第七章 数据通信技术.ppt

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1、第七章 数据通信技术n重点研究包括数字基带传输、数字频带传输以及信道的多路复用、差错控制技术等。1第一节 数据通信基础n信息传输系统又称通信系统，它由发送设备、接收设备及信道组成。n传输系统把地面中心站、分站、传感器及现场控制设备等联系在一起，使井上、井下现场的环境、工况参数上传到地面中心站，中心站发出的指令下传到现场设备。这些参数和指令以电信号的形式在信道中传输。n按信号的类型不同，传输系统可分为模拟传输系统和数字传输系统、基带传输系统和频带传输系统等.2一、消息、信息、信号n信息不同于消息，消息是人们所感觉到的外界事物的物理状态，而信息是消息中包含的原来不知而待知的内容，就是说信息是消息所

2、含的内容。n信号为信息的表现形式，信息用电流或电压的波形波形表示，这种信号就称为电信号，通常记为（t）。3n模拟信号：携带信息的参数的取值在一定区间内是连续的；n数字信号：如果携带信息的参数只取若干个离散的值，且通常用这有限个值按一定方式组合（编码）来传输信息的。4二、模拟传输与数字传输n模拟传输是指利用模拟信号传递消息的系统，通常信源发出的是模拟信号，信道上传输的也是模拟信号，输出仍然是模拟信号。n数字传输是指利用数字信号来传递消息的通信方式。在数字传输系统中，信源发出的是模拟信号，它经取样量化等数字化处理后转换为数字信号，通过通信传输装置，经信道传往接收端，在接收端经过反变换，把数字信号转

3、换为模拟信号输出。5n模拟信号可通过A/DA/D转换器转换为数字信号。数字信号也可以通过D/AD/A转换器转换成模拟信号。n矿用传感器输出的电信号可分为连续变化的模拟量信号和阶跃变化的开关量信号两大类。n按照系统所传输信号的不同，矿井监控系统可分为两类：模拟传输系统和数字传输系统。数字传输系统与模拟传输系统相比，具有如下优点：6抗干扰能力强；传输中的差错可以设法控制，以改善传输质量；可以传递各种信息，使传输系统变得通用、灵活；便于用计算机对系统进行管理。n数字传输优点都是用比模拟传输占据更宽的传输频带而换得的。n由于井下电磁干扰严重及传感器种类繁多等因素，数字传输在矿井监控信息传输系统中得到越

4、来越广泛的应用。7三、信道与干扰n信道就是信号的传输通道。狭义的信道是指传输的媒质，如架空明线、电缆、光缆、电磁波传播的空间等。广义的信道则把信号的发送和接收设备也包括在内。信道容量是在一定条件下能达到的最大传信速率，单位为bit/sbit/s。信道标准是根据信道各种特性对数据信号传输的影响而提出来的，以保证数据传输的质量。8n电信号通过信道时，其波形会受到损害发生畸变，或称失真。这种损害是由两方面的原因引起的：一是信道的传输特性对信号的影响；二是信道内部产生的以及外部串入的噪声的影响。n当噪声干扰和信号畸变达到一定程度时，就可能导致接受的差错。9n提高传输系统的抗干扰能力，应从两个方面着手：

5、一是提高接收端的信噪比（信号/噪声功率比）；二是提高系统在一定的信噪比条件下对干扰的抵抗能力。n具体措施有：适当增加发送信号的功率，以提高接收端的信噪比；屏蔽、隔离和接地、滤波；采用抗干扰能力较强的调制方法；选用现场噪声电平较低的频带来传输信号等。10四、数据传输方式n数据传输方式是指数据在信道上传送所采取的方式。如按数据代码传输的顺序，可分为并行传输和串行传输；如按数据传输的同步方式，可分为同步传输和异步传输；如按数据传输的流向和时间关系，可分为单工、半双工和全双工数据传输。111.并行传输与串行传输并行传输与串行传输n串行传输是指组成字符的若干二进制码排列成数据流，以串行的方式按时间顺序在

6、一条信道中传输，如图7-l7-l（a a）所示。通常传输顺序为由高位到低位，传完一个字符再传下一个字符。12n并行传输是将构成一个字符的几位二进制码以成组的方式，同时在多个并行的信道中传输，如图7-17-1（b b）所示。13n串行传输与并行传输相比，占用传输信道少、传输速度慢，但为了正确识别每一位是“0”还是“1”，接收端与发送端必须保持同步；而后者正好相反。一般矿井数字信息传输系统都采用串行传输方式，因为这种方式只需占一条通道，系统投资较低。n实际上，串行传输和并行传输是指组成一个字符的各码元是依顺序逐位传输还是同时并行地传输。至于数据字符，不论采用串行还是并行传输，总是逐个依顺序发送的。

