03-00:? ? 嵌入式通信原理淺析
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序言——凡塵
? ??????程序是一種思想苛骨，是一塊塊積木空盼，我們是靜坐其中搭積木的孩童，倘若思想成熟了，我們便有了玩伴而不再孤獨檩坚。
摘要
????????本文呈現(xiàn)為讀書筆記【參考文獻 [1] 】的形式，融入了筆者的思考和總結(jié)，以作為工作室培訓參考文章并開源分享給讀者。系統(tǒng)性淺析了嵌入式數(shù)字通信原理的基本概念以及在原理基礎(chǔ)上嵌入式設(shè)備通信的實際技術(shù)應用李丰，因此本文不敘述模擬信號相關(guān)的頻域和時域特性等。
關(guān)鍵詞：嵌入式通信逼泣；通信原理趴泌；開源
參考文獻
[1]? ? 樊昌信,曹麗娜.????通信原理(第6版).????北京:國防工業(yè)出版社,2009.
1 緒論
1.1 通信的基本概念
????????通信（本文只考慮數(shù)字信號舟舒，因為嵌入式外圍電路有線數(shù)字總線只傳遞數(shù)字信號）在本文中意指微機與微機之間或微機與終端設(shè)備之間進行信息傳遞，其基本模型為：
????????按通信方向分為單工踱讨、半雙工和全雙工通信魏蔗。按數(shù)據(jù)傳輸方式分為串行和并行通信砍的。
? ? ? ? 為方便后續(xù)說明在此有如下定義：
? ? ? ? （1）碼元：本文中只考慮二進制通信痹筛，因此單位為bit;
? ? ? ? （2）幀元：單個字符數(shù)據(jù)包括其幀頭、奇偶校驗位等廓鞠；
? ? ? ? （3）包元：由幀數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)包的最小單位帚稠，包括包頭、數(shù)據(jù)量等床佳。
1.2 信息的度量
????????由模糊概念轉(zhuǎn)化為可由數(shù)值和量綱進行度量的中間過程需要數(shù)學工具來完成：
????????導出傳遞M個脈沖的單個信息量（平均值）為：
? ? ? ? 注意：所有數(shù)學工具的實際意義在于度量具體數(shù)值和以現(xiàn)有事實為素材邏輯推導出預測結(jié)果滋早。其中數(shù)學分析中的數(shù)學模型是為了擬合現(xiàn)有事實素材進行階段性預測，因此需要反復修正砌们。在此也是一樣杆麸，香農(nóng)前輩構(gòu)建的公式是為了滿足以下條件：
? ? ? ? （1）消息包含的信息量與包含事件發(fā)生的概率負相關(guān)（使用負對數(shù)）；
? ? ? ? （2）信息量具有相加性（使用對數(shù)）浪感；
? ? ? ? ? ?考慮非等概率時：
? ? ? ? 而積分則可導出概率密度函數(shù)昔头。
1.3 通信系統(tǒng)主要性能指標
? ? ? ? （1）碼元傳輸速率（二進制USART傳輸中與波特率等價）；
? ? ? ? （2）頻帶利用率影兽；
? ? ? ? （3）誤碼率揭斧；
? ? ? ? （4）可靠性（包括信息傳遞的及時性等）；
? ? ? ? （5）保密性峻堰；
? ? ? ? （7）經(jīng)濟性讹开；
? ? ? ? （5）環(huán)境適應性；
? ? ? ? （6）可維護性（包括互換性等）捐名；
1.4?嵌入式設(shè)備通信方式
????????嵌入式設(shè)備中常見的有線通信方式（二進制數(shù)字信號）有USART（UART和S-BUS在此處也包括在內(nèi)）旦万、I2C、RS485（RS232和RS422在此處也包括在內(nèi)）镶蹋、CAN纸型、SPI、USB和MODBUS（比較特殊梅忌，僅是協(xié)議狰腌，沒有電平規(guī)范）；常見的無線通信方式WPAN（IRDA牧氮、Bluetooth和ZigBee）琼腔、WLAN（WiFi[2.4G{航模遙控}在此也包括在內(nèi)]）、Cellular Network（2G[常用移動和聯(lián)通的GSM踱葛，電信為CDMA]丹莲、3G光坝、4G、5G）甥材、Satellite Commumication（開源衛(wèi)星）盯另。
