（光学专业论文）基于无线数字网的机车制动检测系统.pdf

摘要 摘要 随着现代科学技术水平的不断发展，特别是计算机技术、无线通信技术、网 络技术、控制技术、信息技术的迅猛发展，工业自动化控制向着智能化、无线化 方向发展。很多工业控制的终端是移动的，这需要智能化程度更高、更灵活简便 的无线数据传输系统来满足全面自动化控制的需要，因此智能化无线数据传输系 统具有广阔的应用前景。 课题是为某压力传感器公司设计的基于无线数字网的机车制动检测系统。主 要研究内容是为工程建立无线数据传输方式和实现检测系统的智能化、自动化。 建立无线数据传输模块要设计无线收发信机和功率放大器；系统智能化要使系 统能根据通信距离自适应调节功率，根据信道占用情况随机自动选择通信信道； 系统自动化要使操作员操作简单，人机对话清晰。系统采用a t 8 9 s 5 2 单片机作为 m c u ，控制无线信号的接收、发射及放大；通过r s 一2 3 2 串行口与计算机通讯为控 制中心的数据库传送数据；单片机通过a d 转换器与压力传感器相连，为系统采 集数据。系统通过传感器采集机车闸瓦上的压力数据，并将数据发送到远程控制 中心计算机上，通过计算机上绘制出曲线，并保存数据，实现对机车制动系统的 无线检测。 该系统通信频率使用4 3 3 m h z 的i s m ( 工业、科学、医疗) 频段，节约运营成 本；通过编解码、复杂协议等方法保证数据传输的准确性；对电源以及a d 转换 器模块做抗干扰处理，保证采集数据的精度。 本系统成本低，通信准确可靠，安装使用方便，解决了原来有线检测系统布 线的麻烦，拥有良好的人机交互界面，经过适当地改造即可用于其他测试系统中， 用途广泛。 关键词：无线数字网；压力采集；a d 转换；单片机；数据库 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e 锄dt e c l l l l 0 1 0 9 yh a sb e e nb o o s t i n gt h ei n d u s t r y a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n ti n t ot h ed i r e c t i o no fi n t e l l i g e n ta n d 诵r e l e s s ， p a r t i c u l a r l yi nc o m p u t e rt e c h n o l o 鼢、； ，i r e l e s sc o 姗u n i c a t i o nt e c h i l o l o g y ，n e t w o r k t e c h n o l o g y ，c o n t r o l l i n gt e c l l l l o l o g y i o m a t i o nt e c h n o l o g y m o s ti n d u s t 巧c o n t r o l l e d t e m i n a l sh a v em o b i l ea b i l i t y ，w h i c hd e m a n dm o r ei m e l l i g e n c e ，n e x i b i l i 饥s i m p l i c i 够 a n dc o n v e n i e n c ew i r e l e s sd a ：t ac o i 瑚【n u n i c a t i o ns y s t e mt 0m 1 6 l lm er e q u i r e m e n to f a 1 1 r o u n da u t o m a t i cc o n t r 0 1 7 r h e r e f o r e ，i n t e l l i g e n tw i r e l e s s d a t at r a i l s m i s s i o ns y s t e m h a sab r o a dp r o s p e c to fa p p l i 6 a t i o nb o mi nc o n t e m p o r a 巧a n df u t u r e t h ec h e c k - u ps y s t e mo fl o c o m o t i v es l ( i dw m c hb a s e do nw i r e l e s sd i g i t a ln e 似o r k c o n c e m i n gm i sp r o j e c ti sd e s i g i l e df o ras e n s o rm a i l u f a c t o d r t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n ti st ob u i l du paw i r e l e s sd a t ac o m m 疵c a t i o ns y s t e ma n dm a k ei tt ob e 锄 i n t e l l i g e n ta n da u t o m