数字电子系统

数字电子系统（精选12篇）

数字电子系统 篇1

1 数字电子系统概述

数字电子系统指广泛应用在各个领域的数字电子电路,如数字计算机系统、数字控制系统、数字检测系统、数字通信系统等,而有些领域则综合了以上各个数字系统。

1.1 数字电路图的种类

数字电路图一般分为方框图、逻辑图、接线图。

(1)方框图是将一个电子系统分为若干个表示一定功能的部分,每个部分用一个方框来表示。(2)逻辑图是将电子系统中各基本单元或集成器件以逻辑符号的形式表示,在其旁边注明规格、型号、参数。(3)接线或安装图用若干实体表示,主要是在安装电子设备或检查线路故障时使用。

1.2 读数字电路图的方法[1]

读图的关键是善于对逻辑系统进行分析和综合。对于单元电路,大部分使用者都比较熟悉,但是对于复杂的整机电路,往往不知所措,可参考以下步骤进行读图:(1)明确整机的用途和性能指标。(2)画出系统方框图。(3)对每个单元详加分析。(4)分析系统从输入到输出的完整工作过程。

2 数字电子系统的应用实例

2.1 数字测速装置

数字测速装置主要是为测量炮弹发射初速而设计的一个数字电子系统,其原理框图如图1所示。

2.1.1 测速原理分析

测量炮弹速度的设计思想是:v=L/t,设炮弹飞行距离L一定,测出飞行L所需时间t,便可算出v。采用计数器计下通过计数门的脉冲数,通过计算即可得到时间t。

测量直线速度时,标频信号源产生频率为100 kHz的脉冲信号送到计数控制门。当炮弹飞越J、K这2个光电转换器上空时,2个光电转换器分别产生J和K脉冲信号,先后触发主控双稳电路。主控双稳电路输出端送出一个门控信号,送至计数控制门另一输入端,从而使计数控制门打开,允许标频信号进入计数器进行计数。同时门控信号送入控制单元,计数器计满一个门控信号时间后,控制单元立即输出一个锁存脉冲LE给寄存器,允许计数器的累计数一次寄存并译码显示出来,显示数就是炮弹飞行L距离所需的时间t,经换算,便得速度v=L/t。

2.1.2 控制电路分析

以一个控制电路为实例,如图2所示,图(a)为原理框图,图(b)为其工作波形图。当炮弹飞过第一个光电转换器时,门控双稳翻转,Q1=1,主门开启,测量期开始,计数器计数;当炮弹飞过第二个光电转换器时,门控双稳翻回,Q1=0,主门关闭,测量期结束,计数器停止计数。Q1的下降沿使得闭锁双稳的输出Q2由“1”翻转为“0”;Q2的下降沿使得寄存单稳产生寄存信号,刷新寄存器内容,显示器开始显示新的测量结果。同时Q2的下降沿加至门控双稳R端,为门控双稳提供闭锁信号,使得Q1为“0”从而在显示过程中关闭主门。Q2下降沿还导致显示单稳产生控制显示时间的延时信号,从而在延时结束时产生复零脉冲R,使计数复零。为保证可靠复零,在复零信号结束时不可立即开始新的测量,而应由闭锁单稳提供一个短暂的辅助闭锁信号,并将该信号加至闭锁双稳端,使得Q2=1,待其他闭锁信号都撤除后,门控双稳闭锁信号才能被撤除,此时电路准备进行下一次测量。

2.2 冲床程控装置[2]

冲床的工作过程分为“送料定位”和“冲制”2个步骤。由于冲头上下往复是周期性的,因此“冲制”这一过程不需要控制,而“送料定位”可利用冲头上升瞬间作为信号,由冲床数控装置给步进电机发出脉冲信号,并由步进电机带动料带移动规定的距离,然后停止,等待冲头冲下。冲床程控装置原理框图如图3所示。

系统的控制过程:当冲头开始上升时,由启停电路打开控制门G,脉冲发生器产生的脉冲信号通过控制门进入脉冲控制器和计数器。脉冲控制器接到触发脉冲后即控制步进电机转动并带动料带移动。此时,计数器开始计数,数据经译码器译码后送至一致电路,并与拨码盘的预置数进行比较,当二者相等时,一致电路发出信号并通过启停电路来关闭控制门,同时将计数器清零。控制门关闭后,脉冲控制器因接收不到触发脉冲而导致步进电机停止转动,此时送料带也停止移动,等待冲头再次冲下。显然,送料带移动距离由拨码盘控制。

2.3 数字电子钟

与传统机械钟相比,数字电子钟具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点,因而得到了广泛的应用。一台能显示日、时、分、秒的数字电子钟,应有如下功能:(1)显示秒、分、时、日;(2)能分别进行秒、分、时、日手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正;(3)整点报时:整点前鸣叫5次低音(500 Hz),整点时再鸣叫一次高音(1 000 Hz)。数字电子钟的电路组成框图如图4所示。

3 结语

随着电子技术的发展,在实际生活中,数字电子系统已经广泛应用于各个领域。在未来的发展中,我们要充分利用数字电子系统的优点,在科技和日常生活中不断推广和应用。

摘要：对数字电子系统进行了简要概述,并对其在数字测速装置、冲床程控装置、数字电子钟中的应用进行了详细分析。

关键词：数字电子系统,框图,应用

参考文献

[1]张明金.电工与电子技术[M].北京:北京师范大学出版社,2005

[2]郁汉琪.机床电气控制技术[M].北京:高等教育出版社,2010

数字电子系统 篇2

设计说明书

数字电子时钟

起止日期：

2016 年

11月23日 至

2016年 11月 27 日

学生姓名

班级 学号

成绩

指导教师(签字)

交通工程学院（部）2016年

11月

29日

数字电子钟

设计一个数字电子钟，具体要求：

1、以24小时为一个计数周期；具有“时”、“分”、“秒”数字数码管显示电路；

2、具有校时功能；

3、整点前10秒，数字钟会自动报时，以示提醒；

4、设计+5V直流电源。（设计220V输入，+5V输出）

5、启动电路。

6、用PROTEUS画出电路原理图仿真成功再用数字电子技术实验箱验证。；

设计步骤及内容：

一、首先对本次设计所需要用到的器件的引脚及功能进行详细的了解 1、555定时器

“1”脚为公共接地端GND；“8”脚为正电源电压VCC；“2”脚是触发端；“4”脚为复位输出端； “7”脚为放电端；“6”脚位阈值端；“5”脚为控制电压输入端；“3”脚是输出端。2、74LS163

CEP、CET：计数使能输入端，高电平有效；CLK：时钟脉冲，上升沿触发；

MR：清零端，低电平有效；LOAD：并行置数使能端，低电平有效；RCO：进位信号输出端； D[0:3]:并行二进制数据输入端；Q[3:0]：计数状态输出端。

二、实验步骤

1、连接555定时器，产生1Hz方波。

首先将555定时器按照如图所示的接法连接起来，并根据555定时器电容充放电时间的计算确定各元件的取值。

电容充电时间T=0.7(R1+R2)C1 为使555定时器输入1Hz的方波，经计算各元件的取值为 R1=43K，R2=51K，C1=10u F，C2=0.01u F。3脚作为时钟脉冲的输出连接到各个计数器的CLK。

2、时钟电路的连接

本次设计使用的是74LS163芯片，因为它是16进制计数器，所以需要在控制端加上适当的门电路使其构成十进制计数器，将计数器按照如图所示的方式连接起来。

a、秒各位

将输出端的Q3、Q1用与门（74LS08）连接起来并输入到清零端MR，其目的是为了构成十进制，当计数器计数到9时，与门U1打开，经过非门U1A输出低电平使得MR在下一个脉冲上升沿时清零。

b、秒十位

与秒各位不同的是，秒十位的使能端是由各位Q3、Q1相与的电平控制的，秒十位的进位的条件是当各位为9时，在下一个脉冲的上升沿来临时进位。秒十位的清零需要等到个位为9且十位为5时，U2与U3经过U4输出高电平再经过U3A输出低电平，是的MR在下一个脉冲上升沿是清零。

c、分个位

分各位的构成原理与秒个位相似，不同的是控制端上的门电路换成了与非门U4(为了使之后方便连接门电路)，分个位的使能信号由U3输入，清零条件为分个位为9，秒为59时清零，清零信号由U5A输出的低电平提供。

d、分十位

分十位的构成原理与秒十位相似，使能信号由U4输出的高电平提供，清零条件为分为59，秒为59，清零信号由U7A输出的低电平提供。

e、时

时个位的使能信号由U7提供，时十位的使能信号由U9提供。时个位有两个清零信号，一个是当它自身为9时，等到下一个时钟脉冲的上升沿时清零，另一个是当十位为2，个位为3时，十位和个位同时清零。用与非门U12将个位Q2和十位Q1相连，再将两个清零信号相与，实现清零工作。

完整的时钟电路如下图所示

3、校准电路

校准电路连线图如图所示，当开关打在右边时，U14B关闭不工作，U14C送出一个高电平信 6

号，等到秒对分的进位信号来临时和进位信号通过U15A送出一个低电平，使得U15B打开，又因为U15B接入了分个位的使能端，所以相当于开关打在右边时校准电路成为分个位的使能信号进位信号；开关打在左边时，U14C关闭不工作，U14B送出一个高电平信号，然后与秒脉冲信号通过U14D送出一个低电平接入分个位的使能端，所以相当于开关打在左边时，分个位接收了一个秒脉冲信号，使得它能像秒钟一样计时并且能向十位进位，就相当于校准功能，当分钟跳到你想要的时间时把开关打到右边（此时时钟电路照常工作）从你调整好的时间继续计数，达到校准的目的。（时的校准电路与分的校准电路一样）

但是直接把校准电路这样连入时钟电路会出现一些问题，就是在校准的时候分会出现16进制，所以就需要在电路中加入反馈，将它控制到10进制，具体的反馈连接方式如图所示(不能接在MR端，不然会使电路出现问题)时钟电路与校准电路如图所示 将开关打到左边进行校准:

完成之后将开关打到右边继续计数：

4、报时电路

报时电路使用的是74HC30芯片，它是一个8输入与非门芯片，只有当所有输入都为1时输出为0，使得喇叭能够正常工作（喇叭一端接高电平一端接低电平），因为是整点报时，所以秒个位就不用接入芯片，只需在多余的两个引脚接入电源就可以实现在59分50秒到59秒的报时，具体接法如下图所示

整个可校准可报时的数字电路如图所示

三、心得体会

本次数字电子课程设计是我觉得收获非常大的一次实习，而这次课程设计给我们提供了一个应用自己所学知识来设计作品的平台。

在本次课程设计中，我更加熟悉Proteus软件的操作了，同时对74LS163、74LS161、74HC30、555等芯片加深了了解，和对它们的使用，对于数字、模拟电路的综合运用有了更深一步理解，为以后的电路分析和设计奠定了一定的基础。

本次课程设计很遗憾没能选择最有挑战性的课题来做，因为基础知识不够扎实，做数字电子时钟也是费了很大劲。

这次设计我主要觉得有两个难点：

一、从一开始没选择十进制计数器来做，所以使设计的电路看起来很复杂，并且进位需要考虑的很周全，越高位必要条件越多，所以用了许多门电路；

二、校准电路直接连入电路会产生十六进制，所以需要加反馈，在最开始不太理解反馈的意思，又去翻了数电书还问了老师很多次，接了很多遍才将反馈接出来。

数字电子系统 篇3

富士通微电子（上海）有限公司宣布推出一款新型图形控制器片上系统（SoC），用于汽车信息娱乐系统，如：下一代汽车导航和数字仪表板。该款新型控制器 MB86298，不仅为嵌入式系统提供目前级别最高的图形处理能力，还是业内首款能够把视频输出到4个显示器并能处理4个视频输入的芯片。

