数字通信基础：从理论到实际实现
构建大型复杂数字系统时，设备间可靠数据交换至关重要。数字信号天然比模拟信号更抗传输误差，保证更高完整性和清晰度。
这些优势体现在数字编码电话线的清晰通话、CD 音质保真，及工程界对数字通信的广泛热情。然而数字传输也有挑战，且存在众多不兼容的协议和方法。
本章深入数字通信基础，梳理其优势、局限与关键实践考量。
假设需远程监测储罐液位。目标设计系统准确测量液位并可靠传输数据至远程监控站。
测量液位本身简单；可用浮子开关、压力变送器、超声波探测器、电容探针、应变计、雷达液位计等多种仪表。
模拟通信示例
为说明，采用输出 4–20 mA 电流环的模拟液位测量装置。此编码中 4 mA 对应 0% 液位，20 mA 对应 100%，中间电流线性表示中间液位。
经一对铜导线传输该 4–20 mA 信号可驱动远端校准面板表，按期望单位显示水深。
模拟法虽简单稳健，非唯一可行方案。为探索数字技术，评估替代监测策略。
模拟系统易受干扰：注入直流电流回路的任何电噪声均可被误判为液位变化。例如邻近 60 Hz 交流电力线感应或容性耦合，向原本纯净回路引入虚假“噪声”。
理想无噪 4–20 mA 环中，稳定 50% 液位显示为 12 mA 平线。但现实条件下信号可能畸变，如下图。
即使微小电压尖峰也可被低阻抗环放大，导致显著测量误差。
数字信号缓解这些问题。用不同高度的离散液位开关替代模拟变送器，每个开关形成二进制“开/关”信号，抗噪能力强得多。
监控端指示灯或 LED 反映各开关状态，提供清晰数字化液位表示。信号二进制本质意味着仅极端干扰才能翻转比特，提升可靠性。
为提高分辨率，可安装 16 个开关而非 5 个。虽提升颗粒度，但也成倍增加布线。优先编码器可将 16 位模式压缩为 4 位二进制数，导线减至四根（加电源地）。
接收端解码器将 4 位数据还原为 16 路输出信号或驱动数码显示，提供可扩展方案。
对更高分辨率需求，最好在源头将原始模拟 4–20 mA 信号转为高分辨率数字格式。模数转换可在信号纯净的罐侧完成，再跨现场传输数据。
数字数据传输有两种模式：
- 并行 – 每位占一根线，同时到达。
- 串行 – 位按序通过单通道发送，需时钟或帧协议。
串行传输常减少布线复杂度。多路复用器或移位寄存器可将并行数据串行化，目的端对应解多路复用器或移位寄存器还原位模式。通用异步收发器（UART）广泛用于处理串行通信细节，简化设计工作。
相关工作表
- 数字通信工作表
工业技术