PCM网络论文五篇

PCM网络论文 篇1

关键词：电力,通信,PCM,网络管理,C-MUX2,组网结构

电力通信网是电力系统安全稳定经济运行的三大支柱之一。是协调电力系统发、送、变、配、用电等组成部分的联合运转及保障电网安全、经济、稳定、可靠运行的必要手段。而发、送、变、配、用电等各种信息都是通过PCM设备接入和传输, 因此我们必须优化PCM设备网络管理结构, 提高PCM设备网络管理性能和安全可靠性。

1 PCM设备网管的功能、作用和网络管理原理

1.1 电力通信网PCM网管系统的功能和作用

PCM (基群复用设备) 是网络接口带宽为2MBit/s的多速率话音和数据业务综合接入设备, 能提供速率为64KBit/S的二线和四线接口, 其主要应用于接入网中, 通过SDH来传输。电力通信网PCM设备主要承载调度电话、行政电话、四遥远动、电能计费、继电保护、雷电定位、办公OA等多种音频和数据业务的综合接入平台, 因此必须对PCM设备加强管理。传统的管理方式主要靠PCM设备本身极其有限的管理能力, 显然这种方式已不能适应网络发展的要求;另一方面, 随着PCM网络规模的发展, PCM网络的运行、管理和维护 (OAM) 成本已经大大超过设备本身的投资。以美国的贝尔电话运营公司为例, 每年用于网络中设备的投资约为20亿美元, 而每年的OAM花费高达60亿美元, 成为沉重的负担。因此我们必须对PCM设备建立网络管理系统, 实现PCM设备远程监视、控制和管理, 保证各种业务的安全可靠。PCM网管和SDH网管一样, 要求具备故障管理、性能管理、配置管理和安全管理等管理功能。电力通信网PCM网管系统通过上述四大管理功能不仅可以实现对PCM设备的运行状态、通道性能及对其所承载业务的状况进行监测, 并且可以对PCM设备中的二、四线通道进行环回、置忙和初始化等多种控制, 从而准确地进行故障定位, 将通信系统故障和用户设备故障加以区分, 从而达到快速的故障处理。

1.1.1 马可尼的C-MUX2设备介绍

鉴于东莞供电局所用的PCM设备全部是马可尼的C-MUX2, 所以本文是以马可尼的C-MUX2为对象进行分析。马可尼C-MUX2的基本组成结构如图1所示.从图1可知马可尼的C-MUX2的核心部件是公共业务卡 (SCS) , 该卡负责复用控制、时隙交换、信令处理、同步定时、告警管理、电源转换和铃流产生等;MCC卡, 此卡存储马可尼C-MUX2的路由和地址, 使C-MUX2在全网中能唯一的标志出来, 实现网管的访问;线路接口卡 (LTU) , 此卡功能是实现C-MUX2与SDH的联接;此外还有各种支路接口卡 (E&M卡、SUBS卡、EXCH卡、CC卡) , 给终端用户提供各种业务接口。

1.1.2 马可尼的C-MUX2网络管理系统实现原理分析

要建立C-MUX2网管需要一台基于HP UNIX工作站的网管系统EMOS、一台Ethernet Hub集线器和一台能实现V.11/V.28协议转换的MCU设备, 其实现原理图如图2所示。

C-MUX2的网管通信信息可在业务开销字段中传输, 也可通过通信接口 (MCC) 上的通道传输。EMOS网管系统通过轮询 (POLL LINK) 的方式去访问和控制C-MUX2网元。中心站C-MUX2通过MCU和Ethernet Hub集线器直接连到EMOS网管, 外围节点可以在SDH设备中增加9.6KBit/s的辅助卡实现EMOS网管系统对C-MUX2的管理, 即C-MUX2网管信息可以利用SDH设备的公务数据通道, 通过STM-N帧结构中的SOH段开销字节中的E1和E2公务字节传输回中心站网元, 再由中心站网元将外围节点C-MUX2信息汇接到MCU, MCU再通过Ethernet Hub集线器与EMOS相连, 其原理如图3所示。

东莞供电局的SDH传输网使用的设备是马可尼的SMA系列, 马可尼的SMA系列通过辅助卡 (AUX) 可以实现对东向 (EAST) 、西向 (WEST) 和四个低阶支路 (T1、T2、T3、T4) 共6个方向的C-MUX2网管信息传输, 当有些节点需要多于6个方向时, 可以通过RDU (Remote Data Unit) 要解决。RDU可以同时提供功能和特性完成相同的4或8个V.11接口, 并可通过级联方式扩展端口数量。

