城市轨道交通网络技术基础 （第2版）课件 -项目2 数据通信基础知识

项目2数据通信基础知识

数据，究竟是什么？它宛如隐匿于数字世界的神秘密码，驱动着现代生活的方方面面。从日常手机中的聊天记录、购物订单，到科研机构里复杂的实验数据，数据无处不在。那这些数据源自何方？是你指尖在屏幕上的每一次点击，是传感器对环境信息的实时捕捉，还是智能设备对生产流程的精准记录？而数据通信，又是凭借怎样的神奇魔力，让数据在不同设备间穿梭自如，实现跨越地域的信息交互？让我们带着这些饶有趣味的问题，一同深入数据通信技术的奇妙世界。在探索过程中，我们不仅能深度洞悉网络运行的底层逻辑，更能领略到我国在数据通信领域从追赶到超越的辉煌历程，从中升腾起强烈的民族自豪感。知识链接学练结合课后作业任务一

数据通信概述Contents数据通信概述→工作情境地铁员工小王负责地铁通信系统的数据通信维护工作。随着地铁运营线路的扩展和智能化需求的提升，数据通信面临更高的要求。小王需要深入理解数据通信知识，在日常维护中，依据数据通信指标判断通信系统的性能。比如，当发现乘客信息显示屏数据更新延迟时，运用传输速率、延迟等知识排查是传输线路问题，还是通信方式的影响。在规划新线路通信系统时，要综合考虑地铁环境对通信可靠性、抗干扰性的特殊需求，选择合适的数据通信方式和传输媒体，如采用光纤通信满足大容量数据传输，保障地铁通信系统稳定运行，为地铁运营提供可靠支持。数据通信概述知识目标：1.理解数据通信的基本概念，包括信息、数据、信号的定义及相互关系，掌握信道、数据传输、多路复用等常用术语。2.熟知数据通信的主要指标，如传输速率、信道带宽、信道容量、误码率、吞吐量和延迟的含义及作用。3.掌握数据通信方式的分类，包括按传输方向（单工、半双工、全双工）和传输媒体（电缆、微波中继、光纤、卫星、移动通信）分类的各类方式特点。数据通信概述技能目标：1.能够根据实际需求，选择合适的数据通信方式和传输媒体，并阐述其选择依据。2.学会运用数据通信指标知识，分析和评估数据通信系统的性能，如判断网络传输速率是否满足业务需求。3.能识别和解决数据通信中的常见问题，例如依据误码率判断传输故障并采取相应措施。数据通信概述素养目标：1.培养逻辑思维素养，在学习数据通信知识时，梳理各概念、指标和通信方式之间的逻辑联系，构建系统的知识体系。2.树立工程实践素养，在考虑数据通信方案时，充分结合实际工程中的成本、可靠性、适用性等因素，做出合理决策。3.提升创新思维素养，关注数据通信技术的发展趋势，思考如何将新技术应用于实际场景，如在地铁通信中探索新的数据通信方式。数据通信概述→知识导入数据通信是通信技术与计算机技术相结合的产物，它通过数据电路将远程的数据终端设备与计算机系统相连，实现数据的传输、交换、存储和处理。在数据通信中，所有信息均以二进制形式呈现。【插入微课：数据通信基础】数据通信系统具体如图2-1所示。一、数据通信的常用术语1.信息、数据和信号信息是客观世界中事物的运动状态和变化的反映，是事物之间相互联系和作用的表征，体现了事物运动和变化的实质内容。数据是信息的载体，可以表现为数字、文字、图像、声音等多种形式。在计算机网络中，数据通常以二进制编码的形式在网络中存储、处理和传输。信号是数据的电子或电磁表现形式，可分为模拟信号和数字信号。模拟信号的参数是连续变化的，如电话、传真和电视信号；数字信号则是离散的，变化是瞬时的，如电报符号和数字数据。一、数据通信的常用术语2.通信信道信道是数据传输的通道，包括传输介质及相关通信设备。在计算机网络中，信道分为物理信道和逻辑信道。物理信道是传输数据信号的物理通路，由传输介质和通信设备组成。逻辑信道则是在物理信道基础上，通过节点内部连接实现的虚拟通路。信道通常表示单向传输信息的媒体，因此通信线路通常包含一条发送信道和一条接收信道。一、数据通信的常用术语信道类型有以下三种。（1）单向信道（单工通信），数据只能单向传输，无反向交互，如电台广播。（2）双向交替通信（半双工通信），双方均可发送和接收消息，但不能同时进行，如对讲机。（3）双向同时通信（全双工通信），双方可同时发送和接收数据，如打电话。信号的类型一般有以下两种。一、数据通信的常用术语（1）基带信号（即基本频带信号）——来自信源的原始信号如图2-2所示，直接表达要传输的信息。例如，计算机输出的文字或图像数据信号，以及人说话的声波。一、数据通信的常用术语（2）频带信号——也称为带通信号，是基带信号经过载波调制后，频率范围被搬移到较高频段，以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）如图2-3。一、数据通信的常用术语3.数据传输数据传输是数据从一个地方传送到另一个地方的过程。传输信道可以是专用通信信道，也可以通过数据交换网、电话交换网或其他交换网络实现。4.多路复用多路复用是在一个物理信道中利用特殊技术传输多路信号，即在一个物理信道中创建多个逻辑信道，每个逻辑信道传输一路信息。常用的复用技术包括频分多路复用、时分多路复用、码分多路复用和波分多路复用等。一、数据通信的常用术语5.基本的调制方法基本的调制方法有三种如图2-4所示。（1）调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化；（2）调频（FM）：载波频率随基带数字信号而变化；（3）调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。一、数据通信的常用术语二、数据通信的主要指标1.传输速率传输速率是指单位时间内传输的比特数，用于衡量数字信道的传输能力。在计算机网络中，传输速率的单位通常为比特每秒（bit/s），常见的单位有kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等。2.信道带宽信道带宽是指信道中传输信号在不失真情况下的频率范围，是信道频率上界与下界之差，即信道的通频带。它是介质传输能力的度量，单位为赫兹（Hz）。信道带宽由信道的物理特性决定。二、数据通信的主要指标3.信道容量信道容量是指单位时间内信道上能传输的最大信息量，以比特率表示，单位为bit/s。