十进制网络（共7篇）
十进制网络 篇1
1月23日, 记者从中国十进制网络安全地址启用新闻发布会上获悉, 我国政府官方网站现已拥有十进制网络安全地址, 得到授权的网络用户可使用数字域名和法定名称登录政府门户网站, 基于十进制技术构建的互联网在我国正式开始投入使用。文化部副部长孟晓驷, 国家发改委、科技部、信息产业部、商务部和中共中央党校有关领导出席了发布会。
据悉, 中国十进制网络安全地址的特点是采取以数字域名为核心的互联网域名解析体系, 网民可以像拨电话号码一样使用数字域名和法定名称上网。
中国十进制网络安全监督管理局常务副局长程恒知介绍说, 十进制网络在分配IP地址时, 以数字域名为核心, 并可完全兼容中文和英文域名。这一重大技术突破, 是我国科学家创造性地采用计算机十进制地址对应普遍采用的计算机二进制地址, 依据国家颁布的数字域名规范, 建立独立的用户编码体系, 研制成功的中国十进制网络域名解析系统。在信息产业部新一代安全可控信息网络技术平台总体设计专家工作组、信息产业部科学技术司十进制网络标准工作组等有关单位的技术协同下, 中国十进制网络华中地区信息交换系统正在为该区域内专网用户提供地址分配、域名解析和信息交换服务, 中国十进制网络根域名解析服务系统日前投入试验运行, 即将启动中国十进制网络公共服务平台, 开展更大规模的应用。
十进制网络 篇2
隐蔽信道的概念最初是由Lampson于1973年提出[1],一般分为两种类型:存储隐蔽信道和时间隐蔽信道。网络时间隐蔽信道(Network Covert Timing Channel,NCTC)是在网络环境下,利用数据包的发送时刻、发送间隔等特性来构建的隐蔽信道。2004年,Cabuk提出了一种IP时间隐蔽信道[2]。在该信道中,发送者和接收者约定一定的时间段(timing interval)。在传输过程中的每个时间段内,发送者向接收者发送一个数据包,或者保持静默,这两种动作分别代表符号0和1。Berk于2005年设计了另外一种网络时间隐蔽信道,这种隐蔽信道利用网络包间的间隔时间表示要传输的数据[3]。发送端使用单位间隔时间t表示0,用2倍的单位时间间隔表示1。
Cabuk和Berk设计网络时间隐蔽信道时,均以一位二进制信息为单位传输内容,信道利用率不高,并且没有对网络延迟抖动影响进行针对性分析。本文在此基础上,提出了多进制网络时间隐蔽信道的设计,通过大量实验仿真,并结合数值分析方法给出消除网络抖动影响的方法。介绍了三种多进制网络时间隐蔽信道的实现原理,分析了网络抖动对信道的影响,得出消除抖动影响的时间限值计算方法;通过对三种信道在不同抖动下的仿真,验证多进制信道实现的可行性和限制计算方法的可靠性。
1多进制网络时间隐蔽信道设计
信道容量的概念最早来源于信息理论,指信道能够取得的最大信息传输速率,被TCSEC采用作为信道威胁评价的指标,在信道度量领域应用最为广泛[4]。
对于一个通信系统,如果把接收端的接收符号当作离散信息源,把接收数据中不同的值看作是一组随机事件,那么,就可以对它的信息熵进行分析。针对Cabuk等人开发的NCTC,假设在信道中只存在NCTC的情形下。设定发送端的符号传输集为X={ni,i=0,1},接收端的符号集为Y={ni,i=0,1},在没有任何干扰的情况下,根据互信息的基本性质,可知I(X,Y)=H(X)=H(Y)。依据最大熵理论,当时,S表示某个事件发生的总次数,H(X)取得极大值,因此,该信道的信息容量为1 bits。
依据信息熵的基本性质,在等概率情况下,H为n的单调上升函数[5],即对于等概率事件,状态越多就有更大的不确定性,在通信系统中,信道的容量就越大。
同样假设在信道中只存在NCTC的情形下。设定发送端的符号传输集为X={ni,i=0,1,2,3},接收端的符号集为Y={ni,i=0,1,2,3},依据前述计算可知,该信道的信息容量为2 bits。
据以上分析,可将NCTC的二进制编码改为多进制编码,使之能在单位时间内传输更多的信息,本文设计三种多进制NCTC:
NCTC1———细化编码所对应的时间间隔,如在0.5 s内,0 s—0.25 s间有数据包传输代表1,无数据包传输代表0,0.25 s—0.5 s间有数据包传输代表1,无数据包传输代表0,则在0.5 s的计算单位内存在00、01、10、11四种可能,NCTC1的原理(见图1)。
NCTC2——设定多级的时间间隔,时间间隔在0.1 s内代表00,时间间隔在0.1 s和0.2 s之间代表01,在0.2 s和0.3 s之间代表10,在0.3 s和0.4 s之间代表11,NCTC2的原理(见图2)。
NCTC3——1 s内的流量小于1 kb/s代表00,1 kb/s和2 kb/s之间代表01,2 kb/s和3 kb/s之间代表10,3 kB/s和4 kB/s之间代表11,NCTC3的原理(见图3)。
2 网络延迟抖动的影响
时间隐蔽信道实现要求收发双方共享统一的时钟,建立可靠的同步机制。数据包收发的间隔时间是NCTC同步机制的重要参数。如果数据包的传输延迟是固定的,那么,隐蔽信道的接收端可以简单调节数据包的接收时钟来消除影响。但是,如果延迟有变化,数据包在传输过程中存在抖动,接收端观察到的数据包到达时间或早于或迟于预期时间,这会可能导致接收到的信息中出现0插入或者0丢失的单个位出错现象,因此网络时间隐蔽信道设计必须避免延迟抖动的影响。
NCTC1实现判断条件为数据包到达时间是否在预定时间间隔之内,抖动会造成数据包到达时间偏离预期。避免的关键在于预定时间间隔的设置,可以设置数据包在发送时处于时间间隔中间点,数据包到达时间加上最大抖动时间小于预定时间间隔的一半。
