第3章 电力数据通信系统 3.1引言 电力系统的远程监控要实现调度端和远方的发电厂、变电站或开关站的双向信息传输， 必须依赖于电力数据通信系统。我国的电力通信网经过几十年风风雨雨的建设，已经初具规 模，目前已经拥有一个通过卫星、微波、载波和光缆等多种通信手段构建成的、以北京为中 心覆盖全国30个省（市、区）的立体交叉通信网，如图3-1所示。 卫星站 后国柴普尔自恰区 图31全国电力通信骨干网 电力通信网是以光纤、微波及卫星电路构成主干线，各支路充分利用电力线载波、特种 光缆等电力系统特有的通信方式，并采用明线、电缆和无线等多种通信手段及程控交换机、 调度总机等设备组成的多用户和多功能的综合通信网。现有的国家电力数据网络有两个主要 的网络体系，一个是基于异步传输模式ATM的国家电力调度数据网SPDnet(State Power Dispatching Network),另一个是基于多业务传输平台MSTP的国家电力数据通信网 SPTnet(State Power Telecommunication Network)。其中：国家电力调度数据网SPDnet主要面
1 第 3 章 电力数据通信系统 3.1 引言 电力系统的远程监控要实现调度端和远方的发电厂、变电站或开关站的双向信息传输， 必须依赖于电力数据通信系统。我国的电力通信网经过几十年风风雨雨的建设，已经初具规 模，目前已经拥有一个通过卫星、微波、载波和光缆等多种通信手段构建成的、以北京为中 心覆盖全国 30 个省（市、区）的立体交叉通信网，如图 3-1 所示。 图 3- 1 全国电力通信骨干网 电力通信网是以光纤、微波及卫星电路构成主干线，各支路充分利用电力线载波、特种 光缆等电力系统特有的通信方式，并采用明线、电缆和无线等多种通信手段及程控交换机、 调度总机等设备组成的多用户和多功能的综合通信网。现有的国家电力数据网络有两个主要 的网络体系，一个是基于异步传输模式 ATM 的国家电力调度数据网 SPDnet(State Power Dispatching Network)，另一个是基于多业务传输平台 MSTP 的国家电力数据通信网 SPTnet(State Power Telecommunication Network)。其中：国家电力调度数据网 SPDnet 主要面
向电力系统调度业务的实时数据服务，国家电力数据通信网SPTnet连接国家电网公司系统 内计算机信息网络的提供信息服务。 电力系统的监控信息和管理信息，在我国电力数据通信的专用网络SPDnet和SPTnet 上传输有良好的通信载体和通信介质。为了保证信息传输的可靠性，一方面，需要对介质中 通信的信息进行抗干扰的编码、调制和解码、解调。另一方面，电力系统通信还需要采用的 特定的通信协议，为了正确传送和接收信息而定义的一套关于信息传输顺序、信息格式和信 息内容的约定。目前在电力系统的远动通信系统中存在着一系列这样的通信规约，它们有的 是国际标准，有的是国家标准，也有的是行业标准甚至是企业标准。 通信系统的编码理论以及通信规约将是本章着重研究的内容。 3.2数据通信与远动数据网络 远动系统(telecontrol system)是对广域地区的生产过程进行监视和控制的系统，它包 括对生产过程信息的采集、处理、传输和显示等全部功能与设备。构成远动系统的设备包括： 远动通信系统，远动终端装置以及调度端等。以下介绍远动系统的通信方式和网络配置。 3.2.1远动系统的通信方式 (1)按通信的传输介质来划分 远动通信系统有时也被称为远动通道，远动通道按通信的传输介质来划分，常用的通信 方式有有线信道、电力线载波信道(PLC)、无线信道和光纤通信等。 ◆有线信道 有线信道线路一般采用电缆方式，具有衰耗较大，易受干扰的特点，适合用在近距离传 送信息，从低速到高速的数据传输都可采用。常用的电缆类型有多芯电缆、同轴电缆等。 ◆电力线载波信道 电力线载波信道是一种利用电力线进行通信的远动通道，优点是不用另外架设线路， 主要缺点是气候的变化对载波信号的衰耗有影响，电力线路上的噪声也比较大，因而通信误 码率较高。这是上个世纪80年代以前电力系统主要的调度通道，近年来，由于通信技术的 发展，一般都作为备用通道。 远动信号通常与载波电话复用，在电力线载波机中经过调制后的高频载波信号沿电力 线传向接收端。在接收端，载波信号经结合设备进入载波机，经过解调后分别由滤波器将音 频信号和远动信号滤出，再经远动接收装置本身的解调器还原成数字序列的远动信号。 ◆无线信道 2
