1、North China Electric Power University第六章 数据通信系统齐郑教5B区10280798596North China Electric Power Universitypage22022-8-15数据如何而来?North China Electric Power Universitypage32022-8-15数据传输的基本问题收发如何同步收发如何同步?如何保证数据信息正确如何保证数据信息正确?存在干扰差错时存在干扰差错时,如何校验和控制如何校验和控制?如何提高信道效率如何提高信道效率,实现多路复用实现多路复用?North China Electric Pow
2、er Universitypage42022-8-15通信系统基础信息源发送设备信道接收设备受信者躁声源mg(t)g(t)ms(t)s(t)通信系统基本模型通信系统基本模型l模拟消息模拟消息:状态连续变化的消息状态连续变化的消息,如强弱变化的语音如强弱变化的语音l数字消息数字消息:消息状态量是离散的消息状态量是离散的,如文字如文字l信号是消息的一种载体：信号是消息的一种载体：l模拟信号模拟信号:表达消息的信号对应的表征量是取连续值表达消息的信号对应的表征量是取连续值l数字信号数字信号:表达消息的信号对应的表征量是取离散值表达消息的信号对应的表征量是取离散值l模拟通信系统模拟通信系统:传递模拟信
3、号的通信系统传递模拟信号的通信系统l数字通信系统数字通信系统:传递数字信号的通信系统传递数字信号的通信系统North China Electric Power Universitypage52022-8-15数字通信系统模型信道躁声源调制器信道编码器信源编码器 信息源解调器信源译码器信道译码器 受息者编码器译码器信道译码器：将二进制信号恢复到模拟信号信道译码器：将二进制信号恢复到模拟信号信源编码器信源编码器: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信道编码器:给数码系列按一定规则加入监督码（校验码）给数码系列按一
4、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高频信号信道：信号远距离传输的载体，如：电缆、架空线、光纤、微波空间等信道：信号远距离传输的载体，如：电缆、架空线、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 Universitypage62022-8-15波特率与比特率波特率波特率(Bd,Baud)：每秒传送的码元数每秒传送的码元数,适用于所有码制，是消
5、息传递速率适用于所有码制，是消息传递速率比特率比特率(Bit)：每秒传送的信息量，是信息传递速率每秒传送的信息量，是信息传递速率信息量信息量I的定义的定义：I=loga(1/P)P是消息所表示的事件出现的概率是消息所表示的事件出现的概率,一般一般a=2.N元码制元码制：每一个消息所表示的事件可能有：每一个消息所表示的事件可能有N种不同的状态，种不同的状态，P=1/N.I=log2N2元码制元码制：P=1/2.I=log22=1,所以信息速率和码元速率数值上相等所以信息速率和码元速率数值上相等111100E14 3400E1/3E2/3E二元码制四元码制码元码元：数据通信中：数据通信中,传送的是
6、一个个离散脉冲信号传送的是一个个离散脉冲信号,故把每个信号脉故把每个信号脉 冲称为一码元。冲称为一码元。码制码制：每一码元能代表几种状态，称几元码制：每一码元能代表几种状态，称几元码制误码率误码率：数据经传输后：数据经传输后,发生错误的码元数与总传输码元数之比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 Universitypage
7、82022-8-15通信工作方式发端信道收端单工：单方向传输单工：单方向传输发端信道半双工：可不同时上下行双向传输半双工：可不同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双工：可同时上下行双向传输收端收端发端信道North China Electric Power Universitypage92022-8-15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 11 11 00 01 11 11 00 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 Universitypa
8、ge102022-8-15数码传输的同步.10起始位奇偶校验P1 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，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）异步传输方式（起止同步）North China Electric Power Universitypage112022-8-15数码传输的同步数据时钟起始位81616161234 56123456起始位数据时钟异步数据接收原理异步数据接收原理接收时钟频率太高接收时钟频率太
