畢業(yè)設(shè)計（論文）-水泥廠DCS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、 前 言 集散控制技術(shù)1是集控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和圖象技術(shù)為一體的控制技術(shù)，因其分散的控制功能、綜合的協(xié)調(diào)能力、易于擴(kuò)展的性能已廣泛的應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的自動控制系統(tǒng)中?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，本設(shè)計針對水泥廠生產(chǎn)線，采用以PLC為根底的DCS控制系統(tǒng)2，設(shè)計面向全廠總生產(chǎn)過程的全廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控管理一體化，使全廠不僅在生產(chǎn)上具有先進(jìn)的過程控制自動化，更在管理上具有現(xiàn)代化水平。而且對提高產(chǎn)量、穩(wěn)定質(zhì)量、降低能耗等具有重要意義。此系統(tǒng)由原料粉磨系統(tǒng)、煤粉制備系統(tǒng)、燒成窯頭系統(tǒng)、水泥粉磨系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)等各系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)單獨(dú)優(yōu)化運(yùn)行，并通過中控系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)。本設(shè)計主要討論此集

2、散控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸局部的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，即數(shù)據(jù)在無線數(shù)據(jù)網(wǎng)、控制局域網(wǎng)和互連網(wǎng)中的傳輸，這主要由無線控制子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程維護(hù)子系統(tǒng)完成。 在本次集散系統(tǒng)設(shè)計過程中，水泥廠各系統(tǒng)比擬分散，無法采用有線進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳輸，所以設(shè)計了無線控制子系統(tǒng)。采用無線終端采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，從而將無線數(shù)據(jù)網(wǎng)同控制局域網(wǎng)連接起來；另一方面，為了給用戶提供及時的系統(tǒng)維護(hù)，設(shè)計了遠(yuǎn)程維護(hù)子系統(tǒng)，通過將控制系統(tǒng)參數(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方監(jiān)視端，實(shí)現(xiàn)對集散控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，提供系統(tǒng)維護(hù)的功能，將控制局域網(wǎng)同互連網(wǎng)連接起來。 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式采集和傳輸，提出了一種可應(yīng)用到多種工業(yè)環(huán)境的復(fù)合型的分布式DCS系統(tǒng)

3、。本文所采用的軟件開發(fā)環(huán)境是基于win2000操作系統(tǒng)、編程軟件，其加密算法是由加密包提供。本設(shè)計共分六章，其內(nèi)容如下: 第一章給出了集散控制系統(tǒng)的根本概念和特點(diǎn)，并介紹了水泥廠集散控制系統(tǒng)的概貌。第二章對本文所涉及到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦碚摳走M(jìn)行了綜述。第三章描述了水泥廠的工藝流程。第四章著重論述了系統(tǒng)控制策略組態(tài)的實(shí)現(xiàn)。第五章討論了本系統(tǒng)的性能。結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性、實(shí)時性、可靠性、平安性等性能指標(biāo)進(jìn)行了討論。 1 集散控制系統(tǒng) 隨著工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)控制系統(tǒng)的規(guī)模也不斷擴(kuò)展，這對實(shí)現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)提出了更高的要求，而模擬儀表控制系統(tǒng)和計算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)很難滿足

4、這些要求。因此綜合了控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和圖象顯示技術(shù)的“4C技術(shù)，產(chǎn)生了總體分散控制系統(tǒng)(Distributed control system)，簡稱集散控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視、控制及管理。圖是集散控制系統(tǒng)的組成框圖。它是一種典型的分級分布式控制結(jié)構(gòu)。管理計算機(jī)完成制定生產(chǎn)方案、產(chǎn)品管理、財務(wù)管理、人員管理以及工藝流程管理的功能，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的靜態(tài)最優(yōu)化。監(jiān)控計算機(jī)通過協(xié)調(diào)個控制器的工作，到達(dá)過程的動態(tài)最優(yōu)化。基木控制器那么完成過程的現(xiàn)場控制任務(wù)。CRT操作站是顯示操作裝置，完成人一控制系統(tǒng)一過程的接口任務(wù)。數(shù)據(jù)采集器用來收集現(xiàn)場控制信息和過程變化的信息。 圖 1.1

5、 集散控制系統(tǒng)框圖 1.2 集散控制系統(tǒng)特點(diǎn) 集散系統(tǒng)既有計算機(jī)集中控制系統(tǒng)算法靈活、先進(jìn)、精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又有儀表控制系統(tǒng)系統(tǒng)平安可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，它的主要特點(diǎn)是:1) 真正實(shí)現(xiàn)了分散控制。因為采用了以微處理器為核心的根本控制器，每個根本控制器只控制少量的回路，一旦某個根本控制器發(fā)生故障，只影響某個局部，而且更換方便，提高了系統(tǒng)的可靠性。由于根本控制器在現(xiàn)場就地安裝，不但節(jié)省了電纜，同時也減少了傳輸線對信號的干擾，縮短了控制回路，加快了反響速度，降低了對上位機(jī)的要求，應(yīng)用程序較為簡單。2) 應(yīng)用靈活，擴(kuò)展容易。因為采用分布式控制，在應(yīng)用上十分靈活，適應(yīng)大、中、小型企業(yè)的不同要求

6、，規(guī)?？纱罂尚。瑪U(kuò)展容易。3) 實(shí)現(xiàn)綜合控制。因為設(shè)置有計算機(jī)與計算機(jī)之間的通信系統(tǒng)，通過高速數(shù)據(jù)通道，能將根本控制器與監(jiān)控計算機(jī)聯(lián)系起來，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，并且利用監(jiān)控計算機(jī)的運(yùn)算能力，完成復(fù)雜高級控制算法的運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)化控制。4) 備有多功能CRT操作臺。作為集中型的人一機(jī)接口，在CRT操作臺上，可以存取并能以多種畫面顯示全部過程變量，控制變量及其它參數(shù)，以及直接操作遠(yuǎn)程根本控制器，實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)視和集中操作。5) 管理計算機(jī)通過高速數(shù)據(jù)通道，直接與過程相聯(lián)結(jié)，完成生產(chǎn)、方案、管理、決策的最優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了整個生產(chǎn)過程的最優(yōu)化自動控制。水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的自動化控制3是水泥旋窯生產(chǎn)線不可缺少

7、的關(guān)鍵組成局部，作為一個應(yīng)用于現(xiàn)代化水泥廠的工業(yè)計算機(jī)自動化控制系統(tǒng)，它應(yīng)該是覆蓋了從水泥廠的全線生產(chǎn)過程控制和整個水泥廠生產(chǎn)管理的一個大系統(tǒng)。本系統(tǒng)就是從這個設(shè)計思想出發(fā)，采用目前先進(jìn)的PLC 和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，結(jié)合了計算機(jī)-客戶機(jī)/效勞器體系結(jié)構(gòu)組成了一個完整地計算機(jī)生產(chǎn)控制、管理系統(tǒng)。計算機(jī)系統(tǒng)為計算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，采用SERVER/CLIENT(效勞器/客戶機(jī))結(jié)構(gòu)，通過開放性的100M 高速以太局域網(wǎng)及TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。效勞器通過協(xié)議完成對外場設(shè)備所有采集數(shù)據(jù)信息的登錄及處理，系統(tǒng)控制程序及數(shù)據(jù)的輸出，并負(fù)責(zé)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行和管理。客戶機(jī)基于效勞器的數(shù)據(jù)按分

