利用以太网传输测控信号的方法与流程

本发明涉及一种测距、测速及信息解调等相关应用领域，通过网络数据包传输测控信号的方法。

背景技术：

工业以太网则以其成熟的技术、良好的开放性、应用的广泛性和易于实现企业综合自动化的信息集成,已成为测控技术领域的一大趋势。特别是近年来，由于快速以太网的出现和性能不断提升，基于以太网的测控系统在工业控制领域逐渐得到推广。但在航天测控领域，由于受实时性、高可靠性的影响，基于以太网的测控网在航天测控领域使用较晚。基于以太网的航天测控系统需要实现的一项重要技术是航天测控数据的传输，要求具有一定的实时性和高可靠性。要实现航天测控数据的实时可靠传输，除了从硬件方面合理设计网络结构，选取高性能的网络设备外，软件方面测控系统数据传输服务也应精心设计，才能与硬件协调配合共同完成数据传输任务，以达到航天测控系统对数据传输实时性和可靠性要求。在传统的测控系统中，基于以太网的分布式测控系统其最大优点是，可实现上层管理的信息网络与底层测控网络的无逢连接,但是,工业以太网的应用环境一般较为恶劣,如高温与高湿、振动与冲击、辐射与干扰等,其中以太网的实时性是影响测控系统数据传输的主要因素。在以太网测控系统中,综合测试系统中的各测控单元(网络节点,如传感器、智能仪表等)的执行一般存在时间上的顺序关系。实时数据按照时间要求级别高低，可分为强实时数据、准实时数据和弱实时数据。对于时延要求非常高的强实时数据，必须充分保证其带宽，尽量减少信道竟争引起的时延，缩短碰撞域。由于各测控单元、测控子网众多而又分散化,测控子网之间需要协调同步工作时,也要进行大量信息交换。测控子网对其访问频繁,由此产生的数据量则很大,加大了网络通信负荷,降低了网络性能,而网络性能的下降最终又影响控制性能,甚至使整个测控网络瘫痪。它们在网络上的数据传输(传输的开始和每次需传输的数据量)是随机的,传输距离有远有近,因而信息传输的时延也是随机的(以太网上典型的传输时延为5ls/km)。测控数据或多媒体流的实时传输对网络通信的要求较为严格，信息的成功发送不仅取决于数据帧的完整性，更取决于传输时延。时延是指数据包在网络的两个节点之间传送的平均往返时间，包括固定时延和可变时延(网络拥塞)，测控数据要求端到端的传输时延＜100ms。另外,子网结构的不同,所采用通信协议的不同以及子网中节点数量的不同,都将带来不同的网络传输效率,这种随机性与实时性时序要求的时间确定性之间是矛盾的。由于整个系统的复杂性,各节点的传输时延一般难于较准确的确定,也就是说,接收方接收数据的时刻总是迟于发送方发送数据的时刻。以太网采用的数据链路层协议csma/cd的非确定性是引起测控系统非实时性的本质原因，并且站点占用信道太长而影响其他站点的通信。随着网络负荷的增大,传输性能将恶化，系统趋于不稳定。

传统的测控系统的测控信号的传输通常采用点对点专用信号线和开关矩阵的方式。对于大型的系统，设备连接关系复杂，需要大量信号传输电缆，相互干扰严重，可扩展性差，重组的灵活度低。基于以太网的分布式测控系统通过以太网传输测控信号，利用其成熟的技术、良好的开放性、应用的广泛性以及易于实现企业综合自动化的信息集成等优点可实现上层管理的信息网络与底层测控网络的无缝连接，克服原有测控系统的诸多弊端。但是，传统用于测距、测速、相干解调等的信号对相位连续性有较高的要求，由于各测控单元、测控子网众多而又分散化，它们在网络上传输数据以及数据传输的时延都具有随机性。网络数据包发送的延迟不固定特性会导致网络数据包抖动，通过网络传输测控信号可能造成信号不连续的问题。如果在接收端直接恢复数字信号会导致信号无法连续，进而影响测速测距等的精度。另外，由于数字信号处理采用均匀时间采样，数据量较大，直接传输数字信号会造成网络资源的浪费。

