1、远远 动动 监监 控控 技技 术术西南交通大学电气工程学院西南交通大学电气工程学院 第四章 远动监控系统数据传输 与通信网络结构第一节第一节 概述概述第二节第二节 通信信道及数据传输系统通信信道及数据传输系统第三节第三节 调制与解调调制与解调第四节第四节 计算机网络基础计算机网络基础第五节第五节 数据通信方式数据通信方式第六节第六节 调度端及调度端及RTU的网络结构的网络结构远动信息的传递过程远动信息的传递过程通信设备：一般包括信道、调制器通信设备：一般包括信道、调制器/解调器（光端机）。解调器（光端机）。调制调制：把信息加到载波上，变成已调信号的过程把信息加到载波上，变成已调信号的过程解调解
2、调：把信息从已调信号中恢复出来的过程称为解调把信息从已调信号中恢复出来的过程称为解调信道信道：含有各种干扰的通信线路：含有各种干扰的通信线路 频分信道（频分信道（FDM）：利用频率变换和调制方法，将若干路：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。号区分开。按频带划分信道构成多路复用。时分信道（时分信道（TDM）：将信号时区划分为若干时隙，轮流传：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。输不同的信号，形成时分通信。一、信道的分类一、信道的分
3、类1 1、按信道的复用方式、按信道的复用方式2 2、按传输信号的类型、按传输信号的类型 单工信道单工信道：只能一个方向传送，任何时间不能改变。：只能一个方向传送，任何时间不能改变。半双工信道半双工信道：可以双向传输，交替进行，不能同时进行。：可以双向传输，交替进行，不能同时进行。全双工信道全双工信道：可同时进行双向传输。：可同时进行双向传输。有线有线：以有形的线路为传输媒质。如对称电缆、同轴电：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。缆、架空明线、光纤。无线无线：以自由空间为传输媒质。微波、卫星通信等。：以自由空间为传输媒质。微波、卫星通信等。3 3、按传输媒质不同、按
4、传输媒质不同 模拟信道模拟信道：传输连续的模拟信号。：传输连续的模拟信号。数字信道数字信道：传输离散的数字信号。：传输离散的数字信号。4 4、按信息传送方向与时间关系、按信息传送方向与时间关系 把原始数据信号（包含直流分量、低频、谐波分量）称为把原始数据信号（包含直流分量、低频、谐波分量）称为基带信号基带信号。由数据终端产生的二进制数字信号，包括。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，称为等调制后的信号，称为数字基带信号数字基带信号。直接利用基带信号。直接利用基带信号进行传输的方式称为进行传输的方式称为基带传输基带传输。如数字光纤通信系统。如数字光纤通信系统。利用载波对
5、基带信号进行调制，使信号频谱搬移到载波频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率附近的一个频带内，把这种调制后的信号称频带信号频带信号。用频。用频带信号进行数据传输称带信号进行数据传输称频带传输频带传输。近距近距（几米到几百米）：经接口电路（几米到几百米）：经接口电路（RS-232、RS-422）直接在线路上传输。直接在线路上传输。较近较近：加基带传输机（基带：加基带传输机（基带MODEM）。）。较远较远：采用频带传输，即加调制解调器。：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二、数字基带传输和频带传输单极性不归零码双极性不归
6、零码单极性归零码双极性归零码差分码基带数传机原理框图基带数传机原理框图三、干扰电平和允许电平三、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。用电平表示信号在传输过程中信号幅度变化情况。1.1.相对电平相对电平 选择电路上某点的功率选择电路上某点的功率P0（U0、I0）为基准，把）为基准，把电路上各点功率电路上各点功率高于高于或或低于低于基准点的倍数以基准点的倍数以dB（分（分贝）表示，称该点的贝）表示，称该点的相对功率（电压、电流）相对功率（电压、电流）电平。电平。2.2.绝对电平绝对电平 在在600电阻上，消耗电阻上，消耗1mW功率为绝对功率电平的基准：功率为绝对功率电平的
7、基准：绝对功率电平绝对功率电平绝对电压电平绝对电压电平)(.logdBUPxu775020)(logdBPPx31010 常用常用dBr表相对电平，用表相对电平，用dBm表示绝对电平。表示绝对电平。相对电流电平相对电流电平 相对电压电平相对电压电平)(logdBUUPxu020)(logdBppPx010 相对功率电平相对功率电平)(logdBIIPxi020 以铁路通信为例：以铁路通信为例：干扰电平干扰电平：音频回路两端用杂音计所测杂音电压：音频回路两端用杂音计所测杂音电压：明线明线2.5mV；电缆；电缆2.0mV。发送电平发送电平：音频电路最高发送电平不大于：音频电路最高发送电平不大于0d