2 东莞供电局之前C-MUX2网管系统结构分析

2.1 东莞供电局之前C-MUX2网管系统结构介绍

如图4所示, 东莞供电局之前的PCM网管系统是建立在HP UNIX工作站上, 通过EMOS软件实现对所有C-MUX2的管理和控制。局中心站点的C-MUX2是通过C-MUX2设备本身的MGT接口串连起来, 再接到MCU的端口上, 此MCU端口设为Router1;外围站点的C-MUX2是通过MGT接口接到SDH设备的AUX CARD上, 再通过SDH的9.6KBit/s辅助卡将C-MUX2信息传回局中心站, 最后汇接到MCU的端口上, 此端口设为Router2, 外围站点当有多个方向需接入时, 可通过RDU来实现V.11接口扩展的目的。

2.2 东莞供电局之前C-MUX2网管系统结构分析

东莞供电局此种PCM网管系统结构在建网开始站点较少时是能满足C-MUX2设备管理的需要的, 但随着站点的增多, 此种结构的缺点就开始表现出来, 具体如下:

① C-MUX2网管通道受瓶颈限制, 一条链路最多只能链接48个网元, 无法满足网元不断增加的需要。

② 由于C-MUX2网管是利用SDH的9.6KBit/s辅助卡来实现对外围节点的C-MUX2管理, 带宽较小, 随着网元的增多, 网管速度越来越慢。

③ MCU的端口利用率不高, 外围站点的C-MUX2全汇聚到中心站MCU设备的同一个端口中, 负荷非常集中, 没能实现MCU设备的负载均衡, 导致网管系统轮询的时廷增加, 网管系统性能下降。

④ 所有外围站的C-MUX2都是通过局中心到板桥站的光路来实现网管, 当此光路中断时会导致所有外围站点C-MUX2网管通信中断。

⑤ 由于C-MUX2网管通道不能成环 (成环时会造成C-MUX2网管中断) , 无法实施保护, 可靠性差。

3 东莞供电局C-MUX2网管系统结构优化方案

针对东莞供电局C-MUX2网管系统的上述缺点, 制定了优化方案, 如图5所示:

C-MUX2网络管理采用以太网通信方式, 重新调整网管通信结构, 优化网络结构和提高系统可靠性, 并将整个网络的C-MUX2网管通信路由重新进行调整。根据东莞供电局的光纤通信网拓朴结构, 分别将局中心站、北栅站、板桥站和大朗站设置为PCM网关接口, 在北栅站、板桥站和大朗站各配置一台8口的MCU设备。在新大楼增配一台4xE1接口的路由器, 在北栅站、板桥站和大朗站各配置一台2xE1接口的路由器。这样, 就可以将东莞电力整个PCM网络的C-MUX2设备分别以局中心站、北栅站、板桥站和大朗站为中心划分为4个区域。再将这4个区域内的C-MUX2网管信息分成若干条路径 (≤8条) 接入本区域的MCU设备。各区域的MCU通过以太网接口接入路由器, 各路由器通过无源V.11/E1转换器接入SDH设备, 利用SDH的E1通道将C-MUX2的网管信息汇总到新大楼网管中心EMOS系统。根据优化方案调整后的东莞供电局C-MUX2网管系统结构具体如图6所示:

经过调整之后, 可以使整个C-MUX2网管系统具备以下优点:

① 由于在板桥站、大朗站和北栅站增加了MCU设备, 实现分区管理, 使C-MUX2链路数大大增加, 最大可达到4×8=32条C-MUX2链路, 每条链路48个网元, 即可提供管理48×32=1536个网元的通道, 从面克服了瓶颈限制。

② 四个区别间是通过2M进行连接, 与9.6K相比, 带宽大大增加, 网管通信速度得到提高, 缩短网元响应时间。

③ 将整个网络划分为若干区域, 通过不同网关接入网管中心, 这样各个区域的网管信息接入相互独立, 即使某个节点设备产生故障, 不会对全网通信产生中断, 可将网络故障造成的网管通信影响减小至最低程度。

④ 传送C-MUX2网管信息的2M通道可通过SMA设备设置成子网连接保护方式 (SNCP) , 提高C-MUX2网管信息的安全可靠性。

优化方案的不足在于:

① 需增加3套MCU、4个路由器和4个无源V.11/E1转换器的设备投资, 但设备成本较低。

② 占用系统8个2M的系统资源, 可合理利用富余的2M资源来解决。

③ 需对部分C-MUX2的路由和地址进行调整, 由于调整简单, 所需工作量不多。

4 结束语

通过优化使东莞供电局C-MUX2网管系统的整体组成结构趋于合理, 大大增强了网管系统的安全稳定性和可扩展性, 提高了网管速度。随着电力通信网不断发展, 通信网络的运行维护对设备网管系统的依赖程度越来越高, 如何保证和提高通信设备网管系统的性能及系统的稳定性正在日益成为一大重要课题。我撰写本文的目的是希望能为从事电力通信网络规划和决策者提供参考。

