网络与通信基础

网络与通信基础

一、基本名词

通信系统简化模型：

通信系统常用概念：

总线： 传输信息（信号）的公共通道，它遵循某种技术规范。通常分为系统总线和通信总线（串行总线和并行总线）两大类，如ISA，PCI ，IDE ，USB ，VXI。

串行总线： 一个个比特依次顺序传输，传输距离较远，传输效率低，速度慢

并行总线： 几个比特（bit）同时传输，传输距离有限，传输效率高，速度快

总线技术： 包括通道控制、仲裁方法和传输方式等内容

总线技术规范： 包括机械特性、电气特性和通信协议等一系列标准

总线段（bus segment）： 总线连接在一起的1组设备，该组设备使用统一的技术规范。

总线协议（bus protocol）： 总线上设备遵从统一的规约（规则）。

总线仲裁： 总线上设备同时有一个以上设备需要占用总线时，需要总线仲裁，以免发生冲突，可以采用优先级等多种方案解决总线冲突问题。

现场/总线设备： 网络节点，现场设备具备测量控制功能和数据通信能力，包括具有总线通信接口的传感器、变送器、执行器、控制单元等。

二、通信系统性能指标

通信的任务是传递（互通）信息。从信息传输的角度来说，最基本也是最主要的性能指标是信息传输的 有效性和可靠性 。

通信的有效性是指在给定的信道内传输信息的数量，即信息传输的速度问题；而通信的可靠性是指在给定的信道内接收信息的准确程度，即信息传输的质量问题。

有效性和可靠性往往是相互矛盾的，必须根据实际要求取得相对统一

对于不同系统主要性能：

• 模拟通信系统

有效性：有效频带（在给定传输带宽的信道中，能同时传输的信号路数越多，则系统的传输有效性就越高）

可靠性：信噪比（信噪比越高，信息传输的准确性就越高，通信质量就越好）

• 数字通信系统

有效性：码元传输速率（简称传码率RB ）是指系统每秒传送的码元数目，其单位为波特（Baud,常用B表示），又称为波特率

可靠性：误码率（指错误接收的码元数在传送总码元数中所占的比例）

通信系统其它性能指标：

1. 有效性：信息的传输速率。
2. 可靠性：信息的传输质量。
3. 适应性：环境使用条件。
4. 标准性：标准的互换性。
5. 保密性：系统的灵活性，是否便于加密。
6. 经济性：系统成本高低。
7. 可维护性：使用、维护的方便性。

其中有效性和可靠性是通信系统最主要的性能指标

三、数据编码

信号编码分为模拟数据编码和数字数据编码

模拟数据编码：

1. 幅值键控编码
2. 频移键控编码
3. 相移键控编码

数字数据编码：

1. 单极性码波形

   在这种编码方案中，使用正电压表示1，0电压表示0电压表示数据

2. 双极性码波形

   使用正电压表示1，负电压表示0

3. 单极性归零码波形

   在1的基础上衍生，表示完0或者1，会有一小段电平归零

4. 双极性归零码波形

   同上

5. 差分码波形

   使用差分电平表示电压

6. 多元码波形（多电平码波形）

四、数据传输方式

1. 根据传输线路分为串行和并行传输

• 串行传输： 将数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输。这种方式只需占用一条通路。一般的远距离数字通信大都采用串行传输方式

• 并行传输： 如果将数字信号码元序列分割成两路或两路以上同时在多个信道中传输，则称为并行传输

2. 数字通信中，信号传输需要时钟信号同步，根据使用时钟信号方式的不同，分为异步传输和同步传输

• 同步传输：所有设备使用统一的时钟信号。数据传输效率高，适合高速通信，但传输距离有限。

以固定时钟节拍来发送数据信号，每次发送不是以一个字符而是以一个数据块为传输单位，并在数据块的前、后加上标志来表明块的开始和结束。
• 优点：比异步传输快速得多，它不需要对每一个字符单独加起、止信号作为识别字符的标志，只是在一串字符的前后加上标志序列。
• 缺点：技术上比异步传输要复杂。
• 主要用于速率较高数据传输的应用。

• 异步传输：每个节点具有独立的时钟信号，在一定误差范围内，都可以保证可靠传输

以固定时钟节拍来发送数据信号，每次发送不是以一个字符而是以一个数据块为传输单位，并在数据块的前、后加上标志来表明块的开始和结束。
• 优点：比异步传输快速得多，它不需要对每一个字符单独加起、止信号作为识别字符的标志，只是在一串字符的前后加上标志序列。
• 缺点：技术上比异步传输要复杂。
• 主要用于速率较高数据传输的应用。

3. 数字通信系统都需要进行同步，确保信息的正确传输，同步方式主要有：位同步，字符同步和帧同步

• 位同步：起止式异步传输，利用起止法来达到收发同步。位同步信号的提取也可以通过数据编码实现。
• 字符同步：电报传输，通过增加1个或多个同步字符实现数据传输的同步。
• 帧同步：收发双方通过帧头和帧尾实现同步，是现场总线主要采用的同步方式。

五、通信线路工作方式

• 单工通信：指消息只能单方向进行传输的工作方式

半双工通信：指通信双向都能收发消息，但不能同时进行收发的工作方式

全双工通信：指通信双向可同时进行收发消息的工作方式

六、信号传输模式

• 基带传输： 直接利用基带信号通过传输信道进行传输的方式，主要用于传输数据量不大的应用。

• 载波（调制）传输：对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，通常选择正弦信号作为载波，可分为数字调制和模拟调制。

• 宽带网（千兆网）：数据传输量大，传输速率高，能够传输数据、语音、图像等多媒体信息，用于广域网。

七、传输错误检测

传输差错根本原因是信道内存在的噪声和传输特性的不理想造成的码间干扰，故传输到接收端后可能发生错误判决，通常仅把噪声作为传输差错的根本原因，传输错误类型主要分为下面三种：

1. 单比特错误
2. 多比特错误
3. 突发错误

检测传输差错的方法主要有下面几种：

1. 奇偶校验
2. 求和校验
3. 纵向冗余校验 LRC
4. 循环冗余校验 CRC

八、传输差错校正

自动校正的方法如下

1. 自动重传

   检测到差错，发送端重新传输

2. 前向差错纠正

   在接受端发现错误之后，按照某种方式来纠正错误，常用的方式是海明码编码纠错，适用于单比特纠错

3. 多比特错误纠正

   使用相互重叠的数据位组合来计算冗余位，实现多比特错误的检测与纠正