高速数据光纤通信

高速数据光纤通信（精选9篇）

高速数据光纤通信 篇1

光纤通信网络主要以光波为载波,并将光纤作为传播介质,实现数据信息的有效传输。作为本世纪最重要的信息技术之一,光纤通信网络对通信事业的发展做出了巨大的贡献,广泛的应用于各个通信领域,为促进社会信息系统的完善、经济发展以及社会和谐做出了巨大的贡献。现阶段,我国正处于高速发展的新时期,加强对光纤通信网络的研究具有十分现实的意义。

1 光纤通信网络概述

所谓的光纤通信网络,就是利用光纤作为传播介质,将光波作为载波,将需要处理的信息数据有效的传输到系统的处理段。第一代光纤以1085um的多模光纤材料为主,随着科技发展,技术、材料等更新换代速度越来越快,光纤产品也逐渐出现了二代、三代、四代、五代产品。利用光纤通信技术,能够提升数据采集系统的效率,并事先传输距离的增长。在很多测量工程中,光纤通信网络业是经常被运用,满足设备以及检测设备的需求。

高速数据采集系统的主要构成包括高速采集模块以及光纤通信网络。其中高速数据采集模块负责数据的高速采集,而光纤通信网络负责将采集的数据信息通过一定的技术向上位机传输。在多路通信分布中,高速数据采集模块有八组通道,并且每一个通道都能进行32为数据采集与转换,且速度可达到4m SPS,数据总量达到80Mb/s。进行高速数据传输,需要具有较大的总线传输容量,保证外界环境,包括噪音等不会对系统造成影响。光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用,不仅能够满足宽带的需求,并且有效的避免了外界噪音对采集系统的影响,提升数据采集与处理的效率。

光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用,主要优势体现在以下几个方面 :(1) 采用光波作为载波,具有传输容量大、高频率等优势 ;(2)保密性较强,能够避免电磁干扰 ;(3)传输距离较长,在传输过程中信号不容易中断或衰减 ;(4)光纤材料较为丰富、价格低廉,能够节约大量的有色金属 ;(5)光纤材料直径小、质量亲,可绕性较强。

2 光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用

2.1 高速采集模块

高速数据采集模块就是将芯片设置在数据采集系统的主控制器中,由CPLD产生时钟时序,完成对数据的高速采集与控制。

该系统的运行原理主要表现为 :模拟信号中带有的物理量信息通过传感器进行电压量的转化,然后通过ADC转化功能模块将其转化为模拟电压量,从而实现数据的采集、传输、存储与处理。整个高速数据采集系统由AVR以及CPLD共同控制,采集到的数据信息经过模拟转化后,其转化结果一般在FIFO中缓存,最后通过FLASH陈列进行结果的转存以及保存。在高速数据采集系统中。FIFO模块具有缓存功能,能够有效的解决A/D转换过程中相关的数据位数转换为题,对数据位数进行有效的调整。

2.2 系统控制程序设计

高速数据采集系统中,采集功能的实现主要是由编程完成的,首先选择两条通道完成相关时钟分析,如果控制信号为低电平,引脚工作,然后触发数据采集功能,EOC电平降低,将8路通道中的数据存储保存下来。在具体的数据采集过程中,每一路通道的采集原理一致,最终将所有采集到的数据集中存放的存储区。

在上述操作的基础上,将编程程序载入CPLD中,实现对电路的调试,并控制8路通道同时进行模数转换。转换过程中产生的波形如图1所示 :

从图1中可以看出,1路、3路、4路、5路分别产生8个连续的脉冲,脉冲的时序位置正确,说明控制系统中8路数据信号采集能够在同一时间进行,不会出现时序以及逻辑上的错误。这就说明,该控制系统的设计能够满足高速数据采集程序控制的相关要求。并且根据数据采集脉冲的宽度,能够计算出数据采集系统的采集数据最高为10mb/S。

将采集到的数字信号用过调制解调器(光电)的转换,将其转换为光信号,并将其加载到光纤通信网络中,通过其传输功能将其及时的传输到控制回路系统中,对系统相应的运行实施有效的控制。

2.3 外接存储器设计

光纤通信网络应用到高速数据采集系统中,以光的形式与功能模块相连,数据采集、处理的速率相比于FPGA来说具有很大的优势,能够实现实时、有效、准确的数据信息传输,这就说明外接存储器在系统中的设计相当必要。外接存储器的种类很多,包括双倍速率存储器、同步动态随机存储器、虚拟通信存续期、动态接口随机存储器等等。根据光纤通信网络大数据量、高速率等特点,加上控制系统以及系统硬件等设计的结合对比,决定选用双倍速率存储器。

双倍速率存储器凭借其双倍结构,能够提升数据采集数据过程中对数据的读取能力,应用双倍速率,系统结构中所有的时钟周期都实现读写操作,真正意义上实现了数据读写的双倍效率。

在外接存储器设计中,充分考虑高速数据采集系统的数据存储的容量的需求以及数据处理速度的要求,选用技术较为成熟的HY5DU(L)T芯片,该芯片具有32MB的超大容量,其数据总线宽度达到16位,在其最佳的状态下,芯片的吞吐率能够达到5.312Gb/s。结合光纤通信网络最大传输速率为10Gb/s,可以看出单个双倍速率存储器并不能满足光纤通信网络数据传输的具体要求,因此在设计中,采用四个芯片并联的模式,有效的提升了存储器的数据吞吐能力,满足光纤通信网络的具体要求。

3 系统测试

为了验证上诉设计的有效性与实用性,需要系统的性能进行有效的测试。在测试的过程中,需要对已知信号实施采集,并将其传输、存储,最后将存储的信号与已知信号进行对比,分析测试的结果。测试的具体步骤主要体现在以下几个方面 :(1)将特殊的已知信号用过光纤通信协议发送出去,其信号速率达到9.953GB/S,帧长为15520字节,为了为信号分析提供便利,可以将信号帧同步码设置为一定的序列,如F6 F6 F6 28 28 28 ,在帧头剩余部位设置0,将5设置在帧内的剩余部位 ;(2)避免对信号实施直接扰码与传输。在对光信号接收后,系统应该实施光电降速与转换处理,由系统中的FPGA对数据及时钟实施接收,对其相应处理后转入外部存储器实施缓存。(3)当外接存储器被数据存满后,可以暂停数据采集,并按照一定的顺序对存储器中的数据进行读取,并在计算机系统中,通过千兆以太网接口进行统计与分析。