a t i cc h e c k u ps y s t e m t h i sw i r e l e s sd a ：t ac o m m u n j c a t i o nm o d u l e i l e e d st 0d e s i g nt h ew i r e l e s s 仃a n s c e i v e ra n dp o w e r 锄叩l i f i e r t h i si n t e l l i g e n ts y s t e m c o n s i s t so fa i la u t o a d j u s tp o w e rc o m r 0 1 l e ra c c o r d i n gt oc o 删【i l u n i c a t i o nd i s 切n c ea i l d a i la u t o s e l e c tc h a r m e lc h o o s e ri n t e r r e l a t e dw i t l lc l m r e n tt r a l l s m i t t i n gc h 锄e 1 t h e a u t o m a t i z a t i o ni st o p r o v i d e a i l e a s yo p e r a t i o n a l l dal e g i b l em a n m a c h i n e c o r e r s a t i o ni n t e r f a c e t h es y s t e mu s e sa r 8 9 s 5 2s i n g l ec h i pc o m p u t e r 舔m c ut o c o n t r 0 1r e c e i v i n g ，t r a n s m i t t i n ga n d 锄p l i 矽i n g 、 r i r e l e s ss i g n a l s i tl i n k st oc o m p u t e r s v i ar s 2 3 2s e r i a lp o r tt ot 啪s m i td a t at ot h ec e n t r a ld 撕b a s e ，a n dj o i n t st op r e s s u r e s e n s o r sm r o u 出a dc o n v e r t e rt oc o l l e c td a 诅t h i ss y s t e mc o l l e c t sp r e s g u r ed a t ao n l o c o m o t i v es k i dv i ap r e s s u r es e n s o r s ，a i l dm e 玛c h a l l g et l l e s ea n a l o gd a t at od i g i t a l d a 氓a tl a s tt h ed a t ai st r a n s l a t e dt 0r e m o t ec o m p u t e ra tc o n t r o lc e n t e r ，t h e n ，p a i n to u t l ec u r v ev i ad a t a b a s eo np ca n ds a v e 也ed a t a s ，也i sp r o g r e s sr e a l i z e st l l e 、析r e l e s s c h e c k - u pa b o u tp r e s s u r eo nl o c o m o t i v es k i d t 1 1 i ss y s t e mu s e s4 33 m h zi s m( i n d u s t r ys c i e n c em e d i c a l )b a z l da s c o m m u n i c a t i o nf 沱q u e n c y ，w h i c hc o u l dr e m l c em ec o s t t h ec o d i n ga n dd e c o d i n g t e c h n o l o g y ，t l ：l ec o m p l e xp r o t o c o lc o u l da s s u r em er e l i a b i l 时o fd a _ t at r a i l s m i s s i o n s o m ea 1 1 t i j 觚n i n gu n i t sa r eu s e do np o w e ra n da dc o n v e r t e rt 0i m p r o v et h ea b i l i 锣 o fi m m u l l i 坶a n de n s u r et h ep r e c i s i o no fd a t ac 0 1 l e c t i o n 1 1 1 es y s t e mh a si t su i l i q u ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s ，l o wc o s t ，h i 曲c o m m u n i c a t i o n r e l i a b i l 耐a n dh i g hn e x i b i l i 饥a d d i t i o nt on l ef e a l l l r eo fe a u s yt oi n s 诅l la i l du s e n s o l v e dm ep m b l e mo fd i s p o s i n gt h ec a b l e ，h a sg o o di n t e r f 砬eb e t v v e e np e r s o na 1 1 dp c nc a i lb eu s e di no t l l e rs y s t 锄so ft e s t 缸们u 曲p r o p e rc h a n g e k e yw o r d s ：w i r e l e s sd i g i t a ln 酣w o r k ，p r e s s u r ec o l l e c t i o n ，a dc o n v e n ，s i n 舀ec h i p m i c r o c o m p u t e r ，d a t a _ b 2 l s e i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：同期：如f 学同期：砂旧坑j 俗 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：差蓬鱼导师签名：重曼! 矗魄丛玉弓 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 机车制动检测系统的发展 1 1 1 机车制动检测系统的发展现状 火车惯性大，制动时间长，并且机车制动系统工作原理非常复杂，因此对制 动系统的状态检测与故障诊断具有重大的意义n 。对机车制动系统进行状态监测 及故障诊断的研究在国内外都处于探索阶段，其研究过程涉及了传感器技术、计 算机控制技术、数字信号处理技术。目前，在机车检测领域，许多科研单位都在 做相应的研究，也研制出了一些监控设备，比如：天津大学与天津制博网络工程 计算机有限公司合作，研制的控制机车车辆制动功能的监控系统雎1 ：哈尔滨铁路 局齐齐哈尔研究所与三棵树机务段合作，研制了一套便携式检测仪口1 ：北方交通 大学研制的机车制动机测试仪h 1 ：焦作工学院研究的一种实现机车制动状态监测 的方法：陕西安康机务段设计的机车制动机检测仪，等等。 这些系统共同的特点是： 1 、整个系统的检测控制手段一般都是用8 位的单片机作为监测的核心部分， 带有数码管显示功能，部分仪器带有打印功能，此种系统装置可靠性较高，但是 人机交互性弱、数据存储能力差，缺乏移动性，灵活性差。 2 、这些监测仪监测的对象多数都是闸缸的压力，通过闸缸压力的变化来判 断制动状态，并不是监测制动的最终状态即闸瓦和车轮之间的压力，因此采集到 的数据并不是直接数据，必然会对制动状态的判断存有一定误差影响。 3 、这些系统的采集端到控制中心数据传输均为有线，在设备安装及检修过 程中很繁杂、困难；现场布线经常会被其他移动的轮式设备或施工人员误伤。 4 、组网能力差，不适用于多点同时检测，缺乏一套完整的、集中式的现场作 业管理系统。晡1 另外，上述某些系统可以车载使用，能一定程度上监测机车的刹车过程状况。 1 1 2 机车制动检测系统的发展前景 国内的嵌入式技术的应用己经兴起，很多的检测领域己经用到嵌入式技术， 如：上海交通大学研究的嵌入式系统监测服务器的研制订1 ：浙江自集成控制股份 有限公司研制的工业现场记录仪：中国农业大学研制的变电站自动化智能化电气 等。他们共同的特点是：系统以3 2 位a r m 芯片为核心部分，这些嵌入式芯片不仅 处理速度达到几十兆指令每秒，而且具有流水线功能，使处理速度远远大于普通 单片机：软件选用嵌入式操作系统，开发者可以利用嵌入式操作系统自带的函数 开发自己的应用程序，从而缩短产品的开发周期。因此，将嵌入式芯片用于工业 控制监测系统是必然的趋势。阳1 原始数据的存储在测试系统中的作用至关重要，原有某些系统只有数码显示 北京t 业大学理学硕士学位论文 功能而无数据存储能力，这样的产品必然会具有掉电后数据不丢失的新产品所淘 汰。目前最合适的存储介质莫过于p c 机，不仅能存储大量数据，还能进行数据 计算、分析、绘图、打印等诸多操作。p c 机更大的优势是能满足越来越高的人 机交互要求，在p c 机上设计一个合适的数据库，带有良好的人机交互界面和数据 分析处理功能就成了检测系统发展的另外一个趋势，检测系统可以与计算机通过 串口、并口、u s b 接口进行连接。 同时，无线通信技术的飞速发展，必然会使得各种测试向无线化发展。无线 通信技术在测试领域的应用，会使检测过程操作方便、简单，节省人力和大量电 缆等设备，大大提高检测速度，尤其在对机车这种大型设备检测时，无线方式的 优势更为突出。