變電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)2008

變電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)SupervisoryControlandDataAcquisitionSystemofSubstation緒論

現(xiàn)代生活中有許多的大型工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，比如電力系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)等，組成大型工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)部門多，且分散在相距甚遠(yuǎn)的廣闊地區(qū)。為了保證系統(tǒng)的正常工作，構(gòu)成系統(tǒng)的各部分必須在一個調(diào)度機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一指揮下協(xié)調(diào)工作。為此，調(diào)度機(jī)構(gòu)要隨時了解系統(tǒng)各部分在生產(chǎn)過程中的實際情況，并要此基礎(chǔ)上作出對生產(chǎn)過程進(jìn)行指揮的策略。為了使調(diào)試工作既滿足實時性好，又保證可靠性高，于是便產(chǎn)生了遠(yuǎn)動，并要綜合了自動控制理論、計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)之后迅速發(fā)展起來。微型計算機(jī)技術(shù)通信及接口技術(shù)智能控制技術(shù)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)多媒體技術(shù)andmore…微機(jī)遠(yuǎn)動技術(shù)

微機(jī)遠(yuǎn)動技術(shù)將微型計算機(jī)技術(shù)、通信及接口、智能控制、檢測與轉(zhuǎn)換、多媒體等高新技術(shù)有機(jī)的融為一體，集中了技術(shù)先進(jìn)、功能完備、應(yīng)用靈活、運行可可靠、監(jiān)控范圍廣等優(yōu)點，特別適合處于分散狀態(tài)的生產(chǎn)過程進(jìn)行遠(yuǎn)距離的集中監(jiān)視和控制，統(tǒng)一管理。應(yīng)用：

航天電力系統(tǒng)鐵路供電/行車調(diào)度自動化城市供水供氣工業(yè)自動化控制

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本課程將系統(tǒng)學(xué)習(xí)微機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)的功能及組成原理、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及有原理、信息傳輸與通信設(shè)備、系統(tǒng)接口、遙測量的測量、系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)、系統(tǒng)的可靠性和監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。參考書目：1.盛壽麟.電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動原理.北京：中國電力出版社.19982.劉貫宇.電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動原理及微機(jī)遠(yuǎn)動裝置.北京：水利電利出版社.19893.劉家軍.微機(jī)遠(yuǎn)動技術(shù).北京：水利水電出版社4.錢清泉.電氣化鐵道遠(yuǎn)動技術(shù).北京：中國鐵道出版社.19955.柳永智.電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動.北京：中國電力出版社第1章微機(jī)遠(yuǎn)動技術(shù)概述

本章介紹微機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)的有關(guān)基本概念及組成原理和功能、運行方式、性能指標(biāo)和分類，著重介紹微機(jī)遠(yuǎn)動技術(shù)在電力系統(tǒng)、通信、鐵路中的應(yīng)用，通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握以下內(nèi)容：

遠(yuǎn)動的定義及技術(shù)特征四遙的定義遠(yuǎn)動的組成及分類遠(yuǎn)動的運行方式微機(jī)遠(yuǎn)動的性能指標(biāo)微機(jī)遠(yuǎn)動技術(shù)的應(yīng)用§1-1遠(yuǎn)動技術(shù)的概念遠(yuǎn)動技術(shù)是近年來提出的概念，目前對遠(yuǎn)動技術(shù)還沒有一個完整的定義，但它包括傳統(tǒng)的遙控、遙信、遙測、遙調(diào)等技術(shù)，所以可以給遠(yuǎn)動技術(shù)下一個粗略的定義：

對物體或各種過程進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量和控制的綜合技術(shù)，稱為遠(yuǎn)動(Telecontrol)技術(shù)，它具有在人和機(jī)器或機(jī)器與機(jī)器之間遠(yuǎn)距離交換信息的功能。

傳統(tǒng)遠(yuǎn)動裝置的主要功能為“四遙”—遙控、遙調(diào)、遙測、遙信。一、“四遙”功能的定義1.遙控即遠(yuǎn)程命令(Telecommand):對被控對象進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，即應(yīng)用遠(yuǎn)和通信技術(shù)，使運行設(shè)備的運行狀態(tài)產(chǎn)生變化。被控對象可以是固定的也可以是運動的。這種命令只取有限個離散值，通常只取兩種狀態(tài)命令，例如開關(guān)的“分”、“合”指令。2.遙調(diào)即遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)(Teleadjusting):對被控站某些設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)的遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)，即對具有兩個以上狀態(tài)的運行設(shè)備進(jìn)行控制的遠(yuǎn)程命令。例如在供電系統(tǒng)中遙調(diào)常用于有載調(diào)壓變壓器抽頭的升、降調(diào)節(jié)和其它具有分級升降功能的場合。3.遙測即遠(yuǎn)程測量(Telemetering):對被測對象的某些參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量，應(yīng)用遠(yuǎn)程通信技術(shù)傳輸被測變量的值。如可以遙測牽引供電系統(tǒng)中變電所、分區(qū)亭中的有功和無功功率、電度、電壓、電流等電氣參數(shù)，及接觸網(wǎng)故障點等非電氣參數(shù)。又如在國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究和國防的許多部門，由于一些特殊原因，人們無法接近被測對象，就需要通過遙測來了解和監(jiān)控被測對象的情況。采用遙測技術(shù)，可以提高各部門折自動化程度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和管理調(diào)度質(zhì)量。4.遙信即遠(yuǎn)程指示(Teleindication;Telesignalization):將被控站的設(shè)備狀態(tài)信號遠(yuǎn)距離傳送給調(diào)度端，即對諸如告警信號、開關(guān)位置這樣的狀態(tài)信號的遠(yuǎn)程監(jiān)視。遠(yuǎn)動化的主要任務(wù)：集中控制集中監(jiān)視正常狀態(tài)下實現(xiàn)合理的系統(tǒng)遠(yuǎn)行方式；事故時，及時了解事故的發(fā)生和范圍，加快事故處理，提高安全經(jīng)濟(jì)運行水平實現(xiàn)無人化或少人化，提高運行操作質(zhì)量，改善勞動條件

以微機(jī)為主構(gòu)成，以完成常規(guī)“四遙”功能為目標(biāo)的監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，簡稱為微機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)，即SCDAS系統(tǒng)(SupervisoryControlandDataAcquisitionSystem)。這種遠(yuǎn)動系統(tǒng)的被控端稱為遠(yuǎn)方終端，即RTU(RemoteTerminalUnit)由于計算機(jī)的運算速度越來越快，功能越來越強(qiáng)，使得微機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)除了完成常規(guī)的“四遙”功能外，還可以完成許多其它的數(shù)據(jù)處理和管理功能，如根據(jù)需要，編制各種不同的圖形、報表，可提供復(fù)示終端，可與其它系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等功能，還可提供操作人員的在線培訓(xùn)、防誤操作以及輔助決策等功能。因此，具有這些擴(kuò)展功能的微機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)，稱為微機(jī)調(diào)度自動化系統(tǒng)(DispatchingAutomationSystem)，也簡稱為微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(SupervisoryControlSystem)。二、遠(yuǎn)動系統(tǒng)的分類1.按遠(yuǎn)動功能的實現(xiàn)方式分：

布線邏輯式遠(yuǎn)動系統(tǒng)計算機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)2.按遠(yuǎn)動裝置采用的元件是否有接點分：

有接點遠(yuǎn)動系統(tǒng)無接點遠(yuǎn)動系統(tǒng)3.按遠(yuǎn)動技術(shù)的信息傳輸方式分：

循環(huán)式遠(yuǎn)動系統(tǒng)問答式遠(yuǎn)動系統(tǒng)4.按遠(yuǎn)動裝置的工作方式分：

1：1工作方式遠(yuǎn)動系統(tǒng)(每個被控端對應(yīng)一臺調(diào)度端)1：N工作方式遠(yuǎn)動系統(tǒng)(調(diào)度端一臺裝置對應(yīng)N臺被控端)M：N工作方式遠(yuǎn)動系統(tǒng)(調(diào)度端M臺裝置對應(yīng)N臺被控端)5.按遙控、遙測系統(tǒng)傳輸指令和信息是利用無線信道還是有線信道分：

無線信道遠(yuǎn)動系統(tǒng)，常用的無線傳輸手段有無線電、紅外線、激光、微波等。有線信道遠(yuǎn)動系統(tǒng)，常用的有線傳輸手段有郵電載波、有線載波、同軸電纜、電力線、電話線載波、光纖等。6.按被控對象是分散還是集中分：

