信道容量一定时
现场总线复习课北化
现场总线
第四章HART通信协议
一、HART协议最为突出的特点是什么？ 最突出的特点是：数字通讯与模拟信号4～20mA兼容，传输的信号 用调制后的正弦信号叠加在4～20mA的模拟信号上。 二、简要概述HART 协议的两种通信模式，HART协议的点对点模式 和多点模式各自的地址范围是多少。 点对点模式时从设备的地址为0；多点模式时从设备地址范围为115 三、HART协议总线可挂接的仪表数量最多为多少？ 在非本安情况下，从设备最多可有15台。在本安情况下，由于线路 电流能量限制，从设备最多只能有4台。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4、用户具有系统集成主动权
用户 可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。不会为系
统集成 中不兼容的协议、接口而一筹莫展； 系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。
第一章现场总线技术概述
现场总线
四、现场总线有哪些优点？
5、提高了系统的准确性与可靠性
现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从 根本 上提高了 测量与控制的精确度，减少了传送误差； 系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能 加强， 减少了 信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性； 设备标准化，功能模块化，使系统具有设计简单，易于 重构 等优点。
一、简述控制网络的主要特点？ 二、总线访问控制技术可分为哪两大类？各自的代表性技术 是哪些？ 三、CSMA/CD的发送数据工作过程？ 四、令牌环发送和接收数据的过程是什么？ 五、令牌总线中令牌丢失和令牌重复的处理方法？ 六、OSI标准模型一共有哪几层？对比OSI模型，简述FF总线、 HART总线和EPA总线的通信模型？ 七、解释现场总线协议的一致性测试目的和可互操作性的测试 目的。
现场总线
第四章HART通信协议
通信原理填空
通信原理填空1.数字通信系统包括信源、信源编码、信道编码，信道、解调、信道解码、信源解码和收信者。
2.数字信号的基带传输与载波传输的区别是：信道的条件不同：基带传输是在有线信道中传输，载波传输是在无线信道或光信道中传输。
3.脉冲编码调制主要包括：抽样、量化和编码三个部分。
4.一般情况下，在一个分组码码组内纠正t个误码，同时检测e （e>t）个误码，要求最小码距dmin≧e+t+1.；在一个分组码码组内检测e个误码，要求最小码距dmin≧e+1；；在一个分组码码组内检测t个误码，要求最小码距dmin≧2t+1.。
某一分组码中，码组间最小码距5，在一个码组内该分组码最多可以检测出4个误码，最多可以纠正2个误码。
5.香农信道容量公式为C=Wlog2（1+S/N），由此公式可知，当信道带宽无限增大时，信道容量仍然是有限的。
由定理可知：在码长及发送信息速率一定的情况下，为减小编码错误概率应增大信道容量。
6.设基带信号为m(t)，载波为coswct，则单边带上边带信号的一般表示式为s(t)=1/2m(t)coswct-1/2m(t)sinwct.7.设计最佳线性滤波器的两种准则是：最大输出信噪比准则、最小错误概率准则。
8.非线性调制是指已调信号的频谱中将出现与调制信号无对应线性关系的分量。
9.非均匀量化是指量化间隔是不相等的量化。
10.循环码的主要性质包括封闭性、循环性和线性。
11.若信息速率为Rb，码元速率为Rs，每个码元有N 种可能出现的符号，则它们之间的关系满足：Rb=Rslog2N(b/s)。
