远动监控系统-第四章

1、电气化铁道微机监控技术第四章 微机监控系统的信息传输与通信设备 本章需要掌握的主要内容:1、远动信息的传递过程及其信道的分类；2. 音频线路、载波信道、光钎信道及无线信道各自的传输系统的构成方式；3、信号的调制方式、种类、作用及其原理；4、滤波器、衰耗器和二-四线转换装置的主要作用和原理。电气化铁道微机监控技术第一节 概述第二节 通信信道及数据传输系统第三节 调制方式第四节 通信设备关键部件电气化铁道微机监控技术远动信息的传递过程远动信息的传递过程第一节 概述电气化铁道微机监控技术通信设备：一般包括信道、调制器/解调器（光端机）。调制：把信息加到载波上，变成已调信号的过程解调：把信息从已调信号

2、中恢复出来的过程称为解调信道：含有各种干扰的通信线路 频分信道（FDM）：利用频率变换和调制方法，将若干路信号调制到频谱的不同位置，接收端利用接收滤波器把各路信号区分开。按频带划分信道构成多路复用。 时分信道（TDM）：将信号时区划分为若干时隙，轮流传输不同的信号，形成时分通信。一、信道的分类1、按信道的复用方式电气化铁道微机监控技术2 2、按传输信号的类型、按传输信号的类型 单工信道：只能一个方向传送，任何时间不能改变。 半双工信道：可以双向传输，交替进行，不能同时进行。 全双工信道：可同时进行双向传输。 有线：以有形的线路为传输媒质。如对称电缆、同轴电 缆、架空明线、光纤。 无线：以自由空

3、间为传输媒质。微波、卫星通信等。 3、按传输媒质不同 模拟信道：传输连续的模拟信号。 数字信道：传输离散的数字信号。4、按信息传送方向与时间关系电气化铁道微机监控技术 把原始数据信号（包含直流分量、低频、谐波分量）称为基带信号。由数据终端产生的二进制数字信号，包括PCM、 M等调制后的信号，称为数字基带信号。直接利用基带信号进行传输的方式称为基带传输。如数字光纤通信系统。 利用载波对基带信号进行调制，使信号频谱搬移到载波频率附近的一个频带内，把这种调制后的信号称频带信号。用频带信号进行数据传输称频带传输。 近距（几米到几百米）：经接口电路（RS-232、RS-422）直接在线路上传输。 较近：

4、加基带传输机（基带MODEM）。 较远：采用频带传输，即加调制解调器。二、数字基带传输和频带传输电气化铁道微机监控技术单极性不归零码双极性不归零码单极性归零码双极性归零码差分码电气化铁道微机监控技术基带数传机原理框图电气化铁道微机监控技术三、干扰电平和允许电平用电平表示信号在传输过程中信号幅度变化情况。1.相对电平 选择电路上某点的功率P0（U0、I0）为基准，把电路上各点功率高于或低于基准点的倍数以dB（分贝）表示，称该点的相对功率（电压、电流）电平。电气化铁道微机监控技术2.绝对电平 在600电阻上，消耗1mW功率为绝对功率电平的基准：绝对功率电平绝对电压电平)(.logdBUPxu775

5、020 )(logdBPPx31010 常用dBr表相对电平，用dBm表示绝对电平。相对电流电平 相对电压电平 )(logdBUUPxu020 )(logdBppPx010 相对功率电平)(logdBIIPxi020 电气化铁道微机监控技术以铁路通信为例： 干扰电平：音频回路两端用杂音计所测杂音电压： 明线2.5mV；电缆2.0mV。 发送电平：音频电路最高发送电平不大于0dBm； 载波通道的载波机两线端测得的电平 不大于-13 dBr。 接收电平：接收端根据传输方式的不同及接收端通 信设备本身的性能，对接收电平的限制 不同。如对FSK的音频实回线，要求 接收电平大于-25 dBm。3.干扰电

6、平和发送接收电平的规定电气化铁道微机监控技术 频带的选择：选择频带时须考虑到通信线的衰减和相移特性； 阻抗的匹配：在选择的频带内，力求特性阻抗的绝对值接近于常值，幅角接近于零，以利于与接收端设备的输入与输出阻抗相匹配； 接收端设备输出电平的选择：电平选择过低，将使接收端的输入信噪比降低，使误码率升高。但是输入电平受到相邻信道的限制，电平过高，使相邻信道受到的干扰增大，降低信号的传输质量。 四、接收端设备与信道的连接电气化铁道微机监控技术第一节 概述第二节 通信信道及数据传输系统第三节 调制方式第四节 通信设备关键部件电气化铁道微机监控技术一、音频线路音频（3003400Hz）线路：架空明线、对

