复用器原理.doc

一、复用器的原理1、数字电视复用器的原理及MPEG-2标准。MPEG-2的结构可分为压缩层和系统层。一路节目的视频、音频及其他辅助数据经过数字化后通过压缩层完成信源压缩编码，分别形成视频的基本流、音频的基本流和其他辅助数据的基本流;紧接着系统层将不同的基本流分别加包头打包为PES包。为了多路数字节目流的复用和有效的传输，又将PES包作为负载分割后插入传输包(TS包)中。TS包固定为188Byte，其有固定的4Byte包头和可选的可变长的调整字段(如图1示)。TS包包头都含有包标识(PID)域，用来标识包的类型(如视频、音频、节目指定信息PSI等)。当需要插入节目参考时钟PCR或其他包头信息时就要加入调整字段。PCR非常重要，它以固定频率插入包头，表示编码端的时钟，并反映了编码输出码率。收端根据PCR可以用来调整解码端的系统时钟，以保证对节目的正确解码。含音频PES包、视频PES包和其它辅助数据的PES包的各种TS包按一定的比率经过复用后可形成一路节目的TS流。为了能对一路节目的TS流中所含的各种信息进行标识(如:区分音/视频包)，在复合的时候需要插入PSI信息，PSI信息以段为单位进行组织，段可以作为负载插入TS包中。然后以一定的比率插入一路节目的T流中，形成完整的一路节目的TS流。在实际的通信系统中，一路6MHz的模拟电视带宽中可传送多路数字化节目，即在调制之前要将多路节目(可能具有不同的时基;PCR)的TS流进行再复用，以适合传输的需要，这正是复用器完成的工作。在分析MPEG-2标准的基础上，认识到复用器有两项关键技术(1)系统层PCR域的调整;(2)系统层PSI信息的收集、重构，并以新的PSI信息为标准修改进入复用器的TS包。2、节目复用与信道(系统)复用在对视/音频数据进行MPEG-2压缩编码时，编码器首先输出的是视/音频基本码流V-ES/A-ES，视/音频基本码流ES再分别经过打包器打包为可变长度的打包的基本码流PES V-PES/A-PES，视频V-PES一般为一帧一个PES包，音频A-PES一般不超过64kB。打包的基本码流再经过编码器复用打包为188定长字节的传送流，同时插入节目专用信息PSI或/和附加数据，这样的过程称为节目复用，如图2所示基于MPEG-2传送流TS的多路节目复用，如图3所示，首先要对各路节目的PID, PSI、PCR等信息进行滤波，重新修改和整合为复用后新的PSI等信息，同时插入符合DVB-SI规范的业务信息，并在带有PCR标志位字段的PCR字段的TS流在离开复用器时刻，校正或重新插入新的节目参考时钟值。这样的多节目复用以充分利用信道的传输带宽资源的过程，可称为信道复用，在数字电视传输系统中，也可称为系统复用。 在复用时，由于要满足每隔100ms必须含有至少一个PCR(属于PCR PID的)字段的复用要求限制，因此依据该节目的传输速率计算出100ms时间间隔内需要传输的TS包，从而确定PCR的插入位置，但是在信道复用时，PCR的实际数值要到信道复用时才能确定。打包完成后，要进行系统复用处理，包括: （1）按各节目的传输速率，将各节目的TS包均匀地组合成新的信道传送流，在一定的时间间隔内，各节目的传送流包的数目应与各自的传输速率成正比;（2）按输入各节目的传输速率和输出码流的速率，确定需要插入的空包数目以及插入位置;（3）根据各节目生成对应的PSI信息和SI信息，将其按照一定的时间间隔均匀地插入信道传送流中;（4）在预留的PCR字段处填入适当的新的PCR值。二、编码器定义网络视频编码是一种压缩、处理音视频数据的专业网络传输设备， 构成由音视频压缩编解码器芯片、输入输出通道、网络接口、音视频接口、RS485串行接口控制、协议接口控制、系统软件管理等构成， 功能主要是提供视频压缩或解压功能，完成图象数据的采集或复原等,目前比较流行的基于MPEG-4或H.264的图像数据压缩通过Internet网络传输数据以及音频数据的处理。 