2 向电力系统调度业务的实时数据服务，国家电力数据通信网 SPTnet 连接国家电网公司系统 内计算机信息网络的提供信息服务。 电力系统的监控信息和管理信息，在我国电力数据通信的专用网络 SPDnet 和 SPTnet 上传输有良好的通信载体和通信介质。为了保证信息传输的可靠性，一方面，需要对介质中 通信的信息进行抗干扰的编码、调制和解码、解调。另一方面，电力系统通信还需要采用的 特定的通信协议，为了正确传送和接收信息而定义的一套关于信息传输顺序、信息格式和信 息内容的约定。目前在电力系统的远动通信系统中存在着一系列这样的通信规约，它们有的 是国际标准，有的是国家标准，也有的是行业标准甚至是企业标准。 通信系统的编码理论以及通信规约将是本章着重研究的内容。 3.2 数据通信与远动数据网络 远动系统（telecontrol system）是对广域地区的生产过程进行监视和控制的系统，它包 括对生产过程信息的采集、处理、传输和显示等全部功能与设备。构成远动系统的设备包括： 远动通信系统，远动终端装置以及调度端等。以下介绍远动系统的通信方式和网络配置。 3.2.1 远动系统的通信方式 （1）按通信的传输介质来划分 远动通信系统有时也被称为远动通道，远动通道按通信的传输介质来划分，常用的通信 方式有有线信道、电力线载波信道（PLC）、无线信道和光纤通信等。 有线信道 有线信道线路一般采用电缆方式，具有衰耗较大，易受干扰的特点，适合用在近距离传 送信息，从低速到高速的数据传输都可采用。常用的电缆类型有多芯电缆、同轴电缆等。 电力线载波信道 电力线载波信道是一种利用电力线进行通信的远动通道，优点是不用另外架设线路， 主要缺点是气候的变化对载波信号的衰耗有影响，电力线路上的噪声也比较大，因而通信误 码率较高。这是上个世纪 80 年代以前电力系统主要的调度通道，近年来，由于通信技术的 发展，一般都作为备用通道。 远动信号通常与载波电话复用，在电力线载波机中经过调制后的高频载波信号沿电力 线传向接收端。在接收端，载波信号经结合设备进入载波机，经过解调后分别由滤波器将音 频信号和远动信号滤出，再经远动接收装置本身的解调器还原成数字序列的远动信号。 无线信道
无线信道是利用电磁波在自由空间中传送信息。高频发送机产生高频电磁波，通过天线 发射出去。在接收端，通过接收天线和接收机来接收。发射机、发射天线、自由空间、接收 天线和接收机共同组成无线信道。 无线电波按波长可划分为长波、中波、短波、微波等，微波通信是电力系统常用的一种 通信方式。微波具有直线传输特性，其绕射能力很弱，由于地球是个球体，所以微波的直线 传输距离就受到限制，一般采用中继接力方式，50km左右需要设一个微波中继站，将信号 接收下来加以放大后再发送出去，利用多级中继站可以使微波通信距离大大增加。微波通信 的优点是频带很宽、通信容量大、可以容纳很多信道、受外界干扰少、误码率较低、方向性 强及保密性都较好。用微波中继通信构成模拟信道的微波，称为模拟微波，构成数字信道的 微波，称为数字微波。模拟微波以频分复用方式进行通信，数字微波以时分复用方式进行通 信。 近年来，电信公司提供的公共通信网络GPRS或CDMA以及未来的3G通道，也成为 了电力远动通信的一种通道，特别是在城市的配电自动化系统中有着较好的应用。 ·光纤通信 光纤通信是一种利用光导纤维传送光信号进行通信的方式，光波的波长为微米级，目前 光纤通信使用的波长为0.8一1.8um,在近红外线区，其频率比微波要高几个数量级。光纤 通信具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰和抗化学腐蚀等优点，目前是电 力系统通信主要通信方式。 (2)按照信号传输的方向来划分 远动通道按照信号传输的方向来划分，通信方式可分为：单向传输方式、半双工传输方 式和全双工传输方式。 ◆单向传输(simplex transmission,simplex traffic)只可在一个预定方向上传输数据。 ◆半双工传输(half-duplex transmission,half-duplex traffic)可在两个方向上传输数据 ,但不能同时传输，只可交替地传输。 ◆全双工传输(duplex transmission,.duplex traffic)可同时双向进行数据传输。 (3)按照启动报文传输的主动性来划分 远动信息在主控站与被控站之间传送，有一方是主叫方，即发动通信的一方，而另一方 则是被叫方，即接收通信的一方。按照启动报文传输的主动性来划分，通信方式可以分为： 平衡传输和非平衡传输。 ◆平衡传输(balanced transmission)方式下，已连接的两个站的任何一个数据终端设 备(DTE)在任何时候都可以启动报文传输。 ◆非平衡传输(unbalanced transmission)方式下，只有主站的数据终端设备(DTE)可 以启动报文传输的传输方式。子站只有在接收到主站请求后才能传送报文。 (4)按发动通信传输的呼叫模式来划分 3