MB86298有很强的输入输出能力，它在处理4个输入视频流的同时还把视频输出到4个显示器。该芯片可对输入的视频进行调整合成，并在单一屏幕上显示3D图形的各面。在汽车的前后左右四面安装上4部相机，用户就可能自由选择所需的显示视角和形式。该控制器还具有行业领先的处理能力，可以显示8层和inter-layer混合（*1）。控制器对每个信息流进行单独处理，用户因而可以有选择性显示信息屏；控制器同时还能够平稳地合成信息流并显示视频。

新型MB86298控制器在单一芯片上集成了下一代车载信息娱乐系统的必备功能，其所具有的高速视频和图像处理实现了业界首款能够同时处理4个视频输入并把视频输出到4个显示器的控制器。如先前所示，该款控制器不仅实现了同时向驾驶员提供导航图像和在乘客座椅播放TV和视频，而且能够处理显示3D图形的组合仪表（包括仪表针）。此外，该控制器还能处理汽车上前后左右4部相机的输入视频，并对视频进行实时综合处理。针对汽车导航的3D绘图，该控制器能在显示器上输出1600 × 600的高像素，可以带来路况及周围建筑和景色等丰富的图像信息。

数字电视电子节目指南系统 篇4

电子节目指南是在符合MPEG-2的TS传输流中插入DVB标准定义的SI信息，使得机顶盒可以从TS流中提取出节目播出列表和播出参数，以直观的形式显示给观众。

电子节目指南是机顶盒界面以及各业务功能的导航菜单，通过电视屏幕向用户提供由文字、图形和图像组成的人机交互界面，负责电视节目和各种增值业务的导航。

电子节目指南系统如图1所示。

在图1中，EPG系统由EPG编辑器、EPG数据库服务器、EPG播发服务器三部分组成，其实现功能如下：

(1) EPG编辑器的功能

对SI/PSI信息所需要的数据进行录入、编辑、并将其发送到EPG数据库服务器上。主要内容是各套节目的每天的播出节目单。

(2) EPG数据库服务器的功能

对SI信息所需要的数据进行分组处理，并形成各个SI/PSI表格，按照不同的时间间隔循环把各个SI/PSI表格发送到EPG播发服务器上。

(3) EPG播发服务器的功能

把SI/PSI表格进行数据封装成TS流，并以ASI输出，与其它节目流复合。

2 电子节目指南（EPG）主要功能要求

客户通过电子节目指南，能够了解到节目的相关信息（包括节目名称、播放时间、内容梗概等），使用户能够方便快捷地找到自己关心的节目，查看节目的附加信息，并且实现对节目的快速检索和访问，其主要功能要求有：

(1）可提供给用户所有节目的当前节目菜单及在一段时间内播出的节目菜单并能实现从较少频道、较少功能到较多频道、较多功能的平滑升级。

(2）提供合理的节目多级分类，具有家长分级控制功能，可对节目内容进行分级控制。

(3）提供节目附加信息，如节目情节介绍、导演、主要演员信息，如为点播类节目还包含点播收费信息等。

(4）与机顶盒应有丰富的分类适用功能，除支持电视节目外还应能支持音频电台、NVOD、数据广播等的使用，具有灵活使用、方便查找、支持习惯、快速反应、界面新颖的特点。支持紧急情况下向用户发布有关信息的功能。一旦有新标准出台应免费更新、升级。

(5）对所有频道能够设置节目编号的描述符，供用户终端按编号对节目进行排序、增删。

3 电子节目指南（EPG）技术要求

EPG系统应属于播控系统的一个子项，服务产生的动态静态SI，支持在所有频道提供的Actual/Other表项，支持Current/Next描述，支持Present/Following/Schedule描述，可以完整地描述出所有频道上当前、未来安排的所有业务信息并能和其它SI信息表格统一调度，统一播发。

EPG发生器要求具有灵活的SI信息的发送机制，可根据具体情况的不同将EPG信息分散在各个物理频道上各自发送，可以将EPG信息集中在一个基本频道上进行发送，也可以采取集中与分散发送有机结合的方式来实现。还应实现在干线节目的接入、卫星节目接入等不同接入方式下，SI信息的导入、管理和过滤替换。

在编辑和处理信息表单方面，EPG系统要求能够具有完善的数据存储能力，支持灵活多样的导入导出方式。还具有搜索功能，用户输入关键字可快速查到和访问目标节目。用户可在主菜单中选择系统的参数，自动保存所选择的配置。

在信息更新方面，要求EPG不能影响系统的其他功能的正常运行，系统应为各传输流制作PSI/SI信息，实现完善的配置管理，即EPG可以指定每一个信息表的发送速率，可以对每一个信息表、每一个传输流的信息进行单独配置和发送。

在支持后期系统的扩展方面，EPG系统要求实现EPG信息统一制作分区控制插入，针对部分特定节目只能在部分区域收视的情况进行控制。系统设计应当采用模块化结构，利于业务以及功能的扩展。还应具有独立性，在EPG系统出现问题或在EPG信息更新时不能影响其他系统功能正常运行。能良好支持后期业务的全面开展，如NVOD、广告插播、数据广播、电视购物等，并可向第三方系统集成商提供集成接口。

EPG系统还要求具有良好的集成性能。EPG系统应为开放的系统，无条件向CA系统、播控系统、用户管理系统、前端系统及机顶盒等相关系统提供具有符合DVB标准的开放的接口。系统不应采用私有的数据格式，若有应对表单结构和定义作详细说明。

4 电子节目指南（EPG）工作原理

SI-EPG系统是数字电视广播系统的一个重要组成部分，它除了生成电子节目指南（EPG）信息外，还可以配置生成丰富的标准SI信息。

SI-EPG播发服务器的主要功能有：SI数据库、Event数据库的管理，SI信息的配置，SI-EPG信息的发送控制与监测，通过ASI发送卡进行SI-EPG信息的发送。

EPG录入工作站的主要功能有：用于EPG信息（节目单）的录入，当需要多个工作人员同时录入时，可使用多个录入工作站。

整个系统由数据库和多个软件模块组成，系统原理如图2所示。

整个系统以数据库为中心分为2个部分：SI信息存储部分和EPG节目指南信息存储。这样做的一个主要原因是因为在实际应用中，SI信息和EIT信息具有不同的特点，SI信息一般除了在系统开通期间和系统升级扩展或改变之外很少使用，而EIT信息的编辑由于每天的节目变化甚至天天需要进行相应的信息整理，工作量比较大。为了防止误操作等原因造成数据错误，使数据结构更为清晰，我们将数据库的设计逻辑上分为两个独立的部分。通过设计将系统设定数据库为核心，软件模块之间均是通过数据库相互连接，以保证系统具有良好的扩展性。系统结构如图3所示。

5 电子节目指南（EPG）系统应用

一般复用器具有PSI/SI信息插入复用器的数据接口，同时也提供PSI/SI信息输入、设置的模块，能完成简单的机顶盒EPG功能。但相对而言，复用器生产厂家配备的EPG发生器的功能是简单的，所生成的SI信息表格也简单，不利于在机顶盒端完成多样功能的EPG导航菜单。同时，由于复用器生产商不可能把插入复用器的数据接口格式开放给业务集成商，无法把更多的SI信息通过复用器插入节目流中。

基本的EPG信息通过复用器PSI/SI信息插入接口，替换复用器自己产生的NIT/SDT/EIT/TDT等相关表格。

增强的EPG信息，由于SI信息表的数据结构、数据量较大，通过EPG播出服务器将EPG码流封装成TS码流，直接插入到一台复用器中，和其他TS流进行复用，占用一个频点进行EPG信息的播出。

系统中前端提供的SI/PSI表格的内容以及数据格式必须符合国家DVB标准的，在未选定中间件的情况下，机顶盒生产商是否使用这些数据去生成EPG以及生成什么模样的EPG导航菜单是机顶盒生产商的事情。

数字电子系统 篇5

实验报告

院系:信息科学与工程学院

姓名:

班级:

学号:

日期:

[实验名称] 八音电子琴

[实验要求] 1.能发出1.2.3.4.5.6.7.i八个音

2.用按键作为键盘

3.C调至B调对应频率如下表

音调 C(高音)B A G F E D C

频率(Hz)261.63x2 493.88 440.00 392.00 349.23 329.63 293.66 261.63 [实验电路设计] 1.命题分析

根据命题的要求,要使扬声器发音,需要在其输入信号端连接一个对应频率的方波信号.实验使用的信号源可以提供从几Hz到几兆Hz不等的信号频率,自然可以想到本实验命题的关键是一个具有相应分频比的分频器.考虑到硬件(按钮)在实际工作过程中会因元件的接触产生一些不可避免的抖动脉冲电平,会对实验造成影响,因此需要在按键接入线路中安装防抖动电路.2.设计过程

1>分频器

为了取得合适的电路复杂度和可接受的误差范围,分频器的时钟信号选取为器件所提供的JPCK—1(3MHz音频信号).然后通过计算,用时钟信号频率除以各发音频率,得到的分频比如下表:

分频比(16进

制)

5DEE 6384 6F84 7D62 8ADE 951C A760 BBDE

频率(Hz)高C:261.63x2 B:493.88 A:440.00 G:392.00 F:349.23 E:329.63 D:293.66 C:261.63 利用四片十六进制计数器74LS161就可以连接成适用的分频器.分频器连接完成后会产生一个预定频率的周期脉冲.但是实验要求的方波其占空比应该为1:1,因此在输出脉冲端加装一个T触发器,每次脉冲到达触发器的时候输出便会跳变电平,这就达到了驱动扬声器的条件.但是在应用了T触发器后输出方波的周期比预定的扩大了一倍,也就是说频率减至原来的二分之一.此时应重新选择时钟信号,令其为原来2倍即可.根据实验指导书,最终确定选择的时钟信号为6MHz.2>防抖动电路

利用D触发器的电压跟随特性可以用一个频率较低的时钟信号驱动,达到防止按键抖动的目的.电路较简单,见图3.图1.时钟分频电路(downway)

图2.CP为375K时上图的B4输出波形

由于设计的原因,本电路只能支持单音节输入.当同时键入两个以上的音阶时,分频比较小的(比较高的音阶)优先发声.图3.按键输入防抖动电路

3>电路组合

组合后的电路模块如图4.共有11个输入端和1个输出端.其中,CP_6M为整个电路的主频,使用电路板上的6MHz信号输出端;CP_1US为防抖动电路中触发器所使用的时钟,要求频率不高,选择电路板提供的CLK3-3(12Hz);KEYCa-B是电子琴的输入按键接口,依次是从低音到高音.Speaker是电路的输出端,接入扬声器,为其产生相应音阶的频率.实际电路如图4.连接完成后,对该电路进行仿真测试,如图5,令其CP_6M为6MHz,CP_1US为一个较低频率脉冲,设臵KEYB(音节B)为有效电平,在speaker上得到的输出频率为493,与实际音节的频率相同.图4.八音电子琴

图5.电子琴完成品的仿真波形

T触发器2分频电路

[硬件测试] [实习心得] 第一感觉,数字电子技术EDA实习很有意思.我们可以有充分的时间去思考怎么做出一个东西,这个东西的用处也许不大甚至几乎没有,但重要的是思考的过程:从它的用途总结出它的特性,从它的特性构思出它的原理,从原理到构建模型,再到模型的实现,利用已有的知识,可用的元件,最终组合出一个具有高度逻辑性的组合电路,这和我们小时候玩搭积木差不多.把积木一块块的搭成一座城堡,中间缺少任何一层甚至任何一块,城堡都可能会倒塌.同理,在我们构建命题所给的元器件时任何一个逻辑错误都可能是致命的,导致最后无法出现正确结果或者干脆不能用.因此,实习,有意思的同时还不能大意.这是一个锻炼逻辑思维和思维严谨性的极好的机会,我和我的同学们在这次工作中受益非浅.大家都积极思思考，查找资料，集思广益来解决现有的问题。在这个过程中我帮助了别人也得到了别人的帮助。

