数字通信的优点范文

导语：如何才能写好一篇数字通信的优点，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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Abstract: Digital communication is a new industry in the communications industry. Compared with the traditional analog communications, it has a strong anti-interference ability, the communication quality is not influenced by distance, the signal is easy to modulate, the secrecy is high, can discover and control errors, can be connected to a computer, can support a variety of communications business, its equipment requirements is low. This paper introduces the characteristics of digital communication, simulating communication, and makes a compare for them, sums up the advantages of digital communication, in addition, it also introduces the application field of digital communication and development prospect.

关键词： 数字通信系统；数字信号；应用

Key words: digital communication system；digital signal；application

中图分类号：TN919文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）09-0145-01

1数字通信与模拟通讯的介绍及比较

1.1 数字通信数字通信是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后在传输的通信方式。通俗说来，即是利用数字信号来传递消息。“0”和“1”是数字通信中运用的两种符号，数字通信系统按着一定的规律，在编码器中先将消息信号进行采样，对样本进行0，1编码的数字化处理，使其形成呈一定排列形状的组合代码，再进入通信线路将此代码送到对方。对方收到电码后，由解码器还原为原来的电话信号，由此实现通信传递的目的。数字通信的主要技术设备包括发射器、接收器以及传输介质，具体传递流程则为信源－调制器－编码器－加密器－信道－解密器－解码器－解调器－信宿 。

数字通信的信息源和接受者可以是人，也可以是机器，因此数字通信可以实现人与人之问、人与机器之间、机器与机器之间的通信。此外数字通信具有抗干扰能力强、易于调制、可加密，还可与计算机连接的特点。

1.2 模拟通信模拟通信是一种以模拟信号传输信息的通信方式，将声音、光等非电的信号输入到变换器，使其输出连续的电信号，电信源码的不同，其振动频率或振幅会随之变化。人们则利用波形图相位的变化来还原信号信息。模拟通信系统主要由用户设备、终端设备和传输设备等部分组成。模拟通信系统可用来传递话音、电报、传真等低速数据。

1.3 数字通信与模拟通信的比较模拟通信技术成熟，其信号形成简单、直观，系统设备简单，占用频带也较窄。模拟信号是通过直接调制的形式形成的，其信号传播过程中易发生畸形，一旦受到干扰，随系统的冲击是不可修复的。因此，模拟信号通信质量、抗干扰能力较差。电话、无线通讯中运用的则是模拟信号。

1.4 数字通信的优点数字通信与模拟通信相比具有明显的优点。它抗干扰能力强，通信质量不受距离的影响，信号易于调制、保密性高，能自动发现和控制差错，可与计算机相连，能支持多种通信业务，具体介绍如下：

其一，数字通信比模拟通信抗干扰能力强。一方面，数字信号传播的形式简单，只有“0”、“1”两种区别鲜明的形式，即是传播过程中经由信号放大器，信号在到达终端接收器时，仍然可重新再生复原。另一方面，数字信号是以离散性的形式进行传播，虽然也不可避免的会受到系统外部以及系统内部的噪声干扰，但是只要噪声绝对值在一定的范围内就可以消除噪声干扰，不会出现信号噪声叠加在一起，并随着信号被传输、被放大，进而将影响通信质量的现象。

其二，远距离传输仍能保证通信质量。数字信号远距离传播时，采取的形式为再生中继，此方式能够消除长距离传输噪音对数字信号的影响，而且再生的数字信号和原来的数字信号一样，可以继续进行传输，通信质量便不受距离的影响。

其三，数字信号易于调制。虽然数字信号较模拟信号更加方便快捷，但是在实际生活中，模拟电路占有的通信比例仍然不小。那么，数字信号能否利用已经建立起来的四通八达的模拟电路进行传输呢？答案是肯定的，只需在数字终端设备和模拟电路之间加装以调制、解调为主体的接口设备，便可实现。由于数字信号只存在“0”和“1”两种状态，其信号调制则相当简单，具有波形变换速度快、调整测试方便、体积小、设备可靠性高等特点。一般而言，数字调幅、数字调频、数字调相十数字调制最常用的三种方式。

其四，数字信号比模拟信号保密性强。由于无线电波是朝着四面八方的方向传播的，只要终端接收器对口，每个人都可以接收到传播内容。数字通信可以将其信号在编码器与密码相捆绑，在进入信道传播，接收方则通过解码器解除密码限制，取得信号传播内容，由此避免了传播信息外漏的现象。数字信号加密只需通过简单的“加”、“减”等逻辑运算，按照一定规律将密码“加”到语音电码中去，将包含着语音信息的电码进行传播。

此外，数字通信对其设备中所用电路的要求较简单，有着轻巧、故障少、耗电低、成本低的集成电路即可满足通信需求。数字信号还便于和电子计算机结合，由计算机来处理信号，使得数字通信系统更加灵活通用，也为各类如电话、电报、图像以及数据传输业务的开展提供了更加便利的条件。

2数字通信系统的应用

编码、调制、解调、解码以及过滤等都是数字通信系统的关键性技术，其中数字信号的调制以及解调更是被广泛各个行业广泛应用。当前，调幅、调相以及调频是最为常见的三种调制方式，数字调制可将信号源转换成符合信道传输数据的格式，通俗说来即是在保证信号传播安全、信息完整的前提下，通过数字调制，将基带信号转变为带通信号。

此外，数字通信息系统还可为全球数字化的实现贡献一份力量。用户可通过网络接口，在一地方、任一时间与现有的综合业务数字网络连接，从中获取互联网、多媒体、通话等服务。我们日常生活中的电脑、手机上网、视频电话、网络会议以及数字电视等都是通过数字通信系统来进行信号传输。

3结束语

数字通信是通信行业发展的必然趋势，也是万千用户的愿望所归。数字通信可以大大改善通信质量、提高通信传播速率、丰富通信内容。数字通信也促进了经济的发展进步，不仅为整个通信连跳带来了无限商机，其更加快捷、有保障的通信方式也为商业增添了新的活力。

参考文献：

[1]数字通信的特点及作用[J].湖北邮电技术,1995,(04).

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［关键词］ CPCI；嵌入式；音视频监测；TS流；编码解码；POWERPC；FPGA

一、引言

随着全国各地广播电视有线网络数字化整体平台的转换，有线数字电视信号已进入千家万户，如何保障节目信号的安全传输，是广电网络传输部门和广电监管部门必须要考虑的事情，建立一套运行稳定、及时准确、高效率的监测系统势在必行。

目前，我国在对广播电视信号监测方面还广泛采用的是PCI架构的通用工控机与Windows操作系统以及测量板卡组建的专用监测系统，这样的系统存在如下问题：

1.Windows操作系统的安全漏洞、内存溢出等问题。

2.通用硬件的稳定性、可靠性不能够满足长期全天候运行。

3.系统硬盘长时间工作反复读写对硬盘的机械磨损容易损坏磁盘。

4.IPC机的硬件和软件冗余使系统效率低、可靠性差、功耗大。

5.IPC机内的功能板卡不支持热插拔，维护时，必须要关机。

为解决PCI架构存在的缺陷，当前的发展趋势是采用CPCI架构研究方向发展。

采用标准的CPCI架构，具有如下优点：

1.CPCI开放的总线技术，有利于各类系统集成，可以随时增加具有不同功能的板卡放入一套机箱。

2.抛弃IPC传统机械结构，改用可靠的欧洲卡结构，改善了散热条件，提高了抗振动冲击能力，符合电磁兼容性要求。

3.灵活的连接方式，2mm密度的针孔连接器，具有气密性、防腐性、可靠性、高负载能力。

4.高效的热插拔技术，在系统运行没有断电的情况下，插拔功能模块板，而不破坏系统的正常运行。

CPCI所具有高开放性、高可靠性、可热插拔的特点，使该技术除了可以广泛应用在通讯、网络、计算机、电话整合，也适合实时系统控制、产业自动化、实时数据采集、军事系统等需要高速运算、智能交通、航空航天、医疗器械、水利等模块化及高可靠度、可长期使用的应用领域。由于CPCI拥有较高的带宽，它也适用于一些高速数据通信的应用，包括服务器、路由器、交换机等。

现在超大规模的集成电路飞速发展，嵌入式计算机的应用领域越来越广泛，构建基于CPCI嵌入式系统具有体积小、结构紧凑、可靠性高的优点。

嵌入式系统采用模块化的设计思想，根据有线数字电视信号监测系统功能及其应用环境的特定要求，制作各种特定功能的板卡，安装在机箱内，通过CPCI总线与主板相连，完成系统功能。