8、配功能進(jìn)行不同內(nèi)容的監(jiān)控操作，所有的客戶機(jī)均可互為備用。該方案具有可靠性、方便性和靈活性，還可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過程中的程序再開發(fā)。由于數(shù)據(jù)的集中采集和管理，減少了數(shù)據(jù)流動環(huán)節(jié)，從而減低了開發(fā)與維護(hù)本錢。靈活的互備方式更將系統(tǒng)的操作管理及維護(hù)風(fēng)險降低至最低程度。 如圖為水泥廠生產(chǎn)線工藝流程圖。 圖1.2 水泥廠生產(chǎn)線工藝流程圖 水泥生產(chǎn)工業(yè)簡介水泥的新型干法生產(chǎn)線由生料制備系統(tǒng)、生料均化系統(tǒng)、窯尾燒成系統(tǒng)、窯頭燒成系統(tǒng)和成品包裝系統(tǒng)組成。生料制備系統(tǒng)由原料配料和生料粉磨組成，用于生產(chǎn)合格的生料。粉磨過的生料由提升機(jī)經(jīng)庫頂空氣輸送斜槽送入生料均化庫。來自均化庫的生料通過氣力提升泵輸送到旋風(fēng)式預(yù)熱器內(nèi)，

9、通過五級預(yù)熱器的負(fù)壓作用使物料充分預(yù)熱后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行煅燒。窯頭燒成系統(tǒng)由喂媒系統(tǒng)和熟料生成系統(tǒng)組成。原煤由煤磨磨制成煤粉后存儲在煤粉倉中，通過流量計由煤風(fēng)機(jī)和凈風(fēng)機(jī)將煤粉和空氣的混合物向窯頭喂煤。經(jīng)過煅燒和化學(xué)反響的生料在窯頭形成球狀熟料。球狀熟料經(jīng)窯頭罩進(jìn)入單筒冷卻機(jī)冷卻后由鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)送到熟料磨進(jìn)行粉磨，然后由提升機(jī)入熟料庫。最后成品包裝系統(tǒng)將散裝庫中不同型號的水泥通過包裝機(jī)包裝成成品。該系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：螺旋給料機(jī)、各種風(fēng)機(jī)、增濕塔、窯主電機(jī)、各種調(diào)節(jié)閥和變頻器，還有眾多的智能檢測儀器。設(shè)備布局比擬分散，因此應(yīng)該選用能夠遠(yuǎn)距離傳輸?shù)募⒖刂葡到y(tǒng)。生產(chǎn)過程的關(guān)鍵局部生料均化系統(tǒng)、窯尾燒成

10、系統(tǒng)和窯頭燒成系統(tǒng)采用了自動化控制，由操作員在中控室集中進(jìn)行操作和監(jiān)控。1.3.2 水泥廠DCS系統(tǒng)組成及原理 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖：系統(tǒng)在總體上是縱向分層、橫向分散的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為廠長管理級、工程師管理級、操作員管理級、過程控制級和現(xiàn)場設(shè)備級。 該系統(tǒng)總體設(shè)計的指導(dǎo)思想是技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)可靠、節(jié)省投資、提高效益?；谶@種思想該生產(chǎn)線采用了PLC 型集散控制系統(tǒng)，完成了從生料進(jìn)窯到熟料入庫的整條生產(chǎn)線的自動控制。采用集散控制后，真正做到分散控制、集中管理、危險分散。設(shè)備出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)能夠按照預(yù)先編制好的程序自動停止相關(guān)設(shè)備，并發(fā)出聲光報警，提醒操作人員及時處理，以免影響生產(chǎn)。對一些重要的參數(shù)

11、和報警，系統(tǒng)能夠自動生成歷史記錄和歷史趨勢。操作人員和技術(shù)人員可以隨時查詢歷史數(shù)據(jù)，隨時了解生產(chǎn)情況。通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析提出新工藝，新方法，以不斷提高水泥的產(chǎn)量和質(zhì)量。2 數(shù)據(jù)傳輸根底2. 1通信系統(tǒng)組成傳輸信息所需的一切技術(shù)設(shè)備的總和稱為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)4的一般模型如圖2.1所示。通信系統(tǒng)有以下幾局部組成: 1 信息源和收信者：根據(jù)信息源輸出信號的性質(zhì)不同可分為模擬信源和離散信源。模擬信源輸出連續(xù)幅度的信號離散信源輸出離散的符號序列或文字。模擬信源可通過抽樣和量化變換成離散信源。2 發(fā)送設(shè)備：發(fā)送設(shè)備的根本功能是將信源和傳輸媒介匹配起來，即將信源產(chǎn)生的信號變換為便于傳送的信號形式，送往

12、傳輸媒介。調(diào)制是最常見的變換方式。對于數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備常常由可分為信道編碼與信源編碼兩局部。信源編碼將連續(xù)信號變換成數(shù)字信號;而信道編碼那么是使數(shù)字信號與傳輸媒介匹配，提高傳輸?shù)目煽啃院陀行?。發(fā)送設(shè)備還包括為到達(dá)特殊處理所要求的各種處理，如多路復(fù)用、保密處理、糾錯處理等。3 傳輸媒介：從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間信號傳輸所經(jīng)過的媒介。當(dāng)數(shù)據(jù)通過媒介時必然將引入干擾，如熱噪聲、脈沖干擾、衰落等。媒介的固有特性和干擾特性直接關(guān)系到變換的選取。4 接收設(shè)備：接收設(shè)備的根本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解碼、譯碼、解密等。它的任務(wù)是從帶有干擾的信號中正確恢復(fù)出原始信息來，對于多路復(fù)用信號，

13、還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確的分路。以上所述是單向通信系統(tǒng)，但在大多數(shù)場合下，信源兼為收信者，通信的雙方需要隨時交換信息，因而需要雙向通信。此外，通信系統(tǒng)除完成信息傳遞外，還必須進(jìn)行信息的交換，傳輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)共同組成了一個完整的通信系統(tǒng)，乃至通信網(wǎng)絡(luò)。 通信的任務(wù)是傳遞信息，因此傳輸信息的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)最主要的質(zhì)量指標(biāo)。有效性是指在給定信道內(nèi)能傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，而可靠性是只接收信息的準(zhǔn)確程度。這兩者是相互矛盾而又相互聯(lián)系的，通常是可以互換的。 模擬通信系統(tǒng)的有效性可用有效傳輸頻帶來度量，同樣的消息用不同的調(diào)制方式，那么需要不同的頻帶寬度。可靠性用接收端最終輸出信噪比來度量。

14、對于數(shù)字通信系統(tǒng)，有效性可用信息傳輸速率來衡量。二進(jìn)制數(shù)字消息的信息速率用b/s(比特/秒)作單位。比特(bit)是信息量單位，當(dāng)二進(jìn)制數(shù)字0,1取值等概率時，傳送一個二進(jìn)制數(shù)字其信息量就等于1bit。信息速率常稱比特率。顯然，當(dāng)信道一定時，信息速率愈高，有效性也就愈好。為了提高有效性，可以采用多進(jìn)制傳輸，此時每個碼元攜帶的信息量超過1bit。假設(shè)碼元速率為，信息速率為，每個碼元有N種可能采用的符號，那么它們之間的關(guān)系為: (b/s) 或 (b/s) (式2-1)數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性可用錯誤率來衡量。誤碼率 ： (式2-2)誤碼元率 ： (式2-3) 有時將誤比特率稱為誤信率，誤碼元率稱為誤符