8、Bm；载波通道的载波机两线端测得的电平载波通道的载波机两线端测得的电平 不大于不大于-13 dBr。接收电平接收电平：接收端根据传输方式的不同及接收端通：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，对接收电平的限制信设备本身的性能，对接收电平的限制 不同。如对不同。如对FSK的音频实回线，要求的音频实回线，要求 接收电平大于接收电平大于-25 dBm。3.3.干扰电平和发送接收电平的规定干扰电平和发送接收电平的规定 频带的选择 阻抗的匹配 电平的匹配 四、四、接收端设备与信道的连接接收端设备与信道的连接第四章 远动监控系统数据传输 与通信网络结构第一节第一节 概述概述第二节第二节 通
9、信信道及数据传输系统通信信道及数据传输系统第三节第三节 调制与解调调制与解调第四节第四节 计算机网络基础计算机网络基础第五节第五节 数据通信方式数据通信方式第六节第六节 调度端及调度端及RTU的网络结构的网络结构一、音频线路一、音频线路音频（音频（3003400Hz）线路：架空明线、对称电缆）线路：架空明线、对称电缆1.1.由音频线路构成的数据传输系统由音频线路构成的数据传输系统2.2.通信线的传输特性通信线的传输特性（1 1）首端加上频率为首端加上频率为的正弦交流电压，稳定后，的正弦交流电压，稳定后，线路上任意一点线路上任意一点X X处的电压为处的电压为：（2 2）线路的线路的特性阻抗特性阻
10、抗(波阻抗波阻抗)它表征线路本身的特性，与线路长度无关。xxrcrcxeZIUeZIUU)(21)(2111110000CjgLjrZc：传播系数传播系数：衰耗系数衰耗系数，单位为，单位为dB/km(分贝分贝/公里公里)：相移系数相移系数，单位为，单位为rad/km(弧度弧度/公里公里)（3 3）线路的传播系数、衰耗系数和相移系数线路的传播系数、衰耗系数和相移系数)(0000CjgLjrj)(21000022022020220grCLCgLr)(21000022022020220grCLCgLr1100 rLjr2200 rCjg)(21212211000021 rrrrCjgLjrZc)()
11、(2121000021 rrCjgLjrj计算：用计算：用复数复数的运算方法来简化计算过程的运算方法来简化计算过程 jceUZIU )(1121 jceUZIU )(1121)()(xjxxjxrxjrxjxeeUeeUeeUeeUU )()()sin()sin(xtuxtuxteUxteUuxx 22（4 4）前行波和反行波、波速）前行波和反行波、波速则：转换为瞬时值的形式，有：令：),(txU 1 波速波速：考察：考察中相位为一定值值的点的点1 xtt+t 时刻，相位1 移动到x+x处，处，即即1 )()(xxttxt tx为反行波。同理，),(txU 为前行波，波速等于),(txU 从而
12、有有t时刻x点处，处，),(txU 的相位为为，即，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 波形造成畸变，产生有害的干扰。结论1：电压波衰减地 向收端前进。（5 5）阻抗匹配：接收端负载阻抗）阻抗匹配：接收端负载阻抗等于等于特性阻抗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 主要有载波电缆和电力线载波主要有载波电缆和电力线载波 频分复用频分复用的模拟信道。的模拟信道。二、二、载波信道载波信道1.1.载波电缆构成的数据传输系统载波电缆构成的数据传输系统2.2.电力线载波数据传输系统电力线
13、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(0.33400)kHz光端机光端机：将电信号转换成光信号的变换装置。：将电信号转换成光信号的变换装置。光中继装置光中继装置：为实现远距离传输，将因传输而使强度减弱：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。传输。光纤光纤：透明度极高的纤维，将光传输到远方的媒介：透明度极高的纤维，将光传输到远方的媒介 三、光纤信道三、光纤信道光的调制方式根据
14、数字信号进行，多采用脉冲编码调制。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：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。光纤传输的单极性脉冲。码制变换码制变换：适于电信号传输的码型转换为适于光信号传输的码型：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光电转换元件：发光元件为：发光元件为激光二极管激光二极管LD和发光二极管和发光二极管LED。1.1.数字式光端机数字式光端机 根据光的调制方式，分两类：根据光的调制方式，分两类：直接调制方式直接调制方式：光强度的调制与输入的模拟信号成：