分散式遠(yuǎn)動系統(tǒng)集中型遠(yuǎn)動系統(tǒng)此外還可根據(jù)被控對象是固定還是活動，是鏈?zhǔn)椒植歼€是輻射分布分為固定目標(biāo)或活動目標(biāo)遠(yuǎn)動系統(tǒng)；鏈?zhǔn)交蜉椛涫竭h(yuǎn)動系統(tǒng)。§1-2遠(yuǎn)動技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)動技術(shù)在20世紀(jì)30年代用于鐵路遠(yuǎn)輸系統(tǒng)，40年代用于電力系統(tǒng)。我國的遠(yuǎn)動技術(shù)從20世紀(jì)50年代起步，50年代末在電力系統(tǒng)中使用。60年代電氣化鐵道遠(yuǎn)動系統(tǒng)在我國開始研制，80年代才得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過40年艱苦努力，從無到有，從簡單到尖端在電力、大型工廠及聯(lián)合企業(yè)、氣象、國防、航天、機(jī)器人、深海作業(yè)、核試驗、核能利用、地震預(yù)報、生物醫(yī)學(xué)、鐵誕、隧道、輸油管道、引水排灌、環(huán)境保護(hù)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。遠(yuǎn)動系統(tǒng)經(jīng)歷了繼電器、晶體管(分立元件)、集成電路和微機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)幾個階段，相應(yīng)的遠(yuǎn)動系統(tǒng)也稱為第一代、第二代、第三代和第四代遠(yuǎn)動系統(tǒng)。前三代稱為布線邏輯遠(yuǎn)動系統(tǒng)，第四代即為微機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)。目前，廣泛應(yīng)用的電鐵遠(yuǎn)動系統(tǒng)均為微機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)。§1-3計算機(jī)遠(yuǎn)動技術(shù)的應(yīng)用1.計算機(jī)遠(yuǎn)動在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電力系統(tǒng)的運行特點與管理體系確定了計算機(jī)遠(yuǎn)動技術(shù)在電力系統(tǒng)的重要性和必要性。國家級總調(diào)度大電網(wǎng)級網(wǎng)調(diào)省級電網(wǎng)省調(diào)地區(qū)級電網(wǎng)地調(diào)縣級電網(wǎng)縣調(diào)2.在通信網(wǎng)中的應(yīng)用

21世紀(jì)是信息在社會發(fā)展中作用越來越重要的時代。隨著通信規(guī)模的不斷擴(kuò)大，自動化程度的不斷提高，各種新業(yè)務(wù)不斷增加，因此對維護(hù)管理工作提出了越來越多的要求。在我國，除了新近引進(jìn)的一些通信設(shè)備上自帶有自動監(jiān)控管理系統(tǒng)外，通信網(wǎng)的維護(hù)管理目前仍然主要是傳統(tǒng)的人工方法。落后的人工方法已遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)今通信，多絡(luò)管理現(xiàn)代化，有必要建立完善、實用的通信網(wǎng)自動化監(jiān)測管理系統(tǒng)。采用微機(jī)遠(yuǎn)動設(shè)備對通信網(wǎng)實現(xiàn)自動化監(jiān)測管理，是實現(xiàn)排除通信故障、實時調(diào)度電路，提高電器可靠性和利用率，加強(qiáng)通信管理水平的重要手段。在通信網(wǎng)中利用自動化監(jiān)測管理技術(shù)可以完成以下任務(wù)：（1）實時掌握通信網(wǎng)中各種設(shè)備的運行情況和系統(tǒng)性能變化趨勢，做到初期故障早預(yù)報，在小故障變?yōu)榇蠊收现埃皶r采取措施進(jìn)行維護(hù)處理，防止業(yè)務(wù)中斷，保證通信網(wǎng)的運行暢通。（2）迅速準(zhǔn)確地對通信網(wǎng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行定位和自動控制，這對遠(yuǎn)程站尤為重要，可避免派人員到距離很遠(yuǎn)的故障現(xiàn)場檢測設(shè)備，使今后操作維護(hù)時間和維護(hù)成本減至最少。（3）實時采集通信網(wǎng)運行中的各種狀態(tài)信息和報警信息，進(jìn)行分類匯總，統(tǒng)計分析處理，報上級主管部門，實現(xiàn)通信的自動化、集中化維護(hù)管理。3.在鐵道電氣化中的應(yīng)用隨著鐵道電氣化的迅速發(fā)展，供電系統(tǒng)的運行、調(diào)度管理工作日益復(fù)雜。電氣化鐵道供電系統(tǒng)設(shè)有電力調(diào)度所，統(tǒng)一指揮供電系統(tǒng)在正常及事故情部下的過行，并集中管理沿鐵道分布的許多牽引變電所、分區(qū)亭、開閉所和AT所中的電氣設(shè)備。為保證供電系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，調(diào)度所必須及時掌握系統(tǒng)的實際運行情況，并對運行情況進(jìn)行判斷和處理后，對變電所等下達(dá)命令，直接操作某些設(shè)備或調(diào)整某些參量，完成實時控制的任務(wù)。變電所調(diào)度所變電所變電所YKYTYXYCYKYTYKYTYXYCYKYTYKYTYXYCYXYCYXYC§1-6計算機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)的模式一、計算機(jī)遠(yuǎn)動的基本組成計算機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)的主要任務(wù)是對物體和各種過程實時進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控與調(diào)度，因此可以給出一個計算機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)組成的基本模式：調(diào)度端通信信道被控端1被控端2被控端3被控端4被控端N信號轉(zhuǎn)換裝置1信號轉(zhuǎn)換裝置2信號轉(zhuǎn)換裝置3信號轉(zhuǎn)換裝置4信號轉(zhuǎn)換裝置N……

一個基本的遠(yuǎn)動系統(tǒng)由現(xiàn)場信息轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程終端、通信信道和調(diào)度端四大部分組成。1.現(xiàn)場信息轉(zhuǎn)換與控制機(jī)構(gòu)現(xiàn)場信息轉(zhuǎn)換包括需要測量對象信息的轉(zhuǎn)換與放大和被控對象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分。遠(yuǎn)動終端只能采集和接收符合要求的電信號，而測量對象則往往還有非電信號的物理量，如壓力、溫度、水速等。因此，由傳感器將非電量信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和加工處理后，變?yōu)檫h(yuǎn)動終端能接收的電信號。對于有些就是電信號的物理量，如電力系統(tǒng)電流、電壓、功率、電度等參數(shù)的測量，其幅度大小不標(biāo)準(zhǔn)，需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，使之滿足遠(yuǎn)動終端的要求。轉(zhuǎn)換后的電信號有的是其值隨時間連續(xù)變化的模擬量，有的是數(shù)值離散化的脈沖量，而有的是表示開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)量。2.遠(yuǎn)動終端，簡稱RTU(RemoteTerminalUnit)也稱為子站或被控站(SlaveStation,ControllingStation)

遠(yuǎn)動終端是位于遠(yuǎn)離調(diào)度端對現(xiàn)場實現(xiàn)監(jiān)測和控制的裝置，它接收和處理現(xiàn)場信息經(jīng)轉(zhuǎn)換后送來的模擬量、脈沖量和開關(guān)量以及執(zhí)行控制中心發(fā)來的各種遙控、遙調(diào)等操作命令3.通信信道(CommunicationChannel)

在計算機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)中用于傳送遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)的通信信道稱為遠(yuǎn)動信道。遠(yuǎn)動信道的質(zhì)量是確保計算機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)可靠運行的重要前提。計算機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)的調(diào)度端與各遠(yuǎn)動終端通常構(gòu)成1：N的集散監(jiān)控與調(diào)度，通信信道則擔(dān)負(fù)調(diào)度端與各遠(yuǎn)動終端間數(shù)據(jù)傳送的重任。4.調(diào)度端，也稱為控制中心(ControlCenter)或主站、控制站(MasterStation,ControllingStation)

計算機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)最主要的人—機(jī)界面部分的主要調(diào)度操作都在調(diào)度端實現(xiàn)，各遠(yuǎn)動終端和子監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)采集到的有關(guān)數(shù)據(jù)都要定時或不定時的在調(diào)度端予以匯總。根據(jù)調(diào)度端的設(shè)備配置，可分為單機(jī)調(diào)度端和多機(jī)調(diào)度端、雙機(jī)調(diào)度端和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度端。二、計算機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)的運行方式計算機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)有兩種運行方式：手動運行和自動運行，兩種方式可任意選擇。手動方式入指調(diào)度人員在調(diào)度機(jī)或調(diào)度員工作站上鍵盤輸入命令實施各種操作的運行方式，主要包括以下操作：采集數(shù)據(jù)、遙控操作、輸出曲線和報表、模擬盤操作、系統(tǒng)維護(hù)。1.2遠(yuǎn)動系統(tǒng)配置的基本模式遠(yuǎn)動配置(Telecontrolconfiguration)是指主站與若干子站以及連接這些站的傳輸鏈路的組合體。1.點對點配置(Point-to-PointConfiguration)：主站與子站之間通過專用的傳輸鏈路相連接的一種配置。2.多路點對點配置(MultiplePoint-to-PointConfiguration)：主站通過各自鏈路與多個子站相連的一種配置，主站與各子站可同時交換數(shù)據(jù)?！?-5對計算機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)的要求(性能指標(biāo))

