列车通信网络_ 数据通信ppt课件

列车通信网络(2),北京交通大学电气工程学院,工业数据通信基础,1,主要内容,高速列车与动车组-采用通信网络的必要性工业数据通信基础计算机网络知识现场总线与嵌入式系统微机控制与列车通信网络网络通信项目实例,2,工业数据通信系统,在生产设备之间传递数字信息工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分工业数据通信用以满足信息社会对基础设备与过程数据信息的需求数字地球、数字北京、数字传递工农业生产过程、大气环境监测、各类交通、楼宇等系统中设备的数字化信息,3,数据通信的基础知识,数据通信是计算机网络的基础信息与数据：信息是用以对客观世界直接描述的、在人们之间传递的知识；数据是信息的具体表现形式：“1”-开关合，“0”-开关断；很多场合难以区分：数据交换=信息交换数据通信：两台计算机之间数据交换的过程数字数据：二进制的0，1模拟数据：声音的强弱变化数据要变换为信号才能传送：电、光、磁信号模拟信号：连续的电磁波数字信号：电压脉冲序列数字通信：传送数字信号，代表0，1的脉冲,4,传输介质,模拟：电话、电视数字：计算机,有线：电缆、光缆无线：电磁波、红外,编码、调制加密、纠错,数据通信系统的构成,5,发送与接收设备,发送设备：将信息源产生的报文经过编码变换为便于传送的信号形式，送往传输介质；接收设备：从带有干扰的信号中正确恢复出原有信号，解码、解密典型的发送接收设备有：各种变送器、传感器；各种数据采集装置，(PLC,PID)控制器；作为监视操作设备的监控计算机或工作站；各种调节阀门、电机控制设备、变频器、机器人；网络连接设备，如中继器、网桥、网关等,6,数据通信的基本过程,建立通信链路:用户将通信对方地址告知交换机，交换机查该地址终端。若对方同意，则建立双方通信的物理信道建立数据传输链路:双方建立同步联系，使双方设备处于正确收发状态，通信双方相互核对地址传送通信控制信号和传送数据数据传送结束:双方通过控制信息确认此次通信结束通知交换机通信结束:可切断物理连接,7,数据通信的主要技术指标,传输速率：衡量传输的有效性，数量信号速率：单位时间里传送信号波形的个数，单位为“波特”Baud，波特率数据传输率：单位时间里传送二进制数据的位数，单位时间里传送的数据量，比特率数据要转换为信号传送：可以用不同的离散电平表示，模拟信号可用不同起始相位表示不同数据结论：数据传输率二进制：一个信号波形表示一个二进制位，数据速率=信号速率四进制：一个信号波形表示两个二进制位，数据速率=2X信号速率八进制：一个信号波形表示三个二进制位，数据速率=3X信号速率,8,数据速率=2x信号速率,多级调制方法,9,数据通信的主要技术指标,带宽：所能传输信号的频率范围信号带宽：信号占据的频率范围线路带宽：能不失真地传送信号的频率范围容量：每秒钟所能传输的比特数（速率）理想信道有噪声信道,10,Nyquist公式：理想信道,n最大数据率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps,C=,2Blog2n,B=带宽n=信号电平级数,话音级线路的信道容量计算(3000Hz),2BBaud,=,11,Shannel公式：噪声信道,S/N信噪比（dB分贝）,C=,Blog2(1+,SN,),S/Ndb=10log10S/N,12,数据通信中的同步方式,位同步(Bitsynchronous)外同步自同步字符同步(characterorwordsynchronous)异步同步帧同步(framesynchronous),13,数据通信中的位同步方式,外同步发送方在发数据前先发同步信号，接收方收到同步信号后调整自己时钟与发方保持一致并锁定自同步接收方从数据波形中提取同步信号,14,数据通信中的字符同步方式,字符同步异步制同步制,15,数据通信中的字符同步方式,异步方式以字符为单位，字符间的间隔不定长。每个字符都有起始位和停止位，传输效率低传送控制简单，实现容易,16,数据通信中的同步方式,同步方式传送一组字符，字符间无间隔，不设起止位。传输效率高。若有一位出错，则重发全组。