NCTC2实现的判断条件为相邻数据包到达的时间间隔是否是预定时间间隔之一,抖动会造成相邻数据包到达时间间隔不是预定时间间隔之一。避免的关键在于每个预定时间间隔的设置,可以设置为相邻数据包到达的无抖动状态下预定时间间隔加上最大抖动时间。
NCTC3实现的判断条件为预定时间间隔内数据包到达的流量为预定流量之一,抖动会造成预定时间间隔内的流量不为预定流量之一。避免的关键在于预定时间间隔的设置,可以设置为无抖动状态下最后一个数据包到达的预定时间加上最大抖动时间,同时要求数据包集中发送。
综合上述分析可以看出,NCTC实现的关键在于预定时间间隔设置。预定时间间隔设置需要预先统计分析网络中最大抖动时间。
若设t1为packet1的发送时间,t2为无抖动状态下packet1的预期接收时间(这里将接收端处理报文的时间忽略未计),t3为packet1的实际接收时间。delay为传输延迟,max_jitter为最大抖动时间,interval为预定时间间隔设置。则有:
delay=t2-t1;
max_jitter=t3-t2;
预定时间间隔interval可以设置为delay与max_jitter及差值之和(见图4)。
3 NCTC在NS2上的仿真实现
本文在仿真工具NS2上,通过FTP和流量发生器CBR模拟了三种NCTC实现过程,分析了网络状况对NCTC运行的影响。
3.1 仿真实例
本文利用NS2 作为仿真平台对NCTC进行仿真。在实例中,初始设置n0、n1、n2、n3共4个节点;n0和n2,n1和n2之间各有一条双向链路带宽为2 Mb/s,延迟为10 ms;n2和n3之间有两条单向链路,链路带宽为1.7 Mb/s,延迟为20 ms;每个链路使用先进先出策略;n2和n3之间链路的最大队列长度为10。n0和n3之间有一个构建在TCP上的FTP连接;n1和n3之间有一个构建在UDP上的CBR连接。CBR用来实现隐藏数据“0101100100100111”的通信;FTP用来构建网络阻塞等状况。
一般情况下,NCTC至少受到网络状况、收发双方的处理能力、算法的复杂度、程序的可移植性四个因素的影响。除网络状况外,其余三个因素主要影响收发两端数据包的处理速度。本文在仿真时用2个节点n1和n3,分别作为收发两端,假定这三个因素确定,不改变节点处理数据包速度。
网络状况对NCTC的影响主要存在于网络阻塞和延迟抖动,比如网络堵塞可能造成数据包到达时延变长,或者到达顺序混乱,甚至于数据包丢失;抖动使得收发双方的同步出现问题。到达顺序混乱一般出现在多路径情况下,本文不作考虑。网络堵塞要求线路速度大于处理速度,并且出现多路争用资源的情形,严重情况下产生丢包。本文实例通过仿真实验,构建了较复杂网络状况、单路径下三种NCTC的实现,并比较分析三种方法的优劣。
3.2 结果分析
根据文献[6]的研究,抖动主要受到线路负载和发送速率的影响,本文设计三种不同的速率情况,利用FTP流量和CBR流量观察了仿真拓扑的运行状况,结果表明线路参数设置起作用,n2节点有排队现象。本文以不同发包速率测试时线路最大抖动,结果显示抖动不超过0.05 s(见图5)。
NCTC1实验时,以[0.25 s—0.5 s、0.75 s—1.0 s、1.0 s—1.25 s、1.75 s—2 s、…]的时间间隔序列产生CBR流量。由于传输延迟的存在,需要在结束时间点的基础上减去传输延时t,如0.25—(0.5—t)。以修正后的时间间隔序列产生CBR流量,同时产生FTP流量,网络产生阻塞,造成抖动,需要再次修正时间间隔序列,减去最大抖动延时T,即0.25—(0.5—t—T),并确定结果大于0,完成时间约为4 s,结果(见图6)。
NCTC2实验时,同NCTC1一样,计入最大抖动延时后,修改CBR发送数据包的时间间隔为0.5,分别在0.5 s、0.65 s、0.8 s、1.05 s、1.20 s、1.25 s、1.5 s、1.65 s、2.0 s发送数据包,同时在0.1 s产生FTP流量,网络产生阻塞,但FTP有丢包现象,CBR无丢包,完成时间约为2 s,实验结果(见图7)。
NCTC3实验时,同NCTC1一样,计入最大抖动延时后,修改CBR发送数据包的时间间隔为0.2,数据包大小设定为800 b,依据数据包的大小确定在单位时间1 s内所发送数据包的个数,并据此计算1 s内流量,FTP流量产生后,网络出现阻塞,有FTP数据包丢失,完成时间约为8 s。实验结果(见图8)。
仿真结果表明,三种NCTC设计时均需依据延迟及抖动等网络状况,设置计算的时间单位。NCTC1计算时,要估算线路延迟和阻塞延迟,并在计算单位内减去相应的延迟时间。NCTC2需估算延迟时间,确定区分不同编码的时间间隔。NCTC3单位时间的流量大小也需要依据延迟状况来确定。同等网络状态下,从效率上来看,NCTC2完成时间短,效率比较高;从稳定性来看,NCTC1受延迟影响较大,NCTC2受包丢失影响较大,NCTC3稳定性较高。
4 结束语
在基于网络协议的隐蔽信道中,NCTC利用数据包的时间特征来传递信息,在具有突发性和随机性的网络流量中,比存储型网络隐蔽信道具有更大的随机性,对流量进行二进制编码的特征也限制了它的通道容量。
基于多进制的NCTC不仅可以显著扩大通道容量,而且能降低信息传输差错带来的影响。本文所设计NCTC可扩展为更高进制,通过仿真,实现了在单路径网络中,有延迟干扰情形下,三种多进制NCTC的可靠运行。为扩大NCTC的适用性,可在具有路由功能的多路径网络中,有延迟、抖动、包顺序混乱、包丢失等状况下,对NCTC的运行作进一步的研究。