15、號率。2. 1. 3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要技術(shù)51傳輸信道 傳輸信道指的是以傳輸媒質(zhì)為根底的信號通路，它是傳輸數(shù)據(jù)的物質(zhì)根底。信道特性的好壞，對傳輸系統(tǒng)及系統(tǒng)各局部的設(shè)計具有決定性的影響。因此設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的第一步就是要選擇適宜的信道，并詳細(xì)地調(diào)查了解信道的特征。數(shù)據(jù)傳輸最常用的信道分有線和無線兩種。 信道既給數(shù)據(jù)傳輸以通路，又給數(shù)據(jù)傳輸以限制。由于各種實(shí)際因素，信道提供的頻帶總是有限的，信道特性總是不完善的.數(shù)據(jù)信號通過信道時，往往發(fā)生振幅失真和相位失真，從而產(chǎn)生波形失真。除失真外，信號功率也由于信道的損耗而下降。而且，數(shù)據(jù)信號還被信道中一切不需要的和不確定的電擾動所損害，這些擾動稱為噪聲或干

16、擾。信道對信號的某些損害可以設(shè)法消除或補(bǔ)償，但噪聲或干擾對信號的影響不能完全消除，因此，從這個意義上說，傳輸系統(tǒng)設(shè)計的主要目標(biāo)是盡可能地抑制噪聲或干擾的不良作用。常見的對信道的描述有二進(jìn)制對稱信道模型(BSC)和修正二進(jìn)制對稱信道(GBSC)，木文的誤碼率計算也以這兩個模型為準(zhǔn)，其后還給出香農(nóng)公式及信道容量。 二進(jìn)制對稱信道模型(BSC ) 由于目前在信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列基木上是二進(jìn)制序列，因此在信道中產(chǎn)生的錯誤不外乎是0錯成1或1錯成0。但無論哪一種錯誤，在過失序列中這一位的取值均為1。假設(shè)0錯成1和1錯成0的概率相等，那么我們稱這種信道為對稱二進(jìn)制信道(BSC)。假設(shè)信道是隨機(jī)的，那么稱它

17、為隨機(jī)二進(jìn)制對稱信道。一般情況下，假設(shè)無特別說明，就用BSC來表示隨機(jī)二進(jìn)制對稱信道，它是最早提出的一個信道模型。如圖2.2所示。 圖2.2 BSC信道模型 該信道模型中只有一個參數(shù)，它就是0錯成1或1錯成0的概率，稱為信道轉(zhuǎn)移概率，也就是人們常說的誤碼率。由于BSC模型完全由一個參數(shù)確定，在進(jìn)行統(tǒng)計和計算時特別簡便，并且也根本上符合某些實(shí)際信道的過失特性，故該信道模型用得非常廣泛，往往以它為根底來計算各種過失控制方式和各種糾錯碼的性能。 在BSC中，對于長度為m個碼元的數(shù)據(jù)碼組，碼組不錯的概率P(n, 0),錯組概率P(n,)也稱誤組率 ，出現(xiàn)m個錯誤的概率P(n ,m)以及出現(xiàn)等于和大于m

18、個錯誤的概率P(n, , m)分別為: (式2-4) (式2-5) (式2-6) (式2-7)概率P(n，m)服從二項式分布，當(dāng)n很大時近似為泊松分布，即: (式2-8)假設(shè)n很大，且，那么近似可寫為P(n,) (式2-9) 修正二進(jìn)制對稱信道(GQSC) BSC模型雖然計算簡單，但并不符合大多數(shù)實(shí)際信道過失序列的0, 1分布情況，如在有線及大多數(shù)無線信道中，錯誤往往以突發(fā)形式出現(xiàn)，表現(xiàn)在過失序列中1的出現(xiàn)是密集而不是隨機(jī)的。因此為了描述這種信道，對原來BSC模型加以修正，增加一個反映信道錯誤密集情況的參數(shù)，這樣既保持了原來BSC模型計算簡單的優(yōu)點(diǎn)，又反映了實(shí)際信道錯誤密集的情況，這就是所謂的

19、修正二進(jìn)制對稱信道模型，簡稱GBSC模型。GBSC模型由誤碼率和錯誤密集指數(shù)a決定。其中錯誤密集指數(shù)a反映了錯誤密集的情況，也就是反映了過失序列中出現(xiàn)1的密集程度，a處在0和1之間。不同的信道，并不相同，它通常由實(shí)標(biāo)測量決定。假設(shè)a=0，那么認(rèn)為錯誤不相關(guān)，也就是BSC情況:假設(shè)a=1，說明錯誤完全相關(guān)。如果我們知道了信道的和a，那么可以很容易地計算各種概率。下面給出計算各種概率的公式。 (式2-10) (式2-11) (式2-12) (式2-13) 僅當(dāng)時上述公式才較準(zhǔn)確，否那么誤差較大。由此可知，只要知道了a和就可以很方便地計算各種概率。根據(jù)實(shí)際測量，一般情況下，有線信道的a在左右，短波和

20、散射倍道的a在之間，而微波中繼線路的a在之間。 BSC和GBSC模型計算簡單，但比擬粗糙。因此在需要精確計算各種錯誤概率的情況下，還必須用其它模型。如馬爾可夫鏈模型(Gilbert模型)，分群馬氏鏈模型等。香農(nóng)公式和信道容量 (b/s) (式2-14)就是著名的香農(nóng)信道容量公式，簡稱為香農(nóng)公式。由香農(nóng)公式可得如下結(jié)論: (1)提高信號與噪聲功率之比能增加信道容。 (2)當(dāng)噪聲功率趨于時，信道容量C趨于，這意味著無干擾信道容量為無窮大:增加信道頻帶并不能無限制地使信道容量增大。當(dāng)噪聲為白色高斯噪聲時，隨著W增大，噪聲功率也增大，在極限情況下，即使信道帶寬無限增大，信道容量仍然是有限的。 (3)信

21、道容量一定時，帶寬W與信噪比之間可以彼此互換。 香農(nóng)公式給出了理論極限，但未對如何到達(dá)或接近這一理論極限，給出具體的實(shí)現(xiàn)方案。這正是通信系統(tǒng)研究的任務(wù)，一直來，人們圍繞這一目標(biāo)，開展了大量的研究，得到了各種數(shù)字信號表示方法和調(diào)制手段。2調(diào)制與解調(diào) 調(diào)制器的功能是把輸入的比特流交換為適合于通過信道的電信號。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)制，要產(chǎn)生一個載波，并讓載波波形的一個或幾個參量隨著數(shù)據(jù)信號而變化。載波波形有兩類:一類是正弦波，一類是脈沖波。在數(shù)據(jù)基帶傳輸系統(tǒng)中，采用脈沖載波的調(diào)制一般是脈沖振幅調(diào)制。用正弦載波調(diào)制的傳輸系統(tǒng)使用更廣泛，通常把它稱為通帶傳輸系統(tǒng)。正弦載波的調(diào)制有振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制及復(fù)合

22、調(diào)制等方式。 解調(diào)器的功能是完成調(diào)制的逆變換，即對接收波形進(jìn)行識別，然后判決。所以，解調(diào)器又叫波形識別器。在任一碼元區(qū)間內(nèi)，接收端只知道發(fā)送的波形是，而不能確知是哪一個。它只能根據(jù)混有噪聲的接收波形進(jìn)行估計，因此判決難免有錯。在輸入信噪比相同的條件下，使判決過失概率最小的解調(diào)器稱為最正確解調(diào)器(又稱最正確接收機(jī)). 解調(diào)的方法必須與調(diào)制方式相適應(yīng)。.但凡涉及到相位的解調(diào)，必須采用相干或差分相干解調(diào):而振幅調(diào)制與頻率調(diào)制可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)。無論哪一種調(diào)制方式，采用相干解調(diào)的性能均優(yōu)于非相干解調(diào)的性能。 3) 同步 通過調(diào)制，比特序列變換為代表碼元的波形序列。各個碼元具有相同的

