理学数据通信基础.pptx
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1、11.数据通信系统基本模型、相关概念数据通信系统基本模型、相关概念l数字通信系统由数字通信系统由信源信源、信源编码器信源编码器、信道编码器信道编码器、调调制器制器、信道信道(物理通道)、(物理通道)、解调器解调器、信道译码器信道译码器、信信源译码器源译码器、信宿信宿、噪声源以及发送端和接收端、噪声源以及发送端和接收端时钟同时钟同步步组成。组成。2.1 网络与通信技术基础2.1.1 数据通信概念21.1.数据通信系统基本模型、相关概念数据通信系统基本模型、相关概念l发送接收设备发送接收设备l在工业数据通信系统中,发送设备往往是信源、信源在工业数据通信系统中,发送设备往往是信源、信源编码器、信道编
2、码器结合的整体。编码器、信道编码器结合的整体。l接收设备是信宿、信道译码器、信源译码器结合的整接收设备是信宿、信道译码器、信源译码器结合的整体。体。l而且许多测量控制设备既可以作为发送设备,又可以而且许多测量控制设备既可以作为发送设备,又可以作为接收设备;一方面将本设备产生的数据发送到通作为接收设备;一方面将本设备产生的数据发送到通信系统,另一方面也接收系统内其他设备传送给它的信系统,另一方面也接收系统内其他设备传送给它的信号。在工业数据通信系统中典型的发送与接收设备信号。在工业数据通信系统中典型的发送与接收设备如下:如下:2.1 网络与通信技术基础2.1.1 数据通信概念3l各种变送器、智能
3、变送器各种变送器、智能变送器l各种数据采集装置各种数据采集装置l可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器PLC,PIDPLC,PID控制器等控制器等l作为监视操作设备的监控计算机或工作站作为监视操作设备的监控计算机或工作站l各种调节阀门各种调节阀门 2.1 网络与通信技术基础2.1.1 数据通信概念42.通信方式通信方式 并行传输、串行传输并行传输、串行传输2.1 网络与通信技术基础2.1.1 数据通信概念51.1.数据通信系统基本模型、相关概念数据通信系统基本模型、相关概念l数据编码数据编码l 数字数据的信号编码问题就是要解决数字数据的数字数据的信号编码问题就是要解决数字数据的数字信号表示问题。数字
4、数据可以由多种不同形式的数字信号表示问题。数字数据可以由多种不同形式的脉冲信号的波形来表示。主要形式有:脉冲信号的波形来表示。主要形式有:l单极性码单极性码和和双极性码双极性码:一根信号线,一根地线;一根信号线,一根地线;l差分码差分码:无地线,两根都是信号线,:无地线,两根都是信号线,RS485RS485,主要,主要用于提高抗干扰能力及增加传输距离;用于提高抗干扰能力及增加传输距离;2.1 网络与通信技术基础2.1.1 数据通信概念61.1.数据通信系统基本模型、相关概念数据通信系统基本模型、相关概念l数据编码:单极性全宽码、归零码数据编码:单极性全宽码、归零码2.1 网络与通信技术基础2.
5、1.1 数据通信概念71.1.数据通信系统基本模型、相关概念数据通信系统基本模型、相关概念l数据编码:曼彻斯特编码数据编码:曼彻斯特编码2.1 网络与通信技术基础2.1.1 数据通信概念81.1.数据通信系统基本模型、相关概念数据通信系统基本模型、相关概念l数据编码:差分编码数据编码:差分编码 特点:两线同时受干扰,差值不变特点:两线同时受干扰,差值不变 每线电平变化不大,但差分每线电平变化不大,但差分 信号幅值增大;提高抗干扰能力信号幅值增大;提高抗干扰能力2.1 网络与通信技术基础2.1.1 数据通信概念93.数字通信系统的质量指标数字通信系统的质量指标 比特率、波特率、误码率、信道容量、
6、带宽比特率、波特率、误码率、信道容量、带宽2.1 网络与通信技术基础2.1.1 数据通信概念.比特率:数字信道中,比特率是数字信号的传输速率,它用单位比特率:数字信道中,比特率是数字信号的传输速率,它用单位时间内传输的二进制代码的有效位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)(bit)数来表示,其单位为每秒数来表示,其单位为每秒比特数比特数bit/s(bps)bit/s(bps)、每秒千比特数、每秒千比特数(K Kbps)bps)或每秒兆比特数或每秒兆比特数(M Mbps)bps)来表示。来表示。.波特率波特率 :波特率:波特率指数据信号对载波的调制速率指数据信号对载波的调制速率,它用单位时间