哼， 1 2 无线数字网的发展现状 随着现代科学技术水平的快速提高，信息技术的迅猛发展，促进工业控制向 着全面自动化的方向发展；无线通信技术的出现与发展更是创造了一个新的科技 时代，各种数据、信息的传输也不再受地理位置、电缆、光缆铺设等因素的困扰， 工业控制领域，很多终端都是在荒无人烟、条件艰苦的地方，或者这些终端本身 就是移动的，这些给自动化控制系统中数据传输系统的安装、架设带来了很大的 不便。因此，人们需要更为灵活、简便的数据传输系统来满足全面自动化控制的 需要。无线数据传输系统正是在这种形式下应运而生的。n 町 各种应用中的远距离无线数据传输设备，与有线通信方式如光缆、电缆等相 比，具有施工简单、造价低廉、维护方便等优点。由于无线通信是将信息经电波 通过空中传播实现，相对来讲，无线方式很容易因电波在空中传播受影响而造成 可靠性降低。因此，保证无线数据传输的可靠性是无线方式在系统应用中的关键 环节。1 1 1 作为一种趋势，未来人们可以通过由因特网电脑构建成的信息交互、处理和 管理平台，以无线传输的方式实现对远程终端的智能化控制和管理。这种交互方 式决不会是简单的浏览功能，而是基于无线传输网络及办公网络应用平台的智能 化控制。在这样的环境下，控制中心的p c 机可以及时获得各远程终端的信息， 实现对终端的远程管理及控制，并且可以通过控制中心的办公网络，借助因特网 的开放性来实现更加广泛的远程化自动管理及控制。 无线数据传输模块作为远程自动化管理及控制系统中重要的组成部分，其发 展水平决定了远程管理及控制的准确、可靠程度。无线数据通信就是在无线数据 终端与中心主机或其它无线终端之间采用无线连接，通过无线电波来传送数据。 一个无线数据通信网络只要有合理的设计和建设就可以实现以下功能： 实现文本、数据的无线通信； 具有无线分组交换功能； 2 第l 章绪论 支持不同协议不同用户设备间的访问和互连； 可开放和闭合用户群； 可与公用有线数据网络互连互通； 具有全国范围的蜂窝网络和漫游功能。n 幻 1 2 1 两种常见的无线业务数据网 从无线数据用户的角度看，有两种业务需求：一种是高速率的局域数据通信； 另一种是速率相对较低的广域范围的数据通信。对第一类需求，可以通过无线局 域网来满足。而第二类业务需求的实质是广域范围的数据通信，它要求有更宽的 覆盖面，移动数据通信网就是来解决这一类业务需求的。 l 、高速率的无线局域网( w l a n ) 现有的w l a n 主要工作在1 8 1 9 g h z 频段的射频( r f ) 系统、i s m ( 工业、 科学、医疗) 频段的扩频系统( i 涮s s ) 以及采用散射( d f ) 或直射( d b ) 方 式的红外线系统( i r ) 。表1 1 是以上系统的基本特征及比较。w l a n 主要用在 不适于建立有线网的企业、临时或人员设备移动性高的办公室及具有大的开放结 构的工作环境等。由于对便携终端如笔记本电脑、个人数字助理( p d a ) 的需求 不断增长，高速无线数据通信无疑是这些移动终端与大型主机通信、实现数据处 理和数据库检索等功能的最佳选择。n 3 ， 表1 1 各种无线系统的基本特征及比较 技术 d f l rf b ，i rr fl t f s s 实现方式红外光束红外光束射频p n 码调制 数据速率( m b i 以)1 1 0 1 52 6 移动能力好没有更好最好 范围( m )2 0 6 0 2 41 0 4 0 3 0 2 5 0 频率或波长入= 8 0 0 一9 0 0 姗九= 8 0 0 一9 0 0 n m卢1 8 g h z f = 0 9 ，2 4 ，5 7 g h z 2 、低速率的广域移动数据网( w a n ) 移动数据通信是无线数据通信中最活跃的一个领域。移动数据网的构成有两 个模式，即电路交换模式和分组交换模式。电路交换模式就是利用现有的蜂窝话 音系统实现交换，即在传统的蜂窝电话网上使用专门的蜂窝调制解调器来传递数 据，传输速率可达1 4 4 k b i 讹( 在v 3 2 b i s 协议下) 。这种方式很适合传送长文件， 其优点是应用范围广，覆盖面大。分组交换网是继电路交换网和报文交换网之后 一种新型交换网络，它主要用于数据通信。分组交换是一种存储转发的交换方式， 它将用户的报文划分成一定长度的分组，以分组为存储转发，因此，它比电路交 北京丁业大学理学硕士学位论文 换的利用率高，比报文交换的时延要小，而具有实时通信的能力。分组交换利用 统计时分复用原理，将一条数据链路复用成多个逻辑信道，最终构成一条主叫、 被叫用户之间的信息传送通路，称之为虚电路( v c ) 实现数据的分组传送。n 加 1 2 2 无线数据通信技术 无线数据通信网的技术问题主要有两个方面，其一是无线信道的传输问题， 其二是无线数据网的拓扑结构和媒质接入控制技术问题。 l 、无线信道的传输问题 表征无线信道特性的主要参量有3 个：多径时延扩散有效值，距离一功率梯 度，多普勒频谱。多径传播信道引起信号传输码问干扰增大，从而限制了无线数 据传输的速率。据资料显示，当多径时延扩散有效值约为1 0 0 n s 时，其数据传输 速率最大为1 m b i t s ，而在有线l a n 时，数据传输速率可达1 0 0 m b i t s 的光纤数 据接口( f d d i ) 已开始进入市场。