编码器结构（精选12篇）
编码器结构 篇1
摘要：本文通过对MPEG-2标准的流结构和相关的概念进行介绍、分析, 希望在广播电视全面数字化的今天, 对从业者能有一个系统的认识提供相应的帮助。
关键词：MPEG-2标准,流结构,解读
数字电视是当前人们最关注的热点话题之一。其实, “数字电视”的含义并不是指我们一般人家中的电视机, 而是指电视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。
由于电视台初次制作的数字电视信号数据量很大, 约几百兆, 不利于直接传输, 必须要进行一定的压缩。一是在信源编码过程中进行压缩, 利用人类听觉视觉效应去除信号中的多余成分, 在不影响收听收看效果的前提下尽量压缩数据率;二是改进信道编码, 发展新的数字调制技术, 提高单位频宽数据传送速率。
信源编码是把节目源的模拟图声信号变为数字信号, 再经过MPEG-2压缩编码, 形成数字信号源, 并根据多个节目传输的要求, 编为复用码流。这里主要是对MPEG-2视音频数据流规范进行一定的解读。
1 MPEG-2系统的定义
MPEG-2系统是将视频、音频及其它数据基本流组合成一个或多个适宜于存储或传输的数据流的规范, 如图1所示。
由图1可见, 符合ITU-R.601标准的、帧次序为I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10数字视频数据和符合AES/EBU标准的数字音频数据分别通过图像编码和声音编码之后, 生成次序为I1P4B2B3P7B5B6I10B8B9视频基本流 (ES) 和音频基本流ES。在视频ES中还要加入一个时间基准, 即加入从视频信号中取出的27MHz时钟。
视频、音频ES分别通过各自的数据包形成器, 将相应的ES打包成基本流 (PES) 包, 并由PES包构成PES。
节目复用器和传输复用器分别将视频PES和音频PES组合成相应的节目流 (PS) 包和传输流 (TS) 包, 并由PS包构成PS和由TS包构成TS。不允许直接传输PES, 只允许传输PS和TS, 因为PES只是PS转换为TS或TS转换为PS的中间步骤或桥梁, 是MPEG数据流互换的逻辑结构, 本身不能参与交换和互操作。
2 MPEG-2系统的任务
MPEG-2标准由表1所示的8个文件组成, MPEG-2系统是其关键部分。MPEG-2系统应完成的任务有:规定以包方式传输数据的协议, 为收发两端数据流同步创造条件, 确定将多个数据流合并和分离 (即复用和解复用) 的原则, 提供一种进行加密数据传输的可能性。
3 MPEG-2系统的要点
根据数字通信信息量可以逐段传输的机理, 将已编码数据流在时间上以一定重复周期结构分割成不能再细分的最小信息单元, 这个最小信息单元就定义为数据包, 几个小数据包 (Data Packet) 又可以打包成大数据包 (Data Pack) 。
用数据包传输的优点是:网络中信息可占用不同的连接线路和简单暂存;通过数据包交织将多个数据流组合 (复用) 成一个新的数据流;便于解码器按照相应顺序对数据包进行灵活地整理。
数据包为数据流同步和复用奠定了基础。MPEG-2系统规范定义了PS、TS和PES三种数据包及PS和TS两种可以互相转换的数据流, 以数据包形式存储和传送数据流是MPEG-2系统的要点。
4 打包基本流PES
将MPEG-2压缩编码的视频基本流 (ES-Elementary Stream) 数据分组为包长度可变的数据包, 称为打包基本流 (PES-Packetized Elementary Stream) 。即PES为打包了的专用视频、音频、数据、同步、识别信息数据通道。
ES是指只包含1个信源编码器的数据流, 即ES是编码的视频数据流, 或编码的音频数据流, 或其它编码数据流的统称。每个ES都由若干个存取单元 (AU-Access Unit) 组成, 每个视频AU或音频AU都是由头部和编码数据两部分组成的。通过打包, 将帧顺序为I1P4B2B3P7B5B6I10B8B9的视频编码ES变成仅含有1种性质ES的PES包, 如仅含视频ES的PES包, 仅含音频ES的PES包, 或仅含其它ES的PES包。
一个PES包的组成见图2所示。
由图2可见, 1个PES包是由包头、ES特有信息和包数据等3个部分组成。由于包头和ES特有信息二者可合成1个数据头, 所以可认为1个PES包是由数据头和包数据 (有效载荷) 两个部分组成。
5 节目流PS
将具有共同时间基准的一个或多个PES组合 (复合) 而成的单一的数据流称为节目流 (PS, Program Stream) 。
PS包的结构如图3所示。
由图3可知, PS包由包头、系统头、PES包3部分构成。包头由PS包起始码、系统时钟基准 (SCR-System Clock Reference) 的基本部分、SCR的扩展部分和PS节目复用速率4部分组成。
PS包起始码用于识别数据包所属数据流的性质及序号;SCR的基本部分是1个33 bit的数, 由MPEG-1与MPEG-2兼容共用;SCR扩展部分是1个9 bit的数, 由MPEG-2单独使用;PS复用速率用于指示其速率大小。
SCR用于解决压缩编码图像同步问题, 理由有三:I、B、P帧经过压缩编码后, 各帧的字节数不同;输入解码器的压缩编码图像的帧顺序I1P4B2B3P7B5B6I10B8B9中的P4、I10帧, 需要经过重新排序缓存器延迟后, 才能重建编码输入图像的帧顺序I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10;视频ES与音频ES是以前后不同的视频与音频的比例交错传送的。以上3条均不利于视音频同步。
为解决同步问题, 提出在统一系统时钟 (SSTC-Single System Time Clock) 条件下, 在PS包头插入时间标志SCR的方法。整个42 bit字宽的SCR, 按照MPEG规定分布在宽为33 bit的1个基础字及宽为9 bit的1个扩展区中。由于MPEG-1采用了相当于33 bit字宽的90kHz的时间基准, 考虑到兼容, MPEG-2对节目流中的SCR也只用33bit。
6 传输流TS
将具有共同时间基准或具有独立时间基准的一个或多个PES组合而成的单一的数据流称为传输流TS (Transport Stream) , 即对具有共同时间基准的两个以上的PES先进行节目复用, 然后再对有独立时间基准的各个节目流进行传输复用, 生成为更小的TS包。
TS是面向数字化分配媒介 (有线、卫星、地面网) 的传输层接口。TS包结构如图4所示。
由图4可见, TS包由包头、自适应区和包数据3部分组成。每个包长度为固定的188B, 包头长度占4B, 自适应区和包数据长度占184B。184B为有用信息空间, 用于传送已编码的视音频数据流。当节目时钟基准 (PCR-Program Clock Reference) 存在时, 包头还包括可变长度的自适应区, 包头的长度就会大于4B。考虑到与通信的关系, 整个传输包固定长度应相当于4个ATM包。考虑到加密是按照8B顺序加扰的, 代表有用信息的自适应区和包数据的长度应该是8B的整数倍, 即自适应区和包数据为23×8B=184B。
T S包的包头由如图4所示的同步字节、传输误码指示符、有效载荷单元起始指示符、传输优先、包识别 (PID-Packet Identifi cation) 、传输加扰控制、自适应区控制和连续计数器8个部分组成。
可利用同步字节位串 (0x47) 的自动相关特性, 检测数据流中的包限制, 建立包同步;传输误码指示符, 是指有不能消除误码时, 采用误码校正解码器可表示1bit的误码, 但无法校正;有效载荷单元起始指示符, 表示该数据包是否存在确定的起始信息;传输优先, 是给TS包分配优先权;PID值是由用户确定的, 解码器根据PID将TS上从不同ES来的TS包区别出来, 以重建原来的ES;传输加扰控制, 可指示数据包内容是否加扰, 但包头和自适应区永远不加扰;自适应区控制, 用2 bit表示有否自适应区, 即 (01) 表示有有用信息无自适应区, (10) 表示无有用信息有自适应区, (11) 表示有有用信息有自适应区, (00) 无定义;连续计数器可对PID包传送顺序计数, 根据计数器读数, 接收端可判断是否有包丢失及包传送顺序错误。综上所述可知, 包头对TS包具有同步、识别、检错及加密功能。
TS包自适应区由自适应区长、各种标志指示符、与插入标志有关的信息和填充数据4部分组成。其中标志部分由间断指示符、随机存取指示符、ES优化指示符、PCR标志、接点标志、传输专用数据标志、原始PCR标志、自适应区扩展标志8个部分组成。
最重要的是标志部分的PCR字段, 可给编解码器的27MHz时钟提供同步资料, 进行同步。过程是:通过PLL, 用解码时本地用PCR相位与输入的瞬时PCR相位锁相比较, 确定解码过程是否同步, 若不同步, 则用这个瞬时PCR调整时钟频率。
7 节目特定信息PSI
由TS包结构可知, 1个TS包由固定的188B组成, 用于传送已编码视音频数据流的有用信息占用184B空间。但是还需要传输节目随带信息及解释有关TS特定结构的信息 (元数据) , 即节目特定信息 (PSI-Program Specifi c Information) 。
PSI用于说明:1个节目是由多少个ES组成的;1个节目是由哪些ES组成的;在哪些PID情况下, 1个相应的解码器能找到TS中的各个数据包。这对于由不同的数据流复用成1个合成的TS是一个决定性的条件。为了重建原来的ES, 就要追踪从不同ES来的TS包及其PID。
一些映射结构 (Mapping Mechanism) , 如节目关联表 (PAT) 和节目映射表 (PMT) , 会以打包的形式存在于TS上, 即借助于PSI传输一串描述了各种ES的表格来实现。
按照MPEG标准, 可用4个不同的表格 (即PAT、PMT、CAT、NIT) 作出区别。
节目关联表 (PAT-Program Association Table) :在每个TS上都有一个PAT, 用于定义节目关联表。用MPEG指定的PID (00) 标明, 通常用PID=0表示。
节目映射表 (PMT-Program Map Table) :在TS上, 每个节目都有一个对应的PMT, 是借助装入PAT中节目号推导出来的。用于定义每个在TS上的节目 (Program) , 即将TS上每个节目的ES及其对应的PID信息、数据的性质、数据流之间关系列在一个表里。解码器要知道分配节目的ES的总数, 因为MPEG总共允许256个不同的描述符, 其中ISO占用64个, 其余由用户使用。
条件接收表 (CAT-Conditional Access Table) :用于准备解密数据组用的信息, 如加密系统标识、存取权的分配、各个码序的发送等。用MPEG指定的PID (01) 标明, 通常用PID=1表示。
网络信息表 (NIT-Network Information Table) :可传送网络数据和各种参数, 如频带、转发器号、通道宽度等。MPEG尚未规定, 仅在节目关联表 (PAT) 中保留了1个既定节目号“0” (Program-0) 。目前有时在SI (业务信息) 中表述。
