现场总线数据传输模式

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：数据的传输模式最常见的有基带传输和频带传输两种模式，分别应用于数字信道和模拟信道。它是目前广泛应用的数据传输方式。奈奎斯特第一准则和香农定理进一步揭示了信道带宽对数据传输速率的影响。图2-12 FSK解调器原理图以上说明了数据的单向传输过程，实际的传输中要求通信的双方同时具备发送和接收的能力，这时可以通过上下两个频带来解决。

数据的传输模式最常见的有基带传输和频带传输两种模式，分别应用于数字信道和模拟信道。

1.基带传输

基带传输（Baseband Transmission）是指在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信中直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输，不采用任何调制措施。它是目前广泛应用的数据传输方式。

目前大部分计算机局域网，包括控制局域网，都采用基带传输方式。其特点如下：信号按数据位流的基本形式传输，整个系统不用调制解调器，这使得系统价格低廉。系统可采用双绞线或同轴电缆作为传输介质，也可采用光缆作为传输介质。与宽带网相比，基带网的传输介质比较便宜，并且可以达到较高的数据传输速率（一般为1M～10Mbit/s），但其传输距离一般不超过25km。传输距离加长，传输质量会降低。基带网的线路工作方式一般只能为半双工方式或单工方式。

（1）基带传输信号的傅里叶分析

任何信号都有时域、频域两种表现形式，如果时域信号为f（t），频域的频谱密度（简称频谱）为F（ω），二者之间满足傅里叶变换：

单个矩形脉冲信号可以用如下函数表示：

式中，E为脉冲幅度；τ为脉冲宽度。对应的频谱密度函数为

矩形脉冲信号时域表示和频谱密度函数如图2-10所示。

图2-10 矩形脉冲信号的时域表示和频谱

a）时域表示 b）频谱密度函数

单个矩形脉冲的频谱是一个抽样函数，其频谱覆盖了整个频率范围，任何一个可以物理实现的信道都具有有限的频带宽度，所以要达到矩形脉冲信号的绝对无失真传输是不可能的。

是脉冲信号频谱的第一个零点，信号的能量主要集中在频谱从零到第一个零点内的各频率分量上，可以证明这部分能量占整个信号能量的90%以上，所以称为矩形脉冲的频带宽度。在传输中，只要考虑这部分信号具有较小的失真，即信道的带宽应大于f_b。f_b与矩形脉冲的脉宽τ成反比，可见脉冲越窄，要求信道的带宽就越宽。

（2）信道带宽对数据传输速率的影响

通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大，信道带宽越宽，信号失真越小；信号的脉冲越窄，它需要的信道的带宽越宽，同时相同时间内能传输的数据量也越大。奈奎斯特第一准则和香农定理进一步揭示了信道带宽对数据传输速率的影响。

奈奎斯特第一准则：如果理想低通通信信道的带宽为B，则它可传输的最高信号波形传输速率（每秒中允许信号波形改变的最大次数）为2B；对于理想带通通信信道，带宽为B，则最高信号波形传输速率为B。

香农定理表明，若要提高传输系统的传输速率，只有通过提高信道带宽和提高信噪比两种途径。信道带宽和信噪比都不会是无限的，所以传输速率也必然是有限的。(www.chuimin.cn)

2.频带传输

频带传输是利用模拟通信信道进行数据通信的方式。前面基带传输中的理论分析同样适用于频带传输。利用电话信道传输数据就是典型的频带传输实例。电话通信信道具有网络成熟、覆盖范围广、造价低等优点，但其信道带宽较小，数据传输速率低、效率低。频带传输中使用数据的模拟编码方法，传输过程中要使用调制解调技术。调制解调器（Modem）同时具有调制和解调功能，下面就以最常见的FSK来说明调制解调器的工作原理。

（1）调制解调器的工作原理

1）调制。FSK的调制过程如图2-11所示。图中的上下两个振荡器的振荡频率分别为1270Hz和1070Hz，并且分别由输入信号“1”、“0”来启动，两个振荡器的输出信号经过组合器组合后，就完成了调频式调制。

图2-11 FSK调制器原理图

2）解调。解调的过程与调制的过程相反，如图2-12所示。从信道上传来的信号由1270Hz和1070Hz两种频率信号组成，通过图中上下两个带通滤波器，两种信号实现了分离，再各自经过对应的检波器后，检出代表“1”和“0”的信号，两信号经合成器恢复出原来的数据信号。

图2-12 FSK解调器原理图

以上说明了数据的单向传输过程，实际的传输中要求通信的双方同时具备发送和接收的能力，这时可以通过上下两个频带来解决。Bell 103标准规定了FSK调制解调器上下频带的编码规则：

上频带：

下频带：

Bell 103标准中还规定，主动发起通信的一方（呼叫端）使用下频带发送，上频带接收；接收端使用上频带发送，下频带接收。

（2）调制解调器的分类

按照不同的分类方式，调制解调器可分为多个种类，如按介质，可分为有线Modem和无线Modem；按外形，可分为外接Modem、内插Modem和袖珍Modem；按数据传输速率，可分为低速Modem、中速Modem和高速Modem；按通信线路，可分为拨号Modem和专线Modem；按操作状态，可分为异步Modem和同步Modem；另外，还可以按调制方式、数据压缩方式等多种方式分类。

（3）调制速率与数据传输速率

数据传输速率是指每秒中传输构成数据二进制代码的位数。这里再介绍一个与数据传输有关的速率——调制速率。调制速率是指每秒传输信号码元的数目，又叫码元速率或波特率，其单位为bit/s，称为波特（Baud）。对应到模拟数据信号传输过程中，就是从调制解调器输出的调制信号每秒载波调制状态改变的数值。

数据传输速率与调制速率的关系可以用下式表示：

C=R_blbK

式中，C为数据传输速率，单位为bit/s；R_b为调制速率，单位为波特；K为多相调制的调制相数。

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