发展经过近几年的发展，目前已经由单功能的视频传输,逐渐发展成为带WIFI网络，带本地SD卡存储 ，或USB存储或IDE硬盘存储等；传输通道也从原来单路逐渐发展成为：单路D1，两路HD1，四路CIF和多路兼容的多菜单操作与管理的集成系统。 目前，网络视频服务器的通讯方式也由原来单纯的有线网络，逐渐发展成为：有线与无线WIFI（802.11a b g通讯协议）兼容,无线的传输距离也由原来的几十米（30-100米），发展成为目前的几十公里（30-50公里）。编码器原理 1.光电编码器原理 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90旱牧铰仿龀逍藕拧 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 1.1增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90海佣煞奖愕嘏卸铣鲂较颍?相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 1.2绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。 绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是： 1.2.1可以直接读出角度坐标的绝对值； 1.2.2没有累积误差； 1.2.3电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。 1.3混合式绝对值编码器 混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。 光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。 光电编码器原理结构图增量式光电旋转编码器 所谓编码器即是将某种物理量转换为数字格式的装置。运动控制系统中的编码器的作用是将位置和角度等参数转换为数字量。可采用电接触、磁效应、电容效应和光电转换等机理，形成各种类型的编码器。运动控制系统中最常见的编码器是光电编码器。 光电编码器根据其用途的不同分为旋转光电编码器和直线光电编码器，分别用于测量旋转角度和直线尺寸。光电编码器的关键部件是光电编码装置，在旋转光电编码器中是圆形的码盘(codewheel或codedisk)，而在直线光电编码器中则是直尺形的码尺(codestrip)。码盘和码尺根据用途和成本的需要，可由金属、玻璃和聚合物等材料制作，其原理都是在运动过程中产生代表运动位置的数字化的光学信号。 图12.1可用于说明透射式旋转光电编码器的原理。在与被测轴同心的码盘上刻制了按一定编码规则形成的遮光和透光部分的组合。在码环的一边是发光二极管或白炽灯光源，另一边则是接收光线的光电器件。码盘随着被测轴的转动使得透过码盘的光束产生间断，通过光电器件的接收和电子线路的处理，产生特定电信号的输出，再经过数字处理可计算出位置和速度信息。 上面所说的是透射式光电编码器的原理。显然利用光反射原理也可制作光电编码器。 增量编码器的码盘如图12.2所示。在现代高分辨率码盘上，透光和遮光部分都是很细的窄缝和线条，因此也被称为圆光栅。相邻的窄缝之间的夹角称为栅距角，透光窄缝和遮光部分大约各占栅距角的1/2。码盘的分辨率以每转计数(CPR-counts per revolution)表示，亦即码盘旋转一周在光电检测部分可产生的脉冲数。例如某码盘的CPR为2048，则可以分辨的角度为10，311.8”。