23、時間長度。碼元之間的轉(zhuǎn)換是由發(fā)送端的時鐘脈沖進(jìn)行控制的。為了解調(diào)，接收端必須確定碼元的轉(zhuǎn)換時刻。確定碼元轉(zhuǎn)換時刻的過程稱為位同步。 在利用正弦載波進(jìn)行傳輸?shù)那闆r下，為了實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，接收端除了要求位同步以外，還要求載波同步，也就是說要在接收端獲得相干載波。提取相干載波的過程稱為載波恢復(fù)或載波提取。位同步和載波同步的信息通常是從經(jīng)過各種各樣鎖相環(huán)路的接收信號波形中提取。除了位同步與載波同步以外，傳輸系統(tǒng)中還有更大時間范田的同步問題。發(fā)送的數(shù)據(jù)序列常常是分組的，假設(shè)干組構(gòu)成一幀。因此，接收端必須對收到的比特序列正確地進(jìn)行分組，這些組同步和幀同步統(tǒng)稱為群同步。群同步的建立通常是在發(fā)送的比特流中插入特

24、殊的標(biāo)志字符，接收機(jī)從收到的比特流中把標(biāo)志字符檢測出來，作為群同步信息。4) 過失控制 由于噪聲和干擾的影響，解調(diào)器輸出的比特過失率一般為，而計算機(jī)要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍剡^失率小于，因此必須采用過失控制技術(shù)，以便把解調(diào)器輸出的過失率下降到使用者能夠接受的數(shù)值。此外，在信道瞬時中斷或存在脈沖干擾的情況下，解調(diào)器的輸出將出現(xiàn)成群的過失，或叫突發(fā)過失。對于這種類型的過失，依靠加大信號功率來克服它是很不合算的，而采用過失控制技術(shù)卻能以較小的代價取得良好的效果。 過失控制的根本方法有:反響重傳(ARQ)、前向糾錯(FEC),混合糾錯(HEC)。不管哪種方法都要依靠編碼技術(shù)，即在發(fā)送端有規(guī)律地在輸人數(shù)據(jù)中參加

25、一定的多余碼，使接收端能夠因此而自動地檢測或糾正傳輸過失。這些增加的多余比特稱為過失控制比特，或校驗比特。 過失控制編碼有兩種根本的類型:分組碼與卷積碼。編碼器根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)比特產(chǎn)生相應(yīng)的校驗比特，其主要要求是編碼效率高、過失控制能力強(qiáng)及實(shí)現(xiàn)簡單。譯碼器實(shí)現(xiàn)檢錯與糾錯，其主要要求是譯碼錯誤概率小、快速、簡單和譯碼時延小。 目前在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，廣泛地采用反響重發(fā)技術(shù)。接收端根據(jù)編碼規(guī)那么，發(fā)現(xiàn)傳輸出現(xiàn)過失后，經(jīng)過反響信道請求發(fā)送端重傳，以便糾正過失。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是編碼效率可以高，對信道的適應(yīng)能力強(qiáng)，只要選擇檢錯能力足夠強(qiáng)的編碼和可靠的反響信道，那么反響重傳能夠保證接收端最終輸出的比特過失率滿

26、足使用要求。在后面章節(jié)將進(jìn)行詳細(xì)論述。綜上所述，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母具^程是:輸入的數(shù)據(jù)比特流先經(jīng)過過失控制編碼器，插人過失控制比特后，再經(jīng)過調(diào)制器變成適合于通過信道的波形序列:這些波形通過信道傳輸后，產(chǎn)生了失真并混入了噪聲，解調(diào)器對它們進(jìn)行識別，復(fù)原成比特流，其中出現(xiàn)的過失由譯碼器檢測和糾正，如果譯碼器對過失糾正不了，那么還需要通過反響重傳來糾錯。 數(shù)字信號的調(diào)制 水泥廠集散控制系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)都是通過無線信道分布采集的，所以這里對數(shù)字信號傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)進(jìn)行一個簡單介紹。數(shù)字信號調(diào)制可分為三種根本方式:振幅調(diào)制(AM)，頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。1) 雙邊帶(DSB)振幅調(diào)制雙邊帶振幅調(diào)

27、制的信號表示式為: (式2-15)式中a是振幅調(diào)制指數(shù)(), m(t)是調(diào)制信號，是載波角頻率。雙邊帶抑制載波(DSB-SC)振幅調(diào)制因為載波并不傳輸信息，所以使用雙邊帶抑制載波(DSB-SC)的振幅調(diào)制能夠節(jié)省傳輸所需的功率，DSB-SC信號的一般形式是: (式2-16)當(dāng)m(t)的取值是-1或1時，便是二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)信號。2) 單邊帶(SSB)調(diào)制 上述兩種DNB調(diào)制技術(shù)都要傳輸一個多余的頻帶，在應(yīng)用中，如果頻譜效率很重要，那么采用單邊帶調(diào)制可以把信號占據(jù)的頻帶減小一半。單邊帶信號可以寫為: (式2-17)式中是m(t)的希爾伯特變換。實(shí)際上，我們常采用帶通濾波器，在雙邊帶信號

28、中抑制掉上邊帶或者下邊帶，以產(chǎn)生SSB信號，并在傳送數(shù)據(jù)時發(fā)送載波導(dǎo)頻。 3) 正交振幅調(diào)制(QAM) 這種調(diào)制技術(shù)把兩個相位相差的DSB-SC信號迭加在一起，其表示式為 (式2-18)項和項在相量圖上是彼此正交的。 項通常被稱為同相信號，或者I信號；項通常被稱為正交信號，或者Q信號。 當(dāng)是 的希爾伯特變換時，正交振幅調(diào)制也就變成了單邊帶調(diào)制。當(dāng)和是獨(dú)立的二進(jìn)制數(shù)據(jù)時，正交振幅調(diào)制即使不用嚴(yán)格的濾波器，也可以在所需功率與帶寬方面，與單邊帶調(diào)制一樣有效。正交振幅調(diào)制信號要求相干解調(diào)，任何相位誤差都會在I信號與Q信號之間引起干擾，從而使性能下降。當(dāng)與的取值為時，正交振幅調(diào)制和四相相移鍵控(4PSK

29、)完全相同。2.2.2頻率調(diào)制(FM)1頻移鍵控(FSK) 二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)利用兩個頻率相差 Hz的正弦信號，進(jìn)行二進(jìn)制傳信。叫做頻差，和載波頻率相比是很小的。實(shí)際上，常常用頻差比來說明頻差的大小，很多地方把頻差比稱為調(diào)制指數(shù)，可表示為: (式2-19) 式中是碼元寬度，是數(shù)據(jù)速率，。和其他類型的調(diào)制一樣，2FSK既信號可以采用相干解調(diào)，也可以來用非相干解調(diào)。非相干解調(diào)可以用兩個帶通濾波器，把信號中的兩個頻率分量分別濾出來，經(jīng)過包絡(luò)檢波，然后用一個判決器，把傳輸?shù)男畔⑿蛄谢謴?fù)出來。用這種方法進(jìn)行解調(diào)，頻率間隔不能太小，至少應(yīng)等于，以防止兩個帶通濾波器的通帶發(fā)生明顯的交迭。如果用動態(tài)濾

30、波器分路以構(gòu)成最正確非相干解調(diào)器，那么可以小到。另外一種方法是利用鑒頻器進(jìn)行解調(diào)。這種方法不受上述頻差比h的限制。二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)可以推廣到多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK，M2)。2連續(xù)相位頻移鍵控(CP-FSK) CP-FSK信號在碼元轉(zhuǎn)換瞬問沒有相位突跳，因而信號頻譜在頻帶之外的滾降加快。這類信號所占用的頻帶可以比相移鍵控小，在解調(diào)時如果采用遲延判決(增大觀察區(qū)間)，還可能獲得比相移鍵控更好的抗噪聲性能。 CP-FSK可分為兩類:一類是全響應(yīng)CP-FSK，其基帶脈沖的響應(yīng)限制在一個比特間隔；另一類是局部響應(yīng)CP-FSK，其基帶脈沖的響應(yīng)寬于一個以上的比特間隔。前者的頻譜在帶外的滾降加快