12.设输出信号s(t)，则匹配滤波器的时域冲激响应h(t)为：h(t)=kS(T-t).13.一个产生最长线性反馈移位寄存器序列（即m序列）的n级移位寄存器，其本原多项式F(x)必须满足的三个条件为：F(x)是既约的，既不能再分解因式；F(x)可整除xm+1,m=2n-1;;F(x)不能整除xq+1，q<m。
信息论信道容量总结
续 信
噪声为加性WGN（高斯白噪声），平均功率为PN；
道
信号的有效带宽为W。
香农公式说明：
➢ 当信道容量一定时，增大信道带宽，可以降低对信噪功率 比的要求；反之，当信道频带较窄时，可以通过提高信噪 功率比来补偿。
➢ 当信道频带无限宽时，其信道容量与信号功率成正比。
PX 1 PN
lo2gxlnxlo2ge
增大信道容量的各种极限：
3.5
II.在增加信号的平均功率Ps而不改变信道通带的宽度W
连
的情况下增大信道容量的极限
续
信
道
第三章 信道容量
限带加性白色高斯噪声信道的性能及其极限
增大信道容量的各种极限：
3.5
II.在增加信号的平均功率Ps而不改变信道通带的宽度W
连
的情况下增大信道容量的极限
续
信
道
第三章 信道容量
第三章 信道容量
当一个人感到有一种 力量推动他去翱翔时， 他是决不应该爬行的。
－（美）海伦·凯勒
2006-10-31
1
第三章 信道容量
Review of the last lecture
• 提问（上次课的回顾）
• 在计算一般信道的信道容量时要注意什么问
题？
• 香农公式及其意义？
2006-10-31
限带加性白色高斯噪声信道的性能及其极限
有效利用信号功率的极限：
3.5 连 续 信 道
第三章 信道容量
n
④由p(yj ) p(xi ) p(yj / xi ),求p(xi )。 i1
一般离散信道容量的计算
• 注意：
➢ 在第②步信道容量C被求出后，计算并没有结束，必须 解出相应的p(xi) ，并确认所有的p(xi)≥0时，所求的C才 存在。
通信原理信道习题
1．以下属于恒参信道的是（）。
A．微波对流层散射信道 B．超短波电离层散射信道C．短波电离层反射信道 D．微波中继信道2．改善恒参信道对信号传输影响的措施是（）。
A．采用分集技术 B．提高信噪比 C．采用均衡技术 D．降低信息速率3．随参信道所具有的特点是（）。
A．多经传播、传输延时随时间变化、衰落B．传输损耗随时间变化、多经传播、衰落C．传输损耗随时间变化、传输延时随时间变化、衰落D．传输损耗随时间变化、传输延时不随时间变化、多经传播4．根据信道的传输参数的特性可分为恒参信道和随参信道，恒参信道的正确定义是（）。
A．信道的参数不随时间变化 B．信道的参数不随时间变化或随时间缓慢变化C．信道的参数随时间变化 D．信道的参数随时间快速变化5．以下信道属于随参信道的是（）。
A．电缆信道 B．短波信道 C．光纤信道 D．微波中继信道6．调制信道的传输特性不好将对编码信道产生影响，其结果是对数字信号带来（）。
A．噪声干扰 B．码间干扰 C．突发干扰 D．噪声干扰和突发干扰7．改善随参信道对信号传输影响的措施是（）。
A．提高信噪比 B．采用分集技术 C．采用均衡技术 D．降低信息速率8．连续信道的信道容量将受到“三要素”的限制，其“三要素”是（）。
A．带宽、信号功率、信息量 B．带宽、信号功率、噪声功率谱密度C．带宽、信号功率、噪声功率 D．信息量、带宽、噪声功率谱密度9．以下不能无限制地增大信道容量的方法是（）。
A．无限制提高信噪比 B．无限制减小噪声 C．无限制提高信号功 D．无限制增加带宽10．根据香农公式以下关系正确的是（）。
A．信道容量一定，信道的带宽越宽信噪比的要求越小； B．信道的容量与信道的带宽成正比；C．信道容量一定，信道的带宽越宽信噪比的要求越高； D．信道的容量与信噪比成正比。
