南京航空航天大学
硕士学位论文
基于SERCOS总线的数控系统高速数字通信技术研究
姓名：张剑
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：楼佩煌
20080301
南京航空航天大学硕士学位论文
摘 要
随着开放式数控和数字伺服技术的发展，如何实现控制单元与交流伺服装置之间的高速数字通信成为运动控制领域面临的关键问题。随着数控系统控制精度和实时性要求日益提高的情况下，模拟接口已经不能满足现代数控技术的要求。本文的研究目的就是将运动控制现场总线SERCOS技术与ARM嵌入式技术结合，应用于满足开放式数控对伺服设备的高速和高精度的控制要求，确保数据传输的实时性和可靠性。
本文首先介绍了开放式数控技术及现场总线技术，并详细研究了运动控制总线SERCOS的协议特征和工作原理，分析了其技术优势。然后介绍了SERCOS 通讯系统的实现结构，在ARM嵌入式技术的基础上，设计和开发了开放式的SERCOS主、从站通讯卡，并详细介绍了软、硬件开发的关键技术和实现方法。系统主站采用实时操作系统μC/OS-Ⅱ进行任务进程和中断服务的管理，并采用USB总线与PC机进行实时通讯，满足了系统开放性和实时性的要求。从站采用标准的伺服接口嵌入伺服驱动器中，并能够进行实时的指令发送和数据采集。
设计中充分考虑了工业环境下对通讯系统的可靠性要求，从原理图到PCB 都考虑了电磁兼容技术，完成了高可靠性的硬件电路设计和开发。通过整个系统的实际运行和调试结果，验证了自主设计的基于SERCOS总线通讯系统的软、硬件方案的可行性及各项功能的有效性。
最后，对全文作了总结，并根据系统在实际应用中存在的问题，对进一步的工作提出了建议。
关键词：开放式数控，SERCOS，ARM，伺服驱动器，μC/OS-Ⅱ
Abstract
With the technology development of open CNC and digital servo, how to realize high-speed digital communication between control unit and AC servo driver is becoming the key problem in motion control field. With the requirement of higher control precision and real-time in CNC, interface for analog signals can’t meet the requirement. The purpose of this paper is to combine the SERCOS fieldbus technology of motion control with embedded ARM technology to satisfy the requirement of high speed and precision in open CNC, and also guarantee the real-time and the reliability of the data transmission.
Firstly open CNC and fieldbus technology are introduced. Besides, the protocol characters and working principle of SERCOS bus are elaborated and the advantages of SERCOS are analyzed. Then the realization structure of SERCOS communication system is presented. Open master and slave SERCOS communication boards are designed based on ARM technology. The key technologies and realization methods of software and hardware are introduced in detail. Master board uses the r e al-time operating system μC/OS-Ⅱ to manage mission courses and interrupt services, and use USB to communicate with PC. The open and real-time requests are satisfied in the control system. Slave board uses the standard servo interface to communicate with servo drivers. Real-time order transmission and data collection are realized.
High demands for reliability in industrial environment are taken into account in the design of system hardware. The EMC technology is carried out from the principle scheme to PCB layout. A high reliable hardware plan is a chieved. Through the debugging data from practical application, the feasibility of software and hardware schemes of the self-designed communication system based on SERCOS bus and the effectiveness of the functions are verified.
Finally, the whole work is summarized. Some suggestions are made on what needs further study.
Key words: open CNC，SERCOS，ARM，servo driver，μC/OS-Ⅱ
图清单
图1.1 现场总线通信网络的层次结构 (4)
图2.1 SERCOS接口的拓扑结构 (13)
图2.2 SERCOS传输线连接图 (13)
图2.3 发送器和接收器实物图 (14)
图2.4 光纤传输线实物图 (14)
图2.5 SERCOS报文基本结构 (15)
图2.6 服务通道数据传输原理图 (17)
图2.7 CP0阶段通讯周期时序图 (18)
图2.8 CP1阶段通讯周期时序图 (18)
图2.9 周期数据的配置 (19)
图2.10 CP4阶段通讯周期时序图 (19)
图2.11 SERCON816的功能结构图 (20)
图3.1 SERCOS控制系统总体结构 (22)
图3.2 主站硬件结构框图 (22)
图3.3 CPU部分电路原理图 (24)
图3.4 LPC2220启动过程 (25)
图3.5 存储器部分电路原理图 (26)
图3.6 电源部分原理图 (26)
图3.7 复位部分和调试接口原理图 (27)
图3.8 ARM与SERCON816连接示意图 (27)
图3.9 SERCON816电路原理图 (28)
图3.10 光纤接收器和发送器电路图 (29)
图3.11 USB接口电路图 (31)
图3.12 RS232电平转化原理图 (32)
图3.13 从站硬件结构框图 (32)
图3.14 开关量输出原理图 (33)
图3.15 开关量输入原理图 (34)
图3.16 脉冲输入输出原理图 (34)
图3.17 计数电路原理图 (35)
图3.18 从站PCB电路图 (39)
图3.19 主、从站连接实物照片 (40)
图4.1 μC/OS-Ⅱ任务状态转换图 (45)
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图4.2 嵌入式系统的软件结构 (45)
图4.3 宿主机/目标机示意图 (46)
图4.4 CodeWarrior IDE主窗口 (46)
图4.5 AXD调试器主窗口 (47)
图4.6 宿主机JTAG调试机理 (47)
图4.7 主站的任务流程如图 (49)
图4.8 主站初始化任务流程图 (50)
图4.9 读数据函数M_ReadData流程图 (51)
图4.10 写数据函数M_WriteData流程图 (52)
图4.11 数据接收中断位置示意图 (52)
图4.12 中断程序流程图 (54)
图4.13 从站的程序流程图 (55)
图4.14 从站初始化流程图 (56)
图4.15 从站t0和t1时间点示意图 (57)
图4.16 从站周期通讯流程图 (57)
图4.17 主站USB通信软件框架图 (60)
图4.18 USB写任务流程图 (61)
图4.19 USB读任务流程图 (61)
图4.20 SERCOS通讯系统控制界面 (62)
图4.21 系统实物连接图 (63)
图4.22 位置模式控制数据输入 (63)
图4.23 速度模式控制数据输入 (64)
表清单
表1.1 三种运动控制总线的比较 (7)
表2.1 SERCOS数据块结构 (16)
表3.1 MCLK与数据传输率的关系表 (29)
表4.1 SERCOS主站任务功能表 (48)
表4.2 位置控制模式下运行结果 (64)
表4.3 速度控制模式下运行结果 (64)
承诺书
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
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第一章 绪论
１．１ 开放式数控及伺服接口技术
１．１．１ 开放式数控技术概述
