📘 第 13 章：数据传输

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本章回答一个核心问题：比特如何可靠、高效地从发送端到达接收端？ 先看介质，再看时序与编码，然后进入调制、多路复用和总线协议，最后用 USB、SPI、I²C、CAN 等接口把概念落到工程实践。

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一、传输系统与传输介质

一个最基本的数据传输系统由发送设备、传输介质、接收设备组成。介质可以是导线、同轴电缆、双绞线、光纤或自由空间。未调制、占用整个信道带宽的数字脉冲传输称为基带传输；把信息调制到载波后再传送，通常称为宽带传输。

图 13–1：Basic data transmission system. 图 13–2：Conductive traces on PCBs and wire interconnections between boards. 图 13–3：Construction view of a coaxial cable. 图 13–4：Example of an unshielded twisted pair (UTP) cable and connector. (a) Single optical fiber (b) Fiber optic cabl 图 13–5：Optical fiber cables. 图 13–6：Light propagating through an optical fiber while reflecting off the interna surface.

1. 有线介质

• 导线/PCB 走线：最简单，适合同一设备内部或短距离互连。
• 同轴电缆：中心导体—介质层—铜编织/箔屏蔽—护套。屏蔽层抑制 EMI，常用 BNC 接头，可用于电视和网络。
• 双绞线：两根线绞合以抵消电磁场、降低串扰。UTP 成本低、适合电话、网络、USB；STP 额外增加金属屏蔽，抗 EMI 更强。常见接头为 RJ-45。
• 光纤：用光脉冲而非电流传输，抗 EMI、容量和速率高、衰减小，代价是器件与施工成本更高。光在纤芯与包层界面发生全内反射。

光纤有多模和单模：多模纤芯较大，光线走多条路径，会产生时延色散；单模纤芯很小，近似单条直线传播，带宽和距离更高。常见规格 50/125、62.5/125（多模）以及 8.3/125 μm（单模）。

2. 无线传播

无线传输利用空气或空间中的电磁波。数据通信常落在射频、微波和红外频段。射频/微波传播方式包括：地波（沿地球曲率传播，约可到 2 MHz）、电离层反射（约 30–85 MHz，受昼夜和天气影响）和视距传播 LOS（收发端需相互可见，可用中继塔或卫星扩展距离）。红外既可视距传播，也可利用墙壁、天花板等反射实现漫反射。

二、串行、并行与同步

串行一次发送 1 bit，线路少、适合远距离；并行同时发送多个 bit，短距离吞吐高，但会受到串扰、时钟偏斜和 EMI 限制。系统通常在内部并行处理、对外串行传输，使用移位寄存器完成串并/并串转换。

异步传输按短数据包发送：空闲电平后是起始位，接着数据位、可选奇偶校验位和停止位；收发端各自有时钟，每个包由起始位重新同步。同步传输共享时钟或从数据中恢复时钟，数据连续无停顿，帧通常包含前导码、地址、控制、数据、帧校验和结束字段，因此效率更高。

RZ（归零）每个 bit 结束回到零；NRZ（不归零）连续 1 或 0 保持同一电平；Manchester 双相编码在每个 bit 中间必有跳变，既携带数据又提供时钟：本章约定上升沿表示 1、下降沿表示 0。