對任何一種遠(yuǎn)動系統(tǒng)而言，可以用遠(yuǎn)動系統(tǒng)的性能指標(biāo)來衡量其優(yōu)劣或作為設(shè)計選型的要求，一般來說有以下幾個方面：1.可靠性遠(yuǎn)動設(shè)備中每個設(shè)備的可靠性一般用平均故障間隔時間(MTBF)即兩次偶然故障的平均間隔時間來表示。而整個系統(tǒng)的可靠性通?？梢杂谩翱捎寐省眮肀硎荆菏街型Ｓ脮r間包括故障和維修時間。影響系統(tǒng)可用率的重要因素有：設(shè)備的質(zhì)量、維護(hù)檢修情況、環(huán)境條件、電源供電可靠性及其備用程度。

國外的遠(yuǎn)動裝置平均故障間隔時間已達(dá)到30000小時，國內(nèi)要求在8000-10000小時以上。目前一般遠(yuǎn)動裝置要求控制中心達(dá)到5000小時以上，被控站達(dá)到8000小時以上。遠(yuǎn)動信息在傳輸過程中，會因為干擾出現(xiàn)差錯。傳輸可靠性是用信息的差錯率來表示的。差錯率包括誤編比特率、誤碼率、誤字節(jié)率，常用誤碼率表示。在通常情況下，差錯率要求在信噪比大于15dB時，誤碼率小于10-5。2.容量與功能3.實時性強(qiáng)4.數(shù)據(jù)準(zhǔn)確5.設(shè)計合理6.可維護(hù)性好7.信道混用8.設(shè)備多樣化9.兼容性強(qiáng)10.使用方便11.抗干擾能力強(qiáng)第2章遠(yuǎn)動信息與編碼

的基本理論2-1數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康木褪菫榱藗魉蛿?shù)字信息(單向或雙向)，因此一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的組成如下：解調(diào)器信道譯碼信源譯碼終端噪聲信息源信源編碼信道編碼調(diào)制器信道信息源簡稱信源。發(fā)信者可能是人，也可能是機(jī)器或設(shè)備，所發(fā)送的消息形式不同，概括為信源。信源編碼器把信源送出的消息(信號)變換為數(shù)字的編碼信號。提高數(shù)字信號的有效性，解除信號之間的內(nèi)在聯(lián)系，以壓縮傳輸原始消息所需的數(shù)據(jù)速率。信道編碼器又稱抗干擾編碼器。它是把信源編碼器的輸出碼序列人為地按一定規(guī)則加入多余碼元，以便在接收端發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤，降低差錯概率，提高正確識別信號的能力，從而提高通信的可靠性。調(diào)制器是把信道編碼器輸出的數(shù)字信號變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男盘?。解調(diào)器的作用與調(diào)制器相反，它把接收到的波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼序列。信道譯碼器的作用與信道編碼器相反，通過譯碼過程可以發(fā)現(xiàn)或糾正信號傳輸過程中產(chǎn)生的差錯。信源譯碼器的作用與信源編碼器相反，它具有量化、譯碼和濾波三種功能，恢復(fù)原來的模擬信號。終端設(shè)備可以是人或機(jī)器、設(shè)備?！?-2信息量及數(shù)字信號傳輸要求遠(yuǎn)動是解決如何實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送消息的技術(shù)。例如，遙測、遙信中的數(shù)據(jù)是消息；遙控、遙調(diào)中的命令也是消息。要傳送的“消息”，對收信者來說是“不確定”的。消息的這種不確定性可用“信息量”來表示。一個事件發(fā)生的概率越小，它的信息量就越大。所以對于要通信的事件—消息，其不確定性可用該事件出現(xiàn)的概率的倒數(shù)來表示。此外，當(dāng)該事件分成若干個獨立事件時，該事件的總信息量應(yīng)是各個單獨的信息量之和。顯然對數(shù)函數(shù)能滿足這個要求，所以消息的信息量可按下式計算：式中：P—事件發(fā)生的概率

I—該事件發(fā)生時所得的信息量。

上式中，對數(shù)底數(shù)N取決于量度信息的單位。若取2為底，信息量的單位是bit(比特)。

本節(jié)只討論各種事件都是等概率出現(xiàn)的情況。最簡單事件或消息只有兩種狀態(tài)，例如開關(guān)的消息就是“合”或“分”。這種最簡單的消息所含的信息量的計算公式為：

在工程中，這就意味著最簡單的具有兩種狀態(tài)的消息可用一位二進(jìn)制符號來表示。發(fā)出這樣一個符號就說發(fā)出了1bit的信息量，收到這樣一個符號就說收到了1bit的信息量。如果一個消息有2n個狀態(tài)，它就有n比特的信息量，可用n位二進(jìn)制符號表示。這樣，在等概率條件下，比特就可用二進(jìn)制符號的“位”概率來解釋。

一個消息如果用一位N進(jìn)制符號表示，那么它的信息量就是：

I=log2N(bit)

在信息論中，把各種消息的傳送概括定義為信息的傳送。消息的信息量相當(dāng)于被運送貨物的“重量”，傳送信息的多少就直觀地使用“信息量”去衡量。消息傳送的速度可用信息(或碼元)傳送的速度來表示。信息傳輸速率又稱信息速率或傳信率，它被定義為每秒傳送的信息量，單位是bit/s。在離散系統(tǒng)中，一個碼元是一個N進(jìn)制符號。消息傳送速度可用碼元傳輸速度來表征。碼元傳輸速率，又稱碼元速率或傳碼率，定義為每秒鐘傳送的碼元數(shù)目，單位是Bd(波特)。例如某些遠(yuǎn)動裝置每秒鐘傳送300個碼元，則該裝置的碼元速率是300Bd。

需要特別指出的是式I=log2N(bit)中N可以為任何整數(shù)，當(dāng)N為2時這個碼元就是二進(jìn)制符號，叫做二進(jìn)制碼元，N為4時是四進(jìn)制碼元，顯然一個四進(jìn)制碼元可以用兩個二進(jìn)制碼元表示。一般一個N進(jìn)制碼元可用log2N(整數(shù))個二進(jìn)制碼元表示。設(shè)二進(jìn)制碼元速率為R2，N進(jìn)制碼元速率為RN，則有如下轉(zhuǎn)換公式：

R2=RNlog2N(Bd)

要注意碼元速率與信息速率單位不同，但在數(shù)值上有一定的關(guān)系，每個二進(jìn)制碼元有1bit信息量，所以在二進(jìn)制下的碼元速率與信息速率在數(shù)值上相等。設(shè)信息速率為Rb，則有下列數(shù)值關(guān)系：

Rb=RNlog2N(bit/s)對數(shù)字信號的傳輸要求，可以從數(shù)量和質(zhì)量兩個方面提出要求。在數(shù)量方面可用傳速率來衡量傳輸?shù)挠行?；而在質(zhì)量方面，可用錯誤率來衡量傳輸?shù)目煽啃?。傳輸速率可用碼元速率和信息速率加以表示。傳輸錯誤率則可有以下三種表達(dá)方式：

(1)誤碼率(Pe)：指錯誤接收消息的碼元數(shù)在傳輸消息的總碼元數(shù)中所占的比例。

(2)誤比特率(Pb)：指錯誤接收消息的比特數(shù)在傳輸消息的總比特數(shù)中所占的比例

顯然，對二進(jìn)制信號而言，誤比特率和誤碼率是相同的，即：Pb=Pe(3)誤字率(Pw)：指錯字?jǐn)?shù)在傳輸總字?jǐn)?shù)中所占的比例?？煽啃?或錯誤率)與信息傳輸速率有關(guān)。傳輸速率越高，即每秒內(nèi)傳送的二進(jìn)制碼元越多，則每個碼元所占用的時間就越短，波形也越窄，能量亦越少，因而受到干擾后錯誤的可能性就越大，傳送信息的可靠性就越低。反之，傳輸速率慢，則可靠性就高。在一定傳輸速率下，降低誤碼率的方法有多種，但可歸納為兩類:一是選擇適用的調(diào)制制度和調(diào)解方法；二是采用抗干擾編碼?！?-3錯誤圖樣及差錯控制方式為了研究各種差錯控制方式的特點，首先必須了解在數(shù)據(jù)傳輸信道中所產(chǎn)生的各種差錯的特點。在實際的傳輸信道中，發(fā)生差錯的原因有接收機(jī)內(nèi)部噪聲、各種工業(yè)干擾、大氣噪聲、人為干擾等，本節(jié)中我們先討論信道中可能出現(xiàn)的差錯類型和錯誤圖樣，再討論相應(yīng)的信道模型。由于目前使用最多的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)系統(tǒng)，所以本章主要以二進(jìn)制編碼為主進(jìn)行介紹。數(shù)據(jù)在信道中傳輸時要受到各種干擾，但各種干擾所引起的錯誤都可歸納為以下兩種形式：一種稱為隨機(jī)錯誤，另一種是突發(fā)錯誤。所謂隨機(jī)錯誤是指數(shù)據(jù)序列中前后碼元之間是否發(fā)生錯誤彼此無關(guān)，產(chǎn)生這種錯誤的信道稱為無記憶信道或隨機(jī)信道，例如深空信道、衛(wèi)星信道等。突發(fā)錯誤與此相反，錯誤的出現(xiàn)具有突發(fā)性，即一個錯誤的出現(xiàn)往往影響后面一串?dāng)?shù)據(jù)，也即錯誤之間有相關(guān)性。

