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1、2 智能建筑自动化系统关键技术基础 2 1数据通信技术基本概念2 2智能建筑中的计算机网络2 3楼宇自动控制基本原理及测控设备2 4楼宇电气控制及PLC基础2 5智能建筑中的计算机控制系统2 6数据库基础 2 1数据通信技术基本概念 2 1 1数据通信 2 1 2信道与传输介质 2 1 3数据交换技术 不同的独立系统经由线路互相交换数据 便是通信 而构成整个通信的线路称之为网络 网络中交换信息的系统若为计算机系统 则称该网络为计算机网络 在智能建筑自动化系统中 为满足建筑物在监控功能 管理功能和信息共享等方面的需求 需要使用各种各样的计算机网络 由于计算机网络是计算机技术和通信技术发展的产物
2、因此 在介绍计算机网络的知识之前 应该先了解一些通信方面的基础概念 2 1 1数据通信 一 信息 数据和信号 信息的载体可以是数字 文字 语音 图形和图像 例如 数字通信终端产生的信息一般就是字母 数字 符号的组合 通信的目的是交换信息 为了传送这些信息 首先要将每一个字母 数字 符号用二进制代码表示 这些被传输的代码称为数据 数据和信息的主要区别是 数据是信息的载体 涉及事物的表示形式 而信息涉及的是这些数据的内容和解释 数据分为模拟数据和数字数据 模拟数据的值域是连续的 数字数据不仅在时间上离散 在值域上也是离散的 模拟数据可以通过 数字化 处理 转变成数字数据 例如 对声音进行等间隔采样
3、及A D转换 可以用数码序列来表示原先的声音数据 数据通信就是发送或接收数据 为实现通信 必须首先解决如何表示 传输数据的问题 在数据通信系统中 通常用信号来表示和传输数据 信号分为模拟信号和数字信号 它们都是数据的电磁波或光波表示形式 二 数据通信系统的构成 数据通信系统是指用通信线路将分布于不同地点的基于计算机的数据终端设备连接起来 执行数据通信的系统 图2 1所示的是最基本的数据通信系统 它由信息源 收信者 发送设备 接收设备和传输媒介 狭义信道 几部分组成 图2 1数据通信系统基本模型 信道是任何信息传输系统不可缺少的组成部分 所谓传输信道指的是以传输介质为基础的信号通路 具体地说 它
4、是由有线或无线电路提供的信号通路 抽象地说 它是指定的一段频带 它允许信号通过 又给信号以限制与损害 信道可分为狭义信道与广义信道 狭义信道就是信号的传输介质 而把传输介质和传输设备构成的信道称作广义信道 数据通信系统在传送与接收数据时 根据信道上的数据流动情形可以分为单工 半双工和全双工三种工作模式 图2 2数据通信系统的几种工作模式 a 单工通信 b 半双工通信 c 全双工通信 1 单工是指所传送的信息始终朝着一个方向 而不进行与此相反方向的传送 如图2 2 a 所示 数据只能从发送终端A传送至接收终端B 而不能由B传送至A 2 半双工通信是指信息流可在两个方向上传输 但同一时刻只限于一个
5、方向传输 如图2 2 b 所示 通信双方都具有发送器和接收器 但要实现双向通信必须改换信道方向 这种在一条信道上进行转换 实现A B与B A两个方向通信的方式 称为半双工通信 3 全双工通信是指通信系统能同时进行如图2 2 c 所示的双向通信 三 信道复用与同步技术 一 信道复用同时携带多个信号高效率地使用传输介质 就是多路复用 Multiplexing 多路复用普遍使用 频分多路复用FDM和时分多路复用TDM FDM技术如图2 3 a 所示 每个信号都需要一个以它的载波频率为中心的一定的带宽 称之为信道 为了防止信道间的相互干扰 使用保护频带隔离 TDM技术如图2 3 b 所示 每个输入的数
