1、第二章第二章 数据通信基础数据通信基础2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 数据通信是通过某种类型的数据通信是通过某种类型的物理介质物理介质（如电话线）（如电话线）从一个地点向另一个地点从一个地点向另一个地点传送数据传送数据（数字或字符），（数字或字符），它是解决它是解决数据信息数据信息的的传输、交换、分配、集中及兼容传输、交换、分配、集中及兼容等问题的一门技术。数据通信技术是测控系统通信的等问题的一门技术。数据通信技术是测控系统通信的基础。基础。四要素：信号、数据、信息和信道四要素：信号、数据、信息和信道思考：四要素之间的关系是什么？思考：四要素之间的关系是什么？2.1 数据通信的基
2、本概念数据通信的基本概念2.1.1 信息信息 信息（信息（InformationInformation）是客观事物属性和相互联）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系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。动状态。水温水温100100度、车速度、车速80km/h80km/h等都是信息等都是信息；信息不同于信号，信号是信息的载体，信息则是信息不同于信号，信号是信息的载体，信息则是信号所载荷的内容；信号所载荷的内容；信息不同于数据，数据是记录信息的一种形式，信息不同于数据，数据是记录信息的一种形式，同样的信息也可以用文字或图像来表述。同样的信息也可以用文字或
3、图像来表述。2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念2.1.2 数据数据 数据（数据（DataData）一般可以理解为）一般可以理解为“信息的数字化形信息的数字化形式式”或或“数字化的信息形式数字化的信息形式”；数字、字母和符号都是数据；数字、字母和符号都是数据；数据中包含信息，信息通过解释数据而产生；数据中包含信息，信息通过解释数据而产生；数据可以分为模拟数据和数字数据两种。数据可以分为模拟数据和数字数据两种。模拟数据表示的信息为随时间变化的连续信号；模拟数据表示的信息为随时间变化的连续信号；数字数据表示的信息为离散的数字信号；数字数据表示的信息为离散的数字信号；2.1 数据通信的基本概
4、念数据通信的基本概念2.1.3 信号信号信号（信号（SignalSignal）是数据的具体表示形式，简单地）是数据的具体表示形式，简单地讲就是携带信息的传输介质。通信系统使用的信号讲就是携带信息的传输介质。通信系统使用的信号主要有电信号、磁信号、光信号等；主要有电信号、磁信号、光信号等；信号的特性表现为它的时间特性和频率特性；信号的特性表现为它的时间特性和频率特性；信号的分类；信号的分类；信号的分析方法。信号的分析方法。2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念2.1.3 信道信道信道即信号传输的通道，可以是有线的，也可以信道即信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些
5、接口设备；是无线的，甚至还可以包含某些接口设备；信道有物理信道和逻辑信道之分；信道有物理信道和逻辑信道之分；2.2 数据通信系统的构成数据通信系统的构成 2.2 数据通信系统的构成数据通信系统的构成 数据源数据源( (信源信源) )：把待传输的消息或数据转换成原始电信把待传输的消息或数据转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源；号，如电话系统中电话机可看成是信源；发送设备：发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号；始电信号变换成适合在信道中传输的信号；信道：信道：信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线
