通信系统性能指标|现场总线技术应用

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：通信系统的任务是传递信息，因而信息传输的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。通信有效性实际上反映了通信系统资源的利用率。通信系统中的字符或者字节一般由多个二进制位即多个比特来表示。误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标。幅频特性指不同频率信号通过信道后，其幅值受到不同衰减的特性；相频特性指不同频率的信号通过信道后，其相角发生不同程度改变的特性。

通信系统的任务是传递信息，因而信息传输的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。有效性是指所传输信息的内容有多少；而可靠性是指接收信息的可靠程度。通信有效性实际上反映了通信系统资源的利用率。通信过程中用于传输有用报文的时间比例越高则越有效。同样，真正要传输的数据信息位在所传报文中占的比例越高也说明有效性越好。

1.有效性指标

（1）数据传输速率

数据传输速率是单位时间内传送的数据量。它是衡量数字通信系统有效性的指标之一。当信道一定时，信息传输的速率越高，有效性越好。

传输速率由下式求得：

式中，T为发送一位代码所需要的最小单位时间；n为信号的有效状态；lb为以2为底的对数。例如对串行传输而言，如果某一个脉冲只包含两种状态，则n＝2，S_b＝ bit/s。工业数据通信中常用的标准数据信号速率为9600 bit/s、31.25 kbit/s、500 kbit/s、1 Mbit/s、2.5 Mbit/s、10 Mbit/s以及100 Mbit/s等。

1）比特率。比特（bit）是数据信号的最小单位。通信系统中的字符或者字节一般由多个二进制位即多个比特来表示。例如一个字节往往是8位或16位。通信系统每秒传输数据的二进制位数被定义为比特率，记作bit/s。

2）波特率。波特（baud）是指信号大小方向变化的一个波形。把每秒传输信号的个数，即每秒传输信号波形的变化次数定义为波特率。单位为波特（baud）。比特率和波特率较易混淆，但它们是有区别的。每个信号波形可以包含一个或多个二进制位。若单比特信号的传输速率为9600 bit/s，则其波特率为9600 baud，它意味着每秒可传输9600个二进制脉冲。如果信号波形由2个二进制位组成，当传输速率为9600 bit/s时，则其波特率只有4800 baud。

在讨论信道特性，特别是传输频带宽度时，通常采用波特率；在涉及系统实际的数据传送能力时，则使用比特率。

（2）频带利用率

频带利用率是指单位频带内的传输速率。它是衡量数据传输系统有效性的重要指标。单位为（bit/s）/Hz，即每赫兹带宽所能实现的比特率。由于传输系统的带宽通常不同，因而通信系统的有效性仅仅看比特率是不够的，还要看其占用带宽的大小。

（3）协议效率

协议效率是衡量通信系统软件有效性的指标之一。协议效率是指所传输的数据包中的有效数据位与整个数据包长度的比值。一般是用百分比表示，它是对通信帧中附加量的量度。不同的通信协议通常具有不同的协议效率。协议效率越高，其通信有效性越好。在通信参考模型的每个分层，都会有相应的层管理和协议控制的加码。从提高协议编码效率的角度来看，减少层次可以提高编码效率。

（4）通信效率

通信效率被定义为数据帧的传输时间同用于发送报文的所有时间之比。其中数据帧的传输时间取决于数据帧的长度、传输的比特率，以及要传输数据的两个节点之间的距离。这里用于发送报文的所有时间包括竞用总线或等待令牌的排队时间、数据帧的传输时间，以及用于发送维护帧等的时间之和。通信效率为1，就意味着所有时间都有效地用于传输数据帧。通信效率为0，就意味着总线被报文的碰撞、冲突所充斥。

2.可靠性指标

数字通信系统的可靠性可以用误码率来衡量。误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标。它是二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，数值上近似为

式中，N为传输的二进制码元总数；N_e为被传输错的码元数，理论上应有。实际使用中，N应足够大，才能把P_e近似为误码率。理解误码率定义时应注意以下几个问题：

1）误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数。

2）对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求。在数据传输速率确定后，误码率越低，数据传输系统设备越复杂，造价越高。