9、高正确接收的条件正确接收的条件：在整个数据单元中，在整个数据单元中，时钟累积误差不超时钟累积误差不超过半个码元长度过半个码元长度North China Electric Power Universitypage122022-8-15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 Universitypage132022-8-15数码传输的同步位同步位同步滤波法滤波法远动中采用单极性不归远动中采用单极性不归0 0信号。接收到的信号首先经过放信号。接收到的信号首先经过放
10、大限幅环节形成数字方波，然后经微分、整流环节形成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电路产生位同步脉冲。电路简单，但当信号中有连续的0 0或或1 1时，由于码元波形无变化，可能造成位同步中断。时，由于码元波形无变化，可能造成位同步中断。锁相法锁相法在接收端利用鉴相器，比较接收到的码元与本地产生的位在接收端利用鉴相器，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同步的相位。若二者不一致，则鉴相器产生一个调制
11、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。致为止。North China Electric Power Universitypage142022-8-15l帧同步帧同步 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（上仍需连续传送同步码（3 3个个EB90EB90）同步码.数据码同步码.校验码North China Electric Power Universitypage152022-8-15远动通信配置的基本类型 主站RTU点对点主站多路点对点主
12、站多点星形主站多点共线主站多点环形North China Electric Power Universitypage162022-8-15电力系统传输信道 North China Electric Power Universitypage172022-8-15电力系统传输信道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0.30.32.5kHz2.5kHz的音频段，远动信号占用的音频段，远动信号占用2.72.73.4kHz3.4kHz的上音频段。的上音频段。阻波器高压耦合电容结合滤波器载波机电力载波原理框图电力载
13、波原理框图两级调制：两级调制：4040500kHz500kHz 电力载波通信电力载波通信North China Electric Power Universitypage182022-8-15电力系统传输信道光纤信道光纤信道North China Electric Power Universitypage192022-8-15电力系统传输信道微波信道机微波信道机中继机中继机微波信道机微波信道机微波信道机微波信道机载波终端机载波终端机微波信道机微波信道机载波终端机载波终端机微波通信微波通信微波通信微波通信我国采用我国采用20GHz作为电力系统的主干线，作为电力系统的主干线，8GHz作为作为分支频
14、段。分支频段。North China Electric Power Universitypage202022-8-15电力系统传输信道l卫星通信卫星通信l卫星通道的频段为上行卫星通道的频段为上行59256425MHz，下行为，下行为37004200MHz。l散射通信散射通信l通信距离长，可达通信距离长，可达200300km，可跨越山地，但是，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。地域广大的山区。l短波通信短波通信l检修通信的良好方式。它比较适合传输话音信号检修通信的良好方式。它比较适合传输话音信号 North
15、 China Electric Power Universitypage212022-8-15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。叫多路复用技术。频分多路制频分多路制 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制 时分多路是在一个信道上按时间顺序传输多路信号。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。这时各
16、路信号应是离散的脉冲信号。North China Electric Power Universitypage222022-8-15调制和解调基带传输直接传输基带信号称为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，使这些参量作为载波，用基带信号对载波的某些参量进行控制，使这些参量随基带信号变化，该过程称为调制。随基带信号变化，该过程称为调制。基带信号基带信号 数据终端设备送出的原始数据信号一般是频率很低的信数据终端设备送出的原始数据信号一般是频
17、率很低的信号，其能量或功率集中在号，其能量或功率集中在0频率附近，并具有一定的频频率附近，并具有一定的频率范围，这样的信号称为基带信号。率范围，这样的信号称为基带信号。North China Electric Power Universitypage232022-8-15调制和解调一、移幅键控一、移幅键控ASK(Amplitude Shift Keying)Sc(t)G(t)S(t)0,()sin,mcS tUwt代表字元“0”代表字元“1”乘法器带通滤波器S(t)G(t)Sc(t)=Umsinwctl二进制信息通过调制加到交流高频信号上再传输二进制信息通过调制加到交流高频信号上再传输l接收端