数字出版 不是一本电子书 篇6

用手机看报、通过互联网或电子阅读器看书、在驾车时“听小说”——过去人们读纸质书的习惯，在未来可能变成读手机、读网页、读电子阅读器，甚至听广播CD……这一切的改变预示着一个新行业——数字出版的兴起和一个新阅读时代的来临。

在信息化进程加快和新兴媒体的带动下，经过数年发展，“数字出版”已经颇具规模。据中国出版科学研究所《2010中国数字出版产业年度报告》数据，2009年中国数字出版产业的产值达799.4亿元，较2008年增长50.6%，4年以来年均增长率超过55%，并且在未来几年仍将保持高速增长的态势。

数字出版已经是扑面而来不可逆转的行业浪潮，但中国数字出版产业还面临很多问题，这些问题该如何解决，数字出版的路在何方？

被“窄”化了的数字出版

在讨论上述问题之前，首先要弄清楚一个问题，究竟什么是数字出版？

所谓数字出版，是一个包含了作者（内容生产者）、出版社（内容出版者）、数字内容加工平台（技术支持商）、阅读器（手持阅读设备提供商）、图书馆和网上书店（内容销售商）、读者（内容消费者）六个环节的完整产业链。

中国出版科学研究所数字出版研究室副主任张立说得好：“关于数字出版需要澄清一种观点，即它不是按照人们以往习惯的、按照出版物的形式来划分的，它是出版业未来的一种发展趋势。数字出版包括原创作品的数字化、编辑加工的数字化、印刷复制的数字化、发行销售的数字化和阅读消费的数字化，涉及出版的所有环节。”

但就目前一些公开资料以及媒体报道来看，不少人对“数字出版”这个概念的理解存在偏差。有些人一提到“数字出版”，总是习惯性地将数字出版等同于电子书。

在《2010中国数字出版产业年度报告》中，公布了这样一组数据：2009年数字出版产业的产值中，数字期刊收入6亿元，电子书收入14亿元，数字报（网络版）收入3.1亿元，网络游戏收入达256.2亿元，网络广告达206.1亿元，手机出版（包括手机音乐、手机游戏、手机动漫、手机阅读）则达到314亿元。网络游戏、网络广告和手机出版成为数字出版产业名副其实的三巨头。

显而易见，电子书市场并非数字出版规模最大的一部分。但能让人误将电子书等同于数字出版，则是由于无论从市场规模还是出版商收益来衡量，国内电子图书市场都还处在起步阶段，各种问题层出不穷，也能从一个侧面反映出整个数字出版行业存在的问题。

难解的版权之争

虽然目前已有中国出版集团公司、重庆出版集团等传统出版商涉足数字出版，但大部分传统出版商，面对数字出版的汹涌之势，只能望洋兴叹，有心而无力。出版商之所以在电子书市场裹足不前，进也忧、止也忧，版权保护不利是其中最大的问题。

据某媒体消息，畅销小说《藏地密码》截至2010年9月初，被“数字出版”两年，收入却为零。无独有偶，就在两个月前，中华书局以汉王电纸书(国学版)产品中预装的《二十四史》和《清史稿》侵犯了中华书局点校史籍著作权为由提起诉讼。传统出版商们在呐喊，数字出版版权风波话题不断。

日本海外维权机构CODA的事务局长永野行雄表示：“即使在日本的传统版权盗版率已能控制在1%的良好环境下，在数字版权的保护上，日本和中国一样，是站在同一个起跑线上。”何况，国内版权保护环境有着先天缺陷，在传统版权的保护上也没有值得借鉴的经验。

继Google图书馆计划引起的轩然大波之后，2010年百度文库再次揭开数字出版的伤疤。即便有作家、传统出版商、中国文著协、盛大文学对百度文库愤然而起，怒指其盗版，但百度文库却在指责声中日益壮大。根据百度公布的数据（至2010年12月中旬），百度文库数量达到1300多万份，其中只有4万份为合作机构提供，其余均为用户免费上传。

一媒体人曾在酒后拍桌而呼：“如果所有的传统媒体联合起来抵制免费转载，那我们的日子就他妈的好过了！”话糙理不糙。

百度文库的“铜墙铁壁”之外，正是国内难以突破的版权桎梏。信息技术的快速发展让类似的网络侵权案件面临取证难、认定难、维权成本高等问题，权利人往往对此无可奈何以至于只能放任自流。而部分权利人为了提高自身知名度，甚至默许一些知名度较高的网站盗版使用自己的作品，反而助长了网络侵权行为。

除数字版权的保护外，数字出版产业链利益分配不公是让传统出版商望数字出版而却步的另一大原因。

在欧美国家，类似亚马逊、iTunes这样的平台，运营商与出版商有固定的利益分配模式即3：7。而在国内环境下，谁能得到更多利润则要看“脸”。

谁掌握了绝大多数用户，谁就掌握了数字图书的主导控制权和定价权，利益分配模式也就由谁制定。本应在数字出版时代依旧占据主导地位的内容掌控者——传统出版社，即使早已涉及数字出版，如今却只能仰着移动终端商和渠道商的鼻息，看别人吃肉，自己喝汤。

在国内数字出版这种畸形的局面下，有中国移动阅读基地定出6：4的霸王分配模式也就不足为奇了。这种分配模式，就好比一个平面电视厂商每年售出40万台电视，这40万台电视都要播放央视的节目，于是该平面电视厂商就去找央视：“我的电视终端播放了你的节目，所以你的广告收入必须给我60%。”

但在数字出版行业，每个“央视”只能乖乖接受不公平条款，敢怒不敢言。因此，在盗版对数字出版的毁灭性打击和内容提供商无法得到合理利润分配的情况下，“数字出版时代”这种说法，更像是“狼来了”的骗局。

电子书在与传统出版社的非正式对垒中不费吹灰之力地胜出，一时风光无限，传统出版业和媒体几乎被逼入绝境。

在产业链中技术支持商已然推动数字出版进程，并且在目前已经能够为数字出版和网络传播业提供几乎所有的技术、产品和服务的情况下，作为数字出版产业链上游的传统出版商，却由于版权桎梏和利益问题在数字化进程中反应麻木，犹豫不决，从而导致产业链之间整体数字化水平参差不一，产业链上各个环节的协同水平非常差。

由此推论，一旦解决了传统出版业在图书出版上的瓶颈，对数字出版产业的发展将又是一次质的飞跃。

数字化运营之良药

在全球数字出版的趋势下，每一个国家都在试图寻找一种数字出版的合理、良性的运营模式。国内电子阅读器的先驱、广州金蟾软件董事长、华茂易博士电子产品有限公司总裁、广州版权协会副会长杨洪认为，在探讨数字出版的运营模式之前，要先了解数字出版屏幕阅读的本质。

与传统出版纸质阅读相比，屏幕阅读的载体多元化、互动性、富媒体性、便捷的动态下载阅读和极高的信息关联度等优势，无疑会使屏幕阅读成为未来主流的出版和阅读方式。

屏幕阅读的设备载体可以是电脑、手机、电子阅读器及iPad、PSP、MP4等其他阅读终端。而手机阅读满足的绝大部分是用户浅阅读及快速阅读的需求；电脑和各类阅读终端，则满足的是深阅读、专业阅读、阅读舒适度等更高层级的阅读需求。

而阅读电子书的人群和书籍爱好者本质上是“道不同”，这两个群体的用户需求、用户行为大相径庭。因此，杨洪指出，数字内容的合理商业模式应该是一次编辑，多次营销。详细地讲，以电子书为例，针对不同的用户群和时间段，可以将电子书细分为大众、分众和小众市场进行收费。

因此，数字出版并非简单的内容数字化，而是针对不同终端，对内容进行个性化的编辑，以实现用户多层次、多功能的阅读需求。此时，新媒体和新技术在实现内容传送的增值服务和个性化服务上，必然成为传统出版商和媒体数字化转型的强劲助推力。这一观点，与读览天下副总裁屈辰晨的看法不谋而合。

比如，《藏地密码》在刚刚出版纸质书时，出版商可以将电子版定价与纸质书相同，此时愿意付费的就是不在乎价格、希望在纸质书发行的同时看到电子书的一批小众消费者；经过一个销售周期即将下架，可以针对第二批想看电子书的分众消费者，将电子书定价为纸质书的某一幅度的折扣；而再经历一个长周期，人们几乎已经遗忘掉《藏地密码》时，则可以让喜欢低价的大众消费者以他们满意的低廉价格得到应有内容。

读览天下副总裁屈辰晨认为，数字出版的产业链相较于传统出版业，环节基本是不变的，依然是“内容生产——传播——发行”，只是在产业链的纵深上有了丰富的扩展。

比如在内容生产环节，所生产的内容将由相对用户来讲比较全面的海量状态向有针对性定位价值性内容的方向发展，最终变成以用户需求为根本宗旨的个性化定制内容。传播环节则由上游内容提供商向用户单向输送，变成基于人际关系的互动（Share），然后发展为社群化有针对性的推介（Push）。发行环节则由单一的发行目的转变为附带有增值服务的发行，并且这种增值服务将植入产业链的每一个环节。

目前读览天下正在做的就是这样一个担任传播角色并为上下游产业链提供增值服务的第三方数字内容运营平台。不同于2003年前后兴起的电子杂志热，在Web2.0时代，读览天下在扮演桥梁角色的同时，一方面与国内IT业极个别掌握国际核心技术的公司之一书生合作，采用其SEP DRM数字权限管理技术，解决了盗链转载的问题；一方面注重贯穿产业链每个环节的增值服务，比如用户的有效互动和反馈、杂志品牌价值的最大化等等，这也是读览天下相较于其他数字内容平台的优势所在。

屈辰晨透露，读览天下iPad版客户端上线不到半个月，客户端下载数量就超过20000万次，平均每个客户端下载了近30本杂志。已经拥有400多万关注读者、30%的市场份额，排名行业第一的读览天下，不失为一种成功的数字运营模式。

而对于传统图书数字出版理想的运营模式，杨洪则提出了“类淘宝平台”和“版权银行”概念。“类淘宝平台”是杨洪对金蟾软件在2008年9月推出的EPOST（电子邮局）资讯运营平台的形象比喻：各种版权拥有者在金蟾的EPOST平台上开设各自的、类似淘宝网店的“小店”，从而实现其与用户之间的对接。

而“版权银行”则用以简化电子阅读器厂商与版权拥有者合作时的复杂环节。“个人作者（即著作权人）相当于储户，他把版权放到了银行，获取利息，即版税。而版权的价值由‘银行家们’来开发经营，版权的拥有者和使用者都能获得相应的回报，从而使产业链实现良性循环。”有了版权银行，再加上行业标准的制定和国家法律法规的进一步完善，像《藏地密码》一样“被数字出版”两年却零收入的现象很可能会在此得到终结。

数字出版 谁说了算

杨洪认为，传统图书的数字化，“其实质是出版，表现形式是数字，手段是技术”。中国出版集团总裁聂震宁也曾公开表示，数字出版虽然技术很重要，但在文化产业特别是出版行业依旧是“内容为王”。因此，按照正常逻辑思维，发展数字出版，出版社应该具有先天优势。

但屈辰晨却并不十分认同：“类似盛大原创文学，可能会有上百万的作者来供给内容，但是对于传统图书的数字出版来讲，出版社内容供给是固定的，那么平台最终较量的是谁，对于优质资源的谈判权或购买权、采购权能做到最大，哪个平台上有最好的、最多的内容，也是非常重要的。”

一个行业的良性发展首先必须要有游戏规则的确立。但国内数字出版的发展目前所呈现的是一个很不“给力”的状态：不但行业游戏规则未确立，连本应成为规则制定者的出版商也被踩在终端商和渠道商的脚下。三网融合时期，主导权争夺大战在数字出版行业重演。

基于数字水印的电子印章系统 篇7

1 电子印章系统

从总体来讲,电子印章系统可分为两个模块:印章制作模块和印章管理模块。印章制作模块主要包括用户信息的管理,印章图像的制作等功能;印章管理模块主要包括对文档盖章即对盖章文档的验证等功能。系统总体框架如图1。