信道容量通常与信道带宽成正比，带宽越大，容量越大。信道容量也常用信道带宽来表示。4.误码率误码率是指在传输过程中出现错误的比特数占总传输比特数的比例，用于衡量数据传输的可靠性。二、数据通信的主要指标5.吞吐量吞吐量表示网络或交换设备在单位时间内成功传输或交换的信息总量，单位为bit/s。它反映了网络的实际传输效率。6.延迟延迟（时延）是指数据从一个网络节点传送到另一个网络节点所需的时间。延迟受多种因素影响，包括网络设备、传输介质、网络协议等。硬件和软件都会对延迟产生制约，且延迟无法完全消除。三、数据通信方式分类1.按数据的传输方向分类（1）单工通信只支持数据在一个方向上传输，又称为单向通信。如无线电广播和电视广播都是单工通信，如图2-5所示。三、数据通信方式分类（2）半双工通信允许数据在两个方向上传输，但在同一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种可切换方向的单工通信。即通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收）。这种方式一般用于计算机网络的非主干线路中，如图2-6所示。三、数据通信方式分类（3）全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接收数据。如现代电话通信提供了全双工传送。这种通信方式主要用于计算机与计算机之间的通信，全双工通信如图2-7所示。三、数据通信方式分类2.按传输媒体分类（1）电缆通信。双绞线、同轴电缆等。调制方式：SSB/FDM。基于同轴的PCM时分多路数字基带传输技术。（2）微波中继通信。比较同轴电缆，易架设、投资小、周期短。模拟电话微波通信主要采用SSB/FM/FDM调制，通信容量6000路/频道。数字微波采用BPSK、QPSK及QAM调制技术。采用64QAM、256QAM等多电平调制技术提高微波通信容量，可在40M频道内传送1920~7680路PCM数字电话。三、数据通信方式分类（3）光纤通信是利用激光在光纤中长距离传输的特性进行的，具有通信容量大、通信距离长及抗干扰性强的特点。目前用于本地、长途、干线传输，并逐渐发展用户光纤通信网。（4）卫星通信。通信距离远、传输容量大、覆盖面积大、不受地域限制及高可靠性。目前，成熟技术使用模拟调制、频分多路及频分多址。数字卫星通信采用数字调制、时分多路及时分多址。（5）移动通信。移动通信是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。小组讨论：如果使用类比的方法，数据通信中的指标与概念，例如传输速率、信道容量、多路复用等，可以类比成哪些生活中可以常见到的事物？两人一组进行类比讨论。知识链接学练结合课后作业任务二

数据传输技术Contents→工作情境

随着地铁线路的增多和智能化程度的提高，数据传输量急剧增加，现有通信系统面临挑战。小张需要深入了解数据传输技术，评估当前地铁数据传输网络结构是否合理，例如判断当前采用的总线型网络结构在大量数据传输时是否存在瓶颈。同时，小张要研究多路复用技术，鉴于地铁不同业务（如列车运行监控、乘客信息服务）的数据传输特点，选择合适的复用技术来优化通信系统。比如，考虑到列车运行监控数据的实时性要求，判断时分多路复用是否能更好地满足需求；对于乘客信息服务中的多媒体数据传输，分析频分多路复用是否能提升传输效率。在日常维护中，若遇到数据传输中断或信号干扰等问题，小张要运用所学知识迅速排查故障，保障地铁通信系统稳定运行，为地铁安全高效运营提供有力支持。数据传输技术知识目标：1.掌握数据传输的基本概念，包括数据传输系统的组成、网络结构分类等。2.理解多路复用技术的定义、常用设备，并熟知频分多路复用、等技术分类及其基本原理。3.了解不同数据传输技术和多路复用技术在实际应用中的特点和场景。数据传输技术技能目标：1.能够根据实际需求，分析并选择合适的数据传输网络结构和通信协议，以确保数据在网络中的正确传输和交换。2.学会运用多路复用技术知识，根据具体场景选择合适的复用技术，如在地铁通信中，依据数据流量、传输距离等因素，判断是采用时分多路复用还是频分多路复用更合适，并能阐述理由。3.能识别和解决数据传输和多路复用过程中的常见问题，例如当多路复用后的数据出现干扰或传输速率不达标时，能够运用所学知识排查原因并提出解决方案。数据传输技术素养目标：1.培养逻辑思维素养，学习数据传输及多路复用技术时，梳理知识逻辑，构建体系，理解两者内在联系。2.树立工程实践素养，制定数据传输与多路复用方案，结合成本、可靠性等因素，平衡技术与成本投入。3.提升创新思维素养，关注技术前沿，思考将新技术用于现有场景，探索在地铁通信中创新应用的可能一、数据传输概述数据传输技术主要用于计算机与计算机或计算机数据库之间、计算机与终端之间、终端与终端之间的信息通信或情报检索。典型的数据传输系统由主计算机(host)或数据终端设备(DTE-dataterminialequipment)、数据电路终端设备及数据传输信道(专线或交换网)组成。数据的传输过程是DTE把人们要传送的文字、图像或语言信息经机电转换、光电转换或声电转换的人机接口变成设备内的电信号，再通过DCE变成适合信道传输的信号送到数据传输信道。接收端的DCE将线终信号还原后输入计算机，最后还原成文字、图像或语言信息。数据终端设备隶属于通信网用来发送或接收数据或收发两用的设备。它的分类，按人机联系方式可分接触(如键盘)、语音或图像终端；按传输方式可分同步、异步终端，并可按传输速率分类。在情报数据传输中，常用的DTE有视觉显示器、电传打字机和传真机。国外还推出智能用户电报终端(TTX-Teletex)。一、数据传输概述1.数据传输网络是由数据终端设备、数据电路终端设备、数据交换设备和传输信道组成的传输系统，以某种拓扑形式通过各种接口电路相互连接而成的一种网络。数据在网络中的传输必须遵循某一共同的通信协议。网络的功能是保证网络内各终端间数据的正确传输和交换。典型的数据传输网络除采用专线组成的专用网外，还采用公共通信网，主要有公众电话交换网(PSTN)和公众数据网(PDN)。