假設(shè)信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列為00000000…，由于干擾的影響，接收端收到的數(shù)據(jù)序列為01100100…，我們就稱為發(fā)生了一個長度為b=5的突發(fā)錯誤，這里b又稱為突發(fā)長度，是該突發(fā)錯誤中第一個錯誤到最后一個錯誤的長度，上例中11001就稱為錯誤圖樣。顯然，由發(fā)送的數(shù)據(jù)序列與接收到的數(shù)據(jù)序列對應(yīng)進(jìn)行模2加法運算就可得到差錯序列，在差錯序列中就可得到錯誤圖樣，例如：發(fā)送序列：00000000001111111111接收序列：01100100001010100111差錯序列：01100100000101011000

在上列差錯序列中有一個長度為5的突發(fā)錯誤及一個長度為6的突發(fā)錯誤。這兩個突發(fā)錯誤的錯誤圖樣分別為11001及101011，差錯序列和錯誤圖樣中的0表示該位沒有發(fā)生錯誤，1表示該位發(fā)生了錯誤。發(fā)生這種突發(fā)錯誤的信道稱為記憶信道或突發(fā)信道，例如短波、散射、有線等信道。由于實際信道的復(fù)雜性，所呈現(xiàn)出的錯誤往往不是單一的，而且隨機(jī)和突發(fā)錯誤并存在這種信道稱為組合信道或復(fù)合信道。

由以上討論可知，接收序列和發(fā)送序列的模2和序列即差錯序列，完全反映了信道中產(chǎn)生差錯的情況，當(dāng)重點討論信道的差錯統(tǒng)計特性時，就可以不管信道的物理特性，而只需要研究差錯序列中0、1的統(tǒng)計特性。對隨機(jī)信道來說，差錯序列中1的分布是隨機(jī)的，而對突發(fā)信道來說，1的分布是密集的。為了從數(shù)學(xué)上描述差錯序列的這種0、1分布規(guī)律，并由此得到估計各種差錯控制系統(tǒng)的性能所需的資料，就提出了用數(shù)學(xué)模型來描述差錯序列，這就是信道模型。為了發(fā)現(xiàn)在傳輸過程中出現(xiàn)的差錯并加以糾正，并從整體出發(fā)應(yīng)該考慮如何控制出現(xiàn)的差錯，稱為差錯控制方式。

差錯控制方式可以分成下圖所示的四種基本類型。在圖中深色方框表示在該端檢查出差錯。發(fā)端收端可以糾正錯誤的碼能夠發(fā)現(xiàn)錯誤的碼應(yīng)答信號可以糾正和發(fā)現(xiàn)錯誤的碼應(yīng)答信號數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息FECARQHECIRQ1．前向糾錯(FEC)

前向糾錯方式FEC(ForwardErrorCorrection)是在發(fā)送端將數(shù)據(jù)信息按一定的規(guī)則附加余碼元，組成糾錯碼。接收端收到碼后，按預(yù)先規(guī)定的規(guī)則進(jìn)行譯碼，首先判斷接收碼組中是否發(fā)生過錯誤，若有錯誤則確定錯誤的位置并把它糾正。FEC方式的優(yōu)點是：不需要反饋信道，能用于單向通信，適用于一點發(fā)送多點接收的同播系統(tǒng)，譯碼遲延固定，適用于實時系統(tǒng)。缺點是：譯碼設(shè)備比較復(fù)雜，所用糾錯碼必須與信道的差錯統(tǒng)計特性相一致，為了糾正較多的錯誤要求附加的冗余碼元較多，可達(dá)25％一50％，因而傳輸效率較低，當(dāng)信道中產(chǎn)生的錯誤超過碼的糾錯能力時，就有可能把錯誤的數(shù)據(jù)送給用戶(即發(fā)生錯譯)。2．自動回詢重傳(ARQ)

這種方式又可稱為檢錯重傳、判決反饋或反饋糾錯，記作ARQ(Automatic

RepeatRequest)。這種方式總的來說就是發(fā)送端發(fā)送檢錯碼，接收端檢查出差錯后，經(jīng)由反向信道要求發(fā)送端重發(fā)的一種差錯控制方式。具體來說又可分為等待發(fā)送ARQ、重發(fā)i次的SW(i)ARQ、重返2(N)-ARQ、選擇重發(fā)ARQ等不同的種類。這種方式的優(yōu)點是：只需少量的冗余碼元(5％～20％)就能獲得極低的輸出誤碼率，并且所使用的檢錯碼基本上與信道的差錯統(tǒng)計特性無關(guān)，自適應(yīng)能力較強(qiáng)，譯碼器比較簡單，成本較低。缺點是：必須有反饋信道，不能用于單向傳輸系統(tǒng)及同播系統(tǒng)，實現(xiàn)控制比較復(fù)雜，當(dāng)信道干擾大時通信效率會大大降低，因而影響實時性。3．混合差錯控制方式(HEC)

如果將FEC和ARQ適當(dāng)結(jié)合起來，就能克服各自的缺點，這就是混合差錯控制方式，也稱混合糾錯方式HEC(HybridErrorCorrection)。HEC系統(tǒng)是在ARQ系統(tǒng)中包含一個FEC系統(tǒng)，發(fā)送端同時具有糾錯和檢錯能力的碼組，接收端收到碼組后，如果差錯在碼的糾錯能力以內(nèi)，則自動地進(jìn)行糾正，如果信道的干擾很嚴(yán)重，錯誤超過了碼的糾錯能力，但尚能檢測出來，則經(jīng)反饋信道請求發(fā)送端重發(fā)該組數(shù)據(jù)。這樣可以使整個系統(tǒng)具有較高的可靠性和較高的信息通過量。4．信息反饋(1RQ)

也就是信息重傳請求IRQ(InformationRepeatRequest)，將接收到的數(shù)據(jù)原封不動地通過反饋信道送回到發(fā)送端。發(fā)送端把反饋回來的數(shù)據(jù)與發(fā)送出去的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如不一致就重發(fā)該組數(shù)據(jù)，直到?jīng)]有發(fā)現(xiàn)錯誤為止。這種方式的優(yōu)點是：不需要糾錯、檢錯譯碼器，控制設(shè)備和檢錯設(shè)備都比較簡單。缺點是：要有和前向信道完全相同的反饋信道，在發(fā)送端需要有一定容量的存儲器存儲發(fā)送碼組以備比較?！?．4抗干擾編碼的基本概念及理論2．4．1數(shù)字遠(yuǎn)動系統(tǒng)模型抗干擾編碼亦稱信道編碼或檢糾錯編碼。遠(yuǎn)動信號從發(fā)送端經(jīng)信道傳送到接收端，由于在信道中不可避免地存在著干擾和噪聲，這就有可能在接收時產(chǎn)生差錯。數(shù)字式遠(yuǎn)動系統(tǒng)的主要任務(wù)是快速準(zhǔn)確地傳遞消息。從通信觀點我們把它看成下圖所示的模型。

接收設(shè)備噪聲信源信源編碼器抗干擾編碼器信道抗干擾譯碼器信源編碼器SMCRM'S'

信源泛指被傳送的各種參數(shù)、狀態(tài)和命令。以供電系統(tǒng)為例，信源可以是開關(guān)的合閘或分閘狀態(tài)、電壓、功率、頻率等數(shù)值，也可以是遙控遙調(diào)的命令內(nèi)容。信源的輸出S可以是續(xù)變化的模擬信號波形或離散的符號或文字圖樣。信源編碼器是將各種形式的信源，經(jīng)變送器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路或其他各種編碼電路變成離散的代碼，即信源編碼器把S變換為由k個信息元組成的二進(jìn)制信息序列M。序列中的每一位“0”或“1”稱為一位碼元。對信源編碼的要求有兩點：一是使代表信源S的碼元數(shù)的個數(shù)盡量少；二是要能從信息序列M重現(xiàn)原來的信源S。故信源編碼又稱有效性編碼。

抗干擾編碼器的作用是根據(jù)一定的原則，將k個信息元組成的信息序列M變成k+r個碼元組成的二進(jìn)制數(shù)字序列C，C稱為碼字。因為信源編碼是從有效性考慮，它產(chǎn)生的信息序列M是沒有抗干擾能力的，抗干擾編碼的目的是提高信息序列M的抗干擾能力，使之能應(yīng)付信息中的干擾。信道是傳輸信號的媒質(zhì)。信道有多種類型，傳輸運動信號的信道有通信電纜線對、微波、散射波信道等。信道中存在著各種類型的干擾，稱為噪聲。運動系統(tǒng)中的噪聲有雷電、電弧、電火花、無線電臺頻率干擾、多路通信的路際干擾等。任何遠(yuǎn)動系統(tǒng)中，干擾是永遠(yuǎn)存在的，不同的信道有不同的干擾源，信道編碼就是抗干擾的措施之一。信道是包括調(diào)制器、實際通信線以及調(diào)解器在內(nèi)的廣義信道。碼字C調(diào)制后在傳輸過程中可能受到干擾和噪聲的影響，解調(diào)器對每個接收到的碼元進(jìn)行判決，其輸出的數(shù)字信號R可能與發(fā)送碼字C不一致，這時就產(chǎn)生了傳輸差錯?？垢蓴_澤碼器根據(jù)接收序列R、抗干擾編碼規(guī)則及信道特性，完成以下兩項任務(wù)：

