基于系统的光无线通信

基于系统的光无线通信（通用10篇）

基于系统的光无线通信 篇1

1 前言

微波/毫米波通信由于频率高, 容量大, 抗干扰等优点, 能够实现多媒体业务的实时传输, 是未来无线通信的发展方向。尤其是60GHz频段的毫米波, 引起了人们极大的兴趣。但由于毫米波信号在大气中衰减很大, 无法在大气中实现远距离传输。光纤具有带宽大、损耗小、重量轻的特点, 用光纤来传输高频微波信号, 即光载无线电 (Ro F) , 可以同时结合光纤通信和无线通信的所有优点, 因而成为近年来的热门研究领域。

当前, 针对Ro F技术研究的主要问题包括:如何产生高质量的光载射频信号, 如何有效克服光纤色散对光载射频信号的影响, 如何有效接收光载射频信号, 如何对上/下行链路传输的基带信号进行下/上变频等;另一方面, Ro F技术方案必须综合考虑经济因素, 因为系统成本尤其是基站设备和维护成本决定了Ro F技术是否具有实用价值。文献报道表明, 采用光载波抑制 (Optical carrier suppression, OCS) 调制[1]和单边带 (SSB) 调制[2]可以有效克服光纤色散的影响。而直接调制注入锁定的半导体激光器可以同时产生光载微波信号并实现无需本振信号的全光上变频, 系统结构简单, 且可以产生无啁啾调制信号[3]。文献[4]提出一种基于光注入DFB半导体激光器实现的具有最佳接收灵敏度的SSB调制Ro F系统, 该研究结果表明DFB半导体激光器能够对多频注入光进行选频放大, 实验产生了抗色散能力很好的SSB信号, 还实现了全光上变频。

本文在[4]的基础上, 提出了一种基于光注入DFB半导体激光器实现的具有最佳接收灵敏度和载波可重用的Ro F系统, 该方案不仅能够在全光Ro F接入网络的下行链路中产生了抗色散能力很好的类单边带 (ASSB) 调制信号、实现全光上变频, 还能够利用下行链路的光载波实现上行通信。传输系统仿真研究表明下行链路具有抗色散能力、上行链路具有可用的传输性能。

2 原理与实现方案

本文提出一种基于光注入DFB半导体激光器实现的具有最佳接收灵敏度和载波可重用的SSB调制Ro F系统, 具体方案如图1所示。在中心局 (CO) , MZM工作在最大传输点, 用VOA控制注入光功率, 调谐主激光器的输出波长, 使-2级边带被放大并锁定DFB半导体激光器, 且DFB半导体激光器的输出信号其OCSR等于基站所用滤波器的反射率 (d B) ;同时用一个窄带PD对上行数据进行光电转换, 然后用一个低通滤波器 (Lowpass fi lter, LPF) 和误码测试仪 (Bit error rate test, BERT) 分别进行低通滤波和误码测试。下行光信号经过一段光纤传输后, 在基站 (BS) 接收端, 用一个部分反射型光栅对传输后的光信号进行滤波处理, 光栅的中心波长对准主激光器的波长, 这样经过光栅滤波后, 接收端的光信号其OCSR为零, 即达到了最佳接收灵敏度的效果, 然后用宽带PD进行光电转换, 再用一个本振 (LO) 信号对其进行混频下变频, 经过LPF后即可在BERT中进行误码测试;同时, 光栅反射回来的光波信号经环形器引导可以作为上行链路的载波, 经过调制和放大之后即可发送到SMF中实现上行链路的通信传输。这样就完成了一个完整的全双工Ro F系统设计, 且可以实现下行链路的最佳灵敏度接收和上行链路的载波重用, 提高系统性能的同时还能降低系统维护成本。其中 (a) ~ (e) 各点的光谱示意图如图1下半部分所示。

此外, 在严格的单边带 (Strict single sideband, SSSB) 调制方案中只有一个边带被调制, 而在本方案中, 虽然信号主要调制在被放大的-2级边带上, 但载波仍然有微弱的信号调制, 为了区别于理想的单边带调制, 可以称本方案产生的单边带调制为类似单边带调制 (Analogous Single Sideband, ASSB) 。

3 仿真结果与讨论

然后分别对这两路光进行相同数据信号的独立调制, 其中包含-2级边带的这一路进行强调制, 另一路进行弱调制, 使得耦合后-2级边带与载波之间的调制系数差为20d B;然后用一个EDFA对调制后的-2级边带进行放大, 使得耦合后光信号的OCSR为18.5d B;最后用一个光学耦合器把这两路光进行耦合。

参数设定后运行搭建的仿真系统, 其中 (a) ~ (e) 各点的输出光谱如图 (a) ~ (e) 所示。由图 (a) 可见, 在CO处, 主激光器发出的光经过MZM的最大传输点调制后产生了频率间隔为60GHz的DSB信号, 频率为信号源的两倍, 且OCSR为33.5d B。这些光注入到被基带数据调制的DFB半导体激光器后产生了ASSB调制信号, 其中-2级边带被放大了15d B, OCSR减小为18.5d B, -2级边带与载波的调制系数差为20d B, 如图 (b) 所示。信号传输到BS后, 经过光栅滤波处理得到的光载射频信号为60GHz, 且载波与-2级边带功率相等, 即OCSR=0d B, 如图 (c) 所示。需要说明的是, 由于光栅透射谱具有一定的带宽, 所以透射光信号中载波携带的基带数据信号将被滤除。光栅反射的重用载波如图 (d) 所示, 可见用于传输上行链路数据的重用载波还残留有微弱的下行基带数据信号。经过上行基带数据调制后, 光载波的频谱明显展宽, 如图 (e) 所示。这些结果与所示的频谱示意图基本一致。此外, 在BS处产生的微波信号如图 (f) 所示。由图可见, 本方案最终在下行链路的接收端产生了二倍于CO信号源频率的微波信号, 成功实现了微波信号的光学传输。

仿真中对下行链路光载微波信号的抗色散能力进行了测试。如图4所示是基站接收的微波信号功率随传输距离变化的曲线。如图可见, 本方案产生的单边带 (ASSB) 信号与理想单边带 (SSSB) 信号一样, 接收端微波信号的功率大小不会像双边带 (DSB) 调制方案那样随传输距离的变化出现正弦衰落效应, 而且其曲线斜率与所用SMF的损耗系数一致, 说明本方案产生的SSB信号具有非常好的抗色散能力。

仿真中还对上下行链路对基带数据信号的传输性能进行了测试, 结果如图5所示。如图可见, 信号无误码 (BER=1×10-9) 传输的功率代价都很小, 下行链路只有0.27d B, 而上行链路可以忽略不计。此外, 接收灵敏度也都比较高, 无误码接收功率都低于-17d Bm。无误码时上下行基带数据信号在传输前后的眼图如图所示。从图6可见, 传输前后眼图都很清晰, 且张开度都很大, 体现了良好的数据恢复能力。其中上行链路中上眼皮的抖动是由于载波中残留下行基带数据导致。

4 结论

本文提出了一种基于光注入DFB半导体激光器实现的具有最佳接收灵敏度和载波可重用的Ro F系统, 利用光注入DFB半导体激光器可以产生OCSR>0d B的SSB信号的特性, 提出了一种具有最佳接收灵敏度和载波可重用的SSB调制Ro F系统, 完整地实现了上下行链路的通信。此外, 还用VPI软件对所提方案进行了仿真验证。仿真结果表明, 所提方案的上下行链路都具有良好的数据传输性能:不受色散影响, 信号无误码传输的功率代价小, 接收灵敏度高, 眼图清晰且张开度大等。

摘要：本文提出一种基于光注入DFB半导体激光器实现的具有最佳接收灵敏度和载波可重用的类单边带调制 (Analogous Single Sideband, ASSB) Ro F系统, 并用VPI软件对所提方案进行了仿真验证。仿真结果表明所提方案的下行链路可以很好地克服光纤色散影响并同时实现最佳接收灵敏度的接收, 且重用载波可以成功用于传输上行数据。

关键词：光载无线电,光注入锁定,类单边带调制

参考文献

[1]Z.Jia, J.Yu, G.-K.Chang.A full-duplex radio-over-fiber system based on optical carrier suppression and reuse[J]IEEE Photon.Technol.Lett, 2006, 18 (16) :1726-1728.

[2]C.Hong, C.Zhang, M.Li et al.Single-sideband modulation based on an injection-locked DFB lasers in radio-over-fiber systems[J].IEEE Photon.Technol.Lett, 2010, 22 (07) :462-464.

[3]S.Mohrdiek, H.Burkhard, H.Walter.Chirp reduction of directly modulated semiconductor lasers at 10Gb/s by strong CW light injection[J].J.Lightw.Technol, 1994, 12 (03) :418-424.

[4].Jintian Xiong, Rong Wang, Tao Pu et al.A Novel Approach to Realizing SSB Modulation With Optimum Optical Carrier to Sideband Ratio[J].IEEE Photonics Technology Letters, 2013, 25 (12) :1114-1117.