6、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。的，甚至还可以包含某些设备。接收设备：接收设备：任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应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。的原始电信号来。数据宿数据宿( (信宿信宿) )：将复原的原始电信号转换成相应的消息。将复原的原始电信号转换成相应的消息。2.3 传输方式传输方式 2.3.1并行传输方式及串行传输方式并行传输方式及串行传输方式(1)并行传输并行传输字符编码的各个比特同时传输特点：一个比特的时间内可以传输一个字符，传输速度快；每个比特传输要求一个单独的信道支持，通信成本高；远距离传输时，可靠性较低。(2)
7、串行传输串行传输将组成字符的各个比特串行的发往线路特点：传输速度慢，一次一个比特； 通信成本低，传输只要求一个 单独的信道支持 2.3.2 基带传输、载带传输与宽带传输基带传输、载带传输与宽带传输 (1)(1)基带传输基带传输 基带传输是指在基本不改变数据信号频率的情况下，基带传输是指在基本不改变数据信号频率的情况下， 在数字通信中直接传送数据的原码信号，即按数据波的在数字通信中直接传送数据的原码信号，即按数据波的 原样进行传输，不采用任何调制措施。它是目前广泛应原样进行传输，不采用任何调制措施。它是目前广泛应 用的最基本的数据传输方式。用的最基本的数据传输方式。 凡按数字信号原码进行的传输称
8、为基带传输。基带传凡按数字信号原码进行的传输称为基带传输。基带传 输中传输的是一系列方波电脉冲信号。输中传输的是一系列方波电脉冲信号。 目前大部分计算机局域网，包括控制局域网，都采用目前大部分计算机局域网，包括控制局域网，都采用 基带传输方式。其特点是整个系统不用调制解调器，价基带传输方式。其特点是整个系统不用调制解调器，价 格低廉。但传输距离一般不超过格低廉。但传输距离一般不超过25km，数据传输速率，数据传输速率 小于小于l0Mbit/S。 2.3.2 基带传输、载带传输与宽带传输基带传输、载带传输与宽带传输 (2)(2)载带传输载带传输 在一条物理信道上，把要传输的一路数字信号依附在一条
9、物理信道上，把要传输的一路数字信号依附在另一载波信号上进行传输，这样的传输方式称为载带在另一载波信号上进行传输，这样的传输方式称为载带传输。载带传输传送的是一路具有载波频率的连续信号。传输。载带传输传送的是一路具有载波频率的连续信号。把被传信号依附在载波上称为调制，把被传信号从载波把被传信号依附在载波上称为调制，把被传信号从载波上卸下来称为解调。常用的调制方法有调频方式、调幅上卸下来称为解调。常用的调制方法有调频方式、调幅方式及调相方式。执行调制与解调任务的设备称为调制方式及调相方式。执行调制与解调任务的设备称为调制解调器（解调器（MODEM）。）。 数据调制方式数据调制方式（a）调幅调幅 （
10、b）调频调频 （c）调相调相 2.3.2 基带传输、载带传输与宽带传输基带传输、载带传输与宽带传输 (3) (3)宽带传输宽带传输 在一条物理信道上顺序传输多路数字信号，每种要在一条物理信道上顺序传输多路数字信号，每种要传输的数字信号依附在指定频率的载波信号上，用不同传输的数字信号依附在指定频率的载波信号上，用不同频率段进行多路数字信号的传输，这样的传输方式称为频率段进行多路数字信号的传输，这样的传输方式称为宽带传输。宽带传输中同时传输的是几组不同频率的连宽带传输。宽带传输中同时传输的是几组不同频率的连续电信号。续电信号。 2.3.3 单工方式、半双工方式与全双工方式单工方式、半双工方式与全双
