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1、1,工业通信与网络技术,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）传输媒体的特性,3.1 概念和术语,哈工大网络与电气智能化研究所,4,发送器接收器传输媒体导向媒体双绞线、同轴电缆和光纤非导向
2、媒体（无线传播）空气、真空和海水,发送器,接收器,传输媒体,3.1 概念和术语,哈工大网络与电气智能化研究所,5,直连链路没有中间设备存在点对点一条直连链路仅被两设备共享多点两个以上的设备共享同一传输媒体,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，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
3、号的图象称为频域图，频域图有最大振幅-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,数字波形,模拟波形,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 = Tf = c 3*108 ms-1 (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
4、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,16,Signal with DC Component,DC Component Component of zero frequency,17,频谱&带宽,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直流成分：信号包含有 频率为零的
5、成分,18,数据率和带宽之间的关系,任何传输系统都只能容纳有限的频率范围，传输系统限制了数据在传输媒体上传送的数据率数据率、中心频率与有效带宽成正比。假如其它项保持不变，带宽加倍就意味着数据率加倍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任何数字波形都包含无限个频率成分、具有无限带宽，绝大多数能量集中在最前面几个频率成分，带宽的限制引起了失真,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,19,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：信号沿适当媒体的物理传播传输：用传播并处理信号的方式进行的数据通信的过程
6、,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,20,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,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。,22,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,23,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
7、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,24,25,3.2 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,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,26,3.3 传输损伤,27,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比特差错重要的损伤：衰减和衰
8、减失真时延失真噪声,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媒体有关传输工程需要注意到三点: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,28,29,哈工大网络与电气智能化研究所,时延失真,发生在传输电缆（导向媒体）上的现象，通过天线在空气中（非导向媒体）传输的信号不会有这种现象在导向媒体中信号传播速度随频率不同变化接收到的信号因其不同频
9、率成分延迟的不同产生了失真靠近中心频率传播速度最快，两侧较慢，导致频率之间的相移均衡技术,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比特序列混乱，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,传送和接收之间的某个地方插入进来的无用信号为噪声热噪声：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
10、号共享同一传输媒体产生的串扰：在一条线路上获得其他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N0=k T (W/Hz) 由电子的热运动造成均匀分布白噪声、高斯噪声,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
11、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，它们是多个原输入信号的频率之和或差，甚至这些频率的多倍数的组合。互调噪声可以用人为的方法，通过校正其中的非线性而部分地得以补偿。,36,哈工大网络与电气智能化研究所,噪声的种类,串扰一条线路上的信号传入另一条线路并行线路上的噪音干扰问题：目前双绞线的抗扰能力已经很强，说说它的原理？但仍然有近端串扰，这是什么原因？,37,哈工大网络与电气智能化研究所,平行线上的噪声效应,38,哈工大网络与电气智能化研究所,双绞线上的噪声效应,双绞线的扭绞结构是为了减少相邻导线之间的串扰和消除外界干扰,39,哈工大网络与电气智能化研究所,噪声的种类,冲激噪声不规则脉冲或尖峰持续时间短振幅较大外部电磁波干扰e.g.雷电，系统本身的故障和缺陷,40,哈工大网络与电气智能化研究所,
