--远动系统技术基础课件

2024/7/192024/7/19远程控制系统理论及应用远程控制系统理论及应用主讲：张雁鹏主讲：张雁鹏2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2 远动系统技术基础远动系统技术基础 2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.5 远动系统的网络体系结构远动系统的网络体系结构 2.6 通信总线和现场总线通信总线和现场总线 2.7 可靠性与避错、容错技术可靠性与避错、容错技术 2 远动系统技术基础远动系统技术基础 2.8 网络安全和数据安全传输技术网络安全和数据安全传输技术 2.9 GSM-R 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 拓扑（拓扑（Topology）结构）结构 1 选择拓扑结构应该考虑的因素选择拓扑结构应该考虑的因素 23铁路信号远动系统网络结构铁路信号远动系统网络结构 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 控控制制端端设设备备、执执行行端端设设备备、信信道道是是构构成成远远动动系系统统的的三三个个组组成成部部分分。其其中中关关系系到到远远动动系系统统结结构构的的一一个个重重要要因因素素是是远远动动系统信道的网络联系形式，即系统的网络结构。系统信道的网络联系形式，即系统的网络结构。远远动动系系统统的的网网络络结结构构与与对对象象的的数数量量和和分分布布有有关关。在在物物理理上上把把分分布布的的对对象象连连接接起起来来有有若若干干形形式式，这这些些连连接接形形式式就就叫叫做做拓扑结构拓扑结构或或网络结构网络结构。目目前前的的远远动动系系统统中中，无无论论是是控控制制端端还还是是执执行行端端，它它们们所所用用的的设设备备均均是是计计算算机机，因因此此，远远动动系系统统的的网网络络结结构构实实质质上上也也是计算机网络的拓扑结构是计算机网络的拓扑结构。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院网络网络网络网络拓扑结构拓扑结构拓扑结构拓扑结构BBE EC CDDAA星型星型 总线型总线型 环型环型 树型树型 网型网型 2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 2.1.1 网络的拓扑（网络的拓扑（Topology）结构）结构 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院BBE EC CDDAA星型星型2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 2.1.1 网络的拓扑（网络的拓扑（Topology）结构）结构 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 2.1.1 网络的拓扑（网络的拓扑（Topology）结构）结构 123总线型总线型2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院BBE EC CDDAA2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 2.1.1 网络的拓扑（网络的拓扑（Topology）结构）结构 环型环型2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院BBE EC CDDAA2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 2.1.1 网络的拓扑（网络的拓扑（Topology）结构）结构 网型网型2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院4 43 31 15 52 22.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 2.1.1 网络的拓扑（网络的拓扑（Topology）结构）结构 网型网型8 89 96 67 79 92024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1.2 选择拓扑结构应该考虑的因素选择拓扑结构应该考虑的因素 2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 选选择择拓拓扑扑结结构构应应该该考考虑虑的的因因素素可靠性可靠性 灵活性灵活性 响应时间响应时间 吞吐量吞吐量 经济性经济性 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1.3 铁路信号远动系统网络结构铁路信号远动系统网络结构2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 铁铁路路信信号号远远动动系系统统的的主主要要任任务务是是对对系系统统所所辖辖范范围围内内各各个个车车站站的的信信号号、道道岔岔及及进进路路进进行行控控制制，同同时时还还要要记记录录下下各各被被控控制制对对象象的的状状态态及及参参数数的的测测试试结结果果，进进而而为为铁铁路路行行车车指指挥挥自自动动化和运输指挥管理信息系统提供基础信息。化和运输指挥管理信息系统提供基础信息。远远动动系系统统中中对对象象的的分分布布情情况况直直接接决决定定了了信信道道的的敷敷设设路路径径，系系统统的的控控制制、监监督督以以及及测测试试的的功功能能的的详详略略直直接接影影响响了了系系统统结结构的繁简程度。构的繁简程度。