有了PAT及PMT这两种表, 解码器就可以根据PID将TS上从不同的ES来的TS包分别出来。节目特定信息 (PSI) 的结构, 如图5所示。
8 业务信息SI
在MPEG-2标准中定义的节目特定信息PSI, 是对单一传输流的描述, 由于系统通常存在多个传输流, 为了使使用者能在多个传输流中快速地找出自己需要的业务, 在DVB中对MPEG-2的PSI进行了扩充, 在PSI四个表的基础上再增加了九个表, 形成业务信息SI (SI-Service Information) 。
SI是对整个系统所有传输流的描述, 描述系统传输内容、广播数据流的编排和时间表等方面的数据。将SI所提供的数据通过有序地组织起来, 生成类似节目报的形式, 它能在电视机上即时浏览, 这样将大大方便用户的使用, 即电子节目指南EPG。PSI数据只提供单个TS流的业务信息, SI数据可以提供多个TS流的业务信息。用户根据选择可自动利用NIT、PAT、PMT等信息进行频道调谐, 选择节目和定位, 实现电子节目指南 (EPG) , 进行CA控制等。
9 系统复用
多个传输流信号按照一定的规范复用在一起, 在同一个信道传输而不相互干扰, 称为多路复用。图6是系统双层复用原理图。即将第一层的多个多路复用器先分别进行单节目传输复用, 而后再进行第二层的多节目传输复用, 就形成了双层复用。
由图6可见, 编码器不仅有视频编码器和音频编码器, 还有系统编码器。第一层的每个多路单节目传输复用器输入信号有:ITU-R.601标准数字视频, 如视频帧顺序为I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10;AES/EBU数字音频数据;节目特定信息PSI及系统时钟STC 1-N等控制信号。1套电视节目是由多个不同性质的数据流的ES组成的, 1套电视节目的最小组合为1个视频流, 1个音频流, 1个带字母、字符的数据流 (Tele text) 及其它信息业务数据流。
视频编码器、音频编码器和数据提供给系统编码器的是基本流ES, 视频ES的帧顺序为I1P4B2B3P7B5B6I10B8B9。经过系统编码器加入PTS及DTS, 并分别打包成视频PES、音频PES, 数据本身提供的就是PES。
PSI插入数据流, 数据加密将有关的调用权、编码密钥通过条件收视表插入到MPEG-2 TS包中, 并将传输复用器从STC导出的PCR插入相应区段。这些视频PES、音频PES、数据PES及PSI, 经过加入PID及PCR的传输复用器后, 输入的基本流ES被分割成传输包片段, 并为每个片段配备1个数据头 (Header) , 就形成了一系列的TS包。通过各个不同性质的数据流的数据包交织后, 输出MPEG-2 TS流。数据流的分割是指将1个数据流逐段分割成多个数据包, 有利于不同性质 (视频、音频、数据等) 数据流的数据包交织。
从N路MPEG-2 TS流中提取出N个PCR, 从而再生出STC1-N, 最后产生出N个第二层多路多节目传输复用器用的新PCR。多节目传输复用器的任务是在分析的基础上, 对多套节目复用合成, 对数据包时标进行更新。PS与TS的区别在于, 节目流PS只能由1套节目的ES组成, 传输流TS一般由多套节目的ES组成。由于在说明TS的基本流时标时, 总是针对某1节目而言, 因此TS选择了节目时钟基准PCR的概念, 而不是系统时钟基准SCR。
MPEG只允许1个TS流只能有1张节目关联表PAT, 多节目传输复用器需要对PSI表进行分析, 以便建立对新数据流适用的PAT, 修正有关数据包中的时间标志, 完成时标更新。经过第二层多路多节目传输复用器复用后, 输出MPEG-2 TS流, 可以继续通过传输链路传输到解复用器, 也可以采用信道编码、调制技术后, 通过卫星、有线电视、地面无线电视传输。
编码器结构 篇2
应注意三方面的参数：
1.机械安装尺寸，包括定位止口，轴径，安装孔位；电缆出线方式；安装空间体积；工作环境防护等级是否满足要求。
2.分辨率，即编码器工作时每圈输出的脉冲数，是否满足设计使用精度要求。
3.电气接口，编码器输出方式常见有推拉输出（F型HTL格式），电压输出（E），集电极开路（C，常见C为NPN型管输出，C2为PNP型管输出），长线驱动器输出。其输出方式应和其控制系统的接口电路相匹配。
请教如何使用增量编码器？
1，增量型旋转编码器有分辨率的差异，使用每圈产生的脉冲数来计量，数目从6到5400或更高，脉冲数越多，分辨率越高；这是选型的重要依据之一。
2，增量型编码器通常有三路信号输出（差分有六路信号）：A,B和Z，一般采用TTL电平，A脉冲在前，B脉冲在后，A,B脉冲相差90度，每圈发出一个Z脉冲，可作为参考机械零位。一般利用A超前B或B超前A进行判向。
3，使用PLC采集数据，可选用高速计数模块；使用工控机采集数据，可选用高速计数板卡；使用单片机采集数据，建议选用带光电耦合器的输入端口。
4，建议B脉冲做顺向（前向）脉冲，A脉冲做逆向（后向）脉冲，Z原点零位脉冲。
5，在电子装置中设立计数栈。
关于电源供应及编码器和PLC连接：
一般编码器的工作电源有三种：5Vdc、5-13 Vdc或11-26Vdc。如果你买的编码器用的是11-26Vdc的，就可以用PLC的24V电源，需注意的是：
1． 编码器的耗电流，在PLC的电源功率范围内。
2． 编码器如是并行输出，连接PLC的I/O点，需了解编码器的信号电平是推拉式（或称推挽式）输出还是集电极开路输出，如是集电极开路输出的，有N型和P型两种，需与PLC的I/O极性相同。如是推拉式输出则连接没有什么问题。
3． 编码器如是驱动器输出，一般信号电平是5V的，连接的时候要小心，不要让24V的电源
电平串入5V的信号接线中去而损坏编码器的信号端。
干扰的问题
选择什么样的输出对抗干扰也很重要，一般输出带反向信号的抗干扰要好一些，即A+~A-,B+~B-,Z+~Z-，其特征是加上电源8根线，而不是5根线(共零)。带反向信号的在电缆中的传输是对称的，受干扰小，在接受设备中也可以再增加判断（例如接受设备的信号利用
A、B信号90°相位差，读到电平10、11、01、00四种状态时，计为一有效脉冲，此方案可有效提高系统抗干扰性能（计数准确））。
何为长线驱动？普通型编码器能否远距离传送？
长线驱动也称差分长线驱动，5V，TTL的正负波形对称形式，由于其正负电流方向相反，对外电磁场抵消，故抗干扰能力较强。普通型编码器一般传输距离是100米，如果是24V HTL型且有对称负信号的，传输距离300-400米。
增量光栅Z信号可否作零点？圆光栅编码器如何选用？
无论直线光栅还是轴编码器其Z信号的均可达到同AB信号相同的精确度，只不过轴编码器是一圈一个，而直线光栅是每隔一定距离一个，用这个信号可达到很高的重复精度。可先用普通的接近开关初定位，然后找最为接近的Z信号(每次同方向找)，装的时候不要望忘了将其相位调的和光栅相位一致，否则不准。
增量型编码器和绝对型编码器有何区别？做一个伺服系统时怎么选择呢？
常用的为增量型编码器，如果对位置、零位有严格要求用绝对型编码器。伺服系统要具体分析，看应用场合。
测速度用常用增量型编码器，可无限累加测量；测位置用绝对型编码器，位置唯一性（单圈或多圈），最终看应用场合，看要实现的目的和要求。
绝对型旋转编码器选型注意事项，旋转编码器和接近开关、光电开关优势比较：
绝对编码器单圈从经济型8位到高精度17位；
绝对编码器多圈大部分用25位，输出有SSI，总线Profibus-DP,Can L2,Interbus,DeviceNet。
从增量式编码器到绝对式编码器
旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。
解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。
比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。
这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。
绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。。。编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。
绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。
由于绝对编码器在位置定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。
测速度需要可以无限累加测量，目前增量型编码器在测速应用方面仍处于无可取代的主流位置。
从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器
旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。
如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对式编码器。
编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。
多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。
绝对型编码器的串行和并行输出的介绍
并行输出：
绝对型编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。但是并行输出有如下问题：
1。必须是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。
2。所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。
3。传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。
4。对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。
并行：时间上，数据同时发出；空间上，每个位数的数据各占用一根线缆。
增量型编码器输出的通常是并行输出。
串行输出：
串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。
串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就大大提高了，一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。
由于绝对型编码器的部分知名厂家在德国，所以串行输出大部分是与德国的西门子配套的，如SSI同步串行输出，总线型是PROFIBUS-DP的输出等。
串行输出编码器连接德国西门子的设备是比较容易的，但是连接非德国系的设备，接口就是问题了，我公司提供各种接口输出的仪表，可以解决这样的问题。
串行：时间上，数据按照约定，有先后；空间上，所有位数的数据都在一组线缆上（先后）发出。
串行编码器应该都是绝对式的?
