《工業(yè)通信與網(wǎng)絡技術(shù)》第3章現(xiàn)場總線通信基礎3.13.23.3-李中偉

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工業(yè)通信與網(wǎng)絡技術(shù)

主講教師：李中偉佟為明

聯(lián)系電話E-mail：lzw@

課程郵箱：hitfieldbus@163.com，密碼：fieldbus2015哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所2第3章現(xiàn)場總線通信基礎3.1概念和術(shù)語3.2模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸3.3傳輸損傷3.4模擬信號和數(shù)字信號編碼技術(shù)3.5同步和異步傳輸3.6單工、半雙工傳輸和全雙工傳輸3.7差錯類型、差錯檢測和差錯糾正3.8差錯控制、流量控制和高級數(shù)據(jù)鏈路控制3.9傳輸介質(zhì)（媒體）哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所3.1概念和術(shù)語哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所3

成功的數(shù)據(jù)傳輸主要取決于兩個因素:（1）傳輸信號的質(zhì)量（2）傳輸介質(zhì)的特性3.1概念和術(shù)語哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所4發(fā)送器接收器傳輸介質(zhì)導向介質(zhì)(guidedmedia)雙絞線、同軸電纜和光纖非導向介質(zhì)(unguidedmedia)（無線介質(zhì)）空氣、真空和海水發(fā)送器接收器傳輸介質(zhì)3.1概念和術(shù)語哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所5直連鏈路(directlink)沒有中間設備存在點對點(point-to-point)一條直連鏈路僅被兩個設備共享多點（multipoint）兩個以上的設備共享同一傳輸介質(zhì)3.1概念和術(shù)語哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所6頻率、頻譜和帶寬哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所7信號的特性包括時間特性和頻率特性。對信號時間特性的分析在時域上進行。對周期信號，振幅、頻率、相位是在時域上描述信號的主要參數(shù)，在時域上表示信號的圖象稱為時域圖。任一信號都可看成由某個頻率范圍內(nèi)的頻譜成分組成，信號的頻率特性對信號帶寬和數(shù)據(jù)率等至關(guān)重要。對信號頻率特性的分析在頻域上進行。在頻域上表示信號的圖象稱為頻域圖。頻域圖有振幅-頻率和相位-頻率兩種圖象。在頻域上進行信號分析通常比在時域上簡便。哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所8時域概念如果經(jīng)過一段時間，信號的強度變化模式是平滑的，那么這種信號就是模擬信號。如果在一段時間內(nèi)信號強度保持某個常數(shù)，然后在下一時段又變化到另一個常數(shù)，那么這種信號就稱為數(shù)字信號。哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所9時域概念周期信號哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所10時域概念正弦波峰值振幅、頻率和相位變化波長哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所11信號循環(huán)一個周期所占的空間長度信號的兩個連續(xù)周期上相位相同兩點間的距離波長，假設信號運動速度為，則=Tf=c3*108m/s

(自由空間的光速)哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所12頻域概念數(shù)字波形模擬波形一個電磁信號是由多種頻率組成的利用傅立葉分析的方法，可得出任何信號由不同正弦波的頻率成分組成任何一個信號存在時域函數(shù)，也存在頻域函數(shù)哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所13頻域概念頻率成分疊加哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所14頻域概念頻域的表示哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所15時域和頻域成分哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所16SignalwithDCComponentDCComponentComponentofzerofrequency17頻譜(spectrum)&帶寬（bandwidth）頻譜：信號包含的頻率范圍絕對帶寬：頻譜寬度有效帶寬：通常就叫帶寬，