国外已在发展综合业务数字网(ISDN)。数据传输网络示意图如图2-8所示。一、数据传输概述一、数据传输概述.网络结构可按几个方面进行分类：按传输距离可分局部网和广域网；按拓扑形式可分总线网、星形网、环形网、树状网和网状网；按交换方式可分信息交换、电路交换和分组交换。通信协议是网络涉及的各通信设备在通信传输中必须共同遵循的一种规程，它的功能是保证数据在传输前最佳路由的选择、信道或链路的建立和建立后信道的同步和维持以及数据在转移过程中格式和顺序的正确、流量的控制、差错的检出和纠正等。不同的通信网络均有各自不同的通信协议，在计算机通信中不同型号的计算机也采用各自的通信协议。同步串行链路协议有:美国IBM的二进制同步通信(BSC)和同步数据链路控制(SDLC)、DEC的数字数据通信电文协议(DDCMP)、UNIVAC公司数据链路控制(UDLC)、BURROUGH公司数据链路控制(BDLC)、美国国家标准ANSI的先进数据通信控制协议(ADCCP)等。异步串行链路协议是一种由起单元、信息单元和止单元组成的起止方式。其中除起单元占1个单元外,信息单元根据不同电码从5单位至8单位而不同,止单元占1或1.5或2个单元可选用。异步方式主要用在终端与计算机或终端与终端之间的通信。同步方式则用在计算机与计算机之间的通信。国际上常用的同步协议有国际标准化组织(ISO)的开放系统互联(OSI)、高级数据链路控制(HDLC)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)的CCITTX.25协议等。一、数据传输概述3.接口电路数据传输网络中的接口电路是指该网上各种硬件设备相互连接的界面，它的功能是完成相互连接设备在通信时要求实现的相互控制、信号转换和阻抗匹配，诸如操作顺序控制、启停控制、电号转换、码型转换、速率转换和规程转换等。典型的电路如DTE与DCE间不同标准的CCITTV.10、V.11、V.24和V.28等。DCE与信道间不同调制速率和调制方法的CCITTV.21、V.22、V.23、V.25、V.26、V.27、V.29、V.32、V.33及X.20、X.21等。二、多路复用技术1.定义多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术，它可以有效地提高数据链路的利用率，从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务，也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输。多路复用技术是为了充分利用传输媒体，人们研究了在一条物理线路上建立多个通信信道的技术。多路复用技术的实质是，将一个区域的多个用户数据通过发送多路复用器进行汇集，然后将汇集后的数据通过一个物理线路进行传送，接收多路复用器再对数据进行分离，分发到多个用户。二、多路复用技术2.常用设备（1）多路复用器多路复用器是一种设备，能接收多个输入信号，按每个输入信号可恢复方式合成单个输出信号。复用器是一种综合系统，通常包含一定数目的数据输入，有一个单独的输出。电子学中，多路复用器（multiplexer或mux）能从多个模拟或数字输入信号中选择某个信号并将其转发，将不同的被选信号输出到同一个输出线路中。常见的多路复用器如图2-9所示。二、多路复用技术二、多路复用技术复用技术可能遵循以下原则之一，如：TDM、FDM、CDM或WDM。复用技术也应用于软件操作上，如：同时将多线程信息流传送到设备或程序中。使用多路复用器的目的是充分利用通信信道的容量，大大降低系统的成本。例如，对于一对电话线来说，它的通信频带一般在100kHz以上，而每一路电话信号的频带一般限制在4kHz以下。此时，信道的容量远大于一路电话的信息传送量。二、多路复用技术采用多路复用器，可使多路数据信息共享一路信道。当复用线路上的数据流连续时，这种共享方式可取得良好效果。显然，这样做比每台终端各用一根通信线路传送也更为经济。多路复用器总是成对使用的。一个连续终端，另一个在主机附近，它的作用是将接收的复合数据流，依照信道分离数据，并将它们送到对应的输出线上，故称为解多路复用器。二、多路复用技术多路复用器即数据选择器，用来将N个输入通道的数据复用到一个输出通道上，多路复用器在数字系统中有着非常重要的应用。4选1多路复用器的实现结构如图2-10所示。二、多路复用技术图2-10中有四路数据C0到C3，通过选择控制信号S2、S1（地址码）从四路数据中选中一路数据送至输出端z。数据选择器的真值表如表2-1所示。二、多路复用技术（2）多路分配器数据分配器根据约定规则再把高带宽信号分解为多个低带宽信号，能够将1个输入数据，根据需要传送到m个输出端的任何一个输出端的电路，又称为多路分配器，其逻辑功能正好与数据选择器相反。常见的多路复用技术包括频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）和码分多路复用（CDMA）其中时分多路复用又包括同步时分复用和统计时分复用。二、多路复用技术3.技术分类 （1）频分多路复用 频分多路复用技术FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）。频分多路复用利用通信线路的可用带宽超过了给定的带宽这一优点。频分多路复用的基本原理是：如果每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率是完全独立的，即各个信道所占用的频带不相互重叠，相邻信道之间用“警戒频带”隔离，那么每个信道就能独立地传输一路信号。频分多路复用流程图如下，其中A1、A2、A3代表原始信号，D1、D2、D3代表数字化信号，如图2-11所示。二、多路复用技术二、多路复用技术频分多路复用的主要特点是，信号被划分成若干通道（频道，波段），每个通道互不重叠，独立进行数据传递。每个载波信号形成一个不重叠、相互隔离（不连续）的频带。接收端通过带通滤波器来分离信号。频分多路复用在无线电广播和电视领域中的应用较多。ADSL也是一个典型的频分多路复用。