串行是指按时间约定，串行输出数字编码信号，基本是绝对的，但也有一些增量编码器，通过内置电池记忆原点，其也可以通过串行输出位置值，如电池线不联，还是增量编码器，此也称为伪绝对值编码器，在一些日本伺服系统中较多见。其本质其实还是增量编码器。
为什么叫“绝对型编码器”？
“绝对型编码器”相对于“增量型编码器”而言。
“绝对型编码器”使用某种方式表示并记忆物体的绝对位置，角度和圈数。即一旦位置，角度和圈数固定，什么时候编码器的示值都唯一固定，包括停电后投电。“增量型编码器”做不到这一点。一般“增量型编码器”输出两个A、B脉冲信号，和一个Z(L)零位信号，A、B脉冲互差90度相位角。通过脉冲计数可以知道位置，角度和圈数增量，通过A,B脉冲信号超前或滞后可以知道方向，停电后，必须从约定的基准重新开始计数。“增量型编码器”表示位置，角度和圈数需要做后处理，重新投电要做“复零”操作，所以，“增量型编码器”比“绝对型编码器”在价格上便宜许多。
绝对值编码器SSI输出，同时提供了增量值信号A、B两相1Vpp，是派什么用处的？
在我们提供的绝对值编码器，德国的HEIDENHAIN的SSI输出和德国HENGSTLER的SSI输出，都同时提供了增量值信号A、B两相1Vpp正弦波输出，构成了绝对与增量的双输出，很多用户不明白这个增量信号是干什么用的，而剪掉联线废弃不用，真是蛮可惜的。
一。此增量信号可以作为绝对信号的冗余。
二。可以让绝对信号作为位置闭环，而增量信号作为速度闭环，构成位置控制与速度控制的双闭环系统，以达到位置的准确（无位置冲过头而振荡）和速度的高效，这是一个较先进的课题，目前国内似乎还没有看到有很好的应用介绍。
三。增量信号是正弦波信号，其可以用模拟电路细分，这样，在绝对值编码器两个最小相邻码之间，还可以因为相位的变化不同，获得更精细的分辨率，从而可以大大提高绝对值编码器的分辨率。
电子凸轮开关
现在还有一种绝对值、增量值、定位电子凸轮开关三输出的编码器，除了上面介绍的RS485绝对值信号、A/B增量值信号以外，还同时提供了多点定位电子凸轮开关，可预设定位开关，到预设位置可直接输出开关信号，控制减速、停车。这样，这一个绝对值编码器可同时输出连续绝对值信号显示位置、输出增量值信号作速度闭环、输出定位电子凸轮开关控制减速、定位！
SSI与Biss、Endat、Hipeface:
SSI为同步串联界面(synchronous-serial interface)的英文缩写，其实际为两个RS422通道，利用中断的时钟同步读数，最高时钟速度1.1 MHz.ssi的数据形式最简单，一般不包含CRC校验、产品内部信息及地址，在运动控制中，有提出更快、信息更多的要求时，各家编码器厂家推出了各自的方案，以海德汉为首的联合西门子公司，推出的是Endat;以宝马集团及亨斯乐推出的是Biss(有个Biss协会）；以STEGMANN为首的推出hipeface.实际上都是在SSI的基础上的改良的，基本物理格式都差不多，RS422（或RS485）,由时钟脉冲触发，只是速度更快，可达2-10MHZ，并可增加编码器的内部信息、CRC校验、故障报警的功能，有的可以增加地址，有的可以增加正余弦增量信号作冗余。由于目前的协议不同一，这些输出都要连接专用的接口，故具体使用，还是建议直接找各自的编码器厂家咨询为好。
就我们使用的经验，除非你对速度及编码器安全有特别的要求，一般还是用SSI通用的好，方便。
绝对型编码器（多圈）与PLC的连接有多种方法,简单介绍几种：
1。SSI或各种总线连接，缺点是要用专用SSI接口或总线模块，有的PLC还没有，成本较高。
2。并行连接，进PLC的开关输入模块，但多圈的位数高，要十几、二十几根线缆，可靠性降低，成本上去了。
3。4--20mA（选择有模拟量输出功能的绝对值多圈编码器）进模拟量电流模块，缺点，精度有所牺牲。
4。MODBUS RTU进485通讯接口（要有双向功能的），缺点:要专门编程，速度可能降低，有时设备地址会丢。
编码器结构 篇3
与会专家认为，该标准针对不同应用场景设计了不同的传输模式和参数，兼容我国现有模拟调频广播的频谱规划，能够满足我国调频频段声音广播从模拟到数字平滑过渡的需求，对于我国数字音频广播及相关产业的发展具有具体指导作用，同意该标准通过审查。
广东广电积极推进三网融合
上半年，广东广电系统积极推进三网融合，取得了一系列成效：一是南方广播影视传媒集团IPTV发展迅速。3月29日，央视CNTV、南方传媒集团和广东电信签署广东省三网融合IPTV业务合作协议，三方将在IPTV业务领域开展深度合作；5月，IPTV平台二期建设基本完成，具备3.4万小时点播内容，直播频道共106套。二是深圳三网融合试点工作取得里程碑式突破。在全国试点城市率先实现IPTV商业运营，5月底用户规模超过30.6万，并完成内容平台一期建设，可向用户提供超过50000小时点播节目，提供80路高标清直播频道、1路中国3D试验频道，形成了15大点播栏目，实现节目内容创新。深圳广电与北京大学深圳研究生院合作成立三网融合核心技术联合实验室，研发的核心课题包括“移动高清IPTV系统”、《三网融合分布式存储机构》等，部分已获得或正申请国家发明专利授權。三是省级三网融合监管平台加紧建设。目前该项目经广东省领导同意，得到广东省政府的大力支持，现正加紧报建立项，以确保三网融合下广东全省广播电视播出安全。
符号M阵列结构光的编码研究 篇4
结构光法是一种主动式光学测量技术,一般由投影仪、摄像机和计算机三部分组成,通过三角法获得深度信息。结构光法和双目视觉相比,是一种主动视觉系统,它有其大量程、大视场、较高精度、信息提取简单、容易实现、可靠性高、实时性强及主动受控等特点,在制造业的应用越来越广泛。利用一幅二维图像,在三维欧式空间重构三维场景,采用编码结构光照明主动视觉技术及装置[1]是最有效的方法。
目前常用的编码方法可分为:直接编码,时分多路复用编码,空间邻域编码[2]。Camrrihill和Hummel[3]提出一种基于强度比的深度测量方法,采用垂直强度列的直接编码模式,该编码模式具有很好的空间分辨率,但是他们对噪音和光变化较敏感,使得适应性受到限制。Caspi等[4]提出一种基于颜色的多级灰度码时间编码模式,对颜色数量,抗干扰系数等系统配置进行研究,达到了较高的准确度和鲁棒性,但是该方法投射模式量大,不适合动态场景测量。Zhang等[5]引入了多通道动态编程思想,采用空间邻域编码,明显的提高了整体分辨率。姜晨等[6]提出伪随机彩色空间编码,根据编码的窗口特性建立索引表,通过索引表确定各特征点在编码模板中的对应点,该方法分辨率较高,但鲁棒性不够好。
与其他编码方法相比,空间邻域编码使用单幅图像投射,大大减少了投射数量,适合动态场景,故采用空间邻域编码。空间邻域编码可分为非正式编码模式、伪随机序列编码模式和伪随机阵列编码模式三种。Ito和Ishii[7]提出一种三级棋盘的非正式编码模式,网格中的每个格子利用三种亮度级编码,每个格子选择与其四邻域不相同的亮度级,但是没有研究如何生成全局唯一的编码模式,允许码字重复使用。Vuylsteke和Oosterlinck[8]提出基于伪随机序列的二值棋盘编码模式,采用2元6阶的伪随机序列对各列进行绝对编码,适用于动态场景。李玉新等[9]针对伪随机阵列编码的彩色结构光系统,提出角点自动检测、识别方法,有效减少了冗余角点的产生,但是采用了彩色光,容易受到光颜色的影响,产生误差。Hiroshi等[10]采用对角线法,将伪随机序列扩展成伪随机阵列。但是,在三元域中,即使使用九阶的本原多项式,利用对角线法得到的M阵列的尺寸仍然无法达到为实现高分辨率测量的大尺寸M阵列的要求。本文研究一种适合结构光测量的大尺寸M阵列生成算法,得到更高的检测分辨率。将大尺寸阵列编码成符号M阵列编码模式以确定各特征点的相对位置,使得可以很好的解决匹配点问题。
1 M阵列编码原理
对于一个窗口尺寸为r×v的q元m×n的M阵列,它的定义是:在q元m×n的阵列中,任意一个r×v的子矩阵在阵列中仅出现一次。伪随机编码是指一个预先确定的,可重复实现的,具有某种随机特性的编码,可表示为伪随机序列和伪随机阵列两种形式。伪随机编码既可以方便的产生和复现,又具有良好的窗口特性[11]。首先生成具有一定窗口特性的一维伪随机序列,继而利用该序列生成二维伪随机阵列。
1.1 一维伪随机序列的产生
研究一维伪随机序列的重要基础是de Bruijn序列。反馈移位寄存器对de Bruijn序列的研究起着非常重要的作用。m阶线性反馈移位寄存器具有m个存储器,设每个存储器含有q个基元,即有q个状态。当时钟脉冲到来时,各个存储器的状态依次地向右输出,变成一个周期为n=qm-1的循环序列,即伪随机序列[2]。假设线性反馈移位寄存器的本原多项式为
其中:ki∈GF(q),k0≠0,该本原多项式与输出序列密切相关。反馈路径可表示为
方程(2)表述了输出序列的循环。这是一个周期为n=qm-1的有限序列(如果初始状态是非零的),每个非零状态在一个周期出现一次。在GF(q)域中输出的序列的长度为qm-1的一部分称为一个伪随机序列。即序列a0a1a2a3...是由一个本原多项式h(x)=xm+km-1xm-1+...+k2x2+k1x+k0指定的反馈网络移位寄存器产生,该本原多项式中的m个系数是Galois域GF(q)={0.1.A,A2,A3，……，Aq-2}中的元素,其中A为本原元。
对于每个m都存在m次幂的本原多项式h(x),由本原多项式h(x)可以推导出相应的反馈逻辑函数。如果选定了本原多项式,就能知道相应的逻辑传递函数,然后设定一个非全零初始状态a0a1a2a3...am-2am-1作为激励源,根据模q(mod q)运算规则,可以唯一确定线性反馈移位寄存器产生的伪随机序列a0a1a2a3...。
以三元模式为例,在三元域GF(3)中选取一个3元4阶的本原多项式h(x)=x4+x+2。图1显示了该本原多项式相应的一个简单的生成伪随机序列的4阶线性反馈移位寄存器示意图。图中⊕为模3加法。
该线性反馈移位寄存器中,每个存储状态记为“0”、“1”或“2”,则寄存器具有3m个不同的状态。输出的序列是周期性的,但全0的状态不可能发生[8],除非整个序列都是0,所以最大可能周期是n=3m-1。当序列的周期为最大值n=3m-1时,即为所称的伪随机序列。对于模3伪随机序列而言,基元为3个值:0、1、2。该3元4阶本原多项式所对应的传递函数为
若初始状态设为a0a1a2a3=0001,将产生序列:
其中:任何一段长度为3m-1的连续子序列,都是一个伪随机序列。由于递归循环中,初始值不同,总共有3m-1个不同的伪随机序列(除了以全0为初始状态的序列),但只有m个是线性无关的。
