第6章 计算机控制中的网络与通信技术(3)

（1）通信系统模型

任何一个通信系统都可以借助如图6.7所示的通信系统模型来抽象地进行描述。

图6.7 通信系统模型示意框图 在图6.7中，信息源产生的待交换信息可用数据d来表示，而d通常是一个随时间变化的信号d（t），它是发信机的输入信号。由于信号d（t）往往不适合在传输媒体中传送，因此必须由发信机将它转换成适合于在传输媒体中传送的发送信号s(t)。当信号通过传输媒体进行传送时，信号或多或少地会受到来自各种噪声源的干扰，从而引起畸变和失真等。因而在接收端收信机接收到的信号是r（t），它可能不同于发送机发送的信号s（t）。收信机将依据r（t）和传输媒体的特性，把r（t）转换成输出数据d?或信号d?（t）。当然，转换后的数据d?或信号d?（t）只是输入数据d或信号d（t）的近似值或估计值。最后，受信者将从输出数据数据d?或信号d?（t）中识别出被交换的信息。

（2）模拟通信、数字通信和数据通信

通信传输的信息很多，可以是语音、图像、文字、数据等等。它们大致可以归纳成两种，即连续信息和离散信息。连续信息是指信息的状态随时间而连续变化；离散信息则指信息的状态是可列的或是离散的。

信息必须借助信号(载体)来传输。在通信中有两种基本的传输信号：模拟信号和数字信号。模拟信号是指该信号的波形可以表示成时间的连续函数，如图6.8(a)所示。它是用电参量(如电压、电流)的变化来模拟信号源发送的信号。例如电话信号就是将语音声波的强弱转

图6.8 传输信号示意图

换成电压的大小来传输的。而数字信号的特征是其幅度不是时间的连续函数，它只能取有限

个离散值。在通信领域通常取两个离散值，即用“0”和“1”来表示的二进制数字信号，见图6.8(b)所示。

以模拟信号作为载体来传输信息称为模拟通信：以数字信号作为载体来传输信息称为数字通信；信息源产生的信息，借助模拟通信或数字通信的方法，传输给受信者的整个过程称为通信。如果信息源产生的是数据，则整个过程又称为数据通信。

（3）数据编码或调制

在各种计算机和终端设备构成的数据通信系统中，内部信息是用二进制数表示的，而外部信息则以各种图形字符表示。数据通信的输入设备把字符换成二进制数，输出设备则把二进制数变换成字符。因而，为了实现正常通信，需要对二进制数和字符的对应关系作一个统一的规定。这种规定称为编码。 ；

在数据传输中，除了需要传输信息的内容之外，还要传输各种控制信息，用以控制计算

第6章 计算机控制中的网络与通讯技术

机和终端设备协调一致的动作，以及识别报文的组成和格式。这些控制信息是以与控制字符相对应的二进制数来表示的。在信息的传输过程中，控制字符只作数据传输系统内部控制用，一般不需要打印输出。

随着数据通信技术的发展，编码的标准化日益显得重要起来。目前广泛采用的是美国信息交换标准码ASCII(American Standard Code for Information Interchange)。这种码中的每个字符都由一个唯一的7位二进制数(bit)组合表示，因此，可以表示128个不同的字符，其中包括数字、符号和控制字符。

在实际使用中，ASCII码的字符几乎总是以每个字符8个比特(bit)的方式来储存和传输的。其中，第8个bit有各种用法。它用于起止式异步通讯，当数据位为7位时，第8位使得每一8位码组中的二进制“1”的个数总是奇数(奇校验)或总是偶数(偶校验)，从而可以检测出因传输错误而发生的一个bit错或奇数个bit错的那些码元组。PC机则把第8位作为附加位，使ASCII码能表示256个字符，通常称为“扩展ASCII码”。ASCII编码标准中有27个用于通信控制的控制符，对它们的含义解释，可查阅参考文献。

常用的调制方法有振幅调制、频率调制和相位调制三种，见图6.9所示。

振幅调制就是用原始脉冲信号去控制载波的振幅变化，如图6.9(a)所示。这种调制是利用数字信号的l或0去接通或断开连续的载波，相当于有一个开关控制载波一样，故又称为振幅键控ASK(Amplitude Shift Keying)。

频率调制就是用原始脉冲信号去控制载波的频率变化。其中调频信号可分为两种：一种是相位连续的调频信号，如图6.9(b)所示。也就是发送端只有一个振荡器，用原始脉冲信号改变该振荡器的参数，使振荡频率发生变化。另一种是相位不连续的调频信号，如图6.9(c)所示，也就是发送端有两个振荡器f1和f2。由原始脉冲控制f1或f2的输出。频率调制又称频率键控FSK(Frequency Shift Keying)。

相位调制就是用原始脉冲信号去控制载波的相位变化。调相信号可分为两种：一种是绝对移相，如图6.9(d)所示，当原始信号为1时，调相信号为

sin?0t；当原始信号为0时，

调相信号为

sin?0(t??)。另一种是相对移相，如图6.9(e)所示，当原始信号为1时，调相

图6.9 三种调制信号 信号的相位对于前一信号的相位移动?；如果原始信号为0时，则调相信号的相位不变。相位调制又称相位键控PSK（Phase Shift Keying)。

2．数据传输方式 （1）基带传输与频带传输

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所谓基带，是指电信号所固有的频带。直接将这些电脉冲信号进行传输，就称为基带传输。因基带信号所包含的频率成分范围很宽，故不适合远距离传输。若不直接对这些电脉冲信号进行传输，而是对这些信息先进行调制，然后再传输，则称为频带传输。频带传输由于其频率成分窄，可以做到远距离传输。

