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1、第六章 数据通信系统,齐郑教5B区10280798596,North China Electric Power University,page2,2023/11/3,数据如何而来?,North China Electric Power University,page3,2023/11/3,数据传输的基本问题,收发如何同步?,如何保证数据信息正确?,存在干扰差错时,如何校验和控制?,如何提高信道效率,实现多路复用?,North China Electric Power University,page4,2023/11/3,通信系统基础,模拟消息:状态连续变化的消息,如强弱变化的语音数字消息:消息
2、状态量是离散的,如文字信号是消息的一种载体：模拟信号:表达消息的信号对应的表征量是取连续值数字信号:表达消息的信号对应的表征量是取离散值模拟通信系统:传递模拟信号的通信系统数字通信系统:传递数字信号的通信系统,North China Electric Power University,page5,2023/11/3,数字通信系统模型,信道译码器：将二进制信号恢复到模拟信号,信源编码器:将信息源送出的模拟信号和数字信号转换为符合要求的数码系列,信道编码器:给数码系列按一定规则加入监督码（校验码）,调制解调器：信道编码器出来的是二进制脉冲信号信道高频信号,信道：信号远距离传输的载体，如：电缆、架空
3、线、光纤、微波空间等,信源译码器：信道编码器的逆过程，除去监督码获得发送侧的二进制数字序列,North China Electric Power University,page6,2023/11/3,波特率与比特率,波特率(Bd,Baud)：每秒传送的码元数,适用于所有码制，是消息传递速率,比特率(Bit)：每秒传送的信息量，是信息传递速率,信息量I的定义：I=loga(1/P),P是消息所表示的事件出现的概率,一般a=2.,N元码制：每一个消息所表示的事件可能有N种不同的状态，P=1/N.I=log2N,2元码制：P=1/2.I=log22=1,所以信息速率和码元速率数值上相等,码元：数据通
4、信中,传送的是一个个离散脉冲信号,故把每个信号脉 冲称为一码元。码制：每一码元能代表几种状态，称几元码制误码率：数据经传输后,发生错误的码元数与总传输码元数之比,数字式远动信息的传输过程,遥测编码器,交流采样,遥信编码器,开关量,信道编码器,并串变换,调制器,信道,解调器,串并变换,译码器,计算机,干扰,遥控执行,遥调执行,译码器,串并变换,解制器,信道,调制器,并串变换,编码器,遥控遥调,干扰,RTU,前置机,North China Electric Power University,page8,2023/11/3,通信工作方式,发端,信道,收端,单工：单方向传输,发端,信道,半双工：可不同
5、时上下行双向传输,收端,收端,发端,发端,信道,双工：可同时上下行双向传输,收端,收端,发端,信道,North China Electric Power University,page9,2023/11/3,串/并-转换原理,发送缓冲区,发送数据,接收缓冲区,接收数据,发送时钟,接收时钟,1 1,1 1,1,0,0 0,1 1,1 1,1,0,0 0,发送数据,发送时钟,接收时钟,接收数据,串-并转换移位寄存器,并-串转换移位寄存器,North China Electric Power University,page10,2023/11/3,数码传输的同步,.1,0,起始位,奇偶校验,P,1,
6、1,1,1,停止位,7位数据,第n位字符,起始位,0,第n+1位字符,空闲位,实质上是在传送一个字符的时间内收发两端保持同步，其他时间可以是异步。效率低,异步传输方式传送一个8位字符,异步传输方式（起止同步）,North China Electric Power University,page11,2023/11/3,数码传输的同步,数据,时钟,起始位,8,16,16,16,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,起始位,数据,时钟,异步数据接收原理,接收时钟频率太高,正确接收的条件：在整个数据单元中，时钟累积误差不超过半个码元长度,North China Electric Power
7、 University,page12,2023/11/3,数码传输的同步,同步通信的特点是收发端的时钟严格一致，使得接收时钟与接收码元间无误差积累问题，可以省略附加码元，提高传输效率。,North China Electric Power University,page13,2023/11/3,数码传输的同步,位同步,滤波法,远动中采用单极性不归0信号。接收到的信号首先经过放大限幅环节形成数字方波，然后经微分、整流环节形成尖脉冲信号，由窄带滤波器提取基频信号，最后经移相电路产生位同步脉冲。电路简单，但当信号中有连续的0或1时，由于码元波形无变化，可能造成位同步中断。,锁相法,在接收端利用鉴相器