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1.3 铁路信号远动系统网络结构铁路信号远动系统网络结构2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 铁路信号远动系统的网络结构主要有以下几种：铁路信号远动系统的网络结构主要有以下几种：点对点式结构点对点式结构 多点星型网络结构多点星型网络结构 交叉连接的星型结构交叉连接的星型结构 多站网络式结构多站网络式结构 复联网络形式的系统结构复联网络形式的系统结构 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1.3 铁路信号远动系统网络结构铁路信号远动系统网络结构2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 点对点式结构点对点式结构 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1.3 铁路信号远动系统网络结构铁路信号远动系统网络结构2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 多点星型网络结构多点星型网络结构2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1.3 铁路信号远动系统网络结构铁路信号远动系统网络结构2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 交叉连接的星型结构交叉连接的星型结构 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1.3 铁路信号远动系统网络结构铁路信号远动系统网络结构2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 多站网络式结构多站网络式结构2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1.3 铁路信号远动系统网络结构铁路信号远动系统网络结构2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 复复联联网网络络形形式式的的系系统统结结构构适适用用于于控控制制对对象象处处于于集集中中分分散散式式分分布布的的远远动动系系统统。常常见见的的有有多多点点双双星星型型网网络络的的系系统统结结构和星型构和星型多站型网络系统结构。多站型网络系统结构。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.1.3 铁路信号远动系统网络结构铁路信号远动系统网络结构2.1 远动系统的网络结构远动系统的网络结构 复联网络形式的系统结构复联网络形式的系统结构 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 远远程程控控制制系系统统与与一一般般的的控控制制系系统统的的区区别别在在于于存存在在信信息息的的远远距距离离传传输输。因因而而它它必必须须解解决决远远距距离离通通信信过过程程中中信信息息的的损耗、干扰以及传输的经济性、可靠性等问题。损耗、干扰以及传输的经济性、可靠性等问题。目目前前，由由于于通通信信技技术术的的成成熟熟，信信息息传传输输通通常常采采用用数数据据传传输输技技术术。借借助助于于通通信信技技术术、计计算算机机技技术术和和自自动动控控制制技技术术等等实实现现对对被被控控对对象象的的远远距距离离控控制制、监监视视和和测测量量及及信信息息处处理理的系统就是远程控制系统，也即远动系统。的系统就是远程控制系统，也即远动系统。因因此此，要要了了解解远远程程控控制制系系统统的的信信息息传传输输问问题题，就就必必须须学学习习有有关关通通信信系系统统的的组组成成及及性性能能指指标标、信信道道及及多多路路复复用用、线线路路的的通通信信制制式式及及控控制制方方式式、同同步步原原理理等等知知识识，下下面面将将分分别予以介绍。别予以介绍。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.1 通信系统的组成及性能指标通信系统的组成及性能指标 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 信信源源信源信源编码编码信道信道信道信道编码编码调调制制解解调调信道信道译码译码信源信源译码译码信信宿宿 信信源源：也也称称信信息息源源,其其作作用用是是把把待待传传输输的的消消息息，如如语语音音、文字、图象、数据等，转换成原始电信号。文字、图象、数据等，转换成原始电信号。信信源源编编码码：一一是是进进行行A/D转转换换和和数数据据压压缩缩，即即把把信信源源送送出出的的信信号号变变换换为为数数字字的的编编码码信信号号；另另一一作作用用是是为为了了提提高高数数字字信信号号的的有有效效性性，解解除除信信号号之之间间的的内内在在联联系系，对对所所传传的的数数字字信信息息进行压缩。进行压缩。信信源源译译码码：信信源源译译码码器器的的作作用用与与信信源源编编码码器器相相反反，它它具具有有解压缩、量化、译码和滤波功能。解压缩、量化、译码和滤波功能。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.1 通信系统的组成及性能指标通信系统的组成及性能指标 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 信信源源信源信源编码编码信道信道信道信道编码编码调调制制解解调调信道信道译码译码信源信源译码译码信信宿宿 信道：指信号在媒质中传输的通路。信道：指信号在媒质中传输的通路。调制器：把信道编码器输出的数字信号变为适合信道传调制器：把信道编码器输出的数字信号变为适合信道传输的信号。输的信号。解调器：解调器的作用与调制器相反，它把接收到的波解调器：解调器的作用与调制器相反，它把接收到的波形转换成数字码序列。形转换成数字码序列。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.1 通信系统的组成及性能指标通信系统的组成及性能指标 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 信信源源信源信源编码编码信道信道信道信道编码编码调调制制解解调调信道信道译码译码信源信源译码译码信信宿宿 信道编码：主要作用是实现抗干扰编码。它把信源编码信道编码：主要作用是实现抗干扰编码。它把信源编码器输出的数字信息按一定的规则加入多余码元，以便在接收器输出的数字信息按一定的规则加入多余码元，以便在接收端发现错误或纠正错误，从而提高传输的可靠性。端发现错误或纠正错误，从而提高传输的可靠性。信道译码：其与信道编码器相反，在译码过程中它可以信道译码：其与信道编码器相反，在译码过程中它可以发现或纠正信号传输过程中产生的差错。发现或纠正信号传输过程中产生的差错。信宿：信息的接收者为信宿。信宿：信息的接收者为信宿。