7、码元：在数字通信中用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。142.同步传输与异步传输同步传输与异步传输（1）同步传输n同步传输是依靠加在数据块（由许多字符组成，又称数据流）前面的同步字符，使收/发双方取得同步的传输方式，如图7-27-2所示。15n同步字符是特殊的二进制代码，收/发双方的同步字符必须一致。数据块由一个接着一个的字符组成，每字符的数据位可以是5 5、6 6、7 7或8 8位。数据块末尾为CRCCRC校验码。16n传送时，在发送端，发送装置先发送同步字符，然后发送数据块。在数据块传送过程中，若发生没有准备好发送数据的情况，将自动插入同步字符，

8、直到下一个发送字符准备好为止。n数据块发送完毕后，发送CRCCRC校验码。n在接收端，接收装置搜索到同步字符后，才开始接收串行数据位，同时将插入数据块中的同步字符从数据块中删除，并根据CRCCRC校验码对数据块进行CRCCRC校验。17（2）异步传输n异步传输就是用1个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符结束，字符夹在起始位和停止位中间，传送字符之间用空闲位连接的传输方式，如图7-3所示。起始位占1位，通常为低电平，它除表示字符开始外，还用做字符同步信号。停止位可以是1位、1位半或2位，一般为高电平。18n每个字符由数据位和奇偶校验位构成。数据位可以是5、6、7或8位，若少于8位，最右边的高

9、位不传送，只传送有效位。奇偶校验位占1位，可选择奇校验或偶校验。空闲位一般为高电平，位长取决于两字符间的间隔。传送时，数据位从低位到高位逐位顺序传送。1920（3）同步传输与异步传输的比较n同步传输在数据块前面插入同步字符使系统同步工作，因此，编码效率高，常用于传送信息量大、传输速率高的场合。其传输速率可达800000bit/s，但传输设备较异步传输复杂。n异步传输需要分别在每一个字符的前后插入起始位和停止位。因此，当传输的字符较多时，每一个字符的前后插入起始位和停止位将影响编码效率，不宜进行大量字符的连续传输。异步传输的传输速率较低，一般为5096OObit/S96OObit/S。因此，异步

10、传输常用于传递信息量小、速率低的场合。n异步传输的传输设备较同步传输的传输设备简单。在数字传输的矿井监控系统中，普遍采用异步传输方式，以降低传输设备的成本和减少体积。213.3.单工、半双工及全双工传输n单工传输是指信息只能单方向进行传输的工作方式，如图7-47-4（a a）所示。但允许由收端向发端传送一些简单的控制信号（联络信号）。22n半双工传输是指通信双方都能收发信息，但不能同时进行收和发的工作方式，如图7_4（b）所示。23n全双工传输是指通信双方可同时进行双向传输信息的工作方式，如图7-4（c）所示，适用于计算机之间的高速数据通信。24五、数据传输介质n数据传输介质是通讯中实际传送信

11、息的载体，数据通讯中采用的物理传输介质可分为 有线和无线两大类。1.有线传输介质n矿山监控用的传输信道目前多用对称电缆，包括电话电缆和信号电缆。在需要传输高速信号或频带较宽的工业电视信号时，可用同轴电缆。从发展趋势看，光缆将广泛用于矿山井下的通讯及监控。从安全角度考虑，井下应使用阻燃电缆。25（1）对称电缆n装在同一保护套内的多组互相独立的平行绞线，所有线对共用一个屏蔽层。线对按一定节距绞合，绞合方式有对绞和星绞两种。对绞是两根线扭绞在一起。星绞是四根线扭绞在一起，相对的两根线构成一对。相邻的绞合组，其绞合节距互不相同。26n对称电缆在平衡传输时，具有较强的抗电磁干扰能力，相互串扰也较小。因为

12、线对的两根线在空间的位置完全对称，所拾取的干扰是共模干扰，在平衡传输时，不会转化为差模干扰。相邻绞合组之间靠绞合节距不同来抑制串扰。n使用对称电缆时，芯线一定要按对使用，不能交错。否则会大大降低抗干扰能力，且串扰严重，无法工作。n对称电缆的使用频率上限与传输距离有关。当距离在1km以下时，音频电话电缆及信号电缆可达数十到一百多千赫兹。27（2）同轴电缆n同轴电缆由圆形同心的内、外导体构成，中间为绝缘。使用时，外导体接地，兼作信号导体和屏蔽。有很强的抗高频电磁干扰的能力，但抗低频电磁干扰能力较差。通常使用频带为60kHz至数十兆赫。n矿山监控中目前主要用于工业电视及一些可编程控制器的高速数据传输