二、广电有线数字电视传输信号特点

目前我国数字有线电视系统采用DVB-C标准。在前端编码器将各种设备输出的视音频信号按照MPEG-2的编码标准，对A/D输出信号进行压缩编码，送入复用器完成多套节目的复用，通过QAM调制，形成TS流或PS流 。在一个8MHz电视频道内传输多套（目前国内采用QAM64调制方式，最多包含8套）数字电视节目。

TS流中业务信息具有特殊重要作用，它关系到嵌入式监测系统的频道调谐、节目选择和定位、电子节目指南、解码。

三、系统技术原理

（一）原理框架图（图1）

（二）功能模块原理分析

本方案由四部分组成，分别是：有线数字信号接口模块、码流分析模块、解码模块、编码模块。

1.有线数字信号接口模块

该模块主要由调谐器（TUNER）和CAM卡及各种内部总线组成。

基本原理：调谐器接收射频信号并下行变频为中频信号，接收的射频信号的频率是码流分析模块控制设定要接收的频率。码流分析模块中的CPU（PowerPC）通过外部总线与FLASH、SDRAM相连，从FLASH中读取应用程序指令，如给调谐器设置频率指令，然后从SDRAM读取所需的数据，如频率参数，通过I2C总线控制调谐器。调谐器输出的中频信号，通过QAM解调成TS流，送入CAM卡专用芯片，得到解CA的TS流。CAM卡芯片通过PCI总线与码流分析模块的PowerPC处理器连接。

解CA的TS流通过并行数据总线输入到解码模块的8块解码芯片，完成一个频点的8套节目PES流的分离。

2.码流分析模块

该模块主要由CPU、FPGA、FLASH、SDRAM及各种内部总线组成。

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的基本特点：

（1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 （2）FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

（3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。

（4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

（5） FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

码流分析模块的主要任务：

（1）通过执行应用程序给调谐器设置频率，并读取调谐器的数据有：翻转状态、该频点的电平值、QAM类型、符号率、制式等。

（2）读出CAM卡的模式（有无）。 CAM卡座可以同时插2块CAM卡，码流分析模块可以读出CAM卡的使用数量及卡的位置。

（3）调谐器输出的一路TS流进入FPGA，为了精确分析码流必须打上100MHz的计数时钟，得到TS流的PID包间隔，使PCR（解码时钟基准）的抖动消除、延时得到修正。

（4）码流分析是此模块最主要的任务。在MPEG-2的TS流中，可以包含多个节目，每个节目又可以包含多个基本码流，基本码流和其他的控制数据等都被打成固定长度的包，每个包都有一个包识别符（PID）。MPEG-2用节目特定信息（PSI）来传送节目和PID之间的相互关系。PSI必须以一定的频率不断发送。PSI使用4个表来定义码流结构，分别是：节目关联表PAT、节目映射表PMT、网络信息表NIT、条件接收表CAT。在监测方面， PAT和PMT表特别重要。PAT表的PID号为“0x00”，它包含了与多路节目复用有关的控制信息，用于指出TS流中包括哪些节目，每个节目的编号及相应的PMT的位置PID＝0xXXXX，同时还提供网络信息表（NIT）的位置。PAT丢失将导致接收端无法解码TS流的任何节目。PMT完整地描述了一路节目是由哪些PES组成的及它们的PID号，如：某一路视频PES、音频PES、PCR的PES。PAT和PMT在传输过程中是不加密的。对TS流的分析可作如下简述：首先从TS流中找到188B，包头占4B，包头中的同步字节为0x47的TS包，再从此包中找出PID＝0x00的PAT表，PAT含有每套节目相对应的PMT的PID，查找到对应的一套PMT里的视频PID、音频PID、PCR的PID ，最后可以分析出对应视频流的基本数据：Aspect、Size、FRate、BRate等；音频流的基本数据：Layer、BRate、Freq。

（5）码流监测方面：根据ETSI RT 101/290标准 通过执行应用程序读取TS流里的信息作出监测。一级错误有：TS流同步是否丢失；PAT表格是否错误；连续计数是否错误；PMT表格错误；PID是否错误。二级错误有：TS流传输错误；PCR错误；CRC错误；PCR错误；CAT表错误。三级错误有：NIT；EIT； TDT； SDT； RST；服务信息SI重复周期。

3.解码模块

该模块选用了8块解码芯片，属于硬件解压缩。支持解码全高清/标清MPEG-2、H.264 、AVS等多种视频格式。

选择解码芯片的型号时，要考虑支持多种解码格式如：高清、标清等。虽然有的解码芯片能同时解多套节目，但为了长时间大负荷的稳定运行，还是选择1块芯片解1套节目的方式为好。

有线数字电视信号在传输时，1个频点（8MHz）最多含有8套节目，为了同时解出1个频道里的节目，在模块里设计了8块解码芯片，进行节目的一对一解码。

原理：有线数字电视信号模块输出的解CA的TS流，通过并行数据总线输入到解码模块里的8块解码芯片。此频点的TS流已在码流分析模块分析出了每套节目的视频、音频、PCR的PID，并通过程序自动对解码模块的每块解码芯片单独配置1套节目的视频、音频、PCR的PID，即可分别解出该套节目的视频、音频数字信号，并设定输出格式为ITU-R BT.656视频信号和I2S格式音频信号，用于后续编码模块进一步处理。

4.编码模块

该模块是整个系统最重要的部分。对数字电视信号的质量监测，全靠这一部分完成。信号质量异态的判别有：无视频、无音频、黑场、彩条、图像静止。

芯片部分有：CPU、FPGA、VW2010编码芯片、FLASH、SDRAM、PCI桥芯片。

工作原理：解码模块输出的ITU-R BT.656格式的视频信号和I2S格式的音频信号，输入到编码模块的FPGA芯片进行无视频、无音频、黑场、彩条判断之后分别进入8块编码芯片，分别将视频编码（压缩）为MPEG-1、－2、－4、H.263视频格式，音频部分可接收双通道分立I2S格式的数据，经过滤波，可将每路音频转换为MPEG-1、－2、－3、AAC、AC-3音频格式。在编码的过程中可作图像静止判断。编码后输出为网络应用的传输流（TS）或为储存应用的节目流（PS）。CPU将压缩（编码）后的音视频数据以文件的形式经过网络作存储或作实时播放。

这部分编码的特点是：属于硬件编码；一对一编码；编码的码率可调，范围可在128Kbps到6Mbps。

以下是对黑场、彩条、无视频（蓝场）、无音频、图像静止判断的原理介绍：

（1）用FPGA判断黑场的原理

视频信号输入到FPGA中，FPGA对输入的704×576个点的YUV进行扫描，黑点的YUV特征是Y值较小，UV值都是127，当此点的YUV值与黑点的YUV差值在一定范围内（范围可以设定），就可以认为此点是黑点，这样扫描一遍后，可以获得黑点数的百分比，如果大于设定的阀值，就判断为黑场。

（2）用FPGA判断彩条的原理

视频信号输入到FPGA中，FPGA对输入的704×576个点的YUV进行分区域判断，按照彩条的特性依次划分为白、黄、靛、绿、紫、红、蓝、黑八个区域，当获得一个点后，先判断属于那个颜色的区域，然后根据此点YUV值跟这个区域对应颜色的YUV进行比较，当此点的YUV值与这个区域的YUV差值在一定范围内（范围可以设定），就可以认为此点符合此区域颜色，这样对704×576个点判断结束后，可以获得各个区域对应的点数，如果各个区域的符合条件的点数都大于设定的阀值，就认为当前是彩条。

（3）用FPGA判断蓝场（无视频）的原理

判断蓝场与黑场的原理相似，视频信号输入到FPGA中，FPGA对输入的704×576个点阵的YUV进行扫描，所获得的值与蓝点的YUV差值在一定范围内（范围可以设定），就可以认为此点是蓝点，这样对704×576个点全部判断结束后，可以获得总共的蓝点数，如果黑点数大于设定的阀值，就报蓝场。

（4）用FPGA判断无音频的原理

音频信号输入到FPGA中，FPGA对音频信号进行采样，每秒钟获得一个最大值，上位机应用程序获得这个值后与设定的阀值比较，当此音量值连续n秒小于设定的阀值时，就认为当前处于无音频状态。

（5）判断图形静止的原理

图像静止是指在电视节目正常播出过程中出现的图像静止不动的现象。解码芯片在编码时，对画面像素作了特征统计，进行了DCT矩形变换块为变换编码单元，对DCT块内图像的亮度和色度进行特征取样，提取像素，采用帧间编码，运动估算技术，在参考帧内DCT编码的基础上，对DCT块内图像的像素特征进行差值预测编码。上位机应用程序调用解码芯片对块的比较运算结果，通过设定阀值来判断图像静止。

四、结语

本系统基于CPCI架构搭建起来，具有热插拔功能，给维护和调试带来极大的便利，比PCI架构更具备高可靠、高稳定性。系统功能扩展方便快捷，只要开发不同的监测功能的模块，就可做到多个监测（如：有线电视、开路电视、广播等）系统融入一体，从而做成标准化的监测系统，具有很高的推广价值。

［参考文献］

［1］刘修文.数字电视有线传输原理与维修［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［2］苏志武，林定祥，文章辉.数字电视系统测量与监测［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［3］黎洪松 .数字视频处理［M］.北京:北京邮电大学出版社，2006.