参考文献
[1] Lampson B W.A note on the confinement problem.Communicationsof the ACM,1973;16(10):613—615
[2] Cabuk S R,Brodley C E,Shields C.IP covert timing channels:de-sign and detection.Proceeding of the 11th ACM Conference on theComputer and Communication Security.Washington,USA,2004:178—187
[3] Berk V,Giani A,Cybenko G.Detection of covert channel encodingin network packet delays.Technical Report,TR2005536,Depart-ment of Computer Science,Dartmouth College,2005;1—11
[4] U.S.Department of Dedense.Trusted computer system evaluationcriteria.DoD 5200.28-STD,1985
[5]冯尚友.信息熵与最大熵原理.水利水电科技,1995;(3):24—28
十进制网络 篇3
LEACH协议[1]是无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 经典的分层路由协议, 能有效地延长网络生存时间。但是由于LEACH协议采用由节点生成随机数的方法选择簇头并成簇, 使得每次成簇的数目相差较大, 簇头在簇中的位置未必最优, 且对簇头的剩余能量也未加考虑, 因此LEACH协议还有可改进之处。
文献[2]在簇头选举时考虑了节点的能量因素, 选择剩余能量大的节点作簇头, 但未对簇的数目和簇头位置进行优化。文献[3]在选择簇头时, 考虑了候选簇头及簇内节点的能量和距离因素, 但对簇的数目和簇的大小未进行控制。文献[4]引入了簇门限数和合并极小簇的方法, 对簇的规模和个数进行了优化, 但对簇头在簇中的位置未作考虑。
针对LEACH协议的不足, 本文基于LEACH提出了一种新的BPSO-LEACH (Binary Particle Swarm Optimization LEACH) 算法。BPSO-LEACH首先在分簇过程中控制簇的数量, 使簇的个数最优以减小全网的能量消耗, 然后对网络中的每一个簇应用二进制粒子群算法重新选择簇头, 使簇内能量消耗之和最小且节点间能耗均衡。
1 LEACH协议的不足
由文献[1-4]可知, LEACH协议存在以下不足:
(1) 每一轮分簇时, 簇的数目可能差别较大。如果簇数太多, 会有较多的簇头向基站传输数据, 使全网的能耗过大;如果簇数太少, 节点可能会离簇头较远, 向簇头传输数据时会因消耗过多能量而导致较早死亡。
(2) 选举簇头时, 由随机数和阈值来决定一个节点是否成为簇头, 没有考虑节点的剩余能量, 使剩余能量较小的节点有可能成为簇头, 导致簇头过早死亡。
(3) 每一个簇中, 簇头位置未必最优, 使簇内节点能耗不均衡。
2 二进制粒子群优化算法
设粒子在D维空间中寻优, 每个粒子有一个位置矢量Xik= (Xki1, Xki2, …, XkiD) , 一个速度矢量Vik= (Vki1, Vki2, …, VkiD) [5]。位置矢量Xik和速度矢量Vik的迭代可用式 (1) 和式 (2) 表示:
式中, w是惯性因子, c1是个体学习因子, c2是全局学习因子, r1和r2是区间[0, 1]上的随机数, PB是粒子的个体最优值, GB是粒子群最优值。
二进制粒子群优化算法BPSO[6] (Binary Particle Swarm Optimization) 的位置矢量是二进制空间, 粒子在每一维上的取值只能是0或1, 速度矢量仍然位于实数空间。BPSO速度矢量的更新公式仍用式 (2) , 位置矢量改用式 (3) 描述:
3 BPSO-LEACH算法
针对LEACH协议的不足, 提出了以下改进方案。
(1) 针对簇的个数不确定, 根据WSN的能量消耗模型, 计算出使整个网络能耗最小的簇数, 在分簇过程中控制簇的数量, 使簇的个数最优。
(2) 针对能量较小的节点可能成为簇头和簇头位置不是最优, 在每个簇中遵循簇头节点能量较大、簇内成员节点能耗均衡的思想, 应用BPSO算法重新选择簇头。
3.1 网络模型
(1) 基站位于WSN外部, 能量不受限制, 计算能力不受限制。
(2) 节点随机部署在一个正方形区域中, 节点初始能量相等, 部署后不再移动。
(3) 基站知道WSN内节点的地理位置和初始能量, 基站能根据节点发送的数据量估算节点的剩余能量。
(4) 成员节点可以根据到簇头的距离, 调整自己的发射功率。
3.2 分簇数目的控制
设WSN中有N个节点, 随机分布在L×L的区域, 共分成K个簇, dHB是簇头到基站的欧氏距离, εfs和εmp是节点的无线通信能量消耗系数。由文献[7]可知:当网络分成个簇时, 总的能量消耗最小, 此时的K称为KBest。