7、,它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示,其单位为波特内载波调制状态改变次数来表示,其单位为波特(Baud)(Baud)。波特率波特率与比特率的关系为:比特率与比特率的关系为:比特率=波特率波特率单个调制状态对应的二进制单个调制状态对应的二进制位数。位数。10l1.1.数据传输方式数据传输方式 l基带传输:基带传输:直接传输基带信号直接传输基带信号的传输方式。(常用)的传输方式。(常用)基带传输过程简单,设备费用低,适合于近距离传输,在基带传输过程简单,设备费用低,适合于近距离传输,在传输量较小的现场总线系统中,往往采用这种形式。传输量较小的现场总线系统中,往往采用这种形式。l 频带(载波)
8、传输:在信道中频带(载波)传输:在信道中传输载波信号传输载波信号的传输方式。的传输方式。在远距离传输中通常不采用基带传输而采用频带传输方式。在远距离传输中通常不采用基带传输而采用频带传输方式。可以同时传输多个不同频信号,提高介质利用率。可以同时传输多个不同频信号,提高介质利用率。2.1 网络与通信技术基础2.1.2 数据传输112.1 网络与通信技术基础2.1.2 数据传输12l1.1.数据传输方式数据传输方式 l宽带传输:信号被调制到不同频率范围。宽带传输:信号被调制到不同频率范围。一条传输通道有多个频带传输。即多个载波。一条传输通道有多个频带传输。即多个载波。在数字通信网络中,多用基带传输
9、。在数字通信网络中,多用基带传输。特点:结构简单、价格低;利用率较低。特点:结构简单、价格低;利用率较低。2.1 网络与通信技术基础2.1.2 数据传输134.多路复用技术:多路复用技术:多个发送、接收设备连接到一个传输介质上,如总线多个发送、接收设备连接到一个传输介质上,如总线 频分多路、时分多路、波分多路频分多路、时分多路、波分多路2.1 网络与通信技术基础2.1.2 数据传输频分多路:不同载波频率,同时传送。宽带传输频分多路:不同载波频率,同时传送。宽带传输时分多路:基带传输,每个发送设备在不同时间发送。时分多路:基带传输,每个发送设备在不同时间发送。波分多路:不同波长的光载波,同时传送
10、。光纤传输。波分多路:不同波长的光载波,同时传送。光纤传输。142.1 网络与通信技术基础2.1.3 数据交换技术4.数据交换技术数据交换技术 电路交换、报文交换、分组交换电路交换、报文交换、分组交换152.1 网络与通信技术基础2.1.3 数据交换技术4.数据交换技术数据交换技术 电路交换:建立临时专用线路电路交换:建立临时专用线路 传统电话线上网、传真均采用该方式。线路利用率低,传统电话线上网、传真均采用该方式。线路利用率低,但连接后传输延迟小。但连接后传输延迟小。162.1 网络与通信技术基础2.1.3 数据交换技术4.数据交换技术数据交换技术报文交换:中转节点存储信息,传输信息为一个报
11、文报文交换:中转节点存储信息,传输信息为一个报文172.1 网络与通信技术基础2.1.3 数据交换技术4.数据交换技术数据交换技术 分组交换:把大报文分成若干小报文,各走各通路。分组交换:把大报文分成若干小报文,各走各通路。到目的地后再按编号重新组合成大报文。效率最高到目的地后再按编号重新组合成大报文。效率最高182.1 网络与通信技术基础2.1.4 差错监测及控制l数据出错有两种处理方式:监测重发和纠错数据出错有两种处理方式:监测重发和纠错192.1 网络与通信技术基础2.1.4 差错监测及控制l数据出错有两种处理方式:监测重发和纠错数据出错有两种处理方式:监测重发和纠错20l传输介质是指从
12、发送设备到接收设备之间信号传输介质是指从发送设备到接收设备之间信号传递所传递所经过的媒介经过的媒介,是网络中连接收发双方的物理通路,是,是网络中连接收发双方的物理通路,是通信中实际传送信息的载体,它也是组成通信系统的通信中实际传送信息的载体,它也是组成通信系统的硬件之一。硬件之一。l工业数据通信系统可以采用无线传输介质,例如电磁工业数据通信系统可以采用无线传输介质,例如电磁波、红外线等,也可以采用双绞线、电缆、波、红外线等,也可以采用双绞线、电缆、电力线电力线、光缆等有线介质。传输介质的特性对网络中的数据通光缆等有线介质。传输介质的特性对网络中的数据通信质量影响很大。信质量影响很大。2.1 网
13、络与通信技术基础2.1.5 传输介质21l传输介质的特性主要指:传输介质的特性主要指:物理特性物理特性:传输介质的物理结构。:传输介质的物理结构。传输特性传输特性:传输介质对数据传送所允许的传输速率、频:传输介质对数据传送所允许的传输速率、频率、容量等。率、容量等。连通特性:点对点或一对多点的连接方式。连通特性:点对点或一对多点的连接方式。地理范围:传输介质的最大传输距离。地理范围:传输介质的最大传输距离。抗干扰性:传输介质防止电磁干扰等噪声对传输数据影抗干扰性:传输介质防止电磁干扰等噪声对传输数据影响的能力。响的能力。性价比。性价比。2.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质其标准由美国
