远 动 监 控 技 术 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 第四章 远动监控系统数据传输 与通信网络结构 第一节 概述 第二节 通信信道及数据传输系统 第三节 调制与解调 第四节 计算机网络基础 第五节 数据通信方式 第六节 调度端及RTU的网络结构

远动信息的传递过程

一、信道的分类 通信设备：一般包括信道、调制器/解调器（光端机）。 调制：把信息加到载波上，变成已调信号的过程 解调：把信息从已调信号中恢复出来的过程称为解调 信道：含有各种干扰的通信线路 一、信道的分类 1、按信道的复用方式 频分信道（FDM）：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号区分开。按频带划分信道构成多路复用。 时分信道（TDM）：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。

2、按传输信号的类型 3、按传输媒质不同 4、按信息传送方向与时间关系 模拟信道：传输连续的模拟信号。 数字信道：传输离散的数字信号。 有线：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。 无线：以自由空间为传输媒质。微波、卫星通信等。 4、按信息传送方向与时间关系 单工信道：只能一个方向传送，任何时间不能改变。 半双工信道：可以双向传输，交替进行，不能同时进行。 全双工信道：可同时进行双向传输。

二、数字基带传输和频带传输 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。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，称为数字基带信号。直接利用基带信号进行传输的方式称为基带传输。如数字光纤通信系统。 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频带信号。用频带信号进行数据传输称频带传输。 近距（几米到几百米）：经接口电路（RS-232、RS-422）直接在线路上传输。 较近：加基带传输机（基带MODEM）。 较远：采用频带传输，即加调制解调器。

单极性不归零码 双极性不归零码 单极性归零码 双极性归零码 差分码

基带数传机原理框图

三、干扰电平和允许电平 1.相对电平 用电平表示信号在传输过程中信号幅度变化情况。 选择电路上某点的功率P0（U0、I0）为基准，把电路上各点功率高于或低于基准点的倍数以dB（分贝）表示，称该点的相对功率（电压、电流）电平。

2.绝对电平 相对功率电平 相对电压电平 相对电流电平 在600Ω电阻上，消耗1mW功率为绝对功率电平的基准： 绝对功率电平 绝对电压电平 常用dBr表相对电平，用dBm表示绝对电平。

3.干扰电平和发送接收电平的规定 以铁路通信为例： 干扰电平：音频回路两端用杂音计所测杂音电压： 明线≤2.5mV；电缆≤2.0mV。 发送电平：音频电路最高发送电平不大于0dBm； 载波通道的载波机两线端测得的电平 不大于-13 dBr。 接收电平：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 不同。如对FSK的音频实回线，要求 接收电平大于-25 dBm。

四、接收端设备与信道的连接 频带的选择 阻抗的匹配 电平的匹配

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一、音频线路 1.由音频线路构成的数据传输系统 音频（300~3400Hz）线路：架空明线、对称电缆

2.通信线的传输特性

（1） 首端加上频率为ω的正弦交流电压，稳定后，线路上任意一点X处的电压为： （2） 线路的特性阻抗(波阻抗) 它表征线路本身的特性，与线路长度无关。  

（3）  线路的传播系数、衰耗系数和相移系数 γ：传播系数 β：衰耗系数，单位为dB/km(分贝/公里) α：相移系数，单位为rad/km(弧度/公里)

计算：用复数的运算方法来简化计算过程

（4）前行波和反行波、波速 令： 则： 转换为瞬时值的形式，有：

波速：考察 中相位为一定值 的点 t时刻x点处， 的相位为 ，即 t+Δt 时刻，相位 移动到x+Δx处， 即 从而有 为前行波，波速等于 结论1：电压波衰减地 向收端前进。 同理， 为反行波。 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。

（5）阻抗匹配：接收端负载阻抗等于特性阻抗 在阻抗匹配的情况下，不会出现反射波 反射波电压＝0

二、 载波信道 主要有载波电缆和电力线载波 ——频分复用的模拟信道。 1.载波电缆构成的数据传输系统

2.电力线载波数据传输系统 LC谐振电路，阻断高频信号的通路 将音频信号调制到f1±(0.3~3400)kHz 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

三、光纤信道 光端机：将电信号转换成光信号的变换装置。 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。 光纤：透明度极高的纤维，将光传输到远方的媒介

1.数字式光端机 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：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。 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 光电转换元件：发光元件为激光二极管LD和发光二极管LED。

