牵引供电微机监控系统信息传输与通信设备PPT课件

第3章微机监控系统信息传输与通信信道 3 1通信系统的基本概念3 2信息量及数字信号传输要求3 3抗干扰编码的基本概念及理论3 4差错控制方式3 5微机监控系统数据通信规约3 6微机监控系统的通信信道 本章学习目标 l通信系统的基本概念l抗干扰编码的基本概念及理论l几种常用检错码l循环码和线性分组码l差错控制方式l微机监控系统通信规约 返回本章首页 3 1通信系统的基本概念 3 1 1通信系统的基本组成3 1 2通信系统的模型3 1 3通信系统的分类3 1 4通信方式 返回本章首页 3 1 1通信系统的基本组成 通信的目的是传送信息 即把信息源产生的信息快速 准确地传到收信者 通信系统由信息发送者 信源 信息接收者 信宿 和处理 传输信息的各种设备共同组成 如图3 1通信系统的组成模型所示 图3 1通信系统的组成模型 信道是信息的传输媒体 从其物理特性来分 可将信道分为有线和无线两大类 现代的有线信道包括电缆和光缆 无线信道即无线电传输信道 在传输信号的同时 自然界存在的各种干扰噪声也同时作用在信道上 这里的噪声主要是各种电磁现象引起的干扰脉冲 如雷电 电晕 电弧等 另外还有邻近 邻频的其它信道的干扰 干扰噪声对信号的传输质量影响很大 如果噪声过强而又没有有效的抗干扰措施 轻则使信号产生失真 重则出错 甚至将有效信号完全淹没掉 3 1 2通信系统模型 信号有两种主要类型 随时间连续变化的模拟信号和随时间不连续变化的离散信号 模拟信号通常是单一正弦波和正弦波的组合 如图3 2 a 所示 离散信号是由在时间上离散出现的脉冲组成 脉冲可以是单个的固定的周期出现 如图3 2 b 所示 也可以是以码组的形式出现 如图3 2 c 所示 图3 2信号波形图 按照信道中传输的信号是模拟信号还是数字信号 可以将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统 1 模拟通信系统凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的 且直接与消息相对应的信号 均称为模拟信号 信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 其模型见图3 3所示 2 数字通信系统凡信号参量只能取有限个值的 并且常常不直接与消息相对应的信号 均称为数字信号 信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统 其模型见图3 4所示 图3 4数字通信系统模型 图3 3模拟通信系统模型 对两种通信系统来说 数字通信系统是发展的主流 因为数字通信系统具有以下优点 抗干扰能力强便于进行各种数字信号处理便于实现集成化便于加密处理便于综合传递各种信息数字通信的许多优点是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的 3 1 3通信系统的分类 1 按调制方式的不同分类 根据是否采用调制 可将通信系统分为基带传输系统和频带传输系统 基带传输指不经过调制直接传输 而频带传输系统可采用下表所示的各种调制方式 表3 1常用的调制方式 2 按传输信号的特征分类 按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号 相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统 3 按传送信号的复用方式分类 传输多路信号有频分复用FDM 时分复用TDM 码分复用CDM 波分复用WDM和空分复用SDM 4 按传输媒介分类 按传输媒介 通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类 有线通信是用导线 如架空明线 同轴电缆 光导纤维 波导等 作为传输介质完成通信的 如市内电话 有线电视 海底电缆通信等 无线通信是依靠电磁波在空间传播到达传递消息的目的的 如短波电离层传播 微波视距传播 卫星中继等 3 1 4通信方式 1 单工 半双工及全双工通信 按消息传送的方向与时间的关系 通信方式可分为单工通信 半双工通信及全双工通信三种 单工通信 是指消息只能单方向传输的各种方式半双工通信 是指通信双方都能收发消息 但不能同时进行收和发的工作方式 全双工通信 是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式 2 并行传输和串行传输在数字通信中 按数字信号代码排列顺序不同分为并行传输和串行传输 并行传输 是将代表信息的数字序列以成组的方式在多条并行信道上同时传输 串行传输 