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通信概述及分类

通信概述及分类

在数字系统设计及应用中,通信的应用占有很大的篇幅,其中直接以数字单端信号或差分信号通信又是占主导地位。本节内容介绍数字通信的基本收发原理及分类。

1. 通信的概念

指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递,如图1。如人与人之间的语言通信,手势,暗号,电话,视频等。其中最为关注的应该是通信的传输媒介和传输方式。传输媒介实现了通信传播路径,传输方式改善传输效率和传播质量。目前通信正在以及其活跃的方式高速发展。最具代表的是在无线领域5G系统的开发以使用,给人类生活质量和带来前所未有的便利和享受。拉近了世界范围内人与人之间的距离。传输方式是根据需要在不同的进行媒介中进行合适的传播类型的选择,如在光纤通信中我们选择光通信,在4G/5G手机通信中选择无线通信等。通信的课程分为两个部分,基本数字通信,光纤通信部分会在FPGA的高级课程中讲解,无线通信部分专门另列为一门课程为软件无线电,与无线通信相关的课程会在软件无线电的课程中讲解。

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图1

2. 通信分类

    • 按照传输媒介分类:

      • 无线通信:

是指不经过线缆、光纤等传输媒介,直接利用电磁波在空中传播的通信。目前最具代表性的无线通信是4G/5G通信。当然也不要忘记WiFi通信。

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图2

      • 有线通信

有线通信是是应用最为广泛的通信,几乎无处不在。家庭中的网络通信,机顶盒与电视机的通信,键盘、鼠标与计算机的通信等。

      • 光通信

光通信有光纤通信,红外通信等。

    • 按照传输的信息源类型可以分为:

      • 语音通信

语音通信以语音的传播为主,如收音机、电话等。

      • 图像通信

以图片、视频传播为主,如电视、网络播放器等为应用的通信方式。

      • 数据

数据通信以数据传播为主的通信,更多的以文本为主,当然也包含语音和图像等内容

    • 按照信号类型可以分为

      • 模拟通信

以模拟信号为主的通信,如传通语音广播通信,传统的模拟电视系统等都采用模拟方式进行通信。

      • 数字通信

数字通信是以数字信号的发送、传输、接收的通信方式。由于数字通信具有诸多优势,因此随着通信技术的发展,以前传统的模拟通信逐渐被数字通信所替代。

      • 模拟、数字混合通信

典型的应用有4G/5G和WiFi通信,在通信系统发送的前半部分和接收系统的后半部分都是数字通信,在信号发送到空中之前进行调制形成模拟信号。因此这种通信系统为模拟、数字混合通信系统。

    • 按照通信的双方交互的连续性

      • 单工通信

单工通信是一方为返送系统,另一方为接收系统,信息从一方到另一方单项传递。典型的应用是广播电视系统。数字通信系统的示意图如图3,4。

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图3

图4

      • 半双工通信

半双工系统可以双向通信,但由于通信的信道只有一个,每时刻只用一方发送数据,另一方接收数据,反之依然。典型的应用为对讲机,如图5。

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图5

 

      • 全双工通信:

全双工通信是指在通信工程中收发双方可是同时尽心数据传输,收发双方各有独立的信道,通信时双方互不干扰。如图6,

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图6

    • 按照信号的同步方式分为:

      • 同步通信

同步通信不仅利用数据线进行数据传输,数据还在时钟的同步下有节奏的从发放传递到收方。因此在传输的过程中不仅有数据线,还要有时钟线。

优点:

数据定位准确,解码容易。

缺点:

高频时钟衰减较快,加上通信过程中信号畸变,相位偏移等,因此传输距离不宜过长。而且,由于增加了数据线也增加了传输成本。在有些系统中并不适合时钟的传输,如单模光纤通信,无线通讯等。

典型的应用:
有I2C 接口的通信,SPI接口通信,HDMI接口通信等,PCI,CPU与内存接口等。

图9

      • 异步通信

异步通信与同步通信正好相反,通信线路只有数据线而没有时钟线,数据恢复靠接收端的时钟定时的。如图7,

缺点:

由于数据不能与原始时钟一起传输,因此在接收端就会出现采样的频率准确性,相位准确性等问题。因此接收端解码复杂性增加,可靠性降低。

优点:

但异步通信的优点也比较突出,如传输媒介简单,传输速率高,传输距离长等越来越被重视,目前广泛应用于高速通信中。

典型的应用:UART,USB 1.1 ,USB2.0, USB3.1, USB3.2, 光纤通信,PCIe等

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图7

    • 按照通信速率可分为:

      • 低速通信

一般认为1Mbps一下的通信为低速通信,但这种划分不是绝对的,不同的应用场合,划分的标准也不同。

      • 中速通信

一般认为1Mbps到100Mbps 为中速通信,但这种划分不是绝对的,不同的时代,不同的应用场合,划分的标准也不同。比如在百兆光纤网杠问世的时候,网络通信还处在10M网的应用,因此当时的100Mbps已经是高速甚至超高速通信了。

      • 高速通信

100Mbps到10G之间的通信为高速通信,当然这种划分也不是绝对的,有的机构认为当前1Gbps以上才算高速通信。一般认为USB2.0,USB3.0,PCIe, 千兆网,1G以上的光纤通信都是高速通信

      • 超高速通信

10Gbps以上的通信都成为超高速通信,如超高速光纤通信,PCIe Gen3,PCIe Gen4等。

    • 按照通信的串并方式分为

      • 串行通信

串行通信是将并行数据按照bit依次发送,接收端按照bit一位一位的接收,在将串行的数据并行化。

串行通信的优点是:

通信媒介简单,成本低,传输距离长等,目前由于串行速度越来越高,已被广泛应用于高速通信中。

缺点:

收发设备相对复杂,在板级通信中与并行通信相比,通信吞吐量低等,在计算机内存以及CPU内部总线等应用场景,依然无法替代并行传输。

典型应用:

USB, PCIe , UART, I2C, SPI ,SATA, 光纤通信等。

 

 

%title插图%num图8

      • 并行通信

并行通信的特点一次可以传输多个bit,数据吞吐率高,被广泛应用在板级通信中。典型的应用有,传统三总线结构(数据总线,地址总线,控制总线),内存与CPU,FPGA的数据交换,CPU内部总线等。

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图12

      • 串并混合通信

既有串行通信,也有并行结构,充分利用串并的特点,极大提高数据吞吐率,降低成本。典型的应用有:多通道PCIe, 多通道SPI,HDMI等通信协议与接口。

 

 

 

 

 

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