11．起伏噪声是加性噪声的典型代表，起伏噪声包括：、和。
12．当无信号时，则传输信道中将加性干扰，乘性干扰。
通信原理简答题题库(部分)
通信原理简答题题库(部分)2πΔf/Δm，其中Δf为频偏，Δm为调制信号的最大频率偏移。
调制制度增益与信号带宽呈反比例关系，即带宽越宽，调制制度增益越小。
这说明在FM系统中，带宽越宽，频偏越小，调制制度增益越小，系统对噪声的抗干扰能力越强。
难度：较难3.在大信噪比情况下，宽带调频系统具有高的制度增益，因此具有良好的抗噪声性能。
10.码间串扰是由于系统传输特性不理想导致的，会使前后码元的波形畸变、展宽，从而对当前码元的判决造成干扰。
严重时会造成错误判决。
11.对于模拟通信系统，已调信号带宽越小，解调器输出信噪比越高，可靠性越好。
对于数字通信系统，频带利用率越高，误码率越小，可靠性越高。
12.CRC编码校验过程包括将待发送数据多项式T(x)乘以生成多项式G(x)的最高次幂，将结果除以G(x)得到余数R(x)，将R(x)作为一个整体发送，接收端进行同样的运算得到余数R'(x)，比较两余数判断传输是否正确。
13.DPSK系统差分相干解调系统框图如下：信号接收 -。
差分解调 -。
相干解调 -。
信号恢复14.增量调制会产生一般噪声和过载量化噪声，前者由量化误差产生，后者由于量化速度跟不上模拟信号的变化速度。
要改善前者可以减小量化台阶，改善后者可以增大采样频率。
15.数字通信的优势包括抗干扰能力强、传输差错可控、易于数字信号处理、易于加密和实现各种信息综合传输。
缺点是系统设备复杂、对同步要求高、占用更宽的系统频带。
16.按消息的物理特征，通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。
8、什么是奈奎斯特定理？它的作用是什么？答案：奈奎斯特定理是指在进行抽样时，抽样频率必须大于等于信号最高频率的两倍，否则会出现混叠现象。
它的作用是保证抽样后的离散信号能够完整地表示原始信号的信息，避免信息的丢失和失真。
难度：中9、什么是香农公式？它包含哪些要素？答案：香农公式是用来计算数字通信系统的最大传输速率的公式，它包含三个要素：信道带宽、噪声功率谱密度和信号平均功率。
现场总线--期末考试
一、填空题(每小题2分,共20分，每小题全答对得2分，答错一个空本小题不得分)1.参照ISO/OSI标准模型，CAN通信模型包括物理层和数据链路层两层。
2.通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和.它一般由信息源和信息接收者，发送设备、接收设备和传输媒介几部分组成。
3.在Profibus中，SFC14用于数据解包,而SFC15用于_数据打包。
4.工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。
5.光纤分为单模和多模两种类型，其传输原理都是基于光的全反射.6.幅值键控、频移键控和相移键控是模拟数据编码的三种方式。
7.采用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态的编码方式称为数字数据编码.8.按照地理分布距离和覆盖范围来看，计算机网络可以分为广域网、城域网和局域网。
9.PROFIBUS的总线存取控制机制是主站之间采用令牌总线机制,主站与从站之间采用主从机制。
10.同步是数据传输中必须要解决的重要问题，在报文帧的传送过程中有三种同步方式：位同步、字同步和帧同步。
二、判断题(每小题2分，共20分，答对得2分,答错不得分）1.在CAN总线中，发出报文的节点称为报文发送器，如果总线不处于空闲状态,一个不是报文发送器的接点称为接收器。