(1)設(shè)法檢查并糾正R中的傳輸錯誤，產(chǎn)生真正發(fā)送碼子C的估值。

(2)變換C為信道序列M的估值M′。信源譯碼器根據(jù)信源編碼規(guī)則，變M′為原信源輸出S的估值S′，并送至用戶使用。若信道平靜(無噪聲)，則估值C′、M′、S′分別等于C、M、S，若干擾嚴(yán)重，最后產(chǎn)生的S將會與真正的信源輸出S很不一樣。設(shè)計良好的抗干擾編碼器-譯碼器對，是提高信息傳輸可靠性的關(guān)鍵。設(shè)計出的抗干擾編、譯碼器應(yīng)根據(jù)信道實際存在的干擾類型，做到：

(1)編出的碼字能盡快地在噪聲信道上傳輸，即提高傳輸率。(2)在傳輸率一定的條件下，使錯誤概率盡量小。也就是使碼字的抗干擾能力強(qiáng)，在收端能正確地再現(xiàn)信息序列M。抗干擾編碼的基本原理就是如上所述，在表示信息的數(shù)字信號中，按一定規(guī)則附加一些不含信息的多余碼元，以便能發(fā)現(xiàn)或糾正信號在傳輸過程中產(chǎn)生的錯誤。若表示信息的數(shù)字信號由k個碼元組成，我們稱這個k個碼元為信息元，按照一定規(guī)則附加的r個不含有信息的碼元稱為監(jiān)督元，而n=k+r個碼元組成的數(shù)字序列共有2n種可能的組合。這些組合稱之為組。我們只采用其中k個信息位組成2k個組，稱為許用碼組，簡稱碼字。而剩下的(2n-2k)個不被采用，稱為禁用碼組。由信息元變換為碼字的過程稱為抗干擾編碼。

具有一定檢測錯誤或糾正錯誤能力的碼，統(tǒng)稱為抗干擾碼。其中只能檢錯的，稱為檢錯碼；不僅能檢錯而且能糾錯的，則稱為糾錯碼?？垢蓴_碼還可根據(jù)監(jiān)督元與信息元的不同關(guān)系，分為線性碼與非線性碼。如果信息元與監(jiān)督元之間的關(guān)系是線性關(guān)系，則稱為線性碼，否則稱為非線性碼。根據(jù)對信息元處理方法的不同，可分為分組碼與卷積碼。分組碼中的每一碼字的監(jiān)督元只與本碼字的信息元發(fā)生關(guān)系，而與別的碼字無關(guān)。卷積碼的監(jiān)督元不僅與本碼字的信息元有關(guān)，而且與前面若干碼字的信息元也有關(guān)，這就使前后幾個碼組相互發(fā)生了關(guān)聯(lián)。在分組碼中，根據(jù)碼的構(gòu)造特點不同，還可分為循環(huán)碼和非循環(huán)碼。任一碼字的每次循環(huán)移位，得到的是另一個碼字，稱為循環(huán)碼。無上述關(guān)系的，稱為非循環(huán)碼。2．4．2抗干擾編碼的基本原理現(xiàn)用一種按重復(fù)規(guī)則編成的線性分組碼作為例子，進(jìn)一步說明抗干擾編碼的基本原理及一些重要概念。從上述幾個例子可見，一個(n，k)碼的抗干擾能力取決于兩個碼字之間對應(yīng)碼元不同的個數(shù)。在編碼理論中，任何兩個碼字之間對應(yīng)位取值不同的個數(shù)，稱為兩個碼字之間的“漢明距離”，簡稱距離，用d表示。例如(4，1)重復(fù)碼兩個碼字1111和0000之間，對應(yīng)碼位有四個不同，即它們的第一、二、三、四個碼位均取值不同，所以其距離為4。一般情況(n，k)碼可有2k個不同碼字，其中任意二個碼字之間距離的最小值，稱為該(n，k)碼的最小距離d0，它是衡量碼的一個重要參數(shù)。最小距離越大，2k個碼字之間的差別越大，某一個碼字因干擾而畸變成另一個碼字的可能性越小，即該(n，k)碼的抗干擾性越強(qiáng)。在上面這些簡單的例子中，(2，1)碼dO

=2，可以發(fā)現(xiàn)兩個錯誤。(3，1)碼d0=3，可以糾正一個錯誤，如果僅用于檢錯，則可發(fā)現(xiàn)兩個錯誤。(4，1)碼dO

=4，可以糾正一個錯誤，同時發(fā)現(xiàn)兩個錯誤，如果僅用于檢錯，則可發(fā)現(xiàn)三個錯誤。由些可得到如下結(jié)論：

(1)若只要求一個(n，k)碼能發(fā)現(xiàn)e個錯誤，則要求：

d0≥e+1(2)若只要求一個(n，k)碼能糾正t個錯誤，則要求：

d0≥2t+1(3)若要求一個(n，k)碼發(fā)現(xiàn)e個錯誤，并能糾正t個錯誤，則要求：

d0≥t+e+1

檢錯碼和糾錯碼之間沒有界限，只是根據(jù)d0大小具體運用不同而已。一個碼字中信息元所占的比重稱為編碼效率。碼率為R=k/n。一個碼字中，信息元所占的比重越大，則碼率越高。另一方面，R表示信道中每傳送n個單位時間中，有k個單元時間用于傳送信息。因此R的大小就表示信道中信息元的利用率的大小，故又稱R為傳信率。R越大，碼率越高，傳信率也越高，它是衡量碼字性能的一個重要參數(shù)。在編碼中的加一個重要概念是碼字的漢明重量，簡稱重量。一個碼字的重量就是該碼字中非零元素的數(shù)目，用W表示，在二進(jìn)制下就是“1”的數(shù)目。一般情況下，若碼字C=(cn-1,cn-2,…,c1,c0),則碼字的重量為：式中ci為碼字中任一碼元。

由于線性碼中任意兩個碼字之和為另一個碼字，故任意兩個碼字之間的最小距離必為另一碼字的最小重量，故線性碼的最小距離等于碼的最小重量。編碼的要求主要是可靠、有效和簡便。可靠就是指動武應(yīng)該能檢測或糾正最可能出現(xiàn)的那些錯誤類型。有效就是要在保證可靠的前提下，所加的監(jiān)督位數(shù)要少，即編碼率R要高。簡便是指實現(xiàn)編譯碼的設(shè)備和方法應(yīng)力求簡便。§2-5常用檢錯碼碼字根據(jù)各碼組信息元和監(jiān)督元的函數(shù)關(guān)系，可人為線性碼和非線性碼，如果函數(shù)關(guān)系是線性的，即滿足一組線性方程式，則稱為線性碼，否則為非線性碼。如各碼元僅與本組的信息元有關(guān)，則此碼為分組碼；如果各碼元不僅與本組的信息元有關(guān)，而且還與前面若干組的信息元有關(guān)，則此碼為卷積碼。根據(jù)碼的用途，又可分為檢錯為目的但不一定能糾錯的檢錯碼，和既能檢錯又能糾錯的糾錯碼。下面分別介紹四種常用的檢錯碼。1.奇偶監(jiān)督碼若構(gòu)成一個(n,n-1)碼，則有k=n-1個信息元為cn-1,cn-2,…c1，r=1個監(jiān)督元為c0，當(dāng)偶數(shù)監(jiān)督時，它們之間的關(guān)系為：

cn-1+cn-2+cn-3+…+c1=c0(模2)式中表示監(jiān)督元是所有信息元的模2相加。這樣能保證所編出的每一個碼字中“1”的數(shù)目是偶數(shù)，故稱這種(n,n-1)碼為偶數(shù)監(jiān)督碼。當(dāng)為奇數(shù)監(jiān)督時，它們之間的關(guān)系為：