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.1 通信系统的组成及性能指标通信系统的组成及性能指标 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 通通信信系系统统的的性性能能指指标标可靠性可靠性 有效性有效性 适应性适应性 经济性经济性 保密性保密性 维护性维护性 标准性标准性 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.2 信道及多路复用技术信道及多路复用技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 数据传输系统中的信道数据传输系统中的信道 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.2 信道及多路复用技术信道及多路复用技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 在在同同一一个个物物理理信信道道（如如一一个个无无线线电电频频段段、一一对对电电缆缆、一一条条光光纤纤等等）中中利利用用特特殊殊技技术术传传输输多多路路信信号号的的技技术术称称为为多多路路复复用用技技术术。在在数数据据传传输输系系统统中中，当当传传输输距距离离较较远远时时，为为了了节节省省费费用用常常常常采采用用共共用用信信道道的的方方式式，即即多多路路信信号号共共用用一一个个物物理理信信道道进进行行传传输输。为为了了使使各各路路信信号号均均能能在在通通道道中中正正确确可可靠靠地地传传输输，共用信道必须解决各信号间的相互干扰问题。共用信道必须解决各信号间的相互干扰问题。按按多多路路复复用用技技术术，实实现现对对物物理理信信道道的的划划分分目目前前常常用用的的方方法法有有，频频分分多多路路复复用用（FDM）、时时分分多多路路复复用用（TDM）、码码分分多多路路复复用用（CDM）、空空分分多多路路复复用用（SDM）、波波分分多多路路复复用（用（WDM）。）。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.2 信道及多路复用技术信道及多路复用技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 频分多路复用示意图频分多路复用示意图 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.2 信道及多路复用技术信道及多路复用技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 时分多路复用示意图时分多路复用示意图2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.2 信道及多路复用技术信道及多路复用技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 码码分分复复用用常常称称为为码码分分多多址址CDMA(Code Division Multiple Access)，是是另另一一种种共共享享信信道道的的方方法法，每每个个用用户户可可在在同同一一时时间间使使用用同同样样的的频频带带进进行行通通信信，由由于于各各用用户户使使用用经经过过特特殊殊挑挑选选的的不同码型，因此不会造成干扰。不同码型，因此不会造成干扰。在在码码分分复复用用中中，发发送送端端将将发发送送的的信信号号用用互互不不相相干干、互互相相正正交交的的地地址址码码去去调调制制，接接受受端端利利用用码码型型的的正正交交性性，通通过过相相应应的的地地址址码码从从混混合合的的信信号号中中选选出出相相应应的的信信号号，由由于于收收、发发端端的的地址码可以选多种，这样就可以实现多路信号的复用。地址码可以选多种，这样就可以实现多路信号的复用。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.2 信道及多路复用技术信道及多路复用技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 空空分分复复用用（SDM）是是利利用用空空间间位位置置的的不不同同，划划分分出出多多路路信信道道进进行行通通信信的的复复用用方方式式，比比如如一一根根多多芯芯电电缆缆，其其中中每每一一对对芯芯线线都都可可以以作作为为独独立立的的信信道道，它它们们是是靠靠占占据据不不同同的的空空间间而而存存在在的的。卫卫星星可可以以靠靠多多个个覆覆盖盖不不同同区区域域的的天天线线，将将空空间间分分为为多多个信道。个信道。波波分分复复用用（WDM）是是光光通通信信中中的的复复用用技技术术，其其原原理理和和频频分分复复用用相相同同。波波分分多多路路复复用用的的本本质质是是在在一一条条光光纤纤中中用用不不同同颜颜色色的的光光波波来来传传输输信信号号，而而不不同同的的色色光光在在光光纤纤中中传传输输彼彼此此互互不不干扰。干扰。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.2 信道及多路复用技术信道及多路复用技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 FDM、TDM、CDM 的比较的比较2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.3 信息交换技术信息交换技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 对对于于终终端端用用户户数数量量较较多多，分分布布范范围围较较广广的的情情况况，最最好好的的方方法法是是在在用用户户分分布布密密集集中中心心处处安安装装一一个个设设备备，把把每每个个用用户户终终端端设设备备分分别别用用专专用用的的线线路路连连接接到到这这个个设设备备上上，当当任任意意两两个个用用户户之之间间要要进进行行通通信信时时，该该设设备备把把连连接接两两个个用用户户的的开开关关接接点点合合上上，将将这这两两个个用用户户的的通通信信线线路路接接通通，通通信信完完毕毕后后再再切切断断。这这种种能能完完成成任任意意两两个个用用户户之之间间通通信信线线路路连连接接与与断断开开作作用用的的设设备备称称为为交换设备或交换机。交换设备或交换机。交交换换就就是是指指各各通通信信终终端端之之间间为为交交换换信信息息所所采采用用的的一一种种利利用用交交换换设设备备进进行行连连接接的的工工作作方方式式。常常用用的的信信息息交交换换技技术术有有线线路路交换交换、报文交换报文交换、分组交换分组交换、帧中继帧中继、ATM 等。等。