11、工方式 单工单工: :只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互。只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互。半双工半双工:可以双向通信，但不能双向同时通信。可以双向通信，但不能双向同时通信。 全双工全双工: :双向同时通信。双向同时通信。单向车道 交通管制的双向车道 双向车道 2.4 编码编码2.4.1 码元码元 二进制序列中的每一位称为一个码元二进制序列中的每一位称为一个码元, ,它只有它只有0 0和和1 1两两种状态。表示种状态。表示0 0和和1 1两种状态的电脉冲波形两种状态的电脉冲波形( (即码元波形即码元波形) )可以有多种形式。不同的码元波形形成不同的编码。常可以有多种形式。不同的码
12、元波形形成不同的编码。常见的码元波形有：见的码元波形有：(a) 为单极性不归零码为单极性不归零码(b) 双极性不归零码双极性不归零码(c) 单极性归零码单极性归零码(d) 双极性归零码双极性归零码(e) 曼彻斯特码曼彻斯特码(f) 差分码差分码适用于近距离、低速、抗干扰能力要求不高的场适用于近距离、低速、抗干扰能力要求不高的场合，如实验室环境下，芯片之间的短距离异步通合，如实验室环境下，芯片之间的短距离异步通信；信；通信距离、速度和抗干扰能力稍强，如电路或模通信距离、速度和抗干扰能力稍强，如电路或模块之间的外部通信；块之间的外部通信；自同步编码方式，包括数据信息和时钟信息。自同步编码方式，包括
13、数据信息和时钟信息。 抗干扰能力强，适用于复杂环境下，长距离外部抗干扰能力强，适用于复杂环境下，长距离外部通信。通信。 CANCAN、485485101100高H低L“1”高电平“0”低电平中间跳“0”上跳“1”下跳中间总有跳变“0”开头跳高H低L高H低L（a）不归零制编码（b）曼彻斯特编码（c）差分曼彻斯特编码在每一位中间都有一个跳变，这个跳变既作为时钟，又表示数据。从高到低在每一位中间都有一个跳变，这个跳变既作为时钟，又表示数据。从高到低的跳变表示的跳变表示1 1，从低到高的跳变表示，从低到高的跳变表示0 0。由于这种方法把时钟信号和数据信号。由于这种方法把时钟信号和数据信号同时发送出去，
14、简化了同步处理过程，所以，有许多数据通信网络采用这种同时发送出去，简化了同步处理过程，所以，有许多数据通信网络采用这种表示方法。表示方法。 101100高H低L“1”高电平“0”低电平中间跳“0”上跳“1”下跳中间总有跳变“0”开头跳高H低L高H低L（a）不归零制编码（b）曼彻斯特编码（c）差分曼彻斯特编码它的编码规则是：若码元为它的编码规则是：若码元为1 1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；但若码元为个码元的电平一样；但若码元为0 0，则其前半个码元的电平与上一个码元的，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。不
15、论码元是或，在每个码元的正中间时刻，一后半个码元的电平相反。不论码元是或，在每个码元的正中间时刻，一定要有一次电平的转换。定要有一次电平的转换。2.4.2 内部码与通信码内部码与通信码2.4.3 编码与解码编码与解码 在计算机内使用的编码称为内部码。在计算机在计算机内使用的编码称为内部码。在计算机与外部设备（包括其它计算机）之间交换数据所使与外部设备（包括其它计算机）之间交换数据所使用的编码称为通信码。用的编码称为通信码。 把内部码码元波形变换为通信码码元波形的过程把内部码码元波形变换为通信码码元波形的过程称为编码。解码是编码的逆过程，它把计算机外部接称为编码。解码是编码的逆过程，它把计算机外
16、部接收来的信息变换成内部码及其码元波形。通过程序可收来的信息变换成内部码及其码元波形。通过程序可方便的实现内部码与通信码的互换，而码元波形的变方便的实现内部码与通信码的互换，而码元波形的变换，用简单电路即可完成。换，用简单电路即可完成。2.5 复用技术复用技术2.5.1 频分复用频分复用2.5.2 时分复用时分复用2.5.3 波分复用波分复用解决一条信道上同时传解决一条信道上同时传递多路信号的问题。递多路信号的问题。以载波信号的频率区分不同以载波信号的频率区分不同的传送信号。的传送信号。以占用信道的时间区分不同以占用信道的时间区分不同的传送信号。的传送信号。以码元波形区分不同的传送以码元波形区