随着自动化技术的发展，为实现计算机控制的设备轨迹运动，伺服电机控制装置（步进、交流、直流）已越来越多地用于工业自动化设备的控制。过去这类伺服电机控制装置的制造一直为少数大公司所垄断。由于各公司的控制策略不同，造成各公司的数控设备开放性差，升级、扩展和维护困难。随着CNC技术更多地进入分布式控制系统和FMS，这种相对封闭的数控系统构成方式已不能适应用户对设备开放性、互换性和扩展性方面的需要，开放式数控技术就是在这种情况下为解决这些问题而提出的。其中，基于PC的开放式数控系统克服了传统数控系统的缺点，它具有使机器制造商的产品不需要依赖于某个特定的硬件、软件供应商，可以优化选配来自不同供应商的零部件和组件模块，能要求供应商提供最大的柔性等优点。因此，开放式数控系统已成为当今各先进工业国家发展的焦点。
IEEE（国际电气电子工程师协会）对开放式系统的定义是：符合系统规范的应用可运行在多个销售商的平台上，可与其他的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。因此，开放式数控系统具有五个方面的系统特性：系统互换性、可伸缩性、可移植性、互操作性和可扩展性。它实质上是一种通用计算机上的标准应用程序，而非传统数控系统那样包含许多插件板的专有硬件系统。
基于PC的开放式数控系统完全遵守IEEE定义，并建立在“供应商中立结构”的基础上，其核心思想是控制单元的模块化。欧洲的OSACA、美国的OMAC 和日本的JOP/OSEC等的发起者都是以这种体系结构制订规范并进行设计。基于这种模块化结构的开放式控制系统具有可移植性、互操作性、可扩展性和可重用性等优点，但也对其与伺服驱动器之间通信接口的实时性、开放性和可扩展性提出了更高的要求。同时，由于目前先进的CNC系统的性能很大程度上依赖于伺服驱动器，驱动器的控制能力、响应时间、速度范围和动态性能决定了控制系统的总体性能[6]。
基于SERCOS总线的数控系统高速数字通信技术研究
１．１．２ 数字伺服技术
数字伺服装置的出现是数控技术发展史上重要的里程碑。采用数字伺服装置，使得所有指令值和实际值都能在一个微处理器内完成处理，不但能实现传统的扭矩环和速度环控制，而且能在极短的时间内完成精插补，实现位置环控制。与使用模拟伺服装置相比，采用数字伺服装置能够提供更广的速度范围和更精确的速度控制，能获得更高的加工精度和加工速度，并引入适应性控制，能提供参数调整能力和系统的诊断，且控制硬件简单，系统的复杂性和成本都大大降低。
随着开放式数控和数字伺服技术的发展，如何实现控制单元与交流伺服装置之间的高速通信成为数控领域研究的重要内容之一。全数字化与接口开放化己经成为伺服驱动系统的两个重要发展趋势。一方面，微电子技术、电力电子技术的发展，为伺服驱动系统由传统的模拟式、数模混合式向全数字式方向发展铺平了道路。另一方面，为了满足不同伺服生产厂家的产品互换，全数字伺服需要有一个开放式接口。数字伺服驱动的出现表明了模拟接口已经完全不适应驱动技术的发展，这一点在目前对数控系统的控制精度和实时性要求日益提高的情况下，体现的更加明显[10]。
１．１．３ 传统模拟接口的缺点
在传统数控系统中，运动控制器和伺服驱动器之间都采用模拟接口。它运用EIA的RS-431定义的标准，其电压的幅值代表速度、极性代表方向，这个“速度命令”信号通常调整到7-10V，该电压代表电动机全速运转，因而称之为“正负10V命令”。模拟接口是简单的、开放的、国际接受的，它允许原始装备制造厂和终端用户把来自不同供应商的驱动器和控制器集成起来。但是，它相对于数字接口同时具有很多缺陷：
（1） 它对噪声（电磁干扰）敏感，容易漂移，分辨率低。
（2） 它只能从控制器到驱动器单向传送一条指令，严重限制了信息量。
（3） 它接线复杂，布线成本高，大量的接线加上缺乏诊断能力常常导致故障检测困难，需要花费很多时间。
为了克服模拟接口的缺点，众多运动控制器及伺服驱动器供应商开发出了各种专有的运动控制数字接口，即总线接口，如SERCOS、MACRO和Fire Wire等。与模拟接口相比，这些数字接口具有明显的技术优势：可以大大节省布线和安装时间、费用；控制器可以访问所有驱动数据；更为准确的电机控制；驱动和控制可以使用同一套软件编程；能够降低系统噪音[3]。
以SERCOS总线接口为例，它是供应商中立的开放式接口标准，除了摒弃所有模拟接口的缺点之外，还提供了高度实时性和高精度同步，并且具有配置和
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访问多达400多个不同的驱动器参数的能力，且包含了在多供应商的环境下，确保控制器兼容性和互操作性所必需的全部规定。SERCOS总线接口的具体工作特性将在第二章作详细介绍。
１．２ 现场总线技术
１．２．１ 现场总线技术概述
80年代末，随着计算机、通讯和控制技术的发展，出现了现场总线技术，其为解决伺服接口问题提供了新的思路和方法。
现场总线是用于支持现场装置，实现传感、变送、调节、控制、监督以及各装置之间通信等功能的通信网络，保证网内设备间相互透明有序地传递信息和正确理解信息是它的主要任务。它作为网络系统最显著的特征是，具有开放统一的通信协议，负责生产现场控制和测量的特殊任务。
目前，在国内外工业控制领域应用的主流现场总线主要有以下几种：
1） Profibus总线
Profibus总线由德国Siemens公司于1987年推出，是德国DIN19245国家标准、EN50170欧洲标准和IEC61158国际标准，由Profibus-DP, Profibus-PA, Profibus-FMS三个兼容部分组成。由于Profibus-FMS主要用于车间级大范围和复杂的通信任务，以及Profibus-PA主要用于过程自动化，因此在这里只考虑Profibus-DP。Profibus-DP是专门为中央自动控制系统与设备级分散的I/0之间通信设计的，主要用于设备级的高速数据传送。Profibus-DP采用主/从方式进行工作，当系统运行时，主站按顺序访问每一个从站。在一个系统中可能有多个主站，多个主站间通过令牌传递方式来分配系统。Profibus-DP的传输介质可以是双绞线或光纤，传输速率可达9.6Kbit/s~12Mbit/s。
2） CAN总线
CAN总线由法国BOSCH公司于1993年推出，是IS011898国际标准。它是一种具有高可靠性，支持分布式控制、实时控制的多主数据总线，适用于对实时性要求较高的小型网络。CAN总线的多个主站依据优先权进行总线访问，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活。CAN总线的传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，节点数可达110个，传输速率为5Kbit/s~1Mbit/s。
3） Interbus-S总线
Interbus-S由德国Phoenix Contact公司80年代推出，是德国DIN19258国家标准、EN50254欧洲标准和IEC61158国际标准。Interbus-S总线定位较低，其协
基于SERCOS总线的数控系统高速数字通信技术研究
议较为简单，帧较短，数据传输无仲裁。Interbus-S的传输介质可以是双绞线或光纤，节点数可达256个，传输速率为500Kbit/s作为一种传感器/执行器层
次的现场总线，它在制造业和机器加工行业得到了较多的应用[3]。
4）SERCOS总线
SERCOS总线由德国机床协会和德国电力电子协会于1987年联合推出，是IEC61491国际标准。SERCOS总线采用光纤作为传输介质，分主站和从站，主站与从站连成环状。一个光纤环中，可连接的从站数多达254个。它的传输速率为2Mbit/s、4Mbit/s、8Mbit/s或16Mbit/s，与所用的控制芯片有关。虽然SERCOS 总线开始是为CNC与数字伺服接口而开发，但迄今已被广泛应用于通用运动控制器与数字伺服之间的接口。从以上可以看出，虽然以上4种现场总线都是国际标准，都具有开放性，但相比之下，SERCOS总线在传输速率、传输介质等方面具有较大优势；同时，由于SERCOS总线原本是为CNC与数字伺服接口而开发，因此它更适合于多轴联动控制[29]。
１．２．２ 现场总线应用分类
一般来讲，自动化制造企业的现场总线通信网络可分为三层，如图1.1所示，在不同的层次上需要采用不同类型的通信总线。
图1.1 现场总线通信网络的层次结构
1）信息层总线
信息层总线用来把制造单元控制器连接到企业系统的设备上，同时实现相关制造单元的互连。其用来根据专门的工艺对制造单元进行配置，在系统和相关的制造单元间传递信息，检索状态信息。它们必须传送大批量信息，只需在低速下
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进行操作。它们可以使用Ethernet上的分层协议，或者专用协议，或者工业控制层总线（例如ControlNet，ModBus Plus，Data Highway Plus）。
2）设备层总线
一个运动控制器作为制造单元的一个I/O点，也把它称为I/O设备。I/O总线把各种类型的I/O设备连接到它的上层，同时允许I/O设备间进行对等通信。它传送很少量的信息，但是运行速度较快，通信的周期时间一般在10~20us之间。可采用的总线有：DeviceNet，Profibus DP，Interbus-S，CanOpen。
３）运动控制总线
运动控制总线把运动控制器和驱动器连接起来。它支持位置、速度、电流和力矩命令以及驱动器参数信息和详细的诊断信息。运动控制总线必须根据特有的结构，以较高的速度传送信息。其是为完成多轴系统运动控制任务而设计的。可以采用的总线有SERCOS和MACRO等[4]。
１．３ 国内外研究现状及发展趋势
１．３．１ 开放式数控发展概况
开放式控制系统在国外的发展源于1981年，美国为了拟定并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范，开始了名为“下一代控制器”的计划。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中较有影响的有以下几个：（1）美国OMAC（Open System Architecture for Control Within Automation System）计划。美国Ford、GM和Chrysler等公司联合提出该开发计划。该计划提供软硬件模块的即插即用和高效的控制器重构机构，使系统制造厂和最终用户分别从缩短开发周期、降低开发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。
