列车通信网络数据通信-文档资料

1、1北京交通大学 电气工程学院2o高速列车与动车组-采用通信网络的必要性o工业数据通信基础o计算机网络知识o现场总线与嵌入式系统o微机控制与列车通信网络o网络通信项目实例3o在生产设备之间传递数字信息在生产设备之间传递数字信息o工业数据通信用以满足信息社会对基础设备与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过程数据信息的需求n数字地球、数字北京、数字数字地球、数字北京、数字n传递工农业生产过程、大气环境监测、各类交通、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楼宇等系统中设备的数字化信息4o数据通信是计算机网络的基础o信息与数据：n信息是用以对客观

2、世界直接描述的、在人们之间传递的知识；n数据是信息的具体表现形式：“1”-开关合，“0”-开关断；n很多场合难以区分：数据交换=信息交换o数据通信：两台计算机之间数据交换的过程n数字数据：二进制的0，1n模拟数据：声音的强弱变化o数据要变换为信号才能传送：电、光、磁信号n模拟信号：连续的电磁波n数字信号：电压脉冲序列o数字通信：传送数字信号，代表0，1的脉冲5信息源接收者传输介质编码调制发送设备译码解调接收设备噪声干扰模拟：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6o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；o接收设备：从带

3、有干扰的信号中正确恢复出原有信号，解码、解密o典型的发送接收设备有：n各种变送器、传感器；n各种数据采集装置，(PLC,PID)控制器；n作为监视操作设备的监控计算机或工作站；n各种调节阀门、电机控制设备、变频器、机器人；n网络连接设备，如中继器、网桥、网关等7o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o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o传送通信控制信号和传送数据o数据传送结束:双方通过控制信息确认此次通信结束o通知交换机通信结束:可切断物理连接8o传输速率：衡量传输的有效性，数量n

4、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n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n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o结论： 数据传输率n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n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n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NVR2log9o数据速率 = 2 x 信号速率0110000+90+180+2701110o带宽：所能传输信号的频率范围n信号带宽：信号占据的频率范围n线路带宽：能

5、不失真地传送信号的频率范围o容量：每秒钟所能传输的比特数（速率）n理想信道n有噪声信道传输介质11n 最大数据率最大数据率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bpsC =2Blog2 nB = 带宽带宽n = 信号电平级数信号电平级数话音级线路的话音级线路的信道容量计算信道容量计算 (3000 Hz)2B Baud =12S/N 信噪比（dB分贝）C =B log2 (1+SN)S/Ndb = 10 log10 S/N13o位同步(Bit synchronous)n外同步n自同步o字符同步(character or word sync

6、hronous)n异步n同步o帧同步(frame synchronous)14o外同步n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o自同步n接收方从数据波形中提取同步信号1 1 1 0 0 1 0发方收方1 1 1 0 0 1 0接收的数据15o字符同步n异步制n同步制b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b1 b2 b3 b4 字符同步正确（一个字符）字符同步错误（一个字符）16o异步方式n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n传送控制简单，实现容易8位代码，包括1

7、位校验起始位停止位17o同步方式n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。n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。n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n不传输数据时，线路上是全“1”或“010101”SYN SYNSYN SYN A B C D 18o异步方式和同步方式的比较n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；n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 传输效率传输效率 传送速度传送速度 传输控制传输控制 错误重发错误重发 额外开销额

8、外开销 字符间隔字符间隔异步方式异步方式 较低较低 较慢较慢 简单简单 一个字符一个字符 大大 任意任意同步方式同步方式 较高较高 较快较快 复杂复杂 一组字符一组字符 小小 无间隔无间隔19o帧同步（块同步）n在字符同步基础上的字符串级同步n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n分组可分为报文分组、HDLC帧、T1载波帧等。帧头 控制域校验域 帧尾数据域 A B C D 20o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n通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来n电报通信的莫尔斯码、BCD码、ASCII码21美国标准信息交换码ASCII22o通信系统中以何

9、种物理信号的形式来表达数据。n数字数据编码o数字数据的数字信号编码o数字数据调制编码n模拟数据编码o模拟数据的数字信号编码o模拟数据调制编码23话音话音电话电话模拟模拟模拟数据模拟数据,模拟信号模拟信号数字数字Modem模拟模拟数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数字数字传输数字传输数字数字数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟模拟CODEC数字数字模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号24DecoderDemodulatorEncoderModulator编码和调制编码和调制25o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n调幅ASK (amplitud