在簇的形成阶段, 每一个成为簇头的节点首先把自己成为簇头的信息报告给基站而不是向全网广播, 此时的簇头称为候选簇头。如果向基站报告的候选簇头的个数超过KBest, 则基站从中随机挑选KBest个作为候选簇头, 其余的作为普通节点;如果候选簇头个数不足KBest个, 则基站线性增大阈值T (n) 并告知全网节点, 重新启动簇头选举, 直到产生KBest个候选簇头。候选簇头确定之后, 按照LEACH中的成簇方法把整个网络分成KBest个簇。
3.3 应用BPSO算法确定最终簇头
从所有节点中选出KBest个候选簇头并成簇后, 候选簇头在簇中的位置很可能不是最优。下面应用BPSO-LEACH算法选择每个簇最优的簇头。
3.3.1 粒子的编码
设簇中有M个节点, 则粒子的搜索空间就是M维二进制空间。粒子i在进化的第k代的位置矢量是Xik= (Xki1, Xki2, …, XkiM) , 粒子每一维矢量的取值只能是0或1。若Xkij=1, 则表示第k次迭代时第k个粒子对应的分簇方案中把第j个节点作为簇头;若Xkij=0, 则第j个节点作为簇中的成员。
3.3.2 适应值函数的设计
应用BPSO-LEACH算法选择簇头时, 优化目标是使簇中所有节点的能耗之和最小且均衡。定义适应值函数如式 (4) 所示:
式中:d2iH是簇中第i个节点到候选簇头距离的平方, var (diH) 是簇中第i个节点到候选簇头距离的方差, eH是候选簇头的能量, α>0, β>0, γ>0, α+β+γ=1。在WSN生命期的不同轮中, 调整α、β和γ的值, 可以使簇头的选举倾向于能耗最小或是能耗最为均衡。
3.3.3 BPSO-LEACH的步骤
对每一个簇分别应用BPSO-LEACH算法选择簇头。
(1) 初始化一个规模为Q的粒子群, 每个粒子的维数是M (簇中节点个数) , 确定参数c1、c2、w和迭代次数k。
(2) 初始化粒子的位置和速度。粒子的位置矢量由式 (5) 给出:
r (0, 1) 是区间[0, 1]上的随机数, R是一个常数。粒子的速度矢量由式 (6) 给出:
其中:VMin和VMax分别是粒子速度的最小值和最大值。
(3) 计算粒子的适应值。对于每一个粒子, 如果Xkij=1, 表示第k次迭代时第i个粒子表示的分簇方案中第j个节点作为簇头, 其他节点作为成员, 利用式 (4) 计算粒子的适应值。
(4) 计算每个粒子的个体最优值和整个种群的全局最优值。迭代过程中, 使适应值函数取得最小值的粒子的位置矢量是个体最优值, 在所有的个体最优值中求出全局最优值。
(5) 根据式 (2) 和式 (3) 更新粒子的速度和位置矢量。
(6) 重复步骤 (3) ~ (5) , 直到完成规定的迭代次数。
(7) 对于最终全局最优值所对应的粒子, 因其对应了若干种簇头选择方案 (簇头选择方案总数等于值是1的矢量的维数之和) 。对每一个候选簇头, 应用式 (4) 求其适应值, 取适应值最小的候选簇头作为最后的正式簇头。
4 仿真实验
应用MATLAB软件对LEACH和BPSO-LEACH进行仿真, 各运行100次, 取平均值进行比较。评价指标是: (1) 网络生存时间, 从仿真开始到网络中70%的节点还存活所经历的轮数。 (2) 网络生存时间内节点的总能量消耗。
4.1 仿真环境和算法参数
仿真参数如表1所示。
4.2 仿真结果
图1是LEACH和BPSO-LEACH的网络生存时间仿真结果。图中的横坐标表示分簇轮数, 纵坐标表示存活节点数。从图1可以看出, LEACH在620轮左右即出现第一个死亡节点, 而BPSO-LEACH在870轮左右出现第一个死亡节点。LEACH的存活节点还剩下70%时的轮数约为1 300轮, BPSO-LEACH约为1 930轮。LEACH分簇的节点在大约2 900轮后全部死亡, 而BPSO-LEACH约为4 500轮。
图2是LEACH和BPSO-LEACH总的能量消耗仿真结果。图中的横坐标表示分簇轮数, 纵坐标表示网络中所有节点的剩余能量之和。由图2可以看出, 在网络分簇的开始150轮, 两种算法的能量消耗相差不大, 随着分簇轮数的增加, BPSO-LEACH的能量消耗要明显小于LEACH。
5 结束语
本文首先在分簇过程中按最优簇数控制了簇的数量。初步分簇过程按照LEACH协议的簇头选举方法选出候选簇头, 成簇后再应用二进制粒子群方法重新选择最终簇头。粒子的编码采用了簇头为1、节点为0的二进制编码方案, 适应值函数的设计目标是簇中节点的能耗之和最小且能耗均衡。迭代结束后取最优粒子中适应值最小的候选簇头作为最终的簇头。仿真结果表明, BPSO-LEACH比LEACH可以节约30%的能量, 延长约50%的网络生存期。
摘要：针对无线传感器网络LEACH协议分簇时, 能量较低的节点可能会成为簇头, 簇头在簇中的位置未必最优的问题, 提出了一种基于二进制粒子群的LEACH协议优化算法。首先在成簇过程中使簇的个数最优, 然后应用二进制粒子群算法在每个簇中选择最优簇头。仿真证明, 二进制粒子群优化的LEACH协议较原始LEACH协议有效降低了总的能量消耗, 延长了网络的生命期。
关键词：无线传感器网络,分簇,LEACH协议,二进制粒子群算法,粒子编码
参考文献
[1]HEINZELMAN W, CHANDRAKASAN A, BALAKRISHAM H.Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C].Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conf.on System Sciences.[S.l.]:IEEE Computer Society, 2000:3005-3014.