（2）欧盟OSACA（Open System Architecture for Control Within Automation System）计划。该计划是1990年由德国、法国等国家联合发起的，提出了一个“分层的系统平台+结构功能单元”的结构，以通讯系统、参考体系结构、配置系统为三个主要组成部分，由一组逻辑的、离散的组件组成，允许不同供应商提供的组件之间的协调工作。
（3）日本OSEC（Open System Environment for Controller）计划。该计划是在日本开放式数控委员会的倡导下发起的，目的是开发基于PC平台的，具有高性能价格比的开放式体系结构。OSEC所制定的接口协议主要通过自行开发的FADL（Factory Automation Equipment Description Language）中性语言体系来实现[6]。
基于SERCOS总线的数控系统高速数字通信技术研究
开放式数控系统在国内的发展主要有以下两个方向：
（1）基于Windows9X或NT的开放式数控系统
结合数控系统的实时性要求和Windows9X或NT的抢占式事件驱动方式与多任务处理的特点，在Windows9X或NT可以实现数字控制功能。整个系统由一台计算机外加一些功能模块组成，在这种控制模式下，CNC系统软件的开发重点是应用程序和设备驱动程序的编制。
（2）基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统
现场总线技术可以将大量的并行信号转化为串行信号，利用电缆或光缆可以在上百台设备之间实时传递上千路的信号。当前现场总线接口和数据交换大多使用SERCOS协议。基于现场总线技术的特点，可以通过SERCOS实现工业控制计算机和数字伺服系统、传感器和可编程控制器I/O之间的实时通信。
综合以上所述可以看出，国内外的开放式控制系统各有优点，但无论哪一种体系结构的控制系统，其与伺服驱动器之间，都要以开方式、高速和高精度的数据通讯为重要前提，否则控制系统的优越性无法体现在具体的运动控制中，系统的开放性要求也无法实现[28]。
１．３．２ 运动控制总线研究现状
作为开放式系统的关键技术之一，开放式的运动控制总线接口技术的发展也引起了越来越多的重视。近年来，国外各大数控系统公司纷纷推出高档数控系统的数字接口协议，即数字伺服接口，如日本发那科公司的串行伺服总线FSSB，德国西门子公司的PROFIBUS-DP总线，日本三菱的CC-LINK总线等。其中包括SERCOS总线在内，市场上主要应用的有下列三种运动控制总线接口。表1.1列出了三种运动控制总线的特性比较。
（1）MACRO（Motion And Control Ring Optical）
该总线由美国Delta Tau公司开发。它以环形拓扑结构和串行发送数据的方式操作，每个环上的主控站有一个数据接收口和数据发送口。在一个环上可以有多个节点（最多到16个），允许联动多个驱动器，并可带有一个I/O站。
MACRO允许用户选择分布式的智能化驱动器（与SERCOS一样，但是在这里部分控制保留在运动控制器中，另一些控制保留在驱动器中）或集中式控制器（由运动控制器处理所有的控制）。MACRO不是标准化接口，虽然它作为非专有系统向外供应，但是除Delta Tau公司外，接受该接口的制造商是有限的，因而可选择的硬件和提供技术支持的数量是很小的。
（2）Fire Wire的系统
Fire Wire很大程度上类似于Ethernet，是一个标准的高速协议（IEEE1394），
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是为更通用化的目的开发出来的。其支持者认为它占有大量的消费市场，有非常低的产品成本和广泛的支持。Fire Wire不是完整的运动控制总线，而是一个物理层定义，供应商必须对它加进协议、信息内容、数据格式和编程，才能建成一个运动控制总线。但若干供应商之间的这些总线接口是不相容的。
其优点是：具有实时性带宽，支持非常高的数据传送率，还支持设备的热插拔和对等通信。主要缺点是：当前物理层之外的附加组件对每个制造商都是不同的，具有专用性。
表1.1 三种运动控制总线的比较
特性SERCOS MACRO Fire Ware 网络拓扑结构环行环行树形通讯类型串行串行串行
传输速率2/4/8/16Mbit/s 125Mbit/s 400Mbit/s
支持的伺服环模式位置，速度，力矩位置，速度，力矩位置，速度，力矩
命令刷新速率
速度为4Mbit/s时
位置环：4KHz
速度，电流环：16KHz
2KHz~10KHz
电流环：16KHz
速度、位置环：16KHz
主站数量每环1个16 16 网络最大节点数254 16 63 国际标准IEC61491 无IEEE-1394
（3）SERCOS （Serial Real-time Communication Specification）
从表面上看，SERCOS总线上的数据传送速率比与之竞争的其他总线低很多，但实际并非如此。
首先，总线的性能不仅与总线速度有关，而且与PC机和远程节点如何处理数据有关。SERCOS采用无源接口控制芯片和报文传送数据，很大程度上减少了数据处理时间。测试结果证明：采用SERCON816芯片在16Mbit/s传输速率下工作的SERCOS系统的数据处理速率相当于在100Mbit/s传输速率下工作的Ethernet系统的数据处理速度。
其次，与其他总线不同，SERCOS总线的数据传送速率描述的是一个位置命令的刷新速度，而速度环、电流环和位置环的刷新速度比位置命令的刷新速度快得多。例如，采用4Mbit/s的SERCOS总线芯片，驱动器以2kHz刷新位置环，以4kHz刷新速度环，以16kHz刷新电流环，如果采用16Mbit/s的SERCOS芯片，伺服环的命令刷新速度就要超过其他运动控制接口[6]。
第三，SERCOS总线接口在高速机器的应用中实际性能很好，完全满足了制造业对高速性的要求，具体内容在第二章中介绍。
基于SERCOS总线的数控系统高速数字通信技术研究
实践证明了SERCOS接口比其他运动控制接口的总线传输效率更高，因而达到了更高的控制效率和更好的控制效果。要将SERCOS总线技术应用到数控系统中，必须在运动控制器和伺服驱动器都加入SERCOS接口部分，分别作为主、从站进行通信。本文正是出于这一目的，设计并开发了具有开放性的SERCOS 主、从站通讯系统，该系统的硬、软件设计与实现将在后续的章节中详细介绍。
１．４ 本课题的研究意义和目标
目前，伺服系统中数字控制技术使用得越来越多，除了位置调节环外，速度调节环也可采用数字调节技术，只有电流环还常常采用模拟电路实现。利用SERCOS数字技术实现的伺服系统能实现较高的调节精度，具有较高的可靠性和信号再现能力，可进一步选择优化的伺服调节和控制策略（如前馈控制和自学习控制），拓宽伺服系统的伺服控制能力，提高整个数控系统的柔性。采用SERCOS 数字接口传输，各调节器位置比较灵活，可全部安排在伺服装置中。运动控制器将位置命令由数字驱动接口SERCOS输出，通过现场总线串行传输给伺服装置，伺服装置也通过SERCOS接口接收位置命令，由伺服装置完成全部调节。
本课题为省重点实验室开放式课题“高速精密数控系统关键技术开发”中的子课题，主要是对数控领域中高速实时网络通讯技术的研究。鉴于微处理器技术的快速发展和普遍应用，SERCOS总线相对于其他总线在数字控制领域的技术优势，以及目前国内的运动控制器和伺服驱动器缺少高速高精度的总线接口，将研究目标定位在基于ARM嵌入式控制技术、SERCOS光纤总线技术和USB总线技术，开发适用于运动控制器和伺服驱动器之间数据交换的开放式的SERCOS 主、从站通信系统，并实现整个运动控制系统的通信。
使用这种自主开发的主、从站通信系统，并完成整个运动控制系统中SERCOS通信部分的软、硬件搭建，能够建立完整的SERCOS通信，完成数据的高速读写，实现真正的数字控制。这将有利于SERCOS技术在国内数控产品中的应用，使国内的伺服产品的开放性得到提高，促进了国内运动控制领域通信技术的发展。同时对于进一步发展开放式数控，提高自身产品的竞争力，打破国外产品的垄断具有积极意义。
１．５ 本文的主要研究内容及安排
本文对SERCOS总线的技术优势进行了研究，并基于ARM嵌入式技术和USB技术对开放式的SERCOS通讯系统进行研究和开发，其中包括主、从站通
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讯系统软、硬件的若干关键技术及具体的实现方法，在此基础上设计和实现了完整的环形通信。本文各章节安排如下：
第一章绪论。本章分析了开放式数控及伺服接口技术的国内外研究现状和发展趋势，介绍了现场总线技术的特点和优点以及运动控制总
线技术。阐明了本课题的研究意义和目标、论文的主要研究内容。
第二章 SERCOS总线技术研究。本章详细研究了SERCOS总线技术。
重点介绍了SERCOS总线的技术发展、技术特性、工作原理以及
协议规范。
第三章 SERCOS通信系统硬件设计。首先根据功能分析，分别完成了主站和从站通讯卡及其功能模块的设计和具体的实现电路。利用
EDA软件，在综合考虑工业现场环境下存在的干扰、信号滤波、
隔离、接地等EMC因素基础上，完成了硬件电路PCB版图的设
计，并完成了主、从站的硬件开发。
第四章 SERCOS通信系统软件设计。首先描述了基于实时操作系统μC/OS-Ⅱ进行嵌入式软件设计的优点，并详细介绍了主、从站通
讯卡的驱动程序和控制软件的设计。利用USB协议，在PC使用
VC6.0开发了运动控制参数USB操作界面，实现了主站和PC之
间的通讯功能，有效保证了系统数据采集和实时控制的需求。同
时总结了本文开发的SERCOS通信系统现场总体测试结果和调试
情况。
第五章总结与展望。本章对本课题的相关研究进行了总结，并对进一步的研究提出了建议。
基于SERCOS总线的数控系统高速数字通信技术研究
第二章SERCOS总线技术研究
２．１ SERCOS总线概述
SERCOS（Serial Real-time Communication Specification，串行实时通信协议）是一种用于工业机械电气设备的控制单元和数字伺服装置之间高速串行实时通信的数字交换协议。它由德国主要CNC制造商、伺服系统制造商和研究机构共同发起成立的SERCOS协会提出，于1995年被确认为IEC61491国际标准。其目的是制定一个CNC系统与数字伺服系统之间统一的数据交换接口，提供各厂商产品间互换的可能性。目前，SERCOS是唯一的运动控制总线标准，在世界上超过120家控制器和驱动器厂家支持[2]。