6、据传输率是960Obps 一条容量达5760Obps的线路就能容纳这六个信号源 每个信号源的时间片序列称为一条通道时间片的一个周期 亦称之为一帧 图2 3多路复用 a 频分多路复用 b 时分多路复用 图2 3 b 为同步 synchronous 时分多路复用TDM 其时间片是预先分配好的 且固定不变 因此 各信息源的传输定时是同步的 与此相反 异步时分多路复用TDM允许动态地分配传输介质的时间片 二 同步技术 所谓同步 就是要求接收端按照发送端所发送码元的重复频率及起止时间来接收数据 使收发双方在时间基准上保持一致 此外 在通信过程中 还要求接收端能够根据发送端发送数据的起止时间和重复频率校正
7、自己的时间基准与重复频率 这个校正过程称为同步过程 同步分为码元同步 字符同步 帧同步等 1 异步式字符同步 异步传输 1 每个字符作为一个独立的整体进行发送 字符之间的时间间隔是任意的 2 每个字符前加l位起始位 逻辑 1 字符的最后一位后加上1 1 5或2位的停止位 逻辑 0 2 同步式字符同步 同步传输 同步传输将一组字符连续排列后传送 每个字符不加附加位 但每组字符之前必须加上一个或多个同步字符SYN 接收端接收到SYN字符以后 能够根据SYN来实现比特同步与确定字符起始位 同步传输方式比异步传输方式的传输效率高 适用于高速传输要求 3 帧同步 属于同步传输方式 帧结构有两类 一类是面
8、向字符帧 另一类是面向比特帧 四 模拟传输和数字传输 模拟传输是传输模拟信号的方法 模拟信号可以表示模拟数据或表示数字数据 模拟信号在传输一定距离后将衰减 为了实现长距离传输 要在模拟传输系统中设置放大器 数字传输是传输数字信号的方法 数字信号可以表示模拟数据或表示数字数据 数字传输的基本优点是比发送模拟信号更便宜 而且很少受噪声干扰的影响 最主要的缺点是数字信号比模拟信号易衰减 因此 数字信号一般比模拟信号的传输距离短 为了获得更大的传输距离 可以用中继器 数字传输也称为基带传输 模拟传输也称为宽带传输 模拟数据和数字数据都可以分别用模拟信号或数字信号来表示 因而它们都既可以用数字传输方式
9、也可以用模拟传输方式 对于远程通信 数字信号的传输不像模拟信号的传输那样用途广泛和实用 但在局部网络中 由于数字电路价格下降 采用数字技术越来越经济 五 数据编码技术 一 数字数据 模拟信号 数字数据的模拟信号传输是借助于载波实现的 载波通常是正弦信号 振幅 频率和相位是周期函数的三个重要特征 把一个数字数据调制成模拟信号 就是用数字数据来控制一个连续载波信号的振幅 频率和相位 因此 在信道中传输的已调制的连续信号 就承载了原始数字数据的信息 在接收端采用与调制技术相反的 解调技术 可以把调制信号解调为原数字数据 数字数据对模拟信号进行调制的方法有三种 幅移键控法ASK Amplitude S
10、hiftKeying 频移键控法FSK Frequency ShiftKeying 和相移键控法PSK Phase ShiftKeying 如图2 4所示 在幅移键控法ASK方式下 用载波的两个不同的振幅来表示两个二进制值 在有些情况下 用振幅恒定的载波的存在表示一个二进制数字 而另一个二进制数字用载波的不存在来表示 ASK方式容易受增益变化的影响 是一种效率相当低的调制技术 在音频线路上 通常只能达到12OObps 在频移键控法FSK方式下 用载波频率附近的两个不同频率表示两个二进制值 这种方案比起ASK方式来 不容易受干扰的影响 在音频线路上 通常在高于12OObps的数据传输时使用 这种
11、方式也广泛用于高频 3 3OMH 的无线电传输 它甚至也能用于较高频率的使用同轴电缆的局部网络 在相移键控法PSK方式下 利用载波信号的相位移动来表示数据 用发送与以前发送信号串同相的信号表示0 用发送与以前发送信号串反相的信号表示1 PSK技术有较强的抗干扰能力 而且比FSK方式更有效 在音频线路上 传输速率可达到96OObps 二 数字数据 数字信号 对于传输数字信号来说 最普遍而且最容易的办法是用两个电压电平来表示两个二进制数字 例如 无电压 也就是无电流 常用来表示0 而恒定的正电压 用来表示1 使用负电压 低 表示0 正电压 高 表示1也是很普遍的 后一种技术表示于图2 5 a 中