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.3 信息交换技术信息交换技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 交换机实物图交换机实物图2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.3 信息交换技术信息交换技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 交换机连接图交换机连接图2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.3 信息交换技术信息交换技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 线路交换线路交换也称也称电路交换电路交换，是在信息的发送端和接受端之，是在信息的发送端和接受端之间直接建立一条临时通路，供通信双方专用，直到通信完毕间直接建立一条临时通路，供通信双方专用，直到通信完毕才能拆除。才能拆除。经由线路交换而实现的通信包括三个阶段经由线路交换而实现的通信包括三个阶段：（1）线路建立阶段线路建立阶段：通过呼叫完成逐个结点的接续过程通过呼叫完成逐个结点的接续过程，建立起一条端到端的直通线路。建立起一条端到端的直通线路。（2）数据传输阶段数据传输阶段：在端到端的直通线路上建立数据链在端到端的直通线路上建立数据链路连接并传输数据。路连接并传输数据。（3）线路拆除阶段线路拆除阶段：数据传输完成后数据传输完成后，拆除线路连接拆除线路连接，释放结点和信道资源。释放结点和信道资源。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.3 信息交换技术信息交换技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 线路交换过程示意图线路交换过程示意图 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.3 信息交换技术信息交换技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 报文交换报文交换的基础思想是的基础思想是“存储存储-转发转发”，信源将欲传输的，信源将欲传输的信息组成一个数据包（包含信息及接收端地址等辅助信息的信息组成一个数据包（包含信息及接收端地址等辅助信息的报文）存储在交换机的存储器中，当所需输出电路空闲时，报文）存储在交换机的存储器中，当所需输出电路空闲时，再将报文发向接收机或用户终端。经过这样多次的存储再将报文发向接收机或用户终端。经过这样多次的存储-转发，转发，直至信宿，完成一次数据传输，这种节点存储直至信宿，完成一次数据传输，这种节点存储-转发数据的方转发数据的方式称为报文交换。式称为报文交换。报文号报文号目的地址目的地址源地址源地址数据数据校验校验报文格式报文格式 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.3 信息交换技术信息交换技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 线路交换线路交换虽然实时性好，但短报文的通信率低，线路利用虽然实时性好，但短报文的通信率低，线路利用率低，不利于不同类型终端的相互通信；率低，不利于不同类型终端的相互通信；报文交换报文交换虽然能解决虽然能解决线路交换的缺点，但又不能满足实时通信，随着计算机的广泛线路交换的缺点，但又不能满足实时通信，随着计算机的广泛应用，要求数据能适应不同速率的交换，接续时间短，实时性应用，要求数据能适应不同速率的交换，接续时间短，实时性好，传输准确性高，且不同类型之间可以相互通信。为此，提好，传输准确性高，且不同类型之间可以相互通信。为此，提出了出了分组交换分组交换的概念。的概念。分组交换分组交换类似于报文交换，为了实现分组传输和信息交换，类似于报文交换，为了实现分组传输和信息交换，需要把报文分成若干个比较短的，规格化了的需要把报文分成若干个比较短的，规格化了的“分组分组”（或称（或称包），每个数据包的长度是固定的，然后再按报文交换的方式包），每个数据包的长度是固定的，然后再按报文交换的方式进行数据传输。进行数据传输。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.3 信息交换技术信息交换技术 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 FTLN数据数据CRCFF：分组开始和结束的字段。：分组开始和结束的字段。T：信息类型的字段，如各种控制类型和数据类型的分组。：信息类型的字段，如各种控制类型和数据类型的分组。L：分组长度的字段。：分组长度的字段。N：填有目的地址、源地址、分组号及其他必须的控制字符或：填有目的地址、源地址、分组号及其他必须的控制字符或 代码。代码。CRC：循环校验码。也可用其他码。：循环校验码。也可用其他码。分组的基本格式分组的基本格式 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.4 通信线路的工作方式（通信制式）通信线路的工作方式（通信制式）2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 数数据据在在信信道道中中传传输输是是按按照照一一定定方方向向进进行行的的，按按其其传传输输方方向向和和处处理理方方式式的的不不同同，可可将将通通信信线线路路的的工工作作方方式式（通通信信制制式式）分分成成3种种：单单工工通通信信制制、半半双双工工通通信信制制和和双双工工通通信信制制，相相应应的的信信道也有单工信道、半双工信道和双工信道。道也有单工信道、半双工信道和双工信道。单单工工通通信信制制是是指指信信道道设设备备及及线线路路中中信信息息只只允允许许单单方方向向流流动动（传输），不能进行反方向传输的通信制式。（传输），不能进行反方向传输的通信制式。单工通信单工通信 发送装置发送装置信道信道接收装置接收装置2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.4 通信线路的工作方式（通信制式）通信线路的工作方式（通信制式）2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 半半双双工工通通信信制制是是指指在在信信道道设设备备和和线线路路中中，信信息息可可以以进进行行双双方方向向传传输输，但但是是在在同同一一时时刻刻，信信息息只只限限于于一一个个方方向向传传输输的的通通信信制制式式。