15、光强度的调制与输入的模拟信号成比例。比例。预调制方式预调制方式：将输入的模拟信号转换为电信号，再：将输入的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。进行光的有无的双值光强度调制。2.2.模拟式光端机模拟式光端机四、无线信道四、无线信道1.1.无线电信道无线电信道优点优点：适宜于短距离、直接传输：适宜于短距离、直接传输 一般，称一般，称波长为波长为0.0011.0m、频率为频率为300MHz300GHz的无线电波为的无线电波为微波微波。这里的无线电信道指微波以下频段的。这里的无线电信道指微波以下频段的无线电信道，常用几十兆几百兆无线电信道，常用几十兆几百兆Hz。2.2.微波中继信道（
16、含卫星通信）微波中继信道（含卫星通信）优点优点：微波频段频带很宽，可容纳许多无线电频道且：微波频段频带很宽，可容纳许多无线电频道且不相互干扰。不相互干扰。第四章 远动监控系统数据传输 与通信网络结构第一节第一节 概述概述第二节第二节 通信信道及数据传输系统通信信道及数据传输系统第三节第三节 调制与解调调制与解调第四节第四节 计算机网络基础计算机网络基础第五节第五节 数据通信方式数据通信方式第六节第六节 调度端及调度端及RTU的网络结构的网络结构一、调制与解调一、调制与解调 1.1.定义定义 调制调制：将待传输的基带信号进行频谱的搬移或者：将待传输的基带信号进行频谱的搬移或者 数字脉冲波形的变换
17、，使其适宜于在信道数字脉冲波形的变换，使其适宜于在信道 中传输的过程。中传输的过程。载波载波：被调制的正弦波信号：被调制的正弦波信号 已调信号已调信号：调制后得到的信号：调制后得到的信号 解调解调：从已调信号中将原信号复原的过程。：从已调信号中将原信号复原的过程。2.2.调制的目的调制的目的 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。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）。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。改善传输系统的抗干扰性能。3.3.频带调制和数
18、字基带调制频带调制和数字基带调制 连续波调制连续波调制如如FSK等，都是将信号的频谱搬移到载波频率等，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：附近的一个频带上，因此称为：频带调制频带调制 脉冲调制脉冲调制如如PCM等等，调制后的信号仍是数字基带信号，调制后的信号仍是数字基带信号，因此称为因此称为：数字基带调制，简称基带调制数字基带调制，简称基带调制键控调幅键控调幅ASK：幅度随信号变化。：幅度随信号变化。键控调频键控调频FSK：频率随信号变化。：频率随信号变化。键控调相键控调相PSK：相位随信号变化。：相位随信号变化。二、数字调制方式二、数字调制方式 数字调制数字调制是利用数
19、字信号去控制一定形式的载波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。而实现调制的一种方法。选用选用正弦波正弦波为载波信号为载波信号用数字基带信号分别控制用数字基带信号分别控制幅值幅值，角频率角频率和和相位相位等参数等参数)cos()(tUtum用前后相邻两个波形的用前后相邻两个波形的相位变化值相位变化值代表代表tUtumcos0)(tfUtfUtumm212cos2cos)(数字信号数字信号键控调幅键控调幅键控调频键控调频绝对调相绝对调相相对调相相对调相)cos()0cos()(tUtUtumm三、幅移键控（三、幅移键控（ASKASK）ASK调制调制：利用调制信息的数字信号键控一
20、个连续的：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，有载波振荡时发送载波，使载波时断时续，有载波振荡时发送“1”的信的信息，无载波时发送息，无载波时发送“0”。该方式看作是调制信号。该方式看作是调制信号s(t)与载波相乘与载波相乘。性质性质：最简单的线性调制。：最简单的线性调制。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：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。对关系总
21、是保持不变。S(t)是重复周期为是重复周期为T、脉宽为、脉宽为的方波，傅立叶级数表示的方波，傅立叶级数表示：22TT.)5cos523cos32cos221()(0tttAts线性调制器线性调制器已调信号已调信号及其傅立叶级数为：（令及其傅立叶级数为：（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.)5cos523cos32cos221(cos)()(0000000000000000ttttttttttttttttttttst