[2]Chen Xuhui, Yang Zhiming, Cheng Huiyan.Unequal clustering mechanism of LEACH protocol for wireless sensor networks[C].2009 World Congress on Computer Science and Information Engineering (CSIE 2009) , Los Angeles, USA, March 2009
[3]HANDY M J, HAASE M, TIMMERMANN D.Low energy adaptive clustering hierachy with deterministic cluster-head selection[C].Proc.of the 4th IEEE Conf.on Mobile and Wireless Communication Networks.Stockolm:IEEE Communications Society, 2002:368-372.
[4]吕涛, 朱清新, 张路桥.一种基于LEACH协议的算法[J].电子学报, 2011, 39 (6) :1405-1409.
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[6]KENNEDY J, EBERHART R C.A discrete binary version of the particle swarm algorithm[C].The 1997 Conference on System, Cybernetics and Informatics.Piscataway, NJ USA:IEEE Press, 1997:4104-4109.
BCD码的十进制加法电路 篇4
若相加结果产生进位C4, 其和也一定大于9, 故大于9的校正函数为:
由4位全加器构成的带有校正电路的8421BCD码的加法电路如F图所示。电路由两级全加器组成, 第一级进行初加, 第二级进行校正。当F=0时, 不修正;当F=1时, 加6 (0110) 进行校正。
摘要：本文详细叙述了BCD码的十进制加法原理。
关键词：BCD码,卡诺图,判9电路,加法器
参考文献
[1]数字逻辑电路设计:鲍可进等编著。北京:清华大学出版社。二OO四年二月。
十进制网络 篇5
本电路由5 5 5定时电路、7 4 L S 1 6 0计数器、CD4511七段译码器、七段数码显示器构成。各元件功能及流程如下：
555电路产生矩形波→74LS160十进制计数→CD4511七段译码和数码管驱动→七段数码显示器显示数字。
一、555定时电路
本制作中的555电路主要用来产生矩形波信号给74LS160提供计时脉冲。其实际电路如图1所示。实测输出端波形图如图2所示。其中输出端的脉冲频率可以通过调节50kΩ滑动变阻器加以改变。
二、74LS160电路
74LS160为可预置数码的十进制计数器。电路有清零、预置数码、十进制计数及保持原态四种功能。其功能表如表1所示。
本电路只需应用到加法器的功能。为此设计单元电路如图3示。
用探针测试，74LS160的四个输出端依次输出二进制码0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001十个状态。且在完成一次计数后，Rco输出一个正跳变(↑)进位脉冲。其波形图如图4所示。
三、CD4511和七段显示电路
本电路采用B C D七段译码/驱动器C D 4 5 1 1。CD4511以反向器作为输出级，通常用以驱动LED或荧光数码管。具有锁存、译码、消隐、灯测试四种功能。其功能表如表2所示。
本电路只采用译码的功能。为此设计电路如图5所示。分别在CD4511的输入端输入不同的二进制编码，则在七段数码显示管上显示相应的十进制数。图5中输入“3”的二进制编码“0011” (A0、A1高电平，A2、A3低电平) ，数码显示管显示十进制“3”。电路符合设计要求。
四、电路总图
把上述各分电路联系起来，可以设计出完整的电路如图6所示。
五、PCB板图
十进制网络 篇6
关键词：电能质量,二进小波变换,二-十进制转换,信号检测,信号分类
0 引言
近年来,随着电网容量的增大,结构复杂度的提高以及各种电气设备的迅速普及和使用,电能质量PQ(Power Quality)正日渐成为电力系统的研究热点。特别是短路故障引起的电压凹陷、电压凸起、电压中断以及电容器投切引起的暂态脉冲信号等备受关注。对信号进行准确的检测和分类是控制、治理以及有效压缩PQ信号的前提。
