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1、1,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,2,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,3,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,4,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
2、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,5,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,6,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
3、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,7,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,8,数据通信的主要技术
4、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,9,数据速率 = 2 x 信号速率,多级调制方法,10,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
5、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,11,Nyquist 公式：理想信道,n 最大数据率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps 16 24000 bps,C =,2Blog2 n,B = 带宽 n = 信号电平级数,话音级线路的信道容量计算 (3000 Hz),2B Baud,=,12,Shannel公式：噪声信道,S/N 信噪比（dB分贝）,C =,B log2 (1+,S N,),S/Ndb = 10 log10 S/N,13,数据通信中的同步方式,位同步(Bit syn
6、chronous) 外同步 自同步 字符同步(character or word synchronous) 异步 同步 帧同步(frame synchronous),14,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,15,数据通信中的字符同步方式,字符同步 异步制 同步制,16,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,17,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
7、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”,18,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,19,数据通信中
8、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。,20,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,21,美国标准信息交换码ASCII,22,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,23,模拟传输和数字传输,24,编码和调制,25,数字信
9、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-sheft keying) 调频FSK（frequency -sheft keying ） 调相PSK (phase-sheft keying） 绝对调相 相对调相 复合调制：由以上三种调制方式构成,26,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK,FSK,PSK,调制原理,27,多级(相)调制方法,28,16-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,29,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
10、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,30,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,31,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-return to zero) 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Manc
11、hester 差分曼彻斯特编码Difference Manchester,32,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,0 0 1 1 0 1,33,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,0 0 1 1 0 1,M,DM,34,35,曼切
12、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,36,编码方法,37,4B/5B编码,将每4位数据编码成5位符号,38,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(pulse code modulation):数字信号承载模拟数据 PCM操作基本上包括 采样 量化 编码,39,采样信号：基于nyquist理论,原始信号,PAM脉冲,PCM 脉冲 有量化误差,011100011
13、011001100,PCM 输出,PCM,40,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,41,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,42,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,43,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
14、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(asynchronous transfer mode),44,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,45,FDM (频分复用) Frequency Division Multiplexing 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) Time Division Multiplexing 信号分割的参量是信号占用的时间 在传输时把时间分成
15、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) Wavelength Division Multiplexing,复用类型,46,频分多路复用FDM,47,时分多路复用TDM,48,波分多路复用:FDM的变形,49,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,50,数据交换技术,线路交换方式 存储转发交换方式 报文交
16、换方式 分组交换方式 虚电路分组交换方式,51,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,52,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(Store and forward) 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,53,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