２．１．１ SERCOS总线技术发展及应用现状
自1995年SERCOS接口成为国际标准以来，已经得到了广泛应用。至今全世界有70多家公司拥有SERCOS接口产品（包括数字伺服驱动器、控制器、输入输出组件、接口组件、控制软件等）及技术咨询和产品设计服务。SERCOS接口己经广泛应用于机床、印刷机、食品加工和包装、机器人、自动装配等领域。1995年Rexroth Indramat公司成功地开发出了主动式SERCOS主控卡—SERCANS，大大降低了应用SERCOS接口的难度。1999年Rexroth Indramat公司又成功开发出了SoftSERCANS及其被动式SERCOS主控卡。2000年ST公司开发出了SERCON816 ASIC，把传输速率提高到了16Mbit/s，大大提高了SERCOS接口能力。
SERCOS总线目前已经发展到SERCOS-III，其沿用了第一、二代可靠的运行机制，保留了基于同步性的硬件以及时间片机制用以避免实时数据与非实时数据在传输时发生冲突。其借助于新一代的FPGA（现场可编程门阵列）通讯控制芯片netX，使用标准的以太网硬件将运行速率提高到100 Mbit/s。国际SERCOS 协会Internet Group SERCOS（IGS）为了推动该项技术的广泛应用，已在欧洲和美国建立了两个SERCOS资格中心（SERCOS interface Competence Center）。
SERCOS总线的众多优点，使得它在数控加工中心、数控机床、精密齿轮加工机械、印刷机械、装配线和装配机器人等运动控制系统中获得了广泛应用。例如美国Hershey巧克力公司将SERCOS总线技术用于包装生产线，不仅简化了生产线的安装，大大的降低了成本，而且使系统的重新配置变得十分方便、灵活。
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目前，很多厂商如西门子、伦茨等公司的伺服系统都具有SERCOS总线接口。力士乐Indramat公司在1999年之所以占据北美伺服驱动市场10.5%的份额、位居第一位，一个主要因素就是承诺开放式结构SERCOS。我国自1997年开始从Indramat公司购入带有SERCOS接口的控制器和驱动器。最早引进的单位有大连机床厂和北京工业大学。目前国内SERCOS接口用户有20多家。其中包括清华大学、沈阳第一机床厂、华中数控集团、北京航空航天大学、上海大众汽车厂、上海通用汽车厂等单位[29]。
迄今为止，我国还没有出现带SERCOS总线接口的数字伺服驱动产品。虽然近几年来我国己经开始了基于SERCOS总线运动控制系统方面的研究，例如，清华大学将SERCOS总线技术用于标准化机器人控制器，提高了机器人控制器的精度和开放性，取得了良好效果；北京航空航天大学的基于SERCOS总线技术CH-2010/S数控系统，硬件结构十分简单，但具有很强的控制功能和灵活性，可以控制1~50个伺服电机和40~320个I/O点，可以快速完成系统的扩充、裁减或部件替换；北京工业大学也开发了基于SERCOS总线的开放式数控系统。但是，他们并没有自主开发SERCOS总线接口伺服驱动器或者SERCOS主站卡，而是直接购买了国外产品。同国外相比，我国对全数字、开放式接口的研究尚处于起步阶段。因此，加强这方面的研究与开发非常必要。
２．１．２ SERCOS总线的技术特性
SERCOS采用环型结构，使用光纤作为传输介质，是一种高速、高确定性的总线，16Mbit/s的接口实际数据通讯速度己接近于的以太网。采用普通光纤为介质时的环传输距离可达40米，可最多连接２５４个节点。实际连接的驱动器目取决于通讯周期时间、通讯数据量和速率。系统确定性由SERCOS的机械和电气结构特性保证，与传输速率无关，系统可以保证毫秒精确度的同步[2]。
SERCOS总线协议具有如下特性：
（1）标准性
SERCOS标准是唯一的有关运动控制的国际通信标准。其所有的底层操作、通信、调度等，都按照国际标准的规定设计，具有统一的硬件接口、通讯协议、命令码IDN等。其提供给用户的开发接口、应用接口、调试接口等都符合SERCOS 国际通信标准IEC61491。
（2）开放性
SERCOS技术是由国际上很多知名的研究运动控制技术的厂家和组织共同开发的，SERCOS的体系结构、技术细节等都是向世界公开的。SERCOS标准的制定是SERCOS开放性的一个重要方面。因为所有的SERCOS产品都是按照国
基于SERCOS总线的数控系统高速数字通信技术研究
际标准设计，提供国际标准规定的所有功能，这样就保证各公司的产品对用户公开而言具有较好的开放性。
（3）兼容性
因为所有的SERCOS接口都是按照国际标准设计，支持不同厂家的应用程序，也支持用户自己开发的应用程序。接口的功能与具体操作系统、硬件平台无关。不同的接口之间可以相互替代，移植花费的代价很小。
（4）实时性
SERCOS 接口的国际标准中规定SERCOS总线采用光纤作为传输环路，支持2/4/8/16Mbit/s的传输速率，按照北美SERCOS组织的意见，4Mbit/s基本上能够满足现在各种应用情况的数据传输要求。传统的SERCOS ASIC体系结构采用SERCON410或者SERCON410B芯片，支持2/4Mbit/s的传输速率。改进的SERCOS ASIC体系结构采用SERCON816芯片，则支持2/4/8/16Mbit/s的传输速率。更高的传输速率是为了将来的更高要求的实时数据传输而设计的。
（5）扩展性
每一个SERCOS接口可以连接8个结点，如果需要更多的结点则可以通过SERCOS接口的级联方式扩展。通过级联，每一个光纤环路上可以最多有254个结点。不过，随着光纤环路上的结点增多，传输数据的实时性会受到一定的影响。
另外SERCOS总线接口还具有抗干扰性能好、即插即用等其他优点。数据可以以同步或不同步的方式传输。协议允许用户配置通讯数据包并且同步地发送，严格的周期数据传输和计时中断机制保证了通信的同步。其他参数类数据可以通过包容在数据包内的服务通道非同步地接收或发送。通常来说，同步数据是在实时操作中传输的数据（比如控制指令、反馈值、状态值）。
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２．２ SERCOS总线工作原理
２．２．１ SERCOS环路的拓扑结构
图2.1 SERCOS接口的拓扑结构
SERCOS环路由节点和传输线构成。主站和从站均为SERCOS环路上的节点，节点之间由一根没有分支的光纤构成传输线，数据在传输线上只能单向传输。在SERCOS接口系统中，所有的伺服回路一般都在节点驱动器内闭合。这样降低了运动控制器的计算负载，使它比起不使用这种方式来能同步更多的轴。此外，闭合所有的伺服回路减轻了运动控制和驱动器之间的传输延迟效应。
SERCOS接口采用环行拓扑结构，一个控制单元可以带一个或多个SERCOS 环路。图2.1所示为一个控制单元带两个SERCOS环路。每个环路由一个主站和多个从站组成。主站负责将控制单元连接到环路上，一个主站只能处理一个环路的物理层及各个协议层。从站负责将伺服装置连接到环路上，一个从站可以代表一个或者多个伺服装置到环路的连接。从理论上来说，一个主站最多可以控制254个伺服装置。
同时，虽然从站之间通过光纤相互连接，但数据传输只在主站和伺服装置之间进行，伺服装置之间不能直接进行数据通讯。另外，伺服装置在环路上的排列顺序、伺服电报的发送时间顺序以及各伺服装置的伺服地址，三者之间相互无关。
图2.2 SERCOS传输线连接图
基于SERCOS总线的数控系统高速数字通信技术研究
如图2.2所示，SERCOS数据传输线由三部分组成：发送器、接收器和光纤。发送器和接收器均封装在屏蔽套中，该屏蔽套具有符合国际标准IEC874-2的螺纹接头SMA。发送端的驱动电路接收电信号输入，驱动发送器中的高性能发光二极管LED发出波长为640~675nm的红光。接收器由一个光电二极管和一个集成放大电路组成，将接收到的光信号转换成电信号并放大后输出。
图2.3 发送器和接收器实物图
收、发器和光纤传输线的实物分别如图2.3和图2.4 所示。传输线上的信号衰减主要由光纤和螺纹接头引起。其中塑料的衰减率约为220dB/km，玻璃为6dB/km。采用塑料光纤，节点间最大传输距离为40m，SERCOS环路最大长度可达10000m；采用玻璃光纤，节点间最大传输距离可达800m，环路的最大长度可达200000m。
图2.4 光纤传输线实物图
学习中心_________ 姓名_____________ 学号 西安电子科技大学网络与继续教育学院 《数字通信技术》全真试题 （闭卷90分钟） 题号一二三四五总分 题分10 10 10 30 40 得分 一、单项选择题（2分/题，共5个） 1. 在通信系统中，信息源的作用是把待传输的信号转换成原始电信号，它输出的信号称为：（） (A) 模拟信号 (B) 数字信号 (C) 基带信号 (D) 频带信号 2. 信号经过调制后再送到信道中传输的通信方式，我们称之为：（） (A) 数字通信 (B) 模拟通信 (C) 基带传输 (D) 频带传输 3. 以下不包含在编码信道中的设备是：（） (A) 调制器 (B) 发转换器 (C) 传输媒质 (D) 收转换器 4. 下列对FDM与TDM两种复用方式的比较中不正确的是：（）
(A) FDM信号在时间域上混叠，而TDM信号在频率域上是混叠的 (B) FDM信号属于频带信号，而TDM信号属于基带信号 (C) FDM对信道的线性要求与单路时一样，而TDM比单路时要严格 (D) FDM和TDM一样，N路复用时对信道带宽的要求是单路时N倍 5. 以下属于TCP/IP协议体系结构中传输层协议的是：（） (A) FTP (B) TCP (C) DNS (D) IP 二、填空题（1分/空，共10个） 1. 凡信号的某一参量只能取有限个数值，且常常不直接与消息相对应的，称为________ ，有时也称为________ 。 2. 在数字通信中，按照数字信号排列的顺序不同，可将通信方式分为________ 和________ 。 3. 数字通信可以通过数字信号的，消除，因此具有更好的抗噪声性能。 4. 是指单位时间内传送的信息量，单位为。 5. 信道对信号的影响可归纳为两点：一是的影响，二是 的影响。 三、判断题（2分/题，共5个） 1.（）时间上是离散的信号一定是数字信号，也称为离散信号。 2.（）在信息速率相同的条件下，多进制信号的码元传输速率要小于 二进制信号。 3.（）无线电噪声的频率范围很宽广，但是干扰频率是固定的，因此
