数字通信简介

在大型复杂数字系统的设计中，通常需要让一台设备与其他设备进行数字信息通信。数字信息的一个优点是它比在模拟媒体中符号化的信息更能抵抗传输和解释的错误。

这说明了数字编码电话连接的清晰度、压缩音频磁盘，以及工程界对数字通信技术的热情。然而，数字通信有其独特的缺陷，并且存在多种不同且不兼容的发送方式。

希望本章能让您了解数字通信的基础知识、优点、缺点和实际考虑。

假设我们的任务是远程监控储水罐的液位。我们的工作是设计一个系统来测量水箱中的水位，并将此信息发送到远处，以便其他人可以对其进行监控。

测量储罐的液位非常容易，可以使用多种不同类型的仪器来完成，例如浮球开关、压力变送器、超声波液位检测器、电容探头、应变计或雷达液位检测器。

模拟通信示例

为便于说明，我们将使用输出信号为 4-20 mA 的模拟电平测量设备。 4 mA 表示油箱液位为 0%，20 mA 表示油箱液位为 100%，4 到 20 mA 之间的任何值表示油箱液位比例在 0% 到 100% 之间。

如果我们愿意，我们可以简单地通过一对铜线将这个 4-20 毫安模拟电流信号发送到远程监控位置，在那里它会驱动某种面板仪表，其刻度经过校准以反映水箱中的水深，无论采用何种测量单位。

这种模拟通信系统将简单而稳健。对于许多应用程序，它完全可以满足我们的需求。但是，它不是唯一完成工作的方式。

出于探索数字技术的目的，我们将探索监控这个假想坦克的其他方法，尽管刚才描述的模拟方法可能是最实用的。

模拟系统虽然简单，但也有其局限性。其中之一是模拟信号干扰问题。由于水箱的水位由电路中直流电流的大小来表示，因此该信号中的任何“噪声”都将被解释为水位的变化。

在没有噪声的情况下，当油箱液位稳定为 50% 时，电流信号随时间变化的图将如下所示：

例如，如果该电路的电线布置得离承载 60 Hz 交流电源的电线太近，则电感和电容耦合可能会产生错误的“噪声”信号，从而将其引入该直流电路。

尽管 4-20 mA 回路的低阻抗（通常为 250 Ω）意味着小噪声电压会显着加载（并因此因电源线形成的电容/电感耦合的低效率而衰减），但此类噪声可能很大足以引起测量问题：

上面的例子有点夸张，但是概念应该很清楚：any 引入模拟测量系统的电噪声将被解释为测量量的变化。

解决这个问题的一种方法是通过数字信号而不是模拟信号来表示水箱的水位。我们可以通过用一组安装在水箱上不同高度的水位开关替换模拟发射器设备来实现这一点：

这些开关中的每一个都连接以闭合电路，将电流发送到安装在监控位置面板上的各个灯。当每个开关闭合时，其各自的灯就会亮起，无论谁看面板，都会看到一个 5 灯的水箱液位表示。

因为每个灯电路本质上都是数字化的——要么是 100% on 或 100% 折扣 —沿途其他导线的电气干扰对监测端测量精度的影响远小于模拟信号。

巨大需要一定的干扰量才能将“关闭”信号解释为“开启”信号，反之亦然。相对抗电干扰是所有形式的数字通信相对于模拟的优势。

现在我们知道数字信号更能抵抗“噪声”引起的错误，让我们改进这个储罐液位测量系统。例如，我们可以通过增加更多的开关来提高该水箱计量系统的分辨率，从而更精确地确定水位。

假设我们沿储罐高度安装了 16 个开关，而不是 5 个。这将显着提高我们的测量分辨率，但代价是大大增加了需要在储罐和监测位置之间架设的电线数量。

减少这种接线费用的一种方法是使用优先编码器来获取 16 个开关并生成一个表示相同信息的二进制数：

现在，只需要 4 条线（加上任何必要的接地线和电源线）来传达信息，而不是 16 条线（加上任何接地线和电源线）。在监控位置，我们需要某种显示设备，它可以接受 4 位二进制数据并生成易于阅读的显示供人查看。

一个解码器，连接接受 4 位数据作为其输入并点亮 16 个输出灯中的 1 个，可用于此任务，或者我们可以使用 4 位解码器/驱动器电路来驱动某种数字数字显示。

尽管如此，1/16 储罐高度的分辨率对于我们的应用来说可能还不够好。为了更好地解析水位，我们需要在二进制输出中添加更多位。我们还可以添加更多的开关，但这很快就会变得不切实际。

更好的选择是将我们原来的模拟变送器重新连接到油箱，并以电子方式将其 4-20 毫安模拟输出转换为二进制数，其位数远多于使用一组离散液位开关的实际情况。

由于我们试图避免的电噪声是在从储罐到监测位置的长线路中遇到的，因此这种 A/D 转换可以在储罐上进行（我们有一个“干净”的 4-20 mA 信号））。有多种方法可以将模拟信号转换为数字信号，但我们将跳过对这些技术的深入讨论，而专注于数字信号通信本身。

从我们的坦克仪表发送到监控仪表的数字信息类型被称为并行数字数据。也就是说，每个二进制位都沿着自己的专用线路发送，以便所有位同时到达目的地。

这显然需要每比特使用至少一根电线与监控位置通信。我们可以通过沿单个通道（一根电线 + 地）发送二进制数据来进一步减少我们的布线需求，这样每一位都一次一个地进行通信。这种类型的信息被称为串行数字数据。

我们可以使用多路复用器或移位寄存器从 A/D 转换器（在坦克发射器处）获取并行数据，并将其转换为串行数据。在接收端（监控位置），我们可以使用解复用器或其他移位寄存器将串行数据再次转换为并行数据，以供显示电路使用。

多路复用器/解复用器或移位寄存器对如何保持同步的确切细节与 A/D 转换一样，是另一课的主题。幸运的是，有称为 UART（通用异步收发器）的数字 IC 芯片可以自行处理所有这些细节，让设计者的生活变得更加简单。

目前，我们必须继续将注意力集中在手头的问题上：如何将储罐的数字信息传达到监控位置。