在在半半双双工工通通信信制制中中，记记忆忆转转换换环环节节表表示示在在信信道道设设备备中中必必须有记录线路占用状态的功能，防止出现竞争现象。须有记录线路占用状态的功能，防止出现竞争现象。半双工通信半双工通信 发送装置发送装置信道信道接收装置接收装置接收装置接收装置发送装置发送装置记记忆忆转转换换装装置置记记忆忆转转换换装装置置2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.4 通信线路的工作方式（通信制式）通信线路的工作方式（通信制式）2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 双双工工通通信信制制是是指指在在同同一一组组信信道道设设备备和和线线路路中中能能同同时时进进行行双双方向信息传输的通信制式。方向信息传输的通信制式。半双工通信半双工通信 发送装置发送装置信道信道接收装置接收装置接收装置接收装置发送装置发送装置转转换换装装置置转转换换装装置置2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.5 线路控制方法线路控制方法 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 全微机化的远动系统以数据通信为信息传输基础，相当于全微机化的远动系统以数据通信为信息传输基础，相当于计算机网络的通信子网。因此，研究远动系统的线路控制方法，计算机网络的通信子网。因此，研究远动系统的线路控制方法，必须从计算机网络开始。必须从计算机网络开始。计算机网络按传输技术可分为计算机网络按传输技术可分为点点点网点网和和广播网广播网两大类。两大类。点点点网点网中，一条信道连接两个站点，直接的数据通信只中，一条信道连接两个站点，直接的数据通信只能发生在直连的两个站点间（如星型网络等）。如果是全双工能发生在直连的两个站点间（如星型网络等）。如果是全双工信道，两个站可以同时使用信道向对方发送数据；如果是半双信道，两个站可以同时使用信道向对方发送数据；如果是半双工信道，则经通信双方约定，可保证任何时候只有一个站点在工信道，则经通信双方约定，可保证任何时候只有一个站点在使用信道，不会发生什么混乱。使用信道，不会发生什么混乱。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.5 线路控制方法线路控制方法 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 广播网广播网中，所有站点共享一条信道，任一站点发送的消息中，所有站点共享一条信道，任一站点发送的消息都能被其他站点接收到（如总线型网、环型网等）。在这种情都能被其他站点接收到（如总线型网、环型网等）。在这种情况下，如果有两个或多个站同时发送数据，则信号在信道中就况下，如果有两个或多个站同时发送数据，则信号在信道中就会发生碰撞，导致数据发送失败，这种现象称为会发生碰撞，导致数据发送失败，这种现象称为冲突冲突。冲突会。冲突会引起传输效率下降，甚至使得通信无法进行下去。引起传输效率下降，甚至使得通信无法进行下去。因此在广播网中，需要解决一个很重要的问题，就是如何因此在广播网中，需要解决一个很重要的问题，就是如何将单一信道分配给各用户。线路控制方式就是研究单信道条件将单一信道分配给各用户。线路控制方式就是研究单信道条件下信道的使用权问题。线路控制方式有时也称信道分配策略。下信道的使用权问题。线路控制方式有时也称信道分配策略。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.5 线路控制方法线路控制方法 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 信信道道分分配配策策略略静静态态分分配配 动动态态分分配配频分复用频分复用 同步时分复用同步时分复用 异步时分复用异步时分复用 随随机机访访问问控控制制访访问问轮轮转转预预约约2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.6 同步同步 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 所谓所谓同步同步就是要使收、发双方在时间上步调一致。在数据就是要使收、发双方在时间上步调一致。在数据通信中，通信中，同步同步包括包括位同步位同步（码元同步码元同步）、）、帧同步帧同步（群同步群同步）、）、载波同步载波同步、网同步网同步。位同步位同步主要是保证收、发两端码元宽度的一致性。主要是保证收、发两端码元宽度的一致性。群同步群同步信号用来正确区分远动系统中，数字序列的信号用来正确区分远动系统中，数字序列的“帧帧”和和“字字”的起止位置。的起止位置。常用的帧同步码常用的帧同步码可选用：可选用：全全1码码、全全0码码、1和和0交替码交替码及及巴格码巴格码。巴格码具有尖锐的自相关函数，便于和随机的数字信息区巴格码具有尖锐的自相关函数，便于和随机的数字信息区别，所以常作为帧同步码使用。别，所以常作为帧同步码使用。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.6 数据传输系统与铁路信号远程控制系统数据传输系统与铁路信号远程控制系统 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 数据传输系统数据传输系统 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.6 数据传输系统与铁路信号远程控制系统数据传输系统与铁路信号远程控制系统 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 无线数据采集系统无线数据采集系统 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.6 数据传输系统与铁路信号远程控制系统数据传输系统与铁路信号远程控制系统 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.6 数据传输系统与铁路信号远程控制系统数据传输系统与铁路信号远程控制系统 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 信号远程控制系统中传输的信息有两类：一类为由中心控信号远程控制系统中传输的信息有两类：一类为由中心控制机（控制端）发往远端分机（执行端）的制机（控制端）发往远端分机（执行端）的控制信息控制信息，它具有，它具有较强的随机性，且要求传输的正确率高；另一类是由远端分机较强的随机性，且要求传输的正确率高；另一类是由远端分机发往中心控制机的发往中心控制机的表示信息表示信息，它的实时性要求较高。