智能建筑设备自动化系统的2.2.3数据通信技术

1.串行传输和并行传输

在二进制传输方式中，一个比特就是一个码元，一个字符用几位二进制码的一种组合来表示，这种组合称为码组。根据数据代码在信道上传输的顺序，数据传输可分为串行传输和并行传输两种，如图2-15所示。

图2-15 串行传输和并行传输

在串行传输中，收发双方只需要一条传输通道，数据码流以串行方式在一条信道上传输，如图2-15a所示。这种传输方式实现容易，也是实际中较为常用的一种传输方式。但需要注意的一个问题是，串行通信必须同时保证收发双方的位同步和字符同步。

并行传输是将数据以成组的方式在两条以上的并行信道上同时传输，如图2-15b所示。在并行传输中，字符虽然串行传输，但代表字符的码组则并行传输，码组的每一位都单独使用一条通道，只有采取额外措施才可实现收发双方的字符同步，通常用于现场通信或计算机与外部设备之间的数据传输。然而由于并行传输需要传输的信道多，设备复杂，所以成本高，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别是在设备之间距离较近时采用。

2.单工通信、半双工通信和全双工通信

根据数据传输的流向和时间关系，数据传输可分为三种工作模式：单工通信、半双工通信和全双工通信。

在单工信道中，信息只能在一个方向传送，信道的全部带宽都用于由发送方到接收方的数据传送。无线电广播和电视广播都是单工传送的例子。

半双工信道的通信双方可交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。在一段时间内，信道的全部带宽用于一个方向上传送信息，例如航空和航海无线电台以及对讲机等都是以这种方式通信的。这种方式要求通信双方都有发送和接收能力，并具有双向传送信息的能力，因而比单工通信设备昂贵，但比全双工设备便宜。在要求不很高的场合，多采用这种通信方式，虽然转换传送方向会带来额外的开销。

全双工是一种可同时进行双向信息传送的通信方式，例如现代的电话通信就是这样的方式。这不仅要求通信双方都有发送和接收设备，而且要求信道能提供双向传输的双倍带宽，所以全双工通信设备最昂贵。

3.同步传输和异步传输

在通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持同步（步调一致），才能准确地传送信息。在传送由多个码元组成的字符以及由许多字符组成的数据块时，通信双方也要就信息的起止时间取得一致。目前有两种不同方式：异步传输和同步传输，如图2-16所示。

图2-16 异步传输和同步传输

（1）异步传输

异步传输方式又称为起──止传输方式，是最简单的收发装置同步方法。异步传输一般以字符为单位，不论所采用的字符代码长度为多少位，在发送每一字符代码时，前面均加上一个“起”信号，其长度规定为1个码元。字符码后面均加上一个“止”信号，长度一般为1个或2个码元。图2-16a所示为异步传输结构，“起”、“止”信号的作用是为了能区分串行传输的字符。在串行传输时，字符可连续发送，也可以独立发送，每一字符的起始时刻可以是任意的。但在同一个字符内部各码元的持续时间是相等的，因而它们的出现时刻相对于“起”码元而言是固定的。如果没有发送的数据，那么发送方就发送连续的停止码，接收方根据1、0的跳变来识别一个新字符的开始。

异步传输方式适用于1200bit/s及以下的低速数据传输，实现方法简单，收发双方的时钟不需严格的同步。然而，对于每一个字符都需要加入“起”、“止”码元，每个字符有2～3位的额外开销，使得传输效率降低。例如，传输一个美国信息交换标准码（ASCII）字符，每个字符有7位，若停止位用2位，加上1位校验位和1位起始位，共计11位。11位传输码中只有7位是有用信息，效率只有64%。

（2）同步传输

同步传输方式通常适用于速率2400bit/s以上的数据传输，如图2-16b所示。与异步传输方式相比，由于它发送的每一字符时不需要单独加“起”、“止”位，因此具有较高的传输效率。但同步传输是以固定的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行的数据流中，各信号码元间的相对位置都是固定的，接收方为了从收到的数据流中正确区分出一个个信号码元，首先必须建立准确的时钟信号，这是同步传输比异步传输复杂的原因。定时信号可由终端设备产生，也可由通信设备（如调制解调器、多路复用器等）提供。在接收端，通常由通信设备从中提取定时时钟信号，且接收的定时时钟信号必须始终保持，以避免接收的比特重叠或丢失。