cn-1+cn-2+cn-3+…+c1+1=c0(模2)式中是所有信息元與一個監(jiān)督元的模2相加為1，則編出的每一個碼字中“1”的數(shù)目是奇數(shù)，稱這種碼為奇數(shù)監(jiān)督碼。奇數(shù)監(jiān)督碼或偶數(shù)監(jiān)督碼，還可統(tǒng)稱為奇偶監(jiān)督碼(或稱奇偶校驗碼)。奇偶監(jiān)督碼每個碼字長為n位，有k=n-1位信息位，僅有一個奇偶監(jiān)督元，所以其碼率R=(n-1)/n較高，且隨著n的增加，越來越高。但其最小距離d0=2不變，因此僅能檢出1位錯碼，無糾錯能力。隨著n的增加，由于受到干擾而使多位碼元畸變的可能性將增大，所以實際上隨著n的增加，奇偶碼抗干擾能力將減小。由于奇偶碼的碼率高，編譯碼電路簡單，具有一定的抗干擾能力，所以曾得到廣泛的應(yīng)用。可是它不能檢測偶數(shù)個錯誤。這是因為偶數(shù)個錯誤并不能改變碼組的奇偶性質(zhì)。此外，即使發(fā)現(xiàn)“1”或”0”有奇數(shù)個錯誤，也不能確定是1個還是3個或更多個奇數(shù)位錯誤，因此不能糾正錯誤。但是在主要存在隨機(jī)錯誤的信道中使用奇偶碼仍很有效。2．定比碼定比碼是使所編碼字中“1”的數(shù)目保持一定，而在接收端檢查碼字中“1”的數(shù)目是否為給定常數(shù)，借此來檢出錯碼。定比碼在遠(yuǎn)動系統(tǒng)中采用較多。簡單講，這種碼就是“從n中取m”(m<n)，這里n為碼組長度，m為每個許用碼組中“1”的數(shù)目，例如“從5中取3”的定比碼，就是以5位二進(jìn)制數(shù)字組成一個碼組，這樣組成的碼組總共有25=32種。定比碼規(guī)定只有準(zhǔn)確的含有3個“1”、2個“0”的那些碼組為許用碼組(故又稱3：2碼)，即為碼字，其他碼組一概為禁用碼組。n中取m碼，其許用碼組數(shù)可由下式給出：定比碼比奇偶監(jiān)督更為嚴(yán)格。其原因是由于“1“數(shù)目是一定的，所以服從數(shù)的奇偶性規(guī)律，包含有奇偶監(jiān)督。也就是說，能發(fā)現(xiàn)所有的奇數(shù)個碼元的錯誤。除去“1”錯成“0”和“0”錯成“1”的成對性錯誤外，即使出現(xiàn)二對以上的偶數(shù)個錯誤，只要“1”的數(shù)目有了變化，就能發(fā)現(xiàn)錯誤，故檢錯能力很強(qiáng)。下表列出了3：2定比碼的許用碼組：十進(jìn)制數(shù)3：2定比碼十進(jìn)制數(shù)3：2定比碼0011015001111010116101012110017111003101108011104110109100113.水平一致校驗碼小平一致校驗碼的如下表所示。把信息碼元以適當(dāng)?shù)拈L度劃分為小組，各小組按行排列，對各行的信息元進(jìn)行奇偶校驗，得到的校驗元附在每行的后面。傳送時以列傳輸：首先傳輸?shù)谝涣校賯魉偷诙?，最后傳送校驗元列。這種碼能發(fā)現(xiàn)長度不大于列長的突發(fā)錯誤。

110111011011101…10101小組碼字信息元校驗元111100121011103011011411011051010114.水平垂直一致校驗碼(方陣碼)

水平垂直一致校驗碼又稱方陣碼。它在水平一致校驗的基礎(chǔ)上再對列(垂直)方向的碼元進(jìn)行一次奇偶校驗。傳送時可以按列傳送也右按行傳送。這種碼能發(fā)現(xiàn)所有長度不大于n+1(n為列或行的碼元數(shù))的突發(fā)錯誤，以及其他不少錯誤圖樣。小組碼字信息元校驗元11110112101110301101141101105101011校驗元010010§2-6線性分組碼2-6-1基本概念在(n,k)分組碼中，若每一個監(jiān)督元都是碼組中某些信息元按模2和而得到的，即監(jiān)督元是按線性關(guān)系相加而得到的，則稱其為線性分組碼?；蛘哒f，可用線性方程組表述規(guī)律性的分組碼稱為線性分組碼。線性分組碼是一類重要的糾錯碼，應(yīng)用很廣泛?，F(xiàn)以(7,4)分組碼為例來說明線性分組碼的特點。設(shè)其碼字為C=[c6c5c4c3c2c1c0]，其中前4位是信息元，后3位是監(jiān)督元，可用下列線性方程組來描述該分組碼，產(chǎn)生監(jiān)督元：顯然，這3個方程是線性無關(guān)的。經(jīng)計算可得(7,4)碼的全部碼字。如下表，不難看出，它的最小碼距d0=3，它能糾正一個錯誤或檢測兩個錯誤。序號碼字序號碼字信息元監(jiān)督元信息元監(jiān)督元000000008100011110001011910011002001010110101001030011110111011001401001101211000015010110113110101060110011141110100701110001511111112-6-2監(jiān)督矩陣H和生成矩陣G

上述(7,4)碼的3個監(jiān)督方程式可以改寫為：這組線性方程可用矩陣形式表示為：并簡記為：HCT=0T或CHT=0其中，CT是C的轉(zhuǎn)置，0T是0=[000]的轉(zhuǎn)置，HT是H的轉(zhuǎn)置。H稱為監(jiān)督矩陣，一旦H給定，信息位和監(jiān)督位之間的關(guān)系也確定了。H為r×n階矩陣，H矩陣每行之間是彼此線性無關(guān)的。H矩陣可分成兩部分：其中，P為r×k階矩陣，I為r×r階單位矩陣?？梢詫懗蒆=[PIr]形式的矩陣稱為典型監(jiān)督矩陣。HCT=0T，說明H矩陣與碼字的轉(zhuǎn)置乘積必為零，可以用來作為判斷接收碼字C是否出錯的依據(jù)。若把監(jiān)督方程補充為下列方程：可改寫為矩陣形式:即變換為C=[c6c5c4c3]·G其中G稱為生成矩陣，由G和信息組就可以產(chǎn)生全部碼字。G為k×n階矩陣，各行也是線性無關(guān)的。生成矩陣也可以分為兩部分，即：其中Q為k×r階矩陣，Ik為k階單位陣，可以寫成G=[IkQ]形式的矩陣稱為典型生成矩陣。非典型形式的矩陣經(jīng)過運算也可以化成典型形式的生成矩陣。2-6-3伴隨式(校正子)S

設(shè)了送碼組C=[cn-1cn-2

…c1c0]，在傳輸過程中可能了生誤碼，接收碼組R=[rn-1rn-2

…r1r0]，則收發(fā)碼組之差定義為錯誤圖樣E，也稱為誤差矢量，即：

E=R-C其中E=[en-1en-2

…e1e0]，且ei=0(當(dāng)ri=ci時)或1(當(dāng)ri≠ci時)。也可以寫成R=C+E

令S=RHT，稱為伴隨式或校正子，則

S=RHT=(C+E)HT=EHT由此可見，伴隨式S與錯誤圖樣E之間有確定的線性變換關(guān)系。接收譯碼器的任務(wù)就是從伴隨式確定錯誤圖樣，然后從接收到的碼字中減去錯誤圖樣?！?-7循環(huán)碼循環(huán)線性分組碼中的一個重要子類。它有嚴(yán)格的代數(shù)結(jié)構(gòu)，用代數(shù)方法可以找出許多編碼效率高、檢、糾錯能力強(qiáng)的循環(huán)碼來。由于循環(huán)碼的編碼和檢錯方法簡單，而且具有許多有效的糾錯方法，所以得到了廣泛應(yīng)用。循環(huán)碼可用多項式來分析，多項式系數(shù)是“0”或“1”.多項式的系數(shù)是按照冪次排列的一組有序數(shù)組，一個信息組（碼組）也是一組有序數(shù)組。所以碼組C=(cn-1cn-2

…c1c0)不但可以用一個向量表示，而且還可以用一個多項式表示。用以表示碼組的多項式叫做碼多項式，記作

C(x)=cn-1Xn-1+cn-2Xn-2+…+c1X+c0

兩個多項式的運算是其對應(yīng)項系數(shù)的運算，即分離系數(shù)法的運算。要指出的是：系數(shù)的加法和乘法是模2加和模2乘。

一、循環(huán)碼的基本概念和特點

(n,k)循環(huán)碼是線性分組碼，并且任一碼字的每次循環(huán)移位(左移或右移)得到的仍是一個碼字。若cn-1cn-2

…c1c0是一個循環(huán)碼字，則循環(huán)左移一位得cn-2，…，c1，c0，cn-1也是一個碼字，再移位仍是一個碼字。一個(n,k)循環(huán)碼字循環(huán)移位一次，是原來碼多項式乘以X。證明如下：一個碼字可用碼多項式表示：

C(x)=cn-1Xn-1+cn-2Xn-2+…+c1X+c0

X·C(x)=cn-1Xn+cn-2Xn-1+…+c1X2+c0X

上式左邊是碼多項式，右邊是循環(huán)碼字移位一次，兩者相等。下面討論循環(huán)碼的生成多項式：

(n,k)循環(huán)碼的生成多項式是碼字中n-k次的碼多項式，記作g(x)。

(n,k)循環(huán)碼共有2k個碼字，從中取出一個前面k-1位都是0的碼字，以g(x)表示，g(x)的次數(shù)是n-1-(k-1)=n-k。首先g(x)是一個碼字，根據(jù)循環(huán)碼的定義，xg(x),x2g(x),…,xk-1g(x)都是碼字。循環(huán)碼是線性碼，由線性碼的性質(zhì)得：這k個碼字的線性組合也是一個碼字。記作：