印章和签名都保存在Ukey(智能密码钥匙)中,盖章需要提供Ukey并输入正确的密码。只有持有Ukey并能正确输入密码的人才可以对印章和盖章后的文档进行合法性验证。

本系统结合PKI、数字签名、数字水印等安全保障机制,可以具备以下特点:

1)安全性。系统使用数字签名和数字水印实现对电子文档和印章的保护,通过Ukey保证运算过程中的安全性,实现对印章的安全性保护。

2)稳定性。系统使用组件技术是盖章程序完成嵌入文档环境中,盖章后的电子印章和文档合为一体。

3)方便性。通过Ukey存放数字证书,密钥,使用方便,便于携带。

4)直观性。嵌入到文档中的印章可以达到纸质盖章同样的效果。

2 关键技术

PKI(public Key Infranstructure),即公钥基础设施。PKI是一种基于公开密钥理论和技术建立起来的安全体系,提供一个安全框架,主要是解决网络中的信任问题。[1]PKI通过可信任第三方机构认证中心在统一的安全认证标准和规范基础上提供身份认证,为网络信息建立一个安全的运行环境。本系统用户身份认证的凭证由CA发放数字证书。PKI的数字证书将使用者的身份及其公钥信息绑定在一起,从而为使用者的身份提供权威保证。证书信息包括:证书版本号、证书序号、证书颁发者、有效起始时间、有效终止时间、证书主题信息。用户将获得的数字证书以及签名用的密钥存放在Ukey(智能密码钥匙)中。

2.2 数字签名技术

数字签名在ISO07498—2标准中定义为:“附加在数据单元上的一些数据,或是对数据单元所作的密码变化,这种数据和变换允许数据单元的接受者用以确定数据单元来源和数据单元的完整性,并保护数据,防止被人进行伪造”。文档的完整性和不可抵赖性由数字签名来保证。系统将数字签名后的盖章文档信息与印章信息制作成水印嵌入印章图片中,同时对盖章后的文档进行加密,实现对盖章后的文档和印章的保护。本系统采用SHA—1单向散列函数对文档进行数字签名,该算法比MD5算法具有更好的抵抗穷举攻击。

2.3 数字水印技术

数字水印技术(Digital Watermarking)是信息隐藏学的一个分支。它通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到信息载体中,但不影响原内容的价值和使用,并且不能被人的知觉系统察觉或注意到,只有通过专门的读取手段才能提取。[2]

目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密(包括公开密钥、私有密钥)体系来加强,在水印的嵌入、提取时采用一种密钥,甚至几种密钥联合使用,这样即使信息的窃取者掌握了水印的提取方法也无法对水印进行篡改。由此可见将数字水印技术与密码学结合起来是实现电子印章的很好一个途径。

数字水印从不同的角度可以进行不同的分类。按水印的特性可以分为鲁棒性数字水印和脆弱性数字水印两类。鲁棒性数字水印有很强的抗扰能力,且难以被去除,还能够抵抗多种有意或偶然的攻击或者失真,主要用于版权保护。而脆弱数字水印主要用于完整性保护,与鲁棒性的要求相反,脆弱水印必须对信号的改动很敏感,这种水印被加到宿主中,是为了使所有对于宿主信息的变化和处理都反映到恢复出来的数字水印上。人们根据恢复出的脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过,并可以借此判断一些攻击的过程和属性。按数字水印的隐藏位置,可以将其划分为空域数字水印和频率域数字水印。空域数字水印是直接在信号空间叠加水印信息,而频率域数字水印是在变换域上隐藏水印。

一个可靠的电子印章系统必须保证电子印章的不可复制、不可删除,签章过程的不可抵赖及已签文档内容的真实性,为此我们在系统中采用脆弱性水印。我们将印章ID,有效期制作成脆弱性水印嵌入空间域内的最低有效位,这样在检测和提取水印时可以检测出受损程度。水印嵌入过程如图2所示。

在公文盖章过程中,将文档的数字签名使用具有脆弱性的频域算法嵌入印章中。用户收到盖章后的电子文档,可以使用数字水印提取算法,验证电子文档和印章的合法性。

为验证电子文档的合法性,可以提取印章中的数字签名水印,然后用印章持有者公钥验证数字签名。若一致,表明电子文档未被篡改。

若要验证印章的真实性,可以从印章中提出水印,用印章制作者公钥解密,将得到的数据与数据库中保存的数据比较,验证印章是否被修改。

3 结束语

电子印章系统采用Ukey,数字签名,数字水印技术,PKI技术为电子文档在网络的安全传输提供保障。随着信息化的发展,人们对信息安全的重视程度不断提高,电子印章的应用一定会越来越广泛。

参考文献

[1][美]wiliam Stallings.密码编码与网络安全:原理与实践[M].杨明,光辉,译.北京:电子工业出版社,2001.

[2]孙圣和,陆哲明,刘夏牧.数字水印技术及应用[M].北京:科学出版社,2004.

[3]江华良.基于数字水印和Ecc的电子印章系统[J].科学技术与工程,2009(1).

数字电子系统 篇8

随着今年来我国网络技术的飞速发展, 互联网所提供的各种便利服务也越来越为人们所接受与采用。而作为环保的一部分, 无纸化办公也是当今社会所推崇的。作为民主社会中的主要行为——投票, 几乎出现在我们生活的每一个角落。而传统投票方式中, 大量采用纸质选票的方式, 不仅纸张耗费严重, 统计效率低, 而且往往需要投票人亲临现场, 浪费大量的人力物力。基于此现状, 电子投票系统便应运而生。

2 电子投票系统的简要需求分析

作为电子投票系统除了应满足传统投票方式的主要功能外, 还应保证统计速度快, 投票客户端和统计中心分离, 网络安全保障等需求。主要需求可总结为以下几点: (1) 合法的选票必须保证全部计入票数; (2) 非法用户不能截获或篡改选票; (3) 合法用户的选票内容应保密; (4) 每个用户只能投放一张选票; (5) 在保证保密性的前提下, 用户可以验证其选票是否被篡改; (6) 流程应快捷简便。

在本系统中, 主要参与实体有:投票人和投票中心。投票中心又可细分为:注册模块、认证模块、发票模块、统计模块和验证模块五个部分。

根据以上需求, 本文将采用类似于安全电子交易协议 (SET) 中的双重签名和数字信封技术, 来实现本系统。

3 双重签名的原理机制

双重签名主要运用的技术包括:散列 (Hash) 函数消息认证技术, 公钥加密算法 (RSA) 加密技术。

3.1 散列 (Hash) 函数消息认证技术

Hash函数是对不定长的输入产生定长输出的一种特殊函数, 可以表达为h=H (M) , 这里的M为消息, 其长度不定, h被称为散列值 (Hash值) , 其长度一定, 一般为128位或160位。Hash函数的目的是为文件、消息或者其他的分组数据产生“指纹”, 为防止第三方伪造Hash值或者通过Hash值计算出明文。常用的Hash函数有很多种, 在SET协议中, 双重签名主要使用的是安全散列算法 (SHA-1) , 该算法主要是将按一定规则进行消息填充后的消息, 以每512位进行分组, 然后进行迭代Hash运算。

3.2 公钥加密算法 (RSA) 加密技术

公钥算法使用两个独立的密钥, 每个用户M都有一对选定的密钥 (公钥、私钥) , 公开的密钥可以像电话号码一样进行注册公布。公钥密码算法基于数学函数而不像对称密码体制那样基于代换和置换。

而在SET协议中, 双重签名使用的是RSA算法。RSA算法的安全性基于大素数分解的困难性。RSA算法使用了乘方运算。

在加密时, 明文M经过加密运算得到密文C:C=Me mod n, 密文在经过解密得到明文M:Cd mod n= (Me mod n) d mod n=Med mod n=M。其中, e, d, n的确定方法如下:

(1) 确定n:独立地选取两大素数p和q, 计算n=p×q。

(2) 确定e:计算n的欧拉函数值ψ (n) = (p-1) × (q-1) , 随机选择一整数e, 使得1≤e<ψ (n) 和gcd (ψ (n) , e) =1成立。

(3) 确定d:计算e模ψ (n) 的乘法逆元。

3.3 双重签名技术

(1) 双重数字签名的目的作用。

双重签名的目的在于连接两个不同接收者消息。以SET协议为例, 消费者想要发送订单信息 (OI) 到特约商店, 且发送支付命令 (PI) 给银行。特约商店并不需要知道消费者的信用卡卡号, 银行不需要知道消费者订单的详细信息。消费者需要将这两个消息分隔开, 而受到额外的隐私保护。然而, 在必要的时候, 这两个消息必须要连接在一起, 才可以解决可能的争议、质疑。这样消费者可以证明这个支付行为是根据他的订单来执行的, 而不是其他的货品或服务。

(2) 双重签名实现。

以SET协议为例, 假设消费者发送两个消息给特约商户:签名过的OI及PI, 而特约商店将PI的部分传递给银行。

消费者用SHA-1算法, 取得PI的Hash值和OI的Hash值。接着将这两个Hash值连接在一起, 并用消费者的私钥来加密, 就产生了双重签名, 如图1所示。

这个过程可以用式子表示为DS=E[H ( H (PI) ||H (OI) ) ], 其中K是消费者私钥。现在假设特约商户拥有这个双重数字签名 (DS) 、OI和PI的消费者摘要 (PIMD) 。并且特约商户从消费者证书中得到消费者的公钥。特约商户就能做如下计算:H (PIMD||H (OI) ) 和D[DS], 其中K为消费者公钥, 如果这两个结果相同, 则特约商户就可以核准这个签名。同样地, 如果银行拥有DS、PI和OI的消息摘要 (OIMD) , 以及消费者的公钥, 则银行可以计算:H (H (PI) ||OIMD) 和D[DS]。如果这两个数一样, 则银行就核准这个签名。

综上:商店接收OI可以验证OI正确性, 银行接收PI可以验证PI正确性, 消费者连接OI和PI可以证明连接的正确性。

4 数字信封技术的原理机制

数字信封是将对称密钥通过非对称加密的结果分发对称密钥的方法。其主要运用到对称加密技术, 公钥加密技术。

用户用对称密钥K1对发送的消息M进行加密, 形成消息密文E (M) , 然后用接收方的公钥K2对对称密钥K1进行加密, 形成密钥密文E (K1) 。最后将消息密文和密钥密文连接, 便形成数字信封Digital Envelope, 发送给接收方。其过程如图2所示。

接收方收到数字信封后, 先用其私钥K3对数字信封解密, 得到对称密钥K1, 然后用K1对消息密文进行解密, 便得到所需消息。其过程如图3所示。

5 电子投票系统中双重签名和数字信封的应用

通过以上所述, 电子投票系统中, 双重签名可用于投票人发送选票和个人验证信息, 而数字信封则使用于投票人将双重签名等信息发送给投票中心时使用。其主要流程为: (1) 投票中心为其注册、认证、发票、统计、验证五个模块分别分配基于RSA的密钥对, 并将公钥公开; (2) 用户注册, 将身份信息等提交给注册模块, 注册模块给用户分配唯一的标识符Id, 将用户信息保存后, 计算Id的哈希值h后, 将h发送给认证模块, 并向其申请用户RSA密钥对; (3) 认证模块产生密钥对后, 将密钥对发给注册模块, 并将h和产生的公钥存入数据库; (4) 注册模块将Id和密钥对发给用户; (5) 发票模块根据注册人数, 生成相应数量选票, 并对其选票编号进行签名; (6) 投票人登录系统后, 获得由投票中心发来的选票Vote; (7) 投票人填好选票后, 用SHA-1算法计算出选票的摘要V-MD, 和身份信息Id的摘要I-MD, 将两者连接后, 再使用SHA-1算法, 计算出选票身份摘要VI-MD; (8) 使用投票人的私钥Kr-c对VI-MD进行加密后, 得到双重签名DS; (9) 投票人将双重签名DS和选票内容Vote以及身份信息摘要I-MD用对称密钥Ks加密得到消息密文, 再使用投票中心统计部分的公钥Ku-v对Ks进行加密, 得到密钥密文, 将两密文连接得到数字信封DE; (10) 将数字信封DE, 双重签名DS, 选票内容摘要V-MD, 和投票人的Id发送给投票中心; (11) 投票中心收到信息后, 其中的V-MD, Id, 和DS, 传递给验证模块; (12) 验证模块通过Id查找到用户公钥后, 解密DS得到VI-MD, 然后将Id通过SHA-1计算后得到的I-MD与V-MD连接, 将结果与解密得到的VI-MD比较, 若匹配, 则验证成功, 否则失败; (13) 验证成功后, 投票中心将DE, Id的哈希值h发送给统计模块; (14) 统计模块用其私钥解密DE, 得到对称密钥Ks, 用Ks解密消息密文, 得到DS, Vote和VI-MD; (15) 统计模块申请用户公钥后, 解密DS, 得到VI-MD, 将与之前得到的比对, 如相同, 则验证成功, 否则失败, 然后读取Vote内容; (16) 统计模块公布结果和每张选票的编号和内容。