3 无线信道是利用电磁波在自由空间中传送信息。高频发送机产生高频电磁波，通过天线 发射出去。在接收端，通过接收天线和接收机来接收。发射机、发射天线、自由空间、接收 天线和接收机共同组成无线信道。 无线电波按波长可划分为长波、中波、短波、微波等，微波通信是电力系统常用的一种 通信方式。微波具有直线传输特性，其绕射能力很弱，由于地球是个球体，所以微波的直线 传输距离就受到限制，一般采用中继接力方式，50km 左右需要设一个微波中继站，将信号 接收下来加以放大后再发送出去，利用多级中继站可以使微波通信距离大大增加。微波通信 的优点是频带很宽、通信容量大、可以容纳很多信道、受外界干扰少、误码率较低、方向性 强及保密性都较好。用微波中继通信构成模拟信道的微波，称为模拟微波，构成数字信道的 微波，称为数字微波。模拟微波以频分复用方式进行通信，数字微波以时分复用方式进行通 信。 近年来，电信公司提供的公共通信网络 GPRS 或 CDMA 以及未来的 3G 通道，也成为 了电力远动通信的一种通道，特别是在城市的配电自动化系统中有着较好的应用。 光纤通信 光纤通信是一种利用光导纤维传送光信号进行通信的方式，光波的波长为微米级，目前 光纤通信使用的波长为 0.8—1.8µm，在近红外线区，其频率比微波要高几个数量级。光纤 通信具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰和抗化学腐蚀等优点，目前是电 力系统通信主要通信方式。 （2）按照信号传输的方向来划分 远动通道按照信号传输的方向来划分，通信方式可分为：单向传输方式、半双工传输方 式和全双工传输方式。 单向传输（simplex transmission, simplex traffic）只可在一个预定方向上传输数据。 半双工传输（half-duplex transmission, half-duplex traffic）可在两个方向上传输数据 ，但不能同时传输，只可交替地传输。 全双工传输（duplex transmission, duplex traffic）可同时双向进行数据传输。 （3）按照启动报文传输的主动性来划分 远动信息在主控站与被控站之间传送，有一方是主叫方，即发动通信的一方，而另一方 则是被叫方，即接收通信的一方。按照启动报文传输的主动性来划分，通信方式可以分为： 平衡传输和非平衡传输。 平衡传输（balanced transmission）方式下，已连接的两个站的任何一个数据终端设 备(DTE)在任何时候都可以启动报文传输。 非平衡传输（unbalanced transmission）方式下，只有主站的数据终端设备(DTE)可 以启动报文传输的传输方式。子站只有在接收到主站请求后才能传送报文。 （4）按发动通信传输的呼叫模式来划分
在远动系统中，按发动通信传输的呼叫模式来划分，通信方式可有以下几种基本类型： 循环传输、自发传输、按请求传输（或称为问答式传输）。 ◆循环传输(cyclic transmission) 在循环传输模式中，系统周期性地扫描信息源，并按预定顺序将远动信息报文传输给主 控站。 循环传输模式不需主站干预，当传播过程中如果有数据出现差错，可用下一循环中的数 据来补救。循环传输模式的传送时延及传送波特率与一个循环中传送的远动字数有关，传送 的字数越多，传送时延就越长。被控站的数据没有变化，也照样不断地循环向主控站发送数 据，因此信道利用率不高，但是，该模式在传输信息时只需使用单向传输通道。 ◆自发传输(spontaneous transmission) 在自发传输模式中，仅在事件发生时才进行报文传输。例如开关位置状态发生变化，测 量值的变动超过预定范围等，才向主控站发送信息。 自发传输模式的特点是：被控站一旦有事件发生，就立即向主站传送，因而它最适合实 时性的要求。自发传输模式所传送的信息，如果由于干扰等原因主站未能正确收到，该信息 将被丢失，可采取措施进行补救。例如主控站正确收到信息后回送一个“肯定确认”信息， 若被控站收不到这一信息，就重发原来的信息，因此，一般需要双向信道，即半双工传输和 全双工传输通道都可以。 自发传输模式减轻了正常运行情况下信道的负担，但在异常或事故情况下传送的工作 量将大量增加。为了避免信道拥挤，可采用按优先级分批传送等办法来缓解，比如，可以采 取状态变化信息按时标顺序传输(transmission of change-.of-state information chronologically) 或状态变化信息按优先顺序传输(transmission of change-of-state information in an order of priority)等方法。 ◆按请求传输(transmission on demand) 主控站仅在对被控站的请求做出响应时才传送报文的传输方式称为按请求传输。循环传 输模式和自发传输模式都是被控站作为通信传输的发动方来传送信息的，而按请求传输模式 是主控站作为通信发动方，由它向被控站发出请求传送的命令。被控站则按主站的请求来组 织、发送有关信息。这种传输模式通常以问答方式进行通信，有时也称问答式传输。 在问答式传输模式中，主站可以请求被控站发送某一远动信息，也可以要求发送某些类 型的信息等等，其工作方式很灵活。问答式传输模式要双向通信，因此需要双工通道，同样 地，半双工传输和全双工传输通道都可以。 问答式传输模式不仅适用于点对点配置方式，而且也适用于其他配置方式，例如多点共 线配置方式，此时主控站可轮流与各被控站进行问答通信。主站所发的命令中带有目的站的 地址，因此只有被呼叫的被控站能做出应答，其他被控站不受理。 循环传输、自发传输以及按请求传输是三种基本远动传输模式，在实际使用的过程中常 4