通过实验测试结果,可以看出已知信号与最终存储器中的接受数据一致,说明了该系统设计的有效性。另外,需要对系统误码率进行测试,将固定的数据转化为伪随机码,对数据信号进行信号净荷,测试结果表明系统的误码率低于10。

4 总结

本文通过光纤通信网络,对高速数据采集系统进行有效的设计,通过多路采集以及光纤网络相结合的方式,提高了系统数据采集的能力。并通过有效的实验测试,证明了高速数据采集系统设计具有很强的实用性,能够提升数据采集速率,提高整个系统的运行性能。

摘要：随着科技水平的进步,特别是信息化技术的发展,网络通信技术得到了长足的发展。光纤通信技术是信息化技术中重要的一种,也是本世纪最为重要的战略性产业。在高速数据采集系统中,应用光纤通信网络,能够大大提升数据采集的效率,提高数据采集系统的各项性能。本文首先对光纤通信网络进行简单的介绍,然后分析其在高速数据采集系统中的应用,并通过系统测试验证光纤通信网络的应用效果。

关键词：光纤通信网络,高速数据采集系统,应用

高速数据光纤通信 篇2

相位调制方案主要指的是在基带信号的传输过程中，应用调制器对光载波信号的相位进行一定程度的调制，但是在相位调制方案的检测过程中，是难以对其实施直接的检测的，需要应用自相干检测或者是相干检测的方式，由于其接收机具有很高的灵敏度，如果将其应用于远距离的传输工作中，其对光功率的要求是比较低的，如果在实际的应用中，应用自相干探测的方式，其平衡探测两端口由于存在反相的关系，导致其判决电平的值为0，这就使得其对于输入光功率波动的容限高于幅度调制信号。

在相位调制的过程中，只需要对载波的相位进行调制，不会对其载波幅度产生影响，这就使得调制光功率能够在每比特中进行均匀的分布，这会导致其对码间串扰具有较高的容限值，因此，将其应用于高速相干光纤的通信中，具有非常好的应用效果。

2.2 幅度与相位联合的调制方案

正交幅度调制是应用载波抑制双边带条幅的方式，来实现对两路相互正交的同频载波进行调制，应用这种调制方式，对于带宽的拓展具有积极的作用，对光纤通信的调制方式进行分析，常用的正交幅度调制方式主要有：(1)直接调试的正交幅度调制，这种调制方式主要是应用两个正交载波上的脉冲幅度调制，应用叠加的方法来实现正交幅度调制，这种调制方式具有非线性容限大、系统结构简单的特点，但是将其应用于高速相干光纤通信中，投入成本较大。

高速数据光纤通信 篇3

随着光电技术的发展,CCD和CMOS工业数字相机已经应用在生产生活的各个领域。在实际应用中,数字相机拍摄的数字图像需要传输到图像处理计算机或显示终端,数字图像信号的数据量很大,传输速率也很快。以常见的1024×1024大小的16位图像为例,当拍摄帧频为50帧/秒时,需要实时传输的数据量为800Mb/s。这样的数据量给数字图像的传输提出了较高要求。

Cameralink接口是目前工业数字相机的主要图像输出接口之一。该种接口具有实时性好、抗干扰的优点,可满足大部分相机的数据流量要求。但是Cameralink数据传输格式对线路要求较高、布线困难,且不能进行图像数据的长距离传输。光纤是新兴通信技术,适于远距离传输,采用光介质传输数据已经是当前通信技术发展的潮流,虽然目前RS-232、RS-422、百兆网甚至千兆网的接口光纤收发器均已商业化,但由于Cameralink接口出现相对较晚,并且专门针对工业相机,所以目前国内对Cameralink接口光纤传输系统的研究还较少。本文对Cameralink图像数据光纤传输系统进行了深入研究,并已应用于实际工程中,取得了良好的效果,解决了Cameralink图像数据长距离光传输问题。

1 系统设计方案

图1是光纤传输系统的设计方案。相机输出的数据流经过Cameralink接口转换、数据缓存、光纤编解码、图像重构等过程,最后仍以Cameralink图像的形式输出,从而实现数据的无损远程传输。

在图1中,数据的缓存和重构的主要作用是实现时钟域匹配,光纤的编解码采用8b/10b编码,由硬件完成,光模块的功能是实现光信号和电信号的转换。数据的缓存、重构与编解码是光线传输系统设计需要考虑的主要问题。

2 Cameralink数字图像接口协议

目前大部分工业数字相机通过Cameralink接口输出图像数据,该接口是机器视觉领域中应用最广泛的一种接口协议。Cameralink是基于LVDS技术的一种接口标准,这种标准特别适用于高速相机的数据传输。Cameralink接口标准包含一对接收器和驱动器。驱动器最多接收28位单端数据信号和一路时钟信号。这29路信号以7∶1的比例串行发送,使用5路LVDS通道传输4组LVDS数据流和一组LVDS时钟信号,因此采用该标准完成28位数据的同步传输只需要5对LVDS线即可。

图2是Cameralink接口Base模式的数字图像信号的时序关系图,Cameralink接口芯片编码前和解码后的数字信号满足图2的时序关系。根据Cameralink接口协议,一帧数字图像由场同步信号、行同步信号、像元时钟和多位图像数据组成,各信号均在像元时钟的下降沿变化,在其上升沿是数据稳定时期。

图2中的信号由专用编解码和驱动芯片进行图像数据、行、场、时钟的TTL和LVDS通道之间的转换。在本设计中使用了DS90CR286和DS90CR285芯片完成这一功能。

3 图像数据的时钟域匹配

图像数据时钟域匹配是Cameralink图像数据光纤传输系统时序设计要解决的主要问题。由于设计中采用固定本地时钟作为光纤通信同步时钟,受编解码芯片TLK2711A和传输速率的限制,光纤通信同步时钟固定设为80MHz。但不同的相机输出的图像数据的像素时钟往往是不同的,大部分相机的像素时钟低于80MHz,为了适应多种低于光纤同步时钟的像素的图像传输需要,系统使用双FIFO缓存方案进行时钟域匹配,通过使用该方案增加了系统的通用性。FIFO是先进先出存储器的简称,通过使用FPGA内部存储器构成FIFO来实现不同时钟域上数据的转换。图3是双FIFO结构时钟域匹配的方案框图。