6 电子投票系统的安全性分析

在本套电子投票系统中, 我们选择RSA作为公钥加密算法, 由于RSA私有密钥存在唯一性, 所以只有真正的投票中心模块才有与公钥匹配的私钥。除非私钥失窃, 则不会出现冒充投票系统的情况, 或是系统不相关模块取得别的模块的信息。其次, 用户的公钥和私钥也是如此, 所以, 此算法保证了拒绝非法用户的使用。而在每次接受到用户的选票后, 都会进行验证, 则可通过判断是否进行过该Id的验证, 来防止一票多投。而在用户验证是否为自己所投的选票过程中, 可以查询自己的选票号和内容是否为自己所填, 若有出入, 则可根据自己的相关选票信息和公钥, 进行重新计票。

除非选票中心内部的管理出现问题, 各模块保密被破坏, 则该系统在实际中可以认为是符合机密性、完整性、可用性、不可抵赖性的信息安全要求的。

7 结语

综上所述, 双重签名和数字信封技术在电子投票系统的消息传递过程中, 对于信息的不可抵赖性, 以及防止信息传递双方自身进行非法行为, 有着比一般数字签名算法更优越的前景。尤其对于消息发送方要将两个不同消息发给不同对象, 却又需要保证两者的对应性而必须将消息连接的情况下, 双重签名和数字信封不仅可以使接收方均可通过发送方公钥进行签名验证, 而且均无法看到发送给另一方的消息, 还可以防止其中一方修改某一信息进行欺诈。其可以根据不同的安全级别, 采用不同的哈希函数和加密算法, 可以灵活调整。所以, 电子投票系统的前景非常明朗。

参考文献

[1]陈晓峰, 王育民.基于匿名通讯信道的安全电子投票方案[J].电子学报, 2003, 31 (3) .

[2]鲁军, 汪同庆, 任莉.身份认证系统的设计与实现[J].网络安全技术与应用, 2004, (2) :22-25.

[3]华晋, 汪同庆, 鲁军, 倪水平, 熊波.基于特征匹配的建筑平面图自动识别的研究与实现[J].计算机科学与实践, 2004, 2 (2) :81-83.

[4]熊平, 朱天清.信息安全原理及应用[M].北京:清华大学出版社, 2012.

[5]张海鑫, 程丽红, 李顺东.网上阅卷系统中双重签名的研究[J].计算机应用, 2009, (29) .

[6]张君维.双重身份验证的数字签名系统的研究与实现[J].科技信息, 2007, (23) :301-302.

数字电子系统 篇9

随着经济社会的发展和科学技术的进步, 综合医院的建设标准也越来越高, 医院智能化系统已经成为现代化医院的重要基础设施, 对于维持医院的正常运转和使用非常重要, 是数字化医院的大脑和神经中枢。伴随越来越多的各种医院信息系统的开通, 数字化医院所有的临床作业全部实现无纸化运行, 医院的电子病历、放射信息、医学影像、药品管理信息、财务信息、人事信息、办公管理信息等大量信息需要收集、存储、处理、提取及数据交换, 而一个安全可靠、技术先进、结构完善、灵活性强、兼容性好的数字化医院电子信息系统机房则是实现医院智能化的关键。

我们通过结合多个数字化医院的电子信息系统机房的设计及施工案例, 对医院电子信息系统机房的分级选址及设备布置、建筑结构、电气、设备等方面相关的设计、施工要素进行详细介绍。

二、医院信息系统机房的分级、选址及设备布置

(一) 医院信息系统机房的分级

按《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008中的规定, 电子信息机房应划分为A、B、C三级, 根据机房所处行业或领域的重要性, 单位对机房各系统的保障和维护能力, 以及因场地设施故障造成网络信息中断或重要数据丢失而在经济和社会效益上造成的损失或影响程度这三方面因素来确定机房的等级。除上述外, 还应综合考虑初期建设投资、维护成本等因素。

三级医院应按照B级电子信息系统机房设置。B级机房场地设施应按照冗余要求配置, 运行期间, 不应因设备故障而导致电子信息系统运行中断。冗余是指系统部件部分或全部一用一备, 即重复的配置系统的部分或全部部件, 当系统发生故障时, 冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作, 由此减少系统的故障时间。系统配置为:N+X (X=1～N) , 系统配置除满足基本需求外, 增加了X个单元、X个模块或X个路径, 任何重复配置的X个单元、模块或路径的故障或维护不会导致系统运行中断。如图1所示, 中心信息机房核心交换机为冗余配置, 各楼信息服务器均在中心信息机房异地冗余配置;核心交换机至各汇聚层交换机为路径冗余配置。

二级及以下医院可按C级电子信息系统机房设置。C级机房场地设施应按基本要求配置, 场地设施正常运行情况下, 应保证电子信息系统运行不中断, 系统满足基本配置。

(二) 机房的选址

电子信息系统受粉尘、有害气体、振动冲击、电磁场干扰等因素影响时, 将导致运算差错、错误动作、机械部件磨损、缩短使用寿命等。电子信息系统机房选址应符合下列要求:

1. 应远离产生粉尘、油烟、有害气体以及生产或贮存具有腐蚀性、易燃、易爆物品的场所。三级医院的主机房空气含尘浓度, 在静态条件下测试, 每升重大于或等于0.5μm的空气尘粒数应少于18000粒;

2. 应远离强振源和强噪声源。当不能避免时, 应采取隔振、消声和隔声措施。有人值守的主机房和辅助区, 当电子信息设备停机时, 主操作员位置测量的噪声值应小于65dB (A) ;在电子信息设备停机条件下, 主机房地板表面垂直及水平方向的振动加速度不应大于500mm/s2;

3. 应远离强电磁场干扰场所, 不应设置在变压器室、配电室的楼上、楼下或隔壁场所, 主机房和辅助区内磁场干扰环境场强不应大于800A/m;主机房和辅助机房内频率为0.15MHz～1000MHz的无线电干扰场强不应大于126dB。满足不了要求时, 应采取电磁屏蔽措施;

4. 不应设置在厕所、浴室或其他潮湿、易积水场所的正下方或临近区域;

5. 电力供给应稳定可靠, 交通通信应便捷, 自然环境应清洁;

6. 主机房的活荷载标准值应远大于建筑物其他部分, 考虑到经济性, 机房应设置在建筑的低层;考虑到防止水灌入等, 机房宜设置在建筑物的首层及以上层, 当地下室为多层时也可设置在地下一层。

(三) 机房的设备布置

机房宜根据设备布置及工作运行要求, 根据实际需要由主机房、辅助区、支持区、行政管理区等功能区组成。主机房的使用面积应根据电子信息设备的数量、外形尺寸和布置方式确定, 并应预留今后业务发展需要的使用面积。在条件不具备的情况下, 主机房的使用面积可按下式确定:

电子信息设备确定规格时:A=K∑S;电子信息设备未确定规格时:A=FN。

其中, A—主机房使用面积 (m2) ;K—系数, 可取5～7;S—电子信息设备的投影面积 (m2) ;F—单台设备占用面积, 可取3.5～5.5 (m2/台) ;N—主机房内所有设备总台数。

辅助区的面积宜为主机房面积的0.2～1倍, 用户工作室的面积可按3.5m2/人～4m2/人计算, 长期有人工作的房间可按5m2～7m2计算。

机房的设备布置, 应满足机房管理人员的操作和安全需求, 及设备运输、散热、安装和维护的要求。机房内通道和设备间距离应符合以下规定:

用于设备运输的通道净宽不应小于1.5m;面对面布置的机柜之间距离不宜小于1.5m;背对背布置的机柜之间距离不宜小于1.0m;需设备检修时, 设备检修方向的净距不宜小于1.2m;成行排列的机柜, 长度超过6m时, 两端应设有出口通道;当两个出口通道间距离超过15m时, 在两个出口通道之间还应增加出口通道, 出口通道的宽度不宜小于1.0m。

三、医院信息系统机房对建筑结构的要求

(一) 一般要求

建筑平面和空间布局应具有灵活性, 并应满足电子信息系统机房的工艺要求。主机房净高应根据机柜高度计通风要求确定, 考虑常用机柜一般为1.8m～2.2m, 气流组织所需机柜顶面至吊顶距离一般为400mm～800mm, 取平均值, 机房净高不宜小于2.6m。

三级医院内B级信息机房距离停车场不宜小于10m, 距离铁路或高速公路不宜小于100m, 距离飞机场不宜小于1600m。信息机房楼地面等效均布活荷载≥4.5kN/m2, 免维护电池室容量<200A·h时, 活荷载≥4.5k N/m2;200A·h～500A·h时, 活荷载≥6kN/m2;≥500 A·h时, 活荷载≥10kN/m2;300A·h以上的电池组安装于楼地面上时, 不应叠放, 如需叠放, 应将其布置于梁上, 并应另行计算楼面负荷。

(二) 人流、物流及出入口

机房宜单独设置出入口;有人操作区域和无人操作区域宜分开设置;机房通道宽度及门的尺寸应满足设备和材料 (大型设备如精密空调、UPS机柜等) 的运输要求, 建筑入口至主机房的通道净宽不应小于1.5m;为减少人员将灰尘带入机房, 可根据实际需要在机房主入口设置更衣间, 条件不具备时可设置更衣柜。

(三) 防火、疏散及安全

电子信息系统机房的防火设计应符合《建筑设计防火规范》GB50016或《高层民用建筑设计防火规范》GB50045的相关要求, 其耐火等级不低于二级, 且不低于建筑主体的耐火等级。A级或B级电子信息系统机房, 当位于其它建筑物内时, 考虑其安全性, 主机房与其他部位之间应设置耐火极限不低于2h的隔墙, 隔墙上的门应采用甲级防火门。

面积大于100m2的主机房安全出口不应少于两个, 且分散布置, 宜将门设置在机房的两端;门应向疏散方向开启且能自动关闭, 并保证在任何情况下都能从机房内打开。

主机房的顶棚、壁板 (包括夹芯材料) 和隔断应为不燃烧体。

另外, 设置在首层的机房的外门外窗应采取安全措施, 根据机房的重要性, 可设置警卫室或保安设施。

(四) 室内装修

信息机房的室内装修, 应选用气密性好、不起尘、易清洁、符合环保要求, 在温度和湿度变化作用下变形小且具有表面静电耗散性能的材料, 不得使用强吸湿性材料及未经表面改性处理的高分子绝缘材料作为面层。顶棚与墙面应涂不起灰、浅色、无光涂料。

机房地面铺设防静电活动地板时, 活动地板的高度应根据电缆布线和空调送风要求确定, 并应符合下列规定:

第一, 只做电缆布线使用时, 地板高度不宜小于250mm, 活动地板下的地面可采用水泥砂浆抹平;