2. 模拟式光端机 根据光的调制方式，分两类： 直接调制方式：光强度的调制与输入的模拟信号成比例。 预调制方式：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。

四、无线信道 1.无线电信道 优点：适宜于短距离、直接传输 一般，称波长为0.001～1.0m、频率为300MHz~300GHz的无线电波为微波。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Hz。 优点：适宜于短距离、直接传输

2.微波中继信道（含卫星通信） 优点：微波频段频带很宽，可容纳许多无线电频道且不相互干扰。

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一、调制与解调 1. 定义 调制：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，使其适宜于在信道 中传输的过程。 载波：被调制的正弦波信号 已调信号：调制后得到的信号 解调：从已调信号中将原信号复原的过程。

2.调制的目的 3.频带调制和数字基带调制 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。 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。 3.频带调制和数字基带调制 连续波调制如FSK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：频带调制 脉冲调制如PCM等，调制后的信号仍是数字基带信号，因此称为：数字基带调制，简称基带调制

二、数字调制方式 数字调制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。 选用正弦波为载波信号 用数字基带信号分别控制幅值，角频率和相位等参数 键控调幅ASK：幅度随信号变化。 键控调频FSK：频率随信号变化。 键控调相PSK：相位随信号变化。

数字信号 键控调幅 键控调频 绝对调相 用前后相邻两个波形的相位变化值△ф代表 相对调相

三、幅移键控（ASK） 性质：最简单的线性调制。 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对关系总是保持不变。 ASK调制：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“1”的信息，无载波时发送“0”。该方式看作是调制信号s(t)与载波相乘。

S(t)是重复周期为T、脉宽为τ的方波，傅立叶级数表示： 线性调制器 S(t)是重复周期为T、脉宽为τ的方波，傅立叶级数表示：

已调信号及其傅立叶级数为：（令A=A0=1）

载频项：与S(t)无关 和频项：所有成分频率都大于载频部分 差频项：所有成分频率小于载频部分

已调信号的带宽是调制信号带宽的两倍。 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制信号的频率分量在频率轴上搬移一个ω0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。

调幅信号的解调：包络检波、相干解调。 相干解调: 利用相干载波与所接收到的调制信号相乘，可以产生一个含有调制信号和其它成分的组合信号，再用一截止频率等于载波频率的低通滤波器将信号分离出来。

四、频移键控（FSK） 数字调频： 利用载波振荡的频率变化来传递数字信息。

1．数字调频信号的产生 频率转换法：用数字信号控制两个独立的振荡器组成调频器。

直接调频法：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。 数字信号=1，D1、D2截止，震荡频率由C3、L确定 数字信号=0，D1、D2导通，C2并入谐振回路

除去信号中的寄生调幅，得到幅度恒定的调幅波 2. 数字调频信号的解调 （1）鉴频法：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带信号，还原数字信号。 除去信号中的寄生调幅，得到幅度恒定的调幅波 将调频信号的频率变化转变为幅度变化 限制带外噪声 减少误码率

简单的鉴频器——LC并联回路

（2）零交点法： 计算交变信号在经过零点的次数来解调数字调频信号的一种方法。 原理：与每秒内的振荡次数就是频率一样，可用单位时间内信号经过零点的次数来衡量频率的高低。

五、相移键控（PSK） 1. 调相信号的产生 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

输入数码 T1 T2 载波方向 USC xi=0 导通 截止 T1，B，0 相位相同 xi=1 截止 导通 T2，A，0 相位相反

连成计数方式的触发器，来一个脉冲翻一次,输出是差动码 相对调相信号的产生：将数字系列 ,转换为差动码系列 对 进行绝对调相就得到对 的相对调相。 周期=码元宽度 连成计数方式的触发器，来一个脉冲翻一次,输出是差动码

2. 调相信号的解调 （1）提载：整流、滤波、分频 接收的调相波 平方器 二倍 载频 2f滤波器 经2f滤波 后的波形 分频器 分频后提取的载波

（2） 解调电路 绝对调相波的解调原理：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。 已提取的载波： 收到的调相波： 相关系数： 接受数据为0时： ρ> 0 接受数据为1时： ρ< 0

乘法电路：实现 积分器： 实现 定时器： 实现同步定时及取样（0-T） 判决器： 判断ρ的值

相对调相波的解调原理： 1.利用绝对调相波的解调电路得到差动码 2.由差动码求数据序列： C1C2寄存 yi ，yi-1；与门、或非门实现异或运算。