ADSL用频分多路复用的方法，在PSTN使用双绞线上划分出三个频段：0~4kHz用来传送传统的语音信号；20kHz~50kHz用来传送计算机上载的数据信息；150kHz~500kHz或140kHz~1100kHz用来传送从服务器上下载的数据信息。二、多路复用技术（2）时分多路复用时分多路复用技术TDM（TimeDivisionMultiplexing）。时分多路复用将用于传输的时间划分为若干个时间片段，每个用户分得一个时间片。时分多路复用通信的各路信号在同一信道上占有不同时间片进行通信。由抽样理论可知，抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变成时间上的离散信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供条件。具体说就是把时间分成一些均匀的时间片，通过同步（固定分配）或统计（动态分配）的方式，将各路信号的传输时间配分在不同的时间片，以达到互相分开，互不干扰的目的。二、多路复用技术2021年，应用最广泛的时分多路复用是贝尔系统的T1载波。T1载波是将24路音频信道复用在一条通信线路上，每路音频信号在送到多路复用器之前，要通过一个脉冲编码调制编码器，编码器每秒抽样8000次。24路信号的每一路，轮流将一个字节插入到帧中，每个字节的长度为8位，其中7位是数据位，1位用于信道控制。每帧由24×8=192位组成，附加1bit作为帧的开始标志位，所以每帧共有193bit。由于发送一帧需要125μs，秒钟可以发送8000帧。因此T1载波数据传输速率为：193bit×8000=1544000bps=1544Kbps=1.544Mbps二、多路复用技术（3）波分多路复用波分多路复用技术WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）。波分复用用同一根光纤内传输多路不同波长的光信号，以提高单根光纤的传输能力。因为光通信的光源在光通信的“窗口”上只占用了很窄的一部分，还有很大的范围没有利用。二、多路复用技术也可以这样认为WDM是FDM应用于光纤信道的一个变例。如果让不同波长的光信号在同一根光纤上传输而互不干扰，利用多个波长适当错开的光源同时在一根光纤上传送各自携带的信息，就可以增加所传输的信息容量。由于是用不同的波长传送各自的信息，因此即使在同一根光纤上也不会相互干扰。在接收端转换成电信号时，可以独立地保持每个不同波长的光源所传送的信息。这种方式就叫做“波分复用”。二、多路复用技术如果将一系列载有信息的不同波长的光载波，在光领域内以1至几百纳米的波长间隔合在一起沿单根光纤传输，在接收器再以一定的方法，将各个不同波长的光载波分开。在光纤上的工作窗口上安排100个波长不同的光源，同时在一根光纤上传送各自携带的信息，就能使光纤通信系统的容量提高100倍。二、多路复用技术（4）码分多址码分多址技术CDMA（CodeDivisionMultipleAccess)。码分多址是采用地址码和时间、频率共同区分信道的方式。CDMA的特征是每个用户有特定的地址码，而地址码之间相互具有正交性，因此各用户信息的发射信号在频率、时间和空间上都可能重叠，从而使有限的频率资源得到利用。CMDA设备如图2-12所示。二、多路复用技术二、多路复用技术CDMA是在扩频技术上发展起来的无线通信技术，即将需要传送的具有一定信号带宽的信息数据，从一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端也使用完全相同的伪随机码，对接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。不同的移动台（或手机）可以使用同一个频率，但是每个移动台（或手机）都被分配带有一个独特的“码序列”，该序列码与所有别的“序列码”都不相同，因为是靠不同的“码序列”来区分不同的移动台（或手机），所以各个用户相互之间也没有干扰从而达到了多路复用的目的。二、多路复用技术（5）空分多址空分多址技术SDMA（SpaceDivisionMultipleAccess）。这种技术是将空间分割构成不同的信道，从而实现频率的重复使用，达到信道增容的目的。举例来说，在一个卫星上使用多个天线，各个天线的波束射向地球表面的不同区域地面上不同区域的地球站，它们在同一时间，即使用相同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。图2-13是日常生活中常见的应用空分多址技术的情况。二、多路复用技术二、多路复用技术SDMA系统的处理程序如下:系统将首先对来自所有天线中的信号进行快照或取样，然后将其转换成数字形式，并存储在内存中；计算机中的SDMA处理器将立即分析样本，对无线环境进行评估，确认用户、干扰源及所在的位置；处理器对天线信号的组合方式进行计算，力争最佳地恢复用户的信号。借助这种策略，每位用户的信号接收质量将提高，而其他用户的信号或干扰信号则会遭到屏蔽；系统进行模拟计算，使天线阵列可以有选择地向空间发送信号。再次在此基础上，每位用户的信号都可以通过单独的通信信道空间-空间信道实现高效的传输；在上述处理的基础上，系统就能够在每条空间信道上发送和接收信号，这种传输信道称为双向信道。二、多路复用技术利用上述流程，SDMA系统就能够在一条普通信道上创建大量的频分、时分或码分双向空间信道，每一条信道可以完全获得整个阵列的增益和抗干扰功能。从理论上而言，带m个单元的阵列能够在每条普通信道上支持m条空间信道。但在实际应用中支持的信道数量将略低于这个数目，具体情况则取决于环境。由此可见，SDMA系统可使系统容量成倍增加，使得系统在有限的频谱内可以支持更多的用户，从而成倍提高频谱使用效率。二、多路复用技术十多年来，无线通信经历了从模拟到数字，从固定到移动的重大变革。而就移动通信而言，为了更有效地利用有限的无线频率资源，时分多址技术（TDMA）、频分多址技术（FDMA）、码分多址技术（CDMA）得到了广泛的应用，并在此基础上建立了GSM和CDMA（是区别于3G的窄带CDMA）两大主要的移动通信网络。