17、分不同的传送信号。信号。2.7 同步技术同步技术 在通信过程中，接收端根据发送端的起止时间在通信过程中，接收端根据发送端的起止时间和重复频率校正自己的基准时间与重复频率的过程和重复频率校正自己的基准时间与重复频率的过程称为同步过程，这种统一收端和发端的措施称为同称为同步过程，这种统一收端和发端的措施称为同步技术。步技术。 同步技术并不是同步传输时才使用的技术，如同步技术并不是同步传输时才使用的技术，如异步传输中就使用了外同步法。异步传输中就使用了外同步法。u在同步传输中，所有设备都使用一个共同的时钟。在时在同步传输中，所有设备都使用一个共同的时钟。在时钟的协调下，每一位数据同步收发。传输的每个
18、数据位钟的协调下，每一位数据同步收发。传输的每个数据位只在时钟信号的上升沿或者下降沿之后的一个规定的时只在时钟信号的上升沿或者下降沿之后的一个规定的时间内有效。需要一条额外的线来传输时钟信号。间内有效。需要一条额外的线来传输时钟信号。u在异步传输中，每个通信节点都有自己的时钟信号，每在异步传输中，每个通信节点都有自己的时钟信号，每个通信节点必须在时钟频率上保持一致，并且所有的时个通信节点必须在时钟频率上保持一致，并且所有的时钟必须在一定误差范围内相吻合。异步传输时，每一位钟必须在一定误差范围内相吻合。异步传输时，每一位数据不需要同步收发，但当传输一个字节时，通常会包数据不需要同步收发，但当传输
19、一个字节时，通常会包括一个起始位来同步时钟。一数据帧往往包含帧头和帧括一个起始位来同步时钟。一数据帧往往包含帧头和帧尾，用于同步。尾，用于同步。 保证接收方在时间上与发送方取得同步，以便能够保证接收方在时间上与发送方取得同步，以便能够正确地识别和接收发送方发来的数据。正确地识别和接收发送方发来的数据。 何时开始发送数据；发送过程中的数据传输速率；何时开始发送数据；发送过程中的数据传输速率；持续时间的长短；发送时间间隔的大小。持续时间的长短；发送时间间隔的大小。 当发送端以某一速率，在一定的起始时间内发送数当发送端以某一速率，在一定的起始时间内发送数据时，接收端也必须以同一速率在相同的起始时间内
20、接据时，接收端也必须以同一速率在相同的起始时间内接收数据。否则接收端与发送端就会产生微小误差，随着收数据。否则接收端与发送端就会产生微小误差，随着时间的增加，误差将逐渐积累，并造成收发的失步（不时间的增加，误差将逐渐积累，并造成收发的失步（不同步），从而出现错误。同步），从而出现错误。1 1、帧同步、帧同步2 2、位同步、位同步3 3、字符同步、字符同步通信的基本单位是帧；通信的基本单位是帧；通过帧信息的首尾标志符实现通过帧信息的首尾标志符实现同步。同步。通信的基本单位是位；通信的基本单位是位；通过时钟信号实现位同步。通过时钟信号实现位同步。通信的基本单位是字符；通信的基本单位是字符；异步传输
21、利用起始位和停止位异步传输利用起始位和停止位实现字符同步；实现字符同步；同步传输利用专门的同步字符同步传输利用专门的同步字符实现字符同步。实现字符同步。2.8 差错控制方法差错控制方法1 1、概念、概念 通信双方为了保证数据传输的正确性而设定的有关通信双方为了保证数据传输的正确性而设定的有关检错和纠错的策略和方法。检错和纠错的策略和方法。2 2、原因、原因 噪声和干扰噪声和干扰3 3、常用方法、常用方法回声法回声法表决法表决法自动重发纠错法自动重发纠错法(ARQ)(ARQ)前向纠错法前向纠错法(FEC)(FEC)混合纠错法混合纠错法(HEC)(HEC) 差错控制编码就是对网络中传输的数字信号进