技术实现要素：

为了克服通过网络传输测控信号可能造成的信号不连续问题，本发明提供一种利用以太网传输测控信号的方法，以克服网络抖动和延迟对信号相位连续性的影响，提高网络传输效率，节约网络资源，改善整个系统实时响应性能。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种利用以太网传输测控信号的方法，具有如下技术特征：在以太网发送端，采用相位连续信号网络传输待测控信号，自动增益控制模块agc将待测控信号的模拟信号输入模数a/d采样模块转换为数字信号，经数字混频模块混频处理得到零中频基带信号后，再经成帧模块按固定点数分帧处理，得到以帧为单位的数据块；信号压缩模块利用频域稀疏性对数据块进行压缩处理和多频点多信号组帧，压缩处理为最小单位传输帧；差错控制模块根据网络质量给最小传输帧加入差错控制信息，网络协议处理模块将加入差错控制信息后的数据打包为以太网应用层协议数据包，并封装得到网络数据封装长度单位为字节的网络层数据包，封装后的网络层数据包经网络协议处理模块解析，以太网接口处理模块接收解析得到传输帧数据，并将解析后的传输帧数据网络数据缓存在缓存模块数据中，通过以太网接口实时向以太网向接收端发送传输网络层数据包。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明针对采样后数据量巨大，浪费网络传输资源的问题，将待传输的测控信号利用频域稀疏性进行压缩处理，并进行多频点多信号组帧，差错控制模块差错控制和异常帧处理模块进行针对测控信号相位连续性的处理，再经信号解压缩模块处理后恢复为流信号，恢复出的数字信号为零中频基带信号，然后实时网络传输。避免了接收端直接恢复数字信号会导致信号无法连续，影响测速测距精度的弊端。相比于传统的测控系统的测控信号的传输通常采用点对点专用信号线和开关矩阵的方式，有利于减少测控过程中测控单元与中心数据库交换数据的通信量,提高数据通信效率和系统实时性。

本发明针对网络传输可能导致信号相位不连续的问题，在以太网发送端，采用相位连续信号网络传输待测控信号，自动增益控制模块agc将待测控信号的模拟信号输入模数a/d采样模块转换为数字信号，经数字混频模块混频处理得到零中频基带信号后，再经成帧模块按固定点数分帧处理，得到以帧为单位的数据块；使得通过网络传输测控信号的系统具有与传统测控系统相同的性能。克服了通过网络传输测控信号可能造成信号不连续的问题，本发明将经成帧模块按固定点数分帧处理，得到以帧为单位的数据块通过信号压缩模块，信号压缩模块利用频域稀疏性对数据块进行压缩处理和多频点多信号组帧，压缩处理为最小单位传输帧；这种将压缩处理为最小单位传输帧通过差错控制模块加入差错控制信息后，通过网络协议处理模块打包得到以太网应用层协议数据包，协议数据包经以太网接口处理模块处理得到的传输帧通过实时以太网进行发送传输，可以直接相互通信,使得测控功能分散化,网络数据包发送的延迟不固定特性不会导致网络数据包抖动，并缩短了信息通路,从而提高了系统的实时性能和可靠性。

本发明采用网络协议处理模块将加入差错控制信息后的数据打包为以太网应用层协议数据包，并封装得到网络数据封装长度单位为字节的网络层数据包，封装后的网络层数据包经网络协议处理模块解析，以太网接口处理模块接收解析得到传输帧数据，不需要大量信号传输电缆，体积小重量轻，且设备连接关系简单。相位连续信号网络传输及恢复技术，大大降低了网络中的信息交换量、提高了网络传输效率,并改善整个系统的实时响应性能。其突出优点是:数据传输率高,信号动态范围宽,抗干扰能力强。

本发明在接收端将通过以太网接口接收的网络数据，经网络协议处理模块解析得到的传输帧经数据缓存模块数据缓存、时域删除和帧插入，利用频域稀疏性进行压缩处理，并进行多频点多信号组帧，压缩处理为最小单位传输帧，灵活有效地利用网络资源，避免包频过高和网络传输效率过低，极大减少待传输数据量，有效节约网络资源。

本发明将加入差错控制信息后的数据打包为以太网应用层协议数据包，，并采用信号压缩、多频点多信号组帧等技术手段避免直接传输数字信号造成网络资源的浪费。封装得到网络数据封装长度单位为字节的网络层数据包，封装后的网络层数据包经网络协议处理模块解析，以太网接口处理模块接收解析得到传输帧数据，并将解析后的传输帧数据网络数据缓存在缓存模块数据中，通过以太网接口实时向以太网向接收端发送传输网络层数据包，能够克服网络抖动和延迟对信号相位连续性的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