所以在无线数据通信中，为了提高数据传输 速率，采用了如下一些技术：使用定向天线，分级接收，采用频率利用率更高的 调制和编码方式，使用多速率调制解调器，自适应均衡技术，扩频技术等。 2 、网络结构和媒质接入控制技术 无线数据通信网常采用3 种网络拓扑结构：中心控制结构，分布式结构和多 跳点结构。中心控制方式的优点是可有效利用信号发射功率，并且易与现有的有 线骨干网相连。现在的无线数据网多采用中心控制方式这种结构。n 朝 媒质接入控制技术包括两个内容，即媒质接入控制协议和多址接入。无线数 据网的用户一般不会长时间占用信道，因此如何控制多用户共享信道对于提高无 线通信系统的容量和性能十分关键。相对于有线网，无线网的多址接入控制要困 难得多。造成困难的因素有： 多径衰落造成物理信道的动态特性； 移动性和动态信道造成的动态的拓扑结构； 要在蜂窝结构的网络上为移动用户提供无缝通信服务； 小区重叠造成的自干扰碰撞，以及上行数据和下行数据的碰撞。 1 2 3 影响无线数据通信发展的关键问题 目前，一些无线数据通信系统的协议不统一，无线数据传输设备价格昂贵， 这是制约无线数据通信发展的关键问题。以移动数据通信系统存在的问题为例， 对于g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o n 蚰u n i c a t i o n s ：全球移动通信系统) 数据 业务来说，其存在漫游问题。尽管g s m 在话音业务上有国际漫游协议，有关数 据业务的国际漫游还相当混乱，原因是各国数据业务的差异以及没有进行全面的 互通实验。另外，目前只有为数不多的供货商可以供应工作在g s m 网上的 p c m c n 卡，价格在5 0 0 1 0 0 0 美元之间，相当昂贵。 4 第l 章绪论 1 2 4 无线数据通信的发展趋势 世界无线数据通信业务和设备市场的高峰在1 9 9 7 1 9 9 8 年出现，无线设备 供应上看到数据业务的发展前景，纷纷推出各自的产品，在1 9 9 9 年业务额达到 7 8 亿美元。随着无线数据传输业务的增加，更多的厂商推出了自己的产品，产 品的价格随之降低。 鉴于无线数据通信业务的较大的市场，无线数据通信的相关技术得到了快速 的发展，成为研究发展的热点。 1 3 课题的提出及实现的目标 基于上述背景，工业控制自动化中对于无线数据传输设备的需求越来越多， 本课题是为某压力传感器公司设计的一套基于无线数字网的机车制动检测系统。 本系统是为满足机车出厂制动系统检测时压力数据的传输要求，而设计的一 套应用无线方式传输检测数据的数字化系统。本系统利用单片机来控制串口数据 的收发、无线收发及无线信号放大模块的工作，而且实现了收发双方自动协商功 率，使系统能够在最佳工作功率上可靠地传输数据，并最终通过串口传输到远端 控制中心计算机上，在p c 机上，需要通过数据库设计出一个人机交互界面，利 于操作者控制系统的工作，同时，数据库要有绘图、存储数据、数据分析、报告 打印等功能。 1 4 论文计划安排 2 0 0 6 0 9 2 0 0 6 1 2 ：查资料，进行前期的考察和实验； 2 0 0 7 0 1 2 0 0 7 0 4 ：设计制作压力信号采集及无线收发设备的硬件和软件； 2 0 0 7 0 5 2 0 0 7 0 7 ：调试数据采集、传输软硬件，使数据采集、传输准确； 2 0 0 7 0 8 2 0 0 7 1 1 ：设计数据库，实现压力曲线的实时描绘； 2 0 0 7 1 2 2 0 0 8 0 2 ：进行外场实验，实际考察系统工作状况，完善整个系统； 2 0 0 8 0 2 2 0 0 8 0 4 ：完成论文，准备答辩。 第2 章无线数据传输系统的相关理论 第2 章无线数据传输的相关理论 2 1 通信网络协议 网络要连接，必须遵从一定的通信方式，即协议( p r o t o c 0 1 ) 。协议规定了计 算机通过网络通信所要遵守的约定和规则，如信息在网络中传送的格式( 哪一部 分用于指定发送的目的地址，哪一部分存放真正的数据) ，从而保证彼此间能够 正确地交流信息。我们可以把协议比作网络中用于计算机交谈的语音。有了协议 以后，在网络中，不同的计算机之间可以进行互相通信。就像体育比赛一样，虽 然来自不同国家和地区，只要遵循一种比赛规则，比赛就可以顺利进行。对于计 算机而言，协议就是网络中所有的设备都遵循的规则。 网络协议有很多种，从广义上讲，可以分为硬件协议和软件协议： 1 、硬件协议 硬件协议定义了网络硬件设备之间如何相互协作。例如1 0 b a s e t 就是一种硬 件协议，它准确定义了；两个1 0 b a s e te t h e r n e t 设备如何交换信息以及在出现 异常情况时应采取的措施。所有这些都是由硬件来电路来完成的，不需要软件的 干涉。 2 、软件协议 软件协议能完成应用程序间的相互通信。在网络中的每台计算机都装有能访 问网络设备和服务所需的软件协议( 如t c p i p 、i p x 协议) ，并配置这些协议， 从而能与其他的网络设备进行通信，享有网络所提供的服务。 