传输控制复杂，发送和接收要有发送同步字符和检测同步字符的措施。一组字符传输过程中，任意两字符间出现间隔，都会造成接收方出错不传输数据时，线路上是全“1”或“010101”,17,数据通信中的同步方式,异步方式和同步方式的比较异步方式常用于本地终端到主机的通信和通信线路误码率要求不高以及数据传输率较低的场合；同步方式常用在通信量大，通信线路误码率低以及数据传输率较高的场合,传输效率传送速度传输控制错误重发额外开销字符间隔异步方式较低较慢简单一个字符大任意同步方式较高较快复杂一组字符小无间隔,18,数据通信中的同步方式,帧同步（块同步）在字符同步基础上的字符串级同步简要传送的信息分组，然后在每组信息的头尾加上同步信息分组可分为报文分组、HDLC帧、T1载波帧等。,19,数据编码,传送数据或指令：用0、1序列表示，不同的组合表达不同的信息内容通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来电报通信的莫尔斯码、BCD码、ASCII码,20,美国标准信息交换码ASCII,21,数据编码波形,通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。数字数据编码数字数据的数字信号编码数字数据调制编码模拟数据编码模拟数据的数字信号编码模拟数据调制编码,22,模拟传输和数字传输,23,编码和调制,24,数字信号编码为模拟信号,调制/解调技术：用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的0和1，分别称为调幅ASK(amplitude-sheftkeying)调频FSK（frequency-sheftkeying）调相PSK(phase-sheftkeying）绝对调相相对调相复合调制：由以上三种调制方式构成,25,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK,FSK,PSK,调制原理,26,多级(相)调制方法,27,16-QAM（正交振幅调制）：使用振幅和相位的16种组合,复合调制方法,28,调制解调器,解调：调制的反过程，鉴幅、鉴频、鉴相调频方式的调制器调频方式的解调器在一个调制解调器中，调制器和解调器采用不同的频率范围，以免发送和接收相互干扰,29,数字数据的数字信号编码,利用模拟信道通过调制解调器传输模拟数据信号频带传输可利用电话交换网：面广、价低、成熟利用数字信道直接传输数字数据信号基带传输高速率、高效率数字数据在数字信道上传送需要数字信号编码,30,数字数据编码,单极性码信号电平是单极性的。双极性码信号电平为正、负两种极性的。归零码在每一位二进制信息传输后均返回零电平。非归零码NRZ(non-returntozero)在整个码元时间内维持有效电平。差分码用电平的变化与否代表0和1曼彻斯特编码Manchester差分曼彻斯特编码DifferenceManchester,31,单极性不归零制编码(NRZ),表示二进制数据非常方便不宜在通信线路上直接传送连续出现多个“1”或“0”时，由于不归零，造成同步困难（需设置专门的同步时钟线路）由于单极性，具直流分量且随传送的数据不同而变化，引起通信线路电压漂移,001101,32,曼切斯特和差分曼切斯特编码,编码规则(M)每个二进制位中间一个电平跳变，分为前后两个半位，正跳变“1”，负跳变“0”(DM)每位数据中间电位跳变只作发方时钟信号，数字信号取值由位开始时有无电位跳便决定,001101,M,DM,33,34,曼切斯特和差分曼切斯特编码,编码特点每个二进制位中间电位跳变，可作发方时钟自同步可使编码信号电平直流分量为零，利于通信线路设计编码后的信号频率提高一倍，导致要求通信线路带宽增加编码效率较低,35,编码方法,36,4B/5B编码,将每4位数据编码成5位符号,37,模拟话音,采样时钟,PAM信号,PCM信号,采样电路,量化和比较,数字化声音,脉冲编码调制方法,脉冲编码调制PCM(pulsecodemodulation):数字信号承载模拟数据PCM操作基本上包括采样量化编码,38