《数字通信技术》综合习题1 1．理解基带信号与频带信号的区别，模拟信号与数字信号的区别。 答： 基带信号－直接由信息转换得到的电信号，二进制编码中，符号'1'和'0'用相应脉冲波形的"正"和"负"或脉冲的"有"和"无"来表示。由于频带从零开始一直扩展到很宽，因此属于基带信号。 频带信号－基带信号经过各种正弦调制后，把基带信号的频谱搬移到比较高的频率范围的信号。 模拟信号：信号中代表消息的电参量的状态数为无穷多个，在幅度上和时间上连续变化的信号。这种信号称为模拟信号。举例：以信号电压幅度变化图示举例。 数字信号：相对模拟信号，若代表消息的电参量的状态数为有限个，则 称之为数字信号。举例：以信号电压幅度变化图示表示。 相对而言，模拟信号比较适合于传输，数字信号则比较适合于处理。 3．试述数字通信的特点。 答： 与模拟系统相比，数字通信系统有以下优点： 1、抗干扰能力强，无噪声积累； 2、利于与计算机技术结合，进行信号的存储和处理，提高了通信效率； 3、便于加密，保密性强； 4、数字通信系统可以传输各种信息；
与模拟系统相比，数字通信系统有以下缺点： 1、与模拟通信系统比较，占据的带宽较宽，频带利用率不高。 2、数字通信系统对同步要求高，系统设备比较复杂，要有集成电路技 术作基础。 4、解释数字通信系统中有效性和可靠性的含义及具体的衡量指标。 答： 有效性：指消息传输的多少。即指单位时间内，在给定信道所传输信息 内容的多少。 可靠性：指消息传输的质量，即指接收信息的准确程度。 数字通信系统中有效性采用码元速率RB和信息速率Rb来表示： 1、码元速率RB：指单位时间传输码元的数目。单位为波特，记为Baud 或B。码元速率与进制无关，只与码元宽度有关。 码元速率又叫调制速率。它表示调制过程中，单位时间调制信号波（即 码元）的变换次数。 图示表示：调制速率的概念,一个单位调制信号波的长度为T秒，则调制速率为1/T。 2、信息速率Rb：指每秒钟传输的信息量。单位：比特/秒，记为bit/s 或b/s或bps。注意在实际系统中常用比特率（单位bps）衡量一个系统的传输速率，其一般指的是单位时间内传输的二进制信号的位数，而 不是信息速率的概念。 数字通信系统的可靠性常用差错率来表示，即信号传输过程中出错的概率，常用误码率和误信率表示。
一、判断题（共10道小题，共50.0分） 1.数字通信系统只需做到位同步和帧同步，便可保证通信的正常进行。 A.正确 B.错误 2.收端定时系统产生位脉冲、路脉冲等的方法与发端一样。 A.正确 B.错误 3.PCM30/32路系统信令码的编码没有任何限制。 A.正确 B.错误
4.帧同步码位选得越长越好。 A.正确 B.错误 5.A律13折线编码器（即逐次渐近型编码器）编出的码字是非线性码。 A.正确 B.错误 6.A律13折线编码器和解码器均要进行7/11变换。 A.正确 B.错误 7.逐次渐近型编码器中
B.错误 8.N不变时，非均匀量化与均匀量化相比，大、小信号的量化误差均减小。 A.正确 B.错误 9.抽样时若不满足抽样定理会产生量化误差。 A.正确 B.错误 10.时分多路复用的方法不能用于模拟通信。 A.正确
二、单项选择题（共10道小题，共50.0分） 1.前方保护的前提状态（即前方保护之前系统所处状态）是（）。 A.同步状态 B.捕捉状态 C.失步状态 D.后方保护 2.PCM30/32路系统第23路信令码的传输位置（即在帧结构中的位置）为（）。 A.F７帧TS16的前４位码 B.F７帧TS16的后４位码 C.F8 帧TS16 的前４位码 D.F8 帧TS16 的后４位码
3.PCM30/32路系统传输复帧同步码的位置为（）。 A.Fo帧TS16前4位码 B.Fo帧TS16后4位码 C.F1帧TS16前4位码 D.F1帧TS16后4位码 4.PCM30/32路系统帧同步码的码型为（）。 A.0011011 B.0110110 C.0000 D.1101110 5.PCM30/32路系统传输帧同步码的时隙为（）。 A.TS0时隙 B.奇帧TS0时隙
现代通信技术及发展前景 信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术。凡涉及到这些过程和技术的工作部门都可称作信息部门。 信息技术能够延长或扩展人的信息功能。信息技术可能是机械的，也可能是激光的；可能是电子的，也可能是生物的。 信息技术主要包括传感技术，通信技术，计算机技术和缩微技术等。 传感技术的任务是延长人的感觉器官收集信息的功能；通信技术的任务是延长人的神经系统传递信息的功能；计算机技术则是延长人的思维器官处理信息和决策的功能；缩微技术是延长人的记忆器官存贮信息的功能。当然，这种划分只是相对的、大致的，没有截然的界限。如传感系统里也有信息的处理和收集，而计算机系统里既有信息传递，也有信息收集的问题。 目前，传感技术已经发展了一大批敏感元件，除了普通的照像机能够收集可见光波的信息、微音器能够收集声波信息之外，现在已经有了红外、紫外等光波波段的敏感元件，帮助人们提取那些人眼所见不到重要信息。还有超声和次声传感器，可以帮助人们获得那些人耳听不到的信息。不仅如此，人们还制造了各种嗅敏、味敏、光敏、热敏、磁敏、湿敏以及一些综合敏感元件。这样，还可以把那些人类感觉器官收集不到的各种有用信息提取出来，从而延长和扩展人类收集信息的功能。 通信技术的发展速度之快是惊人的。从传统的电话，电报，收音机，电视到如今的移动电话，传真，卫星通信，这些新的、人人可用的现代通信方式使数据和信息的传递效率得到很大的提高，从而使过去必须由专业的电信部门来完成的工作，可由行政、业务部门办公室的工作人员直接方便地来完成。通信技术成为办公自动化的支撑技术。 计算机技术与现代通信技术一起构成了信息技术的核心内容。计算机技术同样取得了飞
判断题（共10道小题，共50.0分） 1.线路保护倒换比环形网保护倒换的业务恢复时间快。 A.正确 B.错误 知识点: 第二次阶段作业 学生答 案: [A;] 得分: [5] 试题分 值: 5.0 提示: 2.误码率主要由信噪比最差的再生中继段所决定。 A.正确 B.错误 知识点: 第二次阶段作业 学生答 案: [A;] 得分: [5] 试题分 值: 5.0 提示: 3.再生中继系统没有噪声的累积。 A.正确 B.错误 知识点: 第二次阶段作业 学生答[A;]
案: 得分: [5] 试题分 值: 5.0 提示: 4.AMI码符合对基带传输码型的要求，是最理想的基带传输码型。 A.正确 B.错误 知识点: 第二次阶段作业 学生答 案: [B;] 得分: [5] 试题分 值: 5.0 提示: 5.CMI码的最大连“0”个数为3个。 A.正确 B.错误 知识点: 第二次阶段作业 学生答 案: [A;] 得分: [5] 试题分 值: 5.0 提示: 6.信息净负荷的第一个字节在STM-N帧中的位置是不固定的。 A.正确 B.错误
知识点: 第二次阶段作业学生答 案: [A;] 得分: [5] 试题分 值: 5.0 提示: 7.SDH网中没有交换设备。 A.正确 B.错误 知识点: 第二次阶段作业 学生答 案: [A;] 得分: [5] 试题分 值: 5.0 提示: 8.PCM三次群的形成一般采用异步复接。 A.正确 B.错误 知识点: 第二次阶段作业 学生答 案: [A;] 得分: [5] 试题分 值: 5.0 提示: 9.码速调整之后各基群的速率为2112kbit/s。 A.正确
北京邮电大学高等函授教育、远程教育《数字通信技术与应用》综合练习题答案 一、填空题 1、幅度连续幅值是离散的 2、频分制时分制 3、幅度时间模拟 4、有效性可靠性 5、抽样量化编码 6、译码低通 7、是根据语音信号波形的特点，将其转换为数字信号 8、提取语音信号的一些特征参量对其进行编码 9、时间上抽样定理 10、幅度上 11、均匀量化非均匀量化 12、=△/2 >△/2 13、模拟压扩法直接非均匀编解码法 14、起始电平量化间隔 15、127 128△ 32△ 512△ 16△ 64△ 56△ 1024△ 16、125μs 256比特 8000 17、传帧同步码和失步告警码 传各路信令码、复帧同步码及复帧对告码 TS1～TS15、TS17～TS31
18、抽样合路分路 19、256kHz 8个控制编、解码用 20、防止假失步（m-1）Ts 同步状态 21、防止伪同步（n-1）Ts 捕捉状态 22、PCM复用数字复接数字复接 23、同步复接 复接时造成重叠和错位 24、按位复接按字复接按位复接 25、同步复接异步复接 26、100．38μs 848bit 27、820bit 28bit 4bit 28、插入码元去掉插入的码元（削插） 29、光纤同步信息传输 30、电接口光接口 31、段开销净负荷管理单元指针 32、终端复用器分插复用器再生中继器 同步数字交叉连接设备 33、未经调制变换的数字信号 从零开始的某一段频带 34、未经调制变换的基带数字信号直接在电缆信道上传输 35、NRZ码 36、10 37、3个 38、码间干扰误码 39、再生中继器 40、均衡放大定时钟提取抽样判决与码形成