因为它是，它的实时性要求较高。因为它是远程控制信息能否形成的依据，也是控制信息执行效果的反映。远程控制信息能否形成的依据，也是控制信息执行效果的反映。因此，在多个被控远端分机存在的情况下，要考虑有效的线路因此，在多个被控远端分机存在的情况下，要考虑有效的线路控制方法，即要保证控制信息的随机性，又要考虑表示信息的控制方法，即要保证控制信息的随机性，又要考虑表示信息的实时性。实时性。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.2.6 数据传输系统与铁路信号远程控制系统数据传输系统与铁路信号远程控制系统 2.2 远动系统的信息传输远动系统的信息传输 由由于于铁铁路路信信号号远远程程控控制制系系统统的的控控制制与与表表示示信信息息依依系系统统功功能能的的不不同同要要求求而而具具有有较较多多的的类类型型，因因此此中中心心控控制制机机与与远远端端分分机机的的关关系系比比一一般般数数据据通通信信系系统统复复杂杂。不不仅仅远远端端分分机机的的信信息息发发送送时时机机要要受受控控于于中中心心控控制制机机，而而且且其其发发送送信信息息的的类类型型也也直直接接受受控控于于中中心控制机。心控制机。由由于于信信号号远远程程控控制制系系统统的的控控制制信信息息与与行行车车安安全全密密切切相相关关，因因此此对对于于其其信信息息传传送送的的可可靠靠性性要要求求比比较较高高。由由于于铁铁路路运运输输的的不不间间断断性性，在在系系统统设设计计时时，除除对对中中心心控控制制机机考考虑虑系系统统冗冗余余之之外外，还还特特别别需需要要考考虑虑自自动动切切换换问问题题及及增增加加迂迂回回通通道道和和其其它它备备用用设设备备。铁铁路路信信号号远远程程控控制制系系统统还还需需要要特特殊殊要要求求的的数数据据终终端端设设备备（分分机机）和具有极为专门的技术要求与处理内容的中央处理机。和具有极为专门的技术要求与处理内容的中央处理机。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 远远动动系系统统要要完完成成各各种种数数字字信信号号的的远远距距离离传传输输。为为保保证证各各种种命命令令的的正正确确执执行行和和各各种种表表示示信信息息的的准准确确无无误误，我我们们要要求求数数字字信信息息的的传传输输系系统统都都达达到到无无误误传传输输。但但是是，数数据据在在信信道道中中传传输输不可避免地要受到各种干扰不可避免地要受到各种干扰，从而造成传输差错。，从而造成传输差错。不不论论何何种种干干扰扰引引起起的的错错误误，不不外外乎乎两两种种形形式式：一一是是随随机机错误错误，另一种是，另一种是突发错误。突发错误。随随机机错错误误即即数数据据系系列列中中前前后后码码元元之之间间是是否否发发生生错错误误彼彼此此无关，产生这些错误的信道称之为无记忆信道或随机信道。无关，产生这些错误的信道称之为无记忆信道或随机信道。2.3.1 差错控制差错控制 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 突突发发错错误误即即一一个个错错误误的的出出现现往往往往影影响响后后面面数数据据的的错错误误，错错误误之之间间有有相相关关性性，发发生生这这种种突突发发错错误误的的信信道道称称之之为为记记忆忆信信道或突发信道。道或突发信道。由由于于实实际际信信道道的的复复杂杂性性，所所呈呈现现出出的的错错误误往往往往不不是是单单纯纯的的一一种种，而而是是随随机机和和突突发发错错误误并并存存，只只不不过过有有的的信信道道以以某某种种错误为主罢了。错误为主罢了。为为了了降降低低误误码码率率，可可以以采采用用两两条条途途径径：采采用用新新的的传传输输系系统统和和使使用用差差错错控控制制技技术术。前前者者受受各各方方面面因因素素的的限限制制，不不易易实实现，主要是采用后者来实现。现，主要是采用后者来实现。2.3.1 差错控制差错控制 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 差差错错控控制制的的基基本本思思想想是是通通过过对对信信息息序序列列作作某某种种变变换换（变变换换方方法法不不同同，也也就就构构成成不不同同的的差差错错控控制制码码），使使原原来来彼彼此此独独立立、相相关关性性极极小小的的信信息息码码元元，经经变变换换后后，产产生生某某种种相相关关性性，从从而而在在接接收收端端有有可可能能根根据据这这些些相相关关的的规规律律性性来来检检查查识识别别，进进而纠正信息序列在信道中传输时所造成的差错。而纠正信息序列在信道中传输时所造成的差错。为为实实现现这这种种相相关关性性，在在发发送送端端用用信信道道编编码码器器在在信信息息元元后后面面增增加加一一些些码码元元，叫叫监监督督（或或校校验验）码码元元。信信道道编编码码器器就就是是抗抗干干扰扰编编码码器器。不不同同的的差差错错控控制制编编码码方方法法有有不不同同的的检检错错、纠纠错错能能力力。常常见见的的检检纠纠错错码码有有奇奇偶偶校校验验码码、水水平平一一致致监监督督码码、水平垂直一致监督码水平垂直一致监督码、群计数码群计数码、等比码等比码、线性分组码线性分组码等。等。2.3.1 差错控制差错控制 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 为为了了克克服服通通信信系系统统中中差差错错的的有有害害影影响响，除除了了要要选选择择适适当当的码型外，还必须从整体出发，考虑如何控制这些差错。的码型外，还必须从整体出发，考虑如何控制这些差错。在数据传输系统中，差错控制方式主要有四种：在数据传输系统中，差错控制方式主要有四种：前向纠错前向纠错方式（方式（FEC）检错重发检错重发方式也称方式也称自动回询重传自动回询重传方式（方式（ARQ）混合纠错混合纠错方式（方式（HEC）反馈重发反馈重发方式即方式即信息反馈信息反馈方式（方式（IRQ）2.3.1 差错控制差错控制 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 2.3.1 差错控制差错控制 FECARQ2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 2.3.1 差错控制差错控制 IRQHEC2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 2.3.2 电码结构电码结构 远远动动系系统统实实际际是是数数据据传传输输系系统统与与自自动动控控制制系系统统的的结结合合，其其信信息息的的传传输输是是靠靠电电码码来来完完成成的的。