智能建筑弱电系统2通信基础

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1、2 通信基础,2.1 基本概念 2.1.1 模拟数据、数字数据与模拟信号、数字信号 数据分为模拟数据与数字数据，凡在时间和幅度上是连续取值的为模拟数据，如温度的高低，声音的强弱，一幅图像内容的,演进等都是连续变化的模拟数据；凡在时间和幅度上是离散取值的为数字数据，如经过路口的汽车数的多少，足球、篮球赛的进球数目都是数字数据，计算机内部所传送的二进制数字序列也是离散的数字数据。,数据信息一般均用信号进行传输，例如电信号、光信号等。信号是数据的具体表示形式，它和数据有一定的关系。信号又分为模拟信号和数字信号，凡表示数据的信号在时间上和幅度上是连续变化的则为模拟信号，如电话系统中的话音信号、电视,系

2、统中的图像信号等为模拟信号；凡表示数据的信号在时间上和幅度上是离散变化的则为数字信号，如军舰上信号兵打的“灯语”信号、计算机内部所传送的代表“0”和“1”的电脉冲信号等为数字信号。,2.1.2 模拟通信、数字通信、数据通信 模拟数据可以用模拟信号传输，也可以用数字信号传输；同样，数字数据可以用数字信号传输，也可以用模拟信号传输，这样就有4种传输方式，如图2.1所示。,图2.1 数据的4种传输方式,模拟信号传输模拟数据 模拟信号传输数字数据 数字信号传输数字数据 数字信号传输模拟数据 前两种传输方式中，无论是模拟数据还是数字数据，均是用模拟信号来传输，这种,传输方式就称为模拟通信，相应的传输系统

3、就称为模拟通信系统。后两种传输方式中，无论是模拟数据还是数字数据均是用数字信号来传输，这种传输方式称为数字通信，相应的传输系统就称为数字通信系统。,以上第二、三种方式中，无论是用模拟信号还是用数字信号，传输的均为数字数据，这种传输方式习惯上称为数据通信，相应的传输系统就称为数据通信系统。 2.1.3 通信信道,通信的目的就是传递信息。通信系统中产生和发出信息的一端称为信源，接收信息的一端称为信宿，信源和信宿之间的通信道路称为信道。携带信息的信号通过信道从信源端传输到信宿端，通信系统的模型如图2.2所示。信道是指信号的传输媒介，其中包括传输介质和相关的通信设备(如信号放大设备、信号处理设备等)。

4、,图2.2 通信系统模型,通信信道按传输介质的视觉来分可分为有线信道与无线信道；按传输介质的物理性质来分，有线信道又可分为电缆信道和光缆信道等；按所传输信号的类型来分，又可分为模拟信道和数字信道等。 2.1.4 信道通频带与信道带宽,信道的通频带是指信道的下限频率与上限频率所包含的频率范围，可简称为通带。信道的上限频率与下限频率之差就是信道的通频带宽度，可简称为通带宽度或带宽。信道通频带与信道带宽是衡量通信系统的两个重要指标。,信道的带宽是由信道的物理性质决定的，不同的传输介质，其带宽大不一样，为增大信道的容量和提高其抗干扰性，应选用带宽宽、抗干扰性强的传输介质，如同轴电缆、高类别双绞线、光缆

5、等。,2.2 通信方式 2.2.1 单工、半双工、全双工通信 按信号在传输介质上的传输方向分类，有如下3种方式。 单工通信 半双工通信 全双工通信 2.2.2 并行传输与串行传输,这两种传输方式主要是针对数据通信而言的。例如，在计算机网络系统中传输二进制数据，串行传输时，一次只传输1个二进制位，从发送端到接收端只用一根传输线即可，这样，1个字节(8个二进制位)就要分8次传送；而并行传输时，一次可以传输8个二进制位，这样，1个字节一次就能传送完，但从发送端到接收端需要8根传输线，如图2.3所示。,图2.3 并行数据传输,并行传输比串行传输速度要快得多，但需增加传输设备 虽然串行传输的速度较慢，但

6、传输设备成本低廉和传输线路连接安装简单。 图2.4所示为计算机网络中数据通信的示意图。,图2.4 计算机网络中数据通信示意图,2.2.3 异步方式传输和同步方式传输 异步方式传输 这种传输方式是以字节(8位)为单位，在组成每个字节代码前后分别加上起止位，即把各个字节分开传输。 异步方式传输的优点是实现起来简单，设备成本低。但因是单独逐一传输每个字节，所以速率较低。异步方式传输一般用于低速的终端设备。,同步方式传输 同步方式传输采用的是按位同步技术，即位同步，这种方式的传输单位是一组数据或很多字符组成的一个数据块。因为这种方式仅在一组数据的前后加入控制字符，所以传输效率高，速度快，但这种方式的传