数据率、波特率与效率

$ext比特率=ext每符号比特数imesext波特率$

例如每个符号 4 bit、每毫秒发送 8 个符号：波特率为 8 kbaud，比特率为 32 kbps。传输效率为有效数据位占总位数的比例：

rac{ ext{数据位}}{ ext{总位数}}$$ **例 13-2**：16 个电平用 4 bit 编码，1 ms 发送 8 个符号：比特率 32 Mbps，波特率 8 Mbaud（按教材算例给出的时间单位）。 **例 13-3**：10 个包，每包 8 个数据位、1 个起始位、1 个停止位，块首 4 位同步码、块尾 1 位校验：数据 80 位，开销 25 位，总计 105 位，效率为 80/105=76.2%。 三种传输方向：**单工**（仅发送端到接收端）、**半双工**（双向但不能同时）、**全双工**（双向同时，带宽由两方向共享）。 ## 三、用数字数据调制模拟载波 无线系统常在正弦载波上改变参数来表示数字数据： - **ASK/OOK**：改变幅度；有载波为 1、无载波为 0，抗噪声较弱但适合光纤的“有光/无光”。 - **FSK/BFSK**：改变频率；低频和高频分别代表 0、1。 - **PSK/BPSK**：改变相位；相差 180° 的两种相位代表 0、1，常用于无线局域网和 Bluetooth。 - **QAM**：同时改变幅度和相位。M-QAM 每个符号可携带 $\log_2 M$ bit；例如 8-QAM 携带 3 bit，64-QAM 携带 6 bit，256-QAM 携带 8 bit。 星座图用平面上的点表示幅度（到原点距离）和相位（角度）。实际信号会因噪声散布在理想点周围，只要各点簇不重叠，接收机就能判决正确。 **例 13-4**：8-QAM 可用四个相位、每相位两种幅度构成 8 个状态；4 bit 编码需要 16 个状态，可由相位数与幅度数乘积达到 16。 ## 四、用数字脉冲承载模拟信息 脉冲调制把模拟量映射到脉冲参数： - **PAM** 改变脉冲幅度；采样保持电路在采样瞬间锁住模拟值。 - **PWM/PDM** 改变脉冲宽度或占空比，常用于电机调速、制动和可再生能源控制。比较器将锯齿/三角波与调制波比较即可生成。 - **PPM** 保持幅度和宽度不变，只改变脉冲相对参考时刻的位置，抗幅度和宽度噪声较强。 - **PCM** 定时采样、量化并编码为二进制；L 个量化电平需要 $n=\log_2L$ 位。 **例 13-5**：对图示调制波，在给定区间使用 10 个采样脉冲/锯齿周期，分别按采样值画出 PAM 幅度和 PWM 宽度；提高采样频率会使波形逼近更细。 **例 13-6**：PPM 每周期编码 D=4 bit、周期 T=1 μs：数据率 $D/T=4$ Mbps，脉冲位置数 $2^D=16$。 **例 13-7**：PCM 有 32 个电平，$32=2^5$，故每个样本用 5 bit；64 个电平则需 6 bit。 ## 五、多路复用与解复用 复用（MUX）把多个源汇入一条信道，解复用（DEMUX）在接收端再拆分。TDM 按时间轮流占用信道：可按 bit 交织，也可按 byte 交织。同步 TDM 给每个源固定时隙，即使源无数据也会留下空槽；统计 TDM 只给活跃源分配时隙，效率更高。T1 系统每帧 193 bit（24 个 8-bit 时隙加 1 个信令位），可承载 24 路语音，每路 64 kbps，总速率 1.544 Mbps。 FDM 把总带宽切成频率子带，各源同时使用不同载波频率；接收端用带通滤波器分离。相邻子带之间必须留出**保护带（guard band）**，防止频谱重叠。 ## 六、总线基础与接口 总线不仅是导线和连接器，还包括电平、时钟、帧格式、速率、带宽、握手、纠错、阻抗和终端等规范。关键参数：宽度（一次传几 bit）、频率、每周期传输字节数、带宽。 $$ ext{带宽}= rac{ ext{宽度(bit)} imes ext{频率(MHz)}}{8}$$ **例 13-8**：32 bit、66 MHz 总线，十进制口径带宽为 264 MBps；按二进制 MiB 口径约 252 MBps。总线协议规定寻址、数据和控制的规则；握手通常是请求 REQ→应答 ACK 并放置数据→主机取数并撤销请求→从机撤销应答。 同步总线带时钟、速度快但要求设备时钟匹配；异步总线无时钟，用握手适配不同速率。单端传输以地为参考，简单便宜但距离和速率有限；差分传输用互补两线，利用共模抑制抵消噪声，适合高速长距离。 ### 并行总线 PCI 是内部同步总线；PCI-X 是其高速、64 bit 增强版。PCI-Express（PCIe）不再共享总线，而是经交换芯片为每个设备提供专用 lane；x1、x2、x4、x8、x16 等表示 lane 数，lane 越多吞吐越大。IEEE-488/GPIB 面向测试测量，8 条双向数据线配合 DAV、NRFD、NDAC 三线握手；SCSI 是并行 I/O 总线，支持 8/16/32 bit，BSY、SEL、RST、C/D、MSG、REQ、ACK、ATN、I/O 为主要控制信号。 ## 七、USB 与其他串行总线 USB 是连接计算机外设的通用串行总线，可热插拔，经集线器最多连接 127 个设备。USB 2.0 四线包括 D+、D− 差分数据线、+5 V 和地，采用 NRZI；数据包含 Sync、PID、ADDR、Data、ENDP、CRC、EOP，包类型有 token、data、handshake、start-of-frame。USB 3.0 增加两组数据双绞线和地线，总计 9 根线，支持全双工；USB 3.1 引入 Type-C 并提升速率。 RS-232 是单端、点对点、NRZ，总线速率约 20 kbps、距离约 50 ft；RS-422 差分、1 发 10 收、可达 10 Mbps；RS-423 单端但距离更长；RS-485 差分、可多主多从，最多 32/32。 SPI 是同步全双工四线总线：MOSI、MISO、SCLK、SS，适合 MCU 与传感器、Flash、LCD 等外设。I²C 只需 SDA、SCL 两根线，主设备提供时钟，通过 Start→地址→读/写→ACK→数据→ACK→Stop 完成传输。CAN 是汽车常用差分总线，CAN-H/CAN-L 加地线，节点用消息标识符仲裁优先级；标准帧含 SOF、仲裁、控制、数据（0–8 byte）、CRC、ACK、EOF。