22、e.)5cos523cos32cos221()(0tttAts.)5cos(51)3cos(31)cos(1.)5cos(51)3cos(31)cos(1cos21)(0000000tttttttte和频项：和频项：所有所有成分频率都大成分频率都大于载频部分于载频部分差频项：差频项：所有所有成分频率小于成分频率小于载频部分载频部分载频项：载频项：与与S(tS(t)无关无关已调信号的已调信号的带宽带宽是调制信号带宽的两倍是调制信号带宽的两倍。线性调制共同特点线性调制共同特点: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制信号的频率分量
23、在频率轴上搬移一个0 0的距离，整个频谱的的距离，整个频谱的结构和每一分量的相对大小不因调制而改变。结构和每一分量的相对大小不因调制而改变。ttststttsttete000022121 cos)()(coscos)(cos)()(调幅信号的解调：包络检波、相干解调。调幅信号的解调：包络检波、相干解调。相干解调相干解调:利用相干载波与所接收到的调制信号利用相干载波与所接收到的调制信号相乘相乘，可，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截止频率等于载波频率的低通滤波器低通滤波器将信号分离出来。将信号分离出来。四
24、、频移键控（四、频移键控（FSK）数字调频数字调频：利用载波振荡的利用载波振荡的频率频率变化来传递数字信息。变化来传递数字信息。频率转换法频率转换法：用数字信号控制两个独立的振荡器组：用数字信号控制两个独立的振荡器组成调频器。成调频器。1 1数字调频信号的产生数字调频信号的产生 直接调频法：直接调频法：用输入的数字信号控制一个振荡器用输入的数字信号控制一个振荡器的某些参数，达到改变振荡频率的目的。的某些参数，达到改变振荡频率的目的。数字信号数字信号=1，D1、D2截止，震荡频率由截止，震荡频率由C3、L确定确定31121LCf )(322121CCLf 数字信号数字信号=0，D1、D2导通，导
25、通，C2并入谐振回路并入谐振回路2.2.数字调频信号的解调数字调频信号的解调（1 1）鉴频法鉴频法：采用选频回路将频率的变化转换成幅度：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。带信号，还原数字信号。限制带外噪声限制带外噪声减少误码率减少误码率除去信号中的寄生除去信号中的寄生调幅，得到幅度恒调幅，得到幅度恒定的调幅波定的调幅波将调频信号的频率变化将调频信号的频率变化转变为幅度变化转变为幅度变化简单的鉴频器简单的鉴频器LC并联回路并联回路（2 2）零交点法零交点法：计算交变信号在经计算交变信
26、号在经过零点的次数来解过零点的次数来解调数字调频信号的调数字调频信号的一种方法。一种方法。原理：原理：与每秒内的与每秒内的振荡次数就是频率振荡次数就是频率一样，可用单位时一样，可用单位时间内信号经过零点间内信号经过零点的次数来衡量频率的次数来衡量频率的高低。的高低。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（五、相移键控（PSKPSK）1.1.调相信号的产生调相信号的产生输入数码 T1 T2 载波方向 USC xi=0 导通 截止
27、T1，B，0 相位相同 xi=1 截止 导通 T2，A，0 相位相反周期周期=码元宽度码元宽度连成计数方式的连成计数方式的触发器，来一个触发器，来一个脉冲翻一次脉冲翻一次,输输出是差动码出是差动码ix相对调相信号相对调相信号的产生：将数字系列的产生：将数字系列 ,转换为差动码系列转换为差动码系列对对 进行绝对调相就得到对进行绝对调相就得到对 的相对调相。的相对调相。ixiyiy（1 1）提载：提载：整流、滤波、分频整流、滤波、分频2.2.调相信号的解调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（2 2）解调电路解调电路接受数据为接受数据为0
28、0时：时：0接受数据为接受数据为1 1时时：0相关系数：相关系数：收到的调相波收到的调相波：已提取的载波：已提取的载波：绝对调相波的解调原理绝对调相波的解调原理：对接受信号波与提取的载波的积：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在一周期内积分，根据结果来判断接受的数据。tUtum sin)()()sin()(tnCtUtums TmTmTmmTsdtttnUdtCttUdttnCtUtUdttutu00200)(sin)sin(sin)()sin(sin)()(乘法电路乘法电路：实现：实现定时器定时器：实现同步定时及取样（实现同步定时及取样（0-T0-T）判决器判决器：判断判断的值的值)()(tutus积分器积分器：实现实现 Tsdttutu0)()(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相对调相波的解调原理：111 iiiiiiiyyyyyyx1.1.利用绝对调相波的解调电路得到差动码利用绝对调相波的解调电路得到差动码2.2.由差动码求数据序列由差动码求数据序列：iy