信號的絕大部分能量都集

中在相當窄的頻帶范圍振幅為A和-A的方波s(t)的頻率成分第k個頻率成分kf的振幅僅為1/k哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所18數(shù)據(jù)率和帶寬之間的關(guān)系信號是通過傳輸介質(zhì)進行傳輸?shù)挠麄鬏數(shù)囊粋€給定的信號（波形）本身所包含的頻率范圍可能非常寬任何傳輸介質(zhì)的帶寬都是有限的傳輸介質(zhì)的這種特性是限制數(shù)據(jù)在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率的一個決定性因素。數(shù)據(jù)率（datarate）：數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩晕幻棵耄╬bs或b/s）為單位。哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所19數(shù)據(jù)率和帶寬之間的關(guān)系介質(zhì)自身的帶寬將限制被傳輸信號的帶寬。數(shù)字信號不得不被近似為有限帶寬的信號給定的帶寬可以根據(jù)接收器在噪聲和其它損傷存在的情況下鑒別0和1的能力來支持不同的數(shù)據(jù)率若一個數(shù)字信號的數(shù)據(jù)率是Wbps，則當信號帶寬為2WHz時，它就可以很好地代表原信號假如其它項保持不變，帶寬加倍就意味著數(shù)據(jù)率加倍信號帶寬越受限制，失真就越嚴重，接收站點接收錯誤數(shù)據(jù)的概率也就越大哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所3.2模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所20數(shù)據(jù)：傳達某種意義或信息的實體信號：數(shù)據(jù)的電氣或電磁表示方式發(fā)送信號（signaling）：信號沿適當介質(zhì)的物理傳播傳輸：用傳播并處理信號的方式進行的數(shù)據(jù)通信的過程哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所3.2模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸21哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所3.2模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸22傳輸數(shù)字信號的主要優(yōu)勢在于，它普遍比傳輸模擬信號更加便宜，而且比較不易受噪聲干擾。而其主要缺點是比傳輸模擬信號更容易受衰減的影響。23數(shù)字信號的衰減3.2模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所模擬傳輸傳輸模擬信號，不考慮信號的內(nèi)容信號可能是模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸一段距離后，信號會衰減使用放大器增強信號能量同時也增強了噪聲哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所24數(shù)字傳輸考慮信號的內(nèi)容數(shù)據(jù)的完整性受到衰減、噪聲或其他損傷的威脅使用轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器收到信號，并將其恢復為1、0模式，然后重新傳輸新信號克服了衰減，噪聲也不累積哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所25263.2模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)勢數(shù)字技術(shù)：LSI/VLSI技術(shù)使得數(shù)字電路體積和價格都在不斷降低數(shù)據(jù)完整性：遠距離傳輸，較低線路質(zhì)量要求容量利用率：經(jīng)濟的高帶寬傳輸鏈路，數(shù)字技術(shù)的高級復用技術(shù)，有效利用其容量安全和保密：加密技術(shù)綜合性：能類似處理模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所273.3傳輸損傷28接收到的信號與傳輸信號有差異模擬信號，損傷會降低信號質(zhì)量對數(shù)字信號則導致位差錯重要的損傷：衰減和衰減失真（attenuationandattenuationdistortion）時延失真（delaydistortion）噪聲（noise）哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所衰減信號強度隨傳輸距離增長而減弱衰減與傳輸介質(zhì)有關(guān)傳輸工程需要注意3點:接收到的信號必須有足夠的強度信號電平必須保持高于噪聲電平，以接收無差錯的數(shù)據(jù)頻率越高衰減越嚴重（衰減失真）即衰減是頻率的遞增函數(shù)，衰減均衡技術(shù)利用加感線圈改變線路的某些電氣特性，其結(jié)果就是使衰減對各個頻率的影響都比較均勻使用放大器，使其放大高頻的倍數(shù)比放大低頻的倍數(shù)要高29時延失真接收到的信號因其不同頻率成分在電纜上傳播延遲的不同而導致的失真稱為時延失真。發(fā)生在傳輸電纜（導向介質(zhì)）上的現(xiàn)象；通過天線在空氣中（非導向介質(zhì)）傳輸?shù)男盘柌粫羞@種現(xiàn)象。產(chǎn)生原因是在電纜上信號的傳播速度隨頻率的不同而改變。接收到的信號因其不同頻率成分延遲的不同產(chǎn)生了失真。均衡技術(shù)也可用于時延失真。30哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所均衡技術(shù)時延失真衰減圖

話音信道的衰減和時延失真曲線31哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所何類信號對衰減與時延失真敏感？數(shù)字信號受衰減失真影響較小頻率特定：絕大部分內(nèi)容集中在基頻附近幅度特性：二值判定數(shù)字信號受時延失真影響較大產(chǎn)生位序列混亂，碼間串擾模擬信號主要受衰減影響幅值連續(xù)變化，信息分布在整個頻帶32哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所噪聲發(fā)送和接收之間的某個地方插入進來的不希望有的信號為噪聲。熱噪聲：導體內(nèi)電子熱運動造成的，均勻分布——白噪聲?；フ{(diào)噪聲：不同頻率的信號共享同一傳輸介質(zhì)產(chǎn)生的。串擾：在一條線路上得到了其它線路的信號。沖激噪聲：非連續(xù)的，由不規(guī)則的脈沖或持續(xù)時間短而振幅大的噪聲尖峰組成。33哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所34哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所噪聲對數(shù)字信號的影響噪聲的種類噪聲分為隨機噪聲、沖激噪聲或自然噪聲(大氣噪聲)等隨機噪聲包括熱噪聲、互調(diào)噪聲和串擾等，普遍存在且有著持續(xù)時間不斷的影響，是信號傳輸?shù)幕狙芯繉ο鬅嵩肼暎ò自肼暎㎞0=kT(W/Hz)由電子的熱運動造成均勻分布35哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所噪聲的種類互調(diào)噪聲互調(diào)噪聲產(chǎn)生于當發(fā)送設備、接收設備及它們之間的傳輸系統(tǒng)中存在某些非線性之時，或者產(chǎn)生于當不同頻率的信號共用同一傳輸媒質(zhì)之時。互調(diào)噪聲在系統(tǒng)的輸出端產(chǎn)生一些附加的頻率成分，它們是多個原輸入