就技术而言，现有的这三种多址技术已经得到了充分的应用，频谱的使用效率已经发挥到了极限。空分多址技术（SDMA）则突破了传统的三维思维模式，在传统的三维技术的基础上，在第四维空间上极大地拓宽了频谱的使用方式，使移动用户仅仅由于空间位置的不同而复用同一个传统的物理信道成为可能，并将移动通信技术引入了一个更为崭新的领域。二、多路复用技术4.基本原理频分多路复用的基本原理是在一条通信线路上设置多个信道，每路信道的信号以不同的载波频率进行调制，各路信道的载波频率互不重叠，这样一条通信线路就可以同时传输多路信号。时分多路复用是以信道传输时间作为分割对象，通过多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现，因此时分多路复用更适用于数字信号的传输。它又分为同步时分多路复用和统计时分多路复用。二、多路复用技术波分多路复用是光的频分多路复用，它是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。码分多路复用也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强.码分多路复用技术主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。它不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响，而且增大了通信系统的容量。笔记本电脑或个人数字助理(PersonalDataAssistant,PDA)以及掌上电脑(HandedPersonalComputer,HPC)等移动性计算机的联网通信就是使用了这种技术。知识补充复用技术的核心原理是什么？‌复用技术的核心原理是将多个信号合并到同一传输媒介上，通过编码、调制、传输和解码的过程实现多路信号的同时传输，从而提高通信资源的利用率和效率。小组为单位总结各类复用技术的区别和联系。知识链接学练结合课后作业任务三

数据交换技术Contents数据交换技术

→工作情境地铁员工小李负责通信系统数据交换管理维护。随运营线路扩展及新业务（高清监控、智能服务系统）引入，数据交换需求大增。他需评估现行分组交换能否满足需求，如高峰时数据延迟、丢包，要分析分组长度、数据报或虚电路管理问题。同时，为契合未来地铁智能化，还得关注技术新趋势，探讨混合交换模式可行性，保障通信系统稳定高效，支撑地铁运营与服务。数据交换技术

知识目标：1.掌握电路、报文、分组交换技术的原理、过程与特点，像电路交换的独占实时、报文交换的存储转发、分组交换的报文长度限定。2.理解电路交换分类，分组交换关键及管理方法，知晓不同交换技术在公用电话网、数据网等场景的应用。3.熟知三种交换技术在资源分配、灵活性、收费等方面的优缺点，以及存储转发与电路交换的差别。数据交换技术

技能目标：1.依实际通信需求与场景，精准选择数据交换技术，比如为地铁列车调度通信判断合适技术并阐述原因。2.运用交换技术知识评估现有通信系统，像在地铁中判断分组交换的分组长度是否合理并提优化建议。3.针对数据交换故障或性能问题，排查原因并解决，例如解决报文交换中转发时延过大的问题。数据交换技术

素养目标：1.梳理三种交换技术原理、特点及应用，构建知识脉络，理解它们内在联系与区别，培养逻辑思维。2.考虑数据交换方案时，结合成本、效率等因素，做出合理决策，树立工程实践素养，如地铁通信建设。3.关注交换技术前沿，思考新技术融入地铁通信或改进现有技术，满足通信需求，提升创新思维。数据交换技术→知识导入 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。常用的数据交换技术有电路交换(CircuitSwitching)、报文交换(MessageSwitching)和分组交换(PacketSwitching)。一、电路交换电路交换（CircuitSwitching）方式与电话交换方式的工作过程很类似。两台计算机通过通信子网交换数据之前，首先要在通信子网中通过交换设备间的线路连接，建立一条实际的专用物理通路。用此方式的交换网能为任意一个入网数据提供一条临时的专用物理通路，由通路上各节点在空间上或时间上完成信道转接而构成，为源主机（输出端）和宿主机（接收端）之间建立起一条直通的、独占的物理线路。因此，在通路连接期间，不论这条线路有多长，交换网为一对主机提供的都是点到点链路上的数据通信，即建立连接的两端设备独占这条线路进行数据传输，直至该连接被释放。公用电话网的交换方式采用的就是电路交换，通话双方一旦建立通话，则可以一直独占这条线路，直至通话结束，释放连接，这时其他用户才能使用这条线路。一、电路交换网络中的站点在传输数据之前，要先经过呼叫过程建立一条源站点到目标站点的线路。在如图1所示的网络拓扑结构中，1～7为网络交换节点，A～F为网络通信站点，若A站要与D站传输数据，就需要在A～D之间建立一条物理连接。具体步骤：A站向节点1发出欲与D站建立连接的请求，由于从节点1到节点4的通路有多条，如1-2-7-4、1-6-5-4和1-2-3-4等，此时需要根据路由选择算法从中选择一条，节点4再利用与D站的直接连接最终完成A站与D站之间的电路建立。呼叫建立的网络拓扑结构如图2-14所示。一、电路交换一、电路交换1.电路交换的分类电路交换分为时分交换（TimeDivisionSwitching,TDS）和空分交换（SpaceDivisionSwitching,SDS）两种方式。(1)时分交换（TDS）时分交换将时间划分为多个时隙，通过时隙交换网络实现话音的时隙搬移，从而完成入线与出线之间的交换。其核心在于时隙位置的交换，由主叫拨号控制。为实现时隙交换，需设置话音存储器：在抽样周期内，将n个时隙分别存入n个存储器单元中，输入按时隙顺序存储，输出按特定顺序读取，从而实现时隙交换。一、电路交换(2)空分交换（SDS）空分交换通过入线在空间位置选择出线并建立连接，通信结束后拆除连接。例如，人工交换机中，塞绳一端连接入线塞孔，接线员根据主叫需求将另一端连接被叫出线塞孔，即为典型的空分交换方式。