［4］刘剑波，李鉴增，王晖，关亚林，牛亚青.有线电视网络［M］.北京:中国广播电视出版社，2003.

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关键词：数字通信；信号处理；优点；应用

Abstract: Digital communication is the inevitable trend of development of communication industry, but also thousands of users desire to. Digital communication can greatly improve the quality of communication, improve the communication rate, rich communication content. This paper firstly introduces the meaning of digital communication system, and expounds the advantages of digital signal and analog signal compared with the traditional, finally analyses the application method of digital communication system.

Keywords: digital communication; signal processing; advantages; application

中图分类号：S972.7+6 文献标识码：文章编号

1、数字通信系统概述

数字通信是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后在传输的通信方式。它的主要技术设备包括发射器、接收器以及传输介质。数字通信系统的通信模式主要包括数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统以及模拟信号数字化传输通信系统三种。

数字通信研究为信息传输和存储介质的设计带来了便利。首先它的信源独立设计，一旦用信源编码器将信息转换为比特，信息就可以无差别的存储或传输，只要回复比特数据，就可以将其中蕴含的信息无差别地重构回来，也就是存储和通信媒介可以独立于信源，这也就意味着多种信源可以共享同意通信媒介，此外信道与信源的独立性带来了显著的经济效益。其次，信道优化设计，对每一个通信链路来说，信道编码器、信道译码器、调制器和解调器都可以根据特定的信道特性进行优化。由于在每条链路上都可以对传输的比特进行再生，所以没有“噪声积累”。

要进行数字通信就必须进行模数变换，也就是把由信号发射器发出的模拟信号转换为数字信号。基本的方法包括：首先把连续形的模拟信号用相等的时间间隔抽取出模拟信号的样值。然后将这些抽取出来的模拟信号样值转变成最接近的数字值。因为这些抽取出的样值虽然在时间进行了离散化处理，但是在幅度上仍然保持着连续性，而量化过程就是将这些样值在幅度上也进行离散化处理。最后是把量化过后的模拟信号样值转化为一组二进制数字代码，并最终实现模拟信号数字化地转变，然后将数字信号送入通信网进行传输。而在接收端则是一个还原过程，也就是把收到的数字信号变为模拟信号，通过数据模变换再现声音以及图像。如果信号发射器发出的信号本来就是数字信号，则不用在进行数据模变换的过程，可以直接进入数字网进行传输。

数字通信中还存在以下问题：第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的。这是通过所谓的差错控制编码来实现的。于是，就需要在发送端增加一个编码器，而在接收端相应需要一个解码器。第二，当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行人为“扰乱”（加密），此时在收端就必须进行解密。第三，由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须有一个与发端相同的节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。另外，为了表述消息内容，基带信号都是按消息特征进行编组的，于是，在收发之间一组组的编码的规律也必须一致，否则接收时消息的真正内容将无法恢复。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“帧同步”，故数字通信中还必须有“同步”这个重要问题。

2、数字通信系统的优点

数字通信与模拟通信相比具有明显优点。它抗干扰能力强、通信质量不受距离影响、信号易于调制、保密性高能自动和控制差错可与计算机相连能支持多种通信业务。具体介绍如下：

2.1数字通信比模拟通信抗干扰能力强。一种数字信号传播形式简单只有“0”、“1”两种区别鲜明形式。即是传播过程中经由信号放大器，信号在到达终端接收器时仍然可重新再生复原。另一数字信号是以离散性形式进行传播。虽然也不可避免会受到系统外部以及系统内部噪声干扰，但是只要噪声绝对值在一定范围内就可以消除噪声干扰，不会出现信号噪声叠加在一起并随着信号被传输、被放大进而将影响通信质量现象。

2.2更适于远距离传输。在进行远距离的信号传输时，通信质量依然能够得到有效保证。因为在数字通信系统当中利用再生中继方式，能够消除长距离传输噪音对数字信号的影响，而且再生的数字信号和原来的数字信号一样，可以继续进行传输，这样一来数字通信的质量就不是因为距离的增加而产生强烈的影响，所以它也比传统的模拟信号更适合进行高质量的远距离通信。

2.3数字信号易于调制。虽然数字信号较模拟信号更加方便快捷但是在实际生活中模拟电路占有通信比例仍然不小那么数字信号能否利用已经建立起来四通八达模拟电路进行传输呢?答案是肯定只需在数字终端设备和模拟电路之间加装以调制、解调为主体接口设备便可实现由于数字信号只存在“0”和“1”两种状态其信号调制则相当简单具有波形变换速度快、调整测试方便、体积小、设备可靠性高等特点一般而言数字调幅、数字调频、数字调相十数字调制最常用三种方式。

2.4数字信号比模拟信号保密性强。由于无线电波是朝着四面八方方向传播只要终端接收器对口每个人都可以接收到传播内容数字通信可以将其信号在编码器与密码相捆绑在进入信道传播接收方则通过解码器解除密码限制取得信号传播内容由此避免了传播信息外漏现象数字信号加密只需通过简单“加”、“减”等逻辑运算按照一定规律将密码“加”到语音电码中去将包含着语音信息电码进行传播。此外数字通信对其设备中所用电路要求较简单有着轻巧、故障少、耗电低、成本低集成电路即可满足通信需求数字信号还便于和电子计算机结合由计算机来处理信号使得数字通信系统更加灵活通用也为各类如电话、电报、图像以及数据传输业务开展提供了更加便利条件。

3、数字通信系统的应用

数字通信系统的关键性技术包括编码、调制、解调、解码以及过滤等。其中数字信号的调制以及解调是整个系统的核心也是最基本、最重要的技术。数字调制是通过对信号源的编码进行调制，将其转换成为能够进行信道传输的频带信号，即把基带信号（调制信号）转变为一个高频率的带通信号（已调信号），而且由于在传输过程中为了避免信息失真传输损耗以及确保带内特性等因素，在进行信号进行长途传输以及大规模通信活动时必须对数字信号进行载波调制。

3.1现阶段的数字信号调制主要分为调幅、调相以及调频三种。调幅即是根据不同的信号，通过调节正弦波的幅度进行信号调制，目前最常见的数字信号是幅度取值为0和1为代表的波形，即二进制信号；调相即是由于载波的相位受到数字基带信号的控制，通常情况下载波相位和基带信号是保持一致的，例如二进制基带信号为0时，载波相位相应也为0；调频及是利用数字信号进行载波频率的调制。解调就是讲载波信号提取出来并经过还原得到信息的过程，它是调制的逆过程也被称为反调制。目前解调的类型分为相干解调和非相干解调两大类。数字通信的质量通常用信息传输速率、符号传输速率以及消息传输速率这三个指标来衡量。对于数字通信系统的性能指标通常用信息传输速率、符号传输速率以及消息传输速率这三个指标来衡量。

3.2通信系统向数字化时代的转变就是要从有线通信想无线通信，从公用移动网络到专用网络，从而实现全球化的数字通信理念。并且，通过现有的综合业务数字网络为基础，通过一个多用途的用户网络接口就可以轻松实现信号发出端到接收端全程数字传输与交换的新型通信网。利用这种新型技术可以扩充通信业务的范围，而且还具有更加经济以及灵活的特点，能够与现有的计算机互联网、多媒体信息网、公共电话网以及分组交换数字网等进行任意转换。随着数字通信设备的发展和不断完善，利用微处理技术对数字通信系统的信号进行转变，还能够使设备更加灵活的应用到各种长途以及市话当中。由于长途通信线路的投资远大于终端设备，为了提高长距离传输的经济性，未来高度、大容量的数字通信系统也将成为主流趋势，而且随着数字集成电路技术的发展，数字通信系统的设备制造也越来越容易，成本更低、可靠性也更高。