目前,对PQ扰动信号进行分类的方法主要有:基于小波分解的方法、区域图法、基于神经网络的方法以及结合小波技术的ANN方法等。基于小波分解的方法可以对几种典型的扰动进行有效辨识,但是不易适应更多种PQ信号的分类,如文献[1-2]采用的区域图法直观、形象,便于离线分析,但系统不能实现自动分类且费时;文献[3]基于ANN的方法从小波变化结果中提取7个特征量来表征PQ信号类别,作为神经网络的输入来辨识PQ信号,大大减少了ANN系统的复杂程度,缺点是训练负担重。
本文基于小波变换局部模极大值理论,采用二进小波变换对PQ扰动进行检测,以便从中准确提取信号扰动持续时间和幅值范围等特征量,并用二进特征矢量表征这些特征量。通过二-十进制的转换,使不同的PQ扰动信号对应于不同的十进制数,从而快速准确地判别扰动信号的类型,该方法快速、准确且有扩展性,仿真结果证明了其有效性。
1 二进小波的信号突变点检测
信号突变点检测是小波变换应用的一个很重要的方面。二进小波变换是完备的、稳定的,且具有平移不变性,因此二进小波变换经常用于信号的奇异性检测中[4]。本文拟应用二进小波进行信号突变点的检测,下面简单介绍有关基本概念。
1.1 二进小波以及二进小波变换
在连续小波变换中,如果只对尺度参数进行二进离散(α=1/2j,jZ)而平移参数保持连续变化(bR),则小波变换取得半离散的形式:
(Wψf)(1/2j,b)=∞乙-+∞f(t)2j/2ψ(2j(x-b))dx(1)
这种小波变换被称为二进小波变换。对应的小波函数ψ(x)被称为二进小波,它满足稳定性条件。因为信号f(x)在给定尺度下的二进小波变换是连续变量b的函数,因此研究二进小波变换常用另外一种形式,它被定义为信号和小波的卷积形式:
其中,小波ψs(x)是尺度因子s(s=2 j)对基小波ψ(x)的伸缩:
此时,平移参数b由变量x取代。
1.2 二进小波变换特性及其在信号检测中应用
二进小波变换的重要特性是平移不变性,由定义可以看出:
有
上式表明,f的平移的二进小波变换等于它的二进小波变换的平移,f(x)具有某种性质时,则对应的W2jf(x)也具有这种性质。
二进小波变换的另一个特性是:二进小波变换是信号的一种超完备的、冗余的表达。同离散小波变换相比,二进小波变换由于只是对尺度参数进行了离散,而平移参数仍然保持连续变化,在各个尺度下小波变换仍为连续函数,因此,二进小波变换是一种超完备的表达,从而对小波函数的要求大为降低。例如可以选择平滑函数的导函数作为小波函数。
设θ(x)是一平滑函数,ψα(x)是小波函数,且ψα(x)=dθ/d x,则有
上式表明,对函数f(x)的小波变换可表达为用平滑函数θ(x)对f(x)。因此,小波变换能够有效抑制噪声提取突变的信号。而且信号变化愈激烈,则对应的小波变换的幅值愈大。
定义设Wsf(x)是f(x)的小波变换,在尺度s下,在x0的某一邻域δ,对一切x有
则称x0为小波变换的模极大值点,Wsf(x0)为小波变换的模极大值[5]。
由二进小波的平移不变性可知:信号的突变点和其小波变换模极大值逐一对应。
1.3 信号的小波变换模极大值表示及奇异性检测理论
一个函数(或信号)f(x)R在某点的奇异性常用其奇异性指数lipischitzα来刻画。
定义设0≤α≤1,在点x0,若存在常数K,对x0的邻域x使得下式成立:
则称函数f(x)在点x0是lipischitzα;如果α=1,则函数f(x)在x0是可微的,称函数f(x)没有奇异性;如果α=0,则函数f(x)在x0间断。α越大,说明奇异函数f(x)越接近规则;α越小,说明奇异函数f(x)在x0点变化越尖锐。
信号的奇异性检测理论给出了具有突变性质的信号在何时发生突变以及变化剧烈程度的数学描述,即小波变换模极大值表示[6]。
综上所述,利用平滑函数一阶导数构造的二进小波,其二进小波变换的模极大值将对应于信号的尖锐变化点,检测其模极大值也就相当于检测出了信号的奇异点,而PQ信号的奇异点又与信号的扰动点相对应。利用这一对应关系,可以运用二进小波变换进行PQ扰动检测,同时可以通过对模极大值点的检测来确定扰动发生和终止的时刻,2个刻度之间的持续时间即扰动的持续时间。
2 信号检测和分类
PQ扰动现象主要包括电压凹陷、电压凸起、电压中断、脉冲及振荡。对扰动信号进行有效分类,便于当系统中发生PQ扰动问题时,线路及时压缩传输数据,监控系统应根据收集到的数据及时作出判断,进行电能质量故障报警并启动相应的后继处理。
PQ信号的检测和分类的工作流程如图1所示。
从图1可知,要对PQ信号进行分类包括如下工作:PQ信号采样;信号分解和去噪处理,以便于进行信号辨识处理;PQ信号录波;从去噪后PQ信号的二进小波系数中提取特征量;对特征量进行二-十进制转换;利用十进制转换结果分类PQ信号。
2.1 PQ信号的去噪和检测
由于电力系统的采样信号往往被各种噪声污染,必须对信号去噪后才能进行信号辨识。采用基于小波的软阈值去噪方法被证明是能有效进行信号去噪的[7]。信号经去噪后可进行检测,从而进行PQ特征量计算以进行信号分类。
2.2 PQ信号特征提取