数字微波通信技术的发展及应用 摘要：数字微波通信技术是在时分复用技术的基础上发展而来的一种新技术， 不仅可以传输电话信号，还可以传输数据信号及图像信号，所以在十分广泛的领 域都得到了应用，特别是在科学技术日新月异的当今时代，数字微波通信技术大 的发展前景十分广阔，应用范围也越来越广泛。可见，对数字微波通信技术的发 展及应用进行研究具有十分重要的现实意义，本文主要对此进行探究。 关键词：数字微波通信技术；发展；应用 微波是当今时代应用范围十分广阔的一种通信传输方式，数字微波通信技术 就是利用微波来传输数字信息的一种方式，同时还能够利用电波空间传输各种信 息甚至是对相互之间没有任何关联的信息进行传输，而且还能够在此基础上再生 中继，不得不说这是一种发展十分迅速的一种通信方式，本文主要对数字微波通 信技术的发展及应用进行研究，希望能够有效促进数字微波通信技术的不断发展。 1 数字微波通信技术的特点 数字微波通信技术之所以发展迅速且应用范围十分广泛是因为其具有其独特 的优势。数字微波通信技术的特点及其具体表现详见下表： 表1 数字微波通信技术的特点及其具体表现 2 数字微波通信技术的发展 微波通信技术是微波频段借助于地面视距进行信息传播的一种无线通信技术，已经出现了近几十年的时间。在出现初期阶段，微波通信系统通常是模拟制式的，它与当时的同轴电缆载波传输系统相同都是通信网长途传输干线的重要传输方式。具体而言，我国各个城市之间的电视节目是通过微波来进行传输的。20世纪70 年代初期随着科学技术的进步，人们开发出了几十兆比特每秒容量的数字微波通 信系统，可以说这个阶段是通信技术自模拟阶段向数字阶段转变的关键时期。20 世纪80年代末期，同步数字系列在传输系统中已经变得十分常见，可以说已经 被普遍应用，数字微波通信系统的容量也随之不断增大。当前，我们已经进入了 科学技术日新月异的新时代，数字微波通信技术与光纤、卫星一起被看作现代通 信技术的重中之重。 当今时代，数字微波通信技术不仅在传统传输领域内得到了关注，更在固定 宽带接入领域得到了众多专家学者的高度重视，可见数字微波通信技术发展态势 良好，发展前景十分广阔。 3 数字微波通信技术的主要发展方向 3.1 实现正交幅度调制级数的提升以及严格限带 要有效提升数字微波通信技术的频谱利用率一般需要应用到多电平正交幅度 调制技术，当前阶段，通常要应用到256与512正交幅度调制，未来还会应用到1024和2048正交幅度调制。此外，对于信号滤波器的设计要求也会变得越来越 严格，必须要确保其余弦滚降系数可以维持在一定范围内。 3.2 网格编码调制及维特比检测技术 采取复杂的纠错编码技术可以有效降低系统的误码率，但是这会导致系统的 频带利用率随之降低。这就要求我们必须采取有效措施来解决此问题，网格编码 调制技术就是不错的选择，可以有效处理该问题。需要注意的是，利用网格编码 调制技术需要使用维特比算法来进行解码。但是，在数字信号高速传输的当今时代，使用这种解码算法是具有一定难度的。
第十一章 数字媒体技术 “数字媒体技术”是随着互联网技术的发展和普及而产生的。以往“媒体”一词通常是指电视、报纸、杂志、广播等信息的传播载体，互联网开始并不是作为媒体而建立起来的。然而今天的互联网和数字信息技术相结合已成为了主要的传播载体，它具有如电视、报纸、杂志、广播等所有传播媒体的功能，并且还能把文字、视频、声音存储下来，供用户在自己方便的时间浏览；因而它已成为了全新的媒体传播形态，并具有传统媒体的特点，但又不同于传统媒体，它超越了传统媒体，对原有传播媒体造成了巨大的冲击。 数字媒体产品已形成了巨大的产业。要发展数字媒体产业，首先必须发展数字媒体技术和培养数字媒体技术的专门人才。国内已有不少大学设立了“数字媒体技术专业”；最早设立该专业的是浙江大学，2004年设立，2005年正式招生。其他设立该专业的大学还有杭州电子科技大学（2005）、南京大学（2005）、南京邮电学院（2005）、哈尔滨师范大学（2005）、北京邮电大学、华中科技大学、南京大学、延边大学、中国传媒大学、山东经济学院(2006)、浙江工业大学(2007)、山东大学（2007）、浙江理工大学（2007）等。 在我国，数字媒体技术及产业得到了各方面的高度关注和支持，并成为目前市场投资和开发的热点方向。“十五”期间，国家863计划率先支持了网络游戏引擎、协同式动画制作、三维运动捕捉、人机交互等关键技术研发以及动漫、网游公共服务平台的建设，并分别在北京、上海、长沙和成都建设了四个国家级数字媒体技术产业化基地，对数字媒体产业、技术和人才培养起到了重要的引领作用。 数字媒体技术与电子信息技术有着密切的联系，其中的一些工作是电子信息技术人员可以承担，或者稍加学习就可承担的，而且目前已有不少电子信息技术工程师正在从事数字媒体技术方面的工作。 本章主要介绍当前数字媒体技术和电子信息技术联系较紧密的几个领域，如网络电话（VOIP）、网络电视(IPTV)、移动多媒体广播(CMMB)和数字动画制作技术等的一些基本知识，以有利于读者对数字媒体技术的初步了解。 11.1 概述 11.1.1 数字媒体的概念 随着计算机技术、网络技术和数字通信技术的飞速发展，数据信息的数量猛增，传统的广播、电视、电影技术正快速地向数字化方向发展，数字音频、数字视频、数字电影与日益普及的计算机动画、虚拟现实等构成了新一代的数字传播媒体形态。 由于数字媒体是一种新的发展中的概念，在其形成过程中有多种相近提法，如：从内容的角度，有欧盟的e-Content、韩国的数码；从媒体的角度看，有多媒体（Multimedia）、新媒体（New Media）或者网络媒体（Network Media）等；从数字媒体产业看，有爱尔兰的内容产业（Content Industry）和英国的创意产业（Creative Industry）等。 我国数字媒体概念的提出来源于国家863计划，比较科学地反映了相应的技术及产业内涵。数字媒体是数字化的内容作品以现代网络为主要传播载体，通过完善的服务体系，分发到终端和用户进行消费的全过程。这一定义强调了网络为数字媒体的传播方式，而光盘等媒介内容则被排除在数字媒体范畴之外；这一定义也明确了数字媒体技术和电子信息技术之间的联系和分工。没有电子信息技术、计算机网络技术，也就不可能有数字媒体技术；然而，电子信息技术、计算机网络技术又不可能代替数字媒体技术，它们相互联系，各有分工。
1-1解释基带信号与频带信号的区别，模拟信号与数字信号的区别。 模拟信号主要是与离散的数字信号相对的连续信号。模拟信号分布于自然界的各个角落，如每天温度的变化。而数字信号是人为抽象出来的在时间上的不连续信号。电学上的模拟信号是主要是指振幅和相位都连续的电信号。数字信号是离散时间信号的数字化表示，通常可由模拟信号获得。 基带信号：也称信息源，发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。由于基带信号具有频率很低的频谱分量,出于抗干扰和提高传输率考虑一般不宜直接传输,需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，变换后的信号就是频带信号，其主要用于网络电视和有线电视的视频广播。 1-2试画出语音信号、数字信号的基带传输和频带传输时的通信系统框图。 1-3试述数字通信的特点。 （1）抗干扰能力强。（2）差错可控。（3）易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。（4）易于集成化，从而使通信设备微型化。（5）易于加密处理，且保密强度高。
1-4解释数字通信系统中有效性和可靠性的含义及具体的衡量指标。 一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面：有效性、可靠性、适应性、经济性、保密性标准性、维修性、工艺性等。 对于模拟通信来说，系统的有效性和可靠性具体可用系统频带利用率和输出信噪比来衡量。 对于数字通信系统而言，系统的可靠性和有效性具体可用误码率和传输速率来衡量。 1-5某系统在125μs内传输了256个二进制码元，计算码元速率（传码率）及信息速率是多少？若该信息码在2s内有3个码元产生误码，求误码率和误信率各是多少？ 码元速率R BN=256000000/125=2048k(B). 信息速率Rb=256000000/125=2048k(bit/s). 误码率Pe=3/2048000*2=7.3*10-7. 误信率Peb=3/2048000*2=7.3*10-7. 1-6某系统在1分钟内传送了3360000个码元，试求该系统的码元速率。 码元速率R BN=3360000/60=56k(B). 1-7某二进制信号的信息速率是2400bps，若改用八进制传递，求码元速率。 码元速率R BN==2400/3=800(B). 1-8某消息以2Mbps的信息速率通过有噪声的信道，在接收端平均每小时出现了72bit 的差错，试求该系统的误信率Peb。 误信率Peb=72/2000000*3600=10-8. 1-9构成通信网的基本要素是什么？ 通信网的基本要素：传输、交换、终端 (1) 传输：传输系统指完成信号传输的介质和设备的总称，其在终端设备与交换设备之间以及交换系统相互之间链接起来形成网络。按传输介质分为有限传输和无线传输系统。
一. 通信系统的基本框图，每个框图写2行。 1. 信源编码：信号一般首先经过AD变换，将模拟信号采样量化变成数字信号，便于传输，再去除信源信号中的冗余成分，提高传输的有效性，提高效率。 2. 信道编码：信道编码通过增加冗余，提高传输的可靠性，具有检错和纠错功能；与交织器共同对抗多径衰落 3．交织器与解交织器：本身不具有纠错功能，只是将数据重新排列。交织器主要用于对抗突发错误，将突发错误在时间上分散开，使其变为随机错误。必须与纠错编码技术相结合，才能对抗移动衰落信道的不利影响。利用了缓存技术，会引起时间上的延迟，需要增加延迟和存储空间。 4. 调制器 经典调制技术的功能主要是信号的频谱搬移，实现有效传输。 在现代通信技术中，信号处理和集成电路技术的发展使频谱搬移与其他部分分离。调制的概念有所扩展和延伸，好的调制器调制出的信号需要有较高的频谱效率、较低的误码率、较低的峰均比、较低的接收机复杂度或者能够对抗非线性带来的频谱扩散，抑制对相邻频带的干扰。经典调制技术延拓为空时编码、扩频调制和OFDM等 5. 射频发射：对信号进行放大、滤波，经由天线发送出去 6. 射频接收：对从天线接收的信号进行滤波、低噪声放大 7. 解调器：经典调制技术中，解调器的主要作用是对接收信号进行频谱搬移，从射频搬移到基带。在现代通信技术中，解调器需要完成同步、信道估计、检测的任务，并且软输出，是的解码器能够工作在软判决状态，对抗信道衰落，提高误码率，以正确接收信号 9. 信道解码：检测错误或纠正错误 10. 信源解码：恢复出信源编码前的信息 二. 移动通信信道的特点、缺陷，以及抵抗这些缺陷的措施 （1）多径传输环境 信号到达接收机的传输时间不同，将导致时延扩展。时延差小于时间分辨率时，不可分辨的多径叠加，造成衰落。时延差较大时，可分辨的多径，就会造成码间干扰或多址干扰。（2）时变传输环境 a. 终端的移动会造成多普勒频偏，这反映了信道随时间变化的速率，信道传输函数为时变函数。 b. 衰落快慢是相对于观察时间而言的，信道在一个码元时间内保持不变，则称为慢衰落，