基于公网通信采集电能信息系统 篇2

关键词：载波； GPRS；集中抄表模式

1.公网通信采集电能信息系统的技术选择

本系统技术实现方案中以建筑单元为基础单位，每个集中的建筑单元安装数据采集器，采集器与电能表组成本地RS485通信网络，电能表数据汇总到数据采集器内，在每个数据采集器上加装网络通信模块，数据采集器与主站组成无线局域网，主站可实时查询数据采集器数据内各电能表数据，采集用户用电信息。

2.系统结构和框架

A.功能介绍

a.主站系统部分

主站系统包括前置机软件[规约插件]、应用服务器,WEB服务器。

表现层：利用WEB方式实现,为客户操作界面，系统的客户功能大部分在这里实现，可运行于网络的任何节点

应用层：接收客户端命令并做相应处理后转发前置机,接收前置机数据转发后台;实时数据统计、分析，根据分析结果形成相应的事项或结果数据;计划任务的处理。

支撑层：应用服务器远程操作命令，调用相应规约解析，并下发到远方终端;接收终端数据调用规约，解析为应用服务认知的数据格式，并将数据发送到应用服务器;动态管理、维护通道，监测通道运行状况.各种接口的实现;

数据层：定义数据的存储和备份机制,确保数据的安全和准确。

b.通信系统部分

无线采集器部分：HY-GP01A远程集中抄表终端（以下简称终端）是用电现场管理系统中的重要终端设备之一。主要用于解决抄表全覆盖问题。终端通过一个485抄表口可以实现32电能表的召测，并以GPRS无线通信的方式将电表内相关信息随时按主台的命令发向主台。同时，本终端具有全播和选播功能，便于电力部门有效管理。

本终端由性能优良的工业用GPRS模块、高性能的ARM7主控芯片为核心的主控单元以及指示模块、电源模块等组成。终端采用阻燃型ABS外壳，外形小巧轻便，电磁兼容性好，抗干扰能力强。终端体积小巧，壁挂式结构，调试及维修方便，可在强电磁干扰等恶劣环境下长期可靠地工作。

B.功能和基本配置

抄表RS485接口：1个，速率600bps~9600bps。

当地RS232通信接口：1个，速率9600bps，信号TD，RD，RTS。

工作状态指示：运行、报警、GPRS在线、参数变更、遥信、485收发和GPRS电源、网络、RX、TX。

a.参数设置与查询

终端地址可用PDA设置及查询。

终端能由PDA和主站设置与查询GPRS参数、表计参数等。

电能表数据采集：1路485接口，实现32块电表的有功电能示值等基本数据的采集及数据冻结功能，包括小时冻结、30天日数据冻结等。

信道特征：信道采用GPRS公网信道，通信模块采用中兴的ME3000模块。

模块传输特性：符合《中兴通讯 ME3000模块技术规格书（V1.0）》。

频段转换：模块自动在850MHz、900MHz、 1800MHz和1900MHz间切换。

b.结构和机械性能要求

结构：终端外壳应密闭，符合室内使用条件。

机械性能：外壳要密闭并加封，防止非法操作。能承受常规运输条件下的振动、冲击，设备不损坏，零部件不脱落。

振动试验：受试设备不包装，不通电，固定在试验台中央。

试验频率：10HZ~150HZ。

交越频率：60HZ。

f≤60HZ: 定振幅0.075mm。

f＞60HZ: 定加速度10m/s（1.0g）。

每轴线扫描周期数：10。

c.安全性及电磁兼容特性

绝缘电阻：输入、输出回路对地和各回路之间的绝缘电阻值：正常試验条件，不低于10M；湿热条件下，不低于2M。

工频耐压：电源回路、交流电量输入回路、输出回路各自对地及电气隔离的各回路之间以及输出继电器常开触点回路之间，能承受额定频率为50Hz、有效值为2kV的交流电压，泄漏电流小于5mA，时间1min的工频耐压试验。试验中不应有电弧、放电、击穿、损坏。

冲击耐压：以峰值6 kV，波形1.2/50 s的脉冲，加于电源回路、交流电量输入回路和无电气联系的各回路之间，正负极性各10次，不应有电弧、放电、击穿、损坏。

抗工频磁场影响：50 Hz，400A/m。

抗静电放电影响：8kV。

抗电源瞬变影响：终端在电源电压突降及短时中断时，终端不应发生死机、错误动作或损坏，电源电压恢复后，存储数据无变化，工作正常。

抗传导性高频电压影响： 1 MHz高频衰减振荡波，电源共模2.5 KV,差模 1.25KV，其余1KV。

抗浪涌干扰：电源口共模4 KV，差模2 KV，其他口1KV。

抗电快速脉冲群干扰：电源口4 KV，其他口1KV。

辐射电磁场抗扰度：射频辐射，80MHz~1000MHz，10V/m。

可靠性指标：终端的平均无故障工作时间（MTBF）大于25000小时。

3.技术特点

现场组网采用电表与采集器组成RS485总线网络，RS485总线网络可靠性好；电表连接在本地RS485总线网络，与无线远程网络隔离，不易受攻击，安全性高；采集器与主站通过GPRS网络组成无线局域网，取消了传统模式下的载波通信层，网络层次少，可靠性增强；系统组网简单，现场设备层次节点少，便于排查故障；

4.结束语

基于系统的光无线通信 篇3

随着智能电网建设工作不断推进和电力通信覆盖面和覆盖深度的不断拓展,电力通信服务的范围越来越广、承载的业务越来越多,作为重要支撑系统的信息、通信平台将在网络建设模式、新技术应用、业务系统融合、网络覆盖范围及服务对象等方面取得较快发展和变化。电力信息通信传输网是由国家电网投资建设和管理,为电力工业发展提供保障的重要基础设施,为确保实现电网调度自动化、电力市场化、生产运行信息化、管理现代化提供了重要的信息传输和交换通道,是确保电网安全、平稳、可靠运行的有力支撑。电力通信网是集成了通用通信技术和电力特有通信技术的综合通信网络,呈现多网络、多业务的融合发展,逐步建设成为与电网共发展,与电网并存的第二张实体网络,为电力生产和经营管理和电网的现代化、智能化发展提供强有力的支撑。

在“一强三优”现代公司战略目标引领下,针对未来电网的发展,依据国家电网公司关于转变电网发展方式,以着力构建智能电网体系及智能电网的发展战略框架为基本要求,结合国家电网现状,依托强大的通信信息网络,实现发、输、变、配用电和调度六个环节的智能化,构建以信息化、数字化、自动化为特点的技术成熟、结构合理的通信网将是“十二五”期间电力通信网发展的首要目标和新的制高点。

1 ASON 技术体系结构

ASON(Automatically Switched Optical Network),即自动光交换网络,也称智能光网络,是构建下一代光通信传送网络的核心技术之一。自动交换光网络ASON是一种新型的智能光网络,以多粒度、多层次的智能,在选路和信令控制之下完成自动交换,提供多样化、个性化的服务。ASON网络通过采用MESH(第一次出现给出英文组成及解释)组网方式,提高了网络扩展能力;通过引入控制平面实现网络拓扑的自动发现、连接的自动建立、删除和端到端的业务配置;通过更加可靠地网络保护方式,有效提高了网络的多节点失效下的故障恢复能力;通过带宽的动态分配、业务的动态配置和快速生成,有效提高了网络带宽的利用率。新一代自动交换光网络(ASON)技术,代表未来信息通信网络技术的发展方向。

ASON的技术体系结构如图1:

(1)网元管理系统(EMS)是集成在节点设备中最低的管理层次,它是实现对不同网元设备中的控制模块和传送模块进行管理的网管代理。

(2)网元层之上是网络管理系统(NMS),它们通过分布的EMS实现对特定网络管理域的管理。NMS可在本管理域内实现连接的自动建立以及完成对控制平面和传送平面的管理。NMS和EMS之间的接口可通过简单网络管理协议(SNMP)、公共管理信息协议(CMIP)或者私有的协议实现。

(3)域间网络管理系统(INMS)基于NMS层之上。它可通过用公共对象请求代理架构(CORBA)技术实现的域间网络管理接口完成跨域连接的建立。INMS的出现使得不同网络管理系统之间的互联变得简单。网络管理者可以通过INMS的图形用户接口(GUI)建立跨域连接,并进行多域网络的协调管理。

(4)服务管理系统(SMS)是ASON网络管理系统的最高层,它可方便地实现对各种新兴网络服务的管理,例如光虚拟专用网(OVPN)和按需带宽分配(BOD)业务。

与传统的光传送网技术相比,ASON最显著的特点就是引入了控制平面。引入的控制平面具有以下几个特点:

(1)快速智能的业务配置,满足紧急的业务需求。支持电子交换设备动态的向光网络申请带宽资源,可以根据网络中业务分布模式动态变化的需求,通过信令系统或者管理平面自主地建立或者拆除光通道,而不需要人工干预。

(2)强大而灵活的传送和交换能力。采用专门的控制平面协议,可适用于各种不同的传送技术,支持复杂拓扑的格状网络。

(3)分布式的控制能力。通过分布式的信令/协定,特别是多协议标记交换(MPLS)技术向光层的拓展,实现了网络智能化的控制。

(4)开放的网络管理.ASON能支持多厂家环境下的连接控制、多样性的业务。

(5)强大的恢复功能.ASON采用先进的基于IP的光路由和控制算法,采用ASON特有的分布恢复功能,根据实时传送网络状态实现恢复功能,提供MESH保护恢复功能,抗多节点失败,提高了网络的生存性和抗灾难能力。

ASON的优势集中表现在其组网应用的动态、灵活、高效和智能方面。支持多粒度、多层次的智能,提供多样化、个性化的服务是ASON的核心特征。有了ASON技术,网络业务的调配变得更加灵活,可将话音信号传输、Internet IP业务传输、ATM信号传输、数字图像信号传输融为一体,可以在同一传送平台提供话音信号、数据信号、图像信号的传输,实现传输网络的统一,网络维护管理费用降低。

2 地区组网方式的介绍

自建自营自建自营电力专网,在安全性、可靠性、业务保障能力方面具有明显优势,与此同时,构建专网也存在一次性投入大、运行维护复杂等问题。目前,电力专网目前尚处于小规模试点阶段,承载业务量有限,系统稳定性尚未得到验证。以TD-LTE230无线专网试点为例,目前采用3个基站实现市区全覆盖,而系统挂载终端的数量只有几十个,与单基站支持6000个点在线的设计指标差距很大,就当前情况看难以评估该系统的实际性能。目前,海盐供电局计划逐步增加终端数量,最终实现17500业务点全接入,届时,TD-LTE230的性能将得到有效的验证。因此,应继续推进电力专网试点工程建设,在增加试点数量的同时,着重提高试点建设质量,以便真实有效地评估电力专网的业务支撑能力。综合考虑建设成本、系统性能、终端分布等因素,宜采用电力无线专网作为终端通信接入网远程通道,可以用于直接承载“二遥”配电自动化业务、负荷控制业务、少量的视频业务,也可以作为用电信息采集业务的主干通道。

租用公网简便快捷,维护简单,但是安全性、实时性得不到保证,长期经济性差。对于重要性能低的配电自动化业务,普通居民和一般工商用户抄表业务以及构建专网明显有难度的区域可以采用租用无线公网的方式。