31、，但主瓣較寬，后者的頻譜既有窄的主瓣，又有快的帶外滾降。3最小頻移鍵控(MSK) MSK是一種日益受人們重視的調(diào)制方式。MSK是全響應(yīng)CP-FSK的特殊情況，其調(diào)制指數(shù)。這種調(diào)制方式能獲得與PSK相同的性能，而且具有CP-FSK所固有的良好頻譜特性。MSK的另一優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)自同步比擬簡單。最小頻移鍵控也叫做快速頻移鍵拌(FFSK)?！白钚《种傅氖沁@種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)(h=0.5)獲得正交信號，而“快速二字指的是這種調(diào)制方式，對于給定的頻帶，能比PSK傳送更高的比特速率。4高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK) MSK雖然是一種性能優(yōu)良的調(diào)制方式，并且己在實(shí)際中獲得了廣泛的應(yīng)用，但是就其頻譜

32、特性來說，由于主瓣較寬，副瓣也大，因而還達(dá)不到某些窄帶數(shù)字傳輸系統(tǒng)的要求。為此人們在MSK的根底上，采用高斯濾波器，對輸入到調(diào)制器的基帶信號進(jìn)行預(yù)處理，這就形成了高斯濾波最小頻移鍵控。 GMSK信號具有。2.2.3相位調(diào)制(PM)1) 相移鍵控(PSK) PSK調(diào)制方式的主要優(yōu)點(diǎn)是具有良好的抗噪聲性能。PSK有兩種不同的形式:相干相移鍵控(PSK)、差分相移鍵控(DPSK)。相干相移鍵控信號必須用相干解調(diào)，差分相移鍵控可以用相干解調(diào)，也可以用差分相干解調(diào)。多相相移鍵控(M-PSK)也開展得較快，其中，四相相移鍵控(4PSK或QPSK)和八相相移鍵控(SPSK)是最常見的多相相移鍵控。多于八相的

33、相移鍵控，因為抗干擾性能差，并不可取。 2) 偏置鍵控一四相相移鍵控(OK-QPSK) OK-QPSK是4PSK的改良型，也叫做交錯四相相移鍵控(S-4PSK)。其優(yōu)點(diǎn)是可以限制信號在碼元轉(zhuǎn)換時刻的相位突變量，不會超過，從而能減小信號經(jīng)過帶限系統(tǒng)所引起的包絡(luò)起伏。3) 偏轉(zhuǎn)四相相移鍵控(-QPSK) -QPSK也是一種能限制信號相位突變量(不超過)的調(diào)制方式。-QPSK的優(yōu)點(diǎn)是其信號可以進(jìn)行有效的非相干檢測，這對于在移動環(huán)境中難以提取相干載波的條件下實(shí)現(xiàn)信號檢測，是有實(shí)用意義的。-QPSK近年來得到了人們的重視，己被選做數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的調(diào)制方式。 以上對數(shù)字信號的調(diào)制進(jìn)行了簡單介紹。其中MS

34、K具有較多的優(yōu)點(diǎn)，如MSK在比特轉(zhuǎn)換時不存在相位的急劇變化；MSK在為滿足帶寬要求而頻帶受限時，信號的包絡(luò)不會出現(xiàn)有過零的現(xiàn)象，包絡(luò)能保持其恒定性;MSK的解調(diào)和同步電路也很簡單，所以在設(shè)計中無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中采用了MSK調(diào)制方式，滿足無線通信的要求。 數(shù)據(jù)的串行通信 串行通信67同并行通信相比，雖然速度低，因其較遠(yuǎn)的傳輸距離而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸中。本文中無線控制子系統(tǒng)的調(diào)度機(jī)就是通過串行通信來完成與上位機(jī)交互的，下面就數(shù)據(jù)串行通信的幾個主要方面進(jìn)行介紹。 通信協(xié)議是為了保證通信的正確，通信雙方都必須遵守的一種約定。在通信中通信協(xié)議至觀重要。通過協(xié)議的約定，對數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送

35、速度、傳送步驟、糾錯方式以及控制字符定義等作出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_執(zhí)行。通信協(xié)議也叫做通信控制規(guī)程，它屬于ISO/OSI七層參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層。目前，采用的串行通信協(xié)議有兩類:異步通信和同步通信協(xié)議。1) 異步串行通信協(xié)議 異步串行通信時，每個字符作為一個獨(dú)立的信息，可以隨機(jī)地出現(xiàn)在數(shù)據(jù)流中，即每個字符出現(xiàn)在數(shù)據(jù)流中的相對時間是任意的。然而，一個字符一旦開始出現(xiàn)以后，字符中各位那么是以預(yù)先固定的時鐘傳輸。因此，異步通信方式的“異步主要表達(dá)在字符與字符之間，至于同一字符內(nèi)部的位與位之間卻是同步的。為了確保異步通信的正確性必須找到一個方法，使收發(fā)雙方在隨機(jī)傳送的

36、字符與字符之間實(shí)現(xiàn)同步。這種方法就是在字符格式中設(shè)置起始位與停止位。接收器檢測到起始位就知道字符到達(dá)，接收器檢測到停止位就知道字符己結(jié)束。由于這種通信協(xié)議是靠起始位和停止位來進(jìn)行字符同步的，所以有時也稱之為起止式協(xié)議。所以，一個字符單位除了表示字符信息的數(shù)據(jù)位外，還有假設(shè)干附加位，如2.3圖所示。 圖2.3 異步通信字符傳輸格式2) 同步串行通信 由于異步通信每傳送一個字符都加起、止信號等附加位，使其傳輸效率比擬低，因此異步通信一般用在數(shù)據(jù)速率較慢的場合。在高速傳送時，一般應(yīng)采取同步協(xié)議。目前國際上比擬通用的鏈路級同步通信規(guī)程有面向字符型(Character-Oriented)和面向比特型(

37、Bit-Oriented)兩大類。 面向字符的同步協(xié)議這種協(xié)定的特點(diǎn)是一次傳送由假設(shè)干個字符組成的數(shù)據(jù)塊，而不是只傳送一個字符，并規(guī)定了10個特殊字符作為這個數(shù)據(jù)塊的開頭與結(jié)束標(biāo)志以及整個傳輸過程的控制信息，它們也叫通信控制字。由于被傳送的數(shù)據(jù)塊是由一序列字符組成的，故被稱作面向字符的協(xié)議。協(xié)議的一幀數(shù)據(jù)格式，如圖2.4所示。數(shù)據(jù)幀由幾個控制字開始緊跟著數(shù)據(jù)位數(shù)相同的各字符(l n),最后以校驗字段結(jié)束。 圖2.4 BSC的幀數(shù)據(jù)格式 在面向字符同步協(xié)議的幀格式中規(guī)定的10個通信字符的定義如圖2.5。 圖2.5 BSC規(guī)程的傳輸控制字符集 面向字符的同步通信有別于異步通信的特點(diǎn)是，它允許連續(xù)發(fā)