22、行抗干差错控制编码就是对网络中传输的数字信号进行抗干扰编码，目的是为了提高数字通信系统的容错性和可扰编码，目的是为了提高数字通信系统的容错性和可靠性，它在发送端被传输的信息码元序列中，以一定靠性，它在发送端被传输的信息码元序列中，以一定的编码规则附加一些校验码元，接收端利用该规则进的编码规则附加一些校验码元，接收端利用该规则进行相应的译码，译码的结果有可能发现差错或纠正差行相应的译码，译码的结果有可能发现差错或纠正差错。错。 在差错控制码中，检错码是指能自动发现出现差错的在差错控制码中，检错码是指能自动发现出现差错的编码，纠错码是指不仅能发现差错而且能够自动纠正编码，纠错码是指不仅能发现差错而
23、且能够自动纠正差错的编码。当然，检错和纠错能力是用信息量的冗差错的编码。当然，检错和纠错能力是用信息量的冗余和降低系统的效率为代价来换取的。余和降低系统的效率为代价来换取的。2.9 检错编码检错编码1 1、字符奇偶校验、字符奇偶校验2 2、水平奇偶校验、水平奇偶校验3 3、累加和校验、累加和校验4 4、异或和校验码、异或和校验码5 5、循环冗余校验码（、循环冗余校验码（CRCCRC）6 6、BCHBCH校验码校验码 1. 1. 字符奇偶校验字符奇偶校验 又称为垂直奇偶校验，一次只能校验又称为垂直奇偶校验，一次只能校验一个字符一个字符。编码。编码规则：在字符后面附上规则：在字符后面附上一位奇偶校
24、验位一位奇偶校验位。若附上奇偶校验。若附上奇偶校验位后使形成的数码中位后使形成的数码中“1”1”的个数为偶数，就称为的个数为偶数，就称为偶校验偶校验。如果使如果使“l”l”的个数为奇数，则称为的个数为奇数，则称为奇校验奇校验。 例如：数码中例如：数码中“1”1”的个数为奇数，采用偶校验时在数码的个数为奇数，采用偶校验时在数码后面附上偶校验位后面附上偶校验位“1”1”，成为数码，成为数码l1001111l1001111，使，使“11的个数为偶数。的个数为偶数。 特点：只需附加一位奇偶校验位，编码效率高；能检出奇特点：只需附加一位奇偶校验位，编码效率高；能检出奇数个差错，若发生数个差错，若发生2
25、2个、个、4 4个等偶数个差错，接收端就无个等偶数个差错，接收端就无法检出。法检出。 2. 2. 水平奇偶校验水平奇偶校验 水平奇偶校验，一次能校验水平奇偶校验，一次能校验多个字符多个字符。编码规则：在。编码规则：在n n个有效字符后面附上个有效字符后面附上一个校验字节一个校验字节。若附上奇偶校验字。若附上奇偶校验字节后使节后使n n个字节和校验字节的同一位中个字节和校验字节的同一位中“1”1”的个数为偶数，的个数为偶数，就称为就称为偶校验偶校验。如果使。如果使“l”l”的个数为奇数，则称为的个数为奇数，则称为奇校奇校验验。该方法数据越长，可信度就越低。该方法数据越长，可信度就越低。 与码元对
26、应的权28 27 26 25 24 23 22 21 20 信 息 组 10011100 01010011 00101001 10010101校验和 110101101将校验和附在信息组之后一起传送将校验和附在信息组之后一起传送 ，校验和，校验和只保留只保留8 8位，溢出位不计。位，溢出位不计。3. 3. 累加和校验累加和校验 数组级校验方法。一次可以校验多个数据。编码规数组级校验方法。一次可以校验多个数据。编码规则：对发送数据按字节顺序累加求和，对最高位溢出不则：对发送数据按字节顺序累加求和，对最高位溢出不作处理，最后得到一个累加和字节。累加和字节附在有作处理，最后得到一个累加和字节。累加和
27、字节附在有效数据后面一并发出，用于检错。效数据后面一并发出，用于检错。4. 4. 异或异或(XOR)(XOR)校验校验 数组级校验方法。一次可以校验多个数据。编码规数组级校验方法。一次可以校验多个数据。编码规则：用全则：用全0 0字节对发送数据按字节顺序异或运算，最后字节对发送数据按字节顺序异或运算，最后得到一个异或结果。该异或结果作为校验码附在有效数得到一个异或结果。该异或结果作为校验码附在有效数据后面一并发出，用于检错。据后面一并发出，用于检错。5. 5. 循环冗余循环冗余(CRC)(CRC)校验校验 循环冗余码（循环冗余码（CRCCRC，Cyclic Redundancy CodeCyc
