的是使接收端與發(fā)送端在時間基準上一致 (包括開始時間、位邊界、重復頻率等)。 有三種同步方法： 一、位同步 二、字符同步 三、幀同步,數(shù)據(jù)通信基礎,6. 位同步、字符同步與幀同步,位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都與發(fā)送端 保持同步。 外同步發(fā)送端發(fā)送同步時鐘信號，接收方用它來鎖定自

26、己的時鐘脈沖頻率。 自同步通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），這些數(shù)據(jù)編碼信號包含了同步脈沖，接收方提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。,數(shù)據(jù)通信基礎,6. 位同步、字符同步與幀同步,字符同步：以字符為邊界實現(xiàn)字符的同步接收，也稱為起 止式或異步傳輸每兩個字符之間的間隔時間不固定。 優(yōu)點 頻率的漂移不會積累，每個字符開始時都會重新同步； 缺點 增加了輔助位，所以效率低。,數(shù)據(jù)通信基礎,6.位同步、字符同步與幀同步,幀（Frame）包含數(shù)據(jù)和控制信息的數(shù)據(jù)塊（包）,幀起始,控制信息,數(shù)據(jù),幀結(jié)束,校驗和,0 - n,8bit,8bit,8-32,m,面向比特以特殊位序列（01111110B）作為幀

27、（起始）標志來標識一個幀的開始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀。,面向字符以同步字符（SYN，16H）來標識一個幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀。 例如，DBH，DEH，DCH,幀同步：數(shù)據(jù)幀發(fā)送時，收發(fā)雙發(fā)以幀頭幀尾為特征實行同步的工作方式。識別一個幀的起始和結(jié)束。,幀同步是現(xiàn)場總線系統(tǒng)通信中主要采用的同步方式。,HDLC（High Level Data link Control）高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程 格式：,8位,8位,8位,16位,8位,0位,標志場： SDLC/HDLC規(guī)定所有信息傳輸必須以一個標志字節(jié)開始， 且以同一個字節(jié)結(jié)束，這個字節(jié)為01111110，二個標志字節(jié)之 間構(gòu)成一個完整的信

28、息單位，稱為一幀（frame） “0”位插入/刪除技術 方法：除標志字節(jié)外，遇到連續(xù)5個“1”就自動插入一個“0”。 如： 原始 插入后 刪除后 01111110 011111010 01111110 11111111 111110111 11111111,數(shù)據(jù)通信基礎,1. 通信線路的工作方式,根據(jù)通信過程中信息流的傳輸方向，可將通信線路的工作方式分成：單工通信方式、半雙工通信方式和全雙工通信方式。 單工通信: 一端只能發(fā)送數(shù)據(jù)，而另一端只能接收數(shù)據(jù)，信道傳輸方向為單向且不能改變。,無線電廣播,數(shù)據(jù)通信基礎,1. 通信線路的工作方式,半雙工通信: 兩端能在兩個方向上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，但不能同時

29、進行。,對講機,數(shù)據(jù)通信基礎,1. 通信線路的工作方式,全雙工通信: 兩端能在兩個方向同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 信號的傳輸模式,基帶傳輸: 基帶（baseband）：是數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為傳輸信號時其數(shù)據(jù)變化本身所具有的頻帶。 例如：數(shù)字信號的基本頻帶：0若干MHz，由傳輸速率而定。 基帶傳輸：基帶傳輸是指在基本不改變數(shù)字信號頻率的情況下，直接按基帶信號進行的傳輸。它不包含任何調(diào)制（頻率變換），按數(shù)據(jù)波的原樣進行傳輸。,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 信號的傳輸模式,基帶傳輸?shù)奶攸c： 1. 信號按位流形式傳輸，整個系統(tǒng)不用調(diào)制解調(diào)器， 使得系 統(tǒng)價格低廉。 2. 與寬帶網(wǎng)相比，基帶網(wǎng)的傳輸介質(zhì)比