伪随机序列具有良好的窗口特性[8],如下窗口,即一个宽度为m(这里m=4)的窗口沿着序列移动的过程中,通过窗口看到的同一个周期中的3m-1个子序列彼此并不完全相同。
1.2 伪随机阵列的生成
伪随机阵列具有窗口唯一性,通过对场景图像中窗口的查寻,可以确定编码点在编码阵列中的位置,使得场景中的每个特征点有唯一的码字,可以被唯一的识别,最终得以重构。伪随机编码阵列可用一个n=n1×n2的二维伪随机矩阵表示,而该矩阵可由一个含有素数或一个素数的q次幂个基元组成的序列a0,a1,a2,...,an-1按一定的规则折叠转换成,并且满足:
式中:n1和n2是互素的,如果不满足互素条件,则构成的伪随机阵列窗口不唯一。
根据上面的公式,采用对角线法即可将伪随机序列构造成伪随机阵列。如果令q=3,伪随机序列a0,a1,a2,...,an-1的周期为n=3m-1,其中m=k1×k2,k1,k2为要构造的伪随机阵列的窗口参数,伪随机阵列的大小为n1×n2,其中1n=3k1-1,n2=n/n1,n1和n2互素,且都大于1,则n=n1n2。将序列a0,a1,a2,...,an-1填到一个n1×n2阵列里。具体的转换方法是:用序列a0,a1,a2,...,an-1中的元素沿着n1×n2阵列的主对角线填充该阵列,当到达阵列的右边界时,则从下一行的左边界继续填充,当到达阵列的下边界时,则从下一列的上边界继续填充,直到序列中的所有元素填写到阵列中,此时一个周期内的最后一个元素会同时到达序列的下边界和右边界。这样形成的一个n1×n2的阵列称为伪随机阵列。
伪随机阵列上的k1×k2编码窗口决定了整个伪随机阵列。由于伪随机序列具有良好的窗口特性,相应的,伪随机阵列也具有一个重要的窗口特性:当一个k1×k2的编码窗口在阵列n1×n2中滑动时,窗口中出现的k1×k2子阵列均可唯一辨识。也就是说,根据伪随机阵列的这种特性,对于一个已知的任意伪随机阵列,只要知道窗口中的子阵列情况,就可以知道该子阵列在整个阵列中的位置。
在3元域GF(3)上,选取9阶的本原多项式,可编制大小为n1×n2=26×757的一个伪随机阵列,即q=3,m=9。利用式(5)可得:k1=k2=3,n1=26,n=19 682,n2=757。由于它是在3元域中,故寄存器状态有“0”、“1”、“2”。已知q=3,m=9,这样在GF(3)域上可选择本原多项式h(x)=x9+x7+x5+1。根据线性反馈移位寄存器的工作原理,用C++语言编制相应程序,可生成一个26×757的伪随机阵列。
该对角线法将一维伪随机序列扩展成二维阵列,但是该阵列为26×757,行数和列数相差太大,测量的空间分辨率被较小的行数所限制,而很大的列数发挥不了作用。
2 大尺寸M阵列的产生
M阵列尺寸越大,单位投射面积的符号就越多,测量分辨率就越高,同时测量精度也就相应地提高。利用对角线法无法得到适合视觉测量用的大尺寸M阵列。如果仅简单地从由对角线法得到的M阵列中抽取几个子阵连接在一起,并不能保证在拼缝处的窗口具有代码唯一性,生成的阵列就不一定是严格的M阵列,故研究一种可以有效生成适于结构光测量的大尺寸M阵列的生成方法。
其主要思想是:在q元域中,选择一个k阶的本原多项式,首先利用上述的对角线法生成一个n1×n2的阵列,如果n1远远小于n2,则从n1×n2的阵列中选取一个n1×n′2子阵列,其中n′2小于n2,按投射的要求适当选取。由于行数偏少,所以只需在选取的子矩阵基础上拼上数行即可。一行一行的拼接,直到拼接到合适尺寸为止,其中对于要拼接的子窗口,只能在选取完子矩阵后剩的n1×n2阵列中搜索,对于已使用过的子窗口,也不可再重复使用。对已选取的子阵列进行拼接的时候分为两种情况。首先是进行下拼接,也就是先把前三列拼接完整,每次拼接三个数。窗口pi下拼接pj的条件是窗口pi的后两行的值等于窗口pj的前两行的值,如图2(a)所示。对于阵列的其他的拼接,位置关系如图2(b)所示,每次仅拼接一个数,也就是当两个3×3窗口矩阵前8个数完全一样时,将最后一个数拼上。这样一直下去,直到得到合适尺寸的阵列为止。拼接顺序如图3所示。
由于每次拼接后的子阵列或子窗口都不再重复使用,所以用这种方法得到的结果阵列中,任意窗口必定是全局唯一的。而且这种方法是首先选取一个码字全局唯一的子阵列,然后在这个子阵列基础上进行拼接的,比起用一个一个子窗口进行拼接,大大加快了产生大尺寸M阵列的速度,而且也能得到各种尺寸适合投射的阵列。
3 单色光编码模式
由于伪随机阵列具有良好的窗口特性,基于伪随机原理对投影模式进行编码。根据伪随机编码的窗口特性,使得场景的每一采样点可唯一辨识,解决了机器视觉三维物体表面重构时确定匹配点的难题。
编码投射模式是结构光三维检测视觉系统的重要组成部分,设计一个编码投影模式,从而确定各特征点的相对位置,使得可以很好的解决特征点匹配的难题。
M阵列的实现模式已有多种,如彩色伪随机空间编码法,彩色谱编码法,但是彩色图案,容易受光照的影响,使得颜色出现偏差,解码阶段误差会较高。单色光鲁棒性会更好,此外,单色光的投射装置及实现更简单,故使用单色光模式。符号的选择对在解码阶段能否正确解码很关键,故符号的选择非常重要。摄像机拍摄畸变的符号图像后,需要对其进行识别,故符号的可识别性要较强。考虑以上因素,选择以下三种几何基元符号进行编码,如图4所示。伪随机阵列是由这三个几何基元符号来体现的。
圆环和圆盘的选择是为了简化在分割阶段的图像处理。条纹符号的选择是由于它具有方向信息,可以在邻域检测阶段正确地旋转观察窗口。伪随机阵列编码模式在解码阶段可能会产生一些误差,为了减少这些误差,解码算法需要更好的鲁棒性。码字之间的汉明距离对于解码阶段正确解码也是很有帮助的。如果汉明距离大于或等于1,在检测和分割阶段,它是具有纠正误差的能力,如果汉明距离大于3的话,效果会更好,鲁棒性更强。
4 算法实现及实验结果
4.1 产生大尺寸M阵列的算法实现
考虑编解码的快速性,降低复杂程度,选择在三元域中,使用一个九阶的本原多项式,生成大尺寸M阵列,此时窗口尺寸3×3。根据伪随机原理,产生一个伪随机序列,利用对角线法可以产生一个26×757的阵列,存储在数组new_matrix中。将期望获得的大尺寸M阵列存储在数组new_model中,将new_matrix中的窗口存储到数组model中,new_model中待比较的窗口存储到数组compare中。为了保证所产生的大尺寸M阵列仍具有窗口唯一特性,需将已使用过的窗口统一地放到一个数组中,不再使用,这样就能保证每次使用的窗口是唯一的,故定义一个数组symbol,用它来存储new_matrix中已使用过的子阵列或窗口。
对于该26×757阵列,行数26比较小,远远小于列数757,这样投射到被测物时,测量分辨率低。本文在三元域中,研究生成一个48×52的阵列,这样new_model就是一个48×52的数组。首先在26×757的阵列中选取一个26×52的子阵列,存储在数组new_model中。然后开始进行拼接,先对前三列作拼接,位置关系如图2(a)所示,使用下拼接的方法,从第26行,第0列开始,每次补3个符号,补到第47行停止,再做行拼接,位置关系如图2(b)所示,从第26行,第3列开始,每次补一个符号,补到第51列停止,接着补第27行,也是从第3列开始,拼接顺序如图4所示,直到第47行第51列,停止。这样就可以得到一个48×52的阵列。
4.2 算法执行结果
利用上述算法可得到48×52的M阵列,对该阵列进行编码,阵列中的0,1,2分别用圆环,圆盘,条纹三个几何基元代替,用黑色作为整个模板的背景色,用Matlab编程实现可得对应的符号M阵列模式,如图5所示。图5中任意一个3×3的窗口,都是唯一的,即满足伪随机阵列的窗口特性。
子窗口间汉明距离的增大可以减小图像解码阶段,因物体表面法线不连续造成的解码误差。计算图5所示的符号阵列任意两个码字的汉明距离,统计结果如图6所示,用H(x)代表码字汉明距离为x时的百分比:H(1)=0.094,H(2)=0.78,H(3)=3.68,H(4)=10.29,H(5)=20.53,H(6)=27.28,H(7)=23.34,H(8)=11.71,H(9)=2.59。则码字的平均汉明距离是H(x)=5.997,其中所有码字的99.906%的汉明距离大于1,95.446%的汉明距离大于3。
4.3 实验结果
将获得的M阵列编码模式投射到物体表面,利用摄像机捕获物体反射图像。将图5所示单色编码模式投射到被测量的蓝色桶表面,捕获物体表面反射的畸变图像,局部捕获图像如图7所示。对捕获的图像进行图像处理及识别,提取编码点的坐标,重构出三维编码点的空间三维坐标,测量结果的三维点云图,如图8所示,三维面图,如图9所示。
5 结论
基于伪随机阵列编码模式,针对对角线法无法得到适合视觉测量的大尺寸M阵列,研究一种能有效产生大尺寸M阵列的方法,使其生成一种大尺寸的单色光的编码模式,获得更高的分辨率,进而提高精度,鲁棒性较强。该编码模式只需投射一帧模式图像,即可完成一次测量。选择的三个几何基元符号,容易识别和区分,为解码阶段提供了很多的帮助信息。由实验结果可以看出,大尺寸M阵列的编码方法简单可行,解决了动态三维场景中像素坐标点的匹配难题,为实现高精度高分辨率的视觉测量奠定了基础。
摘要：编码结构光的三维检测是一种主动视觉方法,通过投影仪投射一定的编码模式,获取匹配点,通过三角原理获得深度信息。为实现物体表面的快速测量,采用伪随机阵列对结构光进行编码。由于基于对角线法无法得到合适尺寸的M阵列,研究一种能生成大尺寸M阵列的算法,为提高测量的空间分辨率及测量精度奠定基础。在三元域中,使用单色光,选择条纹、圆圈和圆盘作为M阵列符号,符号容易识别和区分,并为解码图像搜索提供信息,提高对环境的抗干扰能力。大部分码字的汉明距离大于3,具有更好的鲁棒性。实验结果验证了该方法的可行性和有效性。
关键词：伪随机原理,大尺寸M阵列,单色编码,符号阵列,汉明距离
参考文献
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编码器结构 篇5
位置控制方框图如图2所示，它主要由PLC、旋转编码器、变频器、触摸屏、变频电动机组成。以下着重介绍前面三个主要组件。3。1。1PLC。PLC采用三菱的FX1S—20MR，它作为控制系统的核心单元，负责接收旋转编码器送来的脉冲信号，经过内部的高速计数器C235进行计数和运算，按程序设定输出控制信号到变频器及电磁阀等执行器件，使机器按程序进行相应动作。其中传感器用旋转编码器对钢带的位移监测。3。1。2变频器。