PQ信号的种类较多,且信号中包含丰富的各种频率和幅值分量。在不同频率上不同的PQ信号有不同的能量分布,持续时间也是界定信号的参数。此外,不同的PQ信号混合在一起的情况也经常出现,如电机启动、变压器投入等会同时引起电压凹陷等。
IEEE1159定义了PQ扰动信号的一些持续时间和电压幅值变化范围,如表1所示。
为区分这些复杂PQ信号,以便选用合适的录波以及压缩方法,本文选用如下特征量。
2.2.1 PQ信号的时间特征量
假设信号扰动持续时间为tPQ,信号周期为T,定义时间特征量D1为:若两峰间信号持续时间tPQ≥T/2,则D1=1,否则D1=0,以此进行瞬时和短时信号的界定。
2.2.2 PQ信号的幅值变化特征量[8]
作为标识PQ信号种类的重要参数,电压幅值的大小非常重要。这里选取基波频段所在的小波系数来进行计算,以消除各种高次或者低次频段信号分量对幅值计算结果的影响。与Fourier变换只能用于频域分解相对比,小波在时域分解上的优势便得到了体现。
其中,ttPQ表示时域上在非PQ域内的小波系数,ttPQ表示时域上在PQ域内的小波系数。下标B表示与信号基波频段对应的小波分解层,n是该层第n个小波分解系数(n=1,2,…,M,M表示该小波分解层小波系数的个数)。N和D是为了区分当ttPQ和ttPQ时,FB的不同。令
该分量可以实现对PQ凸起信号、凹陷信号以及间断信号的有效区分。
计算得到上述信号分类的特征信息后,可以导出表征PQ信号特征的二进特征矢量,进而利用简单的二-十进制转换得到十进制数来判定PQ信号的类别。
2.3 基于二-十进制的信号分类
用二-十进制转换的方法对各种PQ信号进行分类,简便快捷,同时可以避免现有的分类方法如神经网络法结构庞大,训练负担重,且不容易收敛的问题;改进区域图法不能实现自动分类的问题等,且便于扩展,而所要求的特征量的数量取决于需要分类的PQ信号的数量。
2.3.1 二进特征矢量提取
本文根据目前电力系统常见的5种扰动信号(包括短路故障引起的电压凹陷、电压凸起、电压中断以及电容器投切引起的暂态脉冲信号)的特征,选取PQ信号特征量,即输入量为Vinput={tPQ,KPQ}。采用以下5种二进制数特征量。
特征1(D1)——两峰值间持续时间指标:若tPQ≥T/2,D1=1;否则,D1=0。
特征2(D2)——小波域中断指标:若(KPQ-1)<-0.9,D2=1;否则D2=0。
特征3(D3)——小波域平坦指数指标:若KPQ-1≤ε,D3=1;否则D3=0。其中,ε为正的无穷小量。
特征4(D4)——小波域凸起指数指标:若(KPQ-1)≥0.1,D4=1;否则D4=0。
特征5(D5)——小波域下陷指数指标:若-ε>(KPQ-1)≥-0.9,D5=1;否则D5=0。
其中,二进制数D1可以根据扰动信号持续时间tPQ将瞬时PQ信号与短时PQ信号分开来,D2~D5可以根据扰动信号幅值范围将电压凸起、电压凹陷以及电压间断信号区分开,而D1与D3结合可以将脉冲信号与振荡信号区分开来。利用二进小波检测PQ扰动信号,tPQ、KPQ提取非常方便,所以D1~D5均能够快速获得。将D1~D5这5个二进制数依次排列,组成一个1×5的二进制数矩阵,称该矩阵为信号的二进特征矢量F=[D1,D2,D3,D4,D5]。
2.3.2 二-十进制转换分类
可以将二进特征矢量F看成一个二进制码,并进一步转换成对应的十进制数V。不同的PQ信号对应于不同的十进制数。其对应关系如表2所示。
3 仿真分析
3.1 信号仿真
PQ的波形信号参照IEEE1159的标准,采用Matlab仿真软件产生。信号包括由短路故障引起的电压凹陷、电压凸起、电压中断以及由电容器投切引起的暂态脉冲信号等,采样频率为12.8 k Hz。用Wspline(5,5)样条小波对PQ信号进行二进制小波的检测求得扰动持续时间tPQ和扰动幅值变化特征量KPQ,继而求得二进制特征矢量F,对F进行二-十进制转换即可完成对PQ信号的分类。
图2~6为常见的5种PQ扰动信号的仿真以及二进小波的检测结果。
从图2~6可以看出:二进小波变换在尺度1(d1)上能够比较准确地检测到扰动。尺度1上2个幅值最大的局部小波系数模极大值点分别对应扰动的起止时刻,扰动持续时间tPQ容易得到。对信号进行5层二进小波分解,容易得到WB,n,根据式(7)(8)即可求得KPQ。
采用二进小波变换检测求得图2~6中5种PQ扰动信号的tPQ和KPQ的实测值与理论值几乎完全相同,如表3所示。
3.2 信号分类
采用本文方法利用表3中的tPQ和KPQ导出二进特征矢量F,并根据表2中的二-十进制转换方法对PQ扰动信号分类。分类结果如表4所示。
由表4可知,5种PQ扰动信号的分类结果与实际仿真信号(见图2~5)完全相符。其中,不同的PQ扰动信号对应于不同的十进制数,显然这种分类结果没有任何不确定的歧义,整个分类过程系统可以自动快速完成,避免了小波分析[9,10]、差分[11,12]的方法简便却难以扩展的问题;同时二进特征矢量F是可扩展的,以便适应更多种类PQ信号的分类,避免了小波分解的方法简便却难以扩展的问题;而且本文方法实现过程简便、快速,避免了小波网络分类效果好但复杂训练负担重等的问题。