4 在远动系统中，按发动通信传输的呼叫模式来划分，通信方式可有以下几种基本类型： 循环传输、自发传输、按请求传输（或称为问答式传输）。 循环传输（cyclic transmission） 在循环传输模式中，系统周期性地扫描信息源，并按预定顺序将远动信息报文传输给主 控站。 循环传输模式不需主站干预，当传播过程中如果有数据出现差错，可用下一循环中的数 据来补救。循环传输模式的传送时延及传送波特率与一个循环中传送的远动字数有关，传送 的字数越多，传送时延就越长。被控站的数据没有变化，也照样不断地循环向主控站发送数 据，因此信道利用率不高，但是，该模式在传输信息时只需使用单向传输通道。 自发传输（spontaneous transmission） 在自发传输模式中，仅在事件发生时才进行报文传输。例如开关位置状态发生变化，测 量值的变动超过预定范围等，才向主控站发送信息。 自发传输模式的特点是：被控站一旦有事件发生，就立即向主站传送，因而它最适合实 时性的要求。自发传输模式所传送的信息，如果由于干扰等原因主站未能正确收到，该信息 将被丢失，可采取措施进行补救。例如主控站正确收到信息后回送一个“肯定确认”信息， 若被控站收不到这一信息，就重发原来的信息，因此，一般需要双向信道，即半双工传输和 全双工传输通道都可以。 自发传输模式减轻了正常运行情况下信道的负担，但在异常或事故情况下传送的工作 量将大量增加。为了避免信道拥挤，可采用按优先级分批传送等办法来缓解，比如，可以采 取状态变化信息按时标顺序传输（transmission of change-of-state information chronologically） 或状态变化信息按优先顺序传输（transmission of change-of-state information in an order of priority）等方法。 按请求传输（transmission on demand） 主控站仅在对被控站的请求做出响应时才传送报文的传输方式称为按请求传输。循环传 输模式和自发传输模式都是被控站作为通信传输的发动方来传送信息的，而按请求传输模式 是主控站作为通信发动方，由它向被控站发出请求传送的命令。被控站则按主站的请求来组 织、发送有关信息。这种传输模式通常以问答方式进行通信，有时也称问答式传输。 在问答式传输模式中，主站可以请求被控站发送某一远动信息，也可以要求发送某些类 型的信息等等，其工作方式很灵活。问答式传输模式要双向通信，因此需要双工通道，同样 地，半双工传输和全双工传输通道都可以。 问答式传输模式不仅适用于点对点配置方式，而且也适用于其他配置方式，例如多点共 线配置方式，此时主控站可轮流与各被控站进行问答通信。主站所发的命令中带有目的站的 地址，因此只有被呼叫的被控站能做出应答，其他被控站不受理。 循环传输、自发传输以及按请求传输是三种基本远动传输模式，在实际使用的过程中常
常是它们的组合，可以灵活应用。例如可以将循环传输模式与自发传输模式组合：在正常情 况下以循环传输模式工作，当发生紧急情况时，例如断路器事故跳闸，就插入事件发动传输， 即优先插入遥信变位信息传输：待紧急信息传送完毕后，再恢复为正常的循环传输模式。在 各种传输模式组合时，事件驱动传输模式的优先级通常是最高，循环传输模式的优先级最低。 3.2.2远动系统的网络配置方式 远动系统中控制站与被控站之间的通信网络连接方式称为远动系统的网络配置，电力系 统远动通道常见的几种网络拓扑结构配置方式如图3-2所示。 控制站 控制站 控制站 被控站 被控站 被控站 被控站 被控站 被控站 被控站 (a) (b) (c) 控制站 控制站 被控站 被控站 被控站 被控站 被控站 被控站 (d) (e) 图3-2远动网络配置方式 远动网络配置方式通常有：点对点配置、多点环形配置、多点共线配置、点对多点配置、 多点星型配置等。 ◆点对点配置