18、将含有信息的交流信号解调，还原信息接收端将含有信息的交流信号解调，还原信息North China Electric Power Universitypage242022-8-15二、移频键控二、移频键控FSK(Frequency Shift Keying)调制和解调G(t)S(t)f1f2f1S1(t)S2(t)cos,()cos,mmUwtS tUw t12代表字元“1”代表字元“0”f1f2控制门1控制门2反相器G(t)相加器FSK信号North China Electric Power Universitypage252022-8-15三、调相键控三、调相键控PSK(Phase Shif
19、t Keying)调制和解调G(t)S(t)PSKDPSKsin,()sin(),mcmcUw tS tUw t代表字元“1”代表字元“0”01011（1）绝对移相键控,0 代表字元“0”代表字元“1”（2）相对移相键控North China Electric Power Universitypage262022-8-15数据传输的差错控制技术（2）检错重发发送端发送能够检出误码的码字，接收端根据码字的编码特征进行检发送端发送能够检出误码的码字，接收端根据码字的编码特征进行检错。若判断为有错，则通过反馈信道要求重传，直到无错误为止。错。若判断为有错，则通过反馈信道要求重传，直到无错误为止。（1
20、）循环传送检错法 同一信息源的信息周期性循环传送。发送端把信息经抗干扰编码后送入同一信息源的信息周期性循环传送。发送端把信息经抗干扰编码后送入信道发送。接收端判断有无错码，若无，则使用此数据，否则抛弃。信道发送。接收端判断有无错码，若无，则使用此数据，否则抛弃。（3）前向纠错法发送端将信息经纠错编码发出。接收端接收到数据后进行纠错译码。发送端将信息经纠错编码发出。接收端接收到数据后进行纠错译码。（4）混合纠错混合纠错North China Electric Power Universitypage272022-8-15数据传输的差错控制技术l抗干扰编码抗干扰编码可检测和不可辨识：可检测和不可辨
21、识：00开；开；11合合可检测和可辨识：可检测和可辨识：000开；开；111合合不可检测和辨识：不可检测和辨识：0开；开；1合合多种编码方法多种编码方法North China Electric Power Universitypage282022-8-15常用检错码 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1水平校验码元垂直校验码元（L行）小组（m列）1、奇偶校验：、奇偶校验：奇偶
22、指码组中奇偶指码组中“1”的个数是奇数还是偶数的个数是奇数还是偶数 1011001（1）1011001（0）2、水平一致校验：、水平一致校验：3、水平垂直一致校验：、水平垂直一致校验：North China Electric Power Universitypage292022-8-15线性分组码分组码中，码字中分组码中，码字中1的个数称为码重。的个数称为码重。同一分组码中任意同一分组码中任意2个码字对应位上数字符号不同的位个码字对应位上数字符号不同的位数称为码距。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一个分组码中码字之间的最小距离叫做最小码距dmin。100000000111
23、0101110101001110574545分组码分组码 分组码是对长度为分组码是对长度为k的信息组，按一定的规则增加的信息组，按一定的规则增加r位监位监督位，组成长度为督位，组成长度为nkr的序列，记做的序列，记做(n,k)码。码。North China Electric Power Universitypage302022-8-15线性分组码若dminl1，这种码能检出l个差错：ldmin1若dmint1，这种码能纠正t个差错：21mindt最大似然译码原则最大似然译码原则：若接收到禁用码，就将它与各许用码比：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，与之码距最
24、小的就是其出错前的码字10000000011101011101010011100011000纠错原理North China Electric Power Universitypage312022-8-15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线性分组码线性分组码(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
25、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*C4North China Electric Power Universitypage322022-8-15循环码例：M=(101)(1)M(x)=1*X2+0*X1+1*X0=X2+1(2)M(X)*Xr=(X2+1)X4=X6+X4(3)G(X)是Xn+
26、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)M(X)*Xr/G(X)的余式为R(X)，由R(X)可得校验位(4)F(X)=M(X)*