14、电气和电子工程师协会:其标准由美国电气和电子工程师协会:IEEE 802 IEEE 802 局域网局域网/城域网城域网 标准制定221.1.双绞线双绞线:物理描述、传输特性、相关特点:物理描述、传输特性、相关特点l物物理理特特性性:双双绞绞线线由由按按规规则则螺螺旋旋结结构构排排列列的的两两根根或或4 4根根绝绝缘缘线线组组成成,一一对对线线可可以以作作为为一一条条通通信信线线路路。通通过过对绞来减少或消除相互间的电磁干扰。对绞来减少或消除相互间的电磁干扰。l双双绞绞线线适适于于局局域域网网和和广广域域网网,可可传传输输数数字字信信号号和和模模拟拟信信号号。在在广广域域范范围围一一般般可可传传
15、输输15km15km,但但在在以以太太网网中中最最长为长为100m100m。l双绞线可用于点到点传输,也可用于点到多点传输。双绞线可用于点到点传输,也可用于点到多点传输。2.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质232.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质242.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质l双绞线的物理特性:非屏蔽式双绞线的物理特性:非屏蔽式l非屏蔽式双绞线非屏蔽式双绞线UTPUTP:通过对绞来减少或消除相互间的电磁干:通过对绞来减少或消除相互间的电磁干扰。有扰。有3 3类、类、4 4类和类和5 5类,带宽分别为类,带宽分别为16MHz16MHz、20MHz20MHz
16、和和100MHz100MHz,常用作局域网传输介质,长度为常用作局域网传输介质,长度为100100米。米。l具有成本低、易弯曲、易安装、适于结构化布线等优点。因此,具有成本低、易弯曲、易安装、适于结构化布线等优点。因此,在一般的局域网建设中被普遍采用。但它也存在传输时有信息在一般的局域网建设中被普遍采用。但它也存在传输时有信息辐射、容易被窃听的缺点。辐射、容易被窃听的缺点。l低频时抗干扰能力相当于同轴电缆,高频抗干扰能力较差,已低频时抗干扰能力相当于同轴电缆,高频抗干扰能力较差,已较少使用。较少使用。252.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质l双绞线的物理特性:屏蔽式。双绞线的物理特性
17、:屏蔽式。l屏屏蔽蔽式式双双绞绞线线(STP)(STP):通通过过屏屏蔽蔽层层减减少少相相互互间间的的电电磁磁干干扰扰。有有三三类类和和五五类类,带带宽宽分分别别为为16MHz16MHz和和100MHz100MHz,常常用用于于对对辐辐射射要要求求严格的场合。严格的场合。l具具有有抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力强强、传传输输质质量量高高等等优优点点,但但它它也也存存在在接接地地要要求求高高、安安装装复复杂杂、成成本本高高的的缺缺点点。因因此此,屏屏蔽蔽式式双双绞绞线线的的实实际应用并不普遍。际应用并不普遍。262.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质272.1 网络与通信技术基础2.1.5
18、 传输介质l双绞线的传输特性:双绞线的传输特性:l双绞线的形式已发生巨大变化,双绞线的形式已发生巨大变化,大部分已不再双绞大部分已不再双绞,且几对线,且几对线组合。非屏蔽双绞线(组合。非屏蔽双绞线(UTPUTP)分为五种形式。)分为五种形式。10BaseT10BaseT局域网中局域网中主要使用主要使用3 3类和类和5 5类线,它们的有效传输距离一般在类线,它们的有效传输距离一般在100m100m左右。左右。超超5 5类线可达类线可达1000Mbps1000Mbps。282.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质一类、三类双绞线一类、三类双绞线三类、五类双绞线三类、五类双绞线292.1 网络
19、与通信技术基础2.1.5 传输介质l双绞线(普通网线)的制作分为工作站至工作站(对接线)双绞线(普通网线)的制作分为工作站至工作站(对接线)和工作站至集线器两种:工作站至集线器的双绞线,其和工作站至集线器两种:工作站至集线器的双绞线,其8 8芯芯线一一对应。线一一对应。l1.568B 橙白橙白 橙橙 绿白绿白 蓝蓝 蓝白蓝白 绿绿 棕白棕白 棕棕(普通线)(普通线)2.568A 绿白绿白 绿绿 橙白橙白 蓝蓝 蓝白蓝白 橙橙 棕白棕白 棕棕(交叉线)(交叉线)302.2.同轴电缆:物理描述、传输特性、相关特点同轴电缆:物理描述、传输特性、相关特点l同同轴轴电电缆缆有有两两种种基基本本类类型型:
20、基基带带同同轴轴电电缆缆和和宽宽带带同同轴轴电缆电缆,它们的线间特性阻抗分别为,它们的线间特性阻抗分别为5050和和7575。l宽宽带带同同轴轴电电缆缆可可用用于于频频分分多多路路复复用用模模拟拟信信号号的的传传输输,也也用用于于数数字字信信号号的的传传输输。较较基基带带同同轴轴电电缆缆传传输输速速率率高高,距离远距离远(几十几十km)km),但成本也高。,但成本也高。2.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质312.2.同轴电缆:物理描述、传输特性、相关特点同轴电缆:物理描述、传输特性、相关特点l基基带带同同轴轴电电缆缆一一般般只只用用来来传传输输基基带带信信号号,因因此此较较宽宽带带同
21、同轴轴电电缆缆经经济济,适适合合距距离离较较短短、速速度度要要求求较较低低的的局局域域网。网。l基基带带同同轴轴电电缆缆又又可可分分为为粗粗缆缆和和细细缆缆。粗粗、细细缆缆基基本本线线段段最最长长要要求求分分别别为为500m500m和和200m200m,信信息息传传输输距距离离最最远远分分别为别为2500m2500m和和1000m1000m。2.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质322.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质l同轴电缆的物理特性:同轴电缆的物理特性:l典型的同轴电缆(典型的同轴电缆(Coaxial CableCoaxial Cable)由一根内导体)由一根内导体铜铜
22、质芯线质芯线外加外加绝缘层绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以、密集网状编织导电金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成,金属屏蔽层一般和地相及外包装保护塑橡材料组成,金属屏蔽层一般和地相连,其结构如下图所示。连,其结构如下图所示。332.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质l光纤的物理特性:光纤的物理特性:芯芯线线是是由由光光导导纤纤维维(石石英英丝丝)做做成成,它它传传输输光光脉脉冲冲数数字字信信号号。光光纤纤传传输输信信号号的的原原理理如如下下图图:只只要要射射到到光光纤纤表表面面的的光光线线的的入入射射角角大大于于某某一一临临界界角角度度,就就可可以以产产生生全全反反射射,并并且且可
23、可以以存存在在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。(a)折射角大于入射角)折射角大于入射角(b)光波在纤芯中传播)光波在纤芯中传播(c)62.5/125m渐变渐变增强型多模光纤增强型多模光纤 342.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质l光光缆缆的的结结构构:大大致致可可分分为为缆缆芯芯(Cable Cable CoreCore)和和保保护护层层(SheathSheath)两大部分,下图为四芯光缆剖面的示意图。)两大部分,下图为四芯光缆剖面的示意图。352.1 网络与通信技术基础2.1.5 传输介质l光纤的传输特性:光纤的传输特性:多多模模
24、光光纤纤和和5 5类类双双绞绞线线的的衰衰减减与与频频率率关关系系如如右右图图所所示示,当当传传输输频频率率超超过过100MHz100MHz时时,5 5类类双双绞绞线线随随着着频频率率的的增增加加衰衰减减愈愈来来愈愈大大;而而光光纤纤在在300MHz300MHz以以内内,衰减基本不变。衰减基本不变。此外,在长距离数据传输中可以采用无线通信,包括微波、此外,在长距离数据传输中可以采用无线通信,包括微波、红外甚至卫星通信。在油气集输领域经常用到无线通信。红外甚至卫星通信。在油气集输领域经常用到无线通信。362.2 局域网技术2.2.1 局域网概述特点:特点:1.1.较小的地理范围,从十几米到几公里
25、。较小的地理范围,从十几米到几公里。2.2.以微型计算机及相关控制设备为主要连接对象。以微型计算机及相关控制设备为主要连接对象。3.3.通常属于某个单位和部门。通常属于某个单位和部门。l局域网局域网(LAN)(LAN):Local Area Net Local Area Net 一组在物理位置上一组在物理位置上彼此相隔彼此相隔 不远不远的计算机及其设备按照的计算机及其设备按照一定方式连接一定方式连接,彼此能,彼此能快速通信快速通信l 现场总线是典型的局域网。现场总线是典型的局域网。传输性能:传输性能:1.1.传输速率较高,可达传输速率较高,可达1000Mbps1000Mbps,100Mbps1
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