系统以相机输出的像素时钟作为FIFO写时钟,按奇偶行分时写入FIFO1和FIFO2。再根据数据行场等同步信号生成读信号,以80MHz本地时钟为读时钟,写FIFO1的同时读FIFO2,读出的数据进行图像重构然后送芯片TLK2711编码,直接以80MHz的时钟作为光纤通信同步时钟,从而完成时钟域匹配功能。

对于一些相机的数字图像输出是Cameralink双通道格式,12位的该格式数据对于传输信道来说等效于一个像素时钟传输的图像位数是24位,而利用TLK2711芯片编码的光纤信道单路最多只能传输16位数据。为解决这一问题,本文采用了双路光纤位数扩展的方法,图4-5为双路光纤扩展位数传输方案的发送和接收端数据缓存和重构方案。

由图3-4可见,该方案使用A路和B路光纤同时传输24位数据。在发送端,主要作用是将图像分为高低12位和奇偶行进行分时传输,并进行时钟域匹配;而在接收端,主要是对两路光纤分别传输的数据进行同步恢复和图像重构。采用双路光纤扩展传输时,本文设计的系统的带宽最高可达1.92Gb/s。

4 光纤信道8b/10b编码

在光纤通信应用中,并行数据一般被编码成串行同步数据流,从而实现高速传输目的。本设计选用8b/10b编码方法进行高速串行编码方法。8b/10b编码可以解决以下几个通信方面问题。

(1)通过使数据流中的连续“1”或连续“0”不超过5个,8b/10b编码保证了信号转换密度,这样可以降低接收端时钟漂移或同步丢失发生的概率。

(2)8b/10b编码可以平衡位流中“0”和“1”的数量,实现直流平衡,有利于高速差分传输。

(3)采用冗余方式,8位数据加入特殊字符按特定规则编码成10位数据,解码时根据规则可监测误码。

(4)规定了一些特殊字符作为帧同步或控制字。

本文选用串并转换芯片TLK2711实现8b/10b编解码功能。TLK2711是一款主要用于光纤通信的8b/10b编解码双向收发器。可并行传输16位数据,串行差分传输速率可达1.6Gb/s至2.7Gb/s。本系统每路图像数据的发送和接收各使用一片TLK2711。

对TLK2711的控制由FPGA内部构建的控制器进行,控制器完成的主要功能有上电同步,传输同步和数据链路恢复。

上电同步是指无论系统接收方还是发送方先上电,系统均应建立有效数据链路。信号ENABLE是上电同步控制的关键信号,该信号为低时TLK2711发送同步码。通过实验发现对于双向工作模式时可正常同步,但当TLK2711单向工作时如果接收端后上电则无法正常通信,这是由于接收端上电时,发送端的同步码已经发出,在这种情况下接收端没有收到同步码,所以系统无法建立数据链路。可采用的解决方法是利用上行光纤链路中的某一位构建双向链路,用FPGA检测该路信号的同步状态,当其为同步状态时,FPGA强制发送端的TLK2711再发一次同步码(ENABLE再置低),从而完成同步。

传输同步则是指利用图像信号在场逆程不传送有效信息的特点,在图像数据的场逆程强行使能RKLSB和RKMSB信号来控制TLK2711发送同步码,通过这种方法可以使通信系统在每帧图像结束后都同步一次,提高了系统的抗干扰性和链路自动恢复的速度。

数据链路恢复是指导致系统数据传输终止的错误解决后,系统自动恢复数据链路的能力。TLK2711具有信号丢失检测电路,一旦接收端检测到串行差分信号的幅度过低,则会使能接收端的LOS信号为高电平对于来自光纤传输链路的错误的恢复主要靠TLK2711的信号丢失检测电路进行。实验过程中,拔掉传输光纤,可以立即看到接收端的LOS端变高,发出错误信息。针对此项功能专门设计了LOS信号检测电路,以便实时监控光纤链路通断情况,并采取相应的同步措施。

5 光电转换

数据经缓存和编码后,使用光模块进行光电转换,变成光信号进行传输。本文选用单模SFP光模块来完成转换功能,SFP模块体积较小、并且可以随时插拔,便于系统的升级与维护,上面的LC光纤接口通用性也比较好,可以不用转接头接入很多现有光纤网。图6是SFP模块照片,通过使用单模(1310nm)模块,进一步增加了系统的传输距离,在无中继的情况下,可传输20km。

光模块与TLK2711之间是PECL接口,对传输线阻抗匹配特性要求较高,这部分电路板在设计过程中对分布参数进行了仿真和计算,使传输阻抗满足50Ω的设计要求。

6 结束语

本文设计的光线传输系统目前已在多个实际工程项目中应用。其中,对某型号拍摄频率为100帧/秒的高速CMOS相机成功实现传输,系统传输带宽已达1.6Gb/s,传输的图像稳定,效果较好。本系统的创新在于通过对原始图像数据进行双FIFO分奇偶行的缓存和图像重构,实现了相机时钟域和光纤传输时钟域的时域匹配,从而实现了不同像素时钟下的稳定传输。

参考文献

[1]许海东,王剑,李超.基于FPGA的数字视频光纤传输系统的研究[J].科学技术与工程,2007(19):5069-5073.

[2]李岩,司玉美,耿爱辉,等.基于同步时分复用技术的数字CCD图像数据的光纤传输设计[J].微计算机信息,2006(1):211-212.

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[4]王文华,何斌,韩双丽,等.星上CCD成像非均匀性的实时校正[J].光学精密工程,2010,18(6):1420-1428.

[5]于海,樊晓桠.基于FPGA异步FIFO的研究与实现[J].微电子学与计算机,2007(3):210-216.