此外，机电式（电磁机械或继电器式）、步进制、纵横制、半电子、程控模拟用户交换机及宽带交换机均可基于空分交换原理实现交换功能。一、电路交换(2)空分交换（SDS）空分交换通过入线在空间位置选择出线并建立连接，通信结束后拆除连接。例如，人工交换机中，塞绳一端连接入线塞孔，接线员根据主叫需求将另一端连接被叫出线塞孔，即为典型的空分交换方式。此外，机电式（电磁机械或继电器式）、步进制、纵横制、半电子、程控模拟用户交换机及宽带交换机均可基于空分交换原理实现交换功能。一、电路交换（2）数据传输电路建立后，数据从源节点经中间节点传输至终端节点，终端节点也可通过中间节点向源节点发送数据。数据传输具有最短的传播延迟，且无阻塞问题（除非线路或节点故障）。数据传输期间，电路需始终保持连接，通信双方的传输延迟仅取决于电磁信号在介质中的传播延迟。（3）电路拆除数据传输完成后，任一站点均可发起电路拆除请求。请求通过中间节点传输至对方，释放线路资源。被释放的信道空闲后，可供其他通信使用。一、电路交换3.电路交换的特点与优缺点（1）电路交换的特点独占性：电路建立后，线路资源被独占，即使无数据传输，其他站点也无法共享。这类似于打电话，拨号建立连接后，无论是否讲话，连接都专属于通话双方，若无可用连接，用户将听到忙音。这种独占性导致线路利用率低，易引起拥塞。实时性好：电路一旦建立，通信双方的所有资源（包括线路）均用于本次通信，除少量传输延迟外，无其他延迟，实时性较高。设备简单：电路交换设备无需缓存装置，用户数据透明传输，收发双方需自动进行速率匹配。一、电路交换（2）优缺点电路交换方式的优点是数据传输可靠、迅速，数据保持原有序列，不会乱序。缺点是电路空闲时，信道容量被浪费。若数据传输时间较短，电路建立和拆除的时间开销可能得不偿失。适用于远程批处理信息传输或实时性要求高的大量数据传输。计费通常基于预订的带宽、距离和时间。。一、电路交换数据传输可靠迅速：数据保持原有序列，不会乱序，传输可靠。适用于实时性要求高的场景：适合远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输。信道容量浪费：电路空闲时，信道容量被浪费，尤其在数据传输阶段持续时间较短时，电路建立和拆除的时间成本较高。计费方式：按预订的带宽、距离和时间计费，可能导致成本较高二、报文交换报文交换的基本思想报文交换先将用户的报文存储在交换机的存储器中，当所需输出电路空闲时，再将报文发送至接收交换机或用户终端。因此，报文交换系统也称为“存储-转发”系统。流程如图2-15所示。二、报文交换1.报文交换的过程（1）当用户需要发送报文时，先将信息加上报文头（包含目标地址和源地址等信息），形成完整的报文并发送至交换机。交换机的通信控制器检测到报文输入后，向中央处理机发送中断请求，并将报文逐字送入内存。（2）中央处理机接收报文后，进行处理（如分析报文头、确定路由等），并将报文暂存于外部大容量存储器，等待合适的输出线路。（3）输出线路空闲时，报文从外存储器调回内存储器，经通信控制器发送至目标地址。二、报文交换2.报文交换的特点报文交换采用“存储-转发”机制，交换机首先存储整个报文，待线路空闲时再进行处理和转发。其特点如下：（1）线路共享：不独占线路，多个用户的数据可通过存储和排队共享同一条线路。（2）高效利用：无需建立线路连接，提高了线路利用率。（3）多点传输：支持一个报文传输给多个用户，只需在报文中添加“地址字段”，中间节点根据地址字段进行复制和转发。（4）格式转换：中间节点可进行数据格式转换，便于接收站点处理。（5）差错检测：增加了差错检测功能，避免错误数据的无效传输。二、报文交换3.报文交换的优缺点报文交换的优点有如下几个方面：（1）无需专用线路：无需预先建立专用通信线路，无连接建立时延，用户可随时发送报文。（2）存储转发机制可靠性高：支持代码检验、数据重发和路径选择，若某条路径故障，可重新选择其他路径传输数据。二、报文交换灵活性强：支持代码转换和速率匹配，允许收发双方在不同时间处于可用状态，便于不同类型、规格和速度的计算机之间通信。多目标服务：支持一个报文同时发送到多个目的地址，这在电路交换中难以实现。优先级控制：允许为数据设置传输优先级，确保高优先级报文优先处理。（3）高效利用线路：通信双方不固定占用一条线路，而是分段占用物理通路，显著提高了线路利用率。二、报文交换报文交换的不足之处有如下几个方面：（1）转发时延大：数据进入交换节点后需经历存储、转发过程，包括接收报文、检验正确性、排队和发送等步骤，导致较大时延。网络通信量越大，时延越明显，因此报文交换实时性差，不适合传输实时或交互式业务数据。（2）仅支持数字信号：报文交换仅适用于数字信号传输。（3）缓冲区需求大：由于报文长度无限制，每个中间节点需完整接收并存储整个报文。若输出线路不空闲，可能需存储多个完整报文等待转发，要求节点具备较大缓冲区。为降低成本，有时需将报文存储在磁盘上，进一步增加传输时延。三、分组交换分组交换（PacketSwitching）与报文交换技术类似，但规定了交换机处理和传输的数据长度（称为分组）。不同用户的数据分组可以在网络中的物理链路上交织传输。分组交换是目前应用最广泛的交换技术，它结合了电路交换和报文交换的优点，实现了性能的最优化。为理解分组交换的优越性，需先了解“报文”与“报文分组”的区别。三、分组交换1.报文与报文分组数据通过通信子网传输时可采用报文（Message）或报文分组（Packet）两种方式。报文传输：无论数据长度如何，均作为一个逻辑单元发送。报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度。若数据超过规定长度，发送节点将其分割为多个分组发送。报文分组的检错与重发效率高：分组长度较短，出错时检错容易，重发时间较少。资源利用率高：限定分组最大长度，提高了存储转发节点的存储空间利用率和传输效率。应用场景：公用数据网通常采用分组交换技术。三、分组交换2.分组交换原理分组交换与报文交换类似，但限定了交换设备处理和传输的数据长度（称为分组）。它将长报文分割为若干小分组传输，不同站点的分组可在同一线路上交织传输，提高了线路利用率。