(1)使用变频器调速的原因：虽然伺服系统有精确、快速定位的优点，大功率的伺服驱动器配伺服电机价钱也太高，故尝试使用变频器。现在本设计用旋转编码器测位移后将信息送到PLC按程序双速运行，避免高速停车，并通过精确的实时位置测算达到准确停车的效果。
(2)在变频器的控制端口DI1、DI2、DI3、COM输入由PLC输出正转、反转、低速的控制信号，驱动变频电机来完成相应的.任务指令。变频器自带的制动单元配合外置的制动电阻作能耗制动。
(3)触摸屏作为PLC的输入和显示数据装置，使用触摸屏的RS—422接口与PLC连接，在触摸屏设定产品的数据并显示当前工作状态和数值。
3。2位移测量与计算
本设计采用旋转编码器产生与位移成正比的脉冲，将其输入PLC的X0高速计数器端口，构成位置反馈，累加脉冲数反映钢带位置，触摸屏显示经过程序换算的数值反映电机拖动机械实际行走的位移。程序中用单相单计数的高速计数器C235，32位增/减计数，机器默认为增计数。位移L=SI
(1)式中：S—脉冲当量;I—累计脉冲数注：旋转编码器安装在位移测量轮的轴上以测量轮转一圈计算，位移等于测量轮的周长C，累计脉冲数I等于每转一圈的脉冲数，即编码器的分辨率，欧姆龙编码器E6B2的分辨率：I=1000P/r，测量轮的直径D=95。5mm，所以L=C=πD，又根据式(1)得：S=L/I(2)将实际数值代入式
(2)：每一圈的位移L=πd=3。1416×95。5=300。02(mm)脉冲当量S=L/I=300。02/1000≈0。3(mm/P)如图3所示钢带位移计算的过程。设每个产品的加工周期所走过的总位移是L总，刀与测距光纤间的距离是L光纤距，产品上最末的孔到产品末端的距离L尾孔距，切刀的厚度L刀厚，长度校正L校。L总=L光纤距+L尾孔距+L刀厚+L校根据式(1)可得累计脉冲数I=L/S将位移转化成脉冲数，用比较指令把C235的累计数与设定值对应的脉冲数比较，取得机器动作所需精确的位置点。设定了低速长度L低就可以得：主速度位移是L总-L低。当钢带走完主速度位移，由PLC发出转入低速信号，使变频器的频率下降至3。5Hz，钢带以低速前进。图3中各段间距以Dxxx表示，是PLC程序里的数据寄存器，例如D192(低速长度)可以在触摸屏上直接修改设置数值。
3。3实际需要解决的几个技术问题
(1)高速计数器的溢出问题：PLC程序的32位增/减计数，计数范围—214783648~+214783647，若超过范围进行计数，高速计数器就会溢出。为解决这一问题，程序设置在产生计数溢出前C235复位，即每次切完产品后进行一次C235和长度数据寄存器复位，因为我们不需要整卷钢带的长度，只需分段计每节产品的长度。
(2)高速计数器输入信号频率限制问题：C235的输入脉冲频率有限制，其中X0的最高频率为10kHz。钢带前进最高速度约V=0。1m/s，脉冲当量是0。3mm/P，测量轮周长C=300。02mm。转一圈的时间T=C/V=0。3/0。1=3s，即转一圈对应1000P所用时间3s。实际使用的脉冲频率的最大值fmax=1000/3≈333(Hz)故实际使用的脉冲频率远小于X0的最高频率10kHz上限值。
(3)传动链条的间隙补偿问题：由于这种位移测量属于开环测量，因此必须解决传动链条的间隙补偿问题。为解决这一问题，可在程序中高速计数器的当前值累加一个间隙补偿量，即触摸屏显示的长度校正，这补偿量的大小根据多次调试来定。
4改造的成效分析
改造后机器比之前有以下效果：
(1)产品长度的合格率提高主要靠测量的精度提高，这次改造所用的旋转编码器位移测量装置每个脉冲的位移仅0。3mm。虽然这测量系统属于开环系统，其精度取决于位移的给定精度，而用旋转编码器来测量位移正好能够低成本地提高系统的给定精度。其次用程序控制变频器进行双速度切换，接近停车时以低速运行，钢带运行到预设的位移后，PLC的C235计数器计数脉冲累加达到主速度预设值，PLC发出换速指令送到变频器，钢带降速，以低速行到停止位，这样停车的位置更准确。停的位置准，落刀切出来的产品长度也就精确。计数脉冲累加达到刀与末端距离的预设值PLC指令低速结束变频器瞬间制动，与此同时切断装置的电磁阀开关动作，使油缸推动切刀落下，完成一次加工。
(2)操作便捷，机器的自动化程度提高。加工参数可在触摸屏上输入，长度、加工件数可以不断跳变显示。(3)用程序控制变频器运行频率，由变频器驱动电机，可以使启动和停止无机械冲击，而中间过程的主速度可以加快，这是双速运行的优势。解决了加工速度和产品精度的矛盾。
参考文献
编码器在轧线系统中定位的应用 篇6
关键词：编码器；轧线系统；定位
冷轧机的AGC系统无论是液压压上还是压下，首先要求把在轧制过程中不进行调节的轧辊进行定位，其次使其始终在工作固定的轧制线上。由于轧辊经常需要更换、磨削，所以，为了保证工作辊的接触面在固定的、预先设计好的轧制线上，必须更换不同辊径的轧辊后，对轧辊进行精确定位。
1.编码器简介
1.1什么是编码器
编码器是将信号（如比特流）或数据进行编制，转换为可用以通讯、传输和存储信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式，编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理，编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
1.2编码器的发展市场
编码器在OEM市场的应用比例较高，主要应用于机床、电梯、伺服电机配套、纺织机械、包装机械、印刷机械、起重机械等行业。编码器分为绝对值型和增量型。目前绝对值编码器的价格大约是增量型编码器的4倍以上，国内市场上70%的应用是价格相对经济的增量型编码器，主要应用于包装、纺织、电梯等行业中，仅要求测量转速及对绝对位置测量要求不高的机器设备上。而在高精度机械设备或钢铁、港口及起重等重工业行业，由于对测量的精度要求相对较高，更多情况会使用绝对值编码器。在这些重工业行业应用中，因为工况比较恶劣，所以对编码器的抗冲击和振动等指标要求较高。随着机械设备自动化程度的提高，编码器产品的应用领域也越来越广泛，客户已不再满足于编码器仅能将物理的旋转信号转换为电信号，对编码器集成度要求更高，產品更加耐用，并且希望能在绝对值编码器中出现更丰富的接口方式，使更多的设备实现智能化。
2.关于轧线调整系统
例如，一套6辊HC冷轧机的轧线调整系统，上支撑辊为电机驱动，压下装置由压下螺丝、压下活塞（或压下螺母）以及传动机构等组成，传动机构采用圆柱齿轮即蜗轮副传动的形式。压下活塞的最高位置至轧制线的距离在设计时应满足：当上3辊（即上支撑辊、上中间辊和上工作辊）同时为最大辊径时，上中间辊和上工作辊辊径之和、加上支撑辊的一半（上支撑辊上辊面不接触）、加支撑辊轴承座的一半、再加上一定的裕量L，以满足更换轧辊的需要。我们在电机输出轴或蜗轮上安装一个编码器，用以检测电动机转动的实际角度。
3.编码器在轧线系统中定位的应用
3.1相关设计方案
光电编码器为最常用的的编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成，电机旋转时光栅盘与电动机同步旋转，经发光二极管等电子元件输出若干脉冲信号，为判断旋转方向，码盘还提供了相位相差90°的两组脉冲。根据其刻度方法和信号输出形式可分为增量型编码器、绝对值型编码器以及混合型编码器三种。其中，增量型光电编码器是直接利用光电转换原理输出三组脉冲A相、B相和Z相；绝对值式编码器是直接输出数字量的传感器。
3.2增量型光电编码器在轧线系统中定位的应用
增量型光电编码器是直接利用光电转换原理输出三组脉冲A相、B相和Z相。A、B两组脉冲相差90°，可以根据信号的先后顺序判断旋转方向；Z相为每转一圈输出一个脉冲，用于基准点的定位。如果使用这种编码器，由于其只能输出脉冲数，不能输出其绝对位置，所以必须通过计数器进行计数方能使用。如我们把它输出的脉冲信号连接入PLC（可编程序控制器），可以方便的使用PLC中的计数器进行计数。由于PLC有中断功能，可以使控制更加迅速、准确。先把压下螺丝调至最高点，使PLC计数器清零，作为固定的机械零点，通过输入PLC上3辊的实际辊径，利用PLC的计算器计算出，使工作辊下辊面到达轧制线电动机需要转动的角度Ω。K值应在调试过程中反复测算，然后驱动电动机，利用光电编码器反馈回电机实际的转动角度。当达到需要转动的角度，电动机停止转动；当需要轧线调整回到初始位置时，驱动电机上升，使其自动回到编码器反馈信号为零时停止转动。
3.3增量型光电编码器的缺点以及改进措施
目前，逐渐暴露出使用这种编码器的缺点：一是PLC计数器的数据不能丢失，如需要重新传送程序或PLC意外停电，一旦丢失，则需要重新把电机转到零点的位置，再把计数器清零，否则将出现错误压下、设备事故。二是由于光电编码器的结构精密，在一圈码盘上有几百甚至几千个光栅，一旦个别光栅出现故障，计数器就会出现累积性的错误计数，并且越累积越大，当错误累积到一定程度，会使实际压下量出现较大偏差，或者在信号受到干扰时也可能出现计数错误。后来我们利用装在轧线上的上限位，当轧线调到限位处时给PLC一个信号，把计数器清零，这样既不需要计数器必须具备断电保持功能，又能防止因编码器故障计数器的累积性漏记。因为每次进行轧线调整时都需要精确的利用这个限位，所以，它的作用就显得尤为重要，要求安装位置须绝对可靠。
3.4绝对值式编码器在轧线系统中定位的应用
绝对值式编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条码道上由透光和不透光的扇形相间组成，相邻码道的扇区数目成双倍关系，码盘上的码道是它的二进制数码的位数。绝对式编码器利用自然二进制或循环二进制（葛雷码）方式进行光电转换。葛雷码的相邻两个码组之间仅有1位不同，这样与其它码同时改变2位或多位的情况相比更为可靠，因而绝对值型编码器的应用日益广泛。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置，其特点是可以直接读出角度坐标的绝对值并没有累积误差，除此之外，电源切除后位置信息不会丢失，但是分辨率由二进制的位数来决定（精度取决于位数）。
3.5绝对值式编码器的缺点以及改进措施
运用绝对值式编码器时，当需要轧线调整回到初始的机械零位时，往0往0当0反0馈0到0P0L0C0以0到000值0后0再0停0止0轧线调整电机。但由于惯性，光电编码器的值一般会越过0值达到最大值再递减，这样会对再次进行调整的计算造成很大的麻烦。一般有以下两种方法解决这个问题：一是在轧线调整电机零位时，拆下光电编码器，对其进行复位，用手转动至读数为10万，再把光编安装好；二是仍然在轧线电机零位时，把光电编码器复位。