30、較便宜，可以達到較 高的數(shù)據(jù)傳輸速率(一般為lMbps10Mbps），但其傳輸距離一般不超過25km，傳輸距離越長，傳輸質(zhì)量越低。 大部分微機局域網(wǎng)，控制局域網(wǎng)都是采用基帶傳輸方式的基帶網(wǎng)。,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 信號的傳輸模式,載波傳輸: 載波信號：發(fā)送設備要產(chǎn)生某個頻率的信號作為基波來承載數(shù)據(jù)信號，這個基波被稱為載波信號。 載波傳輸：按幅值鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等不同方式，依照要承載的數(shù)據(jù)改變載波信號的幅值、頻率、相位，形成調(diào)制信號，載波信號承載數(shù)據(jù)后的信號傳輸過程稱為載波傳輸。,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 信號的傳輸模式,載波傳輸?shù)奶攸c： 1. 克服了目前長途電話線

31、路不能直接傳輸基帶信號的特點; 2. 可實現(xiàn)多路復用，提高了通信線路的利用率; 3. 在接收端和發(fā)送端都要設置調(diào)制解調(diào)器。,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 信號的傳輸模式,寬帶傳輸: 在同一介質(zhì)上可以傳輸多個頻帶的信號。 寬帶傳輸?shù)奶攸c： 可進行全部廣播，還可以高速數(shù)據(jù)傳輸?？梢妼拵鬏斚到y(tǒng)是模擬信號傳輸系統(tǒng)，可以在同一信道上進行數(shù)字和模擬信息服務。 寬帶傳輸與基帶傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別： 1. 數(shù)據(jù)傳輸速率不同?；鶐ЬW(wǎng)幾十到幾百Mbps,寬帶網(wǎng)可達Gb/s。 2.寬帶網(wǎng)可劃分多條基本通信信道，能提供多條良好的通信路徑。,數(shù)據(jù)通信基礎,1. 傳輸差錯的類型,數(shù)據(jù)通信所傳送的是數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)比聲音更容易受到干擾。 語音

32、傳送:人們講話最小音節(jié)是0.1秒左右。而幾毫秒或幾十毫秒的干擾并不會仿礙語音的接收,加之在聽話時有邏輯判斷能力,個別字聽不清,不影響對整個句子的理解。 數(shù)據(jù)傳送:最低速率50位/秒,一個碼元才20毫秒。 干擾:所以幾十毫秒干擾會造成碼元出錯。只要一個碼元出錯了，則該報文就出錯了。隨著數(shù)據(jù)傳輸率的提高,碼元寬度會變窄，毫秒級的干擾就會造成一片數(shù)據(jù)出錯。,數(shù)據(jù)通信基礎,1. 傳輸差錯的類型,造成差錯的原因 1. 干擾（噪聲或瞬時中斷） 噪聲：信道上的噪聲是各種各樣的，按錯誤的情況來分： 隨機錯誤：指某個數(shù)碼出錯時與前后數(shù)碼無關。 脈沖錯誤：是受前后的數(shù)碼影響產(chǎn)生成群誤差。 干擾：如：電信號進行長距

33、離傳送時的各種干擾 ； 電話線上：普通電路交換機引起的脈沖干擾； 微波和無線電通信中有衰落現(xiàn)象引起的信號中斷； 衛(wèi)星通信中有氣候因素的干擾； 2. 設備故障 3. 人員操作錯誤,數(shù)據(jù)通信基礎,1. 傳輸差錯的類型,差錯控制：有效地檢測錯誤并進行糾正的方法稱差錯控制。 1. 驗錯碼方案：讓報文分組僅包含足以使接收端發(fā)現(xiàn)差錯的 冗余信息，但不能確定哪一比特是錯的，且 自己不能糾正傳輸差錯。 特點：原理簡單，實現(xiàn)容易，編碼與解碼速度快，得到廣泛應用。 2. 糾錯碼方案：讓傳輸?shù)膱笪姆纸M帶上足夠的冗余信息， 以便在接收端能發(fā)現(xiàn)并自動糾正傳輸錯誤。 特點：比驗錯碼方案有優(yōu)越性，但實現(xiàn)復雜，造價高，費時間