13、。28（3）光纤n光纤是导光性能极好，直径很细的圆柱形玻璃纤维。裸光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯和包层的主体材料是二氧化硅（SiOSiO2 2），），但经过掺杂后使包层的折射率略小于纤芯，以形成光波导效应，使大部分光在纤芯中传输。为保护光纤不受损害和增加机械强度，对光纤进行涂覆，形成涂覆光纤，如图7-5所示。光波导：由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。2930n由于光纤传输相对于对称电缆、同轴电缆等金属传导介质具有频带宽、速度高、损耗小、抗干扰强、节约有色金属、便于施工等优点，因此，应用越来越广泛。312.无线传输介质n无线传输介质都不需要铺设电缆和光缆。无线传输的方式

14、有多种，如散射短波、微波、卫星等。（1）短波通信n短波通信是利用发射的无线电波在电离层反射、或电离层与地面之间多次反射而到达接收点的一种远距离通信方式，频率范围为330MHzMHz。虽然其频段窄、容量小，但投资小、建设快、通信距离远，所以在数据通信方面仍有实用价值。电离层：有大量离子和自由电子，足以反射电磁波的部分大气层。距地面高度70500 km。3233n无线电波在自由空间中的传播存在着反射、折射和相干涉等物理现象。在矿井巷道断面几何尺寸有限，形状不规则，表面矿体粗糙，岩层层理结构极不均匀地分布着，加上巷道中支架、棚体、风管、电缆及各种机电设备，构成了无线电波非自由空间传播环境。n电波通过

15、粗糙的巷道表面传播形成各种不均匀的波场源，同时不断地进行反射和折射，在波场源周围所存在的中性质点均受到波场源信号的激励，形成无数个波动的干扰源，接收点上同时收到一个主信号和无数个干扰信号，干扰信号破坏了主信号传输相位和幅度，甚至可以淹没主信号。34n这种相干结果加之电波被不均匀岩壁大量吸收是无线电波在矿井巷道非自由空间环境中传播甚短的主要原因，从而使得矿井无线通信的应用和发展受到很大程度的限制。35（2）微波通信n微波通常是一种利用电磁波在对流层的视距范围内传输的方式，频率范围在120GHzGHz左右。由于受地形和天线高度的限制，两微波站的通讯距离一般为303050km50km，长距离传输时需

16、设多个中继站来接力。对流层：位于大气的最低层，集中了约75%的大气的质量和90%以上的水汽质量。在低纬度地区平均高度为1718公里，在中纬度地区平均为1012公里，极地平均为89公里。36n高频的微波和低频的无线电波不同，微波是沿直线传输的，不向各个方向扩散，发射天线和接收天线必须精确对准，通过抛物状的天线可以将能量集中于一小束上，以获得很高的信噪比和很长的传输距离。37（3）卫星通信n卫星通信系统是由地面发射到空间的卫星和与它进行通信的地面上的很多地球站组成的。n它实际上是利用地球同步卫星作为中继站的微波通信系统。卫星通信的优点是可克服地面微波通信距离的限制，三颗同步卫星就可以覆盖地球表面，

17、实现洲际通讯。其缺点是传播延迟时间长。但当通信距离超过一定范围的，其质量和可靠性均优于地面微波通信。38六、差错控制n煤矿井下的强电磁干扰，给数据可靠传输带来了很大的困难。为了保证消息的可靠传输，采用差错控制技术，即用一定的方式检査出差错并加以纠正。矿井信息传输系统中都采用了差错控制技术。391.差错控制的方式（1）反馈校验重传方式（IRQIRQ）n又称信息反馈重传，是一种发方校验的方式。接收端将收到的码组原样反传给发送端，发送端将它与原发信号比较，正确时肯定回答，错误时重发。n这种方式简单，但传输效率低，可用于一些重要的控制信息。40（2 2）自动请求重传方式（）自动请求重传方式（ARQAR

18、Q）n这是一种收方校验方式。发送端发检错码，接收方根据检错规则校验，发现有差错时就返回信息请求重发。n所谓检错码，是在信息码中按一定规则加入冗余位的编码，接收端可以根据这个规则检査出差错，但不能确定差错位置。ARQARQ方式是现在计算机通信中应用最广的方式。41（3）前向纠错方式（FECFEC）n发送端发送具有纠错能力的纠错码，接收端根据一定的规则可检査出差错并确定其位置加以纠正。所谓纠错码，也是在信息码中按一定规则加入冗余码元的编码，接收端根据这规则不仅可检出差错，而且可确定差错位置，从而加以纠正。（4）混合纠错（HECHEC）n这是ARQARQ方式和FECFEC方式的结合。发送端发纠错码，

19、当接收端收到的数据差错较少，在纠错码的纠错能力之内时，自动纠错。当差错较多超出了纠错码的纠错能力时，则返回信息请求重发。422.纠错码的纠错能力n差错控制的核心是差错控制编码，不同的编码方式，有不同的检错和纠错能力，有的编码只能检错，不能纠错。具体说，码的检错和纠错能力是用信息量的冗余度来换取的，付出的代价越大，检（纠）错的能力就越强。43（1）几个概念码集。n位的二进制码共有2n个，所有这2n个码称为一个码集。许用码组与禁用码组。在一种纠错编码方式中，可在2n个码的码集中选用部分码组，称为许用码组。而舍弃不用的码组称为禁用码组。码距和最小码距。两个码组间对应位上具有不同二进制码元的位数，称为