2 信息的封裝
? ? ? ? HTTP通信數(shù)據(jù)封裝將會抽時間單獨整理一章，在此考慮的是普遍數(shù)據(jù)封裝洲赵。參照網(wǎng)絡通信OSI模型分為：
? ? ? ? 第一層鸳惯，物理層
????????以位/比特（碼元）為單位，為上層提供比特流物理連接叠萍，傳輸協(xié)議參照上述【1.4?嵌入式設(shè)備通信方式】芝发。
????????第二層，數(shù)據(jù)鏈路層
????????以幀（幀元）為單位苛谷，負責傳輸始端和終端兩個節(jié)點的數(shù)據(jù)辅鲸，以usart為例，起始位‘0’就是幀頭腹殿，此外還包含8位數(shù)據(jù)独悴、奇偶校驗位等，詳見【03-01:????USART通信詳解】锣尉。
????????第三層刻炒，網(wǎng)絡層
????????以數(shù)據(jù)包（包元）為單位，多個設(shè)備通信需要得知目標地址悟耘，以usart為例落蝙，點對點通信時需要互發(fā)器件地址，數(shù)據(jù)傳輸過程中需要校驗包頭暂幼、數(shù)據(jù)量筏勒、數(shù)據(jù)、反碼校驗等旺嬉，還要解決丟失管行、重復傳送和順序顛倒等問題。
????????第四層邪媳，運輸層
????????以數(shù)據(jù)報文（散裝數(shù)據(jù)包組成）為單位捐顷，包括完整文件（報文）拆分數(shù)據(jù)包傳輸?shù)取?/p>
????????嵌入式設(shè)備通信方式主要為短距離有線通信方式，且采用星形網(wǎng)絡只需要上述四層架構(gòu)雨效。
3 數(shù)字基帶傳輸
? ? ? ? 在嵌入式設(shè)備中迅涮，主要以短距離數(shù)字信號傳輸（模塊或處理芯片和微機/微機和微機之間信號傳輸）為主。因此徽龟，本文在此僅分析數(shù)字基帶系統(tǒng)叮姑。
3.1 數(shù)字基帶信號
? ? ? ? （1）單極性波形：上述USART、I2C和SPI；
? ? ? ? （2）雙極性波形传透；
? ? ? ? （3）單極性歸零波形耘沼；
? ? ? ? （4）雙極性歸零波形；
? ? ? ? （5）差分波形：上述SPI朱盐、CAN和USB群嗤；
? ? ? ? （6）多電平信號。
3.2 誤碼產(chǎn)生的主要因素
? ? ? ? （1）碼間串擾（例如采用均衡器進行補償）;
? ? ? ? （2）信道噪聲（例如采用雙絞線減小噪聲）兵琳。
4 差錯控制編碼
4.1 差錯控制技術(shù)分類
? ? ? ? （1）檢錯重發(fā)：SD卡讀寫中采用狂秘，尤其是文件系統(tǒng)；
????????（2）向前糾錯闰围；
? ? ? ? （3）反饋校驗赃绊；
? ? ? ? （4）檢錯刪除：為保證系統(tǒng)實時性既峡，優(yōu)先采用羡榴。
4.2 糾錯控制技術(shù)
5 信道
5.1 無線信道
5.2 有線信道
????????（1）明線；
????????（2）對稱電纜运敢；
????????（3）同軸電纜校仑。
5.3 信道的數(shù)學模型
? ? ? ? 調(diào)制信道的一般模型，詳細請參閱【參考文獻 [1] 】：
5.4 信道容量與帶寬
????????首先传惠，需要先明確信道容量和信道帶寬的概念：
? ? ? ? 信道容量：為方便和信道帶寬比較迄沫，在此為單位時間內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘康淖畲笾担?/p>
? ? ? ? 信道帶寬：帶寬（band width）又叫頻寬，是指在固定的的時間可傳輸?shù)馁Y料數(shù)量卦方，亦即在傳輸管道中可以傳遞數(shù)據(jù)的能力羊瘩。在數(shù)字設(shè)備中，頻寬通常以bps表示盼砍，即每秒可傳輸之位數(shù)尘吗。在模擬設(shè)備中，頻寬通常以每秒傳送周期或赫茲 (Hz)來表示（參考自IT百科）浇坐。
????????其中比較重要的公式是帶寬有限睬捶、平均功率有限的高斯白噪聲連續(xù)信道，信道容量和帶寬的關(guān)系式：
6 信號同步原理
6.1 載波同步
6.2 碼元同步?