3 电力通信网网络规划

在网络中引入ASON的优点

(1)允许将网络资源动态地分配给路由,缩短了业务层升级扩容时间,明显增加业务层节点的业务量负荷。

(2)具有可扩展的信令能力集。

(3)快速地业务提供和拓展。

(4)降低维护管理运营费用。

(5)光层的快速业务恢复能力。

(6)减少了用于新技术配置管理的运行支持系统软件的需要,只需维护一个动态数据库,也减少了人工出错的机会。

(7)可以引入新的业务类型,诸如按需带宽业务、波长批发、波长出租、分级的带宽业务、动态波长分配租用业务、带宽交易、光拨号业务、动态路由分配、光层虚拟专用网(VPN)等,使传统的传送网向业务网方向演进。

ASON网络采用MESH网络拓扑结构进行组网,资源高效、维护便捷,可提供业务安全性更高的钻石、金、银、铜、铁级动态业务,可满足未来IP等大容量、大颗粒业务需求和通信网的发展。根据需要承载的业务级别,需要对网络的光缆路由、各节点业务容量、保护方式选择等方面进行规划,选择适合的网络节点进行ASON设备升级或改造,并对现有通信网组网方式、网络资源、业务接入方式、保护方式进行分析和优化设计,以合理、可行的方式接入ASON网络,完成ASON网络的建设。

上述网络形成后,实现了ASON智能保护,业务接入更方便;可选择的保护路由更多,网络安全性更高,抗风险能力更强,网络层次更清晰,以后的维护工作更加简单。

随着电力通信改革的逐步发展,ASON的引入将会使电力通信网的光传送网体系结构、管理维护发生重大变化,必须做好全面的规划和充分的技术准备,才能保证ASON网络的平滑演进。ASON的提出和实践为光传送网络由单纯的信息传送平台向业务提供平台演进带来了机会,以ASON为代表的智能光网络必将成为未来几年光通信网络建设和发展的主导方向,同时ASON网络体系将为网络运营商和设备制造商带来新的业务增长点。

根据网络拓扑结构,业务量,计算出所需各节点的端口种类、数量以及各通道需用的种类、容量,计算结果准确,可以反映出网络的实际结果,指导工程的建设和运营维护。本课题所设计的架构具有设置电路路由的功能,通过设置通道的增加量,包括通道的种类、数量。可以计算出在无故障时,网络运行所需用的带宽资源,也计算出指定故障时,在业务不中断情况下网络运行所需用的资源。可以计算出网络任意单点(光纤、节点)或者双点故障时,业务保护/恢复所需的资源和时间。相对于传统的传输网络,ASON新增了控制平面,这使ASON从技术上实现了对传输层面链路资源更加丰富的调配方式,并能够以更加实时的方式按需向传送层面申请资源、建立连接,从而为新业务的提供奠定了技术基础。

ASON控制平面的基本功能有呼叫控制、呼叫许可控制、连接管理、连接控制、连接许可控制、支持UNI与网管系统的联系、多归属环境中的连接管理、支持路由分集连接的连接管理和补充业务的支持等。在ASON中,呼叫控制和连接控制可以分开处理,这样做的好处是可以减少中间连接控制节点过多的呼叫控制信息,去掉解码和解释全部消息及其参数的沉重负担。于是呼叫控制可以仅仅在网络的入口或网关和网络边界处提供,中间节点只需提供必要的规程来支持交换连接即可。

待该ASON网络建成后,与原有SDH网络构成双平面结构,还可通过ASON设备与SDH设备互联互通的方式,形成第一平面与第二平面相互支持、互为主备的网络格局。根据电力业务的迅猛发展,在使用定位方面可以规划SDH网络主要承载调度、行政、环境监控等传统业务,而ASON网络主要承载用电信息采集、高清视频等大颗粒业务,同时近几年还出现了ASON新业务,例如PBS(提供带宽服务)、BOD(按需带宽分配业务)、OVPN(光虚拟专用网)等。

4 具体建设步骤设想

(1)在现有网络中引入智能光网络集中控制系统,向外提供标准的uni接口,实现流量工程和带宽按需自动配置。可以在现有光传输网的层面选择几个核心大节点配置大型交叉连接系统,这种方式可以首先屏蔽现有网络的多厂商环境,构建一个基于网格状网的灵活、强大的智能核心层,或者保持现有传输网不做变动。通过在集中的管理系统上配置智能控制系统,借助其所提供的标准oif-uni接口,可以实现与数据业务层的自动互联,构建重叠结构的智能光网络。这种方式的主要好处是:兼容现有网络,实现带宽自动按需配置,投资省,见效快,特别是和流量工程工具结合使用后,可以实现节省30%的网络成本,标准化程度高,风险较低,也符合现有运营体制,可以提供丰富多彩的智能光网络业务,实现对波长或子波长(从2mb/s到10gb/s)的动态带宽配置。

(2)逐渐扩展到接入层,并在网络中建立信令机制。对于传统网络的带宽配置仍可以继续由集中控制系统来实现。可以说未来两种方式将并存,只有这样才可能保证全网的端到端配置。如果最终全网实现gmpls/g.ason,网管系统将演变成网络资源的管理监控系统和业务的政策服务器,提供诸如网络性能,故障处理和资源监控等功能,将继续在未来智能光网络中发挥必不可少的重要作用。

5 总结

基于系统的光无线通信 篇4

【关键词】Zigbbe技术；无线抄表系统；网络协调器

【中图分类号】TP274 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）09-0077-01

传统的手工抄表不仅工作量大，而且准确性和及时性都难以得到保证，无法为电力部门实时掌握各种用电信息提供支持。相较于其他无线技术，Zigbbe技术因其低速率、低成本、低能耗和网络容量大的优势，日益成为了无线抄表系统的热门技术。

1、Zigbbe技术和无线抄表系统的概述

1.1 Zigbbe技术的含义和特征

Zigbbe的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4（Zigbbe）技术标准。Zigbbe不仅仅只是802.15.4的名字，IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbbe联盟对其网络层协议和API进行了标准化，同时还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。

与其他无线技术相比，Zigbbe技术主要具有以下特征：数据传输速率低，仅有20k字节/秒至250k字节/秒；功率低，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6～24个月；成本低，Zigbbe数据传输的速率较低，协议简单，因此极大地降低了成本，而且Zigbbe协议免收专利费；网络容量大，每个Zigbbe网络最多可支持255个设备；时延短，通常时延都在15～30毫秒之间；可靠性高，Zigbbe提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性；有效范围小，有效覆盖范围在10～75米之间，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境；工作频段灵活，使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照频段。

1.2 无线抄表系统的优势

相较于传统的人工抄表方式，无线抄表系统具有如下优势：减少抄表的工作量，降低了抄表工作的成本；能够及时、准确、可靠的抄读电表；减少了抄表工作中人为因素的干扰，提高了抄表的质量和效率；扩充了电能表的计量功能，形成完善的智能化辅助计量系统，为多费率和多电价的实施创造了条件；增加了对用户的控制手段，对超电力负荷的用电行为和不付费的用户，可以实施有效的断电控制；完善了用电的监控手段，对总表和子表问实现了能量平衡的实时对比，对用户的窃电行为以及表计故障实现了有效的监控和记录；容易实现保护自动化功能，加装可控保险丝单元后，可实现对电气设备有效的控制。

2、基于Zigbbe技术的无线抄表系統的方案设计

基于Zigbbe技术的无线抄表系统，是通过Zigbbe无线网络将终端中的信息发送到协调器，然后再通过GPRS或者是无线测控网将信息从协调器发送到集抄中心。

2.1 无线抄表系统的组成

基于Zigbbe技术的无线抄表系统，主要由Zigbbe网络协调器、信息集抄中心和Zigbbe终端收发器这三个部分组成，具体说来：

（1）Zigbbe网络协调器。作为收集各无线数据传输模块下传来的数据和状态的设备，无线数据集中器由存储单元、传输单元、控制单元和时钟单元组成，它能够实时收集和存储各种数据和运行状态信息，并在系统停电时不丢失信息。无线数据集中器能够记录各个电表的数据和状态产生时间，从而为后台的计算机管理提供数据基础。

（2）信息集抄中心。信息集抄中心是通过计算机管理系统接收各个Zigbbe网络协调器或手抄器传送过来的数据信息，然后进行集中处理。其实信息集抄中心还应该连接一个计算机管理系统，主要包括采集器管理、系统设备设置和收费管理，该系统主要完成对系统内各组成设备的管理和对数据的分类、统计和分析，从而产生各类数据报表。

（3）Zigbbe终端收发器。作为采集和传输各电表的读数以及监控电表运行状态的设备，无线数传模块由信号采集单元、无线数据传输单元和控制单元组成，其中控制单元采用低功耗高速单片机，具有控制功能强和低功耗的优点；无线数据传输单元采用高集成度和低功耗的无线数据传输芯片CC2420，具有连接简洁和稳定可靠的优点。

2.2 无线抄表系统的关键技术

基于Zigbbe技术的无线抄表系统，涉及到很多技术，其中最为关键的技术为以下几种：

（1）直接序列扩频技术。所谓直接序列扩频，就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原为原来的信号。

（2）CSMA-CA技术。CSMA-CA技术是带冲突避免的载波多路侦听访问技术，通过随机退避减少数据发送冲突，它能够降低无线信道传输数据时发生冲突的可能性，从而提高信号传输数据的成功率。

（3）CRC校验编码技术。采用CRC校验时，发送方和接收方采用同一个生成多项式g（x），并且g（x）的首位和最后一位的系数均为1。CRC的处理方法是：发送方以g（x）去除t（x），得到余数作为CRC校验码。校验时，以计算的校正结果是否为O为据，判断数据帧是否出错。

（4）MESH网络技术。在无线MESH网络中，任何无线设备节点都可以同时作为路由器和AP，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者是多个对等节点进行直接通信。

（5）AES-128加密算法。AES-128加密算法是一种对称加密算法，数据发信方将原始数据和加密密匙一起经过特殊加密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去，收信方收到密文后，若想解读原文，则需要使用加密用过的密匙及相同算法的逆算法对密文进行解密，才能使其恢复成可读明文。在对称加密算法中，使用的密匙只有一个，发收信双方都使用这个密匙对数据进行加密和解密，这就要求解密方事先知道加密密匙。AES一128加密算法提供128位密匙，因此具有很强的保密功能。