FireWire 即 IEEE-1394/i.Link，支持树形拓扑和实时传输；SAS（串行 SCSI）面向存储，可达 12 Gbps 并经扩展器连接大量设备。 ## 八、总线接口、三态与总线竞争 多个器件共享总线时，必须保证任一时刻只有一个源驱动线路。三态缓冲器除 HIGH、LOW 外还有高阻态（高阻态等效于断开），由使能端控制。总线仲裁防止两个源同时发送；若一个器件输出 1、另一个输出 0，就会发生总线竞争，可能造成大电流和逻辑错误。双向 I/O 端口用成对三态缓冲器：SND>RCV 为低时向总线发送，为高时从总线接收。  (a) Multimode (b) Single mode  图 13–7：Modes of light propagation in an optical fiber.  图 13–8：Basic block diagram of a fiber-optic communications link.  图 13–9：Typical types of optical fiber connectors.  图 13–10：The electromagnetic spectrum.   图 13–11：Ways in which rf and microwave signals can propagate.   图 13–12  图 13–13：Digital data conversions.  图 13–14：Example of a serial transmission of a data packet for a given data code.  (a) RZ format 图 13–15 Data formats that require separate timing for synchronization.   图 13–16：Example of Manchester encoded data and timing.   (a) Simplex (b) Half-duplex  图 13–19：Data transmission modes.  (c) Full-duplex  图 13–20：Illustration of amplitude-shift keying (ASK).  图 13–21：Illustration of frequency-shift keying (FSK).  图 13–22：Illustration of phase-shift keying (PSK).  图 13–23：Eight amplitude/phase combinations (modulation states) represent one of the eight 3-bit groups. Only one cycle of each modulation state is shown.  图 13–24：Illustration of an 8-QAM transmission of the binary sequence shown  图 13–25：Constellation map for a 3-bit PSK transmission. The phases are 0, 45, 90, 135, 180, -45, -90, and -135, as indicated.  图 13–26  图 13–27：A simple PAM signal.  图 13–28：Basic method of pulse amplitude modulation.  图 13–29：Illustration of PWM.  图 13–30：A basic method of pulse width modulation.  图 13–31：Modulating waveform.    图 13–33：Example of a PPM signal with timing  图 13–34：A method of generating PPM.（图 13–35 PPM system block diagram.）   图 13–36：Encoding of a PPM signal.  图 13–37：Concept of PCM with eight levels.  图 13–38：Block diagram of a PCM system.  图 13–39：General function block diagram of a data transmission system.  图 13–41：Simple illustration of TDM.  图 13–42：Illustration of TDM bit interleaving.  图 13–43：Basic idea of byte-interleaved TDM.  图 13–44：Byte-interleaved TDM with two data sources.（图 13–45 Example of a 3-source synchronous TDM with one data source inactive.）   图 13–46：Example of a 3-source statistical TDM with one source inactive.  图 13–47：T1 channel transmission.  图 13–48：Basic FDM system. π stands for summation.  图 13–49：Frequency spectrum of an FDM transmission.  图 13–50：Physical and electrical definition of a typical bus.  (a) Parellel bus (a) Serial bus  图 13–51：Comparison of parallel and serial buses.  图 13–52：Example of external bus application.   (a) Single-ended (b) Differentia  图 13–54：A comparison of single-ended and differential bus operation.  