参考文献

PCM网络论文 篇2

PCM解码板是为数字量变换器设计的接收端, 把组合信号解调出来, 恢复各路原始信息, 加以记录、处理和显示, 用于数字量变换器的单机调试和单元测试。限于测试台空间的严格要求以及测试系统的微型化、高速数据传输、低功耗原则, PCM解码板采用了基于低压差分信号LVDS的串行通信技术增强了抗噪声、抗干扰能力, 并以时钟和数据恢复技术解决了限制数据传输速率的信号时钟参差问题, 大大提高了数据传输的数据率。选用了FPGA 作为PCM解码板控制核心, 将各功能模块由FPGA统一协调完成, 从而简化了设计的复杂程度, 缩短了试验和开发周期。

1 模块硬件结构

PCM解码板硬件结构, 如图1所示。

PCM解码板接收到上位机上传PCM数据命令后, 输出帧同步信号给数字量变换器, 并接收数字量变换器输出的PCM串行数据, 在码同步信号的配合下, 将PCM串行数据经FPGA串并转换后写入FPGA中的发送FIFO (First In First Out memory 先进先出存储器) 中。LVDS总线物理层将FPGA中的FIFO内数据包的数据和时钟信号编码为20位串行数据上传。串行数据传输示意图, 如图2所示, TCLK为发数时钟, RCLK为解串时钟。

2 LVDS总线结构

针对数据可靠传输在数据交换系统中的重要性, 方案结合LVDS接口和OSI网络模型, 设计了一种基于LVDS接口的数据传输协议, 并具体给出了各协议层所实现的功能及协议约束关系。基于LVDS的总线体系结构大致分为:物理层、数据链路层和传输层[1]。

(1) 物理层。

LVDS总线采用DS92LV18专用接口芯片, 连接构成两对LVDS信号, 一对用于发送, 一对用于接收。物理层在发送端将时钟信号用18 bit/20 bit编码方案嵌入数据中以达到高速数据率;在接收端将串行数据流中的数据和时钟分离, 然后对串行数据进行采样, 从而在接收端恢复了串行数据。通过搜寻同步字符进行字同步, 数据流恢复到和发送端编码后的数据流相同, 该数据流再经解码, 恢复原始数据, 写入接收端的FIFO内, 等待数据链路层的进一步处理。

物理层除了收发器 (DS92LV18芯片) 和传输介质 (PCB走线) 外的所有模块均在FPGA中实现。物理层结构示意图, 如图3所示。

LVDS两对低压差分信号无论其传输介质是电缆还是PCB走线, 都必须与终端匹配, 以减少不希望的电磁辐射, 提供最佳的信号质量。通常一个尽可能靠近接收端的100 Ω终端电阻跨在差分线上即可提供良好的匹配。电路设计中, 输入差分线对离开DS92LV18集成芯片后立刻尽可能地相互靠近 (距离<10 mm) , 以保持接收器的共模抑制能力, 并且两条差分线之间的距离应尽可能保持一致, 以避免差分阻抗的不连续性, 这样能减少反射并能确保耦合到的噪声为共模噪声[2]。

(2) 数据链路层。

在数据链路层中包含控制逻辑和帧格式, 数据以帧为单位传送, 在目的节点被接收。这样做是为了当出现差错时, 可将有错误的帧重传一次, 从而避免了将全部数据都重传一次所带来的带宽浪费, 且各接收节点能从接收到的比特流中明确地区分出一帧的开始和结束在什么地方, 以及数据和控制信息。该层的功能模块也在FPGA中实现。

(3) 传输层。

传输层的任务是为从发送节点到目的节点提供可靠、合理的信息传输。传输层是控制通信过程的核心, 初始化和通信过程中, 需要设置必要的计时器、地址和状态寄存器, 这些都是传输层来实现。其中, 地址寄存器用于存储节点前继和后继地址, 计时器是为初始化和通信过程中的超时报警而设置。该层功能可通过在FPGA内部定义信号来实现。

3 PCM码解调设计

PCM解码部分用于接收数字量变换器输出的PCM串行数据并将数据串并转换。该部分需产生两种勤务信号, 帧同步信号:周期为25 ms, 码宽8 μs;码同步信号:频率81.92 kHz, 占空比50%, 用于数字量变换器内部的时序控制。每8个一组的码同步信号称作一路, 在每帧中从第1路开始排到128路结束。模块接收的群信号是串行“0”“1”码, 为不归零码。PCM 解码部分工作原理:根据帧、码同步信号时序特征, FPGA生成一个数据时序进程, 在时钟信号的推动下通过地址推进来输出帧、码勤务信号。数字量变换器输出的串行PCM 数据流在码同步信号作用下, 通过移位寄存器转换为8 位并行数据, 通过写信号WR 同步将解得的并行PCM 码写入到FIFO中[3,4]。串并转换的工作时序, 如图4所示。

