信息传输基础

第3章电力系统远动技术3.1信息传输基础点与点之间建立的通信系统是通信的最基本形式，其模型如下图所示。通信系统模型3.1.1模拟通信和数字通信1、定义：模拟通信一般指的是信源发出的、信宿接收的和信道传输的等都是模拟信号的通信过程或方式。数字通信一般是指以数字信号的形式传输信号的系统。2、数字通信具有的特点：抗干扰能力强。便于进行信号加工与处理。传输中出现的差错(误码)可以设法控制，提高了传输质量。数字信息易于加密且保密性强。能够传输语音、电视和数据等多种信息，增加了通信系统的灵活性和通用性。3.1.2数字通信传输方式传输方式：并行传输，串行传输并行传输串行传输当然，根据不同的分类方法，还有其他传输类型：按通信对象数量的不同，可分为：点到点通信、点到多点通信和多点到多点通信。按信号传输的方向和传输时间的不同，可分为：单工方式、半双工方式和双工方式。按通信终端的连接方式，可分为：直通方式和交换方式（需交换机）。按同步方式的不同，可分为：同步通信和异步通信。3.1.3信息传输速率与码误率1.信息传输速率数字信号由码元组成，定义单位时间传输的码元数为码元速率Rs，单位为码元／s，又称波特(baud)，简记为Bd，所以码元速率也称波特率。定义单位时间传输的信息量为信息速率Rb，单位为bit/s（比特／秒)，所以信息速率又称比特率。码元可以是二进制的，也可以是多进制的，进制不同的码元携带的信息量不同。一个二进制码元的信息量为1bit，一个M进制码元的信息量为bit，所以码元速率Rs和信息速率Rb之间的关系为如每秒钟传送2400个码元，则码元速率为2400baud采用二进制时，信息速率为2400bit/s；若采用四进制时，信息速率为4800bit/s。或2.误码率误码率越小，通信质量越高。数字信号在信道传输过程中，有可能发生错误，即发生误码。误码的多少用误码率来衡量，一般用来表示：3.1.4异步传输和同步传输1.异步通信异步通信数据传输格式优点：异步传输方式实质上仅是一个字符的较短时间内保持着收、发时序的同步，而在空闲时间内则可以是异步的。这样对两端时钟的精度和稳定性要求较宽。缺点：传输时每个字符都加了起始位和终止位，使有效信息位降低了，因此通信效率也降低了。2.同步通信接收端的时钟严格保持与发送端一致，同步通信时一个数据帧中包含有如下几个部分：同步字、控制字、数据字。同步通信数据传输格式同步字为一帧开始的标志，是一种很特别的码元组合，通常选择在数据码中极少出现的码型。同步字后面是控制字，对本帧长度、发送地址、目的地址、信息类别等加以说明。接着是数据字。3.2电力系统远动通信系统简介3.2.1数字信号传输系统基本结构信源：电网中的各种信息源，如电压、电流、功率、频率、开关信号等。信源编码：把各种信源转换成易于传输的数字信号。信道编码：是为了保护所传输的信息，增加保护码元。调制器：将输入的数字基带信号经过载波调制，变换为适合信道传输的频带信号的器件。信道：传输信号的通道。根据传输介质的不同，可分为有线信道和无线信道。解调器：它是调制器的逆过程，用以恢复基带信号。信道解码：它是编码器的逆过程，除去保护码元，获得发送侧的二进制数字序列。信源解码：它是将数字信号恢复到模拟信号的过程。信宿：信息的接收者，如显示器，模拟屏等。3.2.2数字信号的调制与解调1、数字信号的调制数字调制过程：用数字基带信号控制载波（正弦波）的某一参量—幅度、频率或相位，使载波的幅度、频率或相位随数字基带信号的变化而变化。调制：将输入的数字基带信号经过载波调制，变换为适合信道传输的频带信号。下面讲一下数字信号的三种调制方式。用数字基带信号控制载波的幅度，称为振幅调制或振幅键控(ASK)。用数字基带信号控制载波的频率，称为频率调制或频率键控(FSK)。用数字基带信号控制载波的相位，称为相位调制或相位键控(PSK)。2、数字信号的解调振幅键控非相干解调原理框图振幅键控非相干解调过程各点波形图（1）频率键控非相干解调原理框图频率键控非相干解调过程各点波形图（2）（3）相位键控相干解调过程各点波形图相位键控相干解调原理框图为了解决信号解调过程的反向工作问题，可采用相对移相键控(DPSK)方式。二进制数字信息：1101001110其对应的DPSK信号相位为：0π00πππ0π00或π0ππ000π0ππ3.2.3现场总线通信方式现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制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、数字化、多点通信的控制网络。