（6）Ad Hoc技术的网络协议。Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均有移动主机组成。在AdHoc网络中，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信，否则需要通过它们之间的移动主机转发才能够实现。在Ad Hoc网络中，每个主机的通信范围有限，数据通过多个主机的转发才能到达目的地，因此它也被成为多跳无线网络。Ad Hoc网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉，它使用计算机网络的分组交换机制，通信的主机一般是便携式计算机和个人数字助理等移动终端设备。

3、小结

基于系统的光无线通信 篇5

20世纪70年代中期,粒子物理标准模型问世。这一简单的理论模型集纳了迄今为止粒子物理学的所有重大发现,被誉为宇宙的完整配方。按照标准模型,宇宙中的万事万物皆由12种基本粒子组成,其中有3种是中微子(电子中微子、μ中微子和τ中微子)。中国的高能物理学家自2003年起进行了大量的研究和计算,并进行了实地考察,提出了利用大亚湾反应堆测量中微子混合角θ13的设想。因此需找到一种H含量达10%的有机液体闪烁体(以下简称液闪)材料,并在其中掺入少量的Gd,这样就可以设计出理想的中微子靶和探测器,继而达到测出中微子混合角θ13的目的[1]。目前,大亚湾反应堆中微子实验已初步决定使用LAB(线性烷基苯)作为液闪材料。自2005年以来,北京高能物理研究所等机构已对不同LAB样品的光衰减长度进行过多次测量,为此,本文的主要工作就是优化设计液闪的光衰减测量系统,完善整个测量系统的控制部件,尽可能准确地测量不同LAB样品的光衰减长度,以使其能够满足大亚湾中微子实验的要求。

Lab VIEW是一个图形化编程工具软件。通过与测量硬件紧密集成,可迅速开发出数据采集、分析和显示与仪器控制应用系统。Lab VIEW可以利用上千种设备进行数据采集、图像处理与运动控制,包括GPIB、VXI总线、串口设备、可编程逻辑控制器(PLC)以及插入式设备等。也可以通过网络、Active X、共享库、SQL等工具与其它数据源相连。完成数据采集后,还能利用数据分析程序,将采集到的原始数据转换成有意义的结果,再将结果在Web浏览器中公布[2]。

NI工业M系列多功能数据采集(DAQ)设备具有隔离的模拟和数字测量通道,可达到更好的可靠性。它们结合了安全高效的隔离和性能优越的定时、放大和校准技术,提供精确测量和精准控制功能。M系列设备可在多种操作系统上使用,有3个驱动软件可供选择——NI-DAQmx、NI-DAQmx Base和测量硬件DDK[3]。

1 系统方案及结构

系统装置结构示意图如图1所示。

入射光源由脉冲发生器驱动,脉冲光波经过透镜和光阑后变成平行光,光电倍增管安装在l m长的圆柱形不锈钢管的另一端,用于收集光信号。实验中,给定一个高度,测3个波长的光(410、430、470 nm),称之为测一个测量点,每隔1/10的高度为一个测量点,随后每次释放10 cm左右的液体,以逐步改变液体的高度,测量出一组随着液体高度不同而不同的光吸收度;再经过核探测信号模块和多道分析器的处理,得到透射光强道址值。光衰减长度是这样定义的:一单色光在样品介质中传输,其强度衰减到初始光强的1/e时所传播的距离[4]。运用式(1)和式(2)拟合所测值,就可以得到该样品的衰减长度。光通过不同厚度的介质与光强的关系为:

其中,I0为初始光强;IT为入射后光强;d为传输距离,即液高。

其中,A为一定波长的单色光通过厚度为D的介质时的吸收度。

2 系统硬件控制部分的设计

在整个控制系统中,由计算机输出和采集,系统利用数据采集卡PCI-6221作为数据采集和信号输出载体,由基于Lab VIEW8.2平台自行开发的控制软件完成整个系统的控制。控制系统实现了电动平移台的位置调节、LED组的开关控制、液位传感器的数据读取和电磁阀的开关控制等功能,如图2所示。

电机驱动器SH-20403的控制原理:由2号管脚给电机驱动输入电机脉冲;由8号的管脚给电机驱动提供5 V的脉冲;16号管脚控制光耦,当输入高电平光耦导通,电机驱动方向接地,反转,输入低电平,光耦截止,电机驱动方向悬空,相当于输入高电平,正转;17号管脚控制Q1驱动继电器1,控制电机转动;19号管脚控制Q2驱动继电器2,控制电磁阀开关;在对LED的控制上采用6N137芯片,由40号管脚提供5 V脉冲,49、51、52控制Q3、Q4、Q5驱动继电器3、继电器4、继电器5,控制LED的开断,另外LED供电采用跳线结构,也可以选择用外接5 V电源供电;68号管脚读取液位仪的数值。

3 系统软件部分的设计

依据实验需求,软件控制程序分为3条主线:液位读数流程、平移台控制流程和开关控制流程。

3.1 液位读数流程

用于读取液位信息。液位压强通过液位传感器转换为相应的电压值,由数据采集卡的模拟输入端接收。由于液位传感器电信号为弱电信号,而整个系统处于强电环境中,为了尽可能减少干扰,输入方式采用双端差分输入。

因为盛放L A B的金属管下端存在一段基础液位,所以在实验过程中,实际液位的计算需要去除一个偏置量,在液位读数流程中,设计了一个运算流程:将空载和满液位读数分别输入软件系统,然后可由计算机计算得到液位传感器的实际灵敏度,由此灵敏度值就可以计算出实验中任何时刻的液位高度(以下简称液高)。

3.2 平移台控制流程

用于控制平移台电机的运动。平移台步进电机主要用于发光二极管的定位,步进电机由固定频率的数字脉冲控制,根据电机驱动器的细分调节,每一个脉冲对应于电机运动的角度不同,电机运转一周,平移台向前或者向后移动1 mm,故可以在软件中控制输出脉冲的数量来控制平移台的移动。

因电机驱动器为24 V供电,而实验过程中,平移台需要移动的机会不多,从系统可靠性、安全性和节约能耗考虑,在电机驱动器的电源端设置一个开关继电器,仅当需要平移台移动时才使继电器导通。

3.3 开关控制流程

用于控制整个系统中的各种开关。除了一部分数据采集功能以外,软件的主要功能是系统控制。整个系统共设有6个开关:3个LED开关分别用于控制3个不同波长的LED的亮暗,1个电机电源开关用于控制电机驱动器的供电与否,1个电机方向开关用于向电机驱动器提供电机转动的方向信号,1个电磁阀开关用于放水控制。除了LED开关由操作人员手工控制外,其余开关均为半自动控制:

(1)当控制电机运动时,软件会根据电机目标地址计算出输出脉冲的个数和方向,自动打开驱动器电源开关并提供相应的控制信号到外部电路,电机到达目标位置后,各开关将自动关闭。

(2)实验过程中需要打开液位电磁阀放水,软件设计一个液位控制功能,由液位传感器读数控制,打开阀门前首先设定放水液位,然后阀门打开,当液位到达设定液位时,阀门将自动关闭。

4 系统实际运行效果与分析

4.1 程序界面与功能

图3为Lab VIEW程序界面控制图,控制整个硬件系统的测量以及运行。

LED1、LED2和LED3分别控制测量箱中3个发光二极管的开关,液位指示代表当前液高,上管长度代表最高液面高度,因为测量管设计为0.97 m的高度,所以满液位高应低于这个数值,在实验中我们采用0.95 m作为最高液高,同时应注意下面的液位电压,不同的液高对应不同的液位电压,而右边的满位电压是需要自己填写的,当刚开始测量时,装入0.95 m的液高,会显示当前液位电压,然后填入右边的满位电压,下面的下管长度指的是液位移到下管底部的长度是固定值,右边的平移台位置一共有3个,分别是3个不同LED工作时的位置,平移台开关可以控制平移台的移动,从而控制用不同波长的LED测试液闪的衰减长度,测试时不断的输入上管液高,用电磁阀开关控制液体的流出,实验室另一系统会记录PMT接收的光强,即道址值,与光强成正比,同样我们需要记录不同的液高,最左边的刻度用来实时显示液面位置。

4.2 光衰减长度测量的最终效果分析

实验数据测量显示整个系统非常完善,测了不同型号LAB的光衰减长度,采取了更为先进的计算方法拟合出光衰减长度,如表1所示。

由式(1)可知,光衰减长度由系统root通过液高拟合得到,同样IT由root通过道址值拟合得到,这样root会制作出一组波峰图显示出它的光衰减长度,以上数据通过拟合得出L=(11.686±0.157)m。

5 结语

该系统利用PCI-6221作为数据采集和信号输出载体,由计算机便捷的控制整个系统,控制电路中采用光电隔离,使系统运行更加稳定和可靠。基于Lab VIEW8.2平台自行开发的控制软件完成整个系统的控制,发挥了Lab VIEW的强大功能,缩短开发环节,精确的测量了液闪LAB的光衰减长度,为中微子探测器测量挑选了优异、稳定的液闪。且实验的各类数据在软件界面上可以实时显示,方便实验人员的控制和维护。

参考文献

[1]王贻芳.大亚湾反应堆中微子实验[J].物理,2007,36(3):207-214.

[2]杨乐平,李海涛,杨磊.LabVIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.

[3]谢剑英,贾青.微型计算机控制技术[M].3版.北京:国防工业出版社,2006.

