《工业通信与网络技术》第3章现场总线通信基础3.13.23.3-李中伟

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工业通信与网络技术

主讲教师：李中伟佟为明

联系电话E-mail：lzw@

课程邮箱：hitfieldbus@163.com，密码：fieldbus2015哈工大网络与电气智能化研究所2第3章现场总线通信基础3.1概念和术语3.2模拟数据和数字数据传输3.3传输损伤3.4模拟信号和数字信号编码技术3.5同步和异步传输3.6单工、半双工传输和全双工传输3.7差错类型、差错检测和差错纠正3.8差错控制、流量控制和高级数据链路控制3.9传输介质（媒体）哈工大网络与电气智能化研究所3.1概念和术语哈工大网络与电气智能化研究所3

成功的数据传输主要取决于两个因素:（1）传输信号的质量（2）传输介质的特性3.1概念和术语哈工大网络与电气智能化研究所4发送器接收器传输介质导向介质(guidedmedia)双绞线、同轴电缆和光纤非导向介质(unguidedmedia)（无线介质）空气、真空和海水发送器接收器传输介质3.1概念和术语哈工大网络与电气智能化研究所5直连链路(directlink)没有中间设备存在点对点(point-to-point)一条直连链路仅被两个设备共享多点（multipoint）两个以上的设备共享同一传输介质3.1概念和术语哈工大网络与电气智能化研究所6频率、频谱和带宽哈工大网络与电气智能化研究所7信号的特性包括时间特性和频率特性。对信号时间特性的分析在时域上进行。对周期信号，振幅、频率、相位是在时域上描述信号的主要参数，在时域上表示信号的图象称为时域图。任一信号都可看成由某个频率范围内的频谱成分组成，信号的频率特性对信号带宽和数据率等至关重要。对信号频率特性的分析在频域上进行。在频域上表示信号的图象称为频域图。频域图有振幅-频率和相位-频率两种图象。在频域上进行信号分析通常比在时域上简便。哈工大网络与电气智能化研究所8时域概念如果经过一段时间，信号的强度变化模式是平滑的，那么这种信号就是模拟信号。如果在一段时间内信号强度保持某个常数，然后在下一时段又变化到另一个常数，那么这种信号就称为数字信号。哈工大网络与电气智能化研究所9时域概念周期信号哈工大网络与电气智能化研究所10时域概念正弦波峰值振幅、频率和相位变化波长哈工大网络与电气智能化研究所11信号循环一个周期所占的空间长度信号的两个连续周期上相位相同两点间的距离波长，假设信号运动速度为，则=Tf=c3*108m/s

(自由空间的光速)哈工大网络与电气智能化研究所12频域概念数字波形模拟波形一个电磁信号是由多种频率组成的利用傅立叶分析的方法，可得出任何信号由不同正弦波的频率成分组成任何一个信号存在时域函数，也存在频域函数哈工大网络与电气智能化研究所13频域概念频率成分叠加哈工大网络与电气智能化研究所14频域概念频域的表示哈工大网络与电气智能化研究所15时域和频域成分哈工大网络与电气智能化研究所16SignalwithDCComponentDCComponentComponentofzerofrequency17频谱(spectrum)&带宽（bandwidth）频谱：信号包含的频率范围绝对带宽：频谱宽度有效带宽：通常就叫带宽，

