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數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信息技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，網(wǎng)絡(luò)中主要應(yīng)用的是數(shù)據(jù)通信，因此研究計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，首先要研究數(shù)據(jù)通信。

一、數(shù)據(jù)通信基本概念

在數(shù)據(jù)通信中，概念性的術(shù)語(yǔ)很多，只有弄清楚這些概念術(shù)語(yǔ)，才能真正地掌握數(shù)據(jù)通信的意義。

1、信道：

傳輸信息的必經(jīng)之路稱(chēng)為“信道"。在計(jì)算機(jī)中有所謂物理信道和邏輯信道之分。物理信道是指用來(lái)傳送信號(hào)或數(shù)據(jù)的物理通路，網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的物理通路稱(chēng)為通信鏈路，物理信道由傳輸介質(zhì)及有關(guān)設(shè)備組成。邏輯信道也是一種通路但在信號(hào)收、發(fā)點(diǎn)之間并不存在一條物理上的傳輸介質(zhì)、而是在物理信道基礎(chǔ)上，由結(jié)點(diǎn)內(nèi)部的邊來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常把邏輯信道稱(chēng)為“連接"。

2、碼元：

碼元是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中傳送的二進(jìn)制數(shù)字中每一位的通稱(chēng)，也常稱(chēng)作“位"或bit。例如1010101，共有7個(gè)位。

3、數(shù)據(jù)：

數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩種。

模擬數(shù)據(jù)在時(shí)間上和幅度取值上都是連續(xù)的，其電平隨時(shí)間連續(xù)變化。例如，語(yǔ)音是典型的模擬信號(hào)，其他由模擬傳感器接收到的信號(hào)如溫度、壓力、流量等也是模擬信號(hào)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在時(shí)間上離散的，在幅值上是經(jīng)過(guò)量化的，它一般是由0、1的二進(jìn)制代碼組成的數(shù)字序列。在通信系統(tǒng)中，模擬數(shù)據(jù)表示的信號(hào)稱(chēng)做模擬信號(hào)，由數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表示的信號(hào)稱(chēng)做數(shù)字信號(hào)。二者是可以相互轉(zhuǎn)化的。

4、調(diào)制解調(diào)器：

傳統(tǒng)的電話(huà)通信信道是傳輸語(yǔ)音一級(jí)的模擬信道，無(wú)法直接傳輸計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)。為了利用現(xiàn)有的模擬線(xiàn)路傳輸數(shù)字信號(hào)，必須將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，我們將這一過(guò)程稱(chēng)作調(diào)制（MOdulation）。在另一端，接受到的模擬信號(hào)要還原成數(shù)字信號(hào)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)做解調(diào)（DEModulation）。通常由于數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的，因此，每端都需要調(diào)制和解調(diào)，這種設(shè)備稱(chēng)做調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。

5、數(shù)據(jù)傳輸速率：

指通信線(xiàn)上傳輸信息的速度。有兩種表示方法，即信號(hào)速率和調(diào)制速率。

信號(hào)速率S：指單位時(shí)間內(nèi)所傳送的二制位代碼的有效位數(shù)，以每秒多少比特?cái)?shù)計(jì)，即BPS。

調(diào)制速率B：是脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的傳輸速率，以波特（BAUD）為單位，通常用于表示調(diào)制器之間傳輸信號(hào)的速率。

信號(hào)速率S與調(diào)制速率B有如下關(guān)系：S=B×log2N 

其中N 為一個(gè)脈沖信號(hào)所表示的有效狀態(tài)。在二制中脈沖只有兩種狀態(tài)0或1，即n=2，也就是說(shuō)，信號(hào)速率S與調(diào)制速率B是一致的。

6、誤碼率：

指信息傳輸?shù)腻e(cuò)誤率，是衡量系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)。它以接收信息中比特?cái)?shù)占總傳輸比特?cái)?shù)的比例來(lái)度量，通常應(yīng)低于10-6。

7、信息容量：

指信道能傳輸信息的最大能力，一般以單位時(shí)間內(nèi)最大可傳送信息的BIT數(shù)表示。實(shí)用中，信道容量應(yīng)大于傳輸速率，否則高的傳輸速率得不到充分發(fā)揮利用。