是将代表信息的数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输 3 2信息量及数字信号传输要求 通信通信的目的在于传输信息 衡量传输信息的能力 需要对被传输的信息进行定量的描述 信息量的定义 其计算 logNP 3 1 式中 P 事件发生的概率 该事件发生时所得的信息量 在式 3 1 中 对数的底数N取决于量度信息的单位 若取2为底 信息量的单位是bit 比特 log2P bit 3 2 返回本章首页 电平在信息传输系统中 除了用衰耗 奈培数或分贝数 来表示信号传输效率外 还经常用电平来表示信号在传输系统中各部位信号幅度的变化情况 电平分为相对电平和绝对电平两种 相对电平 以传输线路上的某一点的功率为基准 把线路上各点功率高于或低于基准点功率的倍数以分贝表示 这种表示法称为该点的相对电平 3 3 绝对电平 国际上规定 在600 电阻上消耗1mW的功率 作为计算绝对功率电平的基准 3 4 从电量上又可分为功率电平 电压电平 电流电平 如果用电压或电流作标准 则在600 电阻上 加0 775V的电压或流过1 29mA的电流 都相当与1mW的功率 所以绝对电压电平或绝对电流电平为 3 5 3 6 数字通信系统的主要技术指标 数字通信系统的有效性指标用传输速率衡量 传输速率又分为码元传输速率和信息传输速率 1 码元传输速率 RB 简称传码率 又称符号速率 指单位时间能够传送的码元数 3 7 2 信息传输速率 Rb 简称传信率 指单位时间能够传送的平均信息量 传码率和传信率的关系为 3 8 显然 RB Rb 返回本节 数字通信系统的可靠性指标用差错概率衡量 差错概率又分为误码率和误比特率 1 误码率 Pe 指错误接收消息的码元数在传输消息的总码元数中所占的比例 3 9 2 误比特率 Pb 指错误接收消息的比特数在传输消息的总比特数中所占的比例 3 10 显然 对二进制信号而言 误比特率和误码率是相同的 即 Pb Pe 3 误字率 Pw 指错字数在传输总字数中所占的比例 3 3抗干扰编码的基本概念及理论 3 3 1抗干扰编码的概念3 3 2抗干扰编码的基本原理3 3 3常用的抗干扰编码 返回本章首页 3 3 1抗干扰编码的概念 抗干扰编码器的作用是根据一定的原则 将k个信息元组成的信息序列M变成k r个码元组成的二进制数字序列C C称为码字 因为信源编码是从有效性考虑 它产生的信息序列M是没有抗干扰能力的 抗干扰编码的目的是提高信息序列M的抗干扰能力 使之能应付信息中的干扰 抗干扰译码器根据接收序列R 抗干扰编码规则及信道特性 完成以下两项任务 1 设法检查并纠正R中的传输错误 产生真正发送码子C的估值 2 变换C为信道序列M的估值M 设计出的抗干扰编 译码器应根据信道实际存在的干扰类型 做到 1 编出的码字能尽快地在噪声信道上传输 即提高传输率 2 在传输率一定的条件下 使错误概率尽量小 也就是使码字的抗干扰能力强 在收端能正确地再现信息序列M 返回本节 3 3 2抗干扰编码的基本原理 抗干扰编码存在如下结论 1 若只要求一个 n k 码能发现e个错误 则 d0 e 1 3 11 2 若只要求一个 n k 码能纠正t个错误 则 d0 2t 1 3 12 3 若要求一个 n k 码发现e个错误 并能纠正t个错误 则要求 d0 t e 1 3 13 抗干扰编码的一些重要概念 一个码字中信息元所占的比重称为编码效率 简称码率 码率为R k n 一个码字中 信息元所占比重越大 则码率越高 在编码中的另一个重要概念是码字的汉明重量 简称重量 一个码字的重量就是该码字中非零元素的数目 用W表示 在二进制下就是 1 的数目 返回本节 3 3 3常用抗干扰编码 1 奇偶监督码2 定比码3 线性分组码4 BCH编码 返回本章首页 1 奇偶监督码 若构成一个 n n 1 码 则有k n 1个信息元为cn 1 cn 2 c1 r 1个监督元为c0 当偶数监督时 它们之间的关系为 cn 1 cn 2 cn 3 c1 c0 模2 3 14 式 3 14 表示监督元是所有信息元的模2相加 这样能保证所编出的每一个码字中 1 的数目是偶数 故称这种 n n 1 码为偶数监督码 当奇数监督时 它们之间的关系为 cn 1 cn 2 cn 3 c2 1 c0 模2 3 15 式 3 15 可说是所有信息元与一个监督元的模2相加为1 则编出的每一个码字中 1 的数目是奇数 称这种码为奇数监督码 奇数监督码或偶数监督码 还可统称为奇偶监督码 或称奇偶校验码 表3 2常用8421代码的奇偶监督方法 返回本节 2 定比码 定比码是使所编码字中 1 的数目保持一定 而在接收端检查码字中 1 的数目是否为给定常数 借此来检出错码 定比码在远动系统中采用较多 