经多次测试, 上位机读回的数据按照副帧结束标志EB 90两个bit和帧结束标志14 6F两个bit所组成数据格式的结果与设计要求吻合。

4 结束语

实践表明:由于采用低压差分信号传送数据, 不易受共模噪音影响, 可以实现更快的数据传输, 同时具有低功耗、低噪声等优良特性;由于总线结构物理层可以采用专用接口芯片实现, 而数据链路层和传输层均可采用可编程逻辑器件FPGA实现。因此, 总线硬件实现简单, 易于低成本解决系统高速通信问题。通过测试分析, 该板在PCM解码的抗干扰能力及实现解码数据的高速、可靠传输方面均达到了系统提出的技术指标。

摘要：介绍了一种基于LVDS接口的PCM解码板的系统组成, 重点说明了LVDS接口的各分层协议及基于FP-GA实现的PCM解码方法, 讨论了LVDS总线以时钟和数据恢复技术解决限制数据传输速率的信号时钟参差问题。通过测试分析, 该板在PCM解码的抗干扰能力及实现解码数据的高速、可靠传输方面均达到了系统提出的技术指标。

关键词：LVDS总线,PCM码,解调

参考文献

[1]刘小华.基于LVDS的环网总线在雷达信号处理器测试台研究与应用[D].太原:中北大学, 2008.

[2]Howard Johnson, Martin Graham.高速数字设计[M].沈立, 朱来文, 陈宏伟, 译.北京:电子工业出版社, 2004.

[3]杨倩.弹载多参数测量系统地面测试台的设计与研究[D].太原:中北大学, 2008.

PCM网络论文 篇3

关键词：电力通信,PCM,电路保护

电力通信网是电力系统安全稳定经济运行的三大支柱之一。是协调电力系统发、送、变、配、用电等组成部分的联合运转及保障电网安全、经济、稳定、可靠运行的必要手段。而发、送、变、配、用电等各种信息都是通过PCM设备接入和传输, 因此我们必须要详细了解PCM在电力通信系统中的作用, 并发挥PCM设备的组网功能, 形成灵活可靠的业务接入网。

1 PCM设备在电力通信中应用

1.1 利用PCM设备实现电路保护功能

SDH的环路自愈保护功能已为人所共知, 但是PCM设备的电路保护功能却往往被忽略。在当前光纤、微波等多种传输方式共存的情况下, 合理地利用PCM设备的电路保护功能, 对提高电力通信的可靠性具有很大的帮助。

X、Y站之间使用2M电路接口, A1之间采用光纤P1电路作为两站之间的工作路由, A2之间采用微波电路作为保护路由, 如图1所示。

对每个用户接口电路设定A1的某个时隙为其工作时间, 设定A2的某个时隙作为其保护时间, 则无论是光纤电路中断还是微波电路中断, 设备均能自动将业务切换到另一个电路上, 保证了业务电路的畅通, 实现了光纤和微波设备的综合利用, 将通信可靠性提高了一个档次。值得指出的是, 使用A1还是A2作为工作路由, 一般可以根据需要制定。

通过PCM设备内部的时隙交叉电路, 设备用户接口电路与A1或A2 2M接口电路中64K时隙的连接, 并制定其在另一个2M接口电路的保护时间, 如图2所示。

当控制电路检测到A1或A2 P1接口电路的信号丢失、失步或五马超过门限等告警时, 相时隙交叉电路发出指令, 将与有问题的P1接口电路连接的用户电路时隙切换到保护时间上;而当传输电弧回复正常时, 控制电路向时隙交叉电路发出指令, 回复时隙的正常连接, 从而保证了业务通信不间断。当然, 在电路时隙的切换过程中, 由于各个电路模块检测的动作延时的原因, 业务会有瞬间的终端。

1.2 应用保护电路时需注意的问题

需要注意的是, 不能把跨站点的链路作为工作路由。如上述X、Y站点之间的业务, 当站点之间的传输链路终端时, X站点设备检测到A2端口不可用, 把业务切换到A1端口的保护时隙上来;但是, Y站点设备的A1、A2端口传输链路都是好的, 电路的保护功能不起作用, 业务仍然工作在A2端口的时隙上, 使得X、Y站点之间的业务因传输链路不对应而终端。另外, 也不适宜把3个以上的站点组成环路。如图3所示, 若在站点B、C之间插入一个D站点, 相邻站点之间的业务仍然可以实现电路保护, 但是跨站点的业务却因工作路由为跨站点链路而无法实现保护。