4.结语
使用光电编码器进行轧线定位，控制精确，操作简单，只需要操作手输入上3辊的辊径，就能使轧辊进行精确的调节了。在使用时也可以把调整好轧线的位置作为基准，把定位好轧线后的位置作为计数零位，这样不需要定位顶端的机械零位。
参考文献
[1]史久根，张培仁，陈真勇.CAN现场总线系统设计技术.国防工业出版社，2004
编码器结构 篇7
1 材料与方法
1.1 组织的采集及总RNA的提取
在常德市金华屠宰厂采集牛的乳腺组织,用上海英骏生物技术有限公司的Trizol试剂盒提取总RNA,用焦碳酸二乙酯(DEPC)处理水溶解,采用紫外分光光度计测定纯度和含量,稀释至100 ng/μL,-20 ℃保存,备用。
1.2 引物的设计和RT-PCR
以人TIRAP基因的mRNA序列为信息探针,采用网上在线工具(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast/)在GenBank中搜寻同源的牛ESTs序列。选取同源性大于80%的牛ESTs序列,构建ESTs重叠群(contig),以contig作为设计引物的靶序列,结合人的基因结构信息,用Primer Premier 5.0软件设计RT-PCR引物,其序列为F 5′-ATGGCATCATCAACCTCCTCC-3′,R 5′-ATCAAGCATCAGCCAAGGGTC-3′。
应用宝生物工程(大连)有限公司的反转录试剂盒,按照产品说明书以总RNA为模板扩增第1链cDNA;然后以第1链cDNA为模板分别用引物F和R进行RT-PCR(退火温度为59 ℃),扩增TIRAP基因cDNA片段。扩增产物经1.5%的琼脂糖凝胶电泳检测,纯化、回收后送上海生工生物工程技术服务有限公司测序。
1.3 TIRAP基因序列的生物信息学分析
对经RT-PCR所得的基因片段进行测序后,分别采用NCBI在线工具和DNAStar 6.0软件进行序列同源性比对和cDNA序列结构分析。根据开放阅读框推导该基因编码的氨基酸序列,采用网上在线工具(http://www.expasy.org/、http://smart.embl-heidelberg.de/和http://psort.nibb.ac.jp/form2.html)进行蛋白质分子质量、等电点、结构域、二级结构等结构特征和功能的分析。
2 结果与分析
2.1 TIRAP基因cDNA的克隆
根据所设计的引物,应用LA聚合酶和高GC Buffer,对TIRAP基因的编码区进行RT-PCR,其结果通过1.5%的琼脂糖凝胶电泳检测,见图1。
P.TIRAP基因的RT-PCR产物;M.DL-3 000 Marker。
2.2 TIRAP基因cDNA序列分析
对经RT-PCR得到的TIRAP cDNA片段回收、克隆、测序后得到cDNA长为707 bp的条带,其编码区为699 bp(1～699 bp),编码232个氨基酸,分析其碱基含量,其中A+T为31.90%,G+C为68.10%。将该cDNA序列与牛基因组数据库进行比对,检索到与牛29号染色体上的基因组序列(NW_001494526.1)的相似率达到100%,且有3个“断裂”点,可知牛TIRAP基因位于29号染色体上,并且该基因的DNA含有3个外显子和2个内含子。
2.3 TIRAP克隆的cDNA所推导的蛋白质特性分析
2.3.1 氨基酸组成
由克隆得到的牛TIRAP cDNA序列推导出TIRAP蛋白全长为232个氨基酸(见图2),分子质量为24 433.50 u,等电点为6.95。对氨基酸组成分析结果显示,丝氨酸(Ser)的含量最高,达到15.09%;其次为甘氨酸(Gly),占10.78%;极性氨基酸(N、C、Q、S、T、Y)63个,占27.16%;疏水性氨基酸(A、I、L、F、W、V)68个,占29.31%。
注:下划线部分为蛋白质的TIR结构域;加框部分为 核定位信号序列。
2.3.2 结构域分析
采用网上在线工具(http://www.expasy.org/prosite/)预测了TIRAP蛋白的结构域(见图2)。结果表明,此蛋白含有TIR结构域(95～179 aa),在细胞信号转导过程中TIR结构域可能介导同型蛋白之间的相互作用,从而提示牛的TIRAP蛋白在TLRs信号转导中起着重要作用。
2.3.3 TIRAP蛋白的亚细胞定位预测
采用网上在线工具(http://psort.nibb.ac.jp/form2.html)预测了牛TIRAP蛋白的亚细胞定位。结果表明,该蛋白位于细胞核的概率为43.5%,位于细胞质的概率为30.4%,位于线粒体的概率为21.7%,位于细胞骨架的概率为4.3%。此外,还在第10个氨基酸处发现了核定位信号序列,即PGSRSKK。
2.3.4 牛TIRAP蛋白α螺旋和β折叠预测分析
利用DNAStar6.0软件中的Protean程序预测了Garnier算法下的TIRAP蛋白的二级结构,见图3。结果显示,牛TIRAP蛋白的二级结构包含9个α螺旋,5个β折叠,21个T转角,20个无规则卷曲。分析人、鼠、狗等物种的TIRAP蛋白,发现它们也都具有类似的结构,这些结构对维持蛋白质的结构和功能起着重要作用。
2.3.5 疏水性分析
利用网上在线工具(http://www.expasy.org/tools/protscale.html)预测了TIRAP蛋白的疏水性。结果表明,在蛋白质序列的第6～110位氨基酸表现为较强的亲水性,而111～161位氨基酸则表现为较强的疏水性。
2.4 TIRAP蛋白质同源性分析
采用NCBI的Protein Blast工具(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast/)将TIRAP蛋白的氨基酸序列与其他物种的TIRAP蛋白的氨基酸序列比对。结果发现:该蛋白与人(登录号为AAH32474)、小鼠(登录号为NP_473437)、大鼠(登录号为XP_001055833)和狗(登录号为XP_851910)蛋白的同源性分别为76%、65%、64%和76%,TIR结构域的同源性均达到85%左右,说明TIRAP蛋白的TIR结构域比较保守,其他区段的氨基酸变异很大。
3 讨论
TIRAP蛋白为人和小鼠的TLRs信号通路的下游信号分子[1,2]。Yamamoto M等[5]进一步研究了TIRAP/MAL和MyD88双基因敲除小鼠。结果发现,该小鼠巨噬细胞受脂多糖(LPS)刺激后,干扰素(IFN)诱导性基因的表达正常,LPS诱导的树突状细胞(DC)共刺激分子(CD40、CD80、CD86)表达未受到影响,从而证明TIRAP与MyD88在TLRs介导的信号转导中具有相似的作用,可通过TIR结构域与TLRs的TIR结构域相互作用,形成异源二聚体,调节下游的信号转导[3]。试验克隆得到牛TIRAP基因cDNA的编码区,推导出牛TIRAP蛋白包含232个氨基酸,经过生物信息学分析发现,该蛋白包含TIR结构域,且与人、小鼠、大鼠和狗TIRAP蛋白的TIR结构域的同源性均达到85%。亚细胞定位结果表明,TIRAP蛋白位于细胞核、细胞质和线粒体等多种细胞器上。由本研究结果可知,奶牛TIRAP蛋白具有与小鼠和人相似的TIR功能结构域,推测奶牛TIRAP蛋白可能与人和小鼠TIRAP蛋白的功能相似,即通过TIR结构域与TLRs相结合,并与下游信号分子作用,引起胞内的核因子表达,产生炎症反应,使机体产生抗病性。奶牛乳房炎是受病原体感染所致的疾病,与TLRs中的TIR结构域及其信号转导有关[6]。综上所述,本研究结果提示奶牛TIRAP蛋白可能在乳房炎抗性的分子机制中发挥重要功能。
参考文献
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编码器结构 篇8
关键词：多边形编码,Morton码,冗余,拓扑
按照功能来划分,常用的矢量数据结构编码方式[1]有多种,其中多边形矢量编码结构,使边界坐标数据和多边形单元一一对应,各个多边形边界都单独编码和数字化。每个多边形由若干条弧段组成,每条弧段由一列有序的x,y坐标对组成。其文件编码坐标为:x1,y1;x2,y2;x3,y3;xn,yn;x1,y1。这种编码方式的不足在于:相邻多边形的公共边界被数字化和存储两遍,造成数据的冗余且每个多边形自成体系,缺少图形的拓扑关系等等。索引式矢量编码结构采用树状索引,对多边形边界每个节点进行编号并数字化节点,对各个线段进行编号,节点和线段号相联系并用线段和多边形相联系,建立多边形和线段之间的索引文件,但这种方式的不足在于编码表要人工建立,工作量大而且容易出错。
1 基本思路
为了避免相邻多边形的公共边界被数字化和存储两遍,造成数据的冗余和减少人工建立编码表带来的工作量,本文借鉴多边形和索引式矢量编码结构,只建立节点和多边形之间的树状索引,以达到减少数据冗余和增加邻域信息。节点的数字化和存储是利用多边形编码方式和Morton码的原理来完成,Morton码的排列方式如图1所示,用2n×2n表示。
Morton码的计算如图2所示[2]:
这样就可以行列表示二维栅格阵列图形,用Morton码写成二维数组,通过Morton码来确定节点的坐标。图3中给出一个原始的多边形图形,文章中以该多边形图形为例,按照Morton码的原理划分多边形图形,划分后的结果如图4所示:
从图3中可以看出,每个节点所在的行和列,从而可以得出Morton码与多边形对应的关系,如图4所示。节点1对应Morton码为第1行第5列即18;节点2对应Morton码为第4行第6列即27;用同样的计算方法可以计算出所有节点对应的Morton码。将Morton码读入二维数组中
节点坐标值……
利用Morton码对每个节点数字化的时候,如果某个节点之前已经完成过一次数字化就不需要再重复数字化和存储,这样就可以保证每个节点只被数字化一次。再利用索引的方式来表示多边形的拓扑关系,为了减少人工的工作量并且减少出错,只建立节点———多边形之间的树状索引,如图5所示。这样既增加了多边形的邻域信息和图形的拓扑关系,又减少了人工编码出错的几率。
2 结束语
通过结合多边形矢量编码和索引式矢量编码方式的优点,采用了Morton码原理,取长补短,对于计算机图形矢量数据结构的编码提出了一些解法,希望能对矢量数据结构编码有所帮助。
参考文献
[1]闫浩文,等.计算机地图制图原理与算法基础[M].科学出版社,2007.
[2]艾自兴,龙毅.计算机地图制图[M].武汉大学出版社,2005.
[3]谢箐.计算机辅助设计实用教程[M].电力出版社,2006.