7、称电缆1.由音频线路构成的数据传输系统电气化铁道微机监控技术2.通信线的传输特性 电气化铁道微机监控技术（1） 首端加上频率为的正弦交流电压，稳定后，线路上任意一点X处的电压为：（2） 线路的特性阻抗(波阻抗)它表征线路本身的特性，与线路长度无关。xcxcxeZIUeZIUU)(21)(2111110000CjgLjrZc电气化铁道微机监控技术：传播系数：衰耗系数，单位为dB/km(分贝/公里)：相移系数，单位为rad/km(弧度/公里)（3） 线路的传播系数、衰耗系数和相移系数)(0000CjgLjrj)(21000022022020220grCLCgLr)(2100002202202022

8、0grCLCgLr电气化铁道微机监控技术 jceUZIU )(1121 jceUZIU )(1121)()(xjxxjxxjxjxeeUeeUeeUeeUU)()()sin()sin(xtuxtuxteUxteUuxx 22（4）前行波和反行波、波速则：转换为瞬时值的形式，有：令：电气化铁道微机监控技术),(txU 1 波速：考察中相位为一定值的点1 xtt+t 时刻，相位1 移动到x+x处，即1 )()(xxttxt tx为反行波。同理，),(txU 为前行波，波速等于),(txU 从而有t时刻x点处，),(txU 的相位为，即1 结论2：反射现象既损耗了信号的能量，又使接收端电压 波形造成

9、畸变，产生有害的干扰。结论1：电压波衰减地 向收端前进。电气化铁道微机监控技术（5）阻抗匹配：接收端负载阻抗等于特性阻抗在阻抗匹配的情况下，不会出现反射波 CFZZZ jceUZIU )(112102111 )(cZIUCZIU 11反射波电压0 电气化铁道微机监控技术 主要有载波电缆和电力线载波 频分复用的模拟信道。 二、 载波信道1.载波电缆构成的数据传输系统电气化铁道微机监控技术2.电力线载波数据传输系统LC谐振电路，阻断高频信号的通路构成高频信号的通路，将其送到电力线上。隔离高电压、大电流，保护人身、设备的安全将音频信号调制到f1(0.33.4)kHz电气化铁道微机监控技术光端机：将电

10、信号转换成光信号的变换装置。光中继装置：为实现远距离传输，将因传输而使强度减弱的光，先转换成电信号，放大后再转换成光信号，以便长距离传输。光纤：透明度极高的纤维，将光传输到远方的媒介 三、光纤信道电气化铁道微机监控技术光的调制方式根据数字信号进行，多采用脉冲编码调制。双、单极性转换处理：将便于电信号处理的双极性脉冲变为便于光纤传输的单极性脉冲。码制变换：适于电信号传输的码型转换为适于光信号传输的码型光电转换元件：发光元件为激光二极管LD和发光二极管LED。1.数字式光端机电气化铁道微机监控技术 根据光的调制方式，分两类： 直接调制方式：光强度的调制与输入的模拟信号成比例。 预调制方式：将输入的

11、模拟信号转换为电信号，再进行光的有无的双值光强度调制。2. 模拟式光端机电气化铁道微机监控技术四、无线信道1.无线电信道优点：适宜于短距离、直接传输 一般，称波长为0.0011.0m、频率为300MHz300GHz的无线电波为微波。这里的无线电信道指微波以下频段的无线电信道，常用几十兆几百兆Hz。电气化铁道微机监控技术2.微波中继信道（含卫星通信）优点：微波频段频带很宽，可容纳许多无线电频道且不相互干扰。电气化铁道微机监控技术第一节 概述第二节 通信信道及数据传输系统第三节 调制方式第四节 通信设备关键部件电气化铁道微机监控技术一、调制与解调 1. 定义 调制：将待传输的基带信号进行频谱的搬移

12、或者数字脉冲波形的变换，使其适宜于在信道 中传输的过程。 载波：被调制的正弦波信号 已调信号：调制后得到的信号 解调：从已调信号中将原信号复原的过程。电气化铁道微机监控技术2.调制的目的 将信号的频谱搬移到所希望的频带上，或对信号 脉冲进行数字变换，使其适合在信道上传输。 实现信道的多路复用（频分或时分）。 改善传输系统的抗干扰性能。3.频带调制和数字基带调制 连续波调制如FSK等，都是将信号的频谱搬移到载波频率附近的一个频带上，因此称为：频带调制 脉冲调制如PCM等，调制后的信号仍是数字基带信号，因此称为：数字基带调制，简称基带调制电气化铁道微机监控技术键控调幅ASK：幅度随信号变化。键控调