7、输线路控制比较复杂，设备成本较高。,2.3 数据通信的主要技术指标与通信交换技术 数据通信系统的主要技术指标是从数据传输的数量和质量来考虑的。 2.3.1 码元速率和数据速率,1)码元速率 数据通信系统中传输的数字信号是一系列电脉冲，1个单位脉冲称为1个码元，1个码元能携带的信息量多少是由码元所能取的离散值个数决定的。在二进制中，1个码元只能取2个离散值，则称1个码元携带1比特,(bit)信息；若1个码元可取4个离散值，则1个码元携带2比特信息；若1个码元能取N个离散值，则其携带的信息量(比特数) n为： 用码元速率来表示单位时间内通过信道传输的码元个数，码元速率的单位为波特(Boud)，所以

8、码元速率也叫波特率。,2)数据速率 单位时间内通过信道传输的比特数称为数据速率(也可称为信息速率)，它表明了单位时间内通过信道传输的信息量，数据速率的单位为比特/秒(bit/s)，所以也称为比特率。设数字信号的波特率为B，比特率为R，则不难看出二者有如下关系：,2.3.2 信道容量与误码率 1)信道容量 信道容量是指信道的最大传输能力，通常用信道的最大数据传输速率表示。数据速率越大，信道容量就越大，山农(Shannon)的研究表明，有噪声信道的极限数据速率可由下面公式计算：,由上式看出，在信号的信噪比一定的情况下，信道的容量与其带宽成正比。,2)误码率 误码率是指数字信号在信道传输过程中出错的

9、概率，在传输二进制数字信号时，用接收到的数据中出错的二进制位数与总位数的比表示，即：,误码率是衡量传输系统可靠性的指标，信号的数据传输速率和误码率是互相矛盾的，提高数据速率，则二进制位出错的概率变大，那么误码率增加。在计算机网络中，数据传输的误码率一般要求低于10-5。,2.3.3 通信交换技术 通信网络中，中间转接结点转发信息的相关技术就是交换技术，转发信息的方式就是所谓的交换方式，最基本的交换方式有下面3种：,1)电路交换 电路交换方式的工作原理是：当两个结点之间需要交换信息时，中间结点就在网络中寻找一条临时专用通路供收发两端通信。电路交换示意图如图2.5所示。,图2.5 电路交换,电路交

10、换的特点是： 建立电路连接需较长时间，而一旦连通，信道就为发收双方独占，所以信息传送速度快，无延迟，适用于实时信息传输。但又因为信道被收发双方独占，所以即使有空闲，其他发送端也不能利用，因而线路的利用率较低。,在数据通信系统中采用这种方式，发收双方的数据传输速率必须相同，所使用的电码也必须相同，否则两端不能进行交换。 在发收两端接通后，传输代码的种类及格式不受中间结点限制，所以传输数据是透明的。,2)存储转发交换 这种方式主要应用在数据通信系统中。它不要求在两个通信结点之间建立专用通路，当一个结点发送信息时，它先把要发送的信息组织成一个数据块，然后再发送出去。这个数据块也称为报文，在报文中含有

11、目标结点的地址。存储转发交换也叫报文交换。存储转发交换示意如图2.6所示。,图2.6 存储转发交换,存储转发交换的特点是： 信道可以被许多报文同时共享，线路利用率高。 因为中间结点能改变数据传输速率，所以两个数据传输速率不同或使用代码不同的结点也可以连接起来，进行数据交换。,因为一个报文一般较长，所以要求每一个中间结点都要有较大的存储容量来存储这个报文，一般采用硬磁盘等外存，这样就带来了传输时间的延迟，所以它不适合实时通信和交互通信，而适合于电子邮件、电报以及非紧急业务的查询和应答等业务。,3)分组交换 分组交换也主要是应用在数据通信系统中，它的工作原理是将发送端发送的数据块分割成许多固定长度

12、较短的信息组，即分组信息，并给各个分组编号，再加上源和宿地址以及约定的头、尾信息，这个过程也叫信息的打包，然后将打包好的各个分组信息发送出去。分组交换示意如图2.7所示。,图2.7 分组交换,分组交换的特点是： 因为各分组可通过不同中间结点、不同线路分别发送、传输，所以数据传输非常灵活，而且使总体数据传输速率得到了提高。 因为将发送的数据分成了较短的信息组，所以每组转发延迟时间就很短，并且对中间结点存储容量的要求就比较小。,分组交换也意味着按分组纠错，如果检出错误，只需重发出错的分组即可，从而使通信效率提高。 分组交换需增加分组拆装等设备，成本相对提高。,2.4 信号的基带传输与多路复用技术