8、，比较接收到的码元与本地产生的位同步的相位。若二者不一致，则鉴相器产生一个调制脉冲去调制本地位同步信号的相位，直到与接收码元的相位一致为止。,North China Electric Power University,page14,2023/11/3,帧同步,数码传输的同步,收发两端始终保持同步。在无信息传送时，通道上仍需连续传送同步码（3个EB90）,North China Electric Power University,page15,2023/11/3,远动通信配置的基本类型,North China Electric Power University,page16,2023/11/3,
9、电力系统传输信道,North China Electric Power University,page17,2023/11/3,电力系统传输信道,电力线载波是远动与载波电话复用信道。通常规定载波电话占用0.32.5kHz的音频段，远动信号占用2.73.4kHz的上音频段。,电力载波通信,North China Electric Power University,page18,2023/11/3,电力系统传输信道,光纤信道,North China Electric Power University,page19,2023/11/3,电力系统传输信道,微波信道机,中继机,微波信道机,微波信道机,载
10、波终端机,微波信道机,载波终端机,微波通信,微波通信,我国采用20GHz作为电力系统的主干线，8GHz作为分支频段。,North China Electric Power University,page20,2023/11/3,电力系统传输信道,卫星通信卫星通道的频段为上行59256425MHz，下行为37004200MHz。,散射通信通信距离长，可达200300km，可跨越山地，但是需要经过其他通信方式转接到调度中心。该方式适合地域广大的山区。,短波通信检修通信的良好方式。它比较适合传输话音信号,North China Electric Power University,page21,202
11、3/11/3,多路复用技术,使远动系统在一个信道上传输多路信号的技术叫多路复用技术。,频分多路制 把各路信号安排在不同互不重叠的频段内，在一个信道上传输称为频分多路调制(Frequency Division Multiplexer)。,时分多路制 时分多路是在一个信道上按时间顺序传输多路信号。这时各路信号应是离散的脉冲信号。,North China Electric Power University,page22,2023/11/3,调制和解调,基带传输直接传输基带信号称为基带传输,调制远距离传输不能直接传输基带数据，需要使用频带较窄的正弦波作为载波，用基带信号对载波的某些参量进行控制，使这些
12、参量随基带信号变化，该过程称为调制。,基带信号 数据终端设备送出的原始数据信号一般是频率很低的信号，其能量或功率集中在0频率附近，并具有一定的频率范围，这样的信号称为基带信号。,North China Electric Power University,page23,2023/11/3,调制和解调,一、移幅键控ASK(Amplitude Shift Keying),Sc(t),G(t),S(t),乘法器,带通滤波器,S(t),G(t),Sc(t)=Umsinwct,二进制信息通过调制加到交流高频信号上再传输接收端将含有信息的交流信号解调，还原信息,North China Electric Po
13、wer University,page24,2023/11/3,二、移频键控FSK(Frequency Shift Keying),调制和解调,G(t),S(t),f1,f2,f1,S1(t),S2(t),f1,f2,控制门1,控制门2,反相器,G(t),相加器,FSK信号,North China Electric Power University,page25,2023/11/3,三、调相键控PSK(Phase Shift Keying),调制和解调,G(t),S(t),PSK,DPSK,0,1,0,1,1,（1）绝对移相键控,（2）相对移相键控,North China Electric P
14、ower University,page26,2023/11/3,数据传输的差错控制技术,North China Electric Power University,page27,2023/11/3,数据传输的差错控制技术,抗干扰编码,可检测和不可辨识：00开；11合,可检测和可辨识：000开；111合,不可检测和辨识：0开；1合,多种编码方法,North China Electric Power University,page28,2023/11/3,常用检错码,1、奇偶校验：奇偶指码组中“1”的个数是奇数还是偶数 1011001（1）1011001（0）2、水平一致校验：3、水平垂直一致校
15、验：,North China Electric Power University,page29,2023/11/3,线性分组码,分组码中，码字中1的个数称为码重。同一分组码中任意2个码字对应位上数字符号不同的位数称为码距。一个分组码中码字之间的最小距离叫做最小码距dmin。,1000000001110101110101001110,5,7,4,5,4,5,分组码 分组码是对长度为k的信息组，按一定的规则增加r位监督位，组成长度为nkr的序列，记做(n,k)码。,North China Electric Power University,page30,2023/11/3,线性分组码,若dminl