2 2 信源编码与译码 信源编码与译码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所 说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了 通信的有效性。作用之二是，当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码将其 转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。 无失真信源编码： 这里仅讨论最简单情况组合下的信源无失真编码定理：离散、无记忆、平稳、 遍历、二( 多) 进制等( 变) 长编码条件下的信源编码原理。对于等长码，见图 2 1 ，其中，x 为输入，它共有l 位长( 长度) ，每一位有n 种取值可能；s 为输 出，它共有k 位( 长度) ，每一位有m 种取值可能。 淼兹掣v 磊栌蕊器 图2 1 信源编码原理图 f i g2 - 1n ec o d i n go fi n f 0 咖a t i o ns o u r c e 倘若不考虑信源的统计特性，为了实现无失真并有效地编码，应分别满足： 7 北京丁业大学理学硕二l 学位论文 无失真要求：刀l 肌k( 即每个信源组合必须有对应的编码) 有效性要求： ，z m 足( 即编码组合总数要小于信源组合总数) 从2 1 可以推出 拿兰盟 ll o g ，” ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 显然，上述两个条件是相互矛盾的。解决的唯一方法是引入信源的统计特性。 这时，就无需对信源输出的全部门l 种信息组合一一编码，而仅对其中少数大概 率典型组合进行编码。先分析公式2 3 的含义，并在引入信源统计特性后对它作 适当的修改。公式2 3 的右端，其分子部分表示等概率信源的熵，而分母部分则 表示等概率码元的熵。当引入信源统计特性以后，信源不再满足等概率，这时分 子可修改为不等概率实际信源熵胁御，则有 竺塑 ( 2 4 ) l l o g ，z 再将上式稍作变化，即可求得典型s h a n n o n 第一等长编码定理形式，当 令l o g m 日( x ) + 占 ( 2 5 ) l 时，有效的无失真信源编译码存在，可构造；反之，当 拿l o g 聊h ( x ) + 占 ( 2 6 ) 时，有效的无失真信源编译码不存在，不可构造。 再讨论变长码，这时仅需将公式2 4 修改为 墨塑 ( 2 7 ) 三 l o g 朋 式中将等长码的码长k 改成相对应变长码的平均码长k 由下式计算： 乏= k 尸( 薯) ( 2 8 ) 再将公式2 7 稍加修改，即可求得典型的s h a l l l l o n 第一变长编码定理形式： 掣+ ( ：s ) 拿罂 ( 2 9 ) l o g 朋 上、 l o g 聊 、 对于二进制( m = 2 ) ，则有 器等器 p 埘+ s 一之 ( 2 一l u ) l o g2 三 l 0 9 2 、 当对数取2 为底时，有 日( x ) + g 令日( x ) ( 2 1 1 ) 式中，k 尼表示平均每个码元的长度。可见它要求平均每个码元的长度应与信 源熵相匹配，因此又称为熵编码。 8 第2 章无线数据传输系统的相关理论 实现无失真信源编码的基本方法有两大类：一类为改造信源方式，即将实际 不理想的不等概率信源变换成理想的具有最大熵值的等概率信源，再采用等长编 码进行匹配；另一类为适应信源方式，即对实际的不等概率信源采用与之相匹配 的变长编码方法，包括最佳变长哈夫曼( h 碉f m 吼) 编码、算术编码以及适合于 有记忆信源的游程编码等。u 引 2 3 信道编解码 2 3 1 信道编码。 信道编码可以实现一部分前向纠错的功能，所谓信道编码，即数字信号在送 入调制器调制之前经过一个编码的过程，该过程把数字信号转换为更有利于信道 上传输的码型。 信道编码的过程，就是把一个具有确定长度的数字信号序列m ，人为地按一 定规则加上一部分非信息数字序列，以构成一个码字c ( 信道编码) 。编码后数 据经调制器调制之后，再送上信道传输。在接收端经解调器判决输出的数字序列 称为接收序列r ，再经过信道译码器译码后输出信息序列所。【1 7 1 1 、信道编码的分类 按照对信源序列处理方式的不同，可分为分组码和卷积码两大类。 分组码把信息序列以七个码元为单位分组，通过编码器将每组的七个信息元 按照一定规律产生，个多余码元( 称为校验或监督元) ，输出长度为刀= 斛，的一 个码字( 码组) 。每个码组的，个校验元与本组的信息元有关而与别的码组无关。 分组码用( 玎，忌) 表示，玎表示码长，七表示信息位数目，尺= j 枷称为分组码的 编码效率，也称编码率或码率。 卷积码将信息序列以锄个码元分段，通过编码器输出长为刀d 的一段码段。 但是该码的坳嘞个校验元不仅与本段的信息元有关，而且与其前肌段的信息 元有关，故卷积码用( 玎d ，m ) 表示，m ，为编码存储器级数，称( 聊+ j ) 行为 卷积码编码约束长度，尺c 蝴口为编码效率或码率。 在编码器复杂程度相同的情况下，卷积码纠错性能优于分组码，并且在研 j d 时译码器存储量也不是很大，所以在数据通信中应用较多。 