编码器结构 篇9
光码分多址(OCDMA)技术近年来颇受国内外研究者的关注。采用这种技术,系统中的多个用户可共享带宽同时通信且互不干扰。实现OCDMA的方案有多种[1,2],其中时域扩展相位编码方案是被报道得较多的一种。超结构光纤布拉格光栅(SuperStructured Fiber Bragg Grating,SSFBG)因具有全光纤结构、集成度高和成本低廉等优点,成为这种系统中常用的编解码器。目前国内外报道的时域扩展相位编码OCDMA系统大多使用SSFBG作为编解码器[1],但SSFBG编解码器制作起来比较困难。对1.55 μm光通信波长而言,在光栅的折射率调制上引入π相移时,对位移的控制精度须达到nm量级,这需要非常精密的光栅写入设备。近年来提出的等效相移技术采用光栅取样周期的相移代替折射率调制的相移,很好地解决了这个问题[3,4]。与此同时,国外的研究者也在探索新的编解码器结构,例如文献[5]报道了用级联的长周期光栅(LPG)实现时域扩展幅度编码(单极性编码)的实验。在此研究背景下,本文通过分析LPG的透射特性,提出超结构长周期光栅(SuperStructured Long Period Grating,SSLPG)具有与SSFBG的反射谱相似的交叉透射谱,并提出利用色散补偿光纤(DCF)中基模和内包层模之间的模式耦合,可以将SSLPG用作OCDMA编解码器,实现时域扩展相位编码(双极性编码)。
2 LPG的透射特性
LPG是一种透射型器件,常用于实现某种滤波特性[6],对它的分析可采用耦合模理论。LPG与光纤布拉格光栅(FBG)的不同在于,FBG中的模式耦合发生在相向传播的基模之间,而LPG中的模式耦合发生在同向传播的模式之间。若只考虑两个模式,总电场可以写成它们的叠加:
式中,Φ1、Φ2为均匀光纤中的模场分布;而b1、b2满足以下耦合方程:
β1、β2为两个模式的传播常数;
式中,u1、u2分别为b1、b2的慢变包络;
当q为常数时,式(1)有解析解。考虑到边界条件u1(0)=1,u2(0)=0,得:
图1为一段均匀LPG的交叉透射谱,光栅长度L=3 m,不同的曲线对应不同的κL值(κL值从0变化到π/2)。为了与FBG作比较,图2给出了一段均匀FBG的反射谱,光栅长度L=10 mm。可以看到,在κL值较小的情况下,LPG的交叉透射谱与FBG的反射谱是相似的。
这个结果也可以用耦合模理论来解释。在式(1a)中,令q(z)=0,得
即LPG的交叉透射率
式中,δ=β-π/Λ。即FBG的反射率r(δ)正比于q*(z/2)的傅里叶变换。比较式(2)和式(3)可以看到:在耦合系数较小的情况下,LPG的交叉透射率
3 基于DCF的LPG中的模式耦合
在FBG中,模式耦合发生在相向传播的基模之间,由于两个基模传播方向相反,因此我们很容易将其分开。而在LPG中,模式耦合发生在同向传播的模式之间。对于单模光纤(SMF)中的LPG,模式耦合发生在基模和包层模之间,因为包层模是泄漏模,所以LPG多用作选择性损耗器件[6],此时利用的是LPG的平行透射特性。如果要用LPG实现和FBG相似的功能,必须利用LPG的交叉透射特性,这时光纤中必须存在两个稳定的、可以利用的传导模。已有研究表明,在DCF中除基模外,还存在稳定的内包层模(inner cladding mode),这两个模式虽然传播方向相同,但在光纤截面的空间分布不同,而且它们之间可以发生模式耦合[5],这就为我们提供了利用LPG的交叉透射特性的可能。
下面对DCF中存在的模式进行仿真。设DCF的径向折射率分布如图3所示。计算表明,该DCF中仅存在两个模式:基模和内包层模。图4给出了这两个模式的等效折射率差Δneff和群折射率差Δng。图5为这两个模式的模场分布情况。从模场分布上看,基模被限制在芯区,内包层模主要分布在芯区周围的一个环状区域,但在芯区也有一定分布。这两个模式通过在其芯区的场分布交叠区发生模式耦合。在波长1 550 nm处,Δneff=0.007 4,根据相位匹配条件β1-β2=2π/Λ,可得光栅周期Λ=209 μm,此数值大约是FBG周期的400倍(FBG的周期约为520 nm)。因此,在LPG的折射率调制上制作π相移比在FBG上要容易得多,对光栅制作设备精度的要求也大大降低。这是本文提出的基于SSLPG的OCDMA编解码器的主要优点。
图6是FBG和LPG中模式耦合的示意图。在LPG的一端注入基模,在另一端将内包层模耦合输出,这相当于将光通过一个滤波器,该滤波器的透过谱就是LPG的交叉透射谱。
4 用SSLPG实现OCDMA编解码器
目前国际上报道的相位编码OCDMA系统大多使用SSFBG,文献[5]报道了级联LPG结构的编解码器,但这种编解码器只实现了单极性编码。采用SSLPG实现双极性编码的实验还未见报道。而本文提出,折射率调制带有相移的SSLPG可以实现双极性编码。下面对基于SSLPG的相位编解码器进行仿真。
设SSLPG的折射率调制带有0/π相移,对应一个31位的m序列。耦合系数κ满足κL=π/2,光栅长度L=3 m,两个模式的等效折射率差Δneff=0.01。仿真结果示于图7～9。为了与SSFBG作比较,我们同时给出了对SSFBG编解码器的仿真结果(SSFBG长度为10 mm,等效折射率neff=1.5,码型与SSLPG相同)。图7是SSLPG的交叉透射谱和SSFBG的反射谱,图8是用SSLPG和SSFBG编码后的信号波形,图9是用SSLPG和SSFBG解码后的信号波形。可以看到,交叉透射谱/反射谱形状及编、解码信号波形都十分相似。仿真结果表明SSLPG能达到与SSFBG相同的编、解码效果。
5 结束语
本文通过对LPG透射特性的分析,提出用SSLPG可以实现与SSFBG的反射谱相似的交叉透射谱。利用DCF中稳定存在的两个模式(基模和内包层模)之间的模式耦合,可以用基于DCF的SSLPG作为时域扩展相位编码OCDMA系统中的编解码器。与基于SMF的SSFBG编解码器相比,这种编解码器对光栅制作设备的精度要求较低,而且在使用时不需要环行器。
摘要：文章在分析长周期光纤光栅的透射特性的基础上,提出超结构长周期光栅(SSLPG)具有与超结构布拉格光栅(SSFBG)的反射谱相似的交叉透射谱,并提出利用色散补偿光纤(DCF)中基模和内包层模之间的模式耦合可制作基于SSLPG的光码分多址(OCDMA)时域扩展相位编码器。仿真表明,用SSLPG和SSFBG能获得相同的编解码效果。
关键词：光通信,光码分多址,超结构长周期光纤光栅,时域扩展相位编码
参考文献
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编码器结构 篇10
对于高分辨率视频(720p/1 080p),MPEG-4 AVC High profiles中定义的16×16像素的宏块的大小以及4×4像素和8×8像素的帧内预测子宏块的大小显得不够大，一个显而易见的解决方案就是扩大宏块和预测子宏块的尺寸。但是对于更大尺寸的宏块和帧内子宏块，帧内预测又显得并不十分高效，大尺寸的宏块和帧内子宏块会减弱预测的像素与参考像素点之间的相关性。针对这个矛盾，文献[4]提出了一个新的预测算法，这种新的预测算法被称为Node-Cell预测算法，该算法在MPEG-4 AVC中得到应用并被证明十分有效。
本文中，将Node-Cell编码结构与HEVC帧内编码结合起来，为Angular预测模式实现了双线性预测。与原始的Angular预测模式相比，这个编码算法能够为高分辨率视频应用提供更加精准的预测。
1 Node-Cell编码结构
1.1 HEVC帧内编码
HEVC作为最新的视频编码标准，与先前的编码标准中使用一个固定尺寸的宏块，不同的是将每一帧图像分成一个编码树单元(CTU)的集合。每一个编码树单元被图1所示的四叉树结构迭代地分裂成更小的编码单元(CU)。每个编码树单元中的编码单元都扮演一个与H.264/AVC中宏块类似的作用。现时的HEVC HM参考代码定义CTU的最大尺寸为64×64像素。在每个CTU中，一个编码单元可以是以下4种不同尺寸中1种，它们分别是64×64,32×32,16×16，或者8×8像素。其中8×8的编码单元还可以继续分为4个4×4像素点的预测单元。
HEVC HM参考代码中对于每个编码单元的预测模式有35种[5,6]，其中33种为图2所示的角度预测，另外两种分别为DC模式和planar模式，本文是对33种角度预测模式做的改进，DC模式和planar模式不变。宏块帧内预测的参考像素点是之前已经重建的相邻宏块的像素点。它们分别是现时编码单元上面的编码单元，在左边的以及左上等，当它距离参考像素点越远，它们之间的相关性也越差，这也使得预测越不准确。所以这也体现了HEVC中引入四叉树编码的重要性，也即自适应地解决了编码单元越来越大带来的预测不准确和越来越多的高清视频为了降低码流需要扩大编码单元之间的矛盾。
1.2 Node-Cell编码单元像素结构
Node-Cell结构中每个编码单元的像素点都分成两种，一种是node像素点，另一种则是cell像素点。node像素尺寸为4×4的编码结构如图3所示。node像素点在图中由灰色点表示，均匀分布在编码单元的所有像素点上，而cell像素点则是除了node像素点的其他像素点。Node像素点的尺寸大小与该编码单元的内容复杂度相关，对于一个大小为32×32的编码单元，node像素点的个数可以是4×4,8×8,16×16,32×32,node像素点越多表明该编码单元内容越多。需要由node重建像素预测的cell像素点，距离其参考node像素点越近，由此也可以得到更加精确的预测插值。node像素点被编码之后，cell像素点由node重建值预测得到，它们共同的残差值分别进行变换编码。
1.3 HEVC框架下的Node-Cell结构
现有的HEVC HM参考代码定义编码树单元(CTU)为最大的64×64像素，且编码单元大小的不确定性，源于HEVC的改变，与此对应，Node-Cell编码模式的node像素点尺寸随着编码单元的不同而不同，可以分别为64×64,32×32,16×16,8×8，以及4×4。对于CTU中固定尺寸的编码单元，只有一部分Node-Cell编码模式适用于此编码单元。表1显示了定义的被用于每种不同尺寸的编码单元的Node-Cell编码模式的子集合。例如，对于16×16像素的编码单元，存在3种不同的Node-Cell编码模式的尺寸，分别是16×16,8×8，以及4×4。有了node像素点，cell像素点则由node像素点的重建值预测得到。
1.4 Rate-Distortion最优解
在帧内预测编码中[7]，为了判断最优帧内模式，以下式作为判断依据
式中:Jm表示在帧内模式m的率失真;Dm表示其重建失真度;λ是与量化参数QP相关的拉格朗日算子;Rmc与Rmh的和代表了码率的总和，Rmc是变换系数的码流大小，Rmh包括了宏块头的边信息的大小。因为新增的node像素点的DCT，将基于Node-Cell结构的帧内预测的率失真表示为
式中:k代表下采样子块的次序;K是所有子块的个数。在Node-Cell结构中因为所有的像素点分为node像素点和cell像素点，它们分别做变换编码，所以K=2。另外，对于不同size的LCU块，整个宏块的率失真的总和应该考虑如下
式中:JES表示整个编码单元的率失真;RHES表示宏块头的比特信息，比如帧内预测模式等;U表示帧内预测块的个数，而这由LCU的划分策略有关;DES和RCES(u)分别代表每个做帧内预测的编码单元重建失真和变换参数码流大小。
2 基于Node-Cell结构的HEVC帧内编码
为了将HEVC中原来的Angular预测模式变成双向预测，编码端的预测编码过程最大的不同之处在于预测cell像素点的过程需要得到node像素点的重建值。同时为了使得编码和解码过程中供cell像素点预测的node像素点的重建值值相同，node像素点的残差和cell像素点的残差都需要编码后传输到解码端以保证编解码两端的预测值相同。新增的模式信息表示下采样率，也即决定了node和cell像素点的分布情况，在下采样率为1时所有的像素点均为node像素点，该模式与Angular预测模式相同。在其他任一下采样率情况下，编解码流程图如图4所示。图4略去了node像素点分布以及模式选择等过程，是在node像素点和cell像素点分布确定以及模式选择尚未开始的预测流程图。