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论文摘要：文章介绍了数字通信系统的技术特点，并与传统的模拟信号对比阐述了数字信号的优势，然后对数字通信系统的应用方法进行浅析。

一、数字通信系统

数字通信是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后在传输的通信方式。它的主要技术设备包括发射器、接收器以及传输介质。数字通信系统的通信模式主要包括数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统以及模拟信号数字化传输通信系统三种。

数字信号与传统的模拟信号不同，它是一种无论在时间上还是幅度上都属于离散的负载数据信息的信号。与传统的模拟通信相比其具以下优势：首先是数字信号有极强的抗干扰能力，由于在信号传输的过程中不可避免的会受到系统外部以及系统内部的噪声干扰，而且噪声会跟随信号的传输而进行放大，这无疑会干扰到通信质量。但是数字通信系统传输的是离散性的数字信号，虽然在整个过程中也会受到的噪声干扰，但只要噪声绝对值在一定的范围内就可以消除噪声干扰。其次是在进行远距离的信号传输时，通信质量依然能够得到有效保证。因为在数字通信系统当中利用再生中继方式，能够消除长距离传输噪音对数字信号的影响，而且再生的数字信号和原来的数字信号一样，可以继续进行传输，这样一来数字通信的质量就不是因为距离的增加而产生强烈的影响，所以它也比传统的模拟信号更适合进行高质量的远距离通信。此外数字信号要比模拟信号具有更强的保密性，而且与现代技术相结合的形式非常简便，目前的终端接口都采用数字信号，同时数字通信系统还能够适应各种类型的业务要求，例如电话、电报、图像以及数据传输等等，它的普及应用也方便实现统一的综合业务数字网，便于采用大规模集成电路，便于实现信息传输的保密处理，便于实现计算机通信网的管理等优点。

要进行数字通信就必须进行模数变换，也就是把由信号发射器发出的模拟信号转换为数字信号。基本的方法包括：首先把连续形的模拟信号用相等的时间间隔抽取出模拟信号的样值。然后将这些抽取出来的模拟信号样值转变成最接近的数字值。因为这些抽取出的样值虽然在时间进行了离散化处理，但是在幅度上仍然保持着连续性，而量化过程就是将这些样值在幅度上也进行离散化处理。最后是把量化过后的模拟信号样值转化为一组二进制数字代码，并最终实现模拟信号数字化地转变，然后将数字信号送入通信网进行传输。而在接收端则是一个还原过程，也就是把收到的数字信号变为模拟信号，通过数据模变换再现声音以及图像。如果信号发射器发出的信号本来就是数字信号，则不用在进行数据模变换的过程，可以直接进入数字网进行传输。

二、数字通信系统的应用

数字通信系统的关键性技术包括编码、调制、解调、解码以及过滤等。其中数字信号的调制以及解调是整个系统的核心也是最基本、最重要的技术。

数字调制是通过对信号源的编码进行调制，将其转换成为能够进行信道传输的频带信号，即把基带信号（调制信号）转变为一个高频率的带通信号（已调信号），而且由于在传输过程中为了避免信息失真、传输损耗以及确保带内特性等因素，在进行信号进行长途传输以及大规模通信活动时必须对数字信号进行载波调制。现阶段的数字信号调制主要分为调幅、调相以及调频三种。调幅是根据信号的不同，通过调节正弦波的幅度进行信号调制，目前最常见的数字信号是幅度取值为0和1为代表的波形，即二进制信号；调相是由于载波的相位受到数字基带信号（调制信号）的控制，通常情况下载波相位和基带信号是保持一致的，例如二进制基带信号为0时，载波相位相应也为0；调频是利用数字信号进行载波频率的调制。解调就是讲载波信号提取出来并经过还原得到信息的过程，它是调制的逆过程也被称为反调制。目前解调的类型分为相干解调和非相干解调两大类。数字通信的质量通常用信息传输速率、符号传输速率以及消息传输速率这三个指标来衡量。对于数字通信系统的性能指标通常用信息传输速率、符号传输速率以及消息传输速率这三个指标来衡量。

通信系统向数字化时代的转变就是要从有线通信想无线通信，从公用移动网络到专用网络，从而实现全球化的数字通信理念。而且通过现有的综合业务数字网络为基础，通过一个多用途的用户网络接口就可以轻松实现信号发出端到接收端全程数字传输与交换的新型通信网。利用这种新型技术可以扩充通信业务的范围，而且还具有更加经济以及灵活的特点，能够与现有的计算机互联网、多媒体信息网、公共电话网以及分组交换数字网等进行任意转换。随着数字通信设备的发展和不断完善，利用微处理技术对数字通信系统的信号进行转变，还能够使设备更加灵活的应用到各种长途以及市话当中。由于长途通信线路的投资远大于终端设备，为了提高长距离传输的经济性，未来高度、大容量的数字通信系统也将成为主流趋势，而且随着数字集成电路技术的发展，数字通信系统的设备制造也越来越容易，成本更低、可靠性也更高。

三、结束语

数字通信系统是一种全新的利用数字信号进行消息传输的通信模式，伴随着社会的不断发展，数字通信的应用也已经越来越广泛，在我们日常生活中的电脑、手机上网、视频电话、网络会议以及数字电视等都是通过数字通信系统来进行信号传输的，而且由于社会的发展人们对各种通信业务的需求量也在逐渐增加，在光纤传输媒介还没有完全普及以前，数字通信系统主要是利用电缆、微波等有限的媒介进行传输，但目前光纤技术的发展无疑将会推动数字通信的发展。随着数字通信系统也正在向智能化化、高速度以及大容量的方向迅速发展，相信在未来数字通信系统将会取代传统的模拟通信系统而成为主导。

参考文献

[1]张英.微处理机实现的数字通信[J].电子技术应用，2005.

[2]张晓林.电视数字通信[J].图书馆杂志，2005.

[3]王金保.通信基本知识[J].华北电力技术，2005.

篇5

关键词：卫星数字通信技术；广播传输；运用

1卫星数字通信的概述

卫星数字通信是航天技术与电子技术相结合而产生的一种新型的通信方式，有着重要的作用。卫星数字通信通过中继站和终端站来实现通信目的的，具体来说卫星数字通信的中继站是人造卫星，终端站为地面站，可以有多个终端站，来实现两个或者多个终端站之间的通信，这种通信具有容量大、区域广的特点[1]。在卫星数字通信中应用的人造卫星叫做通信卫星，它与地球的自转的周期与方向同步，所以也叫做地球同步卫星，通信卫星始终固定在天空中某一位置上，方便地面与卫星的通信。卫星数字通信技术是我国广播电视节目传输中应用到的主要技术之一，随着数字技术的发展，它在广播电视传输中的优势更加鲜明。与微波数字通信传输相比其优势具体表现在：一是覆盖面广；二是投资成本低且建设快；三是传输信号的质量高；四是便于维护；五是运行成本低。与模拟卫星广播相比其优势具体表现为：一是可以节省卫星频率资源；二是，节省运行成本；三是节目信号质量高；四是数字信号处理与开发更加方便。

2卫星数字通信系统的基本原理

2.1卫星数字通信系统的组成。在广播传输中卫星数字通信系统主要由卫星上行发射站、测控站、星载转发器以及卫星接收站这四部分组成。广播数字卫星上设有C波段转发系统和Ku波段转发系统[2]，上行发射站的主要作用是发射C波段信号和Ku波段信号，并接收卫星下行转发的微波信号。具体机制为：上行发射站将广播控制中心发送来的各种信号进行处理与调制，将上频率与高功率进行放大后，将上行C波段信号和Ku波段信号通过定向天线发射给卫星。上行发射站接收卫星下行转发的微波信号的作用是对卫星转播节目的质量进行监测。星载转发器的作用是将地面上行站发送的上行C波段信号和Ku波段信号进行接收，并将接收的上行微波信号进行放大以及变频处理后，再进行放大，然后将经过一系列处理的信号发射给地面服务区。星载转发器相当于中继站一样发挥作用，它的优点是保障广播信号以最低的附加噪声和失真进行传送。