8、基帶傳輸：

指在通信電纜上原封不動(dòng)地傳輸由計(jì)算機(jī)或終端產(chǎn)生的0或1數(shù)字脈沖信號(hào)。這樣一個(gè)信號(hào)的基本頻帶可以從直流成分到數(shù)兆赫，頻帶越寬，傳輸線(xiàn)路的電容電感等對(duì)傳輸信號(hào)波形衰減的影響越大，傳輸距離一般不超過(guò)2公里，超過(guò)時(shí)則需加中繼器放大信號(hào)，以便延長(zhǎng)傳輸距離。

9、頻帶傳輸：

在遠(yuǎn)距離通信時(shí)，需要將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成音頻信號(hào)再發(fā)送和傳輸，接收端再將音頻信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào)。由此可見(jiàn)，采用頻帶傳輸時(shí)，要求在發(fā)送和接收端安裝調(diào)制解調(diào)器，這不僅解決了數(shù)字信號(hào)可用電話(huà)線(xiàn)路傳輸，而且可以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，提高信道利用率。

10、寬帶傳輸：

指?jìng)鬏斀橘|(zhì)的頻帶寬度較寬的信息傳輸，一般在300-400MHz左右。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將此頻帶分割成幾個(gè)子頻帶，采用“多路復(fù)用技術(shù)"，在一個(gè)信道中間同時(shí)傳播聲音圖象和數(shù)據(jù)多種信息，使系統(tǒng)具有多種用途。

11、串行傳輸：

指一位一位地傳送數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端只要一根傳輸線(xiàn)即可。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省設(shè)備, 降低費(fèi)用；缺點(diǎn)是傳速慢，網(wǎng)絡(luò)中多采用這種傳輸方式。

12、并行傳輸：

一次可以傳送一個(gè)字節(jié)(8位)，發(fā)端到收端用8根線(xiàn)。

目前，計(jì)算機(jī)內(nèi)部操作多用并行傳輸，當(dāng)采用串行傳輸時(shí)，發(fā)端通過(guò)并/串轉(zhuǎn)換設(shè)備將并行數(shù)據(jù)流變?yōu)榇袛?shù)據(jù)流，在接收端又通過(guò)串/并行設(shè)備，還原為8位并行數(shù)據(jù)。

13、數(shù)據(jù)交換方式：

在網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)通常是經(jīng)過(guò)公用通信傳輸線(xiàn)路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以提高傳輸設(shè)備的利用率。局域網(wǎng)中的交換方式有線(xiàn)路交換和存儲(chǔ)交換兩大類(lèi)。存儲(chǔ)交換類(lèi)中常用報(bào)文交換和報(bào)文組交換。

14、字符編碼：

在信道上傳送的數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制位的形式出現(xiàn)的，如何組合0與1這兩個(gè)碼元，使之代表不同的數(shù)據(jù)和信息就叫字符編碼。表1-３是我國(guó)1981年由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)總局公布的信息處理交換用七位編碼。

15、差錯(cuò)校正：

字符代碼在傳輸、接收過(guò)程中，難免發(fā)生錯(cuò)誤，如何及時(shí)自動(dòng)檢測(cè)差錯(cuò)并進(jìn)一步自動(dòng)校正，也是數(shù)字通信系統(tǒng)研究的重要課題，通常的解決辦法采用抗干擾編碼或糾錯(cuò)編碼，目前常采用的有奇偶校驗(yàn)碼、方塊碼、循環(huán)冗余碼等。

16、協(xié)議：

即網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)則，它規(guī)定了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的方式。

17、同步傳輸：

一種以報(bào)文和分組為單位進(jìn)行傳輸?shù)姆绞?。由于?bào)文可包含許多字符，因此可大大減少用于同步的信息量，提高傳輸速率。目前在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中大多采用此種傳輸方式。

18、異步傳輸：

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以字符為單位，而且字符間的發(fā)送時(shí)間是異步的，也就是說(shuō)，后一個(gè)字符與前一個(gè)字符的發(fā)送時(shí)間無(wú)關(guān)。

二、物理信道的連接方式

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，終端設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間需要通信媒介連接起來(lái)，這稱(chēng)做物理信道。物理信道有三種連接方式：