C(x)=(mk-1Xk-1+mk-1Xk-1+…+m1X+m0)g(x)

式中mi(i=0,1,2,…,k-1)為信息位，代表“0”或“1”。在上式中?。?/p>

M(x)=mk-1Xk-1+mk-1Xk-1+…+m1X+m0

M(x)是信息多項式，其信息位mi為“0”或“1”，共有k個信息位，所以M(x)共有2k種形式。可生成2k個循環(huán)碼碼字。

顯然g(x)是次數(shù)最低的碼多項式。因為若g(x)的次數(shù)為n-k-1次，則能生成2k+1個碼字，而(n,k)碼只有2k個碼字，所以是不可能的。綜上可得：

C(x)=M(x)·g(x)上式說明：循環(huán)碼的碼字是待編信息多項式乘生成多項式而得，所有碼字都由g(x)生成。由上可知，是循環(huán)碼的(n-k)次碼序，所有循環(huán)碼字都由g(x)生成。那么沒有碼字之前怎樣得到g(x)呢？有下面定理：

(n,k)循環(huán)碼的生成多項式g(x)是xn+1的因式。記作：

xn+1=g(x)h(x)生成多項式g(x)寫作：g(x)=Xn-k+gn-k-1Xn-k-1+…+g1X+1

式是gi—生成多項式系數(shù)，為“0”或“1”。將生成多項式兩邊乘以Xk得：

Xk·g(x)=Xn+gn-k-1Xn-1+…+g1Xk+1+Xk=(Xn+1)+(gn-k-1Xn-1+…+g1Xk+1+Xk+1)上式右端中g(shù)n-k-1Xn-1+…+g1Xk+1+Xk+1是g(x)循環(huán)移位k次后所得到的多項式，g(x)是碼字，循環(huán)移位后也應(yīng)是碼字，上式可寫成：

Xk·g(x)=Xn+1+M(x)·g(x)Xn+1=（Xk

+M(x))·g(x)

上式說明了g(x)是Xn+1的因式。

要得到g(x)

，就要將Xn+1進(jìn)行因式分解。例如X7+1可分解為：

X7+1=(X+1)(X3+X2+1)(X3+X+1)要構(gòu)成(7,3)循環(huán)碼，必須取g(x)為四次方程式。令：

g(x)=(X+1)(X3+X+1)=X4+X3+X2+1即可生成(7,3)循環(huán)碼。二、循環(huán)碼的編碼由前面分析我們知道C(x)=M(x)·g(x)，此式可以編成循環(huán)碼，但它生成的不是前段為信息位、后段為監(jiān)督位的系統(tǒng)碼格式。如g(x)=X4+X3+X2+1，M(x)=X生成的(7,3)循環(huán)碼碼字為：

C(x)=X(X4+X3+X2+1)=X5+X4+X3+X對應(yīng)的碼字為0111010。系統(tǒng)碼要求前面三位是信息組(010)，現(xiàn)在是(011)，所以不是系統(tǒng)碼格式的碼字。可將該式理解為：“任一循環(huán)碼碼字都是g(x)的倍式”。把它改變一下形式就能編出系統(tǒng)碼格式來。對(n,k)循環(huán)碼，編碼步驟如下：(1)將待編信息乘以Xn-k，得：

Xn-k·M(x)(2)將Xn-k·M(x)除以生成多項式g(x)

，得余式R(x)。記作：

Xn-k·M(x)=Q(x)·g(x)+R(x)

Xn-k·M(x)+R(x)=Q(x)·g(x)上式說明Xn-k·M(x)+R(x)是g(x)的倍式，所以它是碼字C(x)。即：

C(x)=Xn-k·M(x)+R(x)式中Xn-k·M(x)的最低次是Xn-k。R(x)的最高次為(n-k-1)，因為g(x)是(n-k)次，余式應(yīng)比g(x)的次數(shù)低。Xn-k·M(x)的最高次是(n-1)，最低次為(n-k)，所以Xn-k·M(x)+R(x)是將M(x)左移(n-k)位，再在后面加上監(jiān)督位R(x)，構(gòu)成系統(tǒng)碼格式的碼字。§2.8循環(huán)碼的檢錯及糾錯能力一、伴隨式計算及糾錯假設(shè)發(fā)送端發(fā)送碼字為：

C(x)=cn-1Xn-1+cn-2Xn-2+…+c1X+c0

接收端收到碼字為：

R(x)=rn-1Xn-1+rn-2Xn-2+…+r1X+r0

則有：

R(x)=P(x)g(x)+S(x)S(x)稱為接收碼字的伴隨式，最多可取2n-k種不同值。若S(x)=0，譯碼判斷R(x)就是發(fā)端發(fā)來的碼字；若S(x)≠0，認(rèn)為接收碼字錯誤。錯誤圖樣E(x)=en-1Xn-1+en-2Xn-2+…+e1X+e0又R(x)=C(x)+E(x)=Q(x)*g(x)+s’(x)可見伴隨式中包含有疊加在發(fā)送碼字上的錯誤信息，所以不僅可利用伴隨式進(jìn)行檢錯，還可用伴隨式完成一定范圍的糾錯。若R(x)中的錯誤碼元數(shù)為t，則

t≤(d0-1)/2時，對任何一種重量為t的錯誤圖樣，唯一對應(yīng)一個伴隨式；

(d0-1)/2

＜t≤d0-1時，可以出現(xiàn)多個錯誤圖樣對應(yīng)一個伴隨式的情況，此時不能由伴隨式確定唯一的錯誤圖樣，不能完成糾錯，但可以檢錯；

t>d0時，伴隨式會出現(xiàn)等于0和不等于0兩種情況，不能完成檢錯。二、循環(huán)碼的檢錯能力1.循環(huán)碼的檢隨機(jī)差錯的能力(1)能檢出發(fā)送碼字中所有單個錯誤；(2)若g(x)的項數(shù)為偶數(shù)，則可以檢出所有奇數(shù)個錯誤；(3)若g(x)中含有因式(x+1)，則g(x)的項數(shù)必為偶數(shù)2.循環(huán)碼檢突發(fā)差錯的能力任意一種突發(fā)差錯的錯誤圖樣可記為：

E(x)=xiB(x)式中B(x)為b-1次多項式，一個突發(fā)長度為b的突發(fā)錯誤，其首位和末位有錯，中間碼元可能有錯也可能無錯，所以B(x)=Xb-1+bb-2Xb-2+…+b1X+1(1)由n-k次g(x)生成的循環(huán)碼，能檢出所有b≤n-k的突發(fā)錯誤；(2)若b=n-k+1時，則不能檢出的突發(fā)錯誤占同樣長度的突發(fā)錯誤總數(shù)的2-(n-k-1)；(3)若b>n-k+1時，則不能檢出的突發(fā)錯誤占同樣長度的突發(fā)錯誤總數(shù)的2-(n-k)；§2.9陪集碼群同步是用插入特定的同步碼來實現(xiàn)的。除了這種方法以外，還可不用特定的同步碼，利用碼組本身的特性也能檢查出同步來，這種碼叫自同步碼，遠(yuǎn)動中采用陪集碼。

循環(huán)碼循環(huán)移位后仍是一個碼字，所以它的抗失步能力較弱。若改為陪集碼，既保持循環(huán)碼的代數(shù)性質(zhì)和最小碼距，又能保護(hù)同步，遠(yuǎn)動中用它來檢查失步造成的錯碼。1.定義在(n,k)循環(huán)碼的碼字上，加上一個固定的數(shù)字序列而生成的分組碼稱為陪集碼，表示為：

T(x)=C(x)+P(x)式中C(x)—(n,k)循環(huán)碼多項式

P(x)—陪集首多項式，它是一個次數(shù)小于n的固定多項式，且P(x)不是碼字適當(dāng)選擇P(x)，可使陪集碼具有一定的檢查失步和恢復(fù)同步能力。

收端收到一個陪集碼T(x)，首先要消去陪集首多項式，即進(jìn)行T(x)+P(x)的運算，然后按循環(huán)碼檢錯進(jìn)行譯碼，檢、糾錯能力與原循環(huán)碼相同。電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動規(guī)約中，P(x)取為

B(x)=Xn-k-1+Xn-k-2+…+X+1

即把所有監(jiān)督位取反，對于(48,40)碼，為FFH?！?-8循環(huán)碼的編譯碼算法系統(tǒng)循環(huán)碼的編碼是將信息多項式M(x)乘以Xn-k，再除以生成多項式g(x)，把所得余式R(x)與g(x)模2加，便得到碼字C(x)。譯碼時用接收碼字去除以生成多項式g(x)，判余式是否為零。由此可見，無論編碼還是譯碼，都要進(jìn)行多項式的除法運算，求余式。二元域上的多項式的除法運算，可以用多項式計算，也可以用多項式對應(yīng)的二進(jìn)制序列運算。當(dāng)用生成多項工g(x)=X3+X+1生成(7,4)系統(tǒng)循環(huán)碼時，對信息多項式M(x)=X3+X2+X+1的編碼和對它生成的碼字進(jìn)行譯碼的除法運算，可以用二進(jìn)制序列計算如下：