现代通信技术发展的主要趋势和方向 摘要：本文回顾了２０世纪移动通信技术发展的历程，对现代通信技术进行了概述。主要针对移动通信、卫星通信、光纤通信及数字微波通信进行了发展趋势的介绍。同时，对现代通信技术的未来发展方向进行了展望。 关键词：移动通信卫星通信光纤通信现代信息 技术发展趋势 0引言 20世纪在人类历史上写下了光辉的一章：1900年波罗的海的一群遇难渔民，通过无线电呼叫而得救，移动通信第一次在海上证明了它对人类的价值；1903年底莱特驾驶自己的飞行器飞上了蓝天，开创了航空交通新领域；1946年世界上第一架计算机诞生，开创了信息经济时代和扩展人类脑力的里程碑；1969年世界上第一个采用存储转发的分组交换计算机网络ARPANET开通，为因特网的高速发展奠定了基础。 纵观通信技术的发展，虽然只有短短的一百多年的历史，却发生了翻天覆地的变化，由当初的人工转接到后来的电路转接，以及到现在的程控交换和分组交换，还有可以作为未来分组化核心网用的ATM交换机，IP路由器；由当初只是单一的固定电话到现在的卫星电话，移动电话，IP电话等等，以及由通信和计算机结合的各种其他业务，第三代通信技术的即将上市，以及以后的第四代通信，随着通信技术的发展，人类社会已经逐渐步入信息化的社会。 21世纪是一个信息社会，信息交流已经成为人们生活的基本需要。通信作为传输和交换信息的重要手段，是推动人类社会文明、进步与发展的巨大动力。电话技术的演变日新月异，传输媒介、交换设备、传输设备、终端设备和通信方式的改变都是影响电信通信的因素。 1现代通信技术概述 现代的主要通信技术有数字通信技术，程控交换技术，信息传输技术，通信网络技术，数据通信与数据网，ISDN与ATM技术，宽带IP技术，接入网与接入技术。 1.1数字通信 数字通信即传输数字信号的通信，，是通过信源发出的模拟信号经过数字终端的心愿编码成为数字信号，终端发出的数字信号，经过信道编码变成适合与信道传输的数字信号，然后由调制解调器把信号调制到系统所使用的数字信道上，在传输到对段，经过相反的变换最终传送到信宿。 1.2程控交换 程控交换技术即是指人们用专门的电子计算机根据需要把预先编好的程序存入计算机后完成通信中的各种交换。随着电信业务从以话音为主向以数据为主转移，交换技术也相应地从传统的电路交换技术逐步转向给予分株的数据交换和宽带交换，以及适应下一代网络基于IP的业务综合特点的软交换方向发展。 1.3信息传输 信息传输技术主要包括移动通信，光纤通信，卫星通信，数字微波通信，以及图像通信。 1)移动通信 早期的通信形式属于固定点之间的通信，随着人类社会党俄发展，信息传递日益频繁，移动通信正是因为具有信息交流灵活，经济效益明显等优势，得到了迅速的发展，所谓移动通信，就是在运动中实现的通信。其最大的优点是可以在移动的时候进行通信，方便，灵活。现在的移动通信系统主要有数字移动通信系统（GSM）,码多分址蜂窝移动通信系统（CDMA）。 2)光纤通信 光纤是以光波为载频，以光导纤维为传输介质的一种通信方式，其主要特点是频带宽，比常用微波频率高104~105倍；损耗低，中继距离长；具有抗电磁干扰能力；线经细，重量轻；还有耐腐蚀，不怕高温等优点。 3)卫星通信 卫星通信简单而言就是地球上的无线电通信展之间利用人在地球卫星作中继站而进行的通信。其主要特点是：通信距离远，而投资费用和通信距离
现代数字通信 一.通信系统的基本框图，每个框图写2行。 1.信源编码：首先，信号一般经过A/D变换，将模拟信号采样量化变成数字信号，便于传输；其次，进行数据压缩，去除信源信号中的冗余成分，提高传输的有效性，提高效率。 2.信道编码：信道编码通过增加冗余，提高传输的可靠性，具有检错和纠错功能（卷积码主要用于纠错，分组码用于检错）；与交织器共同对抗多径衰落 3．交织器与解交织器：本身不具有纠错功能，只是将数据重新排列；交织器主要用于对抗突发错误，将突发错误在时间上打散开，使其变为随机错误；必须与纠错编码技术相结合，才能对抗移动衰落信道的不利影响；交织器采用了缓存技术，会引起时间上的延迟，需要增加延迟和存储空间。 4.调制器 经典调制技术（幅度调制和相位调制）的功能主要是信号的频谱搬移，实现有效传输。 在现代通信技术中，信号处理和集成电路技术的发展使频谱搬移与其他部分分离。调制器调制出的信号需要有较高的频谱效率、较低的误码率、较低的峰均比、较低的接收机复杂度或者能够对抗非线性带来的频谱扩散，抑制对相邻频带的干扰。经典调制技术延拓为空时编码、扩频调制和OFDM等。 5.射频发射：对信号进行放大、滤波，经由天线发送出去 6.射频接收：对从天线接收的信号进行滤波、低噪声放大 7.解调器：经典调制技术中，解调器的主要作用是对接收信号进行频谱搬移，从射频搬移到基带。在现代通信技术中，解调器需要完成同步、信道估计、检测的任务，解码器能够工作
在软判决状态，对抗信道衰落，提高误码率，以正确接收信号 9.信道解码：检测错误或纠正错误 10.信源解码：恢复出信源编码前的信息 二. 移动通信信道的特点、缺陷，以及抵抗这些缺陷的措施 （1）多径传输环境 信号到达接收机的传输时间不同，将导致时延扩展。时延差小于时间分辨率时，不可分辨的多径叠加，造成衰落。时延差较大时，会造成码间干扰或多址干扰（CDMA系统中表现为Chip间干扰）。 （2）时变传输环境 a. 终端的移动改变电波传输环境，造成多普勒频偏，反映了信道随时间变化的速率，信道传输函数为时变函数。 b. 衰落快慢是相对于观察时间而言的，信道在一个码元时间内保持不变，则称为慢衰落，否则称为快衰落。一般均假设信道为慢衰落（把码元时间切得很短），对于OFDM系统，通常假设信道在一个OFDM符号内不变。 （3）用户之间的相互干扰 a. 由于每个用户不独占传输媒体和介质，需要动态分配资源，这就产生了同频干扰或多址干扰。 b. CDMA系统中各用户在频率上和时间上是重叠的。 对抗措施：（要不要每种措施都具体解释一下？） （1）针对衰落的技术 a.分集接收技术：时间分集、频率分集、空间分集、发送分集以及接收分集，发送分集可以有效对抗单径慢衰落
在电子式互感器中数通信技术的应用 针对当前电子式互感器的研制情况，着重研究并解决了电子式互感器的数字同步和数字通信的关键技术难点。在数字同步技术方面，使用数字移相和相位均衡技术将数字信号波形大范围地前移并保持近似于线性的群延时；使用二次插值技术在小范围内进行精细的相位调整。在数字通信方面，针对IEC61850-9-2LE标准互操作性较差的缺陷,提出分布式采样值控制块的思想,定制了分布式采样值控制块之间的通信协议。 近几年来随着嵌入式技术和以太网通信技术的发展，电子式互感器在数字化变电站的应用成为研究的重点。与传统电磁式互感器相比，电子式互感器具有体积小、重量轻、绝缘性好、无饱和频带宽数字化等优点。电子式互感器一般由高压侧的系统由于高压传感器输出的模拟量值很小为减少传输过程中的误差和衰耗一般在高压侧将其转换成离散数字信号后发送实时电气量的采集由传统集中式改变为分布式后。不可避免地带来了采样同步问题采样同步技术成为决定电子式互感器性能高低的关键因素之一与同步采样相关的是数字通信标准深化了的概念将其作为逻辑设备融入到标准体系中其主要功能是数据的合并和发送为间隔层的保护测控设备提供时间一致的电流和电压数据。
电子式互感结构 上图是电子式互感器的整体框架，其中高压侧采集器的主要功能是模拟电信号的高精度采集并下传，本文将电子式互感器的采样同步机制下移到MU，省去了向采集器传送同步采样脉冲的上行光纤，简化了系统。 多路采集信号在MU汇合组包后通过最简单的通信协议栈向以太网发送采样测量值(SMV)数据包.这一过程决定了MU有多任务并行和强实时性的显著特征。但另一方面，IEC61850标准的互操作性和灵活性却导致具有复杂的通信协议栈和弱实时性,为了解决上述矛盾降低实现难度制定EC61850-9-2le标准该标准在采样值控制块预配置基础上将特定的通信服务映射到了以太网链路层仅保留协议集的sendmvmessage服务，以降低可互操作性为代价，简化电子互感式的设计。针对保护SMV报文高可靠性的特殊要求,在PHY保护通道扩展为8个独立的光口。保护用SMV报文以点对点方式直接连接到间隔层的保护测控装置。 电力系统中来自不同设备间隔的电流和电压信息必须利用公共的时钟脉冲做到同步。常用的时钟信号是:PPS或B码。其共同特征是:以秒为单位实现同步，即1 s同步一次。IEEE 1588精密时钟协议(PTP)是基于以太网的时间同步方式，它通过在主从时钟节点之间传递带时间戳的PTP报文计算主从时钟之间的时间偏差，以实现同步。
《数字通信原理》习题解答 第1章 概述 1-1 模拟信号和数字信号的特点分别是什么? 答：模拟信号的特点是幅度连续；数字信号的特点幅度离散。 1-2 数字通信系统的构成模型中信源编码和信源解码的作用是什么?画出话音信号的基带传输系统模型。 答：信源编码的作用把模拟信号变换成数字信号，即完成模/数变换的任务。 信源解码的作用把数字信号还原为模拟信号，即完成数/模变换的任务。 话音信号的基带传输系统模型为 1-3 数字通信的特点有哪些? 答：数字通信的特点是： （1）抗干扰性强，无噪声积累； （2）便于加密处理； （3）采用时分复用实现多路通信； （4）设备便于集成化、微型化； （5）占用信道频带较宽。 1-4 为什么说数字通信的抗干扰性强，无噪声积累? 答：对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限的离散值(通常取二个幅值)，在传输过程中受到噪声干扰，当信噪比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，采用再生的方法，再生成已消除噪声干扰的原发送信号，所以说数字通信的抗干扰性强，无噪声积累。 1-5 设数字信号码元时间长度为1s μ，如采用四电平传输，求信息传输速率及符号速率。 答：符号速率为 Bd N 661010 1 1=== -码元时间 信息传输速率为 s Mbit s bit M N R /2/1024log 10log 6 26 2=?=?== 1-6 接上例，若传输过程中2秒误1个比特，求误码率。