1、點(diǎn)—點(diǎn)連接：

終端與計(jì)算機(jī)間通過(guò)直接連接或通過(guò)調(diào)制解調(diào)器，用線(xiàn)路進(jìn)行連接，可以是撥號(hào)線(xiàn)路，也可以是專(zhuān)線(xiàn)。在數(shù)據(jù)通信量比較大時(shí)應(yīng)采用這種方式，如圖1。

圖1

2、多點(diǎn)式連接：

為了提高物理信道的利用率，終端與計(jì)算機(jī)間通信量不大時(shí)，可采用多點(diǎn)連接方式，即幾個(gè)終端通過(guò)一條公用線(xiàn)路與計(jì)算機(jī)相連，如圖2所示。在該方式下，計(jì)算機(jī)做為主站，終端作為從站，計(jì)算機(jī)控制信息的收和發(fā)，終端不能隨意發(fā)送信息，否則將引起信號(hào)沖突。

圖2

3、集中式連接：

當(dāng)終端要求與計(jì)算機(jī)通信時(shí)，為了節(jié)約信道，可先將終端連接到多路復(fù)用器或集中器上，集中器與計(jì)算機(jī)相連，如圖3。

圖3

根據(jù)所允許的傳輸方向，數(shù)據(jù)通信方式可分成以下三種：

1、單工通信：數(shù)據(jù)只能沿一個(gè)固定方向傳輸，即傳輸是單向的。 

2、半雙工通信：允許數(shù)據(jù)沿兩個(gè)方向傳輸，但在每一時(shí)刻信息只能在一個(gè)方向傳輸。

3、雙工通信：允許信息同時(shí)沿兩個(gè)方向傳輸，這是計(jì)算機(jī)通信常用的方式，可大大提高傳輸速率

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 1   項(xiàng)目描述

根據(jù)提供的接線(xiàn)圖與程序，教師寫(xiě)入PLC內(nèi)，并完成接線(xiàn)。學(xué)員根據(jù)要求操作，并觀察PLC的運(yùn)行情況和計(jì)算機(jī)監(jiān)視情況，理解內(nèi)部軟元件的意義和應(yīng)用情況。

根據(jù)PLC面板標(biāo)注的信息，分析PLC的型號(hào)等相關(guān)信息。

提供模塊化PLC實(shí)物，分析PLC的硬件結(jié)構(gòu)，指出PLC主機(jī)、I/O模塊、通信模塊、電源模塊等。

2  實(shí)訓(xùn)要求

2.1  PLC硬件認(rèn)識(shí)

完成以下任務(wù)，并在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中記錄。

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的PLC寫(xiě)出具體型號(hào)及其含義；

（2）指出PLC各部分的結(jié)構(gòu)組成；認(rèn)識(shí)手持編程器、編程適配器、通信電纜等；

（3）分析模塊化PLC各模塊的名稱(chēng)和作用；

（4）參觀學(xué)校PLC控制設(shè)備的運(yùn)行情況或觀看PLC應(yīng)用情況錄像等。

2.2 FX_2N系列PLC內(nèi)部軟元件認(rèn)識(shí)

教師提前按照表1-4所示I/O情況和圖1-11所示接線(xiàn)圖接好線(xiàn)。注意：圖中沒(méi)有標(biāo)出PLC電源的接線(xiàn)，在實(shí)訓(xùn)接線(xiàn)時(shí)必須接上。按照?qǐng)D1-12提供的梯形圖寫(xiě)入PLC，并將計(jì)算機(jī)和PLC通信連接好，學(xué)員按照以下步驟觀察。

表1-4  輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)分配表

（1）PLC通電，但置于非運(yùn)行（RUN）狀態(tài)。觀察PLC面板上的LED指示燈和計(jì)算機(jī)上顯示程序中各觸點(diǎn)和線(xiàn)圈的狀態(tài)。

（2）PLC置于運(yùn)行狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕，觀察接觸器KM及指示燈的狀態(tài)以及計(jì)算機(jī)上顯示程序中各觸點(diǎn)和線(xiàn)圈的狀態(tài)。

（3）斷開(kāi)PLC的電源5s后，再通電（PLC在運(yùn)行狀態(tài)），觀察接觸器KM與指示燈的狀態(tài)以及計(jì)算機(jī)上顯示程序中各觸點(diǎn)和線(xiàn)圈的狀態(tài)。