20、两个码组间的汉明距离，简称码距。例如，1100与1010的第二、三位不同，码距d=2。码距说明两个码组间差别的大小。在一种编码方式中，所有许用码组间码距的最小值称为最小码距。汉明距离：两个等长字符串之间两个字符串对应位置的字符不同的个数。44n如果码集中的2n个码组均为许用码组，则任一码组中的任一位改变，都变成另一一许用码组，这种编码的最小码距为1。如果只选用其中的部分码组作许用码组，就可能增大最小码距。45（2）纠错能力与最小码组的关系最小码距dminmin=1=1的编码显然没有抗干扰能力，因为一个许用码组中的任一码元改变，都变成另一许用码组，无法判断是否出错。dminmin=2的编码具有检

21、出一位错误的能力。因为许用码组错一位就变成了禁用码组。而同时错两位时，可能变成另一许用码组，不能检出。dminmin=3的编码可以检出两位错误或者纠正一位错误。当只有一位出错时，可以根据一定的规则来判断出错位置从而改正它。n一般来说，最小码距越大，检错及纠错能力越强。46（3）冗余编码n一个k位的码集中，若全部为许用码组，则最小码距为1，没有抗干扰能力，如果按一定的规则加入一些冗余码元，例如增至n（nk）位使最小码距增大，这种编码就有了一定的抗干扰能力，加进的冗余码元称校验码元。如7 7位ASCIIASCII码增加一个奇偶校验位就是一个例子。473.常用抗干扰编码（1）重复码和正反码n将每个信

22、息码元重复n次，例如101101编码成111000111111000111，则最小的码距增大n n倍，实际系统中常用整个码组重复的方法，或者采用正、反码，即发一次原码，取反后再发一次。在重要的命令传输中可采用这种方法。48（2）奇偶校验n奇偶校验是一种最简单的检错方法。它是在所发送的每一串载有信息的码字之后加一位奇（偶）校验位，该位的取值（0或1）应满足：在奇校验的情况下，该组码字所含1 1的总数应为奇数；在偶校验的情况下，该组码字所含1的总数应为偶数。4950n系统工作时，发送端把奇偶校验位附加在每一组信息码后面发送，而接收端在接收到全部信息码和奇偶校验码之后，计算1的个数是否满足预先规定的

23、奇校验（或偶校验）的要求。如果符合，则认为该组码字有效；如果不符合，则认为该组码字在传输过程中有错误出现。n显而易见，如果在同一组码之中（包括奇偶校验位）有两个比特的错误，接收端则无法判别其正误，而误认为传输无误。因此，奇偶校验只能检出奇数个比特的错误，不能检出偶数个比特的错误。51（3）双坐标奇偶校验n由于简单的奇偶校验只能用于检测一组信息码中的奇数个比特的差错，因而在应用中受到限制。为扩大这种简单的奇偶校验的能力，在发送端发送的数据块中每一组码字（下面称为字符）内都有奇偶校验位。另外，在该数据块的末端附加上数据块校验字符BCCBCC，它给出前面全部字符的累加和奇偶校验，如图7-6所示。52

24、图中表示由1010个字符（A A，B B，J J）组成的数据块，每个字符长度为7bit7bit另加一奇偶校验位P P（图中是按奇校验结果表示的）。从发送顺序说，此校验位处在每个字符的最后一位即第8位，数据块的末端是数据块校验字符（即BCCBCC）。）。53n数据块校验字符的第1 1个比特是由前面全部字符的第1 1个比特所形成的奇偶校验（图中是按奇校验结果表示的）；同样，数据块校验字符的第N个（1N71N7）比特是由前面全部字符的第N N个比特形成的奇偶校验。n数据块校验字符的第8 8个比特则是由数据块校验字符的前7位形成的奇偶校验。显而易见，数据块的所有比特都进行了两次奇偶校验，一次是水平方向

25、，由字符奇偶校验来完成；另一次是垂直方向，由数据块校验字符来完成，故此法称为双坐标奇偶校验。54n双坐标奇偶校验的工作过程是：发送机根据预先约定的奇（或偶）校验，计算出每字符的奇偶校验位和数据块校验字符，然后依次将带有奇偶校验位的数据字符和数据块校验字符发送。n接收机在接收数据字符的同时，先根据约定的奇（或偶）校验，计算出每字符的奇偶校验位和数据块校验字符，再分别将计算出的字符的奇偶校验位和数据块校验字符与接收到的该字符的奇偶校验位和数据块校验字符比较，如果一致，认为接收到的数据块正确，反之，认为接收到的数据块不正确。55n双坐标奇偶校验能检出在整个数据块中仅发生1个比特的错误，并能准确地判定