2 利用设备数字交叉连接功能, 实现PCM设备组网的优化

2.1 采用多方向交叉连接PCM设备进行网络优化

多方向交叉连接PCM设备一般具有4、8或16个2M接口的汇聚PCM, 汇接区域内变电站的PCM设备;在地区通信中心安装16个2M接口的汇聚PCM, 采用5个2M接口分别连接省通信中心和各区通信中心的PCM设备, 剩余11个2M接口连接各枢纽变电站的汇聚PCM, 形成一个树形的网络结构。这种网络结构采用1台汇聚PCM代替了地区通信中心的多台PCM设备, 通过设备内部的数字时隙交叉代替了复杂的音频转接, 大大简化了网络设备配置, 也省却了复杂音频转接的维护工作量。

2.2 采用64K数字交叉连接设备进行网络优化

64K数字交叉连接设备一般具有32个以上的2M接口, 不提供业务电路接口。通过它可以把所有变电站和各级电力调度通信中心的PCM设备全部汇接在一起, 并利用它的无阻碍数字时隙交叉连接能力实现变电站业务向各调度中心转接。两外, 由于64K数字交叉连接设备具有把所有2M电路进行64K复分接的能力, 可以把来自各变电站的不同类型业务, 分别汇接到相应业务接入端, 以便业务的统一管理, 减少电路的转接, 提高通信通道的可靠性。

3 结束语

PCM网络论文 篇4

飞行试验是飞行器在真实飞行环境下进行的各种试验,验证飞行器的各种性能指标是否能够满足设计指标要求。光电经纬仪作为飞行试验外部测试参数的重要测试手段之一,主要完成飞行试验过程中被试目标的时间、状态、位置信息(TSPI)[1]的获取,并可得到被测目标的运动影像。

光电经纬仪通常具有人工单杆、电视/红外自动跟踪的功能,在对目标捕获过程中,当目标进入电视/ 红外视场内时,信号处理系统可对目标实现自动捕获和锁定,同时驱动伺服系统对目标进行自动跟踪[2]。 但当无法获知被测目标的位置时,利用人工驱动光电经纬仪捕获目标难度非常大,这时需要通过外引导的方法引导光电经纬仪指向被测目标,一旦电视或红外探测器检测到可以提取的目标时,即可切换到电视/ 红外自动跟踪模式,实现对目标的精确跟踪测量。目前光电经纬仪的外引导数据源主要应用以下几种,包括雷达引导、机载GPS数传引导、它站光电经纬仪引导等。外引导的主要原理是,引导数据源通过各种测量方法获得被测目标的空间坐标,然后将测量数据实时传输给光电经纬仪,光电经纬仪接收引导源的数据后,通过坐标转换、数据滤波、预测、插值等处理过程后,将处理后的数据发送给光电经纬仪控制系统, 进而驱动光电经纬仪指向目标[3],实现引导跟踪。

在现有外引导方式中,利用雷达、它站光电经纬仪等设备获取的目标信息进行引导的方式,易受这些设备本生性能和测量精度的制约,而采用机载GPS数传电台引导方式,还需要在飞机上另外加装数传电台等设备,增加成本,而采用PCM遥测引导方式,借助现有机载遥测传输设备,在飞机飞行过程中即可实现对光电经纬仪的引导。

飞行试验遥测技术中主要通过脉冲编码调制(PCM)方式实时将机载测量的各种参数进行下传,通过地面解调和实时处理及显示实现对飞机状态的实时监控[4]。在遥测PCM数据流中通常都携带有载机的GPS动态定位信息,通过对该数据流进行解调和转换处理,提取出其中的GPS时间信息、载机经纬度信息等, 通过数据处理和转换后提供给光电经纬仪控制系统,实现对目标的引导跟踪。实际应用中,在光电经纬仪上集成遥测的PCM接收通道,其半功率波束宽度(即数据接收范围)约为26°,其作用范围大于200 km,数据接收范围较大,比较容易指向目标位置方向,因此相对光电经纬仪电视视场可提前获取到目标位置,为实现引导提供条件。应用表明,该方法能够为光电经纬仪提供有效外引导。

1PCM外引导原理

载机的动态位置信息通过加装在飞机上的GPS接收机获取,主要包括时间、经度、纬度、高度等信息, 这些数据与机载测试参数、总线参数等统一通过机载数据采集器进行数据采集和编码,将数据按照特定格式生成PCM数据流,最后利用遥测发射机进行信息发送。