图1是本发明发送端连续传输测控信号的处理流程示意图。

图2是本发明接收端处理连续传输测控信号流程示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在以太网发送端，采用相位连续信号网络传输，将待传输的测控信号通过自动增益控制模块agc输入模数a/d采样模块转换为数字信号，数字信号通过数字混频模块处理得到零中频基带信号后，再经成帧模块按固定点数分帧处理，得到以帧为单位的数据块，数据块通过信号压缩模块利用频域稀疏性进行压缩处理，并进行多频点多信号组帧，压缩处理为最小单位传输帧；然后利用差错控制模块根据网络质量给最小传输帧加入差错控制信息，最小传输帧通过差错控制模块加入差错控制信息后，通过网络协议处理模块打包得到以太网应用层协议数据包，并封装得到网络数据封装长度单位为字节的网络层数据包，封装后的网络层数据包在以太网接口处理模块中进行缓存等处理得到的传输帧，由以太网向接收端实时进行发送传输网络层数据包。

参阅图2。接收端接收来自发送端太网接口处理模块发送的连续传输测控信号，首先通过网络协议处理模块解析得到传输帧，数据缓存模块根据传输帧计数进行帧连续性判别、排序及漏帧检测，当出现漏帧或者缓存区短暂读空时，接收端时域删除帧插入模块根据数据缓存模块中缓存信号数据的幅度、频率连续等特性对传输帧数据进行检查，当传输帧数据出现异常时进行抛弃，或者时域删除帧替换、插入时域，替换原有传输帧，保证信号连续；传输帧经过异常帧处理模块信号相位连续性的处理后，信号解压缩模块将压缩处理后的最小单位传输帧送入流信号恢复模块恢复为零中频基带数字信号，恢复出的零中频基带流信号经上混频滤波模块混频滤波得到重构数字中频信号，最后通过数模d/a转换模块d/a转换为具有连续性的模拟信号。为保证信号的连续性，在整个连续传输测控信号处理过程中，由一控制模块控制模块控制协调数据缓存模块、异常帧处理模块和流信号恢复模块，控制协调完成传输测控信号的连续性。数据缓存模块数据缓存大小可以根据路由距离、网络质量选定。

具体为，在发送端测控模拟信号到网络传输信号的转换处理中，采用数据缓存机制和接收端时域删除帧设计连续传输测控信号。发送端模拟测控信号首先通过发送端自动增益控制agc模块，获得a/d采样模块转换的a/d采样数字信号所需的最佳电平，通过a/d采样模块采样量化后的测控信号经数字混频模块数字混频处理得到零中频基带信号，经由成帧模块进行固定点数的分帧处理，得到以帧为单位的数据块。为避免传输时延过大或网络传输效率过低和包频过高，成帧模块根据信号类型选择数据块长度，低速率传输时采用短帧，高速率传输时采用长帧。由于信号频域所展示的稀疏特性，信号压缩模块可只在信号频谱非零的点上进行采样，然后进行多频点多信号组帧，压缩处理为最小单位传输帧，并加入自动增益控制agc功率控制、帧计数、压缩前后帧长等信息。然后利用差错控制模块根据网络质量给最小传输帧加入差错控制信息。输出信号通过网络协议处理模块打包，得到以太网应用层协议数据包，并封装得到网络数据封装长度单位为字节的网络层数据包，封装后的数据包在以太网接口处理模块中进行缓存等处理，经由以太网向接收端发送。数据缓存模块数据缓存大小根据路由距离、网络质量选定。首先数据缓存模块根据传输帧计数进行帧连续性判别、排序及漏帧检测，当出现漏帧或者缓存区短暂读空时，接收端插入时域，删除帧替换原有传输帧，以保证信号连续插入时域删除帧替换原有传输帧，保证信号连续。根据信号幅度、频率连续等特性对传输帧数据进行检查，当出现异常时进行抛弃(时域删除帧替换)或者局部修正处理。为保证信号的连续性，整个连续传输测控信号处理过程由同一控制模块控制协调数据缓存模块、异常帧处理模块和流信号恢复模块协调完成连续传输测控信号。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。