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数字信号传输的物理层原理

2020-10-30

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  物理层有多种实现方式。网络设备提供了广泛的连接选项。使用OSI模型可以很好地定义某些网络,在其中可以轻松识别电缆、网桥、工业路由器、串口服务器、DTU和PC。有时,只有少数几个设备通过某种专有网络链接在一起,或者在网络服务与该设备捆绑在一起的情况下采用黑盒方式。

  最常见的串行数据交换设备是串口服务器,它是是用于将两个或多个设备连接在一起的RS232、RS422和RS485设备。这三个接口都使用数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)术语。DTE是想要与其他地方的另一个组件进行通信的组件,例如与另一个PC进行通信的PC。DCE是实际上进行通信或执行标准中讨论的生成器和接收器功能的组件。调制解调器是DCE的常见示例。

  DTE和DCE之间的接口可以按机械、电气、功能和过程方面进行分类。机械规格定义了连接器的类型和引脚数。电气规范定义了线路电压和波形,以及故障模式和影响。功能规格包括时序、数据、控制和信号接地,以及要使用的功能引脚。程序接口指定如何交换信号。

  RS485是另一种串行数据传输方法。正式而言,它是EIA 485,或电子行业协会(EIA)的“平衡数字多点系统中使用的发生器和接收器的电气特性标准”。该标准定义了一种将零作为电压脉冲生成的方法。请记住,对于上层执行的所有数据处理,成帧,分组,路由和寻址,它仍然归结为在某些物理介质上推入1和0。

  有关RS485的重要信息是,它允许多个接收器和发生器,并且根据信令速度和长度指定电缆特性。典型的电缆是屏蔽双绞铜线,足以满足1000万比特/秒(Mbps)的典型信令速率。该标准仅定义波形的电气特性。请注意,RS485没有指定任何媒体控制功能-严格取决于连接到发生器的设备(通常是芯片)。RS-485通常适用于最长2,000英尺的电缆。

  简单串行网络的一个示例可能是一系列记录器,这些记录器通过RS-485链路连接到PC,该PC接收每个记录器采集的数据。制造商出售一张插卡,该插卡安装在每台录像机中,并附有接线说明。每个网络卡都通过一系列屏蔽双绞线电缆菊花链连接到其他网络电缆,这些电缆最终终止在PC中的网络接口卡上。除了了解RS-485的局限性(距离,屏蔽,数据速率等)外,实际上并不需要了解和理解这种安排中的网络层。

  标题上,RS422标准是TIA / EIA 422 B,由电信工业协会(与EIA联合)制定的“平衡电压数字接口电路的电气特性”。类似于RS485;主要区别在于波形的上升时间和电压特性。RS422通常允许最长1.2公里的电缆,每秒最高10万比特(kbps)。在1000万bps(Mbps)时,电缆长度限制在10米左右(图4-3)。在存在电缆不平衡或高共模噪声水平的情况下,可以进一步减少电缆长度,以保持所需的信令速率。

  RS232C可能是串行数据交换的最常见形式。TIA再次与EIA一起将其正式称为EIA / TIA 232 E,“使用二进制数据交换的数据终端设备与数据电路终结设备之间的接口”。后缀“ E”表示比普通“ C”版本更高的版本。该标准与RS422和RS485的不同之处在于,它定义了机械接口和电气接口。

  RS232适用于高达20 kbps的信号速率,距离可达50英尺。根据与信号公共端的电压差(+3 V dc = 0,-3 V dc = 1)测量零(空格)和一个(标记)。最常见的机械接口是D-sub 9和D-sub 25连接器。

  RS232设备中的交换电路(引脚)分为四类:信号公共、数据电路(发送的数据、接收的数据),控制电路(即,请求发送、清除发送、DCE准备就绪、DTE准备就绪)和定时电路。

  上述标准全部用于为更长距离而设计的串行通信方案中。有一个通用的并行接口,称为通用接口总线(GPIB)或IEEE-488。可以互连多达15个设备,通常是个人计算机和科学设备。它提供了高达1 Mbps的高数据信令速率,但长度受到限制。允许的总总线长度为20米,设备之间的距离不超过4米。

  IEEE-488总线是多点并行接口,所有设备均可访问24条线路。这些线分为数据线、握手线、总线管理线和地线。通信是数字的,并且消息一次发送一个字节。连接器是24针连接器;总线上的设备使用凹形插座,而互连电缆具有匹配的凸形插头。典型的电缆将具有公头和母头连接器,以实现设备之间的菊花链连接。

  IEEE-488实现的一个示例是设计用于评估化学样品池性能的测量系统。水槽对水样进行样品调节(压力,流量和温度控制)和化学分析(pH,溶解氧和电导率)。水槽装有压力传感器,电阻温度检测器(RTD),热电偶和参考结。30点扫描仪用于多路复用来自所有传感器的数据。扫描仪使用GPIB接口连接到台式机或笔记本电脑。在IEEE-488下,可以使用PC上的应用程序高效,可靠地获取、存储、显示和减少数据。

  用于实现物理层的介质通常是一组铜线。非屏蔽双绞线(UTP)电缆最实惠。与屏蔽双绞线(STP)相比,它重量轻,易于拉扯,易于端接,并且占用的电缆桥架空间更少。但是,它更容易受到电磁干扰(EMI)的影响。

  STP较重且更难制造,但是它可以在给定的传输方案中极大地提高信令速率。扭曲消除了一对导体上的磁场和电流。磁场会在其他载有大电流的导体周围以及大型电动机周围产生。有各种等级的铜电缆可用,其中5级是最好和最昂贵的。适用于100 Mbps应用的5级铜缆每英寸的扭曲比低级铜缆更大。每英寸更多的捻数意味着用于构成电缆线路的铜线的线性英尺数更多,而铜的数量更多则意味着更多的钱。

  屏蔽提供了一种反射或吸收电缆周围电场的方法。屏蔽有多种形式,从铜编织或铜网到包裹在每个导体上的铝化聚酯薄膜带,再到双绞线。

  随着用户应用要求越来越高的带宽,越来越多地使用光纤。术语“带宽”在技术上是指传输通道的最高频率和最低频率之间的差异,以赫兹(Hz)为单位。更常见的是,它表示可以通过给定电路发送的数据的容量或数量。

  使用光缆的标准带宽为100 Mbps。首次引入时,光纤被认为仅用于特殊应用,因为它价格昂贵且难以使用。近年来,对更大带宽的追求与更易于使用的光纤相结合,使其变得更加普遍。提供了用于安装光纤和对光纤进行故障排除的工具和培训。

  共有三种基本的光纤电缆:多模步进索引,多模渐变索引和单模。多模光纤通常由电缆两端的LED驱动,而单模光纤通常由激光器驱动。单模光纤可以实现比多模光纤更高的带宽,但是比多模光纤更薄(10微米)并且物理上较弱。发射和接收单模光纤信号的设备成本比多模信号高得多(至少四倍)。

  光纤电缆的一个明显优势是抗扰性。尽管应遵守防火等级,但是可以将光纤电缆随意穿过高噪声区域而不受惩罚。穿过工厂中多个空间的电缆应符合美国国家消防协会(NFPA)的耐火/通风/空调(HVAC)通风系统等级。

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