同步传输有两种方式：一种是面向字符的；另一种是面向位的。为了使接收端能判断数据组的开始与结束，在每个数据组的开始加个帧头，在尾部加个帧尾，一个整体就称为一帧。

面向字符是将字符组织成组，以组为单位进行传送。每组字符之前加上一个或多个用于同步控制的同步字符SYN，每个数据字符内不加附加位。接收端收到同步字符SYN后，根据SYN来确定数据字符的起始位和终止位。

面向字符的方案正在逐步被更有效、更灵活的面向位的方案所代替。这种方案把数据块作为位流来处理，而不是作为字符流来处理。除了帧头和帧尾的原理有一点差别外，其他基本相同。在面向位的方案中，由于假设数据是一个任意的位模式，因此不能够保证在数据中发现帧头和帧尾标志，例如高级数据链路控制（HDLC）和同步数据链路控制（SDLC）方案中，把模式011111110称为标志，既作为帧头使用，也作为帧尾使用。为了避免在数据流中出现这种模式，发送方总是在所发送的数据中，每当连续出现5个1之后插入一个附加的0；当接收方检测到连续5个1的序列时，若后面一位是0，则接收方就删除它。这种规程就是所谓的位填充。

4.信道复用技术

无论远程通信还是进程通信，差不多总存在这样现象：传输介质的能力超过传输单一信号的能力。为了有效地利用通信系统，人们设法允许两个或两个以上的数据源共享一个公共传输介质，这种能实现多种信号同时在同一介质中传输的技术就叫做多路复用（Multiplexing）。多路复用目前普遍使用的技术有两种：频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）和时分多路复用（Time Division Multi-plexing，TDM），如同2-17所示。

（1）频分多路复用（FDM） FDM技术主要针对模拟信号，目前普遍应用于电视和无线电传输中。FDM是一种按频率来划分信道的复用方式，它把整个传输介质的传输频带，按一定的频率间隔，划分为若干较窄的频带，每个窄频带构成一个子信道。通常若介质的可用带宽超过给定信号所需的带宽，就采用FDM技术。如果每个信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率是完全独立的，即信号的带宽不相互重叠的话，就可以同时携带多个信号。最典型的FDM系统是多路载波系统，用于实现语音信号的长距离传输。

FDM的工作原理如图2-17a所示。假设有6个信号源输入到一个多路复用器中，这个多路复用器用不同的频率（f₁～f₆）调制每一个信号。每一信号以它的载波频率为中心要求一定的带宽，这个带宽即为信道。为了防止信道间的相互干扰，使用保护带来隔离每一个信道，保护带是一些无用的频谱区。f₁～f₆以及所有隔离带宽的和，要小于或等于处于多路复用器和多路分配器之间传输介质的带宽。多路复用器经这一高数据速率的链路将输入1～6的载波传至多路分配器，多路分配器依照信道分离数据，并将它送至相应的输出线上。

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图2-17 频分多路复用和时分多路复用

（2）时分多路复用（TDM） TDM技术主要针对数字信号，和FDM技术把信号结合成一个单一复杂信号的做法不同，TDM保持了信号物理上的独立性，而从逻辑上把它们结合在一起。若传输介质能达到的位传输速率超过传输数字数据所需的数据传输速率，就采用TDM技术。利用每个信号在时间上的交叉，可以在一个传输通路上传输多路数字信号。这种交叉可以是位一级的，也可以是由字节组成的块或更大量的信息。

TDM的工作原理如图2-17b所示。假设一个多路复用器有6个输入，每个输入的数据传输速率假设是9600bit/s，这样一条容量达57600bit/s的线路就能容纳这6个信号源。每个信号源的时间片序列（每个信号源一个）称为一条通道时间片的一个周期，亦称为一帧。