第二, 既作为电缆布线, 又作为空调静压箱时地板高度不宜小于400mm, 活动地板下的地面应采用不起尘、不易积灰、易清洁的材料, 楼板或地面应采取保温、防潮措施, 地面垫层宜配筋, 维护结构宜采用防结露措施。

三级医院内B级信息机房的主机房不宜设置外窗, 当设置外窗时应采用双层固定窗, 并具有良好的气密性。UPS系统的电池室设有外窗时应避免阳光直射。

四、医院信息机房的电气设计

(一) 机房供配电

医院信息机房负荷等级应根据《供配电系统设计规范》GB50052-2009及《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008中的规定。

1. 医院各类信息机房负荷分级及供电要求:

A级信息机房应按一级负荷中的特别重要负荷供电, 应由双重电源供电, 当一电源发生故障时, 另一电源不应同时受到损坏, 还应配备柴油发电机作为备用电源, 当市电发生故障时, 后备柴油发电机应能承担全部负荷的需要;

B级信息机房应按一级负荷供电, 应由双重电源供电, 当一电源发生故障时, 另一电源不应同时受到损坏, 当供电电源不能满足要求时, 应设置后背柴油发电系统;

C级信息机房应按二级负荷供电, 宜由两回路供电。

后备柴油发电机燃料储存量, A级机房要求72小时, B级机房要求24小时。

2. 医院信息机房内精密空调系统应采用放射式供电, A级、B级机房精密空调系统按一级负荷供电, 双重电源末端切换。

3. 医院信息机房内信息设备供电的电源质量要求, 见表1。

为保证供电质量, 电子信息设备应由不间断电源系统UPS供电。UPS系统应有自动和手动旁路装置。确定UPS系统基本容量时应留有余量, 一般可按不小于电子信息设备计算负荷的1.2倍选取, 且UPS系统备用时间不小于15min。

当输出端N线与PE线间电位差不能满足要求时, 宜配备隔离变压器。

4. 用于信息系统机房内的电子信息设备与动力设备的UPS系统应由不同回路配电。电子信息设备的配电应采用专用配电箱 (柜) , 专用配电箱 (柜) 应靠近用电设备安装, 且宜配置浪涌保护器、电源检测和报警装置, 并应提供远程通信接口。实际设计中, 除电子信息设备设专用配电箱 (柜) 外, 精密空调、检修等用电可合设一个配电箱 (柜) 。需特别注意的是, 由于荧光灯容易对电子信息设备造成电磁干扰, 信息机房内的照明电源不应引自电子信息设备配电盘, 可就近引自防火分区内应急照明箱。

5. 线路敷设。敷设在隐蔽通风空间的低压配电线路应采用阻燃铜芯电缆, 电缆应沿线槽、桥架或局部穿管敷设;当配电电缆线槽与通信电缆线槽并列或交叉敷设时, 配电电缆线槽应字下方。配电线路的中性线截面积不应小于相线截面积, 单相负荷应均匀分配在三相线路上。

(二) 机房照明

工作区域内一般照明的照度均匀度不应低于0.7, 一般显色指数要求不低于80。

1. 照度标准值要求:

服务器设备区、网络设备区、存储设备区、监控中心、测试区、打印室:500lx;

进线间、备件库:300lx。

2. 统一眩光值UGR要求:

服务器设备区、网络设备区、存储设备区、备件库:22;

进线间:25;

监控中心、测试区、打印室:19。

3. 机房内不应采用0类灯具;采用Ⅰ类灯具时, 灯具PE端子必须与PE线可靠连接。信息机房的照明线路宜穿钢管暗敷或在吊顶内穿钢管明敷。

4. 机房应设置通道疏散照明级疏散指示标志, 主机房通道疏散照明照度值不应低于5lx, 其他区域不应低于0.5lx。

(三) 机房接地、静电防护

机房的防雷和接地设计应满足《建筑物防雷设计规范》GB50057和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343的有关规定。

对电子信息设备进行等电位联结是保障人身安全、保证电子信息系统正常运行、避免电磁干扰的基本要求。等电位联接是静电防护的必要措施。电子信息系统机房内所有设备金属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等必须进行等电位联接并接地。

1. 主机房和辅助区的地板或地面应由静电泄放措施和接地构造, 防静电地板、地面的表面电阻或体积电阻值应为2.5×104～1.0×109Ω, 且应具有防火、环保、耐污耐磨性能。主机房和辅助区中不使用防静电活动地板的房间, 可铺设防静电地面, 其静电耗散性应长期稳定, 且不应起尘。

2. 静电接地的连接线宜采用焊接或压接。当采用导电胶与接地导体粘结时, 其接触面积不应小于20cm2。

3. 保护性接地和功能性接地宜共用一组接地体, 其接地电阻值应按其中的最小值确定。对功能性接地有特殊要求需单独设置接地线的电子信息设备, 为防止干扰, 接地线应与其它接地线绝缘;为减少环路电压, 供电线路与接地线宜同路径敷设。

4. 对于C级机房中规模较小的机房可采取S型 (星型结构、单点接地) 等电位联结方式。

5. A级、B级或规模较大的C级机房可采用M型或SM混合型等电位联结方式。主机房应设置等电位联结网格, 网格四周设置截面不小于50mm2的铜带或裸铜线形成的等电位联结带, 并应通过等电位联结导体将等电位联结带就近与接地汇流排、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构进行连接。每台电子信息设备 (机柜) 应采用两根不同长度的等电位联结导体就近与等电位联结网格连接。网格应采用截面不小于25mm2的铜带或裸铜线, 并应在防静电活动地板下形成边长0.6m～3m的矩形网格, 一般形成600mm×600mm网格, 紫铜带网格可压在架空地板支柱下。

(四) 机房布线

承担信息业务的传输介质 (包括设备缆线、跳线和配线设备) 应采用光缆或六类及以上等级的对绞电缆, 传输介质各组成部分的等级应保持一致, 并应采用冗余配置。

机房存在下列情况之一时, 应采用屏蔽布线系统、光缆布线系统或采取其他相应防护措施:无线电、电磁场干扰不满足要求时;银行、安全部门、军队等网络有安全保密要求时;安装场地不能满足非屏蔽布线系统与其他系统管线或设备的间距要求时。

缆线采用线槽或桥架敷设时, 考虑检修、理线、通风的要求, 线槽或桥架的高度不宜大于150mm。

(五) 安全防范系统

安全防范系统由视频安防监控系统、入侵报警系统和出入口控制系统组成, 各系统之间应具备联动控制功能。紧急情况时, 如发生火灾时, 出入口控制系统应能接受相关系统的联动控制而自动释放电子锁。

(六) 环境和设备监控系统

具体信息机房环境要求, 见表2。环境和设备监控系统宜采用集散或分布式网络结构, 系统应易于扩展和维护, 并应具备显示、记录、控制、报警、分析和提示功能。机房专用空调、柴油发电机、不间断电源系统等设备自身硬配带监控系统, 监控的主要参数纳入设备监控系统, A、B级信息机房主机的集中控制和管理宜采用KVM切换系统。

五、消防

主机房建筑面积大于等于140m2的电子计算机机房内的主机房和基本工作间的已记录磁 (纸) 介质库宜采用气体灭火系统;A级机房应采用洁净气体灭火系统;B级机房的主机房及A、B级机房的配电室、UPS室, 宜设置洁净气体灭火系统, 也可采用高压细水雾灭火系统;C级机房可设置高压细水雾灭火系统或自动喷水灭火系统, 自动喷水灭火系统宜采用预作用系统。凡设置洁净气体灭火系统的主机房, 应配置专业空气呼吸器或氧气呼吸器。

医院内电子信息系统机房应设置火灾自动报警系统。机房采用水喷雾或气体灭火系统时, 防护区用的空调机、通风机、排烟机、及其管道中的防火阀应自动关闭, 确认火灾扑灭后方可启动排烟机排烟, 系统应具有自动控制、手动控制和应急操作三种控制方式, 报警区域内应设置两种火灾报警探测器, 且火灾报警系统应与灭火系统联动。

医院电子信息机房内安装有高压细水雾灭火系统、空调机和加湿器的房间, 地面应设置挡水和排水设施。

六、结束语

结合现有综合医院信息机房存在的问题和使用需求, 设计中应首先注意先进性, 医院信息机房设计应本着先进与实用的原则, 把现有的较先进技术与成熟技术结合起来, 充分考虑医院未来的发展空间;其次, 实用性, 要充分考虑医院现有的经济实力等因素, 在满足实际使用需求的情况下, 考虑系统造价;第三, 灵活性, 选择系统时, 应注意选择一些标准化的开放式的系统, 方便各个系统间互联以及后期系统增容等。

参考文献

[1]GB50174-2008.电子信息系统机房设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2008

电子战数字测试系统的设计方法 篇10

本文设计了一种电子战数字测试系统, 对与电子战有接口关系的网络节点的数据信息进行模拟。可模拟高密度大批量的雷达威胁目标信息来检验电子战系统的信息处理、综合显示、目标分配等战术功能;可应用于电子战接口调试、测试、系统功能检验等不同场合, 满足不同的需求;可检测电子战系统在各种威胁环境下的反应时间;构建模拟作战环境, 用于测试电子战系统的数据融合等功能。

1 数字测试系统的体系结构

数字测试系统采用了灵活的模块化设计方法。把每个相关网络节点设计为一个基本模块, 包括侦察模块、干扰模块、指挥控制模块等;基本模块之间相互独立, 每个基本模块各自与被检系统相连, 能够独立完成网络报文的收发、处理、显示、解析和应答功能。在基本模块基础上设计高层模块, 包括反应时间检测、多目标处理能力检测、目标库管理、战情设置与演练等。高层模块调用基本模块提供的接口函数, 实现对被检系统各项战术功能的检测。这种设计方法使测试系统具有良好的开放性和可扩充性。

数字测试系统的体系结构见图1。

图1中, 基本模块基于UDP协议/TCP协议与被检系统进行网络通信。UDP是一个面向数据报的传输层协议, UDP协议的优点是提供了两种特有的传送数据的方式:广播与组播。通常情况下, 一个数据报仅发往单个目的主机, 也就是点对点 (Unicast) 报文。当需要将报文同时送到网上所有其它主机时, 可使用广播 (Broadcast) , 而不必同一条报文连续发送若干次, 从而有效降低了网络负荷。当需要把报文送往某些节点, 而不是全部节点, 则可以使用组播 (Multicast) , 以最大限度降低对该报文不感兴趣的节点的处理负荷。基于UDP协议通信, 通过应用层的超时重发机制来保证报文收发的可靠性。

与UDP协议对应的是, TCP协议提供一种面向连接的可靠的字节流服务, 并通过下列机制来保证传输的可靠性:在传输层实现应答超时重发;在TCP报文头包含“校验和”信息, 若收方检测后发现“校验和”有误, 则丢弃该报文段而要求重发;TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲区, 接收端只允许另一端发送其缓冲区所能接纳的数据。

2 基本模块的设计

基本模块实现某一相关网络节点数据信息的模拟。

每个基本模块提供相应的人机界面, 示意图见图2。用户首先对需要发出信息的参数进行设置, 然后点击“发出报文”菜单, 弹出一个子菜单, 其中列出该模块所有可发报文的名称。点击子菜单, 完成发出信息的操作。

报文参数的设置方式大致有3种类型。参数比较多、比较复杂的报文, 用表格方式, 比如报文1, 在一个表格中列出若干批目标的参数, 用户可根据需要用鼠标选中1批或多批目标, 作为发出信息 (表中的数据来源于相关联的目标数据库) 。比较简单的报文, 比如报文2和报文4, 用户直接在文本框中输入数据, 或直接选择复选框中的1个或多个状态即可。还有一种特殊的报文需要用简单的态势图来表示, 比如报文3, 给两个9管发射架装填弹种, 设置炮管为不同颜色来表示相应弹种。