16、1，这种码能检出l个差错：ldmin1若dmint1，这种码能纠正t个差错：,最大似然译码原则：若接收到禁用码，就将它与各许用码比，与之码距最小的就是其出错前的码字,纠错原理,North China Electric Power University,page31,2023/11/3,线性分组码,信息组 校验位 码字 000 0000 0000000 001 1101 0011101 010 0111 0100111 011 1010 0111010 100 1110 1001110 101 0011 1010011 110 1001 1101001 111 0100 1110100,线性分组
17、码,(n,k)码组(码字):n=k+r,k信息码长度,r监督码长度.监督码由一组线性方程式算出,信息码和监督码的关系成线性关系例子:(7,3)分组码的7位用C6,C5,C4,C3,C2,C1,C0表示.校验码C4,C3,C2,C1,C0的计算公式:C3=1*C6+0*C5+1*C4 C2=1*C6+1*C5+1*C4 C2=1*1+1*0+1*1=0 C1=1*C6+1*C5+0*C4 C0=0*C6+1*C5+1*C4,North China Electric Power University,page32,2023/11/3,循环码,例：M=(101)(1)M(x)=1*X2+0*X1+1
18、*X0=X2+1(2)M(X)*Xr=(X2+1)X4=X6+X4(3)G(X)是Xn+1=X7+1的一个多项式为4阶：X7+1=(X+1)(X3+X+1)(X3+X2+1)G(X)=(X+1)(X3+X+1)=X4+X3+X2+1或(X+1)(X3+X2+1)=X4+X2+X+1(4)R(X)=(M(X)*Xr)%G(X)=1*X3+1*X2+0*X1+0*X0(5)F(X)=(101,1100),(1)信息多项式:M(X)=A1Xk-1+A2Xk-2+Ak-1X1+AkX0(2)求(n,k)循环码的生成多项式G(X)。G(X)由式Xn+1进行因式分解得出。G(X)为r=n-k阶多项式。(3
19、)M(X)*Xr/G(X)的余式为R(X)，由R(X)可得校验位(4)F(X)=M(X)*Xr+R(X)可得发送码字。,循环码是线性分组码的一种。任一循环码字循环一位仍为循环码的一码字循环码的校验位计算方法:(n,k)循环码的信息组k位,校验位有r=n-k位:,North China Electric Power University,page33,2023/11/3,ISO 参考模型,传输介质,应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层,应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层,网络层数据链路层物理层,通信协议,North China Electric Power Universi
20、ty,page34,2023/11/3,物理层-RS232C(串口通信),机械特性采用DB25连接器。一般DTE采用25针结构，DCE采用25孔结构。,电气特性a、对电压源的要求：当电阻在3k7 k之间时，输出电压为（5V15V）之间。电源输出阻抗应大于300。b、对终端的要求：终端负载的输入阻抗在3k7 k之间。c、对逻辑电平的规定：采用负逻辑。数据0及控制线的接通状态为5V15V，数字1及控制线的断开状态为5V15V。噪声容限(35V)。d、接口信息速率：20kbpse、最大传输距离：15mf、采用非平衡接口电路。使用2根地线：1根是机壳地，1根是信号地。标准要求2根地线相互独立，相互间应
21、具有100的绝缘阻抗。,North China Electric Power University,page35,2023/11/3,串行通信,串行通信的物理实现一般的串行通信端口（RS232）：9针 DB9,1：数据载波检测（DCD）2：接收（RXD）3：发送（TXD）4：数据终端准备（DTR）5：地（GND）6：数据设备准备好（DSR）7：请求发送（RTS）8：清除发送（CTS）9：振铃指示（DELL）,North China Electric Power University,page36,2023/11/3,串行通信,8：数据载波检测（DCD）3：接收（RXD）2：发送（TXD）20：
22、数据终端准备（DTR）7：地（GND）6：数据设备准备好（DSR）4：请求发送（RTS）5：清除发送（CTS）22：振铃指示（DELL）,25针串口 DB25,North China Electric Power University,page37,2023/11/3,串行通信,串口线连接三线法,DB25DB25,DB9DB9,DB9DB25,严禁带电拔插头，至少一端断开,North China Electric Power University,page38,2023/11/3,远动通讯规约,CDT(Cyclic Digital Transmit)：循环数字传送方式以厂站为主动方，循环不断地