????????其中閉環(huán)同步類似于UART通信中接收信號頻率和接收波特率近刘。
6.3 群同步
????????其中下位機提取USART字符信息采用的便是這種方式擒贸。
????????接下來分析誤碼對同步數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，這和基因編碼中染色體錯誤類似觉渴。先考慮非定常且沒有封裝成幀的數(shù)據(jù)介劫。在此，同步幀數(shù)據(jù)只考慮一個：
????????而假同步總概率：
????????再來考慮起止同步案淋，以UART為例座韵，一幀數(shù)據(jù)通常包含1個起始位，8個數(shù)據(jù)位和1個停止位哎迄，一包數(shù)據(jù)通常包含1個幀頭回右、1個數(shù)據(jù)量幀隆圆、（1~255）個數(shù)據(jù)、1個數(shù)據(jù)反碼校驗幀（相當于幀尾）翔烁。設(shè)接收碼元錯誤概率為[p1]渺氧，緩存區(qū)接收數(shù)據(jù)是幀頭的概率是[p2]，則收數(shù)據(jù)是幀頭相鄰數(shù)據(jù)量幀（或者是數(shù)據(jù)量幀蹬屹、反碼校驗幀）的概率也是[p2]侣背，則有：
????????緩存區(qū)丟失數(shù)據(jù)的概率為：[p1]*(1+1)/10 = [p1]/5；
????????緩存區(qū)成功接收數(shù)據(jù)但數(shù)據(jù)幀頭丟失的概率為：(1-[p1]/5)*[p2] = 4[p1][p2]/5慨默；
????????數(shù)據(jù)包存在錯誤數(shù)據(jù)但能正常傳輸?shù)母怕蕿椋?-[p1][p2]/5*3 = (5-3[p1][p2])/5贩耐；
? ? ? ? 若[p1] =?[p2] = 0.1，即1包只傳7個數(shù)據(jù)厦取，?數(shù)據(jù)包存在錯誤數(shù)據(jù)但能正常傳輸?shù)母怕蕿?9.4%潮太，可見對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊戇€是相當小的。
6.4 網(wǎng)同步
? ? ? ? 日后有需要會單獨整理一篇文章詳解時間網(wǎng)同步虾攻。
7 通信網(wǎng)絡
? ? ? ? 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
? ? ? ? （1）網(wǎng)形铡买；
? ? ? ? （2）星形：樹型拓撲也可以認為是其拓展，一般嵌入式優(yōu)先采用霎箍，包括局域組網(wǎng)奇钞；
? ? ? ? （3）環(huán)形；
? ? ? ? （4）總線形：分布嵌入式優(yōu)先采用漂坏，尤其是串/并口資源緊張時景埃；
? ? ? ? （5）復合形：復雜嵌入控制優(yōu)先采用。
后記——凡塵
????????時間匆忙顶别，未能花足夠校對錯誤谷徙，更多的是結(jié)構(gòu)和整體壓縮的內(nèi)容，如有錯別字和內(nèi)容不合理的地方歡迎讀者批評指正筋夏，如有想深入探討或是項目需求的朋友歡迎加入QQ群：
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