信号的绝大部分能量都集

中在相当窄的频带范围振幅为A和-A的方波s(t)的频率成分第k个频率成分kf的振幅仅为1/k哈工大网络与电气智能化研究所18数据率和带宽之间的关系信号是通过传输介质进行传输的欲传输的一个给定的信号（波形）本身所包含的频率范围可能非常宽任何传输介质的带宽都是有限的传输介质的这种特性是限制数据在传输介质上传输的数据率的一个决定性因素。数据率（datarate）：数据传输的速率，以位每秒（pbs或b/s）为单位。哈工大网络与电气智能化研究所19数据率和带宽之间的关系介质自身的带宽将限制被传输信号的带宽。数字信号不得不被近似为有限带宽的信号给定的带宽可以根据接收器在噪声和其它损伤存在的情况下鉴别0和1的能力来支持不同的数据率若一个数字信号的数据率是Wbps，则当信号带宽为2WHz时，它就可以很好地代表原信号假如其它项保持不变，带宽加倍就意味着数据率加倍信号带宽越受限制，失真就越严重，接收站点接收错误数据的概率也就越大哈工大网络与电气智能化研究所3.2模拟数据和数字数据传输哈工大网络与电气智能化研究所20数据：传达某种意义或信息的实体信号：数据的电气或电磁表示方式发送信号（signaling）：信号沿适当介质的物理传播传输：用传播并处理信号的方式进行的数据通信的过程哈工大网络与电气智能化研究所3.2模拟数据和数字数据传输21哈工大网络与电气智能化研究所3.2模拟数据和数字数据传输22传输数字信号的主要优势在于，它普遍比传输模拟信号更加便宜，而且比较不易受噪声干扰。而其主要缺点是比传输模拟信号更容易受衰减的影响。23数字信号的衰减3.2模拟数据和数字数据传输哈工大网络与电气智能化研究所模拟传输传输模拟信号，不考虑信号的内容信号可能是模拟数据或数字数据传输一段距离后，信号会衰减使用放大器增强信号能量同时也增强了噪声哈工大网络与电气智能化研究所24数字传输考虑信号的内容数据的完整性受到衰减、噪声或其他损伤的威胁使用转发器转发器收到信号，并将其恢复为1、0模式，然后重新传输新信号克服了衰减，噪声也不累积哈工大网络与电气智能化研究所25263.2模拟数据和数字数据传输哈工大网络与电气智能化研究所数字传输的优势数字技术：LSI/VLSI技术使得数字电路体积和价格都在不断降低数据完整性：远距离传输，较低线路质量要求容量利用率：经济的高带宽传输链路，数字技术的高级复用技术，有效利用其容量安全和保密：加密技术综合性：能类似处理模拟数据和数字数据哈工大网络与电气智能化研究所273.3传输损伤28接收到的信号与传输信号有差异模拟信号，损伤会降低信号质量对数字信号则导致位差错重要的损伤：衰减和衰减失真（attenuationandattenuationdistortion）时延失真（delaydistortion）噪声（noise）哈工大网络与电气智能化研究所衰减信号强度随传输距离增长而减弱衰减与传输介质有关传输工程需要注意3点:接收到的信号必须有足够的强度信号电平必须保持高于噪声电平，以接收无差错的数据频率越高衰减越严重（衰减失真）即衰减是频率的递增函数，衰减均衡技术利用加感线圈改变线路的某些电气特性，其结果就是使衰减对各个频率的影响都比较均匀使用放大器，使其放大高频的倍数比放大低频的倍数要高29时延失真接收到的信号因其不同频率成分在电缆上传播延迟的不同而导致的失真称为时延失真。发生在传输电缆（导向介质）上的现象；通过天线在空气中（非导向介质）传输的信号不会有这种现象。产生原因是在电缆上信号的传播速度随频率的不同而改变。接收到的信号因其不同频率成分延迟的不同产生了失真。均衡技术也可用于时延失真。30哈工大网络与电气智能化研究所均衡技术时延失真衰减图

话音信道的衰减和时延失真曲线31哈工大网络与电气智能化研究所何类信号对衰减与时延失真敏感？数字信号受衰减失真影响较小频率特定：绝大部分内容集中在基频附近幅度特性：二值判定数字信号受时延失真影响较大产生位序列混乱，码间串扰模拟信号主要受衰减影响幅值连续变化，信息分布在整个频带32哈工大网络与电气智能化研究所噪声发送和接收之间的某个地方插入进来的不希望有的信号为噪声。热噪声：导体内电子热运动造成的，均匀分布——白噪声。互调噪声：不同频率的信号共享同一传输介质产生的。串扰：在一条线路上得到了其它线路的信号。冲激噪声：非连续的，由不规则的脉冲或持续时间短而振幅大的噪声尖峰组成。33哈工大网络与电气智能化研究所34哈工大网络与电气智能化研究所噪声对数字信号的影响噪声的种类噪声分为随机噪声、冲激噪声或自然噪声(大气噪声)等随机噪声包括热噪声、互调噪声和串扰等，普遍存在且有着持续时间不断的影响，是信号传输的基本研究对象热噪声（白噪声）N0=kT(W/Hz)由电子的热运动造成均匀分布35哈工大网络与电气智能化研究所噪声的种类互调噪声互调噪声产生于当发送设备、接收设备及它们之间的传输系统中存在某些非线性之时，或者产生于当不同频率的信号共用同一传输媒质之时。互调噪声在系统的输出端产生一些附加的频率成分，它们是多个原输入