4 结论
检测和特征量的提取是PQ扰动信号分类的前提和关键。由于二进小波变换是完备的、稳定的,且具有平移不变性,因此采用二进小波变换来检测PQ扰动信号,便于迅速提取有效的特征量。持续时间和幅值范围这2个特征量能够较好地表征PQ信号,利用这2个特征量导出二进特征矢量,进而进行简单的二-十进制转化,使得不同的PQ扰动信号对应于不同的十进制数。
仿真结果表明该方法的有效性,整个分类过程系统可以自动快速完成,不会产生歧义,而且二进制特征量容易扩展,便于判别更多种PQ扰动信号,解决了区域图法直观却需人工辨识,小波分析、差分的方法简便却难以扩展,小波网络分类效果好但复杂训练负担重等的难题。所以采用本文方法对PQ扰动信号进行检测和分类为控制、治理及有效压缩PQ信号提供很好的前提条件。
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十进制网络 篇7
关键词：二进制,八进制,进制转换,超越离合器
0 引言
在计算机技术教学中进制转换知识点的抽象、学生不易理解的问题, 传统的传感器式进制转换器不能表示其中的转换关系, 并且在实际操作过程中具有一定的环境要求。纯机械式二进制到十进制进制转换器国内外都没有成品, 然而传感器式进制转换器对环境具有一定的限制性、转换关系准确性不能达到“零误差”。
故需要设计一部二进制到八进制转换装置, 是一部使用于教学的原理模拟装置, 该装置通过单向轴承、齿轮和不完全齿轮等机械零件, 根据一定的比例与相互组合, 例如通过齿轮与齿轮比例关系实现二进制对其他进制的一位或几位的作用, 利用不完全齿轮的间歇关系实现各进制内的进位, 利用单向轴承对数据进行处理, 实现二进制数字组合对其他进制的转换关系。本装置通过简单地输入二进制数等, 可以得到相应八进制的数据, 就像中国传统的算盘一样, 操作简单, 方便使用。
该装置由圆柱齿轮、超越离合器 (即单向轴承) 、推力轴承等机械零件组成, 完全通过机械结构实现二进制与八进制的转换。其与传感器式进制转换器相比较, 具有数据传动准确、零误差、对环境的要求低等优点。该装置整体图如图1所示。
1 二进制理论设计
数学关系中的规律在进制转换中, 二进制中的第n为代表的数为2n-1, 为了找到其中函数关系, 把二进制和八进制中的每一位展开, 进制函数关系图如图1。
由图2可以得到两个规律:1) 二进制中每位数字只对八进制数字的一位起作用;2) 二进制从右开始的相邻每三位数字对八进制从右开始的相应一位数字起作用, 二进制中分为三个数字为一个单元。
2 二进制装置的构件设计
该装置由数字显示机构、多对相应传动比的完全齿轮对组成的进制间转换机构、完全齿轮与不完全齿轮组成的进制内进位机构、支撑等辅助机构组成。
2.1 数字显示机构
通过转动齿轮带动显示盘的数据一起转动, 实现两者同步的目的。其中, 二进制的数字盘数字由“0”和“1”两个数字组成, 八进制数字盘数字由“0”“1”……“7”等10个数字组成。机构俯视图如图3[1]所示。
通过计算二进制数字盘的第一位数字转“一个单位”需要转过的角度为90° (360/4=90) , 八进制数字盘的第一位 (个位) 数字需要转动一个数字转过的角度为45° (360/8=45) , 传动比为90/45=2;二进制数字盘的第二位数字转“一个单位”需要转过的角度为90°, 八进制数字盘的第一位 (个位) 数字需要转动两个数字转过的角度为90° ( (360/8) ×2=90) , 传动比为90/90=1;依次类推, 数字盘间相互连接的传动比如表1。
2.2 进制间各位“转换机构”
利用不同传动比的齿轮副, 实现二进制到八进制的进制各个相应位的对应关系。进制间传动比示意图如图4所示, 图5为进制间传动比三维图。
由第一条规律:二进制中每位数字只对八进制数字的一位起作用, 是一对一的关系;通过二进制到十进制的转换关系, 即表2中的传动比, 设计计算所需齿轮的参数。当轴心距为60 mm时, 计算前四位各个齿轮的直径及齿数。得出进制间各齿轮参数表2。
由第二条规律:二进制从右开始的相邻每三位数字对八进制从右开始的相应一位数字起作用, 二进制中分为三个数字为一个单元。通过没有力矩传动的联轴器, 将二进制数字每三位一个单元分隔开。由此, 二进制中每三位一个单元, 制作成的二进制到八进制转换器, 将没有位数限制, 实现转换目的。
3 结论
该装置能够通过转动数字显示机构, 能够达到给定一个相应的二进制数字, 就会在相应的八进制数字转换机构上, 自行旋转出八进制数字的目的[1]。所以, 该装置既可以作为计算机相应课程的辅助教具, 同时又可以对现代转换计算工具的有效补充[1]。
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