高速铁路通信系统技术 篇4

而出行的旅客享受了高速铁路带来的快捷与舒适后对在旅途过程中的通信系统的要求也水涨船高。

旅途是单调的，也是劳累的，旅客需要在列车上与他人进行语音、数据、图像、视频等信息交流，而互联网的普及也使更多的乘客需要在列车上接入互联网，享受数字化和智能化的通信服务。

因此，为了满足乘客的通信需求，构建一个稳定、先进的高速铁路通信系统迫在眉睫。

高速数据光纤通信 篇5

为解决此类难题, 新型双向高速数传通信系统需要满足多功能、高性能、高速率、体积小、重量轻的应用需求。该系统从传输体制上未采用传统双向高速数传系统的FDD模式, 而是采用了时分多址 (TDMA) +时分双工 (TDD) 通信系统, 采用TDD技术, 地面电台不仅能接收来自于空中的下行高速数据 (视频) 信号, 还能反向传输上行指控命令[1]。

1 硬件设计

从硬件复杂度和系统稳定性考虑, 中频、基带信号处理模块并未采用传统FPGA+DSP+MCU方式[2], 而改用单片、低功耗FPGA实现。所有软件 (控制链路层、调制解调物理层、TDMA+TDD网络层协议) 也集成在该单片FPGA内, 软件集成度、复杂度较高。采用该设计思想, 确保了系统的小型化和低功耗。TDMA+TDD技术的应用, 使得该数传系统不仅支持点对点通信, 也支持多个视频信号和控制信号的组网通信。

2 协议软件设计

电台发送信息按时间进行循环。该系统中, 地面站数传电台作为主机设备, 机载台1与机载台2作为从机设备。为避免主机与从机通信冲突, 上下行帧结构为固定时隙[3]。

考虑到以图像信息主的大数据为突发数据, 且数据量较大, 因此时隙划分时图像信息将占用大部分时隙。该系统中, 上下行采用了不同的调制方式, 其中下行为DQPSK, 码率3Mbit/s, 上行为MSK, 码率为60kbit/s。单个时隙长度为8962.16ms, 机载台单次发送的时隙长度为16.5ms, 地面台发送同步码与控制命令的时隙为0.16ms, 单向空中传输延迟1ms。

3 技术特点

(1) 硬件上, 该数传系统基带传输速率为3Mbps, 中频工作频率为70MHz, 射频工作频率为450MHz, 其中DA模块工作频率甚至到达720MHz, 高频数字处理[4]对硬件的布板、布局[5]要求非常高;

(2) 软件上, 高速数传电台至少支持3Mbps的实时数据传输, 并支持T D D制式的数图同传与T D M A模式的多机组网功能, 这对FPGA程序、通信协议的同步设计[6]提出了更高要求;

(3) TDD+TDMA工作体制:区别于普通民用产品单向、点对点传输的特点, 该系统在单根天线上完成信号上下行传输, 且支持T D M A模式的多机组网;

(4) 硬件架构:该系统摒弃传统FPGA+DSP+MCU方式, 而改用单片F P G A方式进行数字信号处理, 硬件集成度高、稳定性好、MTBF (平均无故障维修时间) 指标很高;

4 结语

系统方案设计合理, 技术前沿, 硬件结构简单, 系统稳定。接收到的视频信号不仅可直接用模拟方式输出到电视, 还可通过电台预留的网口在电脑上显示, 并可实现组网后的多幅图像的显示, 提高了系统的利用率和环境适应性。

参考文献

[1]杨秦彪, 宋鹏, 齐建中.基于CPLD的高速数传电台设计与实现[J].遥测遥控, 2011 (05) .

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[4]李楠, 周辉.基于软件无线电的数字中频平台的设计与实现[A].全国第二届嵌入式技术联合学术会议论文集[C], 2007.

[5]Carter T, Kim S, Johnson M.High throughput, power and spectrally efficient communications in dynamic multipath environments.IEEE Military Communications Conference.2003.

高速数据光纤通信 篇6

串口通信以其容易实现、成本低、连接简单方便等特点在工业监控、数据采集和实时监控系统中得到广泛应用[1]。因此通常将系统与计算机通过串口直接通信,利用上位机软件进行数据接收和处理,监测串口发送数据的有效性和完整性,从而达到测试系统工作状态或性能的目的。然而在实际应用开发过程中,通用的串口通信数据处理方法不能满足高速通信时的要求,处理结果容易出现数据丢失现象,同时对数据丢失位置和丢失数量也难以定位和计算,基于此提出一种高速串口通信中数据可靠高效的处理方法,该方法从数据组帧、串口通信、数据接收与存储和数据处理4个环节进行分析和设计,并通过实验验证其性能,其完全可应用到实际系统开发中。

2 数据处理方法

一般串口通信中的数据处理过程主要由数据组帧、串口发送数据(串口通信)、数据接收和数据分析处理4个步骤。在发送数据速率较低时,可采用如图1的流程进行数据处理,首先对需要发送的数据进行数据组帧,然后通过串口通信形式发送到上位机,上位机从串口中接收到数据后立即进行相关处理,直至数据处理完成后再继续接收数据,也即接收数据后,立即进入数据处理环节,并在完成数据处理后,再次等待接收新数据。然而这种实现方法在串口高速率大信息量通信时,极易出现数据丢失的现象,在对数据完整性要求较高的场合,此种情况必须避免发生。数据丢失的原因在于数据接收与数据处理在同一个线程中进行,如果数据处理时间较长,来不及接收的数据只能暂存于缓存中,一旦缓存满了,新到的数据就会冲刷掉来不及接收的数据,从而造成部分数据的丢失。

本文提出一种如图2所示的处理流程,首先对需要发送的数据进行数据组帧,然后通过串口通信形式发送到上位机,上位机从串口中接收到数据后立即写入环形缓冲区,同时读取缓冲区数据并进行相关处理,也即利用多线程技术使数据接收与耗时较多的数据处理过程分别在两个线程中进行,互不影响,其中数据接收线程负责数据接收并将接收到的数据存入到环形缓冲区中,数据处理线程负责从环形缓冲区中读取数据和处理分析数据。

2.1 数据组帧

在串口通信中,为了正确判别解析数据帧和提高检错能力,需要对发送的数据信息按一定方式进行编码组帧,本文采用如下方式进行组帧。

其中每一数据帧由7个字段组成:

帧头:1个字节,代表数据帧的开始;

帧长:0x00-0x FF,1个字节,代表数据帧除帧头、校验码和帧尾之外的长度;

帧号:0x00-0x FF,1个字节,代表不同的信息种类;