26、差错比特的位置。如果将该比特取反（即接收到的错误比特为1时，改为0；反之，改为1），就可达到纠错之目的。n双坐标奇偶校验，能通过水平校验检出每一个字符中奇数个比特差错；通过垂直校验检出每一列中奇数个比特差错。56n因此，在每一个数据块中，如果仅有一个字符发生偶数个比特的差错，虽然通过水平校验检不出差错，但可通过垂直校验检出该种差错；反之，如果仅有一列发生偶数个比特的差错，虽然通过垂直校验检不出差错，但可通过水平校验检出该种差错。n水平和垂直校验起到了互补的作用，提高了系统总的检错能力。n但是双坐标奇偶校验对偶数个字符在偶数个相同位上的错误无法检出，这种错误的概率很小。57n图7-77-7列举了

27、4 4种典型的差错模式（与原字符相反）。字符A A的1 1个比特差错，水平和垂直校验均能检出；字符B B和C C在相同位上的1 1个比特差错，仅水平校验能检出；字符G G的2 2个比特差错，仅垂直校验能检出；字符D D和E E在2 2个相同位上的差错无法检出。58（4）循环冗余检出n双坐标奇偶校验至少能纠正1个比特错误和检出2个比特错误，但是这种奇偶校验方式的每个字符有一个奇偶校验位，数据块后面有一个附加字符，所以具有一定数量的校验码。n矿井信息数字传输系统是一种纯二进制的数据传输，这种传输方式不必将数据流分解为一个个字符。因此，不宜采用双坐标奇偶校验。59n所谓循环冗余校验方式（CRC），就

28、是利用一一组被称为常数的二进制数除一组载有信息的二进制序列，然后将余数跟随在这组载有信息的二进制序列发送。在接收端，用同样常数的一组二进制数去除接收到这组载有信息的二进制序列，将所得的余数与接收到的余数比较，如果一致，则认为传输无差错；如果不一致，说明在这组序列中有差错存在。60n图7-8是采用硬件实现CRC校验的示意图。发送机一边将载有信息的二进制序列经传输线传输给接收机，一边又将该序列送给发送机内的硬件除法电路。n硬件除法电路得出的余数，紧随在载有信息的二进制序列之后，也经传输线传输给接收机。接收机接收载有信息的二进制序列，在接收硬件除法电路中作除法，然后将计算所得的余数与接收到的余数进行

29、比较、判别。61624.纠错技术n在矿井信息传输系统中，目前普遍采用的纠错方法是多次发送，取其平均值或择多判决。多次发送取平均值，就是对同一监控数据进行多次发送（假如为N N次），当N次发送完毕后，接收机将接收到的N N次数据取平均作为监控数据。多次发送择多判决，就是对同一监控数据进行多次发送（假如为N N次），接收机将N N次数裾中取数值完全一样而次数超过N/2/2的数据作为监控数据，从而减小了传输差错的彩响。n显而易见，这种纠错方法是用增大系统的监测周期换来数据的准确性的。63第二节 数据信号的基带传输n基带信号不经频谱搬移（正弦波调制）直接进入信道传输，称数字信号基带传输。一、数字基带信

30、号的码型n所谓码型，是指代表数字码元“0”和“1”的电脉冲的某种形式。但单个码元的形状不是区分码型的依据，其形状可以是矩形、三角形、余弦形等，下面均以矩形为例。n对码型的选择，主要从编、译码设备的复杂程度，抗干扰能力，频谱宽度及是否含直流分量，是否易于提取码元同步信号等方面来考虑。64n码型名目繁多，最基本的码型有以下四种分类，1.单极码和双极码n信号中只有正（或负）电平及零电平的码型，称单极码。同时含有正、负电平的码型称双极码，其正负电平一般对称，即绝对值相等。图7-9中（a）和（c）为单极码，其余均为双极码.6566n双极码的抗干扰能力比单极码强，因为单极码的判决电平（区分“0”和“1”的

31、电平）为幅值的1/2，其值随传输距离、接收器的增益及时间而变，不能得到稳定的判决电平，而双极码的判决电平是稳定的零电平。因此，远距离传输应使用双极码，而单极码广泛用于设备内部。672.电平码和差分码n用两个不同的电平表示二进制的“0”和“1”，称电平码，又称绝对码，如图7-9中（a）（d）和（g），以码元起始处的电平跳变与否来表示“0”和“1”的码型称差分码，又称相对码。n平衡传输系统中使用差分码，接收端不必区分两根信号线的正反，即不会因两根线的正反而造成“0”和“1”的颠倒。在数字调相系统中使用差分码，可避免所谓相位模糊问题（也是“0”、“1”颠倒问题）。683.归零码和非归零码n归零码的非