地面通过在光电经纬仪上集成小型遥测接收通道,主要包括接收天线、接收机及数据处理单元等,该通道实时接收遥测信号并解调PCM数据流,通过PCM数据处理单元提取出数据流中携带的载机动态位置信息,最后通过坐标转换、数据预测、数据插值等处理过程,将被测目标相对于光电经纬仪的方位角、仰角及距离等引导数据发送给主控计算机,实现对光电经纬仪的引导。遥测PCM引导原理框图如图1所示。

2PCM数据解析

飞行试验中,按照美国的IRIG106遥测标准,采用PCM格式进行数据编码传输,由连续的二进制串行码形式构成PCM帧,每个PCM帧的结构均采用固定的格式,包括其字长、字的位置、传输顺序、采样间隔以及测量参数表等均保持不变。一个PCM全帧通常由一个或多个子帧组成,每个子帧中都包括同步字、ID号以及数据位等部分,所有的测量参数均按照事先设定好的格式在每个子帧的固定位置中进行放置, 并且根据编程需要,往往将一个参数按照特定格式进行分解,放在不同子帧的不同位置,因此在进行参数解析时需要对这些参数进行提取和复原,最后得到所需要的载机时间、经度、纬度、高度等参数信息。

飞机飞行试验使用的PCM帧通常是由全帧和子帧构成,一个全帧中包含若干个子帧,其帧结构示意图参见图2,图中(i,j)表示该全帧中第i个子帧中的第j个字。

3外引导算法

对PCM数据流中载机动态位置信息解析后,需要通过坐标转换、滤波、插值等方法处理后才能提供给光电经纬仪进行引导,处理方法如下:

3.1大地坐标转换切平面直角坐标

机载GPS得到的是载机的大地坐标数据,利用该数据对光电经纬仪进行引导时,需要首先将大地坐标转换成以经纬仪投影中心为原点的切平面直角坐标系中,转换原理如下[5]:

G0(B0,L0,H0)为经纬仪的坐标原点,目标点Mi(Bi,Li,Hi)的切平面直角坐标计算式为

式中:为过点的地球卯酉圈的曲率半径;为过点的地球卯酉圈的曲率半径;

3.2直角坐标转极坐标

根据光电经纬仪的工作原理可知,对光电经纬仪进行引导时必须将目标的坐标转换为极坐标形式,也就是目标相对光电经纬仪坐标原点的方位角Ai、俯仰角Ei及斜距Ri,转换公式如下:

3.3数据滤波

通过对PCM数据流的解析,得到引导光电经纬仪所需的目标空间位置信息,由于数据传输过程中往往会受到干扰产生异常值数据,若直接利用该数据对光电经纬仪进行引导将会产生跳变,影响引导的平稳性,因此需要对解析得到的数据进行滤波处理。考虑引导的实时性,采用一种快捷有效的数据奇异项检验和剔除方法[6]。原理如下:

式中: 为检验因子,xj为观测数据序列。

通过设置检验门限,进行数据序列的检测和外推,最终实现对数据的实时滤波处理。

3.4数据内插

由PCM数据流解析得到的目标空间位置数据,其数据率通常为每秒1次,数据率较低,为保证对光电经纬仪引导的平稳性,还需对数据进行实时内插处理,为保证实时性简化计算量,采用线性插值的方法。

4PCM外引导实现

4.1硬件集成设计

PCM接收天线采用定向天线,集成加装在光电经纬仪的水平轴上,保持与光电经纬仪指向的一致性, PCM接收天线在光电经纬仪主机上的挂装方式如图3所示,信号通过光电经纬仪导电环传输到PCM数据处理单元。

4.2软件设计

数据处理单元主要利用PCM解调卡对接收到的信号进行解调,得到二进制数据流,通过处理软件从该数据流中解析得到目标位置信息,对数据进行二次处理后通过串口发送给光电经纬仪主控计算机,实现最终的引导,软件设计框图如图4所示。

5引导精度分析

5.1理论分析

目前飞机上采用的GPS接收机实时定位精度为水平方向误差约为5~10 m,垂直方向误差约为10~30 m。 实验中采用的光电经纬仪的测量电视视场角为:1.7°×1.4°,捕获电视短焦视场角为:7°×5.5°。若取GPS最大误差30 m,则测量电视垂直方向半视场角为0.7°,捕获电视垂直方向半视场角为2.75°,根据三角关系可得出:目标位置偏离光电经纬仪视轴方向30 m时,能够进入测量电视的最小距离为

能够进入捕获电视的最小距离为

也就是当目标距离光电经纬仪大于625 m时,可将目标引导进入捕获电视视场,当距离大于2 455.4 m时,可将目标引导进入测量电视视场。

5.2实测分析

某次试验中,利用光电经纬仪对目标进行跟踪测量,同时接收机载下发的PCM数据,提取出数据流中的GPS定位信息,经数据处理转换为目标相对光电经纬仪的极坐标值,实现引导,光电经纬仪的测量结果是将被测目标修正到测量电视的视场中心,将引导数据与光电经纬仪测量数据进行对比,可检查引导精度。