正文:传输的有效数据信息,长度可变,可包含各种数据类型;

帧编码:0x00-0x FF,1个字节,数据帧0-255循环编码;

校验码:2个字节,校验码之前所有字节的CRC校验;

帧尾:1个字节,代表数据帧的结束。

2.1.1 数据帧编码技术

帧编码是指对发送的帧数据按发送顺序进行0-255循环编号。即第一帧数据编号为0x00,依次进行,第256帧数据编号为0x FF,第257帧数据编号为0x00,等等,依次循环往复进行编号。该方法可在出现数据丢失时进行快速定位丢失位置和丢失数量,对数据的完整性和有效性快速分析具有很大帮助。

2.1.2 CRC校验技术

循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)是一种利用除法及余数的原理来做错误侦测的方法[2],它将要发送的数据比特序列当作一个多项式f(x)的系数,发送时用双方预先约定的生成多项式g(x)去除,求得一个余数多项式,将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端,接收端同样用g(x)去除接收到的数据,进行计算,然后把计算结果和实际接收到的余数多项式数据进行比较,相同的话表示传输正确。同时CRC校验检错能力强,且容易实现。因此,在进行数据组帧时对数据做CRC校验预处理,其中本文生成多项式g(x)=x16+x15+x2+1。

2.2 串口通信实现方法

在高速串口通信中,由于数据速率高且数据量大,如果采用单字节产生中断的方式来接收,那么CPU就会疲于处理串口中断事件,而且这种情况下单字节是无法作数据处理的,而使用FIFO缓冲区,一次接收多个字节后再产生中断就会节约CPU时间用于数据处理。实际应用中常采用CSerial类、Windows API函数和MSComm控件三种方式来实现,其中CSerial类因采用单字节产生中断的方式接收而不宜采用,Windows API函数虽然功能强大,实现灵活,但相对复杂,需要开发者对Windows程序设计原理有较深入的了解,此外它只能实现对标准串行通信端口首地址的读写操作[3],因此本文选取MSComm控件来实现串口通信。MSComm控件开发快速简单,同时满足串口缓冲区大小可设,然而也有不足之处:(1)使用前需要在系统中注册;(2)一般只能在对话框中使用,但并不影响实际应用。

2.3 数据接收与存储

2.3.1 环形缓冲区技术

队列在顺序存储方面非常有用。数据对象在队列的一端插入,另一端移除。而且当两个线程同时访问队列,如果一个线程只负责数据存入,另一个线程是负责操作数据读取时,不会出现多线程的资源争用问题,所以不必使用“加锁”和“解锁”操作,从而提高了程序的运行效率。

在顺序队列中,头指针front始终指向队列头元素,而尾指针rear始终指向队列尾元素的下一个位置,随着进队、出队操作的进行,有可能会出现rear指针已到达队列存储空间的终点,而队列的实际可用空间并未占满现象。为了避免这种现象的发生,一个巧妙的办法是将顺序队列臆造为一个环状空间,称之为环形队列[4],如图3所示。在环形队列中,入队时尾指针向前追赶头指针,出队时头指针向前追赶尾指针,因此,只需通过条件front!=rear来判别队列中数据是否被取完。当数据处理线程检测到front!=rear时,说明队列中已经存入接收到的数据,就开始取出队列中的数据进行相关处理,反之一直处于循环等待状态,保证了数据处理的实时性。因此,采用环形队列作为缓冲区存储串口接收到的数据是一种高效可行的方案。相关关键代码如下:

2.4 数据分析与处理

2.4.1 多线程技术

多线程原理:线程是进程内一个相对独立的、可调度的执行单元,当操作系统为每个独立线程安排一些CPU时间,操作系统以轮换方式向线程提供时间片,使多个线程“并行”地运行在同一进程中,这样可以实现“并行”处理任务,避免了某项任务长时间占用CPU时间[5,6]。

在高速串口通信中,数据传输速率高,数据量大,如果数据采集接收和数据分析处理在同一线程中进行,极易出现部分数据帧丢失或数据帧的部分数据丢失现象,为了避免此类现象发生,开辟新的数据处理线程,使数据接收和数据处理分别在不同线程中进行,避免CPU被数据处理长时间占用,大大提高了CPU的利用率,最终可完全实现高速串口通信中的数据接收和处理。其中数据接收线程只负责把采集到的数据写入环形队列缓冲区中,而数据处理线程负责从环形队列缓冲区中取出数据并对其进行相关处理(解析、显示、保存等)。相关关键代码如下:

3 实验结果

(横轴:测试速率(帧/s),纵轴:丢帧率)

(横轴:测试速率(帧/s),纵轴:CPU使用率)

在同一实验室环境下和同一台带有windows7操作系统和配备MOXA多串口卡的工控机上,利用Visual C++6.0进行高速串口通信软件开发,其中数据处理部分分别采用图1和图2两种方案,其它部分实现方法完全相同,并关闭其它与测试无关的运行软件,先后通过对某惯性测量组件系统进行测试对比,其测试结果如图4和5所示。其中串口波特率为921600,一帧共56个字节,每次测试共发送160000帧。测试结果表明,方案1丢帧率和CPU使用率均随着测试速率的增加而快速大幅增大,同时,当测试速率达到较高时,不但丢帧率很高,而且由于CPU资源被占用过多会照成系统假死机;方案2随着测试速率的增加其丢帧率依然为0,CPU使用率仅有小幅增加,系统运行依然流畅。其中丢帧率(η)是指实际发送数据帧数量(N)与接收到的实际有效数据帧数量(n)之差与实际发送数据帧数量的百分比,即。此外,由于数据组帧时采用了CRC校验和帧编码技术,数据处理过程中数据检错能力得到极大提高,同时可快速分析处理结果数据的完整性和有效性。

4 结束语

本文结合实际研发项目中高速串口通信数据丢失的问题进行分析和研究,提出一种高效可靠的处理方法,该方法充分利用CRC校验技术、帧编码技术、多线程技术和环形缓冲区技术,解决了数据丢失现象,并使数据完整性分析更加高效快速,同时也使软件的执行效率和系统资源的利用率得到了明显提高,完全实现高速串口通信中数据的高效可靠处理,其具有较高的实际应用价值。

参考文献

[1]苏岳龙,李贻斌,宋锐.基于VC++6.0的高速串口通信数据采集系统[J].微计算机信息,2005,21(5):147-148.