10、e-sheft keying)n调频FSK（frequency -sheft keying ）n调相PSK (phase-sheft keying）o绝对调相o相对调相n复合调制：由以上三种调制方式构成26270110000+90+180+270112816-QAM（正交振幅调制）：使用振幅和相位的16种组合4529o解调：调制的反过程，鉴幅、鉴频、鉴相n调频方式的调制器n调频方式的解调器o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30o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n可利用电话交换网：面广、价低、成熟o利用数字信道直接传输数字数据信号基带

11、传输n高速率、高效率o数字数据在数字信道上传送需要数字信号编码31o单极性码 信号电平是单极性的。o双极性码 信号电平为正、负两种极性的。o归 零 码 在每一位二进制信息传输后均返回零电平。o非归零码NRZ(non-return to zero) 在整个码元时间内维持有效电平。o差 分 码 用电平的变化与否代表0和1o曼彻斯特编码Manchestero差分曼彻斯特编码Difference Manchester32o表示二进制数据非常方便o不宜在通信线路上直接传送n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）n由于单极性，具直流分量且随传送的数据不同而变化，

12、引起通信线路电压漂移0 0 1 1 0 133o编码规则n(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”n(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0 0 1 1 0 1MDM3435o编码特点n每个二进制位中间电位跳变，可作发方时钟自同步n可使编码信号电平直流分量为零，利于通信线路设计n编码后的信号频率提高一倍，导致要求通信线路带宽增加n编码效率较低36时钟37o将每4位数据编码成5位符号数据4Bit输入5Bit码组数据4Bit输入5Bit码组0000011110810001001010001010019100110

13、0112001010100A1010101103001110101B1011101114010001010C1100110105010101011D1101110116011001110E1110111007011101111F11111110138模拟话模拟话音音采样时钟采样时钟PAM 信号信号PCM 信号信号采样电路采样电路量化和比较量化和比较 数字化数字化声音声音n脉冲编码调制PCM(pulse code modulation):数字信号承载模拟数据nPCM操作基本上包括n采样n量化n编码39o采样信号：基于nyquist理论011100011011001100 原始信号 PAM脉冲 P

14、CM 脉冲 有量化误差011100011011001100 PCM 输出输出3433143.23.92.83.41.24.240o数字信道和模拟信道n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n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41o点-点连接方式o点-多点连接方式o集线连接方式计算机MODEMMODEM终端计算机MODEMMODEM终端MODEM终端MODEM终端终端终端终端计算机集中器42o单工通信 传送的信息始终是一个方向；o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；o全双工通信 能同时作双向通信43o

15、基带传输：局域网的主要传输形式n传送的是数字信号，即矩形脉冲序列n单信号传送，同一时刻仅为一个用户使用n信号波形易衰减和畸变o频带传输n传送的是模拟信号，即经过数据信号调制的载波n可频分多路复用o宽带传输n异步传输模式ATM(asynchronous transfer mode)44复用：共享使用公共信道 DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道MUXo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o多个数据源合用一条传输线45oFDM (频分复用) Frequency Division Multiplexingn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n以某

16、种调制方式用这个合成的频分多路复用信号来调制载波oTDM (时分复用) Time Division Multiplexingn信号分割的参量是信号占用的时间n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oWDM (波分复用) Wavelength Division Multiplexing46CH2CH1CH3原始带宽原始带宽CH1CH2CH3频分后带宽频分后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用带宽复用f47A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据复用后数据时隙时隙1234D3D2D148F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱F2F1F3 光谱光谱 光纤

17、光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光纤采用无源设备，更可靠采用无源设备，更可靠棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅49o性质nFDM是多用户同时使用同一条通信线路，适合于传送模拟信号nTDM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o实现技术nTDM实现技术复杂，使用设备少nFDM实现技术较简单，使用设备多(MODEM)o应用n在基带局域网中大多采用TDMn在宽带网中，采用FDM50o线路交换方式o存储转发交换方式n报文交换方式n分组交换方式n虚电路分组交换方式51o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o线路建立时间长，一单线路建立起来，信息传输延迟

18、时间短。o适于传输即时性的交互式信息52o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(Store and forward)o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o通信站点的通信控制处理器要完成数据单元的n接收、差错校验n存储n路选、转发53o优点n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n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n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o存储转发n报文交换n分组（信息包）交换o虚电路业务服务o数据报业务服务54o报文交换方式(Message Switching)n发送者以报文为单位发送，交换节点按报文存储转发n每次转发一个相邻的链路，直到目标节点收到为止n报文交换控制简单，没有信息的拆装问题，易于实现报文号报文号 目的