试验中引导数据和光电经纬仪测量数据的极坐标值比对曲线如图5所示,两组测量结果的偏差曲线如图6所示。

设分别是引导值和经纬仪测量值的方位角和俯仰角偏差,分别为方位角和俯仰角偏差均值分别是方位角和俯仰角的标准差,则:

由偏差计算结果可知,引导计算结果和光电经纬仪的光轴指向在方位角方向最大偏差约为0.5°,俯仰角方向最大偏差约为0.2°,而该光电经纬仪的测量电视视场角为1.7°×1.4°,捕获电视短焦视场角为7°×5.5°, 引导的目标位置均在测量电视视场内,因此利用该方法对光电经纬仪进行外引导,可以保证目标进入测量电视视场。

结束语

通过在光电经纬仪上集成遥测接收通道,实时接收和解析遥测信号,实现了对光电经纬仪的远距离目标引导跟踪。实际应用中,遥测接收天线的视场角较大,只需驱动光电经纬仪对准大概目标区域即可接收到稳定的PCM下传数据,通过对数据的解析和处理即可实现对光电经纬仪的引导。该系统的成功应用为光、遥一体化系统设计提供了一个成功应用案例。

摘要：在飞行试验中光电经纬仪主要用于获取飞机及外挂物的运动参数,由于被测目标距离较远或被遮挡时难以快速捕获目标,通常需要利用外引导方式辅助光电经纬仪进行对目标的捕获。飞机上加装GPS接收机后,可实时获取其大地坐标数据,对该数据实时采集并通过PCM遥测通道进行编码传输,地面接收该信号能够解调出飞机的实时位置坐标。通过在光电经纬仪上集成遥测PCM接收通道,实时接收机载下传的PCM信息流,提取出飞机的大地坐标数据,经数据处理后转发给光电经纬仪控制系统,驱动光电经纬仪快速捕获目标,从而能够实现对光电经纬仪的外引导。通过对引导数据的分析表明,引导精度能够满足光电经纬仪对目标快速捕获的需求,利用该技术在实际应用中取得了良好效果。

PCM网络论文 篇5

1 系统组成与工作原理

本文设计的PCM/FM遥测中频接收机原理框图如图1所示。

由图1可以看出, PCM/FM遥测中频接收机主要包括A/D采样、数字下变频、鉴频、位同步、帧同步及USB接口等功能模块。70MHz中频输入信号经40MHz带通采样送入FPGA进行处理, 在FPGA中产生两路正交信号对A/D采样信号进行数字正交下变频生成基带I、Q信号, I、Q信号分别进行低通滤波后送入鉴频模块, 通过叉积鉴频完成解调得到PCM码流, 按上位机事先设置的码速率、帧同步码、帧长、时间码等, 依次完成PCM码流的位同步、帧同步、时间码合并, 最后通过USB接口送入上位机进行遥测数据的存贮和处理。

2 系统详细设计

2.1 数字下变频与FM解调

数字下变频与FM解调模块主要包括数控振荡器 (NCO) 、鉴频器、环路滤波器的设计, 数字控制振荡器 (NCO) 是数字下变频器 (DDC) 的重要组成部分, 它的作用是产生正弦和余弦信号。正、余弦信号如 (1) 、 (2) 式所示:

得到:

对应的数字域表达式为:

数字鉴频模块的实现框图见图2, 鉴频输出即为FM解调得到的PCM码流。

2.2 载波跟踪设计

在高动态应用环境下, 遥测接收机需具备抗多普勒频偏的能力, 本设计中, 鉴频输出经过一阶锁频环得到频率修正值并反馈给NCO, 锁频环结构框图见图3。指标要求中频接收机抗多普勒频偏能力为250k Hz, 所以在实现时, 对超出250k Hz的频偏按250k Hz进行处理。

2.3 位同步设计

设计采用直接位同步法中的数字锁相环方法实现位同步器设计[4]。在设计中利用数字锁相环来提取位同步信号:在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地同步信号的相位, 若两者相位不一致 (超前或者滞后) , 鉴相器产生误差信号调整本地同步信号的相位, 直至获得准确的位同步信息。位同步器主要由参考频率生成、同相正交积分环路、数字序列滤波器、分频器等几部分组成, 其原理如图4所示。

本设计参考时钟为码速率的16倍, 通过上位机设置接收机码速率时, 参考时钟频率也相应得到设置, 参考时钟的精度直接影响位同步器性能, 因此, 生成高质量的参考时钟是基本前提。在FPGA中采用查表法产生位同步参考时钟, 原理与NCO生成一致, 不再赘述, 区别仅在于只取输出的符号位。

