轨道交通列车网络控制技术课件：数据通信基础

轨道交通列车网络控制技术

数据通信基础4学习重点(1)理解通信基础常见的基本概念。(2)掌握通信系统的各组成部分及功能。(3)理解数据编码过程。(4)掌握通信信号数据的传输方式。(5)掌握数据交换方式。u能力目标：(1)能根据应用场景选择通信方式。(2)能分析信号差错的产生及处理方法。培养学生的自主学习与持续发展能力，并主动关注行业动态和新技术发展

，学习新的知识和技能，以适应行业发展的需求。u知识目标：(1)理解通信基础常见的基本概念。(2)掌握通信系统的各组成部分及功能。(3)理解数据编码过程。(4)掌握通信信号的数据传输方式。(5)掌握数据交换方式。u素质目标：学习目标2目

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1

任务一2

任务二任务三通信基础知识数据编码数据交换数据传输任务四433任务一通信基础知识451.

信

息u定义：信息是对客观事物特征和运动状态的描述，其形式表现为数字、文字、声音、图形、图像等。u信息是通信系统传输和处理的对象，是人类对自然界和社会不同事物的描述。2.

数

据u定义和分类：数据是传递信息的实体。数据可以分为模

拟数据和数字数据两种。u模拟数据：用于描述连续变化量的数据，如声音、温度、速度等。u数字数据：用于描述不连续变化量(离散值)的数据称为，如文本信息、图像、整数等。一、

基本概念

一、

基本概念3.

信

号u定义：信号是数据在传输过程中的电磁波表示形式。信号可以分为模拟信号和数字信号两种。u模拟信号是一种连续变化的信号，其波形可以表示成一种连续的正弦波。u数字信号是一种离散信号，最常见也是最简单的数字信号是二进制信号，用数字“1”和数字“0”表示，其波形是一种不连续方波。图2-1模拟信号和数字信号6

一、

基本概念4.

信

道u定义：信道是传输信号的通道，由传输介质及相应的附属信号设

备组成。u分类：信道可分为逻辑信道和物理信道。

一条线路可以是一条信道(一般称为物理信道)，这条线路上可以有多条逻辑信道，如一条光纤可以供上千人通话，就有上千个逻辑信道。通常所讲的信道都是指逻辑信道。根据信道传输的信号不同，信道又可以分为模拟信道和数字信道。75.

带

宽u定义：数据信号传送时，信号能量或功率的主要部分集中的频率范围称为信号带宽。u若通信线路不失真地传送2MHz或10MHz的信号，则该通信线路的带宽为2

MHz或10MHz。u信道上能够传送信号的最大频率范围称为信道带宽，信道带宽大于信号带宽。6.

总

线u定义：总线是将信息从一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗地说，总线就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz来描述总线频率。一、

基本概念8二、通信系统(一)

通信系统的组成(

1)

定义：

通信系统是传递信息所需的一切技术设备和信道的总和。(2)

分类：u按消息的物理特性，通信系统可分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等；u按调制方式，可分为基带传输系统和频带(调制)传输系统；u按传输信号的特征，又可分为模拟通信系统和数字通信系统等。典型的数字通信系统的一般模型如图2-2所示。图2-2典型的数字通信系统的一般模型9u基本功能：将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源输出的原始电信号变换为适合在信道中传

输的信号，通常包括编码器和调制器等。u发送设备的编码常常又可分为信源编码与信道编

码两部分。u

信源编码：将模拟信号转数字信号(A/D转换)

；提高信息有效性(如压缩)

。u

信道编码：按一定的规则在传输的信息码元中加入监督码元，进行差错控制编码。u信息源是信息的产生者。其作用是把各种可能的信息通过相应的传感器转换成电信号。

信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源

和离散信息源。u信息接收者是信息的使用者。在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化的信息。这些信息可能是原始数据，也可能是经计算机处理后的结果，还有可能是某种指令或标志。二、通信系统(二)

通信系统各组成部分的功能1.

信息源和接收者2.

发送设备10二、通信系统(二)

通信系统各组成部分的功能3.

传输介质u定义：传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介。u类型：可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输介质，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。4.