在码盘上，往往还另外安排一个（或一组）特殊的窄缝，用于产生定位(index)或零位(zero)信号。测量装置或运动控制系统可利用这个信号产生回零或复位操作。 从原理分析，光电器件输出的电信号应该是三角波。但是由于运动部分和静止部分之间的间隙所导致的光线衍射和光电器件的特性，使得到的波形近似于正弦波，而且其幅度与码盘的分辨率无关。 在图12.1的设计中安排了六组这样的挡板和光电器件组合，其中两组用于产生定位(index)脉冲信号I（有的文献中为Z）。其他四组由于位置的安排，产生4个在相位上依次相差90的准正弦波信号，分别称为A、B、A和B。将相位相差180的A和A送到一个比较器的两个输入端，则在比较器的输出端得到占空比为50%的方波信号A。同理，由B和B也可得到方波信号B。这样通过光电检测器件位置的特殊安排，得到了双通道的光电脉冲输出信号A和B（见图12.3）。这两个信号有如下特点： (1)两者的占空比均为so%；图12.3双通道信号的形成 (2)如果朝一个方向旋转时A信号在相位上领先于B信号90的话，那么旋转方向反过来的时候，B信号在相位上领先于A信号90。 这种双通道信号的特点为测量分辨率的提高和方向信号的获取提供了条件。 占空比为so%的方波信号A和B中有4个特殊的时刻，就是它们波形的前沿和后沿。两个信号的前后信号在波形的一个周期中是按90平均分布的。将这些沿信号取出并加以利用，可得到4倍频的脉冲信号，这样就可把光电编码器的分辨率提高到4倍。 图12.4是一个由数字电路组成的处理电路，在这个电路中采用了施密特输入的反相器、异或门、或门和D触发器。电路中各处波形如图所示，用虚线隔开分别表示正转和反转两种情况下的波形。可以看到该电路产生4倍频计数信号和方向信号。使用这些信号再加上定位脉冲的配合，电子线路就可以通过对脉冲的计数来确定运动系统的位置。可以采用计数器使得其在转轴朝某一方向旋转时进行增数，而在朝相反方向旋转时进行减数，这样就可以在不掉电的前提下保持对绝对位置的记忆。望远镜的轴角位置指示 图 3.17 一个八位编码器的(a)码盘和(b)编码器的工作原理图 近代工业已经为望远镜的轴角系统提供了一系列的轴角位置指示装置。这些装置包括光电编码器，圆感应同步器以及光栅刻尺。 (1)光电编码器 光电编码器是一种二进制光电位置指示器，其基本原理是由不同等分的明暗相间的条纹，通过光电元件取得角度位置的二进制数字信号，最后进行解码取得角度位置的绝对值或相对值。绝对编码器的码形总是唯一的，这种码形给出了长度或角度的位置。光电编码器由光源，码盘和光电接收器所组成。码盘是编码器中的最重要的器件。图3.17是一个八位编码器的码盘和编码器的工作原理图。这里的码盘是一种自然码盘。绝对编码器的码形有多种形式。一种叫做格瑞码 的码盘特别适用于光学编码器（见图3.18(a)）。这种码盘每进一格仅改变一个数码，不易产生错码现象。 图 3.19 增量编码器码盘脉冲信息细分的工作原理，图中z表示零位光电编码器的另一类是增量编码器。增量编码器的码盘如图3.18(b)所示。它的码盘是由明暗相间的条纹所构成。一般来讲同样分辨精度的增量编码器要比绝对编码器便宜得多。增量编码器还有一些提高分辨精度的方法。通常增量光栅码盘有四个刻道，其中两个是明暗相间的条纹码，另外两个是电源亮度指示码。这两个条纹码之间相互错开，这样这种码盘的编码器就不但可以给出码盘运动的角度和大小，而且可以给出码盘运动的方向。同时当光栅码盘的方波脉冲信息输入到顺时针 和逆时针 的增减计数器中时，这种两个条纹码的方波信息就可以分解为一倍、两倍或四倍的精细信号以提高编码器的分辨本领。如果光栅码盘的质量好，这种精细的四倍的信号可以精确到每一个信号脉冲的二分之一。 为了获得更为精细的分辨本领一种用光栅读头的方法可以达到这个目的。（见图3.20）这时在旋转光栅的后面加上了一个小的子光栅。