34、，一般的通信場合不采用。,數(shù)據(jù)通信基礎,1. 傳輸差錯的類型,按照單位數(shù)據(jù)域內(nèi)發(fā)生差錯的數(shù)據(jù)位個數(shù)及其分布，劃分為下面三類錯誤： 單比特錯誤: 在單位域內(nèi)只有1個數(shù)據(jù)位出錯的情況。 多比特錯誤: 在單位域內(nèi)有1個以上不連續(xù)的數(shù)據(jù)位出錯的情況，又稱為離散錯誤。 突發(fā)錯誤: 在單位域內(nèi)有2個或2個以上連續(xù)的數(shù)據(jù)位出錯的情況。 發(fā)生錯誤的多位數(shù)據(jù)位是否是連續(xù)的，是區(qū)分突發(fā)錯誤和多比特錯誤的主要特征。,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 傳輸差錯的檢測,差錯檢測就是監(jiān)視接收到的數(shù)據(jù)并判斷是否發(fā)生了傳輸錯誤。讓報文中包含能發(fā)現(xiàn)傳輸差錯的冗余信息，接收端通過接收到冗余信息的特征，判斷報文在傳輸中是否出錯的過程。 差錯檢測

35、中廣泛采用冗余校驗技術。 （1） 奇偶校驗 （2）求和校驗 （3）縱向冗余校驗LRC （4）循環(huán)冗余校驗CRC,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 傳輸差錯的檢測,（1）奇偶校驗 編碼規(guī)則：在原信息（如字符）后附加一位校驗位，使得整個碼字或碼組中的代碼“1”的個數(shù)成為偶數(shù)或奇數(shù)，“1”的個數(shù)為偶數(shù)的稱為“偶數(shù)校驗”; “1”的個數(shù)為奇數(shù)的稱為“奇數(shù)校驗”。 特點：校驗能力很低，只能校驗出：“1”或”0“有奇數(shù)錯誤，但不能確定是一個還是三個或更多個奇數(shù)的錯誤，也不能發(fā)現(xiàn)偶數(shù)個錯誤。,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 傳輸差錯的檢測,（2）求和校驗 在發(fā)送端將數(shù)據(jù)分為k段，每段均為等長的n比特。將分段1與分段2做求和操作，再逐

36、一與分段3至k段做求和操作，得到長度為n比特的求和結(jié)果。將該結(jié)果取反后作為校驗和放在數(shù)據(jù)塊后面，與數(shù)據(jù)塊一起發(fā)送到接收端。在接收端對接收到的、包括校驗和在內(nèi)的所有k+1段數(shù)據(jù)求和，如果結(jié)果為零，就認為傳輸過程沒有錯誤，所傳數(shù)據(jù)正確。如果結(jié)果不為零，則表明發(fā)生了錯誤。 求和校驗能檢測出95%的錯誤，但與奇偶校驗方法相比，增加了計算量。,數(shù)據(jù)通信基礎,2.傳輸差錯的檢測,（2）求和校驗 在發(fā)送端將數(shù)據(jù)分為k段，每段均為等長的n比特。將分段1與分段2做求和操作，再逐一與分段3至k段做求和操作，得到長度為n比特的求和結(jié)果。將該結(jié)果取反后作為校驗和放在數(shù)據(jù)塊后面，與數(shù)據(jù)塊一起發(fā)送到接收端。在接收端對接收