13、频FSK：频率随信号变化。键控调相PSK：相位随信号变化。二、数字调制方式 数字调制是利用数字信号去控制一定形式的载波而实现调制的一种方法。 选用正弦波为载波信号用数字基带信号分别控制幅值，角频率和相位等参数)cos()( tUtum电气化铁道微机监控技术用前后相邻两个波形的相位变化值代表tUtumcos0)(tfUtfUtumm212cos2cos)(数字信号键控调幅键控调频绝对调相相对调相)cos()0cos()(tUtUtumm电气化铁道微机监控技术三、幅移键控（ASK）ASK调制：利用调制信息的数字信号键控一个连续的载波，使载波时断时续，有载波振荡时发送“1”的信息，无载波时发送“0”

14、。该方式看作是调制信号s(t)与载波相乘。性质：最简单的线性调制。线性调制：信号在调制过程中只进行某种线性变换而不经过非线性处理，在调制、解调过程中，调制信号的频谱在频率轴上被搬来搬去，但其中所有成分的相对关系总是保持不变。电气化铁道微机监控技术22TT.)5cos523cos32cos221()(0tttAts线性调制器电气化铁道微机监控技术已调信号及其傅立叶级数为：（令A=A0=1）.)5cos(51)3cos(31)cos(1.)5cos(51)3cos(31)cos(1cos21.)5cos()5cos(51)3cos()3cos(31)cos()cos(1cos21cos.)5cos

15、523cos32cos221(cos)()(0000000000000000ttttttttttttttttttttste电气化铁道微机监控技术.)5cos523cos32cos221()(0tttAts.)5cos(51)3cos(31)cos(1.)5cos(51)3cos(31)cos(1cos21)(0000000tttttttte和频项：所有成分频率都大于载频部分差频项：所有成分频率小于载频部分载频项：与S(t)无关电气化铁道微机监控技术已调信号的带宽是调制信号带宽的两倍。线性调制共同特点: 已调信号中，每一频率分量都对应于原调制信号的频率分量在频率轴上搬移一个0的距离，整个频谱的结

16、构和每一分量的相对大小不因调制而改变。电气化铁道微机监控技术ttststttsttete000022121 cos)()(coscos)(cos)()( 调幅信号的解调：包络检波、相干解调。相干解调: 利用相干载波与所接收到的调制信号相乘，可以产生一个含有调制信号和其它成分的组合信号，再用一截止频率等于载波频率的低通滤波器将信号分离出来。电气化铁道微机监控技术四、频移键控（FSK）数字调频： 利用载波振荡的频率变化来传递数字信息。电气化铁道微机监控技术 频率转换法：用数字信号控制两个独立的振荡器组成调频器。1数字调频信号的产生电气化铁道微机监控技术 直接调频法：用输入的数字信号控制一个振荡器的

17、某些参数，达到改变振荡频率的目的。数字信号=1，D1、D2截止，震荡频率由C3、L确定31121LCf )(322121CCLf 数字信号=0，D1、D2导通，C2并入谐振回路电气化铁道微机监控技术2. 数字调频信号的解调（1）鉴频法：采用选频回路将频率的变化转换成幅度的变化，然后象调幅信号一样通过幅度检波而得到基带信号，还原数字信号。限制带外噪声减少误码率除去信号中的寄生调幅，得到幅度恒定的调幅波将调频信号的频率变化转变为幅度变化电气化铁道微机监控技术简单的鉴频器LC并联回路电气化铁道微机监控技术（2）零交点法：计算交变信号在经过零点的次数来解调数字调频信号的一种方法。原理：与每秒内的振荡次

18、数就是频率一样，可用单位时间内信号经过零点的次数来衡量频率的高低。电气化铁道微机监控技术输入数码 电流方向 T1 T2 载波方向 USC xi=0 E，R2，R4，R3，D1 导通 截止 T1，B，0 相位相同xi=1 E，R1，R3，R4，D2 截止 导通 T2，A，0 相位相反五、相移键控（PSK）1. 调相信号的产生电气化铁道微机监控技术输入数码 T1 T2 载波方向 USC xi=0 导通 截止 T1，B，0 相位相同 xi=1 截止 导通 T2，A，0 相位相反电气化铁道微机监控技术周期=码元宽度连成计数方式的触发器，来一个脉冲翻一次,输出是差动码ix相对调相信号的产生：将数字系列

19、,转换为差动码系列对 进行绝对调相就得到对 的相对调相。ixiyiy电气化铁道微机监控技术电气化铁道微机监控技术（1）提载：整流、滤波、分频2. 调相信号的解调分频后提取的载波接收的调相波平方器二倍 载频经2f滤波 后的波形2f滤波器分频器电气化铁道微机监控技术（2） 解调电路接受数据为0时： 0接受数据为1时： 0相关系数：收到的调相波：已提取的载波：绝对调相波的解调原理：对接受信号波与提取的载波的积在一周期内积分，根据结果来判断接受的数据。tUtum sin)( )()sin()(tnCtUtums TmTmTmmTsdtttnUdtCttUdttnCtUtUdttutu00200)(si