当相干光照射在光栅盘上时，在子光栅面上的光强为(leki,1999)：图 3.20 增量编码器中子光栅码盘细分的工作原理图(leki,1999)式中t1是光栅的投射率。如果第一个光栅的周期是p ，第二个光栅的周期也是p 。用w作为在焦面上的空间频率，则在焦面上的光能量为：图 3.21增量编码器中子光栅码盘细分的光强信号和位移的关系，A.U表示任意单位(leki,1999) Reprinted with permission from Taylor & Francis, Inc.。 当M=0时这一信号的光能量可以表示为一个级数形式。如果只取前面的两项的话，则焦点的光能是 的余弦函数。这样通过电细分，我们还可能获得更为精细的分辨精度。在实际应用中可以用四组子光栅，同时用于上下两组条纹上以提高电细分的精度。但是正如图3.21所示周期光栅的焦点能量并不是真正的余弦曲线，所以如果采用如图3.22所示的调制子光栅其焦点能量才是真正的余弦曲线，则细分后的分辨率精度就会更为准确。另外应用调制平行光源的方法，使用两个面积不同的面光源也可以使焦点能量成为正确的余弦函数。通过应用不同分辨率的增量光栅的组合，可以获得不同频率的正弦和余弦的值，这样就可制成精度非常高的绝对编码器。一般这种高精度的编码器总有多个码道，它们是直流参考码以及三至十五位的正余弦码。图 3.22 增量编码器的两种调制子光栅的光栅具体尺寸(leki,1999) 现代光栅技术结合 的本身的精度也可以极大地提高光电编码器的精度。一个16位的增量编码器，如在其码盘上加上16位的绝对码图案，通过 使增量码两相邻条纹同时成像，则 会给出码盘的精确位置，以至于获得24位以上的绝对编码器的精度，这是十分重要的技术进展。 (2)圆感应同步器 另一种类似的轴角编码装置是圆感应同步器。与光电编码器不同，圆感应同步器是一种模拟装置。各个数值的变化是连续的，而不是跳动式的。圆感应同步器的基本原理如图3.23所示，它由定子和动子所组成。它的动子只有一个线圈，而在它的定子上，有 个线圈构成 个极。它的每一个线圈之间的夹角是 度。当在动子中输入交流电压 ，并且动子轴线和定子的零点偏离一定角度 时，则在定子上的各个线圈内就会产生不同量的电流。如图3.24中所示，有：图3.23 圆感应同步器的基本原理图3.24 圆感应同步器定子上的各个线圈内的输出电压式中 是一比例常数。如果将定子上的线圈如图3.23中所示互相连结起来，则在定子上就会产生如下的电流：利用圆感应同步器这一特性，就可以用来测定微小角度的变化。在使用圆感应同步器时为了测定角度的绝对位置，还要加上一个粗码盘。比较光电编码器，圆感应同步器有如下几个好处：(a)线圈动定盘比较便宜，(b)对环境要求较低，可以用于温度变化和有振动的场合。 (3)编码器的应用和其它角度测定方法 应用光电编码器在控制回路中要采用数模转换装置，而圆感应同步器可以直接用于同步驱动的控制。不过它们两种都能实现轴角位置的绝对指示或者增量指示。它们的位置精度高，误差的重复性能好，只是高位数的指示器价格较高。光栅带尺加摩尔条纹的轴角指示方法是近年新发展起来的，这种方法特别适用于大口径的望远镜。这种光栅带尺的精度约小于1微米，一般是均匀地粘贴在大型驱动轮的边缘，并通过摩尔条纹给出高达 的分辨精度。光栅带尺的缺点是不能保证全部条纹的一致性，这需要在计算机控制中使用列表法予以校正。在望远镜中光栅带尺常用于位置的绝对定标。 望远镜绝对定位精度是为了准确导星、定位的需要，而增量定位则是为了精确导星的要求。因此增量编码器要求有较高的分辨精度。绝对编码器可以直接与望远镜传动轴连接，这时位置指示没有其它的误差因素。但是有的时候由于编码器的位数较低或者望远镜传动轴需要通过光线，也可以将编码器装置在第一级齿轮付上。这时编码器的分辨精度得到放大，但同时齿轮的误差也将影响角度绝对值显示的精度。这一误差