(√）2.全双工通信与半双工通信都可以实现数据的接收与发送，但是，在同一时间点，半双工通信只能实现数据的收或发功能. （√）3.现场总线之所以具有较高的测控性能，一是得益于仪表的智能化，二是得益于设备的通信化。
（√）4.CSMA/CD在发送之前要先侦听线路有无数据在发送，以后在数据发送过程中就不需要判断有无冲突存在了.（)5.FTT—CAN采用柔性时间触发协议，最大特点是能根据需求在线修改网络策略,调整通信参数，添加新报文等。
(√）6.ISO/OSI的7层参考模型中的物理层主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。
通信理论基本概念
通信理论基本概念信号带宽：信号频谱的宽度，也就是信号的最⾼频率分量与最低频率分量之差，譬如，⼀个由数个正弦波叠加成的⽅波信号，其最低频率分量是其基频，假定为f =2kHz，其最⾼频率分量是其7次谐波频率，即7f =7×2=14kHz，因此该信号带宽为7f- f =14-2=12kHz。
信道带宽：信道可以不失真地传输信号的频率范围。
为不同应⽤⽽设计的传输媒体具有不同的信道质量，所⽀持的带宽有所不同。
信号传输频率的最⼤值和最⼩值之差(Hz)。
信道带宽则限定了允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，也就是限定了⼀个频率通带。
⽐如⼀个信道允许的通带为1.5kHz⾄15kHz，其带宽为13.5kHz，上⾯这个⽅波信号的所有频率成分当然能从该信道通过，如果不考虑衰减、时延以及噪声等因素，通过此信道的该信号会毫不失真。
然⽽，如果⼀个基频为1kHz的⽅波，通过该信道肯定失真会很严重；⽅波信号若基频为2kHz，但最⾼谐波频率为18kHz，带宽超出了信道带宽，其⾼次谐波会被信道滤除，通过该信道接收到的⽅波没有发送的质量好；那么，如果⽅波信号基频为500Hz，最⾼频率分量是11次谐波的频率为5.5kHz，其带宽只需要5kHz，远⼩于信道带宽，是否就能很好地通过该信道呢？其实，该信号在信道上传输时，基频被滤掉了，仅各次谐波能够通过，信号波形⼀定是不堪⼊⽬的。
通过上⾯关于信号带宽和信道带宽的分析并进⼀步推论，可以得到这样⼀些结果：（1）如果信号与信道带宽相同且频率范围⼀致，信号能不损失频率成分地通过信道；（2）如果带宽相同但频率范围不⼀致时，该信号的频率分量肯定不能完全通过该信道（可以考虑通过频谱搬移也就是调制来实现）；（3）如果带宽不同⽽且是信号带宽⼩于信道带宽，但信号的所有频率分量包含在信道的通带范围内，信号能不损失频率成分地通过；（4）如果带宽不同⽽且是信号带宽⼤于信道带宽，但包含信号⼤部分能量的主要频率分量包含在信道的通带范围内，通过信道的信号会损失部分频率成分，但仍可能被识别，正如数字信号的基带传输和语⾳信号在电话信道传输那样；（5）如果带宽不同⽽且是信号带宽⼤于信道带宽，且包含信号相当多能量的频率分量不在信道的通带范围内，这些信号频率成分将被滤除，信号失真甚⾄严重畸变；（6）不管带宽是否相同，如果信号的所有频率分量都不在信道的通带范围内，信号⽆法通过；（7）不管带宽是否相同，如果信号频谱与信道通带交错，且只有部分频率分量通过，信号失真。
香农公式讲义PPT
解：
信息/象素= log2123.58bit
信息/每幅图= 2 .2 1 56 0 3 .5 8 .0 1 66 b 0it
Ct Blog21S/N3103log21100029.9103bit/s
R 29.9103bit/s max
QRmax C
12
B
8.06106 T29.9103 4.5m
例：有一显示器终端联接计算机系统，用一条电话 线路连接，电话带宽3000Hz，信噪比为10dB，终 端有128个印刷字符，终端输出字符是相互独立 且等概的，求最大的字符速率是？