基于系统的光无线通信 篇6

从控制角度来讲, 快速成形控制系统是一个复杂的多轴联动数控系统, 涉及的信号种类繁多。目前, 快速成形设备的数控系统分为两类:一类是将系统中所有信号高度集成到一个专用的数控系统中;另一类则是基于各种通用信号控制卡, 如A/D转换卡、I/O控制卡等, 由用户自主集成。相对来说, 专用数控系统功能完善、集成度高、结构简单;不足之处在于通用性较差、不易实现控制系统功能的扩展和移植, 且系统开发周期较长。而基于通用信号控制卡集成起来的系统结构复杂、系统繁琐、可靠性低、成本高, 且受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制, 挂接设备数量不能太多。

本研究设计一个基于PLC的光固化快速成形数控系统。

1 基于PLC的光固化快速成形机数控系统

某些液态树脂材料被特定波长 (如325 nm或355 nm) 的光束照射时, 因发生聚合反应而具有迅速从液态变成固态的特性。利用树脂的这种特性, 有选择地逐层固化液态树脂, 从而成形三维实体的方法称为立体光固化成形法 (SLA) 。SLA是世界上最早出现并实现商品化和市场占有率最高的一种快速成形技术, 其研究最深入、应用最广泛。

光固化成形原理如图1所示, 首先, 控制系统读入制件的三维数据, 对文件进行必要的处理并转换成一系列很薄的模型截面数据文件;在获得制件特定高度的截面轮廓后, 根据截面轮廓生成该层的扫描路径。成形在计算机的控制下, 按生成的路径聚焦后的光束在工作面上进行二维扫描, 使扫描区域的液态树脂固化, 形成该面的固化层。然后工作台下降一层厚的高度, 刮板将光敏树脂均匀地涂覆在制件前一层的表面, 等树脂液面稳定之后, 进行第二层的扫描固化, 如此重复直到整个制件完成, 最终得到一个由多个二维截面叠层累加形成的三维实体。

SLA成形设备数控系统用于对光源、扫描装置、工作台机构、液面保持及涂敷装置 (刮板) 、树脂加热装置等进行控制。SLA成形设备扫描装置采用X-Y扫描方式, 由两台步进电机驱动相关机构, 带动光学系统, 沿工作面X-Y方向运动, 实现光束在工作面上的二维平面扫描, 对应的控制信号为脉冲信号及数字开关信号;此外, 在电磁铁的配合下, Y向步进电机还对涂敷装置的往返运动进行驱动。同时, 选用步进电机驱动相关机构, 实现对工作台的升降控制, 对应的控制信号为脉冲信号及数字开关信号;另外, 系统中光源控制信号、液面保持控制信号、树脂加热控制信号均为数字开关信号。

如上所述, SLA快速成形数控硬件系统的特点是信号数量繁多、种类多样。为了简化SLA成形设备数控系统的结构, 本研究结合所设计的成形设备特点, 设计了一个基于PLC的SLA成形数控系统, 如图2所示。上位机为工控机, 主要用于SLA工艺参数的设定、图形文件处理等操作。下位机PLC主要用于对光学扫描装置、工作台的升降运动、液面保持及涂敷装置、树脂加热装置等底层设备进行直接控制。

系统选用德国西门子公司的S7-200 CPU 224XP型PLC[1], 该型PLC由直流24 V供电, 除具有14个数字量输入点、10个数字量输出点、2个模拟量输入点、1个模拟量输出点外, 还提供两路高速PTO/PWM (Pulse Train Output/Pulse Width Modulation) 脉冲输出, 易于对步进电机进行控制[2,3]。

PLC的输入信号包括:①上位机的控制指令流;②手动操作面板的按钮动作;③机械部分的各限位开关的状态信号。PLC的输出信号包括:①开关量:控制各功能继电器通断、步进电机正反转等;②脉冲信号:控制步进电机转轴的精确定位。通过适当的电路切换, 两路脉冲输出可以实现三台步进电机的驱动。

使用专用PC/PPI电缆将PLC的485串行端口与上位机的232串行端口连接, 实现上位机与PLC之间的数据交换。上位机与PLC之间的串行通信遵循自由口协议。在自由口模式下, 通信协议完全由用户程序控制, 用户程序通过接收中断、发送中断、发送指令和接收指令等来控制串行通信口的操作。

这种控制结构的最大优点在于充分利用PLC强大的控制功能、接口功能, 控制系统层次分明、开发简单、易于实现和维护。与专用数控系统相比, 本系统选用通用PLC作为开发平台, 采用梯形图编程, 对开发人员来说简单易学, 省时省力。在保持高集成度的前提下, 系统开发周期短、通用性较好、调试简便且易实现控制系统功能的扩展和移植;与基于通用信号控制卡集成起来的系统相比, 本系统充分利用了PLC本身具有的运动控制功能、接口功能, 省去多轴运动控制卡、数字输入/输出控制卡, 系统结构简单、集成度高、可靠性好、成本低。

2 上-下位机之间通信的实现

SLA数控系统是一个多任务运行系统, 为了保证通信的安全性, 在进行串行数据传输之前, 上位机与PLC之间必须达成握手协议, 只有握手协议成功以后, 两者之间才可以进行数据传输。如图3所示, 上位机每发送一帧数据前先发送握手信号, PLC收到握手信号后将其传送回上位机, 上位机只有收到PLC传送回来的握手信号后才开始发送一帧数据。PLC收到一帧数据后进行校验, 如果有误, 说明通信过程中发生了误码, 上位机应重新发送数据;若无误, 说明PLC收到的数据是正确的, PLC将收到的数据存入指定的存储区。这个工作过程一直重复持续到所有的数据传送完成。考虑到通信传输速率与PLC执行指令速度之间的不匹配, 在PLC内存中开辟数据缓冲区存放上位机传送来的数控代码, PLC对数控代码进行分析后执行相关指令, 驱动外部执行机构完成对应的数控动作。

由于RS-485为半双工电气标准硬件电路, 使用PC/PPI电缆进行串行通信时, 发送和接收之间要有一定的时间间隔。

2.1 上位机通讯程序设计

由于Visual C++在低层通信控制、图形处理和数据库管理等方面具有较强的功能, 本系统选用Visual C++作为上位机软件开发平台, 采用API (ation Program Interface) 函数实现上位机与PLC之间的串行通信[4,5,6,7]。

在CPU处理任务较繁重、与外围设备有大量通信数据时, Win32 API函数显示了强大的通信功能, 尤其适合多线程编程, 并且通信比较稳定。Win32 API包含一系列访问通信资源的通信函数, 通过函数CreateFile () 进行串行通信资源的配置;通过函数SetupComm () 进行缓冲区大小的设置;通过函数SetCommState () 、GetCommState () 进行修改和查询初始化设置;通过函数ReadFile () 、WriteFile () 完成串行通信数据资源的收发。

(1) API函数实现串行通讯的初始化程序如下:

(2) 发送程序:

WriteFile (m hComm, p buff, p size, &counts, NULL)

(3) 接收程序:

ReadFile (m hComm, p buff, p size, &count, NULL)

说明:m hComm为通信端口句柄;p buff为数据缓冲区地址;p size为缓冲区数据量;count为实际交换数据量。

2.2 PLC通信程序设计

在通信之前, S7-200CPU 224XPPLC通过改写特殊存储字节, 对通信端口进行初始化。通信过程中, 利用中断来实现数据接收和发送之间的切换。当接收数据完成时, 会产生接收信息完成中断;当数据发送完成时, 会产生发送完成中断。

以下是采用STEP 7-MicroWIN对PLC编程的部程序:

3结束语

本研究设计的基于PLC的快速成形数控系统在华中科技大学材料科学与工程学院快速成形中心所研发的光固化快速成形设备上得到了实现。

本系统充分利用了PLC本身具有的运动控制功能 (高速脉冲输出功能) 、丰富的输入/输出口功能, 结构简单、集成度高、可靠性好。同时, PLC采用梯形图编程, 简单易学、省时省力, 减轻了整个控制系统软件研制的工作量。

摘要：为简化光固化快速成形 (SLA) 数控系统的结构、降低系统开发的成本和难度, 结合所设计的成形设备特点, 利用可编程逻辑控制器 (PLC) 具有的开发简单、性能可靠等优点, 设计了一个基于PLC的光固化快速成形数控系统。该系统将数控系统中各类信号高度集成到一台PLC, 并采用串行通信方法, 在PLC开发平台上实现了对各底层设备的控制。研究结果表明, 此法缩短了快速成形数控系统的开发周期, 节省了开发成本。

关键词：光固化快速成形,可编程逻辑控制器,串行通信

参考文献

[1]西门子公司.SIMATIC S7-200 PLC用户指南[M].西门子公司, 1999.

[2]吴国中, 邓嘉, 朱旭平.西门子PLC对步进电动机的控制[J].自动化技术与应用, 2006, 25 (9) :28-30.

[3]廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[4]赵晓明, 徐立, 邵盛, 等.基于VC++的上位机与西门子系列PLC通信的研究[J].机电工程, 2007, 24 (7) :42-44.

[5]陈静.工控系统中VC++实现串行通讯的两种方法及其比较[J].自动化与仪器仪表, 2003 (2) :57-59.

[6]刘瑞婷, 张南平, 陈勇.S7-200系列PLC自由口模式下实时通信技术研究[J].计算机技术与发展, 2006, 12 (16) :156-158.