答：7 6 105.210 221)()(-?=??== N n P e 传输总码元发生误码个数 1-7 假设数字通信系统的频带宽度为kHz 1024，可传输s kbit /2048的比特率，试问其频带利用率为多少Hz s bit //? 答：频带利用率为 Hz s bit Hz s bit //2101024102048)//3 3 =??== （频带宽度信息传输速率η 1-8数字通信技术的发展趋势是什么？ 答：数字通信技术目前正向着以下几个方向发展：小型化、智能化，数字处理技术的开发应用，用户数字化和高速大容量等。 第2章 数字终端编码技术 ——语声信号数字化 2-1 语声信号的编码可分为哪几种？ 答：语声信号的编码可分为波形编码（主要包括PCM 、ADPCM 等）、参量编码和混合编码（如子带编码）三大类型。 2-2 PCM 通信系统中A ／D 变换、D ／A 变换分别经过哪几步? 答：PCM 通信系统中A ／D 变换包括抽样、量化、编码三步； D ／A 变换包括解码和低通两部分。 2-3 某模拟信号频谱如题图2-1所示，（1）求满足抽样定理时的抽样频率S f 并画出抽样信号的频谱（设M S f f 2=）。（2）若,8kHz f S =画出抽样信号的频谱，并说明此频谱出现什么现象? 题图2-1
专用无线数字通信技术标准范文 随着社会的进步，专用无线电的地位和作用愈加突出，即时的 ___沟通、数据采集和图像、视频传输，为国防、公共安全、经济建设起到了无法替代的作用。 由美国 ___工业协会(tia)制定，经美国国家标准协会(ansi)认可的标准。p25(project 25)是itu提出的全球开放的数字通讯标准之一。用户主要是军队、公共安全、交通运输、应急通信等高端专业用户。 p25标准的演进分为两个阶段，第一阶段采用fd ___ (频分多址)技术，每个信道带宽12.5khz，上行、下行传输速率均为9.6kb/s，兼容模拟技术;第二阶段采用td ___时分多址双时隙技术，等效信道带宽6.25khz，上行速率9600b/s，下行速率1xxb/s。 p25标准是开放式的，允许各设备厂商的产品互相兼容;且具有向后兼容性，以融合现在的模拟通信技术。还包含了对 ___通信加密的要求;并将12.5khz的频谱带宽分成6.25khz或等效的频谱，通过缩窄带宽，提高频谱效率，p25采用广域设计，中继基站功率可达100w、 ___终端功率不低于5w。单个中继基站覆盖100km2，组建___通信系统需要的中继基站数量少，适合广域覆盖、调度功能要求高的用户使用。
2.2 tetra tetra(terrestrial trunked radio - 陆上集群无线电)数字集群通信系统是etsi(欧洲通信标准协会)为了满足专业部门对 ___通信的需要而设计、制订统一标准的开放性系统，采用数字td ___技术的专用 ___通信系统。 tetra数字集群通信系统可以在同 ___台提供 ___通信和数据传输，支持 ___终端脱网直通互联，可实现鉴权、具有空中接口加密和终端对终端加密功能。还具有虚拟专有网络功能，可在一个物理网络同时为互不关联的多个个体、群组服务。tetra具有频谱利用率高、通信质量好、组网方式灵活的优点，目前已实现如图像数据传输、 ___互联查询等许多新的应用。所以 tetra数字集群系统一投入商用就得到了迅速的发展。 tetra 系统抗干扰能力强，支持用户点对点单呼、点对多点组呼、应答组呼、单向点对多点广播呼叫以及 ___加密通话。 欧洲通信标准协会为了满足小范围用户对专用无线电通信的需要，制订了dmr(digital?mobile?radio)数字集群通信标准。该标准主要应用在小区域服务，如中小企业、 ___小区等用户。
前言 很高兴地欢迎Masoud Salehi教授作为《数字通信（第五版）》的合作著者。这一新版本进行了较大的修订并重新组织了论题，特别是在信道编码和译码方面，同时还增加了一章关于多天线系统的内容。 本书适合作为电子工程系一年级研究生课程的教材，也适合从事数字通信系统设计工程师作为自学课本和参考书。为了更好地阅读本书，读者应具备基本的微积分、线性系统理论以及概率和随机过程的预备知识等背景知识。 第1章是本书主题的导引，包括回顾与展望、信道特征的描述和信道模型。 第2章是对确定信号和随机信号分析内容的复习，包括带通和低通信号的表示、随机变量尾部概率边界、总和随机变量中心极限定理，以及随机过程。 第3章论述数字调制技术和数字调制信号的功率谱。 第4章重点分析加性高斯白噪声（AWGN）信道的最佳接收机及其差错率性能。本章还包括格的入门知识和基于格的信号星座图，以及有线和无线通信系统链路预算分析。 第5章专门论述了基于最大似然准则的载波相位估计和定时同步的方法，描述了面向判决和非面向判决的两种方法。 第6章是信息论基础，包括无损信源编码、有损数据压缩、不同信道模型的信道容量以及信道可靠性函数。 第7章论述线性分组码及其特性，包括循环码、BCH码、RS码和级联码。描述了软判决和硬判决两种译码方法，及其在AWGN信道中的性能评估。 第8章论述基于网格和图形的编码，包括卷积码、Turbo码、低密度校验码、带限信道网格码和基于格的编码，同时也论述了译码算法，包括维特比算法及其在AWGN信道上的性能、Turbo码的迭代译码BCJR算法，以及和积算法。 第9章重点论述带限信道的数字通信。本章的论题包括带限信道的特征和信号设计，有符号间干扰和AWGN信道的最佳接收机，准最佳均衡方法，亦即，线性均衡、判决反馈均衡和Turbo均衡。 第10章论述自适应信道均衡，描述LMS和递归最小二乘算法及其性能特征，本章还论述盲均衡算法。 第11章论述多信道和多载波调制。论题包括多信道二进制和M元正交信号在AWGN信道中的差错率性能；有AWGN非理想线性滤波器信道的容量；OFDM调制/解调；在OFDM系统中的比特和功率分配；降低OFDM中峰均功率比的方法。 第12章着重论述扩频信号与系统，重点是直接序列和跳频扩频系统及其性能，本章强调在扩频信号设计中编码的获益。 第13章论述衰落信道上的数字通信，包括衰落信道的特征以及多径扩展和多普勒扩展等重要的关键参数。介绍了几种信道衰落的统计模型，重点是瑞利（Rayleigh）衰落、赖斯（Rice）衰落和Nakagami衰落。分析了OFDM系统中多普勒扩展引起的性能减损，并描述了降低这种性能减损的方法。 第14章着重论述衰落信道的容量和编码设计。在介绍遍历容量和中断容量之后，研究衰落信道的编码。对带宽高效的编码和比特交织编码调制进行了分析，推导了在瑞利衰落和赖斯衰落中编码系统的性能。 第15章论述多天线系统，通常称为多输入多输出（MIMO）系统，用来实现空间分集和空间复用。本章的论题包括MIMO信道检测算法，在有AWGN、有或无信号衰落情况下MIMO信道的容量，以及空时编码等。
题目: 浅谈数字通信的优点与应用 专业：电子信息科学与技术 学号： 0950720071 姓名：蔡旭芬 指导教师：肖正安 物理与电子信息学院 二〇一二年
摘要 数字通信,作为通信行业中的后起之秀,相对于传统的模拟通信,有抗干扰能力强,通信质量不受距离影响,信号易于调制、保密性高，可自动发现与控制差错，可与计算机相连接，支持多种通信业务，对应用设备要求低等一系列优势特点。本文通过与模拟通信做对比，总结了数字通信的优势。此外，对数字通信的应用领域及发展前途也进行了简单的介绍。 关键字：数字通信系统，数字信号，应用
1数字通信的介绍 1.1数字通信数字通信是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后在传输的通信方式。通俗而言，即利用数字信号来传递消息。“0”和“1”是数字通信中运用的两种符号，数字通信系统按照一定的规律，在编码器中先将消息信号进行采样，对样本进行0,1编码的数字化处理，使其形成呈一定排列形状的组合代码，再进入通信线路将此代码发送至对方。对方收到电码后，由解码器还原出原来的电话信号，由此实现通信传递的目的。数字通信的主要技术设备包括发射器、接收器以及传输介质，具体传递流程为：信源-调制器-编码器-加密器-信道-解密器-解码器-解调器-信宿。 数字通信的信息源与接受者可以是人，也可是机器，因此数字通信能实现人与人之间、人与机器之间、机器与机器之间的通信。同时，数字通信具有抗干扰能力强、易于调制、可加密、可与计算机连接等优势特点。 1.2数字通信与模拟通信的比较模拟通信技术成熟，其信号形成简单、直观，系统设备简易，占用频带窄。模拟信号是通过直接调制的形式形成的，其信号传播过程中易发生畸形，一旦受干扰，随系统的冲击是不可修复的。因此，模拟信号通信质量、抗干扰能力较差。电话、无限通讯中运用的就是模拟信号。 1．3数字通信的优点与模拟通信相比，数字通信具有明显的优势。它抗干扰能力强,通信质量不受距离影响,信号易于调制、保密性高，可自动发现与控制差错，能与计算机相连接，支持多种通信业务，对应用设备要求低。
数字通信技术与现代生活 通信1012班1020119231 孙慧婷 一、数字通信技术的主要优点 数字通信已广泛应用于各个频段和各种通信方式中, 成为当今通信发展的一种必然趋势。它是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后在传输的通信方式。它的主要技术设备包括发射器、接收器以及传输介质。数字通信系统的通信模式主要包括数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统以及模拟信号数字化传输通信系统三种。数字通信的主要优点在于用数字信号传送信息易于再生, 可减小传输中的失真易于用脉冲数字电路来实现, 设备可做到体积小、重量轻可以引入计算技术, 应用微处理器及单片微机, 发挥各种数字信号处理及智能化控制功能数字信号易于加密便于采用纠错编码和扩频技术, 提高抗干扰能力。数字通信之所以取得迅速的发展不是偶然的现象, 有其理论上、技术上和客观需求上的基础从理论分析开始, 人们早就认识到数字通信在理论上比模拟通信具有一系列优点。除上述各点外, 在频带和功率的有效利用方面也更为有利计算技术和微电子学的进展为通信的数字化提供了坚实的技术基础人们在社会生活中对多种功能综合服务的需要是数字通信发展的强大动力。 二、数字通信技术相关的社会理念 “数字城市”：从广义上说，是通过宽带多媒体信息网络、地理信息系统等基础设施平台，整合城市信息资源并加以充分利用，建立电子商务、电子政务、科技信息系统、劳动和社会保障信息系统等子系统，通过发展信息家电、网上教育、远程医疗，建设信息化社区，最终实现城市国民经济和社会发展的全面信息化。 “数字化社区”：顾名思义，就是通过数字技术将管理、服务的提供者与每个住户相联结的社区。这种数字化的网络系统?使社区的管理者与住户之间可以实时地进行各种形式的信息交互，由于现代网络浏览器的先进性以及多态的表现性，加上各种网络多媒体技术的应用，从而营造出了一个丰富多彩的虚拟社区。 “地球村”：信息高速公路的出现，国际互联网的使用，“数字地球”的产生，“缩小”了我们生活的空间，“缩短”了我们联系交往的时间，使我们生活的世界成为一个全球性、同