解：
Ct
Blog2
1
S N
3000log21110378bit
/
s
H log21287bit /字符
8
B
解：由于每个像素有10个亮度等级，且等概率， 则每个像素包含的信息量为：
log210=3.32bit。 每帧有３×10５个像素 , 每帧的信息量为： 3.32×(3×10５)=9.96×10５ bit 每秒传送30帧，故信息速率为：
R=9.96×10５×30=2.99×107 bit/s
9
B
由香农公式可知，信道信道容量必须大于或等 于R，则所需信道最小的信道容量为：
当噪声功率N０时，信道容量C∞，这意味 着无干扰信道容量为无限大；
增加信道带宽（也就是信号频带）B，并不能 无限地使信道容量增大。
5
B
香农公式的性质及物理意义
当噪声为高斯白噪声时，随着B增大，噪声 功率N＝noB（这里no为噪声单边功率谱密度） 也增大，在极限情况下：
S B li m Ct B li m Blog2(1noB)
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的飞速发展，计算机网络通信也进入了我们的生活。 通过因特网(Internet)，我们足不出户就可看报纸、 听新闻、查资料、逛商店、玩游戏、上课、看病、
下棋、购物、发电子邮件。网络通信丰富多彩的功
能极大地拓宽了通信技术的应用领域，使通信渗入 到人们物质与精神生活的各个角落，
(6)集成电路。集成电路为各种电子设备提供了 高速、微小、功能强大的“心”，使人类的信 息传输能力和信息处理能力达到了一个新的高 度。
(7)光纤通信。光导纤维的发明，使人们寻求到 一种真正能够承担起构筑未来信息化基础设施 传输平台重任的通信介质。
(8)卫星通信。卫星通信将人类带入了太空通信 时代。
课程特点
通信原理是一门重要的专业技术基础课，也是一门概念、 原理理论较强的课程
主要学习和掌握通信原理的基本知识、基本原理、基本 概念，为后续专业课程的学习打基础。
通信技术发展史
– 古代通信的起源：
– 史书记载，中国西周末年(公元前776)，国君周幽王得到了邻国进 贡的—‘位美女，名叫褒姒，被宠为爱妃。但褒姒被迫离开父母人 周后闷闷不乐，从不发笑。幽王为博得美人的笑容，便心生一计， 不顾一切后果地带她登上西安骊山的烽火台，点燃烽火。各路诸侯 见烽火连天，以为京城告急，便纷纷率兵马前来救援，一时人嘶马 叫乱成一团。褒姒观此情此景，并又看到幽王的贪婪丑态，噗哧一 声忍不住地笑了起来。幽王终于看到了心爱妃子的美丽笑貌，自以 为得计而欣喜若狂，并泄露了自己的昏庸心计。各路诸侯见被幽王 如此愚弄，都忿忿撤兵离去。从此，周幽王在全国逐渐臭名远扬失 去民心。几年后，西戎敌军真的打来了，幽王无奈只好再次点燃骊 山烽火。但各路兵马惟恐再次上当受骗，均按兵不动。西戎攻进王 宫杀了幽王，妃嫔等被掠劫一空，西周从此灭亡。中国有句古话， “一笑倾城，二笑倾国“，只有无道昏君才会作出如此荒唐之举。
(3)载波通信。载波通信的出现，改变了一条线 路只能传送一路电话的局面，使一个物理介质 上传送多路音频电话信号成为可能。
(4)电视。电视极大地改变了人们的生活，使传 输和交流信息从单一的声音发展到实时图像。
(5)电子计算机。计算机被公认为是20世纪最伟 大的发明，它加快了各类科学技术的发展进程。
因为在实际应用中，一个通信系统无法彻底消除干 扰)。
发
传
接
信
送
输
收
信
源
设
介
设
宿
备
质
备
干 扰
图1―1 模拟通信系统的一般模型
例：图1―2 所示为有线电话通信和广播通信系统。
导线 载波机
载波机
(a) 有 线 长 途 电 话 系 统 示 意 图
发 射 设备
接 收 设备
扬声器 话筒