20、n)sin(sin)()sin(sin)()( 电气化铁道微机监控技术乘法电路：实现定时器： 实现同步定时及取样（0-T）判决器： 判断的值)()(tutus积分器： 实现 Tsdttutu0)()( 电气化铁道微机监控技术C C1 1C C2 2寄存寄存 y yi i ，y yi-1i-1；与门、或非门实现异或运算。；与门、或非门实现异或运算。 相对调相波的解调原理：111iiiiiiiyyyyyyx1.利用绝对调相波的解调电路得到差动码2.由差动码求数据序列：iy电气化铁道微机监控技术脉冲编码调制（PCM）增量调制（DM或 ）差分脉码调制（DPCM）增量总和（ ）调制自适应增量调制（ADM

21、）五、脉冲数字调制调制方式有：M脉冲编码调制和增量调制是目前被广泛采用的两种调制方式电气化铁道微机监控技术定义：脉冲编码调制是一种将模拟话音信号变换成数字信号的编码方式。1. 脉冲编码调制（PCM）的原理电气化铁道微机监控技术（1）量化： “四舍五入”均匀量化抽样抽样量化量化编码编码电气化铁道微机监控技术量化误差：由量化所引起的误差，如四舍五入引入的误差，不大于半个量化单位。 一般来说，增加量化分级可减小量化单位，即提高量化精度，减小量化误差，但编码设备会更复杂。均匀量化优点：简单、直观；缺点：各级之间产生的量化误差相同，对小信号来说，相对量化误差就大，使得量化信噪比难以达到给定要求。电气化铁

22、道微机监控技术非均匀量化： 根据信号的不同区间来确定量化间隔，对弱信号时的量化信噪比有明显改善。电气化铁道微机监控技术通常采用对数压缩，其压缩效果如图：电气化铁道微机监控技术（2）编码与译码按编码的速度可分为： 低速编码和高速编码；按编码器的种类可分为： 逐次比较型、折叠级联型以及混合型。电气化铁道微机监控技术电气化铁道微机监控技术按采用折叠二进码的优点： 1. 对于双极性信号（语音信号），可用最高位表示信号的正、负极性，而用其余的码表示信号的绝对值，即只要信号的正、负极性的绝对值相同，则可进行相同的编码。这就是说，用第一位码表示极性后，双极性信号可以采用单极性编码方法，极大对简化编码过程。

23、2. 在传输过程中如果出现误码，对小信号影响较小。电气化铁道微机监控技术译码原理： 电阻网络型、级联型、级联网络混合型等。记忆电路：用来将接收的串行码变为并行码，又称“串/并转换”电路。7/11变化电路：将表示信号幅度的7位非线性码转换为11位线性码。电气化铁道微机监控技术2. 增量调制（ ）：仅用一位二进码表示模拟信号相邻抽样值的相对大小。M编码原理：在给定抽样时刻 有：it 0iitttttmtm 0iitttttmtm输出1；输出0；电气化铁道微机监控技术译码原理： 从编码原理可知，接收端只要收到一个“1”码就使输出波形上升一个 值，每收到一个“0”码就使输出波形下降一个 值。 因此可采

24、用积分器实现译码，如图。电气化铁道微机监控技术第一节 概述第二节 通信信道及数据传输系统第三节 调制方式第四节 通信设备关键部件电气化铁道微机监控技术1. 滤波器：作用：滤波器是一种四端网络，在电路里起着选频的作用。通带：滤波器对某些需要的信号衰耗很小，这些很小衰耗的频率范围就称为通带。阻带：滤波器对某些不需要的信号则衰耗很大，这些很大衰耗的频率范围就称为阻带。截止频率：在通带和阻带交界点的频率称为截至频率。电气化铁道微机监控技术按电气分类有：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。按型式分类有： 有源滤波器、无源滤波器、数字滤波器。 在频率不高时，采用有源滤波器有其优越之处，如频率稳

25、定性好和频率精度较高。 无源滤波器（RC、LC、RLC滤波）的特征值都处于负实部。电气化铁道微机监控技术 带通滤波器的作用在于抑制通带内的噪声和杂音信号。如图：传递函数为 1321121312112/ /C R sG sRCC R R sCCR sRR 带通增益为1331212111pC RRKCCRCRC 电气化铁道微机监控技术中心频率为品质因数为0123121/ /RRR CC31212121/ /R CCQCCRR其计算方法： 02200pKsQG sssQ 电气化铁道微机监控技术2. 衰耗器：作用：用于调节信号的大小和匹配阻抗。选型：应根据其特性及功用来选择它的阻抗和衰耗值。特性阻抗：是指当网络的对端分别开路和短路时，在该输入阻