27、Xr+R(X)可得发送码字。l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循环码的校验位计算方法:(n,k)循环码的信息组循环码的信息组k位位,校验位有校验位有r=n-k位位:North China Electric Power Universitypage332022-8-15ISO 参考模型传输介质应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层网络层
28、网络层数据链路层数据链路层物理层物理层通信协议North China Electric Power Universitypage342022-8-15物理层-RS232C(串口通信)l机械特性机械特性l采用采用DB25连接器。一般连接器。一般DTE采用采用25针结构，针结构，DCE采用采用25孔结构。孔结构。l电气特性电气特性la、对电压源的要求：当电阻在、对电压源的要求：当电阻在3k7 k之间时，输出电压为之间时，输出电压为（5V15V）之间。电源输出阻抗应大于）之间。电源输出阻抗应大于300。lb、对终端的要求：终端负载的输入阻抗在、对终端的要求：终端负载的输入阻抗在3k7 k之间。之间。
29、lc、对逻辑电平的规定：采用负逻辑。数据、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及控制线的接通状态为为5V15V，数字，数字1及控制线的断开状态为及控制线的断开状态为5V15V。噪。噪声容限声容限(35V)。ld、接口信息速率：、接口信息速率：子站子站主站RTU地址报文类型数据长度N数据校验码校验码RTU地址ER报文类型数据长度N类别标志数据校验码校验码lRTU地址：目的站地址。FFH作为广播地址l报文类型说明报文的内容、类型。lE：1表示有事件记录 0无事件记录lR：1表示自检出错 0表示工作正常l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
30、码。North China Electric Power Universitypage452022-8-15问答式远动规约主主站站功功能能 报文类型代码说明初始化参数设置设置模块工作方式与参数03H规定模块类别、扫描速度、死区范围死区范围04H设置死区范围扫描周期11H设置每种模块的扫描周期滤波系数13H设置滤波系数设置时钟0CH查询类类别询问05H要求子站传输某种类别的数据重复询问1AH主站未能收到子站的正确回应类别更新0BH强制刷新数据数据传送0DH要求子站发送指定地址的数据召唤事件记录（时标）0FHNorth China Electric Power Universitypage4620
31、22-8-15问答式远动规约主站功能 报文类型代码 说明管理控制类复位RTURESET01H启动RTU扫描08H停止RTU扫描07H启动I/O模块扫描 0AH停止I/O模块扫描 09H其他电源合闸确认12H带返校遥控CTL1EH遥控操作时首先发送，子站回送返校后再发遥控执行命令诊断报文DIA0EH诊断信道可靠性的报文North China Electric Power Universitypage472022-8-15问答式远动规约子子站站功功能能 报文类型代码说明肯定确认ACK06H已正确收到主站的命令或本站数据无变化否定确认NAK15H未能正确收到主站的命令回答类别询问DATCAT1BH对
32、ENQ的回应回答数据召唤DATREP1CH对DATREQ的回应电源合闸PWRUP16H子站刚上电后对主站的所有命令应答，直到主站发送PWRACK或RESET报文时标出现17H送SOE事件顺序记录模块状态变化18H诊断报文回送DIAG0EH回送诊断信道可靠性的报文North China Electric Power Universitypage482022-8-15问答式远动规约(1)子站上电后收到主站报文，发送子站上电后收到主站报文，发送(电源合闸)(2)主站发送主站发送(电源合闸确认)应答，主站回复应答，主站回复ACK(3)主站发送主站发送设置时钟，扫描周期，死区范围，滤波系数，设置模块工作
33、方式与参数等报文为子站建立工作方式等报文为子站建立工作方式(4)主站发送主站发送启动RTU扫描和和启动I/O模块扫描启动子站扫描启动子站扫描(5)主站发送主站发送类别询问查询数据，子站以查询数据，子站以回答类别询问应答。若数应答。若数据无变化，以据无变化，以ACK应答。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。文应答。(7)主站可发送主站可发送数据传送要求刷新数据，子站以要求刷新数据，子站以回答数据召唤应答。应答。通信过程通信过程North China Electric Power Universitypag
34、e492022-8-15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 Universitypage502022-8-15调度实时网中的主要的国际标准 控制中心 广域网 控制中心 变电站网络 间隔设层 中高压设备 过程总线 IEC 61850 IEC 61970 IEC 60870-101 IEC 60870-102 IEC 60870-104 IEC 60870-6 TASE.1 IEC 60870-6 TASE.2 IEC 60870-103 IEC 61968(UIB)变电站主机 North China Electric Power Universitypage512022-8-15