2.4 帧同步设计

位同步输出经过串/并转换后, 与本地帧同步码 (由上位机设置) 进行同或后全加, 然后与门限值Nt进行比较, 大于门限值表示接收到帧同步码。三态逻辑电路保证帧同步器在三个固定模式 (搜索、校核、锁定) 上工作[5]。在搜索态, 不使用窗口, 符合相关器输出即认为是帧同步码。一旦接收到帧同步码, 转入校核态, 位/字计数器、字/帧计数器复位并开始计数, 这个过程一直持续到字/帧计数器达到预定的字/帧数。以预期检测位为中心产生窗口脉冲, 利用帧同步码的周期性, 下一个检测位应落在窗口脉冲宽度内, 三态逻辑产生帧标志脉冲。若在窗口范围内, 没有检测到帧同步码, 认为是虚警, 则从校核态返回到搜索态。在校核态, 连续通过预定的校核帧数A, 则帧同步器进入锁定态。在锁定态下, 若帧同步码发生漏检或数据错误, 帧标志脉冲由本地产生, 以避免由于帧同步码的漏检而造成的数据丢失。连续漏检超过预定的保护帧数B, 返回搜索态, 否则保持在锁定态。

2.5 硬件设计

接收机以FPGA为中心, 外围为晶振、电源模块、A/D转换电路和USB接口电路。

A D转换设计采用A D 6 6 4 5, A D 6 6 4 5是采用C M O S工艺的1 4位模数转换器, 最高采样率为105MSPS, 在中频为70MHz时的SNR为73.5d B, SFDR为89d Bc, 模拟带宽达200MHz[6]。AD模拟输入端为差分输入, 通过阻抗比4:1的变压器进行交流耦合, 电路原理图见图5。图中R1=R2=24.9Ω, R3=178Ω, 输入端匹配阻抗为50Ω。AD时钟管脚与FPGA相连, 采样频率由FPGA控制, 本设计采样频率为40HMz。

FPG A选用Xilinx Spar tan-6系列XC6SLX100工业级FPGA芯片。该芯片采用45nm工艺, 专为低成本与低功耗而精心优化, 集成了丰富的逻辑资源, 接口可选择使用1.2V、1.5V、1.8V、2.5V或3.3V多种标准, 便于与其它电路接口[7]。XC6SLX100 FPGA的配置文件大小为26, 543, 264bits, 配置芯片选用XCF32P, 采用BASIC Master Serial配置模式, 配置时钟由FPGA内部提供, 配置速率22MHz。

遥测中频接收机与上位机之间采用U S B接口, 接口芯片选用CY7C68013, FPGA与CY7C68013间采用Slave FIFO通信模式。

3 测试结果

搭建测试平台, 遥测接收系统由射频接收机、本文设计的中频接收机、上位机等组成。中频接收机测试结果:最大多普勒频偏250k Hz、码速率100kbps~5Mbps可调、抗连续连0或连1可达128位、帧长与帧同步码可灵活设置。结果表明满足设计指标要求。

4 结论

本文设计了一款基于FPG A的PCM/FM遥测中频接收机, 码速率、帧长、帧同步码等可灵活设置, 硬件结构简单, 可单板实现, 达到小型化、低成本设计目的。目前, 该接收机已服务于多个项目, 性能稳定可靠。

摘要：本文设计实现了一款基于FPGA的PCM-FM遥测中频接收机, 在FPGA中实现遥测信号解调、位同步、帧同步等功能, 系统码速率、帧长、帧同步码可灵活设置。接收机硬件结构简单, 主要包括FPGA、ADC、电源转换芯片、USB接口芯片等常用器件, 可单板实现, 达到低成本、小型化设计要求。性能测试表明, 中频接收机满足设计指标要求, 目前该接收机已服务于多个项目。

关键词：遥测系统,中频接收机,位同步,帧同步,FPGA

参考文献

[1]李英丽, 刘春亭.空空导弹遥测系统设计[M].北京:国防工业出版社, 2006

[2]Uwe Meyer-Baese.数字信号处理的FPGA实现[M].北京:清华大学出版社, 2002

[3]Miao G J.Signal processing in digitai communications[M].Artech House Inc, 2007

[4]樊昌信, 詹道庸, 徐炳祥等.通信原理 (第四版) [M].北京:国防工业出版社, 2001

[5]夏利利, 刘冰, 周江等.PCM遥测帧同步技术性能分析[J].电讯技术, 2014, 54 (6) :803-807

[6]AD6645 Data Sheet, Analog Device Inc, 2002