分组长度固定，系统可采用高速缓存技术暂存分组，提升转发速度。分组交换在X.25分组交换网和以太网中均有典型应用。在X.25分组交换网中，分组长度为131字节，其中包含128字节的用户数据和3字节的控制信息；而在以太网中，分组长度通常为1500字节左右（在线路质量较好、传输速率较高时，分组长度可适当增加）。分组交换流程如图2-16所示三、分组交换三、分组交换3.分组交换的关键与管理方法分组交换的关键在于分组长度的选择。分组越小，控制信息等冗余量在分组中所占比例越大，会降低用户数据传输效率；分组越大，数据传输出错概率增加，重传次数增多，同样影响传输效率。三、分组交换目前主要有两种管理分组流的方法数据报和虚电路。（1）数据报每个数据包被独立处理，类似于报文交换中每个报文的独立处理方式。每个节点根据路由选择算法为每个数据包选择路径，确保它们到达相同的目的地。（2）虚电路数据传输前，发送和接收双方在网络中建立一条逻辑连接，而非电路交换中的专用物理通路。路径上的每个节点都有缓冲装置，按照逻辑连接的方向和接收次序进行输出排队和转发。这样，每个节点无需为每个数据包单独选择路径，就像收发双方有一条专用信道一样。三、分组交换四、三组交换技术比较三组交换技术的流程对比，存储转发报文交换和分组交换均采用存储转发方式。三组交换技术流程图如图2-17所示。三、分组交换1.存储转发交换与电路交换的比较在存储交换方式中，发送的数据与目的地址、源地址和控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网。通信子网中的节点是通信控制处理机，负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路由选择和转发功能，而这些功能在电路交换方式中均不具备。三、分组交换相对电路交换方式具有以下优点：由于通信子网中的通信控制处理机能够存储分组，允许多个分组共享通信信道，从而提高了线路利用率。通信控制处理机具备路由选择功能，能够动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径，优化通信流量分配，提升系统效率。分组在通过每个通信控制处理机时，均会进行差错检查与纠错处理，从而减少传输错误，增强系统可靠性。此外，通信控制处理机还支持不同通信速率和代码格式的转换，进一步提高了通信的灵活性和兼容性。三、分组交换2.电路交换与分组交换的比较（1）分配通信资源(主要是线路)式电路交换方式静态地事先分配线路，造成线路资源的浪费，并导致接续时的困难；分组交换式可动态地(按序)分配线路，提高了线路的利率，由于使用内存来暂存分组，可能出现因为内存资源耗尽，而中间节点不得不丢弃接到的分组的现象。三、分组交换（2）用户的灵活性方面电路交换的信息传输是全透明的，用户可以自行定义传输信息的内容、速率、体积和格式等,可以同时传输语音、数据和图像等；分交换的信息传输则是半透明的，户必须按照分组设备的要求使用基本的参数。（3）从收费方面看电路交换网络的收费仅限于通信的距离和使用的时间；分组交换网络的收费则考虑传输的字节(或者分组)数和连接的时间。前沿技术随着5G技术的逐渐普及，数据交换的速度和效率将会大大提升，使得更多的实时数据交换成为可能，从而推动数据交换技术的发展。同时人工智能和大数据技术的发展，使得数据交换变得更加智能化和个性化，能够更好地满足不同场景下的数据交换需求。知识链接学练结合课后作业任务四

数据传输类型Contents数据传输类型→工作情境一天早高峰时段，突然出现部分列车运行数据传输延迟的情况，调度大屏上列车位置信息更新不及时，这给列车调度工作带来了极大的困扰。他明白数据传输就如同地铁运营的“神经脉络”，一旦出现故障，整个系统的运行就会陷入混乱。他开始与信号维护人员、通信工程师等紧密协作，一起排查数据传输链路、分析传输方式是否存在问题。在这个过程中，小林深刻体会到了数据传输知识在实际工作中的重要性，也更加迫切地想要深入学习和掌握这方面的知识，以便未来能更从容地应对类似的突发状况，保障地铁系统的安全、高效运行。数据传输类型知识目标：1.熟知数据传输按信号分类（基带、频带、数字数据传输）、按顺序分类（并行、串行传输）、按方式分类（异步、同步传输）的方式及特点。2.理解不同传输方式的原理，如基带传输的码型变换、频带传输的调制解调、数字数据传输的优越性与组网要求等。3.掌握常见传输码型（归零码、非归零码等）及传输系统组成（本地传输、复用交叉连接等），以及字符同步方式在异步和同步传输中的应用。数据传输类型技能目标：1.能依据实际场景需求，分析并选择合适的数据传输方式，例如在地铁通信中，根据数据量、传输距离等因素确定基带、频带或数字数据传输。2.运用数据传输知识，评估现有传输系统，如判断地铁数据传输线路的码型选择是否合理，提出改进建议。3.针对数据传输问题，如异步传输的效率低、同步传输的同步故障等，利用所学排查原因并解决。数据传输类型素养目标：1.梳理各类数据传输方式的原理、特点与应用，构建知识体系，理解其内在联系，培养逻辑思维素养。2.考虑数据传输方案时，结合成本、效率、可靠性等因素，做出合理决策，树立工程实践素养，如地铁传输系统建设。3.关注数据传输技术前沿，思考新技术在地铁通信中的应用，提升创新思维素养，满足地铁通信发展需求。数据传输类型→知识导入数据传输就是按照一定的规程，通过一条或者多条数据链路，将数据从数据源传输到数据终端，它的主要作用就是实现点与点之间的信息传输与交换。一个好的数据传输方式可以提高数据传输的实时性和可靠性。数据传输类型数据传输部分在整个系统中处于重要的地位，相当于人体的神经给身体的各个部位传输信号，如何高效地、准确地、及时地传输采集模块采集到的数字信息是一个重要的课题。数据传输是数据从一个地方传送到另一个地方的通信过程。数据传输系统通常由传输信道和信道两端的数据电路终接设备（DCE）组成，在某些情况下，还包括信道两端的复用设备。数据传输系统的输入输出设备为终端或计算机，统称数据终端设备（DTE），它所发出的数据信息一般都是字母、数字和符号的组合，为了传送这些信息，就需将每一个字母、数字或符号用二进制代码来表示。