1)node像素点预测与编码
高效的node像素点编码会降低了编码的比特流，node像素在CU上均匀分布，如图5a中灰色方块所示，参考像素点是该编码单元上方和左方已编码重建的像素点，即图5a中灰色像素点。预测模式沿用Angular预测，有33个方向预测。
设待预测像素为Px,y，则
式中:Ri表示参考像素行中第i个参考像素;Ri+1表示第i+1个参考像素;wy表示分数精度的参考像素在这两个参考像素间相对应的权值，由移位投影y与预测方向d确定，各预测方向d如图2所示，各方向角的正切值以1/32为单位递增。
得到的残差单独进行编码，编解码端重建后作为cell像素点预测的依据。对于node的残差码流，由于大部分时候它的尺寸总是只有cell像素点的1/2甚至1/4甚至1/8，同时为了降低编码时间，所以不使用四叉树迭代求解变换单元划分，而是直接使用不划分的变换单元，也即直接进行node尺寸大小的DCT变换编码。
2)cell像素点预测与编码
cell像素点的预测同样有33个方向，不同之处在于它的双向插值，参考像素点使用两点内插预测，而不是如node像素点预测那样外推得到。
预测方法大体分为两个步骤完成，步骤1由左边已编码单元和上方已编码单元的重建像素点和本单元已重建node像素点得到cell像素点的预测，为步骤2像素点预测参考像素点。步骤2中预测cell像素点，根据它周围的像素点插值预测出来。图5c展示了cell像素点是怎么使用参考像素点插值得到的。如，在方向17的情况下，待预测像素点o由(3/8×d+5/8×e)和(3/8×l+5/8×k)插值得到，得到的cell像素点残差矩阵作为一个变换单元，选择最优DCT方案进行编码。
解码端过程与编码端相反，先是进行得到的node像素点的系数的反变换，从而得到各像素点的残差值，重建node像素点，得到cell像素点的预测值，再重建cell像素点。
3 实验结果与分析
这种新的Node-Cell编码结构是基于版本HM8.0rc2的HEVC参考代码实现的。考虑到视频中亮度信息占据大部分码率，将Node-Cell结构实现在视频的亮度分量，实验结果也是基于亮度信息。2个Class A视频序列，分别是PeopleOnStreet和Traffic，它们的分辨率是2 560×1 600像素，3个Class B视频序列，分别是Kimono和Parkscene,Tennis，它们的分辨率是1 920×1 080像素，总共5个视频序列被用于测试。图6a、图6b分别展示了2个序列的不同预测模式的RD性能。表2是5个序列在不同QP情况下不同的预测模式组合的RD性能。表3、表4则表示了Tennis,Kimono序列中不同下采样率的比例分布。可以看到随着QP的增大，选择下采样率不为1的比例上升，也即下采样模式比较适用于码率较低的情况。同时视频序列越简单，采用下采样率不为1的概率也会越大。
4 结论
新引入的算法是基于HEVC中的Angular Intra Prediction(AIP)实现的，增加了下采样的模式信息，预测模式增多了。为了更有效提高编码效率，接下来的工作可虑将node像素点的量化与cell像素点的量化独立出来，从而得到更高效的node像素点编码，也可以考虑提高cell像素点的预测精度等。
参考文献
[1]Recommendation ITU-T H.264:Advanced video coding for generic audiovisual services[EB/OL].[2014-01-01].http://www.itu.int/rec/T-REC-H.264/e.
[2]WIEGAND T,SULLIVAN G J,BJONTEGAARD G,et al.Overview of the H.264/AVC video coding standard[J].IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology,2003,13(7):560-576.
[3]Richardson I.H.264 and MPEG-4 video compression:video coding for next-generation multimedia[M].New York:Wiley,2003.
[4]JCT-VC.Draft Test Model under Consideration[C]//Proc.2nd JCT-VC Meeting.Geneva:[s.n.],2010:62-63.
[5]JCTVC-HM software[EB/OL].[2014-01-01].http://hevc.kw.bbc.co.uk/git/w/jctvc-hm.git.
[6]ZHENG Dong,WANG Deming,ZHANG Liang.High definition video intra-only coding based on Node-Cell macro-block pixel structure and2-D interleaved DCT[J].IEEE International Conference on Image Processing,2011(9):496-501.
编码器结构 篇11
【关键词】CPLD 8B10B编码器 EDA indata 时序仿真
一、前言
8B10B编码技术广泛应用在串行连接SCSI、串行ATA、光纤链路、以太网、XAUI、PCI Express总线、Infini Band、Serial Rapid IO、Hyper Transport总线以及IEEE1394b接口（火线）等技术中[1]。8B10B2将8bit代码组合编码成10bit代码，代码组合包括256個数据字符编码和12个控制字符编码，通过仔细选择编码方法可以获得不同的优化特性[2]。在高速串行流中，如果1码元或者0码元有连续多位没有发生变化，就会因为电压的关系而产生误码[3]。8B10B编码方式保证了直流平衡，保证在串行码元流中不会产生超过4个连续的1码元或者0码元，从而防止码间干扰。
二、8B10B编码器的实现
（一）8B10B编码器顶层设计思路
8B10B是一个线路编号，其标注了一个8位符号到10位符号来完成直流平衡和有界视差。这是信号的一个重要属性，其需要在很高速率下发送以减少符号间干扰。8位数据被当作一个10位的实体来传输。这个数据的低5位被编码成6位的组，最高的3位被编码成一个4位组。这些编码被连接在一起在电线上传输从而组成10位的符号[5]。
本文的8B10B编码器采用层次描述方式，也采用原理图输入和文本输入混合方式建立描述语言。8B10B编码器由indata模块、B3B4模块、B5B6模块、outdata模块组成。indata模块实现输入8位信号，并行输出3位信号和5位信号，为下一步3B4B编码和5B6B编码做基础准备。B3B4模块实现了输入3位码元，通过查表法，输出相对应的4位编码。indata模块与B3B4 模块、B5B6模块之间的数据总线分别为3位和5位。Outdata模块与B3B4模块、B5B6模块之间的数据总线分别为4位和6位。
（二）indata模块设计
本文使用VHDL语言设计indata数据分流模块。VHDL语言对时序器件功能和逻辑行为有强大的描述能力，体现与设计平台和硬件实现对象无关性的优秀特点。
运行QuartusII软件，按要求新建工程文件，在设计窗口输入indata分流模块的VHDL设计程序后，在Quartus上进行综合。综合过程就是把VHDL语言设计的HDL描述与硬件结构挂钩，实现了将软件转换为硬件电路的目的。综合就是根据给定的硬件结构组件和约束控制条件进行编译、优化、转换，最后将电路的高级语言转换成可与FPGA/CPLD基本机构相映射的网表文件。B3B4模块由encode3B4B1模块、encode3B4B2模块、mux2_3B4B模块构成。encode3B4B1模块和encode3B4B2模块实现输入3位码元，根据3B4B编码算法，应用查表法，编码输出4位码元。其中，encode3B4B1模块实现RD-的编码功能，encode3B4B2实现RD+编码。mux2_3B4B模块的功能是实现通过en的高低电频来选择相对应的4位码元输出。encode3B4B1模块、encode3B4B2模块、mux2_3B4B模块都采用VHDL设计方式。B5B5模块由encode5B6B1模块、encode5B6B2模块、mux2模块组成。encode5B6B1模块和encode5B6B2模块根据B5B6编码算法，采用查表法来实现输入5位码元，输出6位码元的功能。encode5B6B1模块、encode5B6B2模块、mux2模块都采用VHDL设计方式，设计思路与B3B4模块的设计相似。
（三）时序仿真验证
电路设计完成后，需要进行功能仿真和时序仿真，验证设计结果是否满足设计要求。通过实践证明，虽然输出有延迟和毛刺，但是结果与预测的8B10B编码输出相同。因此，本文的8B10B编码器基本满足8B10B的算法，能够正确输出相应的编码。
三、总结
本文基于Altera公司开发的Quartus II开发平台，利用EDA技术，采用VHDL程序设计输入和原理图设计输入混合设计的方式，提出一种简单实用的8B10B编码器的实现方法，完成了8B10B编码器模型的设计。该模型输入输出特性满足8B10B基本原理和核心算法，基本实现了设计要求。
【参考文献】
[1]杨军，周克峰.创新实验指导书[Z].云南大学信息学院电路实验室，2005.
[2]杨军，龙飞，徐炜.Quartus II实验指导书[Z].云南大学滇池学院现代教育技术中心，2006.
[3]李宗伯.VHDL设计表示和综合[M].北京：机械工业出版社，2002.
[4]朱正伟.EDA技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2005.
全新的视频编码器 篇12
全新的视频编码器AXIS M7016和AXIS P7216能够更加经济有效、更加灵活地将模拟系统改造成为网络视频解决方案。这两款16信道的视频编码器产品可在所有分辨率下提供全帧速率, 并且提供单一以太网端口用于所有16个信道, 安装十分简便。
安讯士网络通讯公司 (Axis Communications) 推出了视频编码器系列中的两款新产品。具备全帧速率的AXIS M7016可经济有效且非常简便的实现网络视频改造, 而灵活的AXIS P7216则可提供音频, I/O, 并配备了一个SFP插槽用于光纤连接。SFP插槽还可用于网络冗余。若SFP模块发生故障, 则数据流量将自动切换至以太网端口。这些全新的视频编码器产品可满足中小型安装项目的需求, 例如零售行业的部分项目。
安讯士网络通讯有限公司 (Axis Communications) 解决方案经理邹毓帆表示:"我们成功的视频编码器系列新增的这两款产品, 能够为更多的用户将模拟系统改造成为数字解决方案。同时, 我们十分注重降低成本, 以便这两款新产品能够在市场上更具吸引力。此外, 我们还增加了一些实用的功能。AXIS M70系列现在也能够提供全帧速率, 因此可实现流畅的视频监控体验。而AXIS P72系列能够提供视频和音频两种数据流, 是十分灵活和优异的产品。"
两款全新的视频编码器产品均带有电源, 可提供H.264和Motion JPEG同步数据流, 并配备了四个Micro SD卡槽, 能够支持最高64GB的内存卡 (产品不含内存卡) 。
AXIS M7016 and AXIS P7216通过安讯士应用软件开发合作伙伴计划 (ADP, Application Development Partner Program) 得到了业界最广泛的视频管理软件的支持, 并且安讯士自有监控软件平台 (AXIS Camera Station) 的支持。此外, 这些视频编辑器可支持AXIS Camera Companion, 安讯士视频托管系统 (Hosted Video) 以及ONVIF网络视频产品互操作性规范, 可轻松实现摄像机系统整合。