接收设备u功能：完成发送设备的反转换，即进行解调、译码、解密等。u任务：在带有干扰的信号中正常恢复出原始信息；对于多路复用信号，还包括解除多路复用、实现正确分路等。5.噪声源u噪声源不是人为加入的，而是通信系统中各种设备以及传输介质中噪声与干扰的集中表示。

介质在传输过程中必然会引

起某些干扰11任务二数据编码12模拟数据与数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示和传输。在一定条件下，可以将模拟信号编码成数字信号，或将数字信号编码成模拟信号。其编码信号有4种，如图2-3所示。一、

数据编码类型图2-3数据编码类型13

二、数据的调制解调技术

若模拟数据或数字数据采用模拟信号传输，须采用调制解调技术。在目前的实际应用中

，数字信号通常

采用模拟通信系统传输

，如通过传统电话线上网时，数字信号就是通过模拟通信系统(公用电话网)传输，如图2-4所示。141414图2-4数据的调制解调u调制：为了利用模拟语音通信的传统电话网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号转换

成能够在公用电话网上传输的模拟信号。u解调：经传输后在接收端将话音信号逆转换成对应的数字信号，这个过程称为解调。u实现数字信号与模拟信号互换的设备称为调制解调器

(Modem)。

二、数据的调制解调技术

模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0、1状态。幅度、

频率、

相位是描述模拟信号的参数，可以通过改变这三个参数实现模拟数据编码。151515u幅移键控(ASK)中，载波信号的频率、相位不变，幅

度随调制信号变化。调制后如图2-5(b)u

频移键控(FSK)中，载波信号的频率随着调制信号而变化，而载波信号的幅度、相位不变。调制后图2-5(c)u

相移键控(PSK)中，载波信号的相位随着调制信号而变化，而载波信号的幅度、频率不变。调制后图2-5

(d)数字数据调制3种基本技术：幅移键控

(ASK)

、频移键控

(

FSK)

和相移键控

(

PSK)

。在实际应用中，以上3种调制技术通常结合起来使用。

图2-5三种模拟数据编码调制后的信号波形三、数据的编码解码技术若模拟数据和数字数据采用数字信号传输，须采用编码解码技术。1.

模拟数据的编码信号。u脉冲编码调制模拟信号数字化的3个步骤分别是：采样、量化、编码。(1)采样：以采样频率把模拟信号的值采出，如图2-6所示。在数字化的电话交换和传输系统中，通常需要将模拟语音数据编码成数字信号后再进行传输。通常使u脉冲编码调制技术以采样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行周期性采样，以有效信号最高频率的两倍或两倍以上的速率对该信号进行采样，通过低通滤波器可不失真地从这些采样值中重新构造出有效用的一种方法称为脉冲编码调制技术。图2-6采样16三、数据的编码解码技术

(2)量化：使连续模拟信号变为时间轴上的离散值。如在图2-7中采用8个量化级，每个采样值用3位二进制数表示。

图2-7量化(3)编码：将离散值变成一定位数的二进制码

，如图2-8所示。171717图2-8编码三、数据的编码解码技术2.

数字数据的编码数字信号可以直接采用基带传输，基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。基带传输需要解决数字数据的数字

信号表示及收发两端之间的信号同步两个方面的

问题。数字数据的编码方式主要有3种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼特斯特编码

，如图2-9所示。图2-9数字信号编码18三、数据的编码解码技术2.

数字数据的编码u不归零码可以用负电平表示逻辑“1”，用正电平表示逻辑“0”，反之亦然。缺点是发送方和接收方不能保持同步，需采用其他方法保持收发同步。u曼彻斯特编码每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号，从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”。u差分曼特斯特编码每位中间的跳变仅提供时钟定时，用两种曼彻斯特编码具有自同步能力和良好的抗干扰性能。每位开始时有无跳变来表示数据信号，有跳变为“0”，无跳变为“1”。图2-9数字信号编码19任务三数据传输20

一、

并行传输和串行传输在数字通信中，传输方式分类：u按每次传输的数据位数可分为：并行传输和串行传输1.

并行传输采用并行传输方式时，多个数据位同时在通信设备间的多条通道上传输，并且每个数据位都有自己专用的传输通道。这种传输方式的数据传输速率相对较快，适合在近距离数据传输中使用。若在远距离传输中采用这种工作方式，则需要支出较高的费用。其工作情况如图2-10所示。图2-10并行传输21由于设备内部往往以并行方式传输数据，所以在数据传输至线路之前需先被送入发送端的并/串行

转换器，通过这个转换器，数据将逐位传至线路上。而在数据到达目的地时，数据则需先进入接收端的串/并行转换器实现逆转换过程，使数据传输从串行方式转换成并行方式，如图2-11所示。串行传输只需一个传输通道，因而它具有简单经济、易于实现的特点。与并行传输相比，串行传输在远距离传输和位数较多的情况下具备更为明显的优势。然而数据传输速率较低是这种传输方式的不足之处。2.