基本模块的工作流程见图3。

基本模块的输入包括用户命令、高层模块调用和网络报文接收三类。

对于用户命令, 根据用户操作类型调用各自的流程进行处理:1、针对“开关机”命令, 进行节点状态初始化, 包括人机界面初始化、通信控件初始化等;2、针对“发出报文”命令, 根据用户选择的报文名称和输入的参数进行报文编辑、发出, 并记录发出时戳, 最后显示报文。

对于高层模块调用, 根据函数调用中的参数设置, 选择报文进行编辑、发出、显示, 并把报文发出时戳返回给高层模块。

对于网络报文接收, 记录下收到报文的时戳, 然后根据报文命令码进行识别。非法报文予以剔除, 合法报文则判断数字测试系统的应答方式:若是自动应答方式, 则组织报文进行应答。最后对接收的报文进行解析、显示。

3 高层模块的设计

3.1 目标库管理模块

目标库管理模块是一个重要的辅助模块, 用于实现对系统中各种目标库的数据管理功能。

数字测试系统建有多个目标库, 分别为各基本模块提供目标数据 (例如图2中的报文1) 。各目标库中预生成若干批目标参数。当基本模块开机时, 对应目标库中的数据就被载入模块的目标表中。

目标库管理模块提供了查看和修改库中数据的功能, 使目标参数符合用户的需求。

3.2 多目标处理能力检测模块

多目标处理能力检测模块通过下发命令到侦察模块, 控制侦察模块在瞬间发出大批量的侦察目标信息。侦察模块根据此命令, 从目标表中提取相应数量的目标参数, 组成ESM侦察信息, 发送给被检系统。在被检系统上观察信息处理结果, 同时在数字测试系统的干扰模块观察目标引导结果, 可检测被检系统多目标处理的能力。

3.3 反应时间检测模块

反应时间检测模块通过控制侦察模块向被检系统发出一批ESM侦察信息, 并提取发出报文的时戳;当干扰模块收到来自被检系统的目标引导, 则提取收到报文的时戳;通过比对时戳, 实现检测反应时间的功能。

3.4 战情设置与演练模块

战情设置与演练模块可用于检测电子战系统的数据融合等功能。

该模块的设计思路是:构建模拟战区, 设置作战区域, 设置我方平台和目标平台的初始位置 (经度、纬度) 、运动轨迹、速度等;目标平台所携带的辐射源类型包括ESM信息等。把这些辐射源信息按一定的数据格式和数据频率发送, 目标方位信息随运动时间而变化。考虑目标与我方平台的距离:当目标进入我方侦察系统探测范围时, 控制侦察模块发送ESM信息;当目标飞出侦察系统探测范围时, 控制侦察模块发送目标消失信息。把上述设置的战情态势数据保存到预案库中。战情演练时, 从库中调用预案, 在模拟时钟的控制下, 执行预案并控制各模块发送相应信息。

战情设置与演练模块中, 战情演练是其中的核心部分。战情演练的过程由模拟时钟控制。时钟在战情演练命令下发时即初始化归零, 此后按照模拟步长周期性触发, 统一各平台的解算步骤。平台位置解算是后续参数解算的基础。根据预案中对敌我双方平台的运动轨迹设置, 依据时钟计算当前时刻各运动平台的位置, 进而解算目标平台至我方平台的方位和距离。下一步进行侦收与探测判别。判断侦察系统对敌方辐射源的侦收情况, 对辐射源信号中不可接收到的部分进行过滤, 降低处理密度。主要通过频率判别和距离判别进行处理。根据侦收判别的结果, 控制侦察模块发出ESM信息或目标消失信息, 指挥控制模块发出目标航迹信息, 等。

此时, 在被检系统观察对各种数据进行融合处理的结果, 并与战情设置与演练模块设置的数据进行比对, 完成对被检系统数据融合功能的评估。

4 结语

电子战数字测试系统采用模块化设计思路, 分两个层次进行软件模块设计, 具有较好的开放性和可扩充性。该数字测试系统成功解决了电子战系统接口测试困难、检验缺乏手段等问题。

参考文献

[1]张永顺, 童宁宁, 赵国庆.雷达电子战原理[M].北京:国防工业出版社, 2007.

电子式数字通信技术分析 篇11

摘 要：随着科技的不断发展，在当前的数字化变电站当中，电子式互感器正在得到越来越广泛的应用。在数字技术的发展和应用之下，电子式互感器的技术不断提升，极大地提升了其应用性能。与传统的电磁式互感器相比，电子式互感器具有绝缘性能好、频带卷、简易便携等优势，其中的数字同步和数字通信技术等具有十分重要的作用，因此，本文对电子式互感器中数字同步和数字通信技术进行了分析。

关键词：电子式互感器；数字同步；数字通信技术

1 电子式互感器

1.1 基本概念

在设计电子式互感器的结构时，对于高精度采集模拟电信号的任务，需要利用采集器来实现，使电信号得到传递。在电子式互感器当中，外部接口数字化、传感原理新型化等是其中的重要内容。在光学无源电子式互感器当中，传输和采集信号的传输介质使光学器件，其信号传变性能十分优良。此外，还有一种非光学有源电子式互感器，在此类电子式互感器当中，高精度信号是由高压侧电子回路进行采集，通过对罗氏线圈等传感器、数据采集电路等进行应用，向低压地电位传输采集的信号。

1.2 主要特点

在电力系统当中，随着数字化、智能化程度的不断提高，电子式互感器能够很好地满足实际应用需求，具有很高的测量精度，而且在不同的荷载状态下，也不会影响其测量精度。同时，电子式互感器的绝缘性良好，具有较高的安全性。[1]电压互感器短路或电流互感器开路的风险不存在，同时具有较大的电子式互感器动态范围。在电子式互感器中，没有铁芯存在，因而不会发生铁磁谐振，具有良好的暂态特性、易携带性、轻便性等特点。

1.3 输出信号

在电子式互感器当中，主要包括模拟信号、数字信号等输出信号的类型。测量的数字信号输出电流为2D41H的测量值，电压保持为2D41H、电流保护数值保持在01CFH，在模拟信号输出的电流互感器当中，数值为4伏、225毫伏、150毫伏。

1.4 配置原则

在110千伏及以上的电压环境中，综合考虑成本和技术方面的问题，可采用常规互感器、电子式互感器，如果对于66千伏以下的电压来说，用户外敞开配电装置保护测控集中布置的基础上，也可采用常规传感器、电子式传感器。[2]如果保护测控下放布置，则不应采用常规传感器。

2 数字同步技术的应用

在传统电磁式互感器当中，是连续输出模拟量，同时模拟量同步状况较为良好，而不同传感器的传变角差是其主要区别。而在实际应用中，传变角差数值都会很小，因此基本可以忽略。而在电子式传感器当中，除了模拟化传感头之外，还包括数字处理、模拟信号到数字信号的转换，所以在应用电子式传感器的过程中，必须对数据同步的问题加以解决。而在电子式互感器的同步方面，涉及了很多相关的内容。[3]在相同间隔当中，数据计算对于母线电压、线路电压、功率因数、电流、电压、无功功率、有功功率等同步都发挥着重要的作用。根据相关技术规范标准来开，在一个间隔当中，同一单元最多能够对12个测量量进行处理和输出，因此，应当保持这些测量量之间的良好同步。在变电站当中，一些设备需要对多个不同间隔的电流、电压数据进行应用，例如平行双线横联差动保护装置、集中式母线保护设备、集中式小电流接地选线设备等，在相关间隔中，应当确保同步的合并单元输出数据。对于输电线路，如果差动保护方式为数字式纵联电流，在线路各侧，也应保持同步的数据，也涉及了很多相关的变电站。在电网检测系统当中，需要对全系统同步相角测量进行提供，在全系统当中，也可能实现同步的数据采集。

3 数字通信技术的应用

在高压传感器当中，通常会输出较小的数值模拟量，在传输过程中，为了对损耗进行降低，在传输当中通常利用离散数字信号。而在光纤通信当中，还应当利用光信号对电子信号输入进行转变，在光纤当中进行传输，进而完成通信的过程。相比于模拟通信，数字通信具有更高的质量，在通信系统当中，其应用也更为广泛。数字通信中对电路信号进行调制的主要方式就是数据编码，对数字信号进行调制，使之形成光信号实现光纤传输，利用光电转换器在接收端对光信号进行接收，重新转化为数字信号，完成传输信号的任务。光源是数字光纤通信中的主要信号，因此，选择传输码，对于数字通信来说非常重要。很多码型都可以应用在光纤通信当中，例如伪双极性码、插入比特码、mBnB码等。在实际选择中，应当注重选择具有一定独立性的比特序列，可以检测的接收误码、误码的扩展性很小，为了提取信息方便，不能有长串的1或0出现，同时还应控制较少的码速率提升较低的码光功率代价。电子式互感器由于具有较短的传输距离，并且在能量供应中可能存在一定的问题，因此，难以有效地通过以上的编码方式加以实现。因此，利用数字传输的方式，采用数据编码、V/F-F/V、异步串行传输等方法，能够更好地确保测量精度。在光纤数字通信当中，应当先编码数字信号，然后通过光纤进行传输，在电子互感器当中，也可应用这种方法。根据电子式互感器的特点来看，在传输信号的过程中，可以采用双稳触发器、门电路触发器等。在开始每个数据的时候，对输出状态利用双稳触发器进行翻转，在中间时段的数据当中，如果数据为0，则保持不变的双稳触发器状态，如果数据为1，则其输出状态由双稳触发器再次进行翻转。在这种编码方式的实现当中，为了更好地发挥作用，应当确保初始状态为0的编码电路，并根据系统时钟频率的二分之一设定数据时钟频率。在低压侧当中，为了对原始数据进行更为准确的翻译，应当在低压侧恢复和处理相应的时钟和数据。在数字通信技术的应用当中，时钟信号的恢复发挥着至关重要的作用，对于电子互感器整个系统的传输质量、传输距离等，都会产生极大的影响和作用。在恢复时钟信号的步骤中，其目的是为了更好地判断接收到的数据信号，对稳定的数据信号进行恢复，从而将抖动和噪声除去，为后续的处理和传输提供便利，在这样的情况下，能够提供相应的特别信号，为系统的良好运行提供支持。

4 结语

在当前的社会当中，电力能源是一种非常重要的能源，因此电力系统的良好运行状态有着重要的意义。在电力系统运行状态的控制与检测当中，电子式互感器是一种十分常用的设备，对于电力系统网络的良好运行发挥着极大的作用。随着科技的发展，在电子式互感器当中，数字技术得到了更为良好的应用，而其中的数字同步技术、数字通信技术等，在实际应用当中也发挥出了更为良好的作用和效果。

参考文献：

[1]杨新华，殷玉洋，韩永军.电子式互感器数字接口的研究与设计[J].工业仪表与自动化装置，2012（02）：40-

43+47.

[2]罗彦，段雄英，邹积岩，王宁，郑占锋.电子式互感器中数字同步和数字通信技术[J].电力系统自动化，2012

（09）：77-81+91.

[3]张明珠，李开成，李振兴，易杨.基于高精度采集卡的电子式互感器校验系统设计[J].电力系统保护与控制，

2010（15）：114-118.