38、送一序列字符，而每個字符的數(shù)據(jù)位數(shù)都相同，且沒有起始位和停止位。通常，一個數(shù)據(jù)幀內(nèi)包含成百甚至上千個字符，而附加的控制信息僅幾個字符。這樣，附加信息只占約1%。然而在異步傳輸中，一個字符幀內(nèi)附加位約占20。因此，面向字符的同步傳輸效率要比異步傳輸高得多。由于在面向字符的同步通信協(xié)議中采用了一些傳輸控制字，從而增強(qiáng)了通信控制能力和校驗?zāi)芰?，但也出現(xiàn)了一些問題，例如如何區(qū)別數(shù)據(jù)字符代碼和特定字符代碼的問題，如果在數(shù)據(jù)塊出現(xiàn)與特定的通信控制字符代碼完全相同的數(shù)據(jù)字符，這就會發(fā)生誤解。因此，通信協(xié)議應(yīng)具有將特定字符作為普通數(shù)據(jù)處理的能力，這種能力叫做“數(shù)據(jù)透明。為此，協(xié)議中設(shè)置了轉(zhuǎn)義定符DLE (Da

39、ta Link Escape)。當(dāng)把一個字符看成是數(shù)據(jù)時，就要在它前面加一個DLE，每當(dāng)接收器收到一個DLE，就可預(yù)知下一個字符是數(shù)據(jù)字符。但是，由于DIE本身也是特定字符，當(dāng)它出現(xiàn)在數(shù)據(jù)塊時，也要在它前面加上另一個DLE。這種方法稱為字符填充，而字符的填充與字符的編碼有關(guān)，故實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)麻煩。為了克服以上的缺點(diǎn)，提出了面向比特的同步協(xié)議。 面向比特的同步協(xié)議 面向比特的同步傳輸又稱作二進(jìn)制同步傳輸。在面向比特的同步協(xié)議中，最有代表性的同步協(xié)議有如下三種: a. 同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程SDLC (Synchronous Data Link Control) b. 局級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC(H

40、igh Level Data Link Control) c. 先進(jìn)數(shù)據(jù)通信規(guī)程ADCCP( Advanced Data Communication Control Procedure )這些協(xié)議的特點(diǎn)是所傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)可以是任意位，而且它是靠約定的位組合模式而不是靠特定字符來標(biāo)志幀的開始和結(jié)束。這些協(xié)議的一幀格式如圖2.6所示，該傳輸格式中不是以字符而是以二進(jìn)制位為最小傳輸單位，故稱為“面向比特的協(xié)議。 圖2.6 HDLC/SDLC幀信息格式HDLC /SDLC的標(biāo)志字符 HDLC/ SDLC協(xié)議規(guī)定，所有信息傳輸必須以一個標(biāo)志符開始，且以同一個標(biāo)志符結(jié)束。這個標(biāo)志字符是01111110，稱

41、為標(biāo)志位(Flag)。從開始標(biāo)志到結(jié)束標(biāo)志之間局部構(gòu)成一個完整的信息單位，稱為一幀(Frame)。所有的信息是以幀的形式傳輸?shù)?，而?biāo)志字符提供了每一幀的邊界。接收端可以通過搜索01111110來確定幀的開頭和結(jié)束，以此建立幀同步。 (2)地址字段和控制字段 在標(biāo)志位之后，可以有一個地址字段A(Address)和一個控制字段C(Control)。地址字段用來規(guī)定與之通信的次站的地址?？刂谱侄慰梢?guī)定假設(shè)干個命令。HDLC允許A字段可為任意長度，C字段可為8位或16位。(3)信息字段(數(shù)據(jù)字段) 信息、字段包含有要傳送的數(shù)據(jù)，并不是每一幀都必須有信息、字段。即信息字段可以為0，這一種幀通常是控制幀。

42、(4)幀校驗字段 在信息場之后的是兩字節(jié)的幀校驗字段，幀校驗字段稱為FC(Frame Check)或稱為幀校驗序列FCS(Frame Check Sequence)。HDLC/SD LC均采用16位循環(huán)冗余校驗碼CRC，其生成多項式為CCITT多項式。除了標(biāo)志位和自動插入的“0位外，所有的信息都參加CRC計算。本設(shè)計的數(shù)據(jù)通信協(xié)議就是采用了HDLC規(guī)程，來保證數(shù)據(jù)的可靠、有序的傳輸。下面我們介紹串行通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RS-232.2.3.2 RS-232C標(biāo)準(zhǔn) RS-232C8標(biāo)準(zhǔn)最初是為遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE而制定的，其適用于數(shù)據(jù)傳輸率為0-20KB/S范圍內(nèi)的通信。

43、但目前己廣泛地應(yīng)用于計算機(jī)與終端或外設(shè)之間的近端連接。這個標(biāo)難對串行通信接口的物理特性:信號功能、電氣特性和機(jī)械特性都作了較明確的規(guī)定。 RS-232C為了提高抗干擾能力和增加傳送距離，選擇-15V 3V和+3V+15V這個范圍而不采用TTL邏輯。由于傳號和空號狀態(tài)用反邏輯電平來表示，其間最少有6V的電壓差，所以極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。RS-232C異步串行通信的最大傳輸速率和最大傳輸線長度是相互制約的兩項性能指標(biāo)。即可靠的最大傳輸速率隨傳輸距離的增加而減小?？煽康淖畲髠鬏旈L度也隨傳輸速率的增加而減小。當(dāng)傳輸距離很短時，最大化輸速率可以很高;同樣當(dāng)傳輸速率很低時，最大傳輸距離可以很長。用

44、戶可以根據(jù)實(shí)際需要選擇適宜的最大傳輸速率和最大傳輸線長度。對于短距離通信可通過RS-232接口直接通信。RS-232一般有兩種接線方法:反響與交又相結(jié)合的連接法;一種是簡單的三線連接法，如圖2.7。 a b 圖2.7反響與交叉結(jié)合的連接法a與三線連接法b 在一般的雙機(jī)短距離通信中，只需用到3根最根本的信號線:發(fā)送數(shù)據(jù)線、接收數(shù)據(jù)線和信號地線。本設(shè)計就是采用的三線制連接的.。 串行通信除了RS232標(biāo)準(zhǔn)外，還有高抗干擾性能的RS422和RS485標(biāo)準(zhǔn)。它們通過平衡方式傳輸數(shù)據(jù)，大大的增強(qiáng)了抗共模干擾的能力，因此數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率和距離都有明顯提高。故在現(xiàn)場干擾較強(qiáng)或傳輸距離較遠(yuǎn)時，應(yīng)改用RS-422或

45、RS-485。 本設(shè)計的遠(yuǎn)程維護(hù)子系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)參數(shù)，在遠(yuǎn)端再現(xiàn)控制現(xiàn)場，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程維護(hù)的功能。這里先介紹TCP/IP910網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型，然后就數(shù)據(jù)傳輸中的平安性問題，對網(wǎng)絡(luò)平安和數(shù)據(jù)加密進(jìn)行一些討論。 2.4.1 TCP/ I P參考模型 OSI協(xié)議模型定義了一個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)劃分了各層的功能，為網(wǎng)絡(luò)開展奠定了根底，而TCP/IP協(xié)議做為事實(shí)上的通信標(biāo)準(zhǔn)己廣泛應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)中。 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是分不同層次進(jìn)行開發(fā)的，每一層分別負(fù)責(zé)不同的通信功能，是一個協(xié)議蔟，TCP/IP協(xié)議通常被認(rèn)為是一個四層協(xié)議系統(tǒng)，如圖2.8所示。 圖2.8 TCP/IP協(xié)議層次結(jié)構(gòu)1) 鏈路層 在TC