常用的二进制代码有国际五号码（IA5）、EBCDIC码、国际电报二号码（ITA2）等。一、按数据信号分类数据信号的基本传输方式有三种：基带传输、频带传输和数字数据传输。1.基带传输基带传输是一种不需要搬移基带信号频谱的传输方式。未对载波调制的待传信号称为基带信号，它所占的频带称为基带，基带的高限频率与低限频率之比通常远大于1。一、按数据信号分类将基带信号的频谱搬移到较高的频带（用基带信号对载波进行调制）再传输，则称为通带传输。选用基带传输或通带传输，与信道的适用频带有关。例如，计算机或脉码调制电话终端机输出的数字脉冲信号是基带信号，可以利用电缆作基带传输，不必对载波进行调制和解调。与通带传输相比，基带传输的优点是设备较简单；线路衰减小，有利于增加传输距离。对于不适合基带信号直接通过的信道（如无线信道），则可将脉冲信号经数字调制后再传输。一、按数据信号分类基带传输广泛用于音频电缆和同轴电缆等传送数字电话信号，同时，在数据传输方面的应用也日益扩大。通带传输系统中，调制前和调制后对基带信号处理仍须利用基带传输原理，采用线性调制的通带传输系统可以变换为等效基带传输来分析。基带传输中的码型变换装置把来自信源的数码变换为适合于信道传输的码波形。常用的传输码波形有归零码、非归零码、传号差分码、双相码、交替传号反转码（AMI码）等。一、按数据信号分类（1）归零码是用窄脉冲代表“1”码，没有脉冲代表“0”码。（2）非归零码是在一个码周期内维持一种电平，如高电平代表“1”，低电平代表“0”。传号差分码是用电平的变化来代表“1”(称“1”为传号)，电平不变代表“0”。（3）差分码用于信号传输中高低电平会反转的场合。（4）双相码又称分相码或曼彻斯特码，用10组合代表“1”，01组合代表“0”。双相码的优点：没有直流分量，可用要求不高的交流耦合电路；01过渡频繁，有利于恢复定时信号等。缺点：传输码速加倍，所需频带加宽。一、按数据信号分类（5）交替传号反转码是用窄的正脉冲或负脉冲代表“1”，无脉冲代表“0”，正、负脉冲交替出现。优点：没有直流分量，可利用正、负脉冲交替规律来监视误码；缺点：处于长“0”时，恢复定时信号困难。此外，还有多种其他传输码型。例如，利于传输或节省频带的有部分响应编码、多电平码；利于定时信号恢复的有加扰二元码、高密度双极性码、编码传号反转码等。一、按数据信号分类基带传输发送滤波器用以限制信号频带，避免干扰其他系统，有时也可不用。传输信道可以是电缆。收信端滤波器用以滤除由信道带来的噪声和干扰。均衡器用以均衡信道畸变，以便减小码间干扰。滤波器和信道都对频带有限制，接收滤波器输出的波形会发生变化。采样判决电路每隔时间T对接收波形进行采样，得到样值脉冲。样值大于零判为“1”，小于零判为“0”。如果信道畸变和叠加噪声未使样值发生极性错误，就能无误地再生发信端信号。再经码型反变换（有时与判决结合起来实现），恢复的数码就送给信宿，如计算机或脉码调制电话终端机。一、按数据信号分类基带传输系统的输入信号是由终端设备编码器产生的脉冲序列，为了使这种脉冲序列适合于信道的传输，一般要经过码型变换器，码型变换器把二进制脉冲序列变为双极性码（AMI码或HDB3码），有时还要进行波形变换，使信号在基带传输系统内减小码间干扰。当信号经过信道时，由于信道特性不理想及噪声的干扰，使信号受到干扰而变形。在接收端为了减小噪声的影响，首先使信号进入接收滤波器，然后再经过均衡器，校正由于信道特性（包括接收滤波器在内）不理想而产生的波形失真或码间串扰。最后在取样定时脉冲到来时，进行判决以恢复基带数字码脉冲。一、按数据信号分类常见的传输码型有NRZ码、RZ码、AMI码、HDB3码及CMI码，其中最适合基带传输的码型是HDB3码。另外，AMI码也是CCITT建议采用的基带传输码型，但其缺点是当长连"0"过多时对定时信号提取不利。CMI码一般作为四次群的接口码型。常见的传输码型如图2-18所示。一、按数据信号分类2.频带传输频带传输是信号经调制后传输到终端后经再解调的传输方式。即将数字信号(二进制电信号)进行调制变换，变成能在公共电话线上传输的模拟信号(音频信号)，经传输介质传送到接收端后，再由调制解调器将该音频信号解调变换成原来二进制电信号。频带传输需在发送端和接收端分别设置调制解调器。此种传输方式克服了许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，且能实现多路复用功能一、按数据信号分类频带传输是一种利用调制器对传输信号进行频率交换的传输方式，信号调制的目的是更好地适应信号传输通道的频率特性，传输信号经过调制处理也能克服基带传输同频带过宽的缺点，提高线路的利用率，一举两得。但是调制后的信号在接收端要解调还原，所以传输的收发端需要专门的信号频率变换设备，传输设备费用相应增加。远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300~3400Hz）的模拟信号，不适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。一、按数据信号分类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。在采用频带传输方式时要求收发两端都安装调制解调器（Modem）。利用频带传输不仅解决了数字信号可利用电话系统传输的问题，而且可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率。计算机网络的远距离通信时经常借助于电话系统，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技术完成的。一、按数据信号分类3.数字数据传输数字数据传输是采用数字信道来传输数据信号的传输方式。与采用模拟信道的传输方式相比，数字数据传输方式有下列一些明显的优越性：①传输质量高，一般数字信道传输的正常误码率在10-6以下，而在模拟信道上则较难达到；②信道利用率高，一条PCM数字话路的二进制数据传输速率为64kbit/s，通过复用可传输多路19.2kbit/s