（2）串行传输与并行传输

按传输数据的时空顺序分类，数据通信的传输方式可以分成串行传输和并行传输两种。数据在一个信道上按位依次传输的方式称为串行传输。反之，数据在多个信道上同时传输的方式称为并行传输。

（3）同步技术

所谓同步，就是接收端要按照发送端所发送的每个码元的起止时间来接收数据，也就是接收端和发送端要在时间上取得一致。如果收、发两端同步不好，将会导致通信质量下降，甚至完全不能工作。常用的同步方式有两种：一种是起停同步技术，与其相对应的传输方式称异步通信方式；另一种是自同步方式，与其相对应的传输方式称为同步通信方式。

① 异步通信方式

异步通信方式ASYNC（Asynchronous Data Communication）每次传送一个字符的数据。用一个起始位表示传输字符的开始，用1至2个停止位表示字符的结束，一个字符构成一帧信息，如图6.10所示。

异步通信信息帧的第一位为起始位（低电平），紧跟在起始位后面的是5～8位数据位，数据位是要传送的有效信息；根据需要可以选择是否需要奇偶校验位，奇偶校验位为1位紧

图6.10 异步通信信息帧格式 1跟在数据位的后面；最后为停止位，停止位可以是1位、2位或2位。从起始位开始到停

1止位结束就是1帧信息。该帧信息之后跟着是空闲位，空闲位至少是1位，并且为高电平，如果无数据发送，则为空闲状态，也就是每个信息帧之间的

图6.11 发送、接收时钟和信息位 第6章 计算机控制中的网络与通讯技术

间隔可用空闲位延续任意长。

发送端发送时，从低位到高位逐位顺序发送。为了对传送的信息进行定位，必须有发送时钟，并在发送时钟的下降沿将信息位送出，信息位宽度Td为n倍发送时钟周期Tc，即Td=nTc，如图6.11所示。另外在接收端也必须有接收时钟，为了保证发送与接收同步，接收时钟周期Rc应等于发送时钟周期Tc。但是由于收、发双方使用了各自的时钟，所以只能满足Rc与Tc近似相等。

接收端同步接收信息的方法如图6.12所示。在停止位之后，接收时钟脉冲的每一个上升沿接收器进行采样，并检查接收线上的低电平是否保持8或9个连续的接收时钟周期（设Td=16Tc），就能确定是否为起始位。这样可以克服Rc与Tc之间的微小偏差，以及避免接收线上的噪声干扰，并且能够精确地确定起始位的中点，从而为接收端提供一个准确的时间基准。从这个基准算起，每隔16Rc，进行一次采样(设n=16)，也就是在每个信息位的中点采样。这样连续采样8次，得到一个字节（7位数据位和1位奇偶校验位），再一次采样时接收线上为高电平，就认为是停止位。至此，一帧信息接收完毕。

能够完成异步通信协议的硬件称为UART(Universal Asynchronous

Receiver/

Transmitter)，典型的UART有INS8250、MC6850等。

在异步通信中，每个字符要用起始位和停止位作为字

符开始和结束的标志，因而数据传送效率低。另外，为了保证收、发同步，克服Rc与Tc之间的微小偏差，信息位宽度Td=nTc，一般取n为16、32、64等，这样降低了信息传送速率。为了消除这些缺点，而采用同步通信方式。

② 同步通信方式

同步通信SYNC（Synchronous Data Communication）每次传送n个字符的数据块。用一个或两个同步字符表示传送数据块的开始，接着就是n个字符的数据块，字符之间不允许有空隙，当没有字符可发送时，则连续发送同步字符，如图6.13所示。

图6.12 接收端同步采样（n=16）

图6.13 同步通信信息帧示例

通常由用户选择同步字符，可以选择一个特殊的8位二进制码（如01111110）作为同步字符（称单同步字符），或选择两个连续的8位二进制码作为同步字符（称双同步字符）。为了保证收、发同步，收、发双方必须使用相同的同步字符。

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发送端传送时，首先对被传送的原始数据进行编码，形成编码数据后再往外发送，由于每位码元包含有数据状态和时钟信息，在接收端经过解码，便可以得到解码数据（称接收数据）和解码时钟（称接收时钟），如图6.14所示。因此接收端无需设置独立的接收时钟源，而由发送端发出的编码自带时钟，实现了收、发的自同步功能。

同步通信的信息帧包括同步字符和数据块，而同步字符只有8位或16位，数据块可以任意字节长，所以数据传送效率高于异步通信。另外，发送时钟周期Tc等于传送数据位的宽度(相当于异步通信的n=1)，故信息传送速率也高于异步通信。传送的编码数据中自带时钟信息，保证了收、发双方的绝对同步，但也造成了同步通信的硬件比异步通信复杂。

图6.14 同步通信的编码、解码示意图

能够完成同步通信的硬件称为USRT(Universal Synchronous Receiver/Transmitter)。 既能完成同步通信又能完成异步通信的硬件称为USART，即通用同步-异步接收器/发送器）。典型的USART接口芯片有Z80-SIO、8251-PCI等。

（4）通信线路的通信方式

按照通信线路上信息传送的方向，可分成三种传送方式：全双工通信方式、半双工通信方式和单工通信方式。

① 全双工

当数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工(FULL Duplex)制。

② 使用同一根传输线既作接收又作发送，虽然数据可在两个方向上传送，但通信双方不能同时发送和接收，这样的传送方式就是半双工。

③ 单工

数据只能从一方发送的另一方，数据流向固定。 在实际应用中，半双工应用最为广泛 （5）传输速率

在并行通信中，传输速率是以每秒多少字节(B/s)来表示的。而在串行通信中，传输速率是用波特率来表示的。

波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数，其单位是位/秒(b/s)。它是衡量串行通信速度快慢的重要指标。

最常用的标准波特率是110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200和38400b/s

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