46、P/IP協(xié)議族中，鏈路層主要完成三個目的:為IP模塊發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報;為ARP模塊發(fā)送ARP請求和接收ARP應(yīng)答:為RARP發(fā)送請求和接收RA RP應(yīng)答。TCP/IP協(xié)議支持多種不同的鏈路層協(xié)議。2) 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層也稱互連網(wǎng)層，處理分組在網(wǎng)絡(luò)的活動，如分組的選路。在TCP/IP協(xié)議族中，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議包括IP協(xié)議，ICMP協(xié)議，以及IGMP協(xié)議。IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議，同時被TCP和UDP使用。TCP和UDP的分組數(shù)據(jù)同IP路由選擇在互連網(wǎng)中傳輸。ICMP是IP協(xié)議的附屬協(xié)議，IP層用它來與其它主機(jī)和路由器交換報文和其他重要信息，IGMP是Internet組管理協(xié)議，用來把UDP數(shù)據(jù)報多

47、播到多個主機(jī)。3) 傳輸層 傳輸層主要為兩臺主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。在TCP/IP協(xié)議族中，有兩個互不相同的傳輸協(xié)議:TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)。TCP為兩臺主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。它所做的工作包括把應(yīng)用程序交給它的數(shù)據(jù)，分成適宜的小塊交給下面的網(wǎng)絡(luò)層，確認(rèn)接收到的分組，設(shè)置發(fā)送最后確認(rèn)分組的超時時鐘等。由于傳輸層提供了高可靠性的端到端的通信，因此應(yīng)用層可以忽略所有這些細(xì)節(jié)。而另一方面，UDP那么為應(yīng)用層提供一種非常簡單的效勞。它只是把稱作數(shù)據(jù)報的分組從一臺主機(jī)發(fā)送到另一臺主機(jī)，但并不保證該數(shù)據(jù)報能到達(dá)另一端。任何必需的可靠性必須由應(yīng)用層來提供。這兩種運(yùn)輸層

48、協(xié)議分別在不同的應(yīng)用程序中有不同的用途。4) 應(yīng)用層 應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)，提供下而這些通用的應(yīng)用程序:Telnet遠(yuǎn)程登錄、PTP文件傳輸協(xié)議、SMTP簡單郵件傳送協(xié)議、SNMP簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。TCP/IP協(xié)議定義了詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)連接過程和控制方式，這里不做詳細(xì)論述。 在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)的平安性十分重要。以下先討論網(wǎng)絡(luò)平安模型。 1) 網(wǎng)絡(luò)平安模型如圖2.9。 一個消息跨越互連網(wǎng)從一方傳送到另一方，收發(fā)雙方是該事務(wù)的責(zé)任人，他們必須就所發(fā)生的交換進(jìn)行協(xié)調(diào)。通過互連網(wǎng)確定從源到目的地的路由以及通過兩個責(zé)任收發(fā)者的通信協(xié)議，即可以創(chuàng)立一條邏輯信息信道。當(dāng)希望保護(hù)信息傳輸時，就可通

49、過平安性變換來提供保護(hù)。提供平安性的技術(shù)可分為兩個局部：a 將被發(fā)送的信息進(jìn)行平安性相關(guān)的變換，包括消息的加密，通過加密攪亂了該消息，對手不可讀:增加基于該消息內(nèi)容的代碼，使之能夠用于證實(shí)發(fā)送者的身份。b. 由兩個責(zé)任者共享的某些秘密信息，但希望不為對手所知。如加密密鑰，該密鑰是連接在傳輸前攪亂消息的變換和接收之后使之恢復(fù)原狀的變換的紐帶。 這個模型說明，在設(shè)計特殊平安性效勞時應(yīng)完成四個根本任務(wù)：第一是設(shè)計一個算法來執(zhí)行平安性相關(guān)的轉(zhuǎn)換，該算法應(yīng)當(dāng)使對手不能破壞該算法的目的；第二是生成用于該算法的秘密信息；第三是研制秘密信息的分布和共享方法；第四是指定由兩個責(zé)任者使用的協(xié)議，該協(xié)議利用平安算法

50、和秘密信息以取得一種特殊的平安效勞。數(shù)據(jù)加密模型 圖2.10顯示了常規(guī)加密過程，明文被轉(zhuǎn)換為外表上看來是無規(guī)那么和無意義的密文。加密過程由算法和密鑰組成，密鑰是獨(dú)立于明文的值。算法根據(jù)當(dāng)時所使用的特定密鑰產(chǎn)生不同的輸出，改變密鑰就改變了算法的輸出。一旦產(chǎn)生了密文，該密文就能夠被用于傳輸。在接收方，通過使用解密算法和用于加密的相同密鑰，該密文能夠被轉(zhuǎn)換回最初的明文。 常規(guī)加密的平安性取決于加密算法必須足夠強(qiáng)大，使得僅根據(jù)密文就能破譯出消息是不切實(shí)際的.除此以外，常規(guī)加密的平安性取決于密鑰的平安性，而不是算法的平安性。這就是說，基于密文加上加密/解密算法的知識能破譯出消息的做法是不現(xiàn)實(shí)的。因此不必

51、為算法保密，僅需對密鑰保密。數(shù)據(jù)傳輸中需要通過過失控制來降低數(shù)據(jù)的誤碼率，提高通信的質(zhì)量。下面介紹過失控制。2. 5. 1常用檢錯糾錯碼 數(shù)據(jù)傳輸通過檢錯、糾錯碼來提高通信質(zhì)量是一個重要的通信手段。檢錯和糾錯碼又根據(jù)不同的應(yīng)用要求，分為很多的類型。下面只介紹和本文相關(guān)的線性分組碼和循環(huán)碼。1) 線性分組碼 要使碼組具有一定的檢錯或糾錯能力，必須在它們中加進(jìn)一定的多余碼元。從信源送出的信息元，先按組進(jìn)行劃分，然后對各信息組按一定規(guī)那么參加多余碼元，那么這種按組進(jìn)行編碼的方法稱為分組編碼。 一個(n，k)分組碼，表示碼組長為n，其中有位信息元，n-k個校驗元。長為n的所有二進(jìn)制組(或稱n重)共有個

52、。而分組編碼其實(shí)就是以一定的規(guī)那么從個n重中挑選出個n重，使個信息組與個n重之間建立一一對應(yīng)關(guān)系，這個n重組成了一個(n，k)分組碼。我們通常稱這個n重為許用碼組，簡稱碼組、碼矢或碼字，而其余的-個n重為禁用碼組。一般而言，如果任一個(n，k)分組碼，信息元和校驗元之間的關(guān)系為線性，那么叫線性分組碼。2) 循環(huán)碼 循環(huán)碼是線性碼，由于它易于用現(xiàn)代代數(shù)進(jìn)行分析和構(gòu)造，特別是由于它的編譯碼器易于制作，因此循環(huán)碼在實(shí)際上用得非常廣泛。一個(n，k)循環(huán)碼是碼長為n，有k個信息元的線性碼。它具有如下特點(diǎn):任一碼組的每一次循環(huán)移位(左移或右移)得到的是碼中的另一碼組。即假設(shè)是(n，k)碼的碼字，那么也是

53、n，k)碼的碼字。具有這種循環(huán)移位不變性的線性分組碼稱為循環(huán)碼。 為了便于用代數(shù)來研究循環(huán)碼，我們把長為n的碼組與n-1次多項式建立如下對應(yīng)關(guān)系。假設(shè)碼組，相應(yīng)的多項式表示為: 式2-22那么稱C(x)為碼多項式。循環(huán)碼是線性碼，因此必有k個線性無關(guān)的碼字作基底，能把個碼字生成出來。下面討論如何找循環(huán)碼的基底。假設(shè)從(n, k)循環(huán)碼的個碼字中，調(diào)出一個前面k-1位都是0的n-k次碼多項式： 式2-23那么、都是碼字，且這k個碼字線性無關(guān)，因而可以用這k個碼字作為循環(huán)碼的基底，并以該基底作為矩陣G的行。由于G矩陣一旦確定，碼也就確定，編碼問題也就解決了。因此G矩陣稱為碼的生成矩陣，算子g(x)