11011101.1011)11110001011)111111110111011.100000中間余數(shù)100111中間余數(shù)

10111011.01100中間余數(shù)01011中間余數(shù)

00000000.1100中間余數(shù)1011中間余數(shù)

10111011.111最后余數(shù)000最后余數(shù)在運算中，當(dāng)被除數(shù)或中間余數(shù)的位數(shù)不小于除數(shù)位數(shù)n-k+1時，若被除數(shù)或中間余數(shù)的最高位為1，則商取1，同時將被除數(shù)或中間余數(shù)的前面n-k+1位與除數(shù)的n-k+1位模2相加，得加一個中間余數(shù)；若被除數(shù)或中間余數(shù)的位數(shù)不小于n-k+1，但最高位是0，則商取0，在被除數(shù)或中間余數(shù)的前n-k+1位模2加n-k+1個0，得新的中間余數(shù)，直到最高位是1，重復(fù)前面運算過程；當(dāng)中間余數(shù)位數(shù)等于n-k時，運算結(jié)束，這個中間余數(shù)就是最后余數(shù)。

多項式的除法運算，可以用反饋移位寄存器實現(xiàn)，構(gòu)成除法電路。在計算機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)循環(huán)碼的編碼和譯碼可以不采用除法電路，而直接用程序來完成編碼和譯碼的除法運算。(n,k)系統(tǒng)循環(huán)碼的編譯碼，要分別完成xn-km(x)/g(x)和S(x)/g(x)的除法運算，它們都是n位二進(jìn)制序列除以n-k+1位二進(jìn)制序列的除法運算。如果按通常的除法運算過程進(jìn)行程序設(shè)計，程序執(zhí)行的時間較長。為了提高運算速度，可以采用一種快速簡便的查表算法實現(xiàn)除法運算，稱為軟件表法。一、軟件表法I

軟件表法I應(yīng)用在校驗位較少，即n-k比較小的情況。它可以處理信息位k是較驗位n-k的整數(shù)倍和信息位不是校驗位的整數(shù)倍兩種情況。

下面僅討論信息位正好為校驗位的整數(shù)倍，即k=p(n-k)(p為整數(shù))時，軟件表算法I的實現(xiàn)方法。設(shè)k位信息序列M=mk-1,mk-2,…,m1,m0,若對其進(jìn)行編碼，軟件表算法I的步驟是：

(1)把k位信息序列M分成長度為n-k位的p個信息段，記為M=M1,M2,…Mp。

(2)在第一個信息段M1后面添加n-k個零，然后除以生成多項式g(x)得余數(shù)r1。再將余數(shù)r1與第二個信息段M2模2加得M’2。

(3)在M’2后面添加n-k個零，然后除以生成多項式g(x)得余數(shù)r2。再將余數(shù)r2與第三個信息段M3模2加得M’3。

(4)對M’3按步驟(3)進(jìn)行得M’4，如此下去直到對M’p按步驟(3)進(jìn)行得到rp，它就是信息序列M編碼就得的余數(shù)。這時信息序列M對應(yīng)的碼字是C=M1,M2,…Mp,rp。碼字中的Mi(i=1,2,…,p)和rp都是n-k位的二進(jìn)制序列。

軟件表算法I把xn-km(x)/g(x)的除法運算變成了分段進(jìn)行的除法運算。并且每一段運算都是在n-k位二進(jìn)制序列后面添加n-k個零，再除以生成多項式求余數(shù)。對長度為n-k位的二進(jìn)制序列，最多只有2n-k種不同取值，所以算法中進(jìn)行的除法運算，被除數(shù)最多只能取2n-k個不同值。因此可以事先完成這2n-k個被除數(shù)除以生成多項式的除法運算，并把計算出的2n-k個余數(shù)稱為中間余數(shù)存在內(nèi)存中，建立一個中間余數(shù)表。以后對任何長為k位的信息編碼時，各信息段的除法運算只要用信息段的取值去查表，便可以找到該信息段對應(yīng)的中間余數(shù)。從而避免了對每個信息段進(jìn)行一次求余數(shù)的除法運算。這個中間余數(shù)表也稱為軟件表，這種算法稱為軟件表算法I。當(dāng)用軟件表算法I對接收碼字譯碼時，先作該算法對接收碼字中的k位信息分段查表，求出接收碼字中信息位的余數(shù)。再將計算出的信息位的余數(shù)與接收碼字中的校驗位模2加，得到的結(jié)果便是接收碼字的伴隨式。例：已知g(x)=x8+x2+x+1，設(shè)待編碼的信息序列M=1100101111100011101000010011110100000001試用軟件表法I生成一個（48，40）系統(tǒng)循環(huán)碼碼字。軟件表算法I中，中間余數(shù)的個數(shù)為2n-k個，中間余數(shù)的位數(shù)為n-k位。當(dāng)n-k太大時，軟件表占內(nèi)存容量過大。因此，該算法一般用在n-k比較小的情況。二、軟件表算法II

當(dāng)n-k比較大時，為了減少軟件表所占內(nèi)存單元和數(shù)量，可采用軟件表算法II實現(xiàn)循環(huán)碼的編譯碼。軟件表算法II對校驗位n-k為偶數(shù)和為奇數(shù)時，分兩種情況處理。下面僅討論n-k為偶數(shù)，并且信息位k正好是(n-k)/2的整數(shù)倍，即k=p(n-k)/2(p為整數(shù))的情況。

設(shè)信息序列M=mk-1,mk-2,…,m1,m0,若對其進(jìn)行編碼，軟件表算法II的步驟是：

(1)把k位信息序列M分成長度為(n-k)/2位的p個信息段，記為M=M1,M2,…Mp。

(2)在第一個信息段M1后面添加n-k個零，然后除以生成多項式g(x)得余數(shù)r1。再將n-k位中間余數(shù)r1分成兩段，前半段的(n-k)/2位是高位段，記為r1H,后半段的(n-k)/2位為低位段，記為r1L。

(3)將r1H與第二個信息段M2模2加，得M’2。在M’2后面添加n-k個零，然后除以生成多項式，得中間余數(shù)r2，再將n-k位中間余數(shù)r2分成兩段，前半段的(n-k)/2位是高位段，記為r2H,后半段的(n-k)/2位為低位段，記為r2L。

(4)將r2H和r1L與第三個信息段M3模2加，得到得M’3=r2H+r1L+M3。在M’3后面添加n-k個零，然后除以生成多項式，得中間余數(shù)r3，再將n-k位中間余數(shù)r3分成兩段，前半段的(n-k)/2位是高位段，記為r3H,后半段的(n-k)/2位為低位段，記為r3L。(5)對M3后面的信息段重復(fù)步驟(4)，直到求出M’p=r(p-1)H+r(p-2)L+Mp。在M’p后面添加n-k個零，然后除以生成多項式，得中間余數(shù)rp，再將n-k位中間余數(shù)rp分成兩段，前半段的(n-k)/2位是高位段，記為rpH,后半段的(n-k)/2位為低位段，記為rpL。將rpH與r(p-1)L模2加得rH=rpH+r(p-1)L,令rL=rpL。則rH和rL分別為信息序列M的余式r的高(n-k)/2位和低(n-k)/2位。記為r=rHrL。則C=M1,M2,…,Mp,rH,rL。C中的Mi(i=1,2,…,p)，rH和rL都是(n-k)/2位的二進(jìn)制序列。

第4章遠(yuǎn)動信息的信源編碼4.1開關(guān)量采集接口（遙信量的采集與處理）遙信信息是二元狀態(tài)量，即是說對于每一個遙信對象而言它有兩種狀態(tài)，兩種狀態(tài)為“非”的關(guān)系。因此一個遙信對象正好可以對應(yīng)于計算機(jī)中二進(jìn)制碼的一位，“0”狀態(tài)與“1”狀態(tài)。在電力系統(tǒng)中，遙信信息可以表示設(shè)備的啟停、斷路器的投切、隔離開關(guān)的開合、告警信號的有無、保護(hù)動作與否等。

一．遙信對象狀態(tài)的采集遙信信息通常由電力設(shè)備的輔助接點提供，輔助接點的開合直接反映出該設(shè)備的工作狀態(tài)。提供給遠(yuǎn)動裝置的輔助接點大多為無源接點，即空接點，這種接點無論是在“開”狀態(tài)還是“合”狀態(tài)下，接點兩端均無電位差。另一類輔助接點則是有源接點，有源接點在“開”狀態(tài)時兩端有一個直流電壓，是由系統(tǒng)蓄電池提供的110V或220V直流電壓。一些保護(hù)信號提供此類接點。

下圖給出了兩類觸點信號的例子。圖(a)