2.2卫星上行发射站系统。广播电视台的覆盖性广的特点，起到最重要作用的部分是卫星上行站系统，上行站的设备一旦发生故障就会导致整个广播电视信号的传输会全部中断，这就要求在上行站应用的设备安全性、稳定性、以及可靠性要非常高，并且要存有备份。广播卫星上行发射站可以将一路或者多路信号传送到卫星，卫星转发其在广播电视卫星中设有C波段信号转发系统和Ku波段信号转发系统，它的作用是将上行发射站传送的信号进行接受，另外也将下行信号转发给广播地面接收站。卫星上行发射站的主要由天线分系统、高功率放大设备、低噪音接收设备、上下变频器调制解调器、系统监控设备以及附属设备构成的。其中天线分系统中天线的作用是将发射功率转化为电磁波能量由上行站传送给卫星，同时也会将及微弱的有空间卫星发出的电磁波能量进行转化，转化成为同频信号来传送到接收机。在卫星上行站系统中低噪声接收设备是进行第一级放大的，高功率放大设备是进行第二级放大的；上下变频器的作用是搬移在射频与中频之间的频谱；调制解调器的作用是对信号进行调制，将广播控制中心发出的信号调制后传输到空间卫星，可以降低信号传输的噪音干扰的影响；系统监控设备的作用是对上行站的所有关键设备进行监控，来方便掌握每台设备的工作状态以及主要指标特性等。

2.3星载转发器。星载转发器在数字卫星通信系统中有着重要的地位，起着中继站的作用，它的性能好坏可以对数字卫星通信系统的工作质量造成直接影响。所以星载转发器在放大和转发地面站传送的信号时其附加噪声以及失真性能应该保持最低。星载转发器的噪声包括非线性噪声和热噪声，其中非线性噪声的来源主要是转发器电路或者器件特性的非线性，而热噪声的来源主要是设备的内部噪声以及通过天线传来的外部噪声。转发器可以分为两大类：其一是透明转发器；其二是处理转发器。其中透明转发器的作用是将地面发来的信号进行低噪声、频率以及功率放大后进行转发，它主要应用于模拟卫星通信系统中。另外处理转发器不仅可以转发信号还可以进行信号处理，多应用于数字卫星通信系统中，它可以很好的消除噪声的积累。

3卫星数字通信系统在广播传输中的应用

3.1卫星数字广播。将卫星应用到广播节目的传输中，是为卫星应用技术的重大突破，并且卫星数字传输在广播节目中有着越来越重要的作用。节目信号到达播控系统后，数字矩阵被中控机房进行切换，然后将要输出主路和备路节目信号分别送到光端机和微波端机，通过光缆以及微波传输到云岗卫星地球站，卫星站接接收到来自主路和备路信号后，通过卫星上行系统来实现广播电台节目的全面上星[3]。

3.2卫星转播车与现场直播车。卫星转播车与现场直播车不仅丰富了节目的传输手段，而且保障了直播节目的安全播出。卫星转播车与现场转播车的车系统的作用有：一是，可以传输高质量无线数字，提供高质量的转播传输以及支持节目直播的制作；二是，还可以解决部分主要节目的应急制作以及传输问题；三是，具有采集、传送以及直播音频、视频、网络音频节目、网络视频节目的能力。卫星转播车和卫星直播车不仅可以组合使用，而且可以独立完成节目的直播与传送任务，它们的存在可以为广播节目的直播与传送提供一个强大而又灵活的移动技术平台。其中卫星转播车可以通过三种传送方式实现转播的目的，分别为卫星传送、地面微波传送、地面电信线路传送，它主要用在大型转播现场的，为现场提供移动技术平台，支持信号的双向传输。卫星转播车技术系统主要包括：车载传送系统、卫星转播车音频系统、以及固定地面站传送系统等。现场直播车主要应用在国际台各调频栏目在各直播现场提供一个移动技术直播平台。其系统主要包括车载音频系统、车载视频系统、传送系统等。现场直播车的传输能力也很强大，可以实现数据的双向传输，并可以进行多业务传输，现场直播车可以在大多数的传输环境中进行独立作业，能够很好的完成直播传输任务。

4结束语

卫星数字通信技术一定会有更加广阔的应用空间，在广播电视传输的作用也将会越来越不可替代，系统功能不断的完善不断的强大，会更加有效的推动广播传输的发展，因此我们需要更加重视这一技术的有效应用，让其在更多的领域内发挥作用。

作者:孙雪柳 单位:国家新闻出版广电总局763台

参考文献:

[1]喻强.数字卫星通信在广播传输中的应用[J].科技展望,2015,12:111.

篇6

关键词轨道交通 数字化 光纤

中图分类号：C913.32 文献标识码：A 文章编号：

研究背景

城市轨道交通供电系统可采用集中供电方式和分散供电方式，而为了节省综合成本，现在新建地铁线路更多地是采用了环网供电的方式，如图2所示，一个总降压站可能要挂接5~6座变电站负荷。在此种方式下，当运行区间内发生故障时，相邻的两个牵引变电所需同时跳开相应断路器切除故障线路，以保证能将故障区段彻底从运行线路中切除；而在故障区间外对应的保护不应误动作。但是在实际运行中，故障发生后由于各个变电所开关保护配合问题往往会发生越级跳闸以及多级跳闸等现象，而且在永久性故障和瞬时性故障判别方面也存在困难。

针对以上现象如果用传统的电流选跳保护，则后备过流保护在定值和时限上以及联跳方案都要进行配合，而随着区间变电站数量的增加，后备过流的动作时间定值需要相应增加，联跳方案也需多重考虑；在现有供电系统下，为了减少故障电流对系统的冲击，不影响上级保护的整定值，往往能够预留出的级差时间很短，很容易出现几个变电所级差时间相同的情况，故而在大区间供电方式下的后备过流保护的时间级差设定以及联跳闭锁方案就很难很好地满足保护选择性和速动性的要求，很可能在故障时出现误跳扩大停电范围甚至引起全线短暂停电的事故。

基于以上分析，我们引入数字通信电流选跳保护的概念，此保护是基于微机保护装置间的网络通信功能提出的一种新的保护方案。由于采用基于61850规约的数字化技术，区间内变电所保护装置通过GOOSE网络互联，故当任意一台保护装置检测到异常状态时，即可向整个网络发送信息，网络内的其余智能设备皆可即时共享所有实时数据，从而可通过逻辑编程，对线路两端微机保护装置的电流保护动作与否进行比选，实施逻辑判断，快速判别线路故障区段，实现选择性地快速切除故障线路。

保护系统网络方案

为实现以上数字通信保护功能，保护装置需采用通信方式传递过零流和失灵保护的启动信号，故要求CPU可接入过程层GOOSE网，站控层仍可采用传统的103规约。

保护系统组网方案如下图所示：

图1 保护系统组网方案

过程层所间网络

过程层所与所之间通信采用双通道模式，架设专用的2路2芯通信光缆，通信介质采用单模光缆，光缆通过所内GOOSE网交换机连接，实现所间保护装置之间的信息共享和闭锁功能等。

所内网络

过程层网络：支持双GOOSE网，保护装置通过GOOSE网实现保护装置之间的信息共享和闭锁功能等。

站控层网络：采用双网电口模式，支持103通信规约。

数字通信电流选跳保护工作原理

如图2所示为城市轨道环网供电系统及故障分析示意图。根据区间线路沿线各开关是否流过故障电流，可判断出故障区段。假设区间线路上出现单一的故障，则故障区段位于从电源侧到末梢方向最后一个经历了故障电流的开关和第一个未经历故障电流的开关之间的区段。

图2 城市轨道环网供电系统及故障分析示意图

在图2中，根据供电方向，当d1点出现故障时，1,2,5,6点都检测到故障电流，而9点未检测到故障电流。由此就可以判断，故障点在6,9之间，为电缆故障，则可根据数字通信电流保护逻辑跳开6、9号开关；当d2点出现故障时，1,2,5点都检测到故障电流，而6,20,21,9点未检测到故障电流。由此就可以判断，故障点在母线上之间，为母线故障，则可根据数字通信电流保护逻辑跳开5,6,21号开关。

正常故障行为分析

以进出线保护装置为例：GOOSE网络中每一台保护装置皆通过配置文件手动分配一个唯一的地址，故而进出线保护装置可通过GOOSE网接收相邻变电所同一线路开关的过电流保护的启动信号及本变电所同一母线上其它所有开关的过电流保护的启动信号，再通过逻辑判断是电缆故障或者是母线故障。数字通信电流保护中电缆故障判断条件为：

本线路开关过电流保护启动；

相邻变电所同一线路开关的过电流保护未启动；

数字通信电流保护延时时间到T1。

数字通信电流保护中母线故障的判断条件为：

本线路开关过电流保护启动；

相邻变电所同一线路开关的过电流保护启动；

本变电所同一母线上其他所有开关的过电流保护均未启动；

数字通信电流保护延时时间到T1。

当保护装置判断为电缆故障时跳本线路开关，并发信号通过GOOSE网络联跳相邻变电所同一线路开关。当保护装置判断为母线故障时跳本线路开关，并发信号联跳本变电所的其他进出线开关及母联开关。