因因此此，远远动动技技术术中中一一个个非非常常重要的内容就是研究电码，也就是重要的内容就是研究电码，也就是电码结构电码结构。所所谓谓电电码码就就是是按按照照一一定定的的规规律律组组织织起起来来，代代表表一一定定含含义义的的一一组组脉脉冲冲信信号号。每每一一个个脉脉冲冲称称为为电电码码单单元元，简简称称电电码码。几几个个码码元元组组成成一一个个码码组组（码码字字），而而电电码码就就由由几几个个码码组组来来构构成成。整整个个电电码码代代表表一一定定的的信信息息内内容容，而而每每个个码码组组分分别别表表达达了了信信息息内容的一部分。内容的一部分。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院电码结构电码结构电码结构电码结构前导码前导码同步码同步码 信息码信息码校正码校正码 2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 2.3.2 电码结构电码结构 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 2.3.2 电码结构电码结构 前导码前导码放在整个电码的前部，它没有任何具体的含义，由放在整个电码的前部，它没有任何具体的含义，由“1”和和“0”信号交替或是全信号交替或是全“1”、全、全“0”等组成。它是等组成。它是为了在接收端建立起位同步信号和克服滤波器建立时间的影为了在接收端建立起位同步信号和克服滤波器建立时间的影响而编成的码组，其码元数目根据位同步和滤波器建立的时响而编成的码组，其码元数目根据位同步和滤波器建立的时间而定间而定。同步码同步码是为了建立群同步而设立的码组，利用它提供准确是为了建立群同步而设立的码组，利用它提供准确的时间标准实现群同步。码组长度和采用的类型可任意选择。的时间标准实现群同步。码组长度和采用的类型可任意选择。信息码信息码是电码的核心部分，直接反映电码所要代表的含义。是电码的核心部分，直接反映电码所要代表的含义。一般它又可分为一般它又可分为地址码地址码、状态码状态码和和信息码信息码三部分。三部分。校正码校正码（差错控制监督码差错控制监督码）根据采用的差错控制方式，决）根据采用的差错控制方式，决定这部分码元的数目。定这部分码元的数目。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 2.3.2 电码结构电码结构 根据编码方式和不同的衡量标准，差错控制编码有多种形根据编码方式和不同的衡量标准，差错控制编码有多种形式和类别，主要有以下几种分类式和类别，主要有以下几种分类：根据根据编码功能编码功能可分为：可分为：检错码检错码（只完成检错功能）、（只完成检错功能）、纠错码纠错码（只完成纠错功能）和（只完成纠错功能）和纠删码纠删码（既可检错也可纠错）。（既可检错也可纠错）。根据根据信息码元和附加的监督码之间的检验关系信息码元和附加的监督码之间的检验关系可以分为可以分为线性线性码码（监督码元是信息码元的线性组合）和（监督码元是信息码元的线性组合）和非线性码非线性码（两者不（两者不存在线性关系）。存在线性关系）。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 2.3.2 电码结构电码结构 按按信息码元和监督码元之间的约束方式信息码元和监督码元之间的约束方式可分为可分为分组码分组码和和卷积卷积码。码。分组码中所有码组的信息码元在编码前后保持原来形式的码分组码中所有码组的信息码元在编码前后保持原来形式的码叫叫系统码系统码，反之是，反之是非系统码非系统码。纠正随机错误码纠正随机错误码和和纠正突发错误码纠正突发错误码。前者纠正信道中出现的。前者纠正信道中出现的随机独立干扰引起的误码，后者主要纠正信道中出现的突发随机独立干扰引起的误码，后者主要纠正信道中出现的突发错误。错误。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.3 差错控制与电码结构差错控制与电码结构 2.3.2 电码结构电码结构 常常用用的的检检错错码码有有奇奇偶偶监监督督码码、行行列列监监督督码码、群群计计数数码码、恒恒比码比码等。常用的等。常用的线性分组码线性分组码主要有主要有汉明码汉明码、循环码循环码。汉明码汉明码是一种高效率的纠单个错误的线性分组码。是一种高效率的纠单个错误的线性分组码。循循环环码码是是一一种种重重要要的的线线性性分分组组码码。这这种种码码的的编编码码和和解解码码设设备备都都不不太太复复杂杂，且且有有较较强强的的检检（纠纠）错错能能力力。循循环环码码具具有有循循环环性性，即即码码中中任任一一码码组组循循环环一一位位以以后后，仍仍为为该该码码中中的的一一个个码码组。组。铁路信号远动系统中铁路信号远动系统中最常用最常用的的检纠错编码检纠错编码为为CRC（循环冗（循环冗余校验）和余校验）和BCH码。这两种码字都是线性分组码，即信息码码。这两种码字都是线性分组码，即信息码元和监督码元之间的关系为线性关系。元和监督码元之间的关系为线性关系。CRC码和码和BCH码是码是线性分组码中的循环码线性分组码中的循环码，是目前研究的最成熟的一类码。，是目前研究的最成熟的一类码。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2.4.1 网络传输介质网络传输介质 双绞线双绞线屏蔽双绞线屏蔽双绞线双绞线水晶头双绞线水晶头2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2.4.1 网络传输介质网络传输介质 光纤光纤2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2.4.1 网络传输介质网络传输介质 光纤光纤2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2.4.1 网络传输介质网络传输介质 同轴电缆同轴电缆同轴电缆连接器同轴电缆连接器2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2.4.2 服务器服务器 服务器服务器2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2.4.3 工作站工作站工作站工作站2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2.4.4 