32、零电平的码元在一个码元的宽度中总要回到零电平，通常为半宽码。非归零码是全宽码。图7-9的（c）和（d）为单极归零码和双极归零码，（a）、（b）、（e）、（f）均为非归零码。n在码元速率相同时，归零码的脉宽为非归零码的一半，因此其频带宽度大一倍。归零码易于提取码元同步信号。694.双相码n双相码的一个码元分前后两半，前半个码元与后半个码元电平相反。图7-9（g）的双相电平码称曼彻斯特（Manchester）码。图7-9（h）为双相差分码或称差分曼彻斯特码，它以码元起始处的电平跳变与否来表示“0”和“1”。这两种码均广泛用于计算机局部网络中，其优点是容易提取码元同步信号，缺点是占用频带比全宽码大一

33、倍。70二、数字信号传输的基本准则与信道容量道容量1.码间串扰n当信道不满足无失真传输条件时，矩形脉冲通过时会产生弥散现象，脉冲展宽，产生“拖尾”，使码元之间相互干扰，称为码间干扰。一个码元所受的串扰是其他所有码元的“拖尾”在该码元处的叠加，它可能改变该码元的逻辑电平，产生差错。71n实际信道的带宽是有限的。为了限制干扰和噪声，也需要在信道中加限带滤波器。信号传输失真的大小和串扰程度与信道带宽及码元的脉冲宽度关系极大，因而也与码元速率关系极大。假定信道的传输特性为理想低通特性，截止频率为c，矩形脉冲的宽度为，图7-10表示乘积c取不同值时接收端码元的畸变情况。由图可知，信道频带越窄，码元速率越

34、高（将越小），则“拖尾”越大，一般而言串扰将愈严重。72732.奈奎斯特第一准则与信道容量n由于数字信号传输只要求接收到码元的正确值，而不要求整个信号波形不失真，于是人们找到了在信道限带情况下尽可能提高传输速率又能消除码间串扰的方法。n当码元的脉宽为无限窄，即为冲激函数（t）时，通过传输函数Sa（t）的理想低通信号后，波形变成采样函数（图7-11）:7475n式中，c为信道带宽。由此可知，接收波形在码元中心取最大位，其两边每隔时间1/2c处有一个零点。因此我们得到：令码元形状为冲激函数的信号通过带宽为c的理想低通信道，若码元间隔s或码完速率s满足关系：nTs=或Fs=2c76n则接收端在码元中

35、心取样判决时，可以消除码间串扰。因为在一个码元的中心，其他码元的“拖尾”在该处的值均为0。这个结论称奈奎斯特第一淮则，是数字通信传输的基本准则。1/2c、c分别称奈奎斯特间隙和奈奎斯特速率。77n奈奎斯特速率是信道带宽的两倍，这是信道允许的最大码元速率，这个结论对基带传输和频率传输均适用。因此，数字信道的最大频带利用率为2bit/（sHz）。对基带传输而言，这一结论很容易用采样定理来说明：一个带宽为c的信号可由每秒钟2c个采样值来确定。就是说，该信号每秒钟只能有2c个独立的值。一个信号通过带宽为c的信道后，其带宽不会大于c，即最大码元速率只能是2c。n对于二进制信道还可以这样来理解：设想信号码

36、元“0”和“1”相间出现，若码元速率大于2c，则信号的基频必大于c，当然不可能通过带宽为c的信道。78n信道进行无差错传输的最大信息速率称为信道容量。由上面的讨论可知：带宽为c的无噪声二进制数字信道的容量为2cbit/s。当信噪比太小时，因码元难以分辨而容量下降。n由于理想低通特性不可能实现，且其响应波形的“拖尾”太大，实际的基带系统使传输特性的边沿具有“滚降”特性，如常采用图7-ll（b）所示的升余弦特性，传输函数为79n式中，Ts为码元间隔。这种性能大大减小“拖尾”的幅度，见图7-11（b）、（C）。80三、数字基带传输系统的基本构成n一个完整的基带传输系统由图7-12所示的基本环节构成。

37、81n信道编码器的作用是把数字基带信号转换为适合于信道传输的码型，它接受的信号一般为单极非归零信号。信道解码器的作用则相反。n驱动器输出足够的信号功率以适应长距离传输。接收器对经过传输衰减了的信号进行放大，有的电路中还设有增益控制电路。82n取样判决电路的作用是：在码元的中部取样判决，确定是“0”码元还是“1”码元。取样时需要一个与码元同步的时钟信号，即码元同步信号，它由接收端产生或由接收的信号中提取，时钟产生电路就是完成这一功能的。83n发送滤波器又称信道信号形成器，它决定在信道中传输的码元的形状。它和接收滤波器及信道三者共同合成一合适的传输特性，例如升余弦特性，使得系统在有限的频带内获得较