5 常是它们的组合，可以灵活应用。例如可以将循环传输模式与自发传输模式组合：在正常情 况下以循环传输模式工作，当发生紧急情况时，例如断路器事故跳闸，就插入事件发动传输， 即优先插入遥信变位信息传输；待紧急信息传送完毕后，再恢复为正常的循环传输模式。在 各种传输模式组合时，事件驱动传输模式的优先级通常是最高，循环传输模式的优先级最低。 3.2.2 远动系统的网络配置方式 远动系统中控制站与被控站之间的通信网络连接方式称为远动系统的网络配置，电力系 统远动通道常见的几种网络拓扑结构配置方式如图 3-2 所示。 被控站 控制站 被控站 控制站 被控站 被控站 被控站 控制站 被控站 被控站 (a) (b) (c) 被控站 控制站 被控站 被控站 被控站 控制站 被控站 被控站 （d） (e) 图 3- 2 远动网络配置方式 远动网络配置方式通常有：点对点配置、多点环形配置、多点共线配置、点对多点配置、 多点星型配置等。 点对点配置
如图3-2()所示，主控站与被控站通过专用的链路一对一方式相连。 ◆多点环形配置 如图3-2(b)所示，所有的被控站通过通信相连形成一个环。在这种配置中，主控站可用 两个不同的路由与各个被控站通信。因此当信道在某处发生故障时，主控站与被控站之间的 通信仍可正常进行，通信的可靠性得到了提高。 ◆多点共线配置 如图3-2（©）所示，主控站通过共用线路与若干被控站相连。在这种配置中，同一时刻只 允许一个被控站向主控站发送数据，主控站可选择一个或若干个被控站传送数据，也可向所 有被控站同时传送全局性的报文。 ◆点对多点配置 如图3-2()所示，主控站与若干被控站通过各自的链路相连，在这种配置中，主站能同 时与各个子站交换数据。 ◆多点星形配置 如图3-2（©）所示，主控站与若干被控站相连，同一时间只允许其中一个子站向主站传送 数据。主控站可选择被控站同时传送全局性的报文。 3.3远动信息编码的基本理论 3.3.1抗干扰编码的基本原理 远动通信系统的作用是连接远动终端装置和调度端的远动前置机装置实现数据传输，数 据传输的目的就是为了使电力系统的调度中心与发电厂、变电站和配电站之间能够交换信息 和传送数据。 数据传输系统的组成可抽象为如图3-3所示的模型。 发送端的信息源信号有两种主要类型一随时间连续变化的模拟信号和随时间不连续 变化的离散信号。模拟信号通常是单一正弦波或正弦波的组合，如图3-4()所示的远动信 号波形：离散信号是由在时间上离散出现的脉冲组成，脉冲可以是以单个的固定的周期出现， 也可以是以码组的形式出现，如图3-4(b)所示的远动信号波形。 信源编码的作用是将信息源发出的模拟信号或脉冲信号经过模数转换和信号整理转换 成脉冲编码信号，为了使信号适合于在信道中长距离传送和提高信号的抗干扰能力，由发送 设备进行信道编码并将它调制变换为调制信号后再送入信道传输。 图3-3中的噪声源是信道中的噪声以及通信系统中其他各处噪声的集中表示。由于噪 6
6 如图 3-2(a)所示，主控站与被控站通过专用的链路一对一方式相连。 多点环形配置 如图 3-2(b)所示，所有的被控站通过通信相连形成—个环。在这种配置中，主控站可用 两个不同的路由与各个被控站通信。因此当信道在某处发生故障时，主控站与被控站之间的 通信仍可正常进行，通信的可靠性得到了提高。 多点共线配置 如图 3-2(c)所示，主控站通过共用线路与若干被控站相连。在这种配置中，同一时刻只 允许一个被控站向主控站发送数据，主控站可选择一个或若干个被控站传送数据，也可向所 有被控站同时传送全局性的报文。 点对多点配置 如图 3-2(d)所示，主控站与若干被控站通过各自的链路相连，在这种配置中，主站能同 时与各个子站交换数据。 多点星形配置 如图 3-2(e)所示，主控站与若干被控站相连，同一时间只允许其中一个子站向主站传送 数据。主控站可选择被控站同时传送全局性的报文。 3.3 远动信息编码的基本理论 3.3.1 抗干扰编码的基本原理 远动通信系统的作用是连接远动终端装置和调度端的远动前置机装置实现数据传输，数 据传输的目的就是为了使电力系统的调度中心与发电厂、变电站和配电站之间能够交换信息 和传送数据。 数据传输系统的组成可抽象为如图 3- 3 所示的模型。 发送端的信息源信号有两种主要类型——随时间连续变化的模拟信号和随时间不连续 变化的离散信号。模拟信号通常是单一正弦波或正弦波的组合，如图 3-4（a）所示的远动信 号波形；离散信号是由在时间上离散出现的脉冲组成，脉冲可以是以单个的固定的周期出现， 也可以是以码组的形式出现，如图 3-4（b）所示的远动信号波形。 信源编码的作用是将信息源发出的模拟信号或脉冲信号经过模数转换和信号整理转换 成脉冲编码信号，为了使信号适合于在信道中长距离传送和提高信号的抗干扰能力，由发送 设备进行信道编码并将它调制变换为调制信号后再送入信道传输。 图 3- 3 中的噪声源是信道中的噪声以及通信系统中其他各处噪声的集中表示。由于噪