基于系统的光无线通信 篇7

在电力系统领域,同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy,SDH)是光传输系统的主流技术, 被广泛用于电力系统生产、调度服务,承载专网内部的数据、远控、视频、语音等各种业务。在南方电网通信专网内,以SDH设备组成的光传输网是专网的核心,承载了接入网、调度数据网、综合数据网、调度交换网、行政交换网等众多的业务。SDH光传输网的广泛应用增大了它的维护难度。文章设计并实现的仿真平台可以满足包括电力通信系统在内的各大通信运维机构的如下需求。

1)借助仿真平台进行反事故演习。在实际操作中由于在真实的网络上进行故障的模拟会影响既有业务,而且具有风险性,因此可以借助此平台进行反事故演习[1]。

2)历史故障的模拟重现。通过对SDH网络的历史故障进行模拟,呈现出当时的网络资源情况和告警信息,使操作人员能够进一步了解当时网络的真实情况[1]。

3)用于对SDH网络运营人员的培训[1]。通过仿真平台对SDH设备内核信号处理过程的动态展示, 让运营人员充分深入地学习SDH传输技术,并透彻地了解SDH系统内部各模块的信号处理原理及流程。

针对上述需求,国内外研究机构开展了一系列研究。1999年,研究者CALVET J-T和法国巴 黎第六大学的GIRAULT C开发了一个SDH同步网规划方面的仿真平台,用于模拟不同的配置所产生的结果和带来的影响[2];2002年,美国学者开发了包括SDH设备在内的电信网络事件仿真平台,用于测试网络中出现的各种事故在网络中的体现[3]; 2006年,Stellenbosch大学的研究者开发了SDH仿真器,用于模拟通过SDH设备进行数据传输的过程[4];2001年,解放军理工大学通信工程学院的王荣等研究人员开发了基于客户机——服务器模式的SDH光端设备模拟器,能实现SDH网管各项功能[5]; 2002年,国防科学技术大学开发了SDH光纤通信训练仿真系统,重点模拟操作和维护方式方面的内容[6]。这些仿真系统缺乏对SDH协议体系、技术体系和设备的深层次模拟。

本文设计并实现了一个基于国际电信联盟远程通信标 准化组织(International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector, ITU-T)协议的光传输系统深度模拟仿真平台。通过深度解析ITU-T协议,对各个逻辑功能单元进行建模和实现,同时用模块模型组合成网元模型,该系统对SDH协议体系、技术体系和设备进行了深度模拟, 并实现了网管功能和设备内核信号处理过程的动态展示。因此,该系统既可以作为反事故演习和历史故障模拟重现的工具,也可以作为SDH网络管理人员的培训工具。

1 SDH 光传输系统仿真平台设计

1.1 需求分析

目前,通信领域对SDH光传输系统仿真平台的需求主要有:反事故演习、历史故障的模拟和重现、培训网络运营人员预研的新的网络结构。基于此需求,本文设计的SDH光传输系统仿真平台需具有如下3类功能。

1)SDH网络仿真功能。这是仿真平台的核心功能。网络仿真功能是通过网元设备建模和虚拟网元组网实现的。系统模拟了网元设备映射、定位、复用 / 解复用、定帧、交叉连接等功能,真正做到了对SDH协议体系、技术体系和设备的深度模拟。

2)模拟网管功能。模拟网管是软件中的一个管理虚拟网络的网管系统,实现了实际网管的配置管理、性能管理、故障管理、安全管理等功能。

3)动态展示功能。动态展示运用数据、图形、动画等方式展示模拟网元的信号处理过程,使运营人员更直观地理解网元工作过程。动态展示功能可以提高仿真平台对网络运行人员的培训效果。

1.2 系统架构

为了实现上述功能,设计了SDH光传输系统仿真平台系统架构(见图1),SDH光传输系统仿真平台由客户端和服务端两大部分组成。客户端和服务端通过TCP端口连接,客户端由用户界面和核心处理逻辑2部分组成,两者一起实现模拟网管的所有功能,同时为设备内核信号处理过程的动态展示提供支持。

图1 SDH光传输系统仿真平台系统架构服务端由My SQL数据库、线程管理器、SDH仿真网络和六大子系统组成。My SQL数据库存储SDH网络的组成、参数、工作状态、系统数据等信息;线程管理器完成对各个子线程的管理;SDH仿真网络是用户配置的SDH虚拟网络,在后台子线程中运行,不占用主线程;六大子系统完成网络搭建、管理等功能。六大子系统中,建站子系统主要完成所有SDH节点在硬件上的安装和配置,例如机架安装、子架安装、功能单元安装、外时钟安装、信号接口安装等;节点管理器是仿真系统的主要部分,主要完成对各SDH节点进行软件上的管理和操作;网络管理器管理整个光纤网络中的节点,包括SDH节点,主要用来查看各地告警情况;告警子系统是管理整个系统的告警情况,收集系统的全部告警,并进行相应处理;帮助子系统可以在不同的过程给系统提供实时的在线帮助,帮助用户迅速地掌握仿真系统的操作及实际系统的操作。

1.3 开发环境和开发工具

本系统以高级编程语言C++ 作为主要的编程语言,采用微软公司的Visual Studio 2008作为开发环境,采用跨平台编译工具CMake作为编译器,运用关系型数据库My SQL开发系统底层数据库,运用Qt4.7.1开发客户端图形界面。

跨平台编译工具CMake可以保证系统具有良好的跨平台特性。Qt4.7.1是面向对象的框架,使用特殊的代码生成扩展以及宏,允许组件式编程,适合开发本系统的客户端。

2 关键技术和实现方法

2.1 SDH 网络建模

建立SDH网络的软件模型是实现光传输系统仿真平 台的核心 问题。SDH网络是由SDH网元组成的,要实现SDH网络的软件模型,首先要建立SDH网元的软件模型。仿真平台采用模块化的思想,把一个庞大的SDH网元设备分割成多个功能单元。同时对各个功能单元进行建模,并用模块模型灵活组合成各类SDH网元模型。

功能模块建模的方法为:1根据功能单元两端的数 据帧性质,定义数据 包类;2根据ITU-T G . 7 8 3协议标准研究功能单元处理数据帧的原理; 3将功能单元的帧处理过程转化成软件程序的算法并画出程序流程图;4用C++ 实现各个功能单元模型。

ITU-T建议的网元设备模型[7]如图2所示,根据ITU-T G.783建议,SDH系统由逻辑功能模块组成,实现各个逻辑功能模块的功能也就实现了SDH设备的所有逻辑功能,功能模块的实现与设备的物理实现无关,不同的设备由这些基本的功能模块灵活组合而成,以完成设备不同的功能。依据此规定, 本系统根据G.783协议,对16个逻辑功能模块进行建模并组合成SDH设备的软件模型。

2.2 硬件工作环境的建模策略

本系统是 一个软件 仿真系统,虚拟网元 的工作环境纯净,无外界干扰。而实际工作状态中的S D H设备的工 作环境是 非常复杂 的。S D H网络时钟存在劣化现象,时钟劣化可能导致传输误码或滑码[8]。

为了模拟实际设备的工作环境,本系统采取的建模策略是:时钟质量信息每经过一个网元加入一次随机干扰;建立传输误码概率与时钟质量信息的函数模型。

时钟质量信息模型为:

式中,yn是经过n个网元传递的时钟质量信息, sn是第n个网元的时钟劣化系数,它服从高斯分布。 ŷ为标准时钟质量信息。定义时钟劣化程度dn=|yn – ŷ |。传输误码率与时钟劣化程度是正相关关系,即时钟劣化程度越大,传输误码率越大。

采用传输误码率模型如下:

式中,pn是传输误码概率,网元收到的数据包的每一个比特都会按照这个概率取反,从而模拟数据包的误码发生。b1和b2 2个系数通过非线性最小二乘法拟合得到。

注:SDH 物理接口(SDH Physical Interface,SPI);再生段终端(Regenerator Section Termination,RST);复用段终端保护(Multiplex Section Termination, MST);复用段保护功能模块(Multiplex Section Protection,MSP);复用段 适 配(Multiplex Section Adaptation, MSA);高 阶 通 道 连 接(Higher order Path Connection,HPC);高 阶 通 道 终 端(Higher order Path Termination, HPT);高 阶 通 道 适 配(Higher order Path Adaptation,HPA);低 阶 通 道 连 接(Lower order Path Connection,LPC);低阶通道终端(Lower order Path Termination,LPT);低阶通道适配(Lower order Path Adaptation,LPA), PDH 物理接口(PDH Physical Interface,PPI);同步设备管理(Synchronous Equipment Management,SEMF);消息通信功能(Message Communication Function,MCF); 同 步 设 备 时 钟 源(Synchronous Equipment Timing Source,SETS);同步设备时钟物理接口(Synchronous Equipment Timing Physical Interface,SETPI)。

2.3 信号处理过程的动态展示策略

本系统是一个仿真软件,同时也是一个教学软件。实时动态展示是运用数据、图形、动画等方式展示模拟网元的信号处理过程,能给用户视觉上的学习体验。本系统的动态展示策略应该满足2个要求:1实现多用户系统,即一个服务端为多个客户端提供服务,服务端有多个仿真网络同时运行,占用资源较多,应该尽量简化实现逻辑,减小服务端压力; 2本系统的客户端和服务端通过网络互联,带宽有限,应该精简动态展示的交互数据,让用户使用动态展示时不会感觉到明显的延迟。

根据上述需求,本系统采取如图3所示的动态展示策略。该策略将动态展示分成三大部分:向服务端请求动态展示逻辑数据;从客户端本地数据库提取动态展示素材;综合动态展示逻辑数据和素材, 完成动态展示。

实现此动态展示策略的具体方法和步骤如下:

1)用户客户端启动动态展示;

2)动态展示控制器向服务端请求发送动态展示逻辑数据;

3)服务端从相应用户的仿真网络线程获取逻辑数据;

4)仿真网络线程向服务端返回动态展示逻辑数据;

5)服务端向客户端动态展示控制器发送动态展示逻辑数据;

6)客户端动态展示控制器从动态展示场景库提取动态展示场景;

7)动态展示场景库返回动态展示场景;

8)客户端动态展示控制器向动态展示元素库提取动态展示元素;

9)客户端动态展示元素库返回动态展示元素;

1 0 )客户端动 态展示控 制器综合 动态展示 逻辑数据、元素和场景,推送到用户界面,向用户展示。

这种策略将动态展示数据分成两大类:一种是动态展示逻辑数据,例如交叉连接信息、自动保护倒换信息、通道保护状态等;另一种是动态展示素材,包括动态展示场景(展示逻辑发生的位置,例如MST、RST等模块背景,以及光接口板、交叉板等板卡背景)和动态展示元素(动态展示的载体,例如数据包图标、K字节图标和倒换开关等)。在此动态展示策略中,只有动态展示逻辑数据由服务端提供,动态展示素材由客户端提供,综合素材和逻辑数据的工作由客户端完成。这样的分类方式既减小了服务端压力,又减小了客户端和服务端的交互数据。

3 系统测试

SDH光传输系统仿真平台支持用户自由组建虚拟SDH网络,实现了网络仿真、模拟网管和动态展示3类功能。系统测试采用“黑盒测试”和“白盒测试”结合的方法,但不同类型的功能测试重点不一样。