38、高的传输速率，并能消除或减少码间串扰。接收滤波器还起到滤除干扰和噪声的作用。适当地设计发送滤波器与接收滤波器的传输函数，使它们形成匹配关系时，可以在接收端获得最大的信噪比。接收滤波器还可能由几部分构成，其中包括使总的信道特性接近无失真传输条件的各种均衡器。84四、矿用基带传输接口1.接口结构n基带传输接口是完成基带传输系统诸功能的数据通信设备（DCE），但传输系统的取样判决功能现在一般由计算机内的通信控制器完成。传输接口的一端与数据终端设备（DTE）中心站或分站的计算机相连，另一端与传输线路相连。n目前的矿山监控系统由于采用专线，信道频带宽，速率低，允许较高的发送电平（不会干扰邻近信道），故在

39、传输接口中一般都设有发送滤波器、接收滤波器等部件，接口较为简单。图7-13为地面中心站与井下通信用的传输接口框图，它由发送和接收两部分构成。8586n发送数据端TxDTxD和接收数据端RxDRxD通过RSRS232C232C接口与计算机连接。发送电路中信号转换1 1的作用是将RSRS232C232C电平（“0 0”为3 312V12V，“1 1”为-1212-3V3V）转换成光电耦合器所需的数毫安的电流信号，通过光电耦合，由驱动电路放大到信道所要求的电平。接收电路中，由信道来的弱信号（数百毫伏）经放大、光电耦合，再由信号转换电路转换成RSRS232C232C电平。RTSRTS为发送控制端。87

40、n光电耦合器隔离的作用有两个：防止地面非本安设备的危险能量传入井下。防止信道上的共模干扰进入计算机。图7-13中光电耦合器的右边部分电路必须由本安电源供电。n井下分站的传输接口一般设在分站箱内部，不做成单独的部件，故下设RS232C接口，直接与TTL电平接口，但电路相似。882.非平衡接口与平衡接口n基带传输接口有非平衡接口和平衡接口两类，分别用于非平衡传输和平衡传输，如图7-14所示。89n非平衡接口使用单端输出的驱动器和单端输入的接收器，两根信号线中一根接地，抗干扰能力差。n平衡接口采用差分驱动器（或称平衡驱动器）和差分接收器，两根信号线均不接地，对地平衡。驱动器的两个输出端A和B，一个对

41、地输出为正码，另一个为反码。例如当输入ui为高电平时，输出u为高电平，ub为低电平。驱动器可用单电源供电。但A对B端的电压uAB=ua-u为双极码。90n基带传输接口的驱动器又可分为电压输出型和电流输出型，电流输出型内部有恒流环节，输出信号脉冲的电流幅值恒定。91第三节 数据信号的频带传输n用数字基带信号对正弦波进行调制，可以改变信号的频谱置，使基带信号变成频带信号。需要调制的原因在于：基带信号不适应某些信道的传输特性，例如长途电话信道不能传输含直流分量的基带信号，无线信道只能传输高频信号等；便于实现频分多路，或用信号线复用作电源线；矩形码元的基带信号相对频带（带宽与中心频率之比）太宽，在未加

42、均衡的信道上传输时畸变严重，不能远传。调制后信号的中心频率提高，相对带宽下降，信道在信号的带宽内较接近无失真传输条件，信号失真较小，便于远传。92n基本的数字调制方式也是三种：数字调幅、数字调频和数字调相。由于作为调制信号的数字信号只有两个或有限个电平，这种调制可用开关电路实现，故三种调制方式又分别称为幅移键控（ASK）、）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。）。图7-16是这三种调制方式的原理和波形。9394一、幅移键控一、幅移键控（ASK）nASK的设备简单，但抗干扰能力差，数字系统中很少使用。ASK在矿山频分制监控系统中用于脉冲频率调制（PFM）信号的调幅，它不属于数字调制，但由于

43、PFM信号也是二电平脉冲，故电路原理上与数字调制相同。在这种系统中，PFM保证系统有较强的抗干扰能力。n二进制ASK是以正弦波的两个不同振幅值表示“0”和“1”的，通常其中一个振幅值为0，所以ASK信号是断续正弦波，可表示为9596n可以用各种开关器件作为乘法器实现调制。如二极管、三极管、CMOS模拟开关，甚至可以用数字与门。图7-17是ABD21甲烷遥测断电仪中的调制电路及有关波形，门D1、D2构成单电阻环形晶体振荡器，产生方波载波。门D3由g（t）控制，输出断续方波。V1、V2构成低通滤波器，将断续方波滤成断续正弦波。97ASK信号的解调一般都采用二极管包络检波电路。98二、频移键控（二、