现场总线既是一个通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并进一步构成自动比系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控和优化等综合自动化功能。现场总线的现场仪表所采用的双向数字通信方式，较模拟信号通信方式，具有以下优点：由于采用数字传输方式，可以实现高精度的信息处理，提高控制质量；由于实现了多重通信，除了可以传送过程变量、控制变量之外，还传送大量的现场设备管理信息；现场仪表之间可以通信，实现了现场仪表的自律分散控制；由于现场总线仪表具有互操作性，不同厂家的仪表可以自由组合，为用户提供了更广泛的选择余地；实现了测量仪表、电气仪表、分析仪表的综合化；在控制室就可以对现场仪表进行调试、校验、诊断和维护;一根双绞线可连接多台设备,从而减少导线数量，降低配线成本。目前几种有影响的现场总线有：基金会、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等现场总线。不同的现场总线，具有不同的体系结构，分为不同的层次，每个层次具有不同的具体含义。如基金会现场总线定义了三个层次：(1)物理层定义信号如何发送，其从上层接收编码信息并在现场总线传输媒体上将其转换成物理信号，亦可以进行相反的过程。(2)通信层定义设备间网络如何被共享和调度，它控制信息通过物理层传输到现场总线，同时通过链接活动调度器(用来规定确定信息的传输和批准设备间数据的交换)连接到现场总线。并且此层负责对用户层命令进行编码和解码。(3)用户层它定义了一个利用资源模块、转换模块、系统管理和设备描述等技术的功能模块应用过程。其中如资源模块定义了整个应用过程(如制造标识,设备类型等)的参数；功能模块浓缩了控制功能(如PID控制器，模拟输入等)；转换模块表示温度、压力、流量等传感器的接口。局域网(LocalAreaNetworks，LAN)是把多台小型、微型计算机以及外围设备用通信线路互连起来，并按一定的网络通信协议实现通信的系统。3.2.4局域网信息传输相对于广域网，LAN的基本特征有下列三方面：（1）覆盖的地理范围可以在一幢大楼或一个建筑群里，其距离一般在0.1km～10km之间不等；从技术上来说，LAN现已可延伸到城域网(MAN)的范围。(2)数据传输速率高，如10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s的以太网已得到了广泛应用，正在推出10Gb/s的以太网。（3）误码率很低，大致为10－8～10－10。局域网的典型拓扑结构有星(star)形、环(ring)形、总线(bus)形和树(tree)形等四种:以中央节点为中心，然后均以单独的链路使处理中心与其他工作站相连，这种形式又称集中式网络。1)星型拓扑结构2)环形拓扑结构各个收发器接成环形，信息在连接的环路中传送时，必须穿过接于环路中各个节点的通信控制处理机，只有信息流中的目的地址和某个通信控制处理机在环路中的地址相同时，信息才被接收。在环形网络中，接于环路中的任何模块都可以请求发送信息，其请求一旦被批难后，即可向环路发送信息。3)总线型拓扑结构各个工作站均挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心控制节点。总线大多采用一根同轴电缆、双绞线或扁平电缆，两端用终接器作阻抗匹配，以防信号反射。4)树形拓扑结构是分级的集中控制式网络，结构就像树杈似的，在分布式LAN中较流行。局域网广泛应用的典型传输介质有双绞线、同轴电缆、光缆以及无线、微波和红外线等。电力公司中应用LAN主要从办公自动化(OA)和工厂自动化(FA)两个方面展开。对于在OA中应用LAN,大体分以下三个阶段：(1)第一阶段为起步阶段，供电公司中心所在地开始引入办公自动化，并采用局域网LAN。(2)第二阶段，规模开始扩大，逐步向公司本部以外的调度中心、中等规模的调度管理所扩展，在这些所里也开始设有副主机，终端机也进一步地扩大。(3)第三阶段，网络进一步扩大，包括一些中小规模的调度中心在内，也引进了LAN，终端机普及到供电所和营业所一级。