作者简介：于庆（1994—），男，吉林洮南人，沈阳理工大学学生。

刘旭虹（1995—），女，辽宁朝阳人，沈阳理工大学学生。

数字电子系统 篇12

随着智能电网的推广建设, 具有数字输出的电子式互感器被大量应用于数字化变电站。为了确保测量准确性, 需要定期对已投运的电子式互感器的准确度进行校验。根据电子式互感器现场校验规范, 新投运的电子式互感器校验周期为1 a, 实际可能更短[1]。因此需要研究数字输出电子式互感器校验系统。

针对数字输出电子式互感器校验系统的相关研究已经有很多, 且取得了一定成果。早在1999年, 瑞典CHALMERS大学的Jon Ivar Juvik等人就研究出了一种数字量输出的互感器校验仪[2]。2004年, 加拿大的B.Djokic等人研究出了数字量输出电子式互感器校验仪, 兼容IEC60044-7/8、IEC61850-9等协议[3]。国内近几年对数字输出电子式互感器校验系统也进行了研究。文献[4]和文献[5]提出了基于高精度采集卡构成的电子式互感器校验系统, 但该系统不能克服由于采集卡触发采样和开始采样非严格同步 (以下简称非同步) 造成的相位测量误差, 使得校验系统整体准确度等级受到角差测量准确度制约。文献[6]和文献[7]提出的同步方式能有效克服采集卡非同步造成的相位测量误差, 但其缺陷是同步信号是由采集卡的采样时钟分频而来, 不能接收外同步信号, 只能由校验系统发出同步信号。

综观目前已有的电子式互感器校验系统, 根据A/D转换单元的区别, 基本分为嵌入式A/D方案和采集卡方案。嵌入式A/D方案即使用A/D转换芯片实现A/D转换, 虽然优点很突出, 但其设计复杂度高, 调试难度大。相比之下, 直接使用采集卡则要简便得多, 而且采集卡具有集成度高、精度高、性能稳定可靠等优点, 结合当前的虚拟仪器技术, 能快捷搭建高精度、高稳定性的校验平台。目前由采集卡构成的校验系统有2个固有缺陷:一是不能克服采集卡非同步, 二是不能接收外同步信号, 二者始终至少存在其一。产生这2个缺陷本质原因是采集卡采样非同步。本文针对上述问题, 深入分析了非同步的原因并提出了解决方案。

1 采集卡触发原理分析

采集卡的本质是A/D转换器。A/D转换器的原理有很多种, 尽管不同原理的A/D转换器的转换速度和精度不同, 但其工作过程是相同的, 即由采样触发信号控制, 在工作时钟同步下工作。一次转换需要的时钟数由A/D转换器的原理和位数决定, 一次A/D转换完成到下一次A/D转换开始的最短时间的倒数就是A/D转换器能达到的最大采样率。A/D转换器的转换精度主要受量化误差影响, 即取决于A/D转换器的位数[8]。A/D转换器从接收到采样触发信号至开始采样存在微小的延时, 在一般使用时并未考虑。但是在应用于校验系统时, 这个延时会造成相位测量误差, 有时该误差会相对较大, 不得不予以考虑。采集卡触发采样和开始采样的时序图如图1所示。

图1中, 上面的脉冲序列为采样率时钟, 下面的脉冲为采样触发信号。从图中可以看出, 采集卡从触发采样到开始采样, 并不严格同步, 有Δt的延时, 从而造成相位测量误差ΔΦ。具体地, 当被采样信号周期为T、采样率为fs时, 最长采样延时 (单位s) 为:

由采样延时引起的最大角差 (单位 (′) ) 为:

以4 k Hz采样率为例, 采样触发信号为外部秒脉冲 (PPS) 同步信号, 与采样率时钟没有任何时间相关性。由图1可以看出, 从采样触发信号上升沿到开始采样有延时Δt, 其最大值为250μs。对于50 Hz工频信号, 1μs时间差对应1.08′相位差, 250μs即对应270′。目前的电子式互感器的准确度一般为0.2级, 要求相应的校验系统的准确度至少为0.05级, 对应的角差测量准确度为2′。过采样技术能在一定程度上改善幅值和相位测量准确度, 但在相位测量方面, 其效果仍然不十分理想。以24位高精度采集卡PXI/PCI-5922为例, 在确保24位采样精度的条件下, 即使以最高采样率 (500 k Hz) 采样, 对于50 Hz工频信号, 由采样延时引入的相位差最大仍然可达2.16′, 已经超出角差限值。此外, 经济性也是重要的考虑因素。

由此可见, 使用采集卡构建的校验系统, 当接收外部同步信号时, 由采集卡采样延时引起的测量相位差是必然存在的, 且相位差与采样率和被采样信号频率均有关, 制约了校验系统的整体准确度。使用过采样在一定程度上可以克服上述问题, 但效果有限, 且成本相对较高。为了提高校验系统的相位测量准确度, 本文提出通过时间数字转换器TDC (Timeto-Digital Converter) 技术测量采集卡触发采样到开始采样的时间差, 再将时间换算为角度以校正相位的方法, 具有良好的效果和经济性。

2 TDC单元的原理及实现

以上分析表明, 采集卡的相位测量误差是由触发采样到开始采样的延时Δt引起的, 如果能测量出Δt, 则可以根据Δt校正相位。若被采样信号周期为T, 则需要校正的相位值即为ΔΦ。

TDC技术是时间测量的基本手段和常用技术, 常用的有计数器、电流积分、时间放大等方法[9]。针对本文中提到的需求, 宜选择计数器法, 下面介绍采用基于现场可编程门阵列 (FPGA) 的计数器法实现TDC时间差测量的原理。计数器法的基本原理是以被测时间起止时刻为计数门控信号, 控制计数器对已知频率的脉冲信号计数。计数器在被测时间的开始时刻“开门”即开始计数, 在被测时间结束的时刻“关门”即停止计数。具体地, 以PPS采样触发信号的上升沿为“开门”信号开始计数, 以该上升沿后的第1个采样率时钟的上升沿为“关门”信号停止计数, 测量原理框图如图2所示。

在图2中, 假设计数脉冲频率为fclk, 计数器在PPS信号上升沿到来时开始计数, 在紧接着的采样率时钟的上升沿到来时停止计数。在被测时间段内, 计数器的计数值为N, 那么被测时间Δt为:

由上式可知, fclk越大, 测量时间的分辨率越高, Δt测量越精确。

选用Altera公司的CycloneⅡ系列的FPGA器件EP2C8T144C8, 外接50 MHz有源晶振, 作为EP2C8-T144C8工作时钟和计数器输入脉冲。在QuartusⅡ开发环境下, 使用Verilog HDL开发图2所示的时间差测量电路的各个功能模块, 最终生成顶层原理图, 下载到EP2C8T144C8中[10], 从而实现上述TDC单元。

TDC单元测量采集卡从触发采样到开始采样的时间差的具体实现方法如下:将采集卡的采样率时钟由RTSI总线路由出来, 和PPS触发信号分别输入到时间测量电路的2个输入端, 作为计数器开始计数和停止计数的控制信号, 测量结果由串口反馈至校验系统的计算机, 以据此校正测量的相位。

经实验验证, 上述TDC单元的时间差测量准确度为±0.02μs, 对应相位校正量的准确度在50 Hz条件下为±0.02′。

3 校验系统实现及其准确度分析

3.1 校验系统实现

基于TDC的数字输出电子式互感器校验系统由采集卡、标准电磁式互感器、标准信号变换器、TDC单元、计算机和校验软件等组成。校验系统的构成框图如图3所示。

图3中, 标准电磁式互感器、标准信号变换器和采集卡构成标准通道, 标准数据经PCI总线送入计算机;被校电子式互感器作为被校通道, 被校数据经网口以IEC61850-9-2格式帧送入计算机;标准路和被校路数据由外部PPS信号进行同步;同时, 外部PPS信号和采集卡的采样时钟输入到TDC单元, 测量采集卡从触发采样到开始采样的延时, 测量结果由串口送入计算机。

计算机获取标准通道数据、被校通道数据和延时时间之后, 由校验程序计算标准通道数据和被校通道数据的幅值和相位并进行对比, 得出被校电子式互感器相对标准电磁式互感器的比差和角差。最后, 根据测量的采样延时时间, 对计算出来的角差予以校正。校验程序流程图如图4所示。

当被测电流或电压的频率偏移50 Hz, 或者采样时间为非工频周期整数倍时, 直接使用离散傅里叶变换计算相位和幅值会因非整周期采样而产生误差[11]。为了减小非整周期采样产生的误差, 常用的有准同步算法、相位修正方法和加窗插值算法[12,13,14,15], 本文的校验系统采用加二阶汉宁卷积窗的误差修正算法, 对由于非整周期采样而产生的频谱泄漏误差做了修正[16]。

3.2 准确度分析

图3的校验系统引入测量误差的环节有标准电磁式互感器、标准信号变换器和采集卡A/D转换, 引入的幅值误差分别记为σ1、σ2、σ3, 引入的相位误差分别记为φ1、φ2、φ3, 以下分别分析其误差。

采用0.02级标准电磁式互感器, 引入的幅值误差σ1和相位误差φ1符合0.02级准确度要求。

采用0.02级标准信号变换器, 引入的幅值误差σ2和相位误差φ2符合0.02级准确度要求。

本文校验系统使用PCI-4474采集卡, 具有24位量化位数、45 k Hz带宽和PCI通信总线, 满量程为20 V, 最大动态范围可达110 d B。A/D转换的最小分辨率为:

其中, Nc为A/D转换器位数;Umax为满量程输入电压。所以, 24位采集卡的最大量化误差为:

本文实现的校验系统设计为额定条件下, 采集卡输入电压为5 V。在校验S级电流互感器时, 在1%的额定电流测试点处, 由A/D量化引入的幅值误差为:

代入数值计算得到σ3约为±0.002 4%, 远小于±0.01%。

PCI-4474采集卡使用T-Clock同步技术, 使得各通道以等时间间隔同步采样, 同步时间误差小于10 ns, 引入的相位误差φ31在50 Hz条件下为:

TDC单元采用基于FPGA的计数器法实现时间差测量, 使用频率为50 MHz的计数脉冲, 时间测量准确度为±0.02μs, 在50 Hz条件下相位校正分辨率可达±0.02′。经校正之后由采集卡非同步采样引入的相位测量误差φ32在50 Hz条件下为:

由采集卡引入的相位测量误差在50Hz条件下为:

上述误差远小于0.01级互感器的角差限值。

标准通道的总体幅值测量误差为:

标准通道的总体相位测量误差为:

由误差分析可知, 标准通道的总体幅值误差和相位误差均小于0.05级准确度互感器的幅值和相位误差限值。

综上所述, 该校验系统在接收外同步信号时, 能克服由于采集卡从触发采样到开始采样存在延时而造成的相位测量不稳定误差。配合加二阶汉宁卷积窗校验算法, 该校验系统整体准确度可达0.05级, 能对0.2级及以下电子式互感器进行校验。

4 测试结果

为了验证本校验系统所采用方案的可行性和校验系统的准确性, 使用更高准确度等级的测量仪器对本校验系统进行了比对测试, 测试的原理图如图5所示。

测试实验在国家高电压计量站互感器校验实验室进行, 采用安捷伦8位半表测量的数据作为标准数据, 通过GPIB总线传输到计算机, 再转换为IEC61850-9-2帧格式发送到被测试的电子式互感器校验系统。电子式互感器校验系统的测量数据作为被校数据, 利用校验系统计算其和标准数据的幅值和相位, 比对得出角差和比差。以电流校验为例, 标准信号变换器的电流变换选择为5 A/4 V, 即额定电流Ir为5 A, 在1%Ir、5%Ir、20%Ir、100%Ir和120%Ir测试点处的10次测试数据的比差和角差平均值分别列于表1和表2。

由表1、表2可以看出, 在上述测试点处, 本校验系统均满足0.05级准确度要求, 且通过多次测试, 比差的单点波动不超过0.02%, 角差的单点波动不超过0.2′。由于电流互感器测试点比电压互感器测试点动态范围更大, 因此校验系统的测量准确度在校验电压互感器时也满足0.05级。

测试结果表明:本校验系统稳定性好, 能够接收外同步信号, 测量准确度可以达到0.05级。

5 结论

本文分析了基于采集卡的校验系统存在的2个固有缺陷, 指出这2个固有缺陷的根本原因是采集卡采样触发机制, 即触发采样到开始采样不严格同步, 并定量分析了这种触发机制对相位测量准确度的影响。据此, 提出了一种新的电子式互感器校验系统, 通过TDC单元测量采集卡从触发采样到开始采样的延时, 对测量的相位进行校正, 有效解决了上述问题。在校验算法上, 采用加二阶汉宁卷积窗算法, 抑制非整周期采样对测量精度的影响。