37、到的、包括校驗和在內(nèi)的所有k+1段數(shù)據(jù)求和，如果結(jié)果為零，就認為傳輸過程沒有錯誤，所傳數(shù)據(jù)正確。如果結(jié)果不為零，則表明發(fā)生了錯誤。 求和校驗能檢測出95%的錯誤，但與奇偶校驗方法相比，增加了計算量。,IP數(shù)據(jù)包首部采用二進制反碼求和進行校驗,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 傳輸差錯的檢測,（3）縱向冗余校驗LRC 縱向冗余校驗（Longitudianl Redundancy Check)按預定的數(shù)量將多個單位數(shù)據(jù)域組成一個數(shù)據(jù)塊。首先每個單位數(shù)據(jù)域各自采用奇偶校驗，得到各單位數(shù)據(jù)域的冗余校驗位。再將各單位數(shù)據(jù)域的對應位分別作奇偶校驗，如對所有單位數(shù)據(jù)域的第1位作奇偶校驗，對所有單位數(shù)據(jù)域的第2位作奇偶校驗

38、，如此等等。并將所有位置奇偶校驗得到的冗余校驗位組成一個新的數(shù)據(jù)單元，附加在數(shù)據(jù)塊的最后發(fā)送出去。 LRC大大提高了發(fā)現(xiàn)多比特錯誤和突發(fā)錯誤的可能性。,舉例說明哪種情況的錯誤LRC無法檢測？,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 傳輸差錯的檢測,（4）循環(huán)冗余校驗 循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check,CRC)對傳輸序列進行一次規(guī)定的除法操作，將除法操作的余數(shù)附加在傳輸信息的后邊。在接收端，也對收到的數(shù)據(jù)做相同的除法，如果接收端除法得到的結(jié)果其余數(shù)不是零，就表明發(fā)生了錯誤。 基于除法的循環(huán)冗余檢驗，其計算量大于奇偶校驗與求和校驗，它能夠檢測出大約99.95%的錯誤。,數(shù)據(jù)通信基礎,2.循

39、環(huán)冗余校驗的工作原理,循環(huán)冗余校驗原理圖,接收的數(shù)據(jù)f(x),如果接收正確,如果接收出錯,f(x)：比特序列作為多項式的系數(shù),G(x)：生成多項式,k：為生成多項式的最高次冪,數(shù)據(jù)通信基礎,2.傳輸差錯的檢測,CRC生成多項式G(x)：由協(xié)議規(guī)定國際標準中有：,CRC-12 :,G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1,CRC-16 :,G(x)=x16+x15+x2+1,CRC-CCITT :,G(x)=x16+x12+x5+1,CRC-32 :,G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1,解：待校驗數(shù)據(jù)為110011（

40、6比特） 生成多項式為比特序列為：1101（4比特，k=3） 將待校驗數(shù)據(jù)比特序列乘以23，則產(chǎn)生的乘積為110011000 將乘積用生成多項式比特序列去除，按模二算法應得到余數(shù)為：001 將余數(shù)比特序列加到乘積中:001+110011000=110011001 如果在數(shù)據(jù)傳輸中沒有錯誤,那么接收端收到的帶有CRC校驗碼的接收數(shù)據(jù)比特序列一定能被相同的多項式整除,如不能被整除則表明有錯誤。,例：待校驗數(shù)據(jù)為110011。CRC多項式為，寫出循環(huán)冗余碼的計算和校驗過程。,數(shù)據(jù)通信基礎,待校驗數(shù)據(jù)為101011。CRC多項式為G(x)=x3+x2+1; 寫出循環(huán)冗余碼的計算和校驗過程。 關鍵解答過

41、程： K=3, 生成多項式比特序列為：1101； 將待校驗數(shù)據(jù)比特序列乘以23，則產(chǎn)生的乘積為101011000； 將乘積用生成多項式比特序列去除，按模二算法應得到余數(shù)為：110； 將余數(shù)比特序列加到乘積中:110+101011000=101011110。,請同學上講臺寫下解題過程并講解。,你的結(jié)果正確嗎？,數(shù)據(jù)通信基礎,2. 傳輸差錯的檢測,CRC生成多項式G(x)：由協(xié)議規(guī)定國際標準中有：,CRC-12 :,G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1,CRC-16 :,G(x)=x16+x15+x2+1,CRC-CCITT :,G(x)=x16+x12+x5+1,CRC-32 :,G(x)=x32+x26+x23+x22+