28、lic Redundancy Code）校）校验是目前在计算机网络通信及存储器中应用最广泛的一验是目前在计算机网络通信及存储器中应用最广泛的一种校验编码方法，它所约定的校验规则是：让校验码能种校验编码方法，它所约定的校验规则是：让校验码能为某一约定代码所除尽；如果除得尽，表明代码正确；为某一约定代码所除尽；如果除得尽，表明代码正确；如果除不尽，余数将指明出错位所在位置。如果除不尽，余数将指明出错位所在位置。2.10 拓扑结构拓扑结构星型结构星型结构总线型结构总线型结构星型结构由一个主节点和多个从节星型结构由一个主节点和多个从节点构成。任何两个从节点之间的通点构成。任何两个从节点之间的通信都要经
29、过主节点。该结构对主节信都要经过主节点。该结构对主节点的依赖比较严重，可靠性较低，点的依赖比较严重，可靠性较低，在分散控制系统中应用得较少。在分散控制系统中应用得较少。 总线型结构由一个总线和多个节点总线型结构由一个总线和多个节点构成。节点之间通过总线可以灵活构成。节点之间通过总线可以灵活传输数据，但总线是分时复用的。传输数据，但总线是分时复用的。即只有总线空闲时，节点才能发送即只有总线空闲时，节点才能发送数据。该结构灵活、方便、可靠性数据。该结构灵活、方便、可靠性高，在分散控制系统中应用广泛。高，在分散控制系统中应用广泛。环型结构环型结构网络型结构网络型结构环型结构所有的节点通环型结构所有的
30、节点通过链路组成一个环形。过链路组成一个环形。信息在环上只能按某一信息在环上只能按某一确定的方向传输。每个确定的方向传输。每个节点都具有中继作用。节点都具有中继作用。该结构控制简单，但主该结构控制简单，但主要问题是在节点数量较要问题是在节点数量较多时会影响通信速度，多时会影响通信速度，另外，环是封闭的，不另外，环是封闭的，不便于扩充。便于扩充。多种结构的复合 星星复合 总线星复合 2.11 异步通信与同步通信异步通信与同步通信1、异步通信、异步通信 异步通信是以字符为单位进行传输的。在传输时允许在一个个编码字符之间有不相等的间隔和停顿，异步通信要求按异步格式进行传输，如上图所示。n 异步通信依
31、靠起始位、停止位保持通信同步。异步通信依靠起始位、停止位保持通信同步。n 异步通信数据传送按字符帧传输，异步通信数据传送按字符帧传输， 一帧数据包含起始位、数据位、校验位和停止位。一帧数据包含起始位、数据位、校验位和停止位。n 异步通信由各自独立的时钟控制数据的收发。异步通信由各自独立的时钟控制数据的收发。n 异步通信适合长距离传输，实现容易，对线路和异步通信适合长距离传输，实现容易，对线路和 收发器要求较低；但传输的效率和速度低。收发器要求较低；但传输的效率和速度低。n 在单片机中主要采用异步通信方式。在单片机中主要采用异步通信方式。2、同步通信、同步通信 在同步通信中，信息不是以字符为单位
32、传输的而是以数据块为单位传输的。一个数据块内包含有若干个连续的字符，在字符间没有空闲。若没有字符发送，则应插入同步字符，以确保各字符间时间间隔相等。n 同步通信依靠同步字符保持通信同步。同步通信依靠同步字符保持通信同步。n 同步字符可以由用户约定，也可以采用同步字符可以由用户约定，也可以采用SYNSYN代码代码16H16H。n 通信时先发送同步字符，然后是连续的数据块，通信时先发送同步字符，然后是连续的数据块， 数据之间没有间隙，也没有起始位和停止位。数据之间没有间隙，也没有起始位和停止位。n 同步通信的数据格式。同步通信的数据格式。n 同步通信要求把时钟信号同时传送，数据收发由统一同步通信要求把时钟信号同时传送，数据收发由统一 的时钟控制。的时钟控制。n 同步通信传输效率高，适合高速传输的要求；适合短同步通信传输效率高，适合高速传输的要求；适合短 距离传输；长距离传输成本高，且时钟信号容易受到距离传输；长距离传输成本高，且时钟信号容易受到 噪声的干扰。噪声的干扰。 比较：比较： 异步通信异步通信 同步通信同步通信 同步方式同步方式 起始起始/ /停止位停止位 同步字符同步字符 时时 钟钟 独立独立 统一统一 传送内容传送内容 字符字符 数据块数据块 通信速度通信速度 慢慢 快快 通信距离通信距离 远远 近近 可可 靠靠 性性 高高 低低