(b) 广 播 通 信 系 统 示 意 图
传统的信函以文字形式把游子的思乡之情浓缩于尺 素之中，再利用邮政媒体送达家人；在各种建设工 地上，工人们经常使用对讲机相互联络，协调工作； 在电影电视中经常看到军人或警察利用无线电台进 行作战指挥；还有电报、电传、电话、寻呼、移动 电话、有线广播、无线广播、有线电视、无线电视 等当代最为普及的通信手段都是现实生活中我们所 熟悉的通信实例。
自19世纪初电通信技术问世以来，短短的100多年时间里，通信技 术的发展可谓日新月异。“千里眼”、“顺风耳”等古人的梦想 不但得以实现，而且还出现了许多人们过去想都不曾想过的新技 术。回顾通信技术的发展史有利于我们更好地了解与掌握这门科 学知识。下面我们给出通信技术发展历史简表。
通信技术发展历史简表
根据各种通信技术在通信发展史上的地位、作 用以及对人类社会的影响，我们对过去的100多
年通信技术的发展历史进行了概括性的总结， 认为有10项重大通信技术值得人们纪念，
(1)摩尔斯发明有线电报。有线电报开创
了人类信息交流的新纪元。
பைடு நூலகம்
(2)马克尼发明无线电报。无线电报为人
类通信技术开辟了一个崭新的领域。
成为人们日常生活中不可缺少的组成部分，有 关通信方面的知识与技术也就成为当代人应该 了解和掌握的热门知识之一。在这里我们所讨 论的通信不是广义上的通信，而是特指利用各 种电信号和光信号作为通信信号的电通信与光 通信。作为一门科学、一种技术，现代通信所 研究的主要问题概括地说就是如何把信息大量 地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济 地、安全地从信源通过传输介质传送到信宿。 “通信原理”就是介绍支撑各种通信技术的通 信基本概念和数学理论基础。
(9)蜂窝移动通信。蜂窝移动通信为人们提供了 一种前所未有、方便快捷的通信手段。
(10)因特网。因特网的出现意味着信息时代的 到来，使地球变成了一个没有距离的小村落“地球村”。
1.1 通信的概念
谈到通信，我们每个人都不陌生。古代的烽火报警， 就是把敌人入侵的消息通过烽火传达给远方的人们(类 似的例子还有抗日战争时期的“消息树”)；舰船上的 灯语和旗语通过灯的闪烁和旗子的挥动与另一舰船或 港口进行无声的对话；
1.2 通信系统
1.2.1 通信系统的定义与组成
用于进行通信的设备硬件、软件和传输介质的集合叫 做通信系统。需要强调的是，过去对通信系统的定义 没有软件部分，但随着计算机进入通信系统，通信软 件就成为组成通信系统的基本要素，因此我们在定义 中加入软件这一模块。
从硬件上看，通信系统主要由信源、信宿、传输介 质和收信、发信设备五部分组成，如图1―1所示(注 意，图中的干扰可以理解为是通信系统的一部分，
图1―2 通信系统实例示意图
1.2.2 通信系统的分类
1.按信号特征分类 根据信道传输信号种类的不同，通信系统可分
为两大类：模拟通信系统和数字通信系统。信道中 传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，如大家熟 悉的电话、广播和电视系统；信道中传输数字信号 的系统称为数字通信系统(模型如图1―3(a)所示)， 比如数字电话通信系统。从图1―3(a)中我们看到， 数字通信系统与图1―1的主要区别是多了信源编码 (解码)和信道编码(解码)功能模块，而这正是数字 通信系统的特点所在。
在上述实例中我们发现，无论是远古狼烟滚滚的 烽火，还是今天四通八达的电话，无论是饱含情谊 的书信，还是绚丽多彩的电视画面，
尽管通信的方式各种各样，传递的内容千差万别， 但都有一个共性，那就是进行信息的传递。因此，
我们对通信下一个简练的定义：所谓通信，就是信
息的传递。这里“传递”可以认为是一种信息传输