12、称为不归零制NRZ Non ReturntoZero 不归零制NRZ传输也有若干缺点 它难以决定一位的结束和另一位的开始 需要用某种方法在发送器和接收器之间进行定时或同步 另外 如果传输中1 或0占优势的话 那么在几位时间内将有累积的直流分量 这样 就不能使用变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合 克服上述缺点的另一个编码方案是曼彻斯特编码 如图2 5 b 所示 这种编码通常用于局部网络传输 在曼彻斯特编码方式中 每一位的中间有一个跳变 位中间的跳变既作为时钟 又作为数据 从高到低的跳变表示1 从低到高的跳变表示0 有时 人们也使用差分曼彻斯特编码 如图2 5 c 所示 在这
13、种情况下 位中间的跳变仅提供时钟定时 用每位周期开始时有 无 跳变来表示0 1 的编码 在上述两种情况下 由于时钟和数据包含在信号数据流中 所以这种编码称为自同步编码 如果声音数据限于4000Hz以下的频率 那么每秒8000次的采样可以满足完整地表示声音信号特征的要求 三 模拟数据 数字信号 利用数字信号对模拟数据进行编码的最常见的例子是脉码调制PCM PulseCodeModulation 它常用于对声音信号进行编码 脉码调制是以采样定理为基础的 采样定理指出 如果在规定的时间间隔内 以高于两倍最高有效信号频率的速率对信号进行采样的话 那么这些采样值就包含了原始信号的全部信息 利用低通滤波器
14、可以从这些采样中重新构造出函数 2 1 2信道与传输介质 一 信道和传输损耗 一 信道分类 信道的主要分类方法有以下几种 1 按信道的用途分 分为用于电话的电话信道 用于电报的电报信道 用于电视的电视信道等 2 按传输介质分 分为有线信道和无线信道 有线信道有双绞线 同轴电缆和光纤 无线信道有无线微波接力系统和卫星中继通信系统 3 按传输信号的频谱分 分为基带传输信道和载波信道 基带信道用于近距离的传输 载波信道用于长途的数据 话务 报务的传输 4 按允许通过的信号分 分为模拟信道和数字信道 模拟信道允许通过取值连续的模拟信号 目前大部分的信道均属此类 数字信道只允许通过取值离散的数字信号 5
15、 按使用的方法分 分为专用 租用 信道和公共 交换 信道 专用信道是指两点或多点之间的固定线路 尽管它可能是从电信局租用的 但与公共交换网不发生关系 公共信道是通过交换机转接为大量用户服务的信道 二 信道容量 在给定信道的条件下 如果要求误码率任意地小 即趋近于零 那么信息传输速率有没有一个极限值 对于一些信道 信息论证明了这个极限的存在 这个极限就是信道容量 也就是说 一个给定信道的信道容量是在传输差错概率趋于零的条件下 单位时间内可以传输的信息量 或把信道能够传送信息的最大速率称为信道容量 三 传输损耗 信号在信道中传输时 面临许多损耗 其中 最重要的是衰减 延迟畸变和噪声 1 衰减 在任
16、何传输介质上 信号的强度都会随距离的增加而降低 对于有线信道 信号强度的减小一般是对数式的 对于无线信道 衰减是距离和大气组成的一个更为复杂的函数 衰减畸变对于数字信号来说算小问题 对矩形脉冲数字信号 其频谱的大部分能量都集中在靠近信号的基频处 因此高频的衰减对数字信号影响不大 2 延迟畸变 延迟畸变是有线信道的特殊现象 这种畸变是由于信号通过传输介质时 其传播速度随频率变化而引起的畸变 对于限带的信号 在中心频率附近 传播速度可能增高 而在频带边缘 传播速度可能下降 因此 一个信号的不同频率成分在不同的时间到达接收端 延迟畸变对于数字信号特别关键 在传输一个比特序列时 由于延迟畸变 某个比特位置上的信号成分的一部分可能分散到别的比特位置上 从而产生码间干扰 这是最大比特率 信道容量 的一个主要限制 均衡补偿技术也可用于减小延迟畸变 3 噪声 噪声是通信系统性能受到限制的主要因素 噪声可以分为四种类型 热噪声 交调噪声 串音和脉冲噪声 二 传输介质 一 双绞线 双绞线是最廉价也最便于使用的一种传输介质 由于把铜线相互绞在一起可以减少串扰以及信号辐射的影响 因此双绞线在通信系统中被大量使