23、向调度端发送遥信、遥测、变位等数据。要求发送端与接收端始终保持严格同步，信息按照预先约定好的顺序依次循环发送。,Polling：问答式主站掌握通信的主动权，子站按主站的要求发送数据,IEC101,IEC102,IEC103：分布式网络协议,North China Electric Power University,page39,2023/11/3,（1）循环式远动通信协议,同步字,控制字,信息字1,信息字n,同步字,同步字：3组EB90H码，48位控制字：说明本帧的类别、信息字节的长度、传送的源地址、目的地址等。信息字携带具体的远动数据。帧中可以没有信息字。每种字都是6个字节48位,CDT(C
24、yclic Digital Transmit),时钟严格同步,North China Electric Power University,page40,2023/11/3,（2）循环式远动通信协议,控制字节,校验码,帧类别,帧长,源站地址,目的地址,控制字帧结构,E,L,控制字节,S,D,0,0,1,0,E：扩展位,E=0是本协议定义的帧类别，E=1帧类别可以另外定义L：帧长定义，L=1表示有信息字；上行信息：S=1:源站地址有内容，源站地址代表子站号；D=1：目的站代表主站号下行信息：S=1:源站地址有内容，源站地址代表主站号；D=1：目的站代表子站号D=0:代表广播令校验码：CRC校验根据
25、前40位生成后8位，生成多项式：G(X)=X8+X2+X+1,控制字内容,North China Electric Power University,page41,2023/11/3,（3）循环式远动通信协议,代 码,上行 E=0,下行 E=0,61H,重要遥测(A帧),遥控选择,C2H,次要遥测(B帧),遥控执行,B3H,一般遥测(C帧),遥控撤销,F4H,遥信状态(D1帧),升降选择,85H,电能脉冲计数值(D2帧),升降选择,26H,事件顺序纪录(E帧),升降撤销,帧类别码定义,57H,设定命令,7AH,设置时钟,0BH,设置时钟校正值,4CH,召唤子站时钟,3DH,复归命令,9EH,广
26、播命令,North China Electric Power University,page42,2023/11/3,（4）循环式远动通信协议,功能码,校验码,信息数据,b7,b0,信息字通用格式,以遥测字为例：,遥测i,遥测i+1,每一遥测信息字包含2个遥测字一个遥测字占用2个字节，12位。其中b11是符号位，b15表示数据无效，b14表示数据溢出。,North China Electric Power University,page43,2023/11/3,（4）循环式远动通信协议,(1)固定循环传送,(2)帧插入传送,(3)信息字随机插入传送对于传送对时的子站时钟返校信息、变位信息、遥控
27、、升降命令返校信息，采用随机插入传送。变位、遥控、升降的返校应连续传3遍，且必须在同一帧内、不许跨帧，若本帧不够，就改到下一帧。子站时钟返校只传一遍。,帧的传送方式,North China Electric Power University,page44,2023/11/3,问答式远动规约,报文格式,主站子站,子站主站,RTU地址：目的站地址。FFH作为广播地址报文类型说明报文的内容、类型。,E：1表示有事件记录 0无事件记录R：1表示自检出错 0表示工作正常对重要报文采用16位校验码，一般报文采用8位校验码，确认报文与否认报文不带校验码。,North China Electric Power
28、 University,page45,2023/11/3,问答式远动规约,主站功能,North China Electric Power University,page46,2023/11/3,问答式远动规约,主站功能,North China Electric Power University,page47,2023/11/3,问答式远动规约,子站功能,North China Electric Power University,page48,2023/11/3,问答式远动规约,(1)子站上电后收到主站报文，发送(电源合闸)(2)主站发送(电源合闸确认)应答，主站回复ACK(3)主站发送设置时钟
29、，扫描周期，死区范围，滤波系数，设置模块工作方式与参数等报文为子站建立工作方式(4)主站发送启动RTU扫描和启动I/O模块扫描启动子站扫描(5)主站发送类别询问查询数据，子站以回答类别询问应答。若数据无变化，以ACK应答。(6)若有时标量出现，主站发送召唤事件记录，子站以时标出现报文应答。(7)主站可发送数据传送要求刷新数据，子站以回答数据召唤应答。,通信过程,North China Electric Power University,page49,2023/11/3,遥控的一般过程,遥控命令,遥控令返校,遥控令执行（撤销）,执行,主站,子站,遥控命令传输过程,North China Electric Power University,page50,2023/11/3,调度实时网中的主要的国际标准,North China Electric Power University,page51,2023/11/3,电力数据通信网络业务关系,