2 、信道编码基本要求 信道编码的方式很多，但是对各种信道编码的要求是相同的，即： 编码的过程应该对任何信源具有透明性； 编码信号中应该包含一定的时钟信息。为了方便接收端的数据再生，要 求能够比较方便的从编码信号中提取出时钟信息。 尽量减少编码后信号的高频分量。这样可以节约传输频带，提高频谱的 利用率，还可以减少窜扰。 编解码设备应尽量简单。当然在某些特殊情况下，为了特殊目的也应该 9 北京工业大学理学硕上学位论文 采取合适的信道编码方式。 3 、常用的信道编码方式 常用的分组码包括奇偶校验码、曼彻斯特码和汉明码。 奇偶校验码 奇偶校验码分为奇校验和偶校验两种，二者原理相同。以偶校验为例，无论 信息位有多少，校验位只有一位，它使码组中“1 ”的个数保持偶数，即满足式 2 1 2 ： 钆1o _ 2 0 oa o = 0 ( 2 1 2 ) 式中为校验位，其他为信息位。在接收端按照式2 1 2 将码组中的各码元相加， 若结果为“1 就说明存在错码，如果为“0 ”就认为无错。奇校验就是添加码元 之后使得码组中的“1 的目数为奇数。 曼彻斯特码 曼彻斯特码就是把每1 比特的数据用2 比特来传，例如用“1 0 ”来代表数据 “l ”，用“0 1 代表数据“0 ，发送端把每一个比特都用相应的2 比特代替。相 反的，解码时就要把收到的数据每2 比特结合起来，进行判决，如果发现收到的 数据时“1 0 ”就判决该比特数据是“1 ”，如果收到的是“0 1 ”就判决该比特数据 是“0 ”。 汉明码 根据汉明码的原理，每个码字可以纠正一个错误，每4 比特数据都有3 个校 验位a 6 、a 5 和a 4 ，它们和4 比特的信息位a 3 、a 2 、a 1 和a 0 一起构成7 比特的 码字，解码时计算三个校验元s 2 、s1 和s 0 ，利用计算得到的校验元来判断误码 位置。校验元和7 比特码字的关系为： s 2 = a 0o a lo a 3 o a 4 ( 2 1 3 ) s l = a 0o a 2 o a 3o a 5 ( 2 1 4 ) s o = a 1o a 2 o a 3 o a 6 ( 2 一1 5 ) 并且校验字s 2 、s l 和s 0 与误码位置的关系如表2 1 所示，为： 表2 1 校验字s 2 、s 1 和s o 与误码位置的关系 s 2s 1 s o误码位置 s 2s ls 0 误码位置 10o a 410l a 1 o10 a 5o11 a 2 001 a 6111a 3 110 a o oo 0 无误码 1 0 第2 审无线数据传输系统的相关理论 2 3 2 通信中的差错控制 数字通信系统中，由于传输特性不理想及各种干扰和噪声的影响，将使传输 的数据产生错误。在数字系统中，对整个通信系统进行差错控制的方式主要有三 种：前向纠错( f e c ) 、反馈重传( a r q ) 和混合纠错( h e c ) 。 前向纠错也称自动纠错。发送端发送具有纠错性能的码字，如果在传输过程 中产生的错误属于改纠错码能纠正的类型，则接收端译码器不仅能够检错，而且 能够自动纠错。 反馈重传又称自动请求重发。经接收端译码之后，如果发现传输有错误，则 通知发送端重发接收端认为错误的信息，直到接收端认可为止，从而达到纠错的 目的。 混合纠错是上述两种方式的混合。接收端对少量的接收差错自动纠正，而超 出正常能力的差错则通过反馈重传的方式加以纠正。 2 4 检错码和反馈重传的差错控制技术 数字信号传输系统要求有较高的可靠性。但数字信号经过远距离传输时，往 往会受到传输信道内噪声干扰的影响，这种干扰将使接收到的信号出现差错。另 外，数据传输信道本身传输特性不理想，也会使传输的数据信号产生失真和时延。 由上述两种原因引起的数据信号序列错误，可以归纳为两种类型：一是随机性错 误，其特点是数据信号序列中前后出错位之间没有一定的关系；二是突发性错误， 它反映了前后出错位之间的相关性。由于实际信道的复杂性，上述两种类型的错 误往往是同时存在的。 实现差错控制的基本思想是通过对信号码元序列进行某种变换，使原来彼此 独立、无相关性的信号码元之间产生某种规律性或相关性，从而在接收端可以根 据这种规律性来检测甚至纠正传输序列中可能出现的错误。利用不同的变换方法 可构成不同的抗干扰编码和不同的差错控制方式。抗干扰编码有检错码和纠错码 之分，目前数据通信中基本的差错控制方式有四种，即检错反馈重发或自动检错 重发( a r q ， a u t o m a t i cr e q u e s tf o rr e p e a t ) 、前向纠错( f e c ，f o r w a r de r r o r c o 丌e c t i o n ) 、混合纠错( h e c ，h y b r i de n 0 rc o n 优t i o n ) 和不用编码的差错控制。 检错反馈重发方式下，在接收端接收到码组后，按一定规则对其进行有无错 误的判别。当接收端通过译码检查出一定长度的码组中存在差错，但不能知道差 错的确切位置，无法直接纠正，必须通过请求发送端重新发送这一组序列来达到 纠正错误的目的。发送端根据应答信号把接收端认为有错的那组数据再次传送。 