信息源 信源编码 信道编码 调制器 信道 解调器 信道译码 信源译码 终端 噪声器 图33数据传输系统模型 (b) (c) (a)模拟信号：(b)脉冲信号：(c)脉冲编码信号 图3-4远动信号波形 声的干扰，接收端装置收到的信号有可能不同于发送端装置发出的编码信号，因此，需要进 行抗干扰设计。如何对噪声的干扰引起的错码进行识别和纠正呢？这需要利用信息远动编码 理论进行信道编码来实现，信道编码也称为抗干扰编码。 接收设备把接收到的信号进行解调后送入信道译码进行抗干扰的校验，然后经信源译码 进行远动信息的标度变换，还原成对应的通信中要传送的信源原始信息。 远动信号编码和译码的过程如图3-5所示。 信源 M' 信源编码器 抗干扰编码器 C 信道 抗干扰译码器 信源译码器 接收设备 干扰 图3-5远动信号编码和译码模型 信源的监控信号S经过信源编码器编码后得到远动信息序列M,抗干扰编码器的作用 是根据一定的原则，将k个信息元组成的信息序列M变成+r个码元组成的二进制数字序 列C,C称为码字。因为信源编码是从有效性考虑，它产生的信息序列M是没有抗干扰能 力的，抗干扰编码的目的是提高信息序列M的抗干扰能力，使之能应付信道中的干扰。抗 干扰译码器接收的序列R是码字C经过信道传输的干扰后得到的序列。 抗干扰编码与译码完成以下两项任务： ◆设法检查并纠正R中的传输错误，产生真正发送码字C的估值。 ·变换C为信道序列M的估值M'。 根据抗干扰编码的基本理论设计出的抗干扰编、译码器应根据信道实际存在的干扰类型
7 信息源 信源编码 信道编码 调制器 信道 解调器 信道译码 信源译码 终端 噪声器 图 3- 3 数据传输系统模型 T 0 11 0 1 00 111 000 （a） （b） （c） （a）模拟信号；（b）脉冲信号；（c）脉冲编码信号 图 3- 4 远动信号波形 声的干扰，接收端装置收到的信号有可能不同于发送端装置发出的编码信号，因此，需要进 行抗干扰设计。如何对噪声的干扰引起的错码进行识别和纠正呢？这需要利用信息远动编码 理论进行信道编码来实现，信道编码也称为抗干扰编码。 接收设备把接收到的信号进行解调后送入信道译码进行抗干扰的校验，然后经信源译码 进行远动信息的标度变换，还原成对应的通信中要传送的信源原始信息。 远动信号编码和译码的过程如图 3- 5 所示。 信源 信源编码器 抗干扰编码器 信道 抗干扰译码器 信源译码器 接收设备 S M C R M’ S’ 干扰 图 3- 5 远动信号编码和译码模型 信源的监控信号 S 经过信源编码器编码后得到远动信息序列 M，抗干扰编码器的作用 是根据一定的原则，将 k 个信息元组成的信息序列 M 变成 k+r 个码元组成的二进制数字序 列 C，C 称为码字。因为信源编码是从有效性考虑，它产生的信息序列 M 是没有抗干扰能 力的，抗干扰编码的目的是提高信息序列 M 的抗干扰能力，使之能应付信道中的干扰。抗 干扰译码器接收的序列 R 是码字 C 经过信道传输的干扰后得到的序列。 抗干扰编码与译码完成以下两项任务： 设法检查并纠正 R 中的传输错误，产生真正发送码字 C 的估值。 变换 C 为信道序列 M 的估值 M´。 根据抗干扰编码的基本理论设计出的抗干扰编、译码器应根据信道实际存在的干扰类型
做到以下几点： ◆编出的码字能尽快地在噪声信道上传输，即提高传输率。 ·在传输率一定的条件下，使错误概率尽量小。也就是使码字的抗干扰能力强，保证 在接收端装置能正确地再现信息序列M。最后经过信源译码器使得S'与S保持一致。 抗干扰编码器是如何实现码字的检错和纠错的呢？ 这就需要在数据通信中采用特定的编码方法，将k个信息元组成的信息序列M变成什r 个码字C,码字C可用(k+r,k)来表示，在信息码k位之后，按一定规律附加上r位监督 位，构成k+r位远动信息序列M,连同消息一起传送到接收端。接收端装置收到信息后，检 查收到的码字是否符合预先规定的规则，如果不符合规则，则在传输中受到干扰出错，从而 检查出码字有无错误。 码字的抗干扰能力决定于任何二个码字之间的码距。所谓码距，也称海明距离 (Hamming distance),是指两个长度相同的码字，其相对应的位有可能不同，对应码位上不 相同码元的个数，称为码距。所有可能的码字对之间的码距最小值，称为码字集合的最小距 离，计为dnmm° 例如：k个信息码如果没有加监督码元，可组成2“个码组，所有2个码组中的最小码 距为1，这时如果错一个码元，就成为另一个码字，译码器将无法检验它是否有错。 在编码中的另一个重要概念是码字的海明重量，简称重量。一个码字的重量就是该码字 中非零元素的数目，用W表示，在二进制下就是“1的数目。 C2 2T+1 图3-6码距与纠错能力间的关系 如图3-6所示，C1和C2表示分组码中的两个码字，它们之间的最小码距为2T十1。 当错误少于或等于T时，错误的码组C‘和C2'都在以CI或C2为圆心、T为半径的圆内， 离原来的码字C1或C2的距离T十1，故译码器可按照 码距大小进行判断。 通过上述讨论，可得如下结论： 8