简单讲 这种码就是 从n中取m m n 这里n为码组长度 m为每个许用码组中 1 的数目 例如 从5中取3 的定比码 就是以5位二进制数字组成一个码组 这样组成的码组总共有25 32种 表3 3定比码的许用码组 返回本节 在 n k 分组码中 若每一个监督元都是码组中某些信息元按模2和而得到的 即监督元是按线性关系相加而得到的 则称其为线性分组码 现以 7 4 分组码为例来说明线性分组码的特点 设其码字为C c6c5c4c3c2c1c0 其中前4位是信息元 后3位是监督元 3 线性分组码 表3 4 7 4 分组码的码字表 返回本节 循环码是线性分组码中的一个重要子类 它有严格的代数结构 用代数方法可以找出许多编码效率高 检错纠错能力强的循环码来 循环码可用多项式来分析 用以表示码组的多项式叫码多项式 记作 C x Cn 1Xn 1 Cn 2Xn 2 C1X C0 3 16 4 循环码 循环码的编码 C x M x g x 3 17 用式 3 17 可以编成循环码 可将式 3 17 理解为 任一循环码码字都是g x 的倍式 把式 3 17 改变一下形或就能编出系统码格式来 对 n k 循环码 编码步骤如下 1 将待编信息M x 乘以Xn k 得 Xn k M x 2 将Xn kM x 除以生成多项式g x 得余式R x 记作 Xn k M x Q x g x R x 3 18 Xn k M x R x Q x g x 3 19 上式说明 Xn kM x R x 是g x 的倍式 所以它是码字C x 即 C x Xn k M x R x 3 20 返回本节 3 4差错控制方式 数据信息传输的差错控制方式可以分成图3 5所示的四种基本类型 在下图3 5中深色方框表示在该端检查出差错 图3 5差错控制方式 返回本章首页 1 前向纠错 FEC 前向纠错方式FEC ForwardErrorCorrection 是在发送端将数据信息按一定的规则附加余码元 组成纠错码 2 自动回询重传 ARQ 这种方式又可称为检错重传 判决反馈或反馈纠错 记作ARQ AutomaticRepeatRequest 返回本节 3 混合差错控制方式 HEC 如果将FEC和ARQ适当结合起来 就能克服各自的缺点 这就是混合差错控制方式 也称混合纠错方式HEC HybridErrorCorrection 4 信息反馈 IRQ 也就是信息重传请求IRQ InformationRepeatRequest 将接收到的数据原封不动地通过反馈信道送回到发送端 3 5微机监控系统的通信规约 目前 微机监控系统中普遍使用的通信规约有两种 即循环式及问答式通信规约 问答式规约的特点是 1 RTU有问必答 当RTU收到主机查询命令后 必须在规定的时间内应答 否则视为本次通信失败 2 RTU无问不答 当RTU未收到主机查询命令时 绝对不允许主动上报信息 循环式是基于循环工作方式 其规约特点是 被控端RTU为主动方 循环不断地向监控中心发送遥测 遥信 等数据 规约采用可变长 多种帧别的传送方式 将监控帧分成若干类型 对不同类型的帧 分别以 帧类别 编码加以区别 帧可变长 问答式远动规约 适用于监控中心与一个或多个远方控制终端RTU进行通信 通道结构可以是 点对点 星形 分支线和环形等双工和半双工 信息传输为异步方式 目前 微机监控系统多采用问答式远动规约 IEC60870 5 101远动通信标准是国际电工委员会 IEC 第57技术委员会第三工作组于90年代开始制定的有关电力系统控制和通信方面的标准协议 该通信标准对物理层 链路层 应用层 用户进程做了大量具体的规定和定义 IEC60870 5 101规约的国家标准文本中定义了相当丰富的轮询问答过程 其中包括 主站初始化过程 主站询问的顺序过程 循环数据传输过程 收集事件的顺序过程 向子站召唤过程 时钟同步过程 控制的顺序过程 收集累计值的顺序过程 装载参数的顺序过程 测试过程 文件传输过程等等 3 6微机监控系统的通信信道 通常 信道可有两种理解 一种是指信号的传输媒介 如架空明线 同轴电缆 超短波及微波视距传输 包括人造卫星中断 路径 短波电离层反射路径 超短波及微波对流层散射路径以及光导纤维等 此类型信道为狭义信道 另一种是将传输媒介和各种信号形式的转换 耦合等设备都归纳在一起 如发送设备 接收设备 馈线与天线 调制器 解调器等 称这种扩大范围的信道为广义信道 两种信道的区别和联系见图3 6所示 图3 6数据传输系统中的信道 光纤信道的组成 光纤信道的简化框图示于图3 7 它由光发射机 光纤线路 光接收机三个基本部分构成 光发射机和接收机合称为光端机 图3 7光纤信道的一般组成 多模光纤与单模光纤光线在光纤中传播时往往存在着多种模式 不同的模式有不同的电磁场分布和不同的传播