重发的码组经接收端检验如仍有错误，则再次传送要求发送端重发的应答信号。 以此往复直至该数据码组经接收端检验无错为止。 前向纠错方式下，接收端经过译码准确判定错误位置，自动加以纠正。 混合纠错方式下，少量差错在接收端自动加以纠正；差错较严重，超出自行 北京丁业大学理学硕：l j 学位论文 纠正能力时，就向发送端发出重发信号，要求重发。 不用编码的差错控制方式下，无需对被传输的信息码元进行差错编码，而在 传输中附加冗余措施来减少传输中的差错。n 町 2 4 1 检( 纠) 错编码的基本概念 i i _ 一鸱长h ；七+ r 一 卜一 毒个l 蠢魍地叫卜，个虢餐他一 图2 2 分绸码的结构形式 f i g2 2s t r u c t u r eo fg r o u p i n gc o d e 分组码的结构形式如图2 2 所示。将信息码( 要传送的净荷信息) 分组( 每 个信息码代表不同含义) ，并为每个组附加若干监督码元的编码，称为“分组码”。 分组码一般用符号( 刀，后) 表示，其中门是码组的总位数，又称码组长度( 码长) ； 忌是码组信息码元的数目，或称信息位数目； ，= 门一七 ( 2 1 6 ) 是按一定的规则附加上的监督码元( 或多余度码元) 数目，或称监督位数目。 因为码组引入了一定的多余度，所以码组就具有了一定的抗干扰能力。一般 来说，添加的监督码元位数越多，码字的抗干扰能力越强。若全部码元都作为有 用码元来使用，这样的码组是不具有抗干扰性的。n 钉 2 4 2 循环冗余校验码 循环冗余校验码简称循环码或c r c 码( c y c l er e d u n d a n c yc o d e ) ，是一种 高性能的检( 纠) 错码。由于它的检错能力强、实现简单容易，因而在数据通信 中得到了非常广泛的应用。虽然循环码具有纠错能力，但在实际应用中常用作检 错码。循环码的特点是有严密的数学结构，对其进行分析要用到近代代数理论。 2 4 2 1 循环冗余校验码的特性 循环码属于线性分组码，具有线性分组码的所有特性。线性码码组中的信息 码和监督码之间满足线性变换关系，即它们之间由一线性( 一次) 方程来联系。 线性码具有封闭性，即线性码的任何两个码组的对应位按模2 相加( 异或运算) 所得到的新码组仍然是该线性码的一个码组。此特性可用来检验循环码编码是否 正确。循环码具有循环特性，即任一码组的每一次循环左移或右移所得到的是码 中另一码组。此特性也可用来检验循环码编码是否正确。n 邮循环码的这些特性， 将有助于简化编码和译码功能的实现。 2 4 2 2 循环冗余校验码的编码原理 假设待编施信息码元为： m = ( - l - 2 ，m l ，m o ) ( 2 1 7 ) 1 2 第2 章无线数据传输系统的相关理论 它所对应的多项式为： m ( x ) = 一l x + 一2 x h + + m l x l + m o ( 2 1 8 ) 将信息m 向左移动，位，变成( 七+ ，) 项的新数列： m = ( - i 一2 m l ，m o ，0 ，0 ，o ，o ) ( 2 1 9 ) 设码组总位数为n = 后+ ，此时对应的多项式为： m ( x ) = 一l x ”+ 一2 x ”2 + + m l x h l + r n 0 7 ( 2 2 0 ) 用生成多项式g ( 除m ) ，得： m ) = g ( ) ( ) q ) + r ( x ) ( 2 2 1 ) 式中，q 商； 尺) 余数。 公式( 2 1 0 ) 中，m ) 的最高幂次为，z 一1 ； g ( 的最高幂次为，； q ( 的最高幂次为( 刀一1 ) 一( 刀一七) = 七一l ； r 的最高幂次为，- 一l 。 按模2 运算规则，加与减相同，所以由式( 2 2 1 ) ，可得： m + r ( x ) = g ( ) ( ) q ) ( 2 2 2 ) 公式( 2 2 2 ) 表明m ) + r 是g 的倍式，是一个( 玎一1 ) 次多项式，其中m ) 对应于编码码组中的信息码元，而r ( 则对应于校验码元。它所对应的码组是： ( ，一l ，一2 ，m l ，m o ，一i l ，：，一t 一2 ，) ( 2 2 3 ) 这说明信息码元m 所生成的循环码是由不加改变的啦信息码元之后，再附加上 如一动位校验码元组成的。n 阳 2 4 2 3 循环冗余校验码的译码原理 编码器将循环码码组m 垤输出。由于该信息在传输中受到干扰，因而 接收端真正收到的信息码组为m ”) 。m ”与m 之差是引起差错的多项式 层，即： ， m 仞制御忸 ( 2 2 4 ) 因此，在接收端可用同一生成多项式g 去除m 。若能除尽，表示无传输差 错；否则，表示有传输差错，可要求发送端重发信号或采取其它纠错措施。 2 4 2 4 常用的生成多项式 循环码的检验能力与生成多项式有关。设计良好的生成多项式会有较强的检 测差错的能力。目前生成多项式有相应国际标准。其中： c r c c c n t ：x 1 6 斗x 1 2 + x 5 + 1 ( 2 2 5 ) c r c c c i 丌用于8 位字符同步系统，能够检测出全部的1 位、2 位和奇数位的差 错，所有长度小于1 6 位的突发错，