44、频移键控（FSKFSK）nFSK系统有较强的抗干扰能力，在数字调制系统中应用广泛，缺点是占用频率较宽。1.波形与调頻系数n二进制FSK信号是以两个不同频率的正弦波表示0和1码元的，其波形可表示为99式中，F3F3为码元速率。在有线信道的传输中，一般取D D为0.50.52 2，典型值为0.6670.667；无线信道中D D取4 42020。1002.调制方法nFSK有两种方法：一种是直接用数字基带信号控制振荡器的参数（电容或电感），改变振荡频率；另一种称选择法，如图7-18所示，框图中除晶体以外，可全部集成化。101n同一晶体振荡器产生的信号经由分频系数不同的两个分频器获得频率为f f1 1、

45、和f f2 2的两个信号，由g（t）控制的两个与门进行选择。g（t）为“1”1”时，D D1 1打开，输出为1；g（t）为“0”0”时，D D2 2打开，输出为2；再经D D4 4把信号综合。低通滤波器把D4输出的方波滤成正弦波。1023.解调方法（1 1）分路滤波比较法）分路滤波比较法n如图7-197-19所示，FSKFSK信号缓冲放大后加到并联的两个中心频率为1和2的窄带滤波器F F1 1和F F2 2上，然后经检波进入比较器。当输入为“1”1”码元时，频率为1的信号由F F1 1滤出，经检波后使a a点电位高于b点电位，比较器A A2 2输出为高电平。当输入为“0”0”码元时，频率为2的

46、信号经F F2 2滤出检波，使b点电位高于a点，比较器A A2 2输出低电平，于是信号被解调。103104（2 2）零交点检测法）零交点检测法n如图7-207-20所示，FSKFSK信号经限幅放大后变成方波，由微分、整流电路或边沿检测电路检出边沿信号（即原正弦波的零交点），再由单稳电路将每个边沿信号变成等宽的矩形脉冲。显然，此矩形脉冲序列的平均电压，即直流分量正比于频率，它通过低通波器后就得到解调后的基带信号。105106三、三、相移键控（PSKPSK）nPSK抗干扰能力强，在同样传输速率下占用带宽比FSK窄，但设备较复杂。PSK主要用于信道频带有限又希望有较高的传输速率的场合。为了进一步提高

47、有限信道频带中的信息速率，还采用多进制的调相信号，即多相PSK信号，目前常用的有4相、8相PSK。n相移键控又分绝对相移键控（PSK）和相对相移键控（DPSK）两类。n绝对相移键控信号是用正弦波的不同初相位表示数字信息的。通常用互差180的两个正弦波表示二进制数字信号的两个码元。4相PSK则用互差90的四个正弦波来表示它的四种码元。107四、调制解调器（四、调制解调器（ModemModem）n调制解调器（Modem）就是实现频带传输用的调制器和解调器组合在一起的装置。它总是成对地安装在通信信道的两端。所谓调制，就是将“0”、“1”数字信号调制成两种不同频率的信号，而解调正与其相反。n用于数据通

48、信用的调制解调器有话路窄带调制解调器、宽带调制解调器、工业专用调制解调器等类型。目前使用最多的是用于在一个话路内进行计算机数据通信用的窄带调制解调器。计算机的RS232C异步通信口接上这种调制解调器，就可以通过电话线方便地进行远距离数据传输。108nCCITT等组织对话路调制解调器的标准化提出了一系列建议，对各种调制解调器的传输速率、调制方式、包含的辅助设备（如均衡器等）都做了具体的规定。话路调制解调器使用的传输速率有300、600、1200，2400，4800，9600bit/s等。109n国产KJ4KJ4矿山监控系统的KC6001KC6001型调制解调器借用了美国BellBell10310

49、3话路调制解调器标准:600bit/s:600bit/s，全双工异步通信，在一个话路内安排了两个频道，FSKFSK制，载波频率为11701170和2125Hz2125Hz，频移宽度=200=200HzHz，调频系数D=O.333D=O.333。频率分配为：n下行：空号（“0 0”）1070Hz1070Hz，传号（“1 1”）1270Hz1270Hz；n上行：空号（“0 0”）2025Hz2025Hz，传号（“1 1”）2225Hz2225Hz。n调制解调器的工作原理如图7-217-21所示。110n由此可见，井下调制解调器的主要作用有两点：一是接收井上中心站计算机发出的经井上KC6001型调制

50、解调器调制后的RS232C信号，并将其解调成标准的RS232C信号，传送给MC6803单片机；二是接收MC6803单片机发出的RS232C信号，并加以载波调制，以正弦波信号形式传送到井上KC6001型调制解调器加以解调，传送给地面中心站计算机。111nKC6001型Modem的电路原理图如图7-22所示，（a）为调制发送电路，（b）为接收解调电路。112n调制单元电路使用MotorolaMotorola公司生产的MC14412MC14412芯片，该芯片内既有调制电路，又有解调电路，这里只使用了调制器部分。待发送数据经反相器整形后，从引脚11送入调制器（MC14412MC14412），经调制后的