[2]王鹏.基于CAN总线的CRC校验码的原理与实现[J].赤峰学院学报,2014,32(2):48-49.

[3]杨颂,邱云超,费敏锐.Windows环境下实现串行通信的3种常用方法及比较[J].自动化与仪表,2000,15(4):1-4.

[4]姚章俊,陈蜀宇,卢尧.一种高性能环形缓冲区的研究与实现[J].计算机工程,2012,38(8):228-230.

[5]杨红军,王金英.基于VC++的多线程通信程序设计[J].电脑知识与技术,2008,4(2):413-415.

高速数据光纤通信 篇7

自交通运输部发布2012年国庆节假日起小客车免收高速通行费的通知以来, 浙江省所有收费公路实施在重大节假日免收小型客车通行费, 与此同时, 也出现了高速道路节点长时间、大面积拥堵的现象。浙江省交通运输厅利用联通通讯网络 (手机) 的交通信息采集系统对交通流量大、出现严重拥堵的高速公路通行状况进行车辆通行状况数据采集, 并进行通行状况分析, 实现进一步加强交通部门的管理能力, 提前做好车辆分流方案, 实现路网流量均衡通行。

该系统输出的道路交通状态的准确性对于高速公路通行状况分析至关重要, 因此, 评测高速公路交通状态数据质量也是浙江省高速公路客流管理的重要环节。在评测过程中, 采集相应道路交通状态较为可靠的基准数据, 通过与系统输出的交通状态结果进行对比误差分析, 验证并评价系统发布结果的准确性。

2 高速公路交通状态评估方法

2.1 基准值获取方法

基准值获取方法通常有录像视频观察、跟车观察以及浮动车记录测试等。

录像视频观察:人员通过测试视频摄录的视频图像, 观察经过的每条路段的机动车行驶情况, 记录人工判断状态。

跟车观察:人员跟随测试浮动车在道路上观察经过的每条路段, 记录人工判断状态及经过路口的时间。

浮动车记录测试:通过GPS记录仪记录测试路段的轨迹及时间, 然后通过GIS进行计算速度, 加上人工跟车观察确定高速路交通状态。

2.2 评估数据获取

用于测试评估的数据为交通状态结果, 交通状态结果主要是指采集系统发布输出道路交通状态以及人工通过实际观察获取的交通状态描述, 包括: (1) 采集系统发布的交通状态结果 (堵塞、拥挤、一般、通畅、非常通畅) 。 (2) 通过GIS计算发布段的行程时间并转换成高速公路交通状态结果 (通畅、一般、拥堵) 。 (3) 人工观察实际交通状态结果 (通畅、一般、拥堵) 。

2.3 基于抽样测试的状态精度确定方法

测试道路的抽样测试考虑采用分层抽样与随机抽样的方法。对于如何确定抽样的道路测试次数 (即样本的数量) , 以及基于一定抽样测试次数后如何计算得到状态精度, 则采用数理统计中的产品抽样检测问题来解决。

结合路段交通状态精度测试, 所有发布段路段的交通状态组成一个总体, 一次抽样即是随机的测试一条发布段在一个发布周期下的实际交通状态是否与实测交通状态一致, 若状态一致, 则记为一次合格;若不一致, 则记为一次不合格。最终, 通过反复的抽样测试, 来估计总体发布路段交通状态一致的比例, 即交通状态精度, 同时估计出基于若干次抽样测试后, 得到的状态精度在95%置信度情况下的状态精度置信区间。

从总体X中抽取了一个样本 (x1, …, xn) , 其中

对于该总体X:

交通状态一致的比例 (交通状态精度) p的极大似然估计量为;总体方差的极大似然估计量为 (1-) ;

p的双侧置信区间为, 其中n为抽样次数 (即样本量) , 为置信度下的正态分布分位数, 通常取, 即双侧置信度为95%。

3 评估指标

对于高速公路交通状态的质量评估, 主要从以下4项指标进行分析:

3.1 一致性指标

各调查发布段人工判别与算法判别一致的次数占总判别次数的比例;

3.2 分状态一致性

各调查发布段不同状态下人工判别与算法判别一致的次数占该状态判别次数的比例;

3.3 严重误判率

对于人工判别为畅通、算法判别为阻塞, 或人工判别为阻塞、算法判别为畅通的次数占总判别次数的比例;

3.4 不同时间段或者不同空间评估

不同特征时间段包括早高峰、平峰和晚高峰, 不同空间范围包括杭州绕城高速和杭金衢高速公路进行精度评估。

4 测试评估结果

4.1 测试范围

本次质量评估的范围为杭州绕城高速公路、杭金衢高速公路。通过视频测试和浮动车测试进行为期两天的人工观察和测算。

视频测试是人员通过布设在高速公路部分路段的摄像头, 远程观测相应路段的车辆情况, 记录判断的状态。视频测试高速公路发布段共43个, 共进行测试3次, 有效样本量共计265个。

浮动车测试, 通过安装的GPS记录仪记录测试路段的轨迹及时间进行分析评估, 共测试发布段346个, 2辆车各测试1遍, 有效样本量692个。

4.2 结果分析

通过上述测试及后期视频读取判断状态, 并对测试数据、系统发布的发布段的交通状态数据进行分析、挖潜, 结果如下:

4.2.1 总体测试情况

交通状态准确度变化趋势如下图所示:

4.2.2 各条高速公路测试结果表

高速公路准确度对比图如下:

4.2.3 按时段测试结果表

不同时段准确度对比图如下所示:

4.2.4 按交通状态检出率测试结果

不同交通状态下的准确度对比图如下所示:

4.2.5 测试结果总体汇总

5 结论

通过视频测试和浮动车测试两种方法, 共测试了957个路段样本, 其中符合交通状态的个数为881个, 交通状态准确率达到92.06%;交通状态严重错误的个数为5, 严重错误率为0.52%。另外, 杭州绕城高速平均准确率为91.40%, 杭金衢高速平均准确率为93.02%。早高峰的交通状态准确率为91.28%, 平峰的交通状态准确率为92.98%, 晚高峰的交通状态准确率为91.75%。早高峰、晚高峰及平峰的准确率相差不大。“通畅”的交通状态准确率为94.34%, “一般”的交通状态准确率为80.30%, “拥堵”的交通状态准确率为87.23%。“通畅”的准确率最高, “一般”的准确率最低。