对于网络仿真类功能,主要测试虚拟网络业务传输和虚拟网元对数据帧处理的正确性。虚拟网络是由虚拟网元组成的,虚拟网元是由板卡模型组成的,板卡模型是由逻辑功能单元模型组成的。由于这种包含关系,采用自底向上的测试方法,先测试各个逻辑功能单元模型程序的正确性,再联合测试板卡模型、虚拟网元的正确性。对于逻辑功能单元模型、板卡模型、虚拟网元的测试,都先进行黑盒测试。通过给程序输入标准输入数据帧,测试输出数据帧是否为标准数据帧。如果是,则认为此逻辑功能单元模型、板卡模型或虚拟网元程序正确;如果不是, 则通过白盒测试的方法定位错误点并修正错误。虚拟网络的测试是建立在网元测试正确的基础上的。如果网元测试正确,虚拟网络运行仍有错误,则可能网元间连接程序有错误,对这部分程序进行白盒测试即可解决问题。

对于模拟网管和动态展示功能,主要测试各项子功能实现和人机交互逻辑是否存在漏洞。其中, 人机交互逻辑漏洞测试重点测试由于用户误操作产生的影响软件正常运行的异常情况,并消除这些异常情况和添加误操作提示。

4 结语

SDH光传输系统仿真平台建立了SDH网元和网络的软件模型,实现了SDH网络的仿真功能,可以用于预研SDH网络。同时,该平台具有动态展示功能,可以作为一款SDH教学软件。因此,光传输系统仿真平台对促进SDH网络的维护和发展具有重要意义。

摘要：随着光传输系统的快速发展和广泛应用,光网络的维护和优化的难度越来越大。网络运营人员迫切需要一个能够协助完成光网络维护和优化的软件工具。文章提出了一种光传输系统仿真平台的设计和实现方法,并重点介绍了实现它的关键技术。该仿真平台是基于国际电信联盟远程通信标准化组织(ITU-T)协议,使用软件模拟硬件的方式,建立了虚拟网元、网络和模拟网管。该仿真平台可以模拟实际网络的运行状况,并实现了网管系统的所有功能,同时可以动态展示光网络设备内核的信号处理过程。因此,该仿真平台能够帮助网络运营人员学习光网络技术,提升维护和优化光网络的能力,也能帮助网络研发人员预研新的网络形式。

基于系统的光无线通信 篇8

在光相移键控 (MPSK) 光通信系统中, 相位噪声的主要来源是激光器线宽和相位偏移, 90°混频器造成相位失衡, 同相 (I路) 和正交路 (Q路) 相位不匹配以及传输过程中其他元器件造成的相位噪声等[8]。而经过均衡等前期预处理技术, 大多数噪声和码型效应除了线宽与相位偏移产生的相位噪声和自发辐射噪声被消除[9]。为补偿这些相位噪声带来的损伤, 研究人员提出了光锁相环 (PLL) 技术[10,11,12]。随着通信速率的不断提高, 锁相环不能在高速率光通信系统中跟踪快速变化的相位失步, 而且, 光压控振荡器体积大, 不易集成。于是, 研究人员基于数字信号处理技术提出了前向相位估计技术[13,14,15], 不仅能跟踪快速变化的相位失步, 而且前向相位估计技术容易用FPGA和ASIC实现。

目前常用的相位估计方法是使用维纳滤波器[16,17], 但由于滤波器本身存在的边界效应以及高精度与延时存在矛盾的问题[17], 会对光通信系统误码率造成影响。为克服以上问题, 本文提出了一种基于小波变换和前向反馈技术的相位估计方法。结合一定的前期预处理及频率偏移补偿装置, 该方法能有效消除相位噪声。仿真结果显示, 该方案在保证系统误码率低于1e-3时, 可消除约4 MHz的激光器线宽、35°激光器相位偏差对系统误码率的影响, 对于光通信系统广泛采用的窄线宽激光器完全符合要求。

1 理论分析

1.1 离散小波变换

小波是指均值为0的一类波形, 对该波形进行平移和小波分析是将原信号分解为基小波波形经过平移与比例变化后的一系列波形。连续小波变换的变换公式为

且Ψ (t) 为基小波, Ψa, b (t) 是基小波经过平移和比例缩放构成的小波信号。

离散小波反变换公式为

1.2 小波变换在信号去噪中的应用

通过小波变换的方法, 可对信号进行分解, 并将给定信号分解成两部分, 即近似系数c Ai和细节系数c Di, 两者数据量均为原始数据的1/2, 其中c A1保留原始信号的低频信息或者近似信息, 而c D1保留原始信号的高频信息或者细节信息, 如图1所示。从信号去噪角度考虑, c A1信号有效成分较多, c D1噪声成分多。对c A1信号再进行一次小波分解, 则可得到c A2和c D2。对c A2再进行分解则可得到c A3和c D3。以此类推还可进行多步小波分解, 分解过程如图1所示。

由分解得到的近似系数和细节系数对信号进行重构还原则可以略去部分噪声信息, 尤其在选择近似系数对信号进行重建时, 可较好地解决信号去噪问题[18]。

2 相位估计算法

数字相干光接收机中数字信号处理算法处理进程如图2所示, 经混频器和平衡探测器后的电信号由高速模数转换器 (ADC) 采样转换成数字信号, 输入数字信号处理单元, 利用算法进行处理。

经均衡之后的信号模型可表示为[19]

其中, θ为调制数据相位;φ是激光器相位噪声, 且相邻两符号间的相位差 (φn-φn-1) 服从高斯分布;Δf为信号光与本振光之间的频率差;Nn为放大自发辐射 (ASE) 噪声。之后, 信号经频率估计算法, 消除频率差Δf所产生的相位噪声, 之后进入载波相位恢复单元, 进入该单元的信号总相位包含θ, φ以及放大自发辐射噪声所产生的相位噪声θASE。即进入载波相位恢复单元的信号模型可表示为

其中, 相位噪声主要包括是激光器线宽和相位偏移产生的相位噪声以及自发辐射噪声。针对这一噪声, 提出了一种基于小波变换和前向反馈技术的相位估计方法来解决相位噪声的问题, 其原理如图3所示, 先对S'n进行幅度不变, 相位M次方操作, 消除调制相位θ的影响, 剩下均为相位噪声, 对其利用式 (3) 进行小波分解及式 (4) 进行小波重构, 之后求得其对应相位角, 并除以M, 然后对原始信号进行相应补偿, 即可消除相位噪声的影响, 完成载波相位恢复的功能[20]。

3 相位估计算法性能分析

3.1 不同基小波相位估计性能分析

与标准傅里叶变换相比, 小波分析中用到的小波函数没有唯一性, 这使得小波变换比傅里叶用途更广, 同时带来的问题是使用不同的基小波分析相同问题会产生不同的结果, 没有一个选择最优小波基的统一方法[21]。目前主要通过用小波分析方法处理信号结果来判定小波基的好坏, 并由此选定基小波。同时, 不同的小波分解重构迭代次数也会影响小波分析的性能, 一般迭代次数大, 基小波波形则会相对平滑[18]。但算法复杂度和运算时间会增加, 实时性变差, 所以需要根据实际需要进行选择。图4是常用几种基小波在不同信噪比下进行相位估计后系统误码率的曲线图 (激光器线宽设定为200 k Hz) , 其中dbr.n代表Daubechies族小波dbr在n次迭代次数下的系统性能;sym6和coif4分别是Symlets族小波和Coiflet族小波;bior Nr.Nn是biorthogonal族小波;Nr和Nd分别为重构和分解迭代次数。从图中可看出, 除db8.8外, 其他基小波在信噪比>8 d B时相位估计性能基本相同。所以选择常用的Daubechies族小波作为相位估计的基小波。图5是不同Daubechies族小波在不同激光器线宽条件下的误码率曲线图, 由此可看出, db8.6和db8.8小波在线宽较窄时性能更佳, 在宽线宽时性能大幅恶化, 实验综合考虑相位估计精度与算法复杂度和实时性, 选用db6.4小波来进行相位估计[22]。

3.2 相位估计算法性能分析

为验证该相位估计算法的性能, 对10 Gbit·s-1的QPSK光通信系统进行了模拟仿真。图7给出了系统误码率 (BER) 、零延时维纳滤波、有限延时维纳滤波、小波变换及没有 (W/O) 相位恢复时随激光器线宽变化的结果, 其中发射机激光器和本振激光器初始相位是0, 光信噪比 (OSNR) 是15 d B。激光器线宽以1 MHz为间隔, 从0增长到5 MHz。从图6可看出, 当激光器线宽<4 MHz时, 用本文提出的相位恢复方法能较好保证系统误码率<10-3, 当激光器线宽<3 MHz时, 本方法相位估计性能接近有限延时维纳滤波器的相位估计性能, 接近最优的相位估计性能[17]。本方法对激光器线宽的容忍度已远高于现在广泛使用的窄线宽激光器, 可较好地适用于实际的光通信系统中。

本文所用方法中利用对相位取M次方操作来消除调制信息, 从而得到相位误差, 需<π时才能保证估计的准确性, 否则会造成π相位模糊, 影响估计性能。所以最大允许的相位偏移为

调节激光器初始相位偏移在5°~45°变化, 激光器线宽仍为200 k Hz, OSNR为15 d B。如图7所示, 采用维纳滤波方法仅能补偿<20°的相位偏移, 而采用本文小波变换的方法可补偿<35°的相位偏移, 其性能明显优于维纳滤波。因利用传统维纳滤波器来进行载波相位恢复, 即对信号进行平滑从而消除了噪声尖峰所产生的影响, 而利用小波变换, 因其在时、频域均具有较好的局部性, 对于信号的局部突变更为敏感[18], 故对于初始相位噪声所产生的局部突变具有更佳的鲁棒性。且对于其他相位噪声, 小波变换可进行多级分解, 可更好地从信号中将噪声分离出来, 再进行重构时有用信号分量更多, 故去噪效果更好。

4 结束语

基于系统的光无线通信 篇9

移动通信网络应经进过了多年的基础工程建设和投入，就目前来说已经成为有效的稳定网络服务，那么我们接下来主要进行的就是开始大量的网络优化服务就可以了，使曾经的盲点区域，如村庄、高层写字楼、公路、桥梁和隧道等区域，信号覆盖率和网络指标都得到了良好的覆盖和深度的优化。