串行传输采用串行传输方式时

，数据将按照顺序一位接一位地在通信设备之间的一条通道上传输。一、

并行传输和串行传输图2-11串行传输22但让两个独立时钟实现精准同步难度较大，目前主要通过异步传输和同步传输这两种方式，来解决收发端的时钟同步问题。串行传输时数据逐位依次传输，每位数据的发送与接收都由时钟脉冲控制。发送端依靠发送时钟确定数据位的起止，接收端则需在合适时刻对数据流采样，收发双方必须保持同步，否则会产生时钟漂移，引发数据传输错误。二、异步传输与同步传输在数字通信中，传输方式分类：u按数据传输的同步方式可分为：同步传输和异步传输23二、异步传输与同步传输1.

异步传输异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这

些比特组

，而接收方不知道它们会在什么时候到达。解决办法每次异步传输的信息都有一个起始位开头

，它通知接收方数据到达了，这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间，在传输结束时，一个停止位表示该次传输信息的终止。异步传输潜在问题即接收方并不知道数据会在什么时候到达。在它检测到数据并做出响应之前，第一个比特已经过去了。异步传输的实现比较容易，每个信息都加上了“同步”信息，因此，计时的漂移不会产生大的积累，但却产生了较多的开销。在书上的例子，每8个比特要多传送两个比特，总的传输负载就增加25%。因此，异步传输常用于低速设备。24同步传输采用更大的比特分组进行发送，不再为每个字符单独添加开始位和停止位独立传输，

而是将多个字符组合成数据帧

(简称

，

帧)

统一发送。帧的开头设有同步字符，作为独特比特码，既通知接收端帧已到达，又用于校准采样速度，实现收发时钟同步；帧末尾则有帧结束标记，标识当前帧传输完毕。u同步传输优点：

同步传输通常要比异步传输快得多，接收端无需逐字符处理起止位；且传输开销更低，数据量越大，开销占比越小。u同步传输缺点：

但数据比特位越长，缓存数据所需要的缓冲区也越大

，这就限制了一个帧的大小。另外，帧越大，它占据传输媒体的连续时间也越长。在极端的情况下，这将导致其他用户等得太久。同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的，字符与字符间的传输是同步无间隔的。异步传输方式并不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是异步的。二、异步传输与同步传输同步传输2.25(3)异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是从数据中抽取同步信息。(5)异步传输相对于同步传输效率较低。(4)异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。二、异步传输与同步传输3.

同步传输与异步传输的区别(1)异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。(2)异步传输的单位是字，而同步传输的单位是帧。26三、通信线路的工作方式根据数据在通信线路上的传输方向及其与时间的关系，串行数据通信可分为三种方式：单工方式、半双工方式和全双工方式。1.

单工方式单工方式只允许数据始终在一个固定方向上传输。如图2-12所示，对于站点A、B而言，只有A能够向传输线路上发送数据，而B却只能从线路上接收数据。也就是说，在这种方式下数据的流向只能是从A到B，而不是从B到A。图2-12单工方式27三、通信线路的工作方式2.

半双工方式半双工方式允许数据在两个方向上传输，但在某一时刻，如图2-13所示，采用半双工方式时，

数据可以由A传向B，也可以由B传向A。从这个角度讲，这种方式似乎是双向工作方式，但由于A、B之间只有一个传输通道，所以信号只能分时传送。换言之，在某一时刻只能进行一个方向的传输

，而不能

进行双向传输

，

故将其称为半双工方式。在这种工作方式

下，或者A发送数据，由B进行接收；或者B发送数据，由

A接收。当不工作时，令A、B均处于接收方式，以便随时

响应对方的呼叫。图2-13中的收发转

换开关并不是物理

开关

，而是由软件

控制的电子开关。数据只被允许在一个方向上传输。图2-13半双工方式28三、通信线路的工作方式3.

全双工方式采用半双工方式时，同一时刻只能工作在一种方式下的特点正是该方式效率不高的根本原因。解决的方法就是增加一条传输通道

，允许数据同时在两个方向上传输

，这种方式就是全双工方式。如图2-14所示，站点A、B均可以同时接受数据的接收和发送。正是因为全双工方式下存在两条传输通道，所以不再通过开关的切换便可实现双向传输，从而提高了传输效率。全双工相比半双工传输速率更高，但需要增加一条传输通道，成本更高；实际应用(尤其是异步通信)

多采用半双工，虽传输效率较低，但线路简单、实用性强。图2-14全双工方式29u基带是原始信号所占用的基带频率，也就是原始数字信号调制以前所占有的频带宽度。基带传输是指在线路上直接传输基带信号或略加整形后进行的传输。u在基带传输中

，整个信道只传输一种信号，因此通信信道利用率低。数字信号被称为基带数字信号

，在基带传输中，需要对数字信号进行编码后再传输。u基带传输是一种最简单、最基本的传输方式。基带传输过程简单，设备费用低，基带信号的功率衰减不大，适用于近距离传输。在局域网中通常使用基带传输技术。四、通信信号的传输方式

1.