总体上, 联通通讯网络 (手机) 的交通信息采集系统的对于高速公路的交通状态检测达到较好的精度水平, 具备后期全面建成覆盖浙江省所有高速路网的基于手机数据的道路交通信息采集系统的技术基础, 拓展浙江省交通信息化覆盖范围, 不断满足政府对于宏观交通规划、决策、控制、管理的需求和公众用户对于实际出行的交通应用需求。

摘要：针对高速道路节点长时间、大面积拥堵现象, 论述了浙江省交通厅利用联通通讯网络 (手机) 的交通信息采集系统进行车辆通行状况数据采集, 并通过视频测试和浮动车测试两种方法对高速公路交通状态数据质量进行评测, 评测过程中采集相应道路交通状态较为可靠的基准数据, 通过与系统输出的交通状态结果进行对比误差分析, 验证并评价系统发布结果的准确性。评测结果表明联通通讯网络 (手机) 的交通信息采集系统的对于高速公路的交通状态检测达到较好的精度水平, 具备后期全面建成覆盖浙江省所有高速路网的基于手机数据的道路交通信息采集系统的技术基础, 拓展浙江省交通信息化覆盖范围, 不断满足政府对于宏观交通规划、决策、控制、管理的需求和公众用户对于实际出行的交通应用需求。

关键词：大数据,移动通信基站,手机信令,交通状态,高速公路

参考文献

[1]吕梦蛟.基于移动通信基站大数据的高速公路交通状态采集研究与应用[J].公路, 2016 (08)

[2]刘杰, 胡显标, 傅丹丹, 陈明威.基于无线通信网络的人员出行信息分析系统设计与应用[J].公路交通科技, 2009, S1:151-154.

[3]Cheng, P., Qiu, Z., Ran, B., Traffic Estimation Based on Particle Filtering with Stochastic State Reconstruction Using Mobile Network Data.The 85th Transportation Research Board Annual Meeting, 2006.

[4]Zhijun (Tony) Qiu, Cheng, p., Bin Ran.Issues of Using Cell phone Probes to Estimate Traffic in the Developing Country.11th World Conference on Transportation Research.

高速光纤通信系统的传输特性 篇8

高速光纤通信系统的建立离不开各种关键技术的使用。现阶段, 高速光纤通信系统所使用的主要技术有光纤技术、调制技术、色散管理技术、放大技术与光源等。这些技术共同支撑着高速光纤通信系统的正常运行, 从而为网络用户提供良好的网络体验服务。

应用于光纤通信中的调制技术有外调制与直接调制两种形式。对于激光器光源的调制, 多采用直接调制, 这是由于受光纤色散作用而使系统中继距离受限;对于单模光纤, 多采用外调制, 以达到较远的传输距离。因而, 外调制适用于单个波长且传输速率高于10Gb/s的传输系统[1]。

目前, 较为成熟的光纤技术有G655、G654、G656 等。G654 光纤属于截止波长位移光纤, 适用于海底光纤通信;G655 光纤属于非零色散位移光纤, 色散值范围大, 具有在1550nm处产生微量色散特点;G656 光纤面向的是40Gb/s光纤传输系统, 它能够改变色散斜率特性, 较之其他光纤, 在高速光纤通信系统中更为适用。

放大技术在光纤通信系统中的应用不仅较好地解决了色散与损耗两个关键问题, 而且极大地推动了高速光纤通信系统的发展。现阶段, 放大技术可以说无处不在, 无论是实验系统、办公系统, 还是商用系统, 均使用了光放大器。应用于光纤通信系统中的光放大器主要有半导体光纤放大器、非线性光纤放大器和掺稀土离子放大器三种类型。为提高高速光纤通信传输系统的传输质量, 对于光放大器的选择应保证具有足够高的输出功率和带宽[2]。

2 不同码型的光谱分析

非归零码是由马赫泽德调制器对激光二极管连续光进行调制所产生的, 具有脉冲宽、输出光谱紧凑的特点。归零码是由两个马赫泽德调制器调制而成, 第二个调制器通过对第一个调制器输出的非归零光信号进行调制, 从而输出归零光信号。归零码具有无相位变化、有线状谱特点[3]。载波抑制归零码也是由两个调制器所产生, 但第二个调制器调制信号与归零码完全不同, 所用频率为20Gb/s, 是正常信道传输速率的一半。这种码型具有改变一个周期发生一个相位差变化, 光谱无线状谱特点。

3 40Gb/s光纤传输系统传输特性实验

3.1 系统构成简介

40Gb/s光纤传输系统主要由调制器 (DPSK) 、电码型产生器 (BPG) 、光源、接收机、频率时钟源、误码分析仪 (EA) 等器件组成。其中, 调制器、误码分析仪与电码型产生器是整个系统需要进行参数设置的三个部分。调制器作为40Gb/s光纤传输系统的主要器件, 负责生成各种码型, 参数主要包括数据增益、脉冲放大、数据与脉冲偏压等。误码分析仪主要负责对误码进行测量, 即对最后输出的结果进行检验, 判断是否存在误码, 其需要设置的参数包括伪随机序列级数、极性等。需要特别注意的是, 误码分析仪参数必须与电码型产生器参数相互对应, 否则系统将无法正常工作[4]。电码型产生器参数包括伪随机码级数, 输入有内部时钟与外部时钟, 用户可以进行自定义编码。

3.2 背靠背实验

40Gb/s系统伪随机码采用23 级, 光源采用1560nm光源, 误码测量时间为100s。考虑到正常情况下设备输出信号功率过小, 因而需要对其进行放大处理, 并改变设备接收功率。这种实验方法即为背靠背实验法。它是一种用来测量高速光纤通信系统各种码型灵敏度的常用方法。

首先, 使用马赫调制器对激光器产生的连续光进行调制, 依次输出非归零光信号 (如图1 所示) 、归零光信号 (如图2 所示) 和载波抑制归零光信号 (如图3 所示) 。