8 做到以下几点： 编出的码字能尽快地在噪声信道上传输，即提高传输率。 在传输率一定的条件下，使错误概率尽量小。也就是使码字的抗干扰能力强，保证 在接收端装置能正确地再现信息序列 M。最后经过信源译码器使得 S´与 S 保持一致。 抗干扰编码器是如何实现码字的检错和纠错的呢？ 这就需要在数据通信中采用特定的编码方法，将 k 个信息元组成的信息序列 M 变成 k+r 个码字 C，码字 C 可用（k+r，k）来表示，在信息码 k 位之后，按一定规律附加上 r 位监督 位，构成 k+r 位远动信息序列 M，连同消息一起传送到接收端。接收端装置收到信息后，检 查收到的码字是否符合预先规定的规则，如果不符合规则，则在传输中受到干扰出错，从而 检查出码字有无错误。 码字的抗干扰能力决定于任何二个码字之间的码距。所谓码距，也称海明距离 （Hamming distance），是指两个长度相同的码字，其相对应的位有可能不同，对应码位上不 相同码元的个数，称为码距。所有可能的码字对之间的码距最小值，称为码字集合的最小距 离，计为 dmin。 例如：k 个信息码如果没有加监督码元，可组成 2 k个码组，所有 2 k个码组中的最小码 距为 1，这时如果错一个码元，就成为另一个码字，译码器将无法检验它是否有错。 在编码中的另一个重要概念是码字的海明重量，简称重量。一个码字的重量就是该码字 中非零元素的数目，用 W 表示，在二进制下就是“1”的数目。 2T+1 C1 C C2' ' C2 T T 图 3- 6 码距与纠错能力间的关系 如图 3- 6 所示，C1 和 C2 表示分组码中的两个码字，它们之间的最小码距为 2T 十 1。 当错误少于或等于 T 时，错误的码组 C1´和 C2´都在以 Cl 或 C2 为圆心、T 为半径的圆内， 离原来的码字 Cl 或 C2 的距离＜T，离另一码字 C2 或 Cl 的码距＞T 十 1，故译码器可按照 码距大小进行判断。 通过上述讨论，可得如下结论：
·一个分组码要发现T个错误的充分和必要的条件是： 码字之间的最小距离为dmin=T十1。 ◆分组码要纠正T个错误的充分必要条件是： 码字之间的最小距离为dmin=2T十l。 例如：码字之间的最小距离dmin=10,可以检出9个错误，纠正4个错误。 以上的讨论说明增大码字的最小码距，可以提高其检错和纠错能力，至今各种编码方法 还不能检测或纠正所有可能的错误，但是可以选择一种有效的编码方式来尽可能地发现或纠 正那些经常出现的错误。 利用信道编码进行差错控制可以分为如图37所示的四种基本类型。在下图中深色方 框表示在该端检查出差错。 发端 收端 可以纠正错误的码 FEC 能够发现错误的码 ARQ 应答信号 可以纠正和发现错误的码 HEC 应答信号 数据信息 IRQ 数据信息 图3-7差错控制方式 ◆前向纠错(FEC)：前向纠错方式FEC(Forward Error Correction)是在发送端将 数据信息按一定的规则附加余码元，组成纠错码。 ·自动回询重传(ARQ):这种方式又可称为检错重传、判决反馈或反馈纠错，记 作ARQ(Automatic Repeat Request).。 ·混合差错控制方式(HEC)：如果将FEC和ARQ适当结合起来，就能克服各自的 缺点，这就是混合差错控制方式，也称混合纠错方式HEC(ybrid Error Correction)。 ◆信息反馈(IRQ):也就是信息重传请求RQ(Information Repeat Request),将接 收到的数据原封不动地通过反馈信道送回到发送端。 一个码字中的信息元所占的比重称为编码效率，简称码率。码率为R=。一个码字中， 信息元所占比重越大，则码率越高。 9
9 一个分组码要发现 T 个错误的充分和必要的条件是： 码字之间的最小距离为 dmin=T 十 1。 分组码要纠正 T 个错误的充分必要条件是： 码字之间的最小距离为 dmin=2T 十 1。 例如：码字之间的最小距离 dmin＝10，可以检出 9 个错误，纠正 4 个错误。 以上的讨论说明增大码字的最小码距，可以提高其检错和纠错能力，至今各种编码方法 还不能检测或纠正所有可能的错误，但是可以选择一种有效的编码方式来尽可能地发现或纠 正那些经常出现的错误。 利用信道编码进行差错控制可以分为如图 3- 7 所示的四种基本类型。在下图中深色方 框表示在该端检查出差错。 可以纠正错误的码 发端 收端 能够发现错误的码 应答信号 可以纠正和发现错误的码 应答信号 数据信息 数据信息 FEC ARQ HEC IRQ 图 3- 7 差错控制方式 前向纠错（FEC） ：前向纠错方式 FEC（Forward Error Correction）是在发送端将 数据信息按一定的规则附加余码元，组成纠错码。 自动回询重传（ARQ）：这种方式又可称为检错重传、判决反馈或反馈纠错，记 作 ARQ（Automatic Repeat Request）。 混合差错控制方式（HEC）：如果将 FEC 和 ARQ 适当结合起来，就能克服各自的 缺点，这就是混合差错控制方式，也称混合纠错方式 HEC（Hybrid Error Correction）。 信息反馈（IRQ）：也就是信息重传请求 IRQ（Information Repeat Request），将接 收到的数据原封不动地通过反馈信道送回到发送端。 一个码字中的信息元所占的比重称为编码效率，简称码率。码率为 R=k/n。一个码字中， 信息元所占比重越大，则码率越高