基带传输303030基带传输频带传输就是先将基带信号变换(调制)成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号(称为频带信号)，再将这种频带信号在模拟信道中传输。计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。基带信号与频带信号的转换是由调制解调器完成的。远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话(电话信道)只是用于传输音频范围(300~3400Hz)的模拟信号，不适合用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字

基带信号。四、通信信号的传输方式2.

频带传输31宽带：指比音频带宽更宽的频带，涵盖大部分电磁波频谱的频带，是一种相对概念，并没有绝对的标准。宽带传输系统：可容纳广播、实现高速数据传输；能将一个宽带信道划分为多个逻辑基带信道，在同一物理信道中综合传输声音、图像、数据。带宽：指数据信号传送时所占据的频率范围，描述带宽的单位为“比特/秒”四、通信信号的传输方式

3.

宽带传输323232宽带线路和窄带线路上信息的传播速率是一样的。如果用“汽车运货”来比喻“宽带线路”和“窄带线路”，

它们的关系如图2-15所示。宽带传输必采用频带传输技术

，但频带传输不一定是宽带传输。图2-15“宽带线路”与“窄带线路”的比较差错就是在数据通信中，接收端接收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致

的现象。例如，数据传输过程中位丢失，发

出的数据位为“0”，而接收到的数据位为“1”，或发出的数据位为“1”，而接收到

的数据位为“0”，如图2-16所示。差错的产生是由噪声引起的。图2-16差错产生的过程根据产生原因的不同可把噪声分为两类：热噪声和冲击噪声。五、差错控制技术33u热噪声又称为白噪声

，是由传输介质的电子热运动产生的

，

它存在于所有电子

器件和传输介质中。

热噪声是温度变化的结果

，不受频率变化的影响。u热噪声在所有频谱中是以相同的形态分布的，它是不能消除的，由此对通信系统性能构成了上限。u例如，线路本身电器特性随机产生的信号幅度、频率与相位的畸变和衰减。u冲击噪声呈突发状

，

常由外界因素引起

，其噪声幅度可能相当大

，是传输中

的主要差错。u例如，大气中的闪电、电源开关的跳火、自然界磁场的变化以及电源的波动等外界因素所引起的噪声都属于冲击噪声。五、差错控制技术

根据产生原因的不同可把噪声分为两类：热噪声和冲击噪声。3434342.

冲击噪声1.

热噪声反馈重发检错方法又称自动请求重发(Automatic

Repeat

reQuest，ARQ)，是利用编码的方法在数据接收端检测差错。

当检测出差错后，设法通知发送数据端重新发送数据，直到无差错为止，如图2-17所示。反馈重发检错方法只使用检错码。六、差错控制方法1.

反馈重发检错方法图2-17反馈重发检错方法35前向纠错方法(Forward

Error

Correction，FEC)中

，接收数据端不仅对数据进行检测

，而且当检测出差错后还能利用编码的方法自动纠正差错，如图2-18所示。前向纠错方法必须使用纠错码。六、差错控制方法2.

前向纠错方法图2-18前向纠错方法36任务四数据交换37数据经编码后在通信线路上进行传输，最简单的形式是用传输介质将两个端点直接连接起来进

行数据传输。但是，每个通信系统都采用把收发两端直接相连的形式是不可能的，一般都要通过一个由多个节点组成的中间网络来把数据从源点转发到目的

点，以此实现通信。这个中间网络不关心所传输的数据内容，只是为这些数据从一个节点传输到另一个节点直至目的节点，一般的交换网络拓扑结构如图2-19所示。u数据交换是多节点网络中实现数据传输的有效手段。u常用的数据交换有电路交换和存储交换两种方式，存储交换又可细分为报文交换和分组交换。图2-19交换网络拓扑结构38传输数据和拆除电路3个阶段。1.

建立电路在传输任何数据之前

，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。如图2-20所示，若H1站要与H2站连接，H1站先要向与其相连的A节点提出请求，然后A节点在有关联的路径中找到下一个支路B节点，在此电路上分配一个未用的通道，并告诉B节点它还要连接C节点；接着用同样的方法到达D节点完成所有连接；再由主机H2发出应答信号给主叫用户主机H1，这样通信链路就接通了。只有当通信的两个站点之间建立起物理链路之后，才允许进入数据传输阶段。电路交换的这种“连接”过程所需时间的长短，与连接的中间节点的个数有关。电路交换也叫线路交换，是数据通信领域最早使用的交换方式。电路交换通信包括建立电路、一、