从非归零码光谱图中可以看出, 非归零光谱非常紧凑, 且脉冲信号是三种码型中最宽的一种。归零码的产生是对第一个输出的非归零信号执行二次调制所形成的, 频率为40GHz正弦波, 从其光谱中可以看出, 载波左右两边出现了间隔为40GHz的线状谱, 且无相位变化。载波抑制归零码的产生也需要使用两个调制器来完成, 但第二个调制器的偏置电压、输入时钟与归零码不同, 其时钟频率为信号的二分之一, 即20GHz。通过这种调制方式得到的光信号为无线状谱的归零码, 因而被称为载波抑制归零码。从载波抑制归零码光谱中可以看出, 其载波受到了抑制, 较之归零码光谱较窄。

4 结语

通过对40Gb/s光纤传输系统非归零码、归零码与载波抑制归零码三种码型的光谱实验分析可知, 后两种码型适用于高速光纤传输系统信号传输需求, 即使用这两种码型有利于系统传输质量与传输效率的提高。对于高速光纤传输系统传输特性的研究, 未来我国应加大在实验方面的研究力度, 以为高质量光纤传输系统的形成提供重要的理论依据。

参考文献

[1]Demissie Jobir Gelmecha.高速光纤通信在非线性色散影响下的传输特性[D].武汉:华中师范大学, 2011.

高速数据光纤通信 篇9

(1) 光复用技术的运用。普通光纤通信系统的调制技术很难满足, 光复用技术在建设高速光纤通信系统中研究发展起来, 例如WDM技术、OFDM技术和OTDM技术等, 其中OFDM调制技术因为其在频谱效率、运算效率、设计的灵活程度上以及信道和相位估计的容易度上特有的优势, 而迅速被科研人员开发出来。

(2) OFDM技术的潜力巨大。光正交频分复用光纤通信系统采用了高效的FFT (傅里叶变化) 算法、利用子载波和子带信号进行调制、利用训练子载波或训练符号来进行相位和信道估计, 因此技术有系列的独特优点, 目前OFDM技术虽然是热点领域但是还没有完全体现出其巨大优势, 需要科研人员进一步研发努力。

二、OFDM光纤通信系统基本原理

(1) 光纤通信系统基本原理。光纤通信系统一般指的是以光纤为传播途径, 光信号作为数据载体的信息通信系统。与一般的通信系统一样主要由信号发射端、数据传输信道以及信号接收端三部分组成。光纤通信系统一般有传输数据量大、传输距离远、信号损耗小且才建设成本相对低等优点。但也有拉抗强度低、光纤连接技术和设备要求高、怕水并且分路和耦合不太方便等缺点。但是仍然比以前的电信号通信系统亚有质的优势。一般的判断光纤通信系统性能主要有三个指标“误码性能、抖动性能和漂移性能, 只有平衡考虑三大主要指标才能设计出性能完备的光纤通信系统。

(2) OFDM通信系统原理。基本原理和通信系统原理基本相同, 但是OFDM系统提升了数据传输质量。OFDM技术在这一过程中利用了数字信号处理技术, 通过将需要发送的单信道高速信号数据转换成多径传输的低速信号, 并调制为一组正交子载波, 然后进行数据传输, 该调制技术可以有效降低无线信道数据传输的损耗, 且提高了全网通信系统的频谱利用率。例如, 数据信号d经过串行并换以后化为不同的d1到dn多径传输低速信号流, 随后低速信号流经过专门处理的子载波信道进行传输, 信号再次逆多径并串转换重新恢复为D数据信号流。信号数据在处理过程中会用到类似数字信号的IDFT变换的FFT变换 (快速离散傅里叶变换) 。, S (t) 为模拟信号, N为抽样的分路信号, t为时间间隔。

在经过转换后的信号数据D只与原来的d信号数据相差一个常数因子倍数, 因此在OFDM系统可以向将数据进行编码, 利用数字调制将数据进行串并转换为多径信号, 经过IFFT转换后加CP完成数模转换, 信号在模数转换后去CP和FFT转换, 通过逆多径信号传输, 经过数字解调完成解码, 最终实现数据传输。

(3) 制约OFDM光纤通信系统的发展因素。第一, 电信号处理器元件的制约, 在电信号处理上因为电子迁移有迁移速率限制, 因此电信号处理元器件理论上达不到光信号传输要求的处理速率。因此涉及到数模转换环节时, 电信号处理的限制会制约OFDM系统的实现。第二, 数字信号处理的制约。在IFFT—FFT并串相互转换运算相对复杂, 要求有相应的FPGA硬件资源的配置, 尤其是D/A转换器和接口处理器的配置要求较高。如果要达到数字信号的高速处理需求, 必须采用流水线的并行处理方案, 因此整个转换运算必须集中在同一块FPGA芯片上, 然而目前的FPGA配置智能实现256点以内的IFFT运算。除此之外, FPGA的运算接口也有限制因素, 例如完成每秒传输10G比特的运算, 利用64子载波数据传输和16-QAM数据调制, 需要64点的IFFT到FFT的运算, 如果进一步将64路信号重复上述IFFT运算则会成倍扩大运算负担, 因此要想实现更高速的传输速率, FP-GA信号输出输入环节需要打破存在的运算限制。

三、结语

高速光纤OFDM通信系统因其频谱效率、运算效率、设计的灵活程度上以及信道和相位估计的容易度的优势而成为了未来的系统的希望, 也面临着更高的信号处理器元件和更完善的硬件资源的配置的限制, 笔者希望OFDM引领的光纤通信系统在科研人员的努力之中最终建构起来。

摘要：本文以高速光纤通信系统的OFDM通信系统 (光正交频分复用通信系统) 为研究对象, 通过总结OEDM系统的研究现状, 并对该通信系统的设计方案、仿真模型和设计及其实现过程中的各个环节的分析, 力图探索出相对完善的高速光正交频分复用通信系统实现方案, 推动我高速通信系统的研究和发展。

关键词：光纤通信,通信系统,光正交频分复用

参考文献

[1]曹鹏, 彭华, 董延坤, 王彬.一种基于循环前缀的OFDM盲检测及参数估计算法[J].信息工程大学学报.2010 (02)

[2]杨志, 余立建, 王振.基于循环前缀的OFDM同步算法分析及仿真[J].科技信息.2010 (05)