误码率(P)：指错误接收消息的码元数在传输消息的总码元数中所占的比例。 误比特率(Pb)：指错误接收消息的比特数在传输消息的总比特数中所占的比例。 显然，对二进制信号而言，误比特率和误码率是相同的，即： Pb=Pe 误字率(Pw):指错字数在传输总字数中所占的比例。 3.3.2几种常用的抗干扰编码 常用的监督位的编码方法有奇偶校验码、方阵码、线性分组码、循环码等。 (1)奇偶校验码 奇偶校验码是最简单的一种检验码，是针对字符级进行检错的一种方法。它是在原信息 之后，附加一位奇/偶校验位，使字符与校验位中总的“1”和“0”的个数保持奇数或偶数， 保持奇数的叫奇校验，保持偶数的叫偶校验。 若有一个(n,n-1)码，则有=n-1个信息元，为Cn-1,Cn-2,,C1,=1个监督元 为C,当偶数监督时，它们之间的关系为： Cn-1+Cn-2+Cn-3+.+C1=C0(模2) (3-1) 当奇数监督时，它们之间的关系为： Cn-1+Cn-2+Cn-3+..+C2+1=Co(模2) (3-2) 式(3-1)表示监督元是所有信息元的模2相加。这样能保证所编出的每一个码字中“1” 的数目是偶数，故称这种(n,-1)码为偶数校验码（或称偶数监督码）。 式(3-2)可说是所有信息元与一个监督元的模2相加为1，则编出的每一个码字中“1” 的数目是奇数，称这种码为奇数校验码（或称奇数监督码）。奇数校验码或偶数校验码，还 可统称为奇偶校验码（或称奇偶监督码）。 奇偶校验码的最小码距为2，因此，它可以检测1位错误，不可以纠正错误。 (2)方阵码 奇偶校验码可以检测出一组信息序列中错奇数个码元，如果信息码元发生偶数个码元的 错误，此时由于没有破坏奇偶校验码奇偶规律，则奇偶校验码不能检错：而且，奇偶校验码 只能检错，但是不能定位，也即不能确定哪几位有错。对奇偶校验码进行适当的扩展形成的 水平一致校验码和水平垂直一致校验码（也称方阵码）可以增强奇偶校验码的检测能力。 水平一致校验码的编码方法是：把信息码元以适当长度划分成小组，各小组按行排列， 对各行的信息元进行奇偶校验，得到的校验元附在每行的后面，传送时以列传输，首先传送 第一列，再传送第二列，最后送校验元列。如表31所示的例子中信道传送的序列为 10
10 误码率（Pe）：指错误接收消息的码元数在传输消息的总码元数中所占的比例。 误比特率（Pb）：指错误接收消息的比特数在传输消息的总比特数中所占的比例。 显然，对二进制信号而言，误比特率和误码率是相同的，即： Pb＝Pe 误字率（Pw）：指错字数在传输总字数中所占的比例。 3.3.2 几种常用的抗干扰编码 常用的监督位的编码方法有奇偶校验码、方阵码、线性分组码、循环码等。 （1） 奇偶校验码 奇偶校验码是最简单的一种检验码，是针对字符级进行检错的一种方法。它是在原信息 之后，附加一位奇／偶校验位，使字符与校验位中总的“1”和“0”的个数保持奇数或偶数， 保持奇数的叫奇校验，保持偶数的叫偶校验。 若有一个（n，n-1）码，则有 k=n-1 个信息元，为 Cn-1，Cn-2，…，C1，r=1 个监督元 为 C0，当偶数监督时，它们之间的关系为： Cn-1+Cn-2+Cn-3+…+C1=C0 （模 2） （3-1） 当奇数监督时，它们之间的关系为： Cn-1+Cn-2+Cn-3+…+C2+1= C0（模 2） （3-2） 式（3-1）表示监督元是所有信息元的模 2 相加。这样能保证所编出的每一个码字中“1” 的数目是偶数，故称这种（n，n-1）码为偶数校验码（或称偶数监督码）。 式（3-2）可说是所有信息元与一个监督元的模 2 相加为 1，则编出的每一个码字中“1” 的数目是奇数，称这种码为奇数校验码（或称奇数监督码）。奇数校验码或偶数校验码，还 可统称为奇偶校验码（或称奇偶监督码）。 奇偶校验码的最小码距为 2，因此，它可以检测 1 位错误，不可以纠正错误。 （2） 方阵码 奇偶校验码可以检测出一组信息序列中错奇数个码元，如果信息码元发生偶数个码元的 错误，此时由于没有破坏奇偶校验码奇偶规律，则奇偶校验码不能检错；而且，奇偶校验码 只能检错，但是不能定位，也即不能确定哪几位有错。对奇偶校验码进行适当的扩展形成的 水平一致校验码和水平垂直一致校验码（也称方阵码）可以增强奇偶校验码的检测能力。 水平一致校验码的编码方法是：把信息码元以适当长度划分成小组，各小组按行排列， 对各行的信息元进行奇偶校验，得到的校验元附在每行的后面，传送时以列传输，首先传送 第一列，再传送第二列，最后送校验元列。如表 3- 1 所示的例子中信道传送的序列为