路由器路由器 路由器路由器 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2.4.4 路由器路由器 路由器路由器 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2.4.5 交换机交换机 交换机交换机 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2.4.6 网桥网桥 网桥网桥 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院无无线线覆覆盖盖系系统统解解决决方方案案 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.4 通信网络的主要硬件设备通信网络的主要硬件设备 2.4.7 网关（协议转换器网关（协议转换器）网关网关 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.5 远动系统的网络体系结构远动系统的网络体系结构 ISO的的OSI参考模型参考模型 IEEE 802 LAN协议标准协议标准 TCP/IP协议协议 X25协议协议2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.5 远动系统的网络体系结构远动系统的网络体系结构 X.25网的设备网的设备 分分组组交交换换网网主主要要由由分分组组交交换换机机、用用户户接接入入设设备备和和传传输输线线路路组组成成。X.25是是一一个个对对公公用用分分组组交交换换网网（Public Data Network，PDN）接口的规格说明。网络内部由各个网络自己决定。）接口的规格说明。网络内部由各个网络自己决定。X.25网网仅仅说说明明该该网网络络与与网网络络外外部部数数据据终终端端设设备备（Data Terminal Equipment，DTE）的的接接口口应应遵遵循循X.25标标准准。X.25是以虚电路服务为基础的。是以虚电路服务为基础的。X.25建建议议是是作作为为公公用用数数据据网网的的用用户户-网网络络接接口口协协议议提提出出的的,它它的的全全称称是是“公公用用数数据据网网络络中中通通过过专专用用电电路路连连接接的的分分组组式式数数据据终终端端设设备备(DTE)和和数数据据电电路路终终接接设设备备(DCE)之之间间的的接接口口”。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.5 远动系统的网络体系结构远动系统的网络体系结构 X.25协议的应用环境协议的应用环境2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.6 通信总线和现场总线通信总线和现场总线 总线的概念总线的概念 总线是一组公用信号线的集合，通过这一组公用信号线把总线是一组公用信号线的集合，通过这一组公用信号线把计算机或计算机测控系统中的各个模板以及各种设备连接成计算机或计算机测控系统中的各个模板以及各种设备连接成一个整体，以便彼此进行信息交换。一个整体，以便彼此进行信息交换。总线标准总线标准 总线规约在得到某一标准化组织的批准或推荐后，即成为总线规约在得到某一标准化组织的批准或推荐后，即成为某种总线标准。可见，总线是一组标准化了的信息通路。通某种总线标准。可见，总线是一组标准化了的信息通路。通过该信息通路，使得连接在总线上的各个模块之间能够相互过该信息通路，使得连接在总线上的各个模块之间能够相互传递信息。传递信息。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.6 通信总线和现场总线通信总线和现场总线 总线分类总线分类 总线总线按功能和规模分类一般分为三类：按功能和规模分类一般分为三类：系统总线系统总线、通信总通信总线线和和现场总线现场总线。系统总线系统总线也称也称内总线内总线、板级总线板级总线，用于计算机各种模板插，用于计算机各种模板插件之间的信息传送。件之间的信息传送。通信总线通信总线也称也称外总线外总线，用于系统间的通信。，用于系统间的通信。现场总线现场总线是一种开放式实时系统，具有简化型的网络结构。是一种开放式实时系统，具有简化型的网络结构。是一种串行数字通信链路，它处于现场与安装在生产控制室是一种串行数字通信链路，它处于现场与安装在生产控制室先进自动控制装置之间。先进自动控制装置之间。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.6 通信总线和现场总线通信总线和现场总线 系统总线系统总线 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.6 通信总线和现场总线通信总线和现场总线 常用通信总线常用通信总线 通信总线通信总线分为分为并行通信总线并行通信总线和和串行通信总线串行通信总线两类。两类。并并行行通通信信总总线线在在通通信信传传送送过过程程中中，每每次次同同时时发发送送一一个个数数据字节，传输速度高，适用于短距离（数十米）快速传输。据字节，传输速度高，适用于短距离（数十米）快速传输。串串行行通通信信总总线线在在通通信信过过程程中中，每每次次传传送送一一个个比比特特信信息息，所所以以传传输输速速度度低低，但但使使用用的的导导线线数数量量少少，成成本本低低，适适用用于于较较远距离的传输。远距离的传输。2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.6 通信总线和现场总线通信总线和现场总线 常用现场总线常用现场总线 CAN总线总线 Lonworks 总线总线 高速以太网现场总线高速以太网现场总线 2024/7/19兰州交通大学 自动化与电气工程学院2.6 通信总线和现场总线通信总线和现场总线 常用现场总线常用现场总线 CAN（Controller Area Network）是是ISO的的串串行行通通信信协协议议。CAN的的高高性性能能和和可可靠靠性性已已被被认认同同，并并被被广广泛泛地地应应用用于于工工业业自自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。CAN在在汽汽车车领领域域上上的的应应用用是是最最广广泛泛的的,世世界界上上一一些些著著名名的的汽汽车车制制造造厂厂商商,如如BENZ(奔奔驰驰)、BMW(宝宝马马)、PORSCHE(保保时时捷捷)、ROLLS-ROYCE(劳劳斯斯莱莱斯斯)和和JAGUAR(美美洲洲豹