异常故障行为分析

在相关开关保护装置出现异常运行情况时，比如保护装置检测到与相关装置通信异常或接收到相关装置告警闭锁保护时，保护装置可通过控制字预先设置将数字通信电流保护延时时间抬升到一个时限再出口或者是将数字通信过电流保护闭锁。通过抬升动作时限或者闭锁数字通信过流保护功能，可最大限度地避免在异常情况下保护的无序动作。

与传统方案的比较

传统电缆联跳分为开量和闭量两种方案，开量方案在正常运行中的联跳回路处于闭合状态，只有在联跳信号发出时回路才断开，因而当联跳回路本身出现故障，比如断线或者有接触不良的状态时，可能出现误动作；而闭量方案在正常运行中的联跳回路处于断开状态，只有在联跳信号发出时回路才闭合，因而当联跳回路本身出现故障时，保护可能拒动。而现阶段针对于电缆回路断线或者接触不良的监测还不完善，故而此种误动或拒动的问题无法很好地解决。

与电缆联跳方案比较，基于61850规约的数字化方案由于采用光纤通道，故而抗干扰性很好，对不同的环境都有很好的适应性；由于采用数字通信，取消了大量的电缆连线，减少了保护装置的输入输出接口，大大节省了成本；而且数字通信通道可随时处于监测状态中，一旦出现异常情况可立即切换故障跳闸方案，防止因为通道异常或者装置异常造成的保护拒动等现象。

按照传统的级差配合方案，为了在故障时尽量达到不误跳的要求，则需通过给每个变电所配置级差延时来达到目的；故而在变电所增多的情况下末端变电所的延时时间增大，不利于保护的速动性要求。而数字通信电流保护功能无需逐级配合的动作时间，可有目的的直接快速判定出故障区段，有针对性地切除故障区段。

数字通信电流保护方案在工程运用中的难点

GOOSE网路中保护装置之间通信中断的判别需要一定的延时。由于数字通信电流保护是基于IEC61850规约建立的GOOSE网络的，而在IEC61850规约中，限于数据量，通信链接报文并不能频繁发送，故而通信中断只能通过延时来判别，这个判别延时一般配置为5s。若在判别通信中断的过程中发生故障，则保护不能按预设方案正确动作。

在保护装置本身出现故障的情况下，GOOSE网络中的此保护装置对应节点处于一个不正常运行状态，为了防止保护误动，此时需要与之有联系的保护装置对此情况进行处理。比如要求每一台保护装置在正常运行时不间断的向网络发送运行正常的报文，而与之有联系的保护装置则可以不间断的收到此报文；一旦某一个保护装置有异常，则与之有联系的保护装置接受到的监视报文必然有所变化，据此就可进行相应的逻辑判断，同时执行预先设定的保护动作方案。

结语

现如今，大区间环网供电方式已经成为地铁供电系统的主要方式，而基于GOOSE网络的数字通信电流选跳方案由于具有结构简单，综合投资少，维护方便，具有更好的选择性和速动性等优点，相比传统方案更符合大区间环网供电方式的要求。在现阶段，数字化技术的优势已经体现了出来，随着数字化技术的发展，必然会有更多更好的保护方案涌现。

参考文献：

黄德胜，地铁牵引供电系统保护，都市快轨交通，2005,18(6)：65-67.

贺家李，宋从矩，电力系统继电保护原理 北京 水利电力出版社,1994

谭文恕 变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍。电网技术，2001,25(9):8-11

个人简介：姚亮，1978年，男，江苏盐城人，工程师，从事继电保护装置研发工作。

篇7

一、无线电液控制技术基本原理

无线电液控制技术的基本工作原理:首先,无线电液控制系统将操作者或机器的控制指令进行数字化处理(包括对信号的滤波,A/D转化等处理),变为易于处理的数字信号;其次,对数字指令信号进行编码处理;再次,指令信号在经发射系统进行数字调制后,通过发射天线以无线电波的方式传递给远处的接收系统。最后,接收系统通过接收天线把带控制指令的无线电波接收下来,经过解调和解码,转换为控制指令,实现对各种类型阀的进行控制。

由于无线电液控制技术在工程机械领域占有重要地位,它也越来越受到各国的重视,都投入了很多的技术力量和资金进行研究开发。虽然红外遥控也可以实现电液控制技术的远程遥控,但是由于红外遥控存在对工作背景要求高、能耗高、传输距离短(一般不会超过10米),且必需在同一直线上,中间不能有任何障碍物以及易受工业热辐射影响等缺点,使得无线电液控制技术成为当前研究的主要方向。

二、无线电液控制技术的研究现状及趋势

(一)无线电液控制技术的研究现状

最初,遥控电液控制系统都是采用有线遥控方式进行的。早在60年代初期,人们就能利用拖缆遥控装置来控制液压机械上的手动、电液多路阀,操作时通过拖缆遥控装置上的双向单轴摇杆输出线性比例信号来控制电液比例多路阀,线控盒摇杆的信号完全能模拟液压多路阀上手动拉杆的动作。虽然这种方式也可以使操作人员在作业区外对机械设备进行操作控制,但是由于控制信号在电缆线中的衰减,使得遥控的距离有限,同时由于电缆线的存在,影响了操作的灵活性,而且数米长的电缆经常是生产事故中的主要根源。[2]

随着无线电技术的成熟,把无线电技术引入电液控制系统成为了可能。由于无线电液控制技术是通过无线电波来传递控制指令,完全消除了拖缆式遥控装置所带来的故障隐患。但是一开始的无线电液控制系统都只能发射简单的指令,如:打开/关闭等指令。进入70年代后,随着大规模集成电路及专用微处理器的出现,开发出了可靠性更高的手持式无线遥控系统。后来,随着数字处理技术的快速发展,无线数字通信技术的日趋成熟,利用数字通信技术的抗干扰能力强、易于对数字信号进行各种处理等等的优点,使得遥控系统的抗干扰性能逐步提高,安全性能大大改善;与此同时,模拟集成电路设计的迅速发展,各种高精度的模拟/数字转换器(A/D)和数字/模拟转换器(D/A)的研制成功,并把他们应用到无线电液控制系统中,使得无线电液控制系统不但能够传输开关信号,也能够传输模拟控制量并且对控制指令有较高分辨能力,也就是说,无线电液控制系统不但能够控制普通的电磁开关阀,而且能够控制比例阀。由于无线电液控制技术既有电液控制技术的优点,又有无线技术的优点,因此它有着很广泛的应用,特别是在工程机械领域中。无线电液控制系统的典型应用场合如工业行车、汽车吊、随车吊、混凝土泵(臂架)车、盾构掘进机的管片拼装机等。

80年代初,美国Kraft TeleRobtics和约翰·迪尔等公司,相继开发出无线遥控系统,并应用于挖掘机中,成功推出遥控挖掘机。其中,比较典型的是约翰·迪尔公司的690CR型遥控挖掘机。

1983年,日本小松制作所研究开发了各种工作装置的微动控制和复合动作的无线电操纵,并成功改装PC200-2型液压挖掘机。

1987年,德国HBC公司研制成功应用于工程机械领域的工业无线电遥控装置。这种遥控装置采用了先进的数字化通信技术,传输的比例控制信号安全、可靠和实用,并对发射的指令有很高的分辨率;在接收端使用模拟技术可以使执行机构的加速、减速动作与无线电遥控装置发射器上的动作完全成比例,从而实现对执行机构的无级控制。利用它,结合电液比例伺服驱动机构、液压比例多路阀和电液比例减压阀及普通电磁控制开关阀,就可以实现工程机械的无线遥控。德国HBC无线电遥控系统采用的比例输出信号(0-5V/10V、4-20mA、PWM0-2A)可与多个厂家电液多路阀信号匹配,可模拟手动操作方式达到与液压控制系统互相间的协调。

与国外对无线电液控制技术的研究应用相比较,国内则相对比较晚,技术相对也落后一些。上海宝山钢铁公司于1997年引入HBC无线遥控系统、意大利FABERCOM的比例液压伺服模块,对黄河工程机械厂生产的ZY65型履带式装载机进行了遥控改造,使其成为一台遥控装载机。

(二)无线电液控制技术研究趋势

随着数字通信技术和超大规模集成电路的高速发展,把数字通信技术和高性能、高集成度的集成电路应用到无线电液控制技术中,使得无线电液控制器的性能更加完善,可靠性更加高。它们都推动着无线电液控制技术的发展,具体表现在以下几个方面:(1)超大规模集成电路的飞速发展使无线电液控制器硬件电路的可靠性提高,同时为实现更强大的(下转第152页)(上接第193页)功能提供了可能性;(2)数字通信技术提高了无线电液控制器的性能;(3)纠错编码技术提高了无线电液控制器的抗干扰能力。

三、无线电液控制技术在盾构管片拼装机中的应用

盾构管片拼装机是一六自由度机械手,由电液比例多路阀控制各个方向执行器动作,实现管片的拼装。利用无线遥控系统控制电液比例多路阀的先导级就可以控制进入多路阀的流量。采用电液比例技术能提高管片机的拼装速度,有效地降低工程造价。

四、结语

由于无线电液比例技术具有多方面的优点,在工程机械领域得到了广泛的应用。将无线遥控技术应用于盾构管片拼装机系统,将具有重要的工程应用意义。

【参考文献】

[1] 郑贵源.无线遥控装置在工业控制中的应用[J].机械与电子,1997,(2).