54、稱為碼的生成多項式。生成矩陣G的多項式可表示為： 式2-24 對k個信息碼元組進(jìn)行編碼，就是把它與G矩陣相乘。設(shè)(n, k)碼中的k個信息、元為，那么碼多項式 式2-25根據(jù)的不同取值，由上式可得到(n, k)循環(huán)碼的所有個碼字。由式可知，用信息多項式。乘以g(x)就得到一個碼多項式，但是用這種相乘方法得到的碼，不是系統(tǒng)碼形式，也就是信息位和校驗也不容易區(qū)分。為了得到系統(tǒng)循環(huán)的的編碼力法，可作如下運(yùn)算:(1)以乘以信息多項式，那么的次數(shù)小于n。(2)用除，得到余式，它的次數(shù)小于n-k，把此余式的系數(shù)作為校驗元附加在信息組后面，就得到一個能被除盡的碼多項式，即: 式2-26 由此可得到以多項式表

55、示的系統(tǒng)循環(huán)碼的生成矩陣為: 式2-27 式中是除所得的余式。由該式中多項式之系數(shù)就可得到碼的系統(tǒng)形式的生成矩陣G以及H，計算碼字就很容易了。 過失控制1112方式的根本思想有兩類:一類是接收端發(fā)現(xiàn)傳送的數(shù)據(jù)有錯以后，收端譯碼器自動地糾正錯誤;另一類是接收端發(fā)現(xiàn)錯誤以后，通過反響信道傳送一個應(yīng)答信號，要求發(fā)端重傳出現(xiàn)錯誤的信息，從而到達(dá)糾錯的目的。1) 前向糾措(FEC)這種方式是發(fā)端將數(shù)據(jù)信息按一定規(guī)那么附加多余碼元，組成具有糾錯能力的碼。接收端收到碼后，按預(yù)先規(guī)定的規(guī)那么進(jìn)行譯碼，以確定接收碼組中有無錯誤，假設(shè)有錯那么確定其位置并進(jìn)行糾正。利用這種方式的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)如圖2.11所示。 前向

56、糾錯方式的主要優(yōu)點(diǎn)是:不需要反響信道，能用于單向通信，因而也適用于一點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收的同播系統(tǒng);譯碼遲延固定，較適用于實(shí)時傳輸系統(tǒng)。但這種方式的譯碼設(shè)備比擬復(fù)雜，并且所選擇的糾錯碼必須與所用信道的過失統(tǒng)計特性相一致，因此必須事先測定數(shù)據(jù)通信信道的過失統(tǒng)計特性，選擇適宜的碼，否那么最終誤碼率很難到達(dá)要求。如果為了糾正比擬多的錯誤，那么要求附加很多的多余碼元，因而傳輸效率很低。并且當(dāng)數(shù)據(jù)信道中產(chǎn)生的過失超過碼的糾錯能力時，帶有過失的數(shù)據(jù)可能送給用戶。由于上述這些缺點(diǎn)，因此在數(shù)據(jù)傳輸中這種方式用得不多。2) 檢錯重傳(ARQ) 檢錯重傳又稱反響糾錯。發(fā)送端對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分組編碼，參加一定多余碼元使之具

57、有一定的檢錯能力。接收端接收到碼組后，按一定規(guī)那么對其進(jìn)行有無錯誤的判別，并把判決結(jié)果通過反響信道送回到發(fā)送端。發(fā)送端根據(jù)應(yīng)答信號把接收端認(rèn)為有錯的那組數(shù)據(jù)再次傳輸。重發(fā)的碼組經(jīng)接收端檢驗如仍然有錯，那么再次傳送要求發(fā)端重發(fā)的應(yīng)答信號。如此往復(fù)，直至該數(shù)據(jù)碼組經(jīng)接收端檢驗無錯為止。 檢錯重傳系統(tǒng)簡稱ARQ系統(tǒng)，它有三種主要工作方式:發(fā)送等候(SWARQ)、連續(xù)工作方式和混合方式。連續(xù)工作方式又可分為二類:退N或往返重傳N方式(GBNARQ)和選擇性重傳方式(SNARQ).混合發(fā)送方式是混合使用發(fā)送等候和連續(xù)發(fā)送的一種方式。 檢錯重傳方式的主要優(yōu)點(diǎn)是:只需要少量的多余碼元，就能獲得極低的輸出誤碼

58、率，并且所使用的檢錯碼根本上與信道的過失統(tǒng)計特性無關(guān)，對各利，信道的不同過失特性，有一定自適應(yīng)能力，只要設(shè)計得好，都能到達(dá)設(shè)計中所要求的誤碼率，這是該種方式的最大優(yōu)點(diǎn)。此外該方式的檢錯譯碼器和FEC的糾錯譯碼器相比，其本錢和復(fù)雜性均要低得多。本文中就采用ARQ系統(tǒng)。下面對SWARQ請求重傳協(xié)議的性能進(jìn)行一些討論。 SNVARQ方式的工作過程是發(fā)端每發(fā)完一個碼組后，都要等候一段時間以接收應(yīng)答信號，然后再確定下一個發(fā)送碼組是重傳上一個碼組，還是發(fā)送新碼組。因此這種工作方式適應(yīng)于半雙工通信及數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的通信。由于這種過失控制系統(tǒng)的工作方式很簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且誤碼率能做得很低，因而是一種最根本的ARQ

59、方式，并在不少數(shù)傳系統(tǒng)和網(wǎng)通信中得到應(yīng)用。 對于任何一個，衡量其性能有兩個主要標(biāo)準(zhǔn):一是傳送消息的準(zhǔn)確度，通常用誤碼率或誤組率來衡量;另一個標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)傳輸信息數(shù)據(jù)的有效性或通過率幾定義如下: 式2-24 由分析可知，經(jīng)檢錯重傳糾錯后，該系統(tǒng)的錯組率近似為: 式2-25式中為錯組不能被譯碼器檢測到的概率;錯組能被譯碼器檢測到的概率。顯然。就是碼組產(chǎn)生錯誤的概率，即P(n1)，對不同的信道道模型，利用式2-5或2-10可計算出，而由碼的檢錯能力決定。這種方式的有效性近似為： 式2-26式中n和k分別為分組碼的碼長和信息位數(shù)目:為等候時間，它包括環(huán)路時延、雙方的收發(fā)轉(zhuǎn)換時間, (以碼元為單位);s為

60、應(yīng)答信號的碼元數(shù)。該式的物理意義是:假設(shè)錯組串較大，那么可檢測到的錯誤率也大，故重傳次數(shù)增加，減少。所以可以近似看成是重傳概率，1-為不重傳概率。要增加，需減少應(yīng)答信號和環(huán)路時延的影響。3) 混合過失控制方式(HEC) 這種方式是FEC與ARQ方式的結(jié)合。發(fā)端發(fā)送同時具有自動糾錯和檢錯能力的碼組，收端接收到碼組后，檢查過失情況，如果過失在碼的糾錯能力以內(nèi)，那么自動地進(jìn)行糾正。如果信道的干擾很嚴(yán)重，錯誤很多，超過了碼的糾錯能力，但能檢測出來，那么經(jīng)反響信道請求發(fā)端重發(fā)這組數(shù)據(jù)。 HEC方式同時具有FEC與ARQ方式的優(yōu)點(diǎn)，防止了FEC方式所需的復(fù)雜譯碼器及不能適應(yīng)信道過失變化的缺點(diǎn)，還能克服AR