现在市场上面对消费者的移动通信运营商有好几家，互相之间也存在竞争，正面临着越来越激烈的竞争，客户对无线覆盖的要求越来越高，那么运营商就要努力提高服务的标准和要求。要想获得更高的用户占有额就得加大相关方面的投入，这样才能得到消费者的认可，才能真正的占领市场。近几年3G室内覆盖项目成为室分网络覆盖的新目标。重点突出的是城市居民聚集区的信号质量，特别是大型住宅小区，这部分区域过去已经进行了室内覆盖系统的建设，但高层的无线信号覆盖上仍然不能有效的解决室内信号差的问题，这个问题出在因为各种原因，覆盖区没有铺设专用射频电缆入户。现代的钢筋混凝土结构的建筑物，使用过去的方法既在建筑物过道上布放天线，已经不能满足运营商视频电话业务和高速下载数据业务对信号质量的要求。因为建筑物会对手机信号屏蔽严重，再加上3G无线信号工作频率高，信号空间损耗大。并且放在室内的天线会增大物业的协调难度和延长工程施工的进度。根据以往用户投诉处理结果分析，在无线网络质量类投诉中，大多数网络质量问题的位置发生在室内。建筑物阻挡造成的低覆盖、低场强、低接通率、低质量、高掉话率等都是网络投诉的重点问题。出于以上原因，如何提升无线网络室内深层、精确覆盖效果，有效吸收室内话务、提高室内覆盖资源利用率，提升室内覆盖投资效益比，是当前网络室内覆盖优化工作的难点、重点。一种新的无线信号覆盖系统成为电信运营商非常迫切的需求。

二、基于CATV的信号覆盖系统简介

为了应对目前的状况，本人采用CATV网络合路移动通信进行室分信号覆盖，CATV有线电视网络特点是目前已基本覆盖了每个家庭住户和酒店房间，这为实现住宅小区、酒店的信号入户覆盖打下了坚实的网络基础。建筑物室内的移动通信信号覆盖不足的问题。采用此种覆盖方式，都可以得到解决。CATV无线信号覆盖系统，包括常规直放站、分合路器、有线电视CATV无源分配网络和入户终端，移动通信信号与CATV信号混合通过分合路器将有线电视CATV无源网络传输至用户室内，室内入户终端将移动通信信号和CATV信号分离开来，进而对移动通信信号的射频进行放大，通过内部的天线实现无线通信信号的入户覆盖。

三、基于CATV的信号覆盖系统原理

通信系统通过覆盖终端来区分为两种覆盖方式：有源终端覆盖和无源终端覆盖。

（一）有源终端覆盖

适用于楼内没有建设室内分布的情况，直放站提供移动通信需要的信源，经过合路器将移动通信信号馈入CATV网络进行传输，再通过一台放置在用户室内的有源终端，有源终端的作用是分离CATV信号和放大移动通信信号，该设备将分离出的CATV信号直接传送到电视，而移动通信信号通过该设备进行放大后，再通过室内天线进行覆盖。

（二）无源终端覆盖

适用于楼层内已经建设室内分布系统的情况，通过楼层中的分布系统提供移动通信需要的信源，经过合路器将移动通信信号馈入CATV网络进行传输，再通过一台放置在用户室内的无源终端，通过该终端的作用是分离两种信号，该设备将分离出的CATV信号直接传送到电视，而移动通信信号通过该设备进行放大后，再通过室内天线进行覆盖。

三、系统技术优势

将移动通信信号馈入CATV网络进行传输，必须考虑移动通信设备及信号对电视造成的影响。下面对GSM和CATV信号的合路原理进行分析：

（一）工程设计标准中规定CATV信号带宽5.75MHz，载噪比要大于43dB， CATV每载波信号强度需要在-30到-50dBm之内，所以当CATV信号的底噪不大于-90dBm时，馈入的GSM信号不会CATV网络产生影响。在实际应用中，可采用具有隔离作用的终端滤波合路器，将880MHz～960MHz带内噪声到电视端口的强度控制在不大于-90dBm。标准中规定引入的GSM信号，只要带外噪声不大于-120dBm，带内噪声不大于-60dBm，对CATV的载噪就不会有明显的影响。

（二）通过交调信号的角度，采用无源器件中对GSM信号与CATV信号进行合路，合路器本身的交调应不大于-80dB，GSM信号强度也要小于10dBm，同样CATV信号也要小于-10dBm，因此采用合路器对两种信号进行交调不会影响到原有CATV网络。

（三）CATV全电视信号通过电视机的高频头既高频调谐器，将高频进行放大和变频后，形成相同频率的中频信号，最后将信号送入中频放大电路。无线射频信号的馈入会对电视机高频头的动态范围造成影响。在GSM系统中，小于10dBm强度的GSM信号，通过终端合路滤波器滤波后，到达电视的带外信号的强度不大于-20dBm。目前满足载波组合三次差拍比大于54dB的高频头的最大输入功率都大于0dBm，引入的带外信号不会影响高频头的工作和电视机的解调。

综上所述，将GSM信号馈入CATV网络，不会影响到原有的网络，通过类比分析，将其它制式的信号馈入CATV网络，都不会影响到原有网络及电视。

基于CATV网络合路移动通信进行室分信号覆盖，可以对低覆盖、低场强、低接通率、高掉话率等室内覆盖等难点进行解决，而且设备成本低廉，对简易工程施工，缩短工期有很大帮助。对避免高层问题产生的投诉解决具有较大的优势，同时适合进行深度覆盖，特别适用于酒店、住宅等走线困难的场景。

基于系统的光无线通信 篇10

LED (Light Emitting Diode, 发光二极管) 正在改变着我们的生活和工作环境。目前, 所使用的大功率LED路灯大部分都是简单的直接照明, 缺少必要的智能控制。现有的照明管理系统大都采用有线电缆控制照明灯具, 对LED路灯进行调控, 建设成本和运营成本都比较高。本文所要解决的技术问题就是克服上述大功率LED路灯系统中所存在的缺陷, 而提供一种低成本、智能的自动控制系统。

2、系统的硬件设计

该智能控制系统以AT89C51中央控制器为核心, 其它各模块均受控制器控制。具体的来说, 该控制器实现的功能如下:安装在灯具光源部分的光学传感器检测到灯具的光亮度、照度或光通量信号, 经过A/D转换, 转换成数字信号, 输入到MCU控制器。MCU内部经过编程, 对输入的灯具工作参数进行分析判断, 然后发出控制信号, 控制LED恒流驱动器输出电流的大小, 从而达到智能调控LED灯具的目的。在该系统中, 单片机软件系统主要完成的任务有:测量光强、控制判断、输出PWM控制信号等, 其中基于TSL256X的光强检测模块为核心技术模块。

本系统的测光强模块选用TAOS公司推出的一款高速、低功耗、可编程的光强度数字转换芯片TSL256x。该芯片是第二代周围环境光强度传感器。其内部结构如图1所示。

从上图可知, TSL256x内部包含有两个积分式A/D转换器, 用于对两个光敏二极管的电流进行积分, 并且对这两个电流的积分是同时进行的。通道0和通道1是两个光敏二极管, 其中通道0对可见光和红外线都敏感, 而通道1仅对红外线敏感。积分式A/D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分, 并转换为数字量, 在转换结束后将转换结果存入芯片内部通道O和通道l各自的数据寄存器中, 作为数据的缓冲器。这种采用双缓冲器的转换过程能够确保维持数据的完整性。当一个积分周期完成之后, 积分式A/D转换器将自动开始进入下一个积分转换过程。微控制器和TSL2560可通过标准的SMBus V1.1或V2.O实现, 而TSL2561则可以通过I2C总线协议进行访问。

TSL256x的访问遵循标准的SMBus和I2C协议, 我们的智能控制系统采用的是TSL256l芯片, TSL2561芯片可以通过I2C总线进行访问, 所以该模块的硬件电路方面比较简单。由于微控制器内部没有自带的上拉电阻, 所以需要用2个上拉电阻R5和R6连接到总线上。硬件电路连接如图2所示。

3、系统的软件设计

单片机和光强传感器TSL2561是通过I2C总线协议来通信的, 该总线协议需要一根时钟线, 一根数据线。I2C协议的重点是数据传输的时序, 这是由开始位和停止位来控制的。开始位是在时钟信号的高电平, 将数据线的电平由高拉到低, 标志着数据传输的开始;停止位则是在时钟信号的高电平, 将数据线的电平由低拉到高, 标志着数据传输的结束。I2C协议的数据传输需要应答, 每接收一字节的数据, 需要将数据线拉低作为应答, 发送方发送完数据后, 则检查数据线是否为低电平来判断接收方是否受到数据。

在写数据时, 先发送器件的地址, 然后发送要写入的数据TSL2561芯片的写操作过程如下:先发送一组器件地址, 然后写命令码, 命令码是用来指定接下来写寄存器的地址00H~0F和写寄存器的方式, 是以字节、字或块 (几个字) 为单位来进行写操作的, 最后发送要写的数据, 根据前面命令码所规定的写寄存器的方式, 可以连续发送要写的数据, 内部写寄存器会自动加1。

在测光强模块里, 我们首先向I2C总线上发送器件地址, 以便和光强传感器建立通信。光强传感器的特定地址是0x29, 当它收到我们发送的地址时, 便会做出应答。然后我们向TSL2561的命令寄存器写入0x03的指令, 该指令要求TSL256上电, 并开始对光强信号进行A/D转换。

在延时等待1s后, 我们再次向I2C总线上发送0x29, 选择TSL2561, 并向它发出读取光强的指令, 该指令从内部寄存器0x0c开始, 连续读取四个字节的光强转换结果, 至此, 测量光强度的任务完成。

4、结语

本文针对目前LED路灯系统中存在的缺陷而提出了一种全新的低成本、智能的LED路灯控制系统。该控制系统由以下几部分构成:作为主控制器的MCU、光强度检测模块等模块。对整个控制系统分别进行了软硬件设计, 并进行调试, 结果证明了本文所设计的LED路灯无线智能控制系统在实验室环境下可以正确、稳定的运行。

参考文献

[1]半导体照明改变光世界.电源世界, 2006.

[2]黎平等.高亮度LED驱动器概述.电气应用, 2007.

[3]半导体照明改变光世界.电源世界, 2006.