图 13–56：Comparison of PCI and PCI-Express.（图 13–57 PCI-Express lane configurations.）   图 13–58：A typical IEEE 488 (GPIB) connection.  图 13–59：Timing diagram for the GPIB handshaking sequence.  图 13–60：The IEEE-488 (GPIB) bus connector and pin assignments.  图 13–61：SCSI symbol.  图 13–62：USB symbol.  (a) USB cable   (b) Type A connecto  (c) Type B connector  图 13–63：USB cable and connectors for USB standards through 2.0.  (a) Type A 图 13–65 USB 3.0 connectors and symbol.  (b) Type B  (c) Symbol  图 13–66：Example of USB applications.  图 13–67：Example of RS-232 transmitted data format. A parity bit is not included.  图 13–68：Standard RS-232 connectors.（(b) 9-pin）   图 13–72：The CAN bus in an automotive control system.  图 13–73：Firewire symbol with cable and connector wires and pins.  图 13–74：The interconnection of microprocessor-based system components by a bidirectional, multiplexed bus.  (a) (b) 图 13–76 Tri-state buffer interface to a bus.  图 13–75：An example of a handshaking sequence.  图 13–77：Method of indicating tri-state outputs on an IC device.  (a) Active-HIGH enable (b) Active-LOW enable 图 13–78 Tri-state buffer symbols.  图 13–79：Tri-state buffer operation.    图 13–80：Multiplexed I/O operation.   图 13–81  图 13–82  图 13–83   图 13–84（(b) PWM）   图 13–85   图 13–86  图 13–87   (c)  图 13–88  图 13–91  图 13–92  图 13–93  图 13–94 ## 九、全章自测 1. 同轴电缆屏蔽层的作用是什么？UTP 为什么能降低串扰？ 2. 比较串行与并行、同步与异步、单工/半双工/全双工。 3. 一符号携带 5 bit、波特率 10 Mbaud 时，比特率是多少？ 4. 说明 ASK、FSK、PSK、QAM 分别改变载波的什么参数。 5. 4 bit PPM 在 2 ms 周期内的数据率和脉冲位置数是多少？ 6. 解释同步 TDM 与统计 TDM 的效率差异，以及 FDM 中保护带的作用。 7. 32 bit、100 MHz、每周期 1 次传输的总线，十进制带宽是多少？ 8. 为什么共享总线必须使用三态缓冲器和总线仲裁？ 9. USB 数据线为何采用差分双绞线？USB 2.0 与 USB 3.0 的主要差别是什么？ 10. 写出 SPI 四根信号线，并说明 I²C 的两根信号线和一次读写事务顺序。 > [!success] 速记结论 > > 介质决定信号怎么走，编码决定 bit 怎么表示，调制决定如何借助载波，复用决定多路信号如何共享信道，总线协议决定设备如何有序协作。掌握“信号—时序—协议”三层，就能读懂大多数数字接口时序图。 ## 自测一下 > [!question]- 串行传输与并行传输各有什么优缺点？ > > **参考答案**：串行一次只发送 1 bit，线路少、成本低，适合远距离传输；并行一次同时发送多个 bit，短距离内吞吐率高，但受串扰、时钟偏斜和 EMI 的限制，不适合长距离。实际系统通常在内部并行处理、对外串行传输，用移位寄存器完成串行与并行之间的转换。 > [!question]- 同步通信和异步通信如何区分？ > > **参考答案**：异步通信按短数据包发送，空闲电平后跟起始位，收发两端各自有时钟，每个数据包靠起始位重新同步。同步通信则共享时钟或从数据中恢复时钟，数据连续传输、不停顿，帧通常包含前导码、地址、控制、数据、帧校验和结束等字段，因此效率更高。 > [!question]- UART 帧通常包含哪些字段？ > > **参考答案**：按本章异步传输的描述，一帧以空闲电平开始，随后是起始位，接着是若干个数据位，然后是可选的奇偶校验位，最后以停止位结束。每个数据包都由起始位触发重新同步，因此收发两端不必共享同一时钟。 > [!question]- 奇偶校验位能检测哪些错误？ > > **参考答案**：校验位附加在数据位之后，使一帧中 1 的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。接收端重新统计 1 的个数即可判断是否出错：它能检测出传输过程中奇数个位（如单个位）发生翻转的错误，是异步帧中可选的简单检错手段。但若偶数个位同时出错，1 的奇偶性不变，校验位就无法发现这类错误。 > [!question]- 差分信号传输为何抗干扰能力更强？ > > **参考答案**：差分传输用一对互补的两条线传送信号，接收端根据两线电位差来判决 0 和 1。外部噪声通常同时耦合到两条线上，属于共模干扰，会被接收端的共模抑制能力抵消掉，因此抗干扰能力远强于以地为参考的单端传输，适合高速、长距离的场合，如 RS-422、RS-485、USB 和 CAN 总线。