如果在TDM方案中，每个时间片长度固定且预先指定，因而从各个信号源的发送定时是同步的，则称同步TDM。与此相反，异步TDM又称为统计TDM或智能TDM，它通过传输介质动态地按需分配时隙来提高传输能力。异步TDM和同步TDM不同的是，多路复用器的每一个I/O线有与之相应的缓冲存储器。若I/O线有n条，则一个周期的时间片只有k个，且有k＜n。对于输入端，多路复用器的功能是扫描输入缓冲器，收集数据，直到缓冲区填满才将此缓冲区的数据送出。对于输出端，多路分配器收集到此数据后，将它送入相应的输出缓冲区存储器中。

5.差错控制技术

在数据通信系统中，差错控制是指对数据传输设备、数据通信线路和通信控制器等产生的差错进行控制。所谓差错控制技术，就是指发送端利用信道编码器在数字信息中增加一些监督信息，并事先规定两者的相互关系，用这些附加的信息来检测传输中发生的错误（检错编码）或纠正这些错误（纠错编码）。

差错控制编码：用户的原始数据通常不带有多余的东西，因此要通过编码产生与用户原始数据相关的冗余信息，然后将带有冗余信息的数据发送出去，在接收端通过检测来发现和纠正传输错误。奇偶校验编码和循环冗余校验编码是最为常用的两类差错控制编码。

（1）奇偶校验编码 奇偶校验编码是一种最常用的检测编码方式，可分为奇校验编码和偶校验编码两种，编码简单，但检错能力有限，常用于要求不高的场合。

无论是奇校验还是偶校验，无论信息位有多少位，校验位只有一位a₀。接收端可通过校验接收字符码组中“1”的个数为偶数（或奇数）来判断是否有错。在偶校验编码中，码组中“1”的个数为偶数，接收端对接收到的码组各位a₀～a_n-1进行模2加，即满足a_n-1⊕a_n-2⊕…⊕a₀=0；奇校验编码与偶校验编码类似，码组中“1”的个数为奇数，满足a_n-1⊕a_n-2⊕…⊕a₀=1。在偶校验中，若为偶数，则判为无差错；在奇校验中，若为奇数，则判为无差错，否则就认为有错。

（2）循环冗余校验编码 循环冗余校验（CRC）编码，是目前应用最广泛的一种检错编码，检错能力强，既能检测随机差错，也能检测突发性差错。在实际应用中，CRC编码的生成与校验过程可用软件或硬件来实现，目前已有很多通信集成电路芯片本身带有标准的CRC编码生成与校验功能，使用非常方便。

首先介绍CRC编码过程中用到的以多项式的系数表示二进制序列的方法。在长度为n的二进制序列中，每个二进制序列与以x为基的n-1次多项式之间具有对应关系。例如二进制数10111，可表示为以x为基的多项式x⁴+x²+x+1。CRC编码生成多项式的结构与检错效果是经过严格数学分析和实验后确定的，有相应的国际标准，如CRC-12表示成多项式为G（x）=x¹²+x¹¹+x³+x²+x+1；CRC-16可表示为G（x）=x¹⁶+x¹⁵+x²+1等。

下面介绍CRC编码生成和校验过程，分以下5步。

步骤1：在发送端将待发送的数据多项式T（x）表示为x^k，其中k为生成多项式G（x）的最高幂次，例如CRC-12中，k=12，对于二进制乘法，T（x）x^k意味着T（x）对应的发送数据比特序列左移k位。

步骤2：将T（x）x^k除以生成多项式G（x），得

式中 Q（x）——商；

R（x）——余数多项式。

步骤3：将T（x）x⁴+R（x）所对应的比特序列作为一个整体送入信道发送。

步骤4：在接收端，对接收序列所对应的多项式T′（x）x^k进行同样的运算，即

得到余数多项式R′（x）。

步骤5：比较两余项式R（x）和R′（x），若两者相等，则认为传输正确；反之，则认为错误。

以发送数据序列110011为例，具体解释以上CRC编码检验步骤：①生成多项式G（x）=x⁴+x³+1，k=4，所对应序列为11001；②将发送数据序列左移4位，新序列为1100110000；③按模2算法，将生成的新序列被生成的多项式序列去除，即

得到余数多项式比特序列1001；④将余数多项式比特序列1001加到发送数据序列110011中，构成带有CRC编码的实际发送比特序列1100111001；⑤如果数据在传输过程中没有发生差错，则接收端收到带CRC编码的比特序列一定能被同一生成多项式序列整除，即