,采样信号：基于nyquist理论,原始信号,PAM脉冲,PCM脉冲有量化误差,011100011011001100,PCM输出,PCM,39,信道及其主要特性,数字信道和模拟信道以数字脉冲形式传输数据的信道称数字信道，相应的通信系统为数字通信系统以模拟信号形式传输数据的信道城模拟信道，相应的通信系统为模拟通信系统,40,通信线路连接方式,点-点连接方式点-多点连接方式集线连接方式,41,通信线路的通信方式,单工通信传送的信息始终是一个方向；半双工通信信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输；全双工通信能同时作双向通信,42,数据传输方式,基带传输：局域网的主要传输形式传送的是数字信号，即矩形脉冲序列单信号传送，同一时刻仅为一个用户使用信号波形易衰减和畸变频带传输传送的是模拟信号，即经过数据信号调制的载波可频分多路复用宽带传输异步传输模式ATM(asynchronoustransfermode),43,多路复用技术,在点-点通信方式中，两点间的通信线路是专用的。利用率很低多个数据源合用一条传输线,44,FDM(频分复用)FrequencyDivisionMultiplexing在频率上并排地把几个信息通道合在一起以便形成一个合成的信号以某种调制方式用这个合成的频分多路复用信号来调制载波TDM(时分复用)TimeDivisionMultiplexing信号分割的参量是信号占用的时间在传输时把时间分成小的时间片，每一时间片由复用的一个信号占用WDM(波分复用)WavelengthDivisionMultiplexing,复用类型,45,频分多路复用FDM,46,时分多路复用TDM,47,波分多路复用:FDM的变形,48,FDM与TDM的比较,性质FDM是多用户同时使用同一条通信线路，适合于传送模拟信号TDM是多个用户分时使用同一条通信线路，占其全部带宽，适合传送数字信号实现技术TDM实现技术复杂，使用设备少FDM实现技术较简单，使用设备多(MODEM)应用在基带局域网中大多采用TDM在宽带网中，采用FDM,49,数据交换技术,线路交换方式存储转发交换方式报文交换方式分组交换方式虚电路分组交换方式,50,线路交换方式,通过网络节点，在源节点与目的节点间建立物理通路连接，供数据传送用线路建立时间长，一单线路建立起来，信息传输延迟时间短。适于传输即时性的交互式信息,51,存储转发交换方式,网络中继节点接收由源节点发来的数据，存储起来，待信道空闲时再把信息转发给下一个节点，朝目的节点转发(Storeandforward)与线路交换的主要区别在于发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按一定格式组成一个数据单元报文或报文分组通信站点的通信控制处理器要完成数据单元的接收、差错校验存储路选、转发,52,存储转发交换方式,优点由于通信控制可存储报文（分组），因此可多个报文分时共享通信信道，线路利用率高具有路选功能，可动态选择报文通过网络最佳路径，平滑通信量，提高系统效率可对不同通信速率的线路进行速率变换，数据代码格式进行转换存储转发报文交换分组（信息包）交换虚电路业务服务数据报业务服务,53,存储转发交换方式,报文交换方式(MessageSwitching)发送者以报文为单位发送，交换节点按报文存储转发每次转发一个相邻的链路，直到目标节点收到为止报文交换控制简单，没有信息的拆装问题，易于实现,54,存储转发交换方式,分组交换方式把长的报文分成若干较短的报文组，以报文组为单位进行交换交换单位要包含分组编号，各组报文可按不同的路径传输各组报文到达目标节点后，目标节点按报文分组编号重组报文,55,报文分组交换的特点,报文被分组后，各报文组可选择不同路径传输，使得数据传输灵活，对中继节点存储容量的要求小转发延时性降低转发差错少，对差错容易进行恢复处理便于控制转发。在信息传输中，允许被打断对报文的重组，增加了目的节点对报文加工处理时间，增加了复杂性,56,小结：数据通信技术的基本内容(1),数据通信的基本概念信息、数据、信号数据通信系统的基本结构数据信