13、2.4.1 信号的基带传输 电信号是由很多不同频率的正弦波分量组成。所谓基带是指基本频带，即原始电信号所占有的频率范围，这个原始电信号就称为基带信号(有时称基频信号)。,在信道中直接传输基带信号时，称为基带传输，基带传输包括模拟基带信号传输和数字基带信号传输。 2.4.2 多路复用技术 多路复用技术是指设法在一个单一信道上同时传输多路信号的技术，以挖掘信道的最大潜能。常用多路复用技术有下面两种：,1)频分多路复用技术(FDM) 频分多路复用技术的原理是：把通信信道的通频带分割为互不重叠的频率段，每个频率段相当于一个子信道。利用载波调制技术，将不同的数据信号搬到各个子信道中传输，每个子信道只传一

14、路信号，并且各个子信道完全独立，各子信道中传输的信号不会相互串扰，如图2.8所示。,图2.8 频分多路复用技术示意图,2)时分多路复用技术(TDM) 时分多路复用技术的原理是：将一个通信信道按时间段轮流使用，每一路信号每次占用一个时间段进行传输，各路信号在时间域上互不重叠，接收端根据约定的时间关系分段接收，即可恢复各路信号，如图2.9所示。,图2.9 时分多路复用技术示意图,时分多路复用又可分为如下两种形式： 同步时分多路复用 (CTDM) 异步时分多路复用 (ATDM) 2.5 通信网络的拓扑结构 2.5.1 网络拓扑结构的概念,通信体间要进行通信，就需要用信道把处于不同位置的它们连接起来，

15、由于通信体成百上千，所以信道的连接方式就有各式各样，设计一个好的网络结构，对于增强网络功能和提高效率，更充分地利用网络资源来说具有非常重要的作用。,我们把计算机、集线器、电话机、交换机、电视机、混合器、分配器等设备与器件看作网络单元，又把网络单元定义为结点，那么两个结点间的连线称为链路，网络结点和链路形成的几何图形就是网络的拓扑结构。,2.5.2 通信网络拓扑结构的种类 通信网络的拓扑结构主要有以下几种： 1)星形结构 星形结构如图2.10(a)所示。,图2.10 通信网络的主要拓扑结构,图2.10 通信网络的主要拓扑结构,图2.10 通信网络的主要拓扑结构,星形结构的优点是： 结构简单，网络

16、扩展非常容易，要增加外围结点时，只需将其连接在中央结点上即可。 网络重新配置灵活方便，容易维护管理，因为每个结点直接连到中央结点，因此容易控制和隔离故障，单个结点或线路出现故障只需将其从中央结点上取下即可，不会影响到整个网络。,星形结构的缺点是： 因为每个外围结点都要和中央结点相连，所以需要的传输线缆数量多，线路利用率也较低。 网络对中央结点的依赖性很高，如果中央结点发生故障，将会导致整个网络陷入停顿状态。,2)树形结构 树形结构如图2.10(b)所示。 树形结构的优点是： 有很强的可扩展性，可以延伸出很多分支和子分支，新的结点和新的分支很容易加入网内。,如果某一分支的结点或线路发生故障时，很

17、容易将这个结点或分支和整个系统隔离开。 树形结构的缺点是： 对根结点的依赖性很大，如果根结点出现故障，则全网不能正常工作。 结点之间通信的路径很长，实现信号的双向传输也比较困难。,3)总线形结构 总线形结构如图2.10(c)所示。 总线形结构的优点是： 结构简单，所有结点均接到一个传输线上，线缆长度短，网络设备较少，成本相对较低。,不仅安装、布线容易，而且可靠性较高，响应速度快。 总线形结构的缺点是： 不易扩展。当需增加网络结点时，必须停止原有网络的运行。 故障诊断困难。 总线形结构一般适用于计算机局域网，它是局域中用得最早的一种结构形式。,4)环形结构 环形结构如图2.10(d)所示。 环形

18、结构的优点是： 环形网中任意两个结点传送信息的路径只有一条，而且方向固定，所以路径选择控制很简单。,因为网络传输信息的延迟时间是固定的，所以易于实时控制。 环形结构的缺点是： 由于信息是绕环通过结点，当结点较多时，影响传输效率，使网络响应时间变长。 不易重新配置网络，因为环路封闭，要扩充比较麻烦，同样，要关掉一部分已接入网的站点也不容易。,如果环中某一结点发生故障会导致整个系统失效；反之，当出现全网不能工作的时候，也难于诊断问题所在的部位，而需要对每个结点进行逐一检测。 环形结构适用于实时控制系统和自动化系统，也有少数计算机局域网采用这种结构。,5)网状结构 网状结构如图2.10(e)所示。 网状结构的优点是： 具有较高的可靠性。因为网络中结点之间有多条线路可供选择，所以当某一线路或结点有故障时，不会影响整个网络的工作。,网状结构的缺点是： 由于各个结点都需要具备路由选择和控制的功能，因而网络控制比较复杂。 网络中结点之间有多条线路连接，并需要较多的设备，所以成本较高。 网状拓扑结构一般用于计算机广域网和长途电话网。,