3）对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制码元，则要折合成二进制码元来计算。差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，被测量的传输二进制码元数越大，越接近于真正的误码率值。在实际的数据传输系统中，人们需要对一种通信信道进行大量、重复的测试，求出该信道的平均误码率，或者给出某些特殊情况下的平均误码率。根据测试，目前当电话线路的传输速率为300～2400 bit/s时，平均误码率在10^-4～10^-6之间；当传输速率为4800～9600 bit/s时，平均误码率在10^-2～10^-4之间。而计算机通信的平均误码率要求低于10^-9。因此，普通通信信道若不采取差错控制，则不能满足计算机通信的要求。

通信系统的有效性与可靠性两者之间是相互联系、相互制约的。

3.通信信道的频率特性

频率特性描述通信信道在不同频率的信号通过以后，其波形发生变化的特性。(www.chuimin.cn)

频率特性分为幅频特性和相频特性。幅频特性指不同频率信号通过信道后，其幅值受到不同衰减的特性；相频特性指不同频率的信号通过信道后，其相角发生不同程度改变的特性。理想信道的频率特性应该是对不同频率产生均匀的幅频特性和线性相频特性，而实际信道的频率特性并非理想。因此，通过信道后的波形会产生畸变。如果信号的频率在信道带宽范围内，则传输的信号基本上不失真，否则，信号的失真将较严重。

信道频率特性不理想是由于传输线路并非理想线路。实际的传输线路存在电阻、电感和电容，由它们组成分布参数系统。由于电感、电容的阻抗随频率而变，故信号的各次谐波的幅值衰减不同，其相角变化也不尽相同。当然，信道的频率特性不仅与介质相关，而且和中间通信设备的电气特性有关。

4.介质带宽

通信系统中所传输的数字信号可以分解成无穷多个频率、幅度和相位各不相同的正弦波。这就意味着传输数字信号相当于传送无数多个简单的正弦信号。信号所含频率分量的集合称为频谱。频谱所占的频率宽度称为带宽。发送端所发出的数字信号的所有频率分量都必须通过通信介质到达接收端，接收端才能再现该数字信号的精确复制。如果其中一部分频率分量在传输过程中被严重衰减，就会导致接收端信号变形。如果能接收到具有主要振幅的那部分分量，则仍可以按适当的精度复制出发送端所发出的数字信号。

以一定的幅度门限为依据，将在接收端能收到的那部分主要信号的频谱从原来的无穷大频谱中划分出来，便形成该信号的有效频谱。有效频谱的频带宽度称为有效带宽。有效频谱与有效带宽的示意图如图2-8所示。

实际传输介质的带宽是有限的，它只能传输某些频率范围内的信号。一种介质只能传输有效带宽在介质带宽范围内的信号。如果介质带宽小于信号的有效带宽，信号就可能产生失真而使接收端难以正确辨认。介质带宽与信号畸变如图2-9所示。

图2-8 有效频谱与有效带宽

图2-9 介质带宽与信号畸变

当传输速率升高时，信号的有效带宽会随之增加，因而需要传输介质具有更大的介质带宽。换句话说，传输介质的带宽会限制传输速率的增高。

5.信道容量

信道容量是指在某种传输介质中单位时间内可能传送的最大比特数，即该传输介质容许的最大数据传输速率。

设信号的传输速率为x（单位为bit/s），传送一个8位字符所需时间T为8/x（单位为s），因此其第一次谐波频率为x/8（单位为Hz）。一般电话线的截止频率约为3000 Hz。这个限制意味着该线路能通过的最高谐波次数为24000/x。如果试图在电话线路上以9600 bit/s的数据传输速率传送信号，则此时该线路能通过的最高谐波次数仅为2，接收到的信号无疑将产生畸变，即不能正确接收原来的信号。在电话线路上即使传输设施完全无噪声，当数据速率高于38.4 kbit/s时，能通过的最高谐波次数只能为0，说明信号的传输已不可能。所以传输介质的带宽限制了信道的数据传输速率。或者说，数据的传输速率应该在信道容量容许的范围之内。只要信号速率低于信道容量，总可以找到一个编码方式，实现低误码率传输。若实际传输速率超过信道容量，则即使只超过一点，其传输也不能正确进行。

6.信噪比对信道容量的影响

在有噪声存在的情况下，由于传递出现差错的概率更大，因而会降低信道容量。而噪声的大小一般由信噪比来衡量。信噪比是指信号功率S与噪声功率N的比值。信噪比一般用10 lgS/N来表示，单位为分贝（dB）。

信道容量C与信道带宽W和信噪比S/N之间的香农计算公式为