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关键词：直接数字通信；USB；设计

一、直接数字通信设计中应用USB技术的优势

近几年随着无线技术的快速发展，无线USB接口技术也应运而生。无线USB是基于超宽带无线通信技术（Ultra WideBand，UWB）技术的宽频带、低功率谱密度优点。随着各种类型的USB外设（如USB闪存盘、USB视频头、USB鼠标等）的陆续出现，USB通信的优点越来越广泛的被人们所熟知，将外设连接到计算机时，USB接口成为优先的选择，USB总线主要具有以下优点：

（1）使用方便：设备自动识别，自动安装驱动程序，支持动态接入。

（2）应用范围广：传输速率从几Kb/s至几百Mb/s；同一组总线上可以同时支持同步和异步传输类型；支持对多个设备的同时操作（多连接）；支持多达127个物理外设；支持在主机和设备间多个数据和消息流的传输。

（3）灵活性高：可以有很多不同大小的分组，并允许在一定范围内选择设备的缓冲区；通过支持不同的分组缓冲区和时延要求，支持不同数据传输速率的设备。

（4）传输可靠性高：协议中包含错误检测机制。

二、直接数字通信设计

（一）USB控制系统设计

USB接口引擎的芯片仅处理USB标准协议包的通信；具有结构相对简单、灵活性高、设计复杂性低的特点。本文遵照USB协议的定义，参考市场上已有的USB IP核，可以分析出一个USB设备控制器应具有如下主要功能：协议数据翻译、总线上事件检测、事务传输控制。

协议数据翻译：由于USB数据传输采用反向不归零（None-Return to Zero Inverted，NRZI）编码，并有位填充，所以在发送或接收串行数据时需要进行编码与解码。数据在控制器内传输时以字节为单位，因此还需要进行串并转换。USB数据以包为单位在总线上传输，在进行NRZI解码后需要识别数据包开始、结束标志数据校验采用循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）方法，在接收或发送数据时需要进行相应的CRC校验。

总线上事件检测：对于USB总线事件需要进行检测与确定，完成在各状态之间正确转换。USB事务传输控制：不同类型的USB事务有不同的传输控制机制，需要根据USB协议中所规定的顺序来收发一系列USB包，完成一次事务传输所以，USB设备控制器要做到能够正确识别由主机发来的各种包，并能根据传输机制做出正确处理。

物理层包括收发器和UTMI两部分，其中收发器采用Agere Systems公司的芯片USS2X1A 8-bit，它的主要功能包括包开始（Start of Packet，SOP）和包结束（End of Packet，EOP）信号的检测和产生时钟恢复，即时钟和数据的分离和提取；NAZI编码和解码；填充位的插入和删除；串/并和并/串转换；填充位错误和EOP错误的检测。UTMI模块实现总线上事件检测功能，完成USB设备各状态之间的转换。该部分对USB数据并不进行处理，仅负责收发器和协议层PL模块之间的数据传递。

控制器将转换后的数字量直接存储到FIFO存储区中，也可以读取FIFO存储区中的数据并输出到外部I/O接口。从而在单片FPGA上控制伺服系统所有信号。

USB设备控制器的核心部分是协议层SIE模块，它主要完成USB事务传输控制功能。协议层SIE对于UTMI传递过来的USB包要能进行识别和翻译。

端点控制模块用于端点的选择及端点访问控制，USB核支持多达16个端点，实际使用时端点数目可设置。控制器都必须通过对端点寄存器读写来进行控制。此模块是由端点和状态寄存器构成，存放各种状态信息和事件数据。

每个端点分别定义一套设置和功能相同但地址不同的寄存器，以端点0为例，它包括端点0状态控制寄存器（EP0_CSR），记录了端点状态，包括端点号、端点类型和传输类型等一些状态属性的信息。

USB规范参照网络中的开放系统互联参考模型（Open System Interconnect Reference Model，OSI）采用了分层描述。USB规范把USB系统分为三层，即接口层、设备层和应用层。

（二）物理层面的数字部分设计

USB接口的物理层包括数字和模拟两部分。本文只实现了物理层的数字部分。UTMI模块含有接收状态机、发送状态机、接口状态引擎和速度识别引擎4部分组成。接收/发送状态机分别为接收和发送数据部分的核心控制逻辑，控制着对数据操作的顺序，接口状态引擎用于跟踪接口的各状态信息，它可以控制串行通信芯片的挂起/恢复工作模块，还可以控制芯片的全速/高速通信速率的转换。接口状态引擎子模块采用一个内部状态机保持各状态信息和芯片操作模块转换的信息。这些信息放在状态寄存器中。速度识别引擎用来判断串行数据通信的速率，并处理芯片挂起和复位操作的数据流方向。

（三）串行接口引擎即协议层设计

设备控制器的核心部分是串行接口引擎即协议层模块，它主要完成USB事务传输控制功能。协议层对于UTMI接口传递过来的USB包要能进行识别和翻译。同时该模块判断出当前的传输事务是何种类型，根据USB事务传输机制适时发送正确的USB包，由收发器传递给UTMI模块处理。该模块的结构主要包括：打包模块、解包模块和协议引擎模块。协议层中的打包模块专门负责组装USB包，如果有需要发送的USB包，则送往打包模块组装，先组装包头，插入适当的PID，然后加入数据字段和校验字段。

如果有UTMI模块传递过来的USB包，则送往解包模块拆装，先解码出PID，八位PID的低四位得到PID，通过USB2.0协议的PID类型定义译出PID，再对其后的数据字段进行校验并和包中校验字段比较。

（四）控制设备传输层面设计

应用层不负责具体的传输，它控制设备传输哪些数据，由主机的用户软件和设备的功能单元组成，功能单元是用户软件对USB设备的抽象。设备的功能主要在这一层上实现。功能单元提供每个USB设备所需的特定功能，主机端包括用户软件和设备驱动程序，设备端的功能由功能单元来实现，他们之间的联系看作是逻辑上的数据流。

数控系统的性能一定程度上是由系统参数决定，如何正确传输和设置这些参数是也是实现直接数字通信的关键问题，参数的正确传输与否直接影响机床正常的工作及其性能的发挥。通常一个数控系统都有大量参数，少则几十个，多则上千，这里我们仅选取一个关键参数的传输来说明数据 如何在这一层上进行传输。

在完成以上物理层和协议层的设计后，首先根据系统参数把由一组指令实现的某种功能对应的程序存入存储器中，用一个命令代表这些功能。编写控制程序时只要写出该代表命令，就能实现这些功能。

参数的存储由于数控机床的参数是需要根据机床的状况进行更改的，所以参数都保存在可读写的存储区内。本文设计了16个端点，每个端点的存储区都可以存参数、程序、参数等数据。系统当前的数据可以存放在任何一个区中，也可以从任一区域读数据作为当前使用的数据。

三、结语

本文首先介绍了USB系统的逻辑体系结构，接着讲述了USB协议规定的数据通信机制，数据传输格式，信息包的组成和分类，数据传输的4种方式，本文结合本系统选择中断和控制传输方式，讲述和USB设备控制器设计相关的一些基本概念，描述符的具体设置及通信配置。根据USB协议先对USB设备控制器进行功能模块划分，对各部分进行说明。完成对物理层和协议层的设计，给出了设计生成的状态转换，接口信号，数据传输流程。

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【关键词】现场总线；可编程控制器；水处理行业

1、现场总线的概念

国际电工委员会IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义是：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通讯的数据总线称为现场总线。现场总线是一种用于底层工业控制和测量设备，如变送器、执行器和本地控制器之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。

对现场总线的概念的理解和解释还存在一些不同的表述。例如，现场总线一般是指“一种用于连接现场设备，如传感器、执行器及像PLC、调节器、驱动控制器等现场控制的网络：现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备之间的联系：现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络：现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成；现场总线是从控制室连接到现场设备的双向全数字通信总线：在自动化领域，“现场总线”一词是指安装在现场的计算机、控制器以及生产设备等连接构成的网络：现场总线是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现工业数据通信、形成开放型测控网络的新技术，是自动化领域的计算机局域网，是网络集成的测控系统。

2、现场总线的组成与体系结构

现场总线技术包括三个部分：1）物理层；2）通讯栈；3）用户层

和计算机系统一样，现场总线系统也是由硬件和软件两大部分组成。硬件包括通信线、连接在通信线上的设备。软件包括：组态工具软件、组态通信软件、控制器编程软件、用户程序软件、设备接口通信软件、设备功能软件、监控组态软件。

3、现场总线标准

现场总线是20世纪80年代开始发展起来的。由于现场总线所具有的本质技术特点和一系列优点及其所呈现的极为诱人的发展前景，也由于在现场总线的生产和发展过程中人们对现场总线的理解有所不同，现场总线出现了杂乱纷呈的局面。据不完全统计，目前国际上有40多种现场总线。目前国际通用标准IEC61158共有三个不同版本。此外还有IEC62026、ISO11898及ISO1519。

中国现场总线标准化工作的现状：对国际标准IEC61158的文本结构作适当调整，形成多种总线的标准文本，并根据中国用户应用和产品开发的需要建立相应的行业标准。2001年，中国将FF、PROFIBUS、HART等立项为行业标准，其中PROFIBUS标准已于2001年11月批准为中国的行业标准。

4、现场总线技术优点

1）节省硬件成本

现场总线使用标准功能块完全控制策略。功能块是标准的自动化函数。许多控制系统功能块，诸如模拟输入、模拟输出、PID控制等功能都可以通过使用功能块由现场设备完成。以模块为基础，设计一致的功能块，使来自不同厂家的设备可以无缝的集成在一起。

2）设计组态安装调试简便

现场总线允许多台设备挂接在一对电缆上。这样可以减少电缆、安全栅和安装盒。

3）系统的安全可靠性好，减少故障停机时间

在传统的自动化系统中，除了过程参数外没有更多的有用信息。在基金会现场总线中，由于采用了数字通讯，信息量大大增加。除此之外，现场总线提高了精度，减少了失真（不需A/D和D/A转换），使控制更为可靠。控制分布在现场设备中，提高控制质量。现场总线允许从变送器中传送多个变量到系统中来，进行诸如存档、趋势分析、过程优化、产生报表等。高精度、不失真的数字通讯特点可以提高控制能力，因而提高产量。带有微处理器的现场总线设备具有自诊断和通讯能力，因而减少了系统停车时间，提高了工厂安全。一旦发现不正常情况或设备需要预维护，操作工和维修人员会被通知，从而采取及时正确的行动。

4）系统维护设备更换和系统扩充方便

5）用户对系统配置设备选型有最大的自

现场总线是开放的协议，这意味着来自不同生产厂家的经过基金会认证的设备互可操作，在同一系统中，不依赖某一个厂商，而又可运行多种设备，同时没有任何功能丧失。

6）完善了企业信息系统为实现企业综合自动化提供了基础。

5、现场总线在水行业中的应用

由于水资源的紧张及环保意识的提高，给水工程及污水处理工程已经成为新兴的重要行业。尤其是污水处理工程，目前国内外许多有实力的公司开始在国内投资建设污水处理厂。企业目的是为了少投入，多赢利，因此企业会根据不同地点、不同水质采用不同的水处理工艺。而先进的工艺都离不开先进的电气自动化设备，因此自动化的先进程度很大程度上决定了工艺能否顺利运行，也决定了水厂日后的运行费用，同时也决定了投资成本的回收期限。自控产品的快速发展使各种复杂的水处理工艺得以实现，根据污水处理的所采用的工艺不同，其自动化的复杂程度也不同现场总线促使现行的现场设备和仪表的产品结构将发生重大变革。现场总线把自动控制系统和设备带进了信息网络之中，形成为企业信息网络的底层从而为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了可行的基础，传统的信号制将由4-20mA模拟信号制转换为双向数字通信的现场总线信号制。

在我院设计的“大庆市西城区污水处理厂”工程设计中，部分控制系统采用了现场总线。如污泥脱水系统及曝气系统的高速离心风机采用了现场总线的通讯方式，目前看来，无论是通讯速率，还是可靠性都充分显示了现场总线的优越性。

6、结束语

现场总线在水处理行业的应用，目前还处于尝试阶段，为形成主流。水处理中的主要设备有水泵、风机及阀门，电压等级为10KV和0.4KV。10KV设备保护主要采用综合保护器，目前的保护器均有自己的通讯协议，并且水厂内不同厂家提供的设备不能采用统一的总线标准。因此，整个控制系统不能完全做到兼容。但随着现场总线技术的发展，将会有更多的厂家采用标准的总线通讯协议，那时，现场总线会使水厂真正实现系统的智能化、分布化、数字化。

参考文献

[1]夏德海主编.现场总线技术.北京：中国电力出版社，2003

[2]周明编著.现场总线控制.北京：中国电力出版社，2002

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智能化低压配电系统由低压开关设备具有通信功能的智能化元件经数字通信与计算机系统网络连接,实现变电站低压开关设备运行管理的自动化、智能化。系统可实现数据的实时采集、数字通信、远程操作与程序控制、保护定值管理、事件记录与告警、故障分析、各类报表及设备维护信息管理等功能。针对低压电气系统直接面向控制终端,设备多、分布广,而且现场条件复杂,系统本身及设备频繁操作、故障脱扣等产生的强电磁及谐波干扰等特点,智能化监控系统应能实现面向对象的操作模式,具有强抗干扰能力,主要控制功能由设备层智能化元件完成,形成网络集成式全分布控制系统,以满足系统运行的实时、快速及可靠性的要求。系统中的低压智能化元件就其功能而言总体上可分为:电能质量监测、开关保护与控制及电动机控制等。由于现场总线技术的应用,系统中智能化元件可不依赖计算机网络而独立运行,极大地提高系统运行的实时性和可靠性,满足低压电器设备运行管理的需要及工厂生产过程控制的要求。

现场总线是应用在生产现场、在微处理器测控设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,也被称为开放式、数字式多点通信的底层网络。20世纪80年代中期,随着微处理器技术和网络技术的发展,DCS系统4～20mA的模拟量传输方式逐渐被数字网络传输方式所取代,现场总线控制系统(Fieldbus Control System,FCS),迅速发展并在自动化领域得到广泛应用。FCS既是一个开放式通信网络,又是一种全分布式控制系统。它作为智能设备的联系纽带,把挂在总线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统,并进一步构成自动化系统,实现基本的控制、计算、参数设置、报警、显示、监控及系统管理等综合自动化功能。在FCS中,各种部件用通信网络连接起来,数据传输采用总线方式,系统信号的传输完全数字化。系统内不存在严格意义上的主控部件,资源共享,各智能化部件可以不依赖计算机而独立运行。FCS完全淘汰了4～20mA的模拟量传输方式,减少了大量的现场敷线;FCS的控制调节过程在现场部件,有效地提高了系统控制的实时性和可靠性,并避免了系统因主机故障而陷入瘫痪。

几种有影响的现场总线技术包括FF、Profibus、LonWorks、CAN、DeviceNet等。它们的通信模型各不相同,其应用具有各自的特点,已形成统一标准并在特定的应用领域显示了自己的优势。现场总线技术的优点主要有:

(1)节省硬件投资。现场总线系统的智能设备分散在现场,能直接执行控制和计算功能,可减少大量的变送器及调节器、计算单元等,也不再需要DCS系统的信号传输处理单元及其大量复杂的硬线连接,节省了可观的硬件投资,并可减少控制室的占地面积。

(2)节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单,一条通信总线上可挂接几个甚至上百个设备,节省安装附件,安装工作量大大减少,设计及接线校对的工作量也大大减少。资料显示,与DCS相比,现场总线系统的安装费用可节省60%以上。

(3)减少维护费用。由于现场控制设备具有自诊断及一定的故障处理能力,并通过数字通信将相关信息送往控制室,用户可实时监测及查询所有设备的运行,及时了解维护信息,以便早期分析与排除故障,缩短维护停工时间。同时,由于系统结构简化、接线简单,减少了维护工作量。

(4)系统集成更简单、灵活。用户可选择不同制造商的产品来集成系统,避免或减少系统集成中因不兼容的协议和接口带来的麻烦。