（交通信息工程及控制专业论文）欧洲应答器报文实时编码及测试平台的研究.pdf

中文摘要 摘要：应答器是点式传递信息的设备，作为一种信息传输的媒介它已被广泛应用 于航海、航天、通信和军事等领域。2 0 世纪7 0 年代应答器开始被应用到列车控制 系统中，主要用于向车载设备传输大量数据信息保证列车安全行驶。鉴于欧洲应 答器技术的先进性并结合当前国内铁路的实际情况，我国引进并吸收了欧洲列车 控制系统中欧洲应答器的相关技术并将其应用于c t c s 。 掌握欧洲应答器报文编码技术是实现欧洲应答器技术在我国成功应用的关键 之一，目前我国均采用预先编码的方式来生成编码报文，但是随着铁路运营需求 的增长，这种现有的报文编码方式已不能满足需求，铁道部为此提出了采用实时 动态的编码方式生成应答器报文。因而欧洲应答器报文实时编码的研究具有重要 的现实意义和实用价值。 本文首先介绍了欧洲应答器技术及其在c t c s 中的应用，描述了应答器报文 编码策略，然后着重分析了报文编码的算法原理，对编码算法的关键步骤设计了 快速算法，并采用软件的方式实现了报文编码，验证和分析了算法的正确性和算 法效率。实验结果表明软件实现编码效率较低，无法满足实时编码的要求，因此 考虑采用硬件来实现实时编码。 本文给出了一种基于f p g a 的报文实时编码的完整方案，然后根据欧洲应答 器编码策略，在q u a r t u si i 设计平台上实现了报文的编码设计输入并进行了综合仿 真分析，验证了设计的正确性。 最后为了全面测试整个实时编码模块的功能和性能，本文采用模拟t c c 的方 法设计了具有报文译码，通信等功能的仿真测试平台。 关键词：欧洲应答器；实时编码；列控中心；f p g a ；测试平台 分类号：u 2 8 4 4 8 j 匕塞蛮遭太堂亟堂焦j 金塞旦墨! b ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：b a l i s ei sa l li n t e r m i t t e n tt y p ee q u i p m e n tf o ri n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ， w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a r i t i m e ，a e r o s p a c e ，c o m m u n i c a t i o n s ，m i l i t a r ya n do t h e r f i e l d sa sam e d i u mf o ri n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n i nt h e2 0 t hc e n t u r y7 0 sb a l i s eb e g a nt ob e a p p l i e dt ot r a i nc o n t r o ls y s t e m i ti sm a i n l yu s e dt ot r a n s m i tl a r g en u m b e r so fd a t at o o n - b o a r de q u i p m e n tt og u a r a n t e es a f e t yo ft r a i n i nv i e wo ft h ea d v a n c e de u r o b a l i s e t e c h n o l o g ya n dt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ed o m e s t i cr a i l w a y ，o u r c o u n t r yi n t r o d u c e da n da b s o r b e dt h er e l a t e dt e c h n o l o g i e so fe t c s ( e u r o p e a nt r a i n c o n t r o ls y s t e m ) ，a n dt h e na p p l i e di tt oc t c s m a s t e r i n gt r a n s p o n d e re n c o d i n gm e t h o di so n eo ft h ek e yo fs u c c e s s f u la p p l i c a t i o n o fe u r o b a l i s ei no u rc o u n t r y i no u rc u r r e n tr a i l w a ys y s t e m ，t e l e g r a m sa r eg e n e r a t e sb y p r e - c o d i n gw a y b u tw i t ht h eg r o w t ho fd e m a n df o rr a i l w a yt r a n s p o r t ，t h ee x i s t i n g e n c o d i n gm e t h o dc a nn o tm e e tt h ef l e x i b l ed e m a n d s om i n i s t r yo fr a i l w a y sp r e s c r i b e s u s i n gt h er e a l t i m ed y n a m i ca p p r o a c ht og e n e r a t et e l e g r a m s t h e r e f o r et h er e s e a r c ho f r e a l - t i m ec o d i n gf o re u r o b a l i s et e l e g r a mi so f g r e a ts i g n i f i c a n c ea n dv a l u e t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e de u r o b a l i s et e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni nc t c sa n d d e s c r i b e dt e l e g r a me n c o d i n gs t r a t e g i e s t h e nt h ep a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fc o d i n g a l g o r i t h ma n dp r o p o s e dh i g h - s p e e da l g o r i t h mf o rk e ys t e p so ft h ee n c o d i n gs t r a t e g y b y t h ew a yo fs o f t w a r et h ep a p e rv a l i d a t e da n da n a l y z e da l g o r i t h m sc o r r e c t n e s sa n d e f f i c i e n c y a f t e rt h ea c t u a lv e r i f i c a t i o n ，w ef o u n dt h a ts p e e do fs o f t w a r ee n c o d i n gc a n t r e a c ht h er e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ee n c o d i n g s ow em u s tt a k ei n t oa c c o u n ta d o p t i n g h a r d w a r ew a yt oc o m et r u e i nt h i sp a p e ra ni n t e g r a li m p l e m e n t a ls c h e m ew a sp r o p o s e d f o rr e a l t i m ee n c o d i n gb a s e do nf p g aa n dr e a l i z e de n c o d i n gi nt h eq u a r t u si i e n v i r o n m e n ta c c o r d i n gt oe n c o d i n gs t r a t e g yf o re u r o b a l i s e f i n a l l yt or o u n d l yt e s tt h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft o t a lr e a l t i m ee n c o d i n g m o d u l e ，t h ep a p e rd e s i g n e dag o o ds p e c i m e nf o rt e s t i n gw i t ht h ef u n c t i o no ft e l e g r a m d e c o d i n ga n dc o m m u n i c a t i o nb yt h ew a yo fs i m u l a t i n gt c c k e yw o r d s ：e u r o b a l i s e ；r e a l - t i m ee n c o d i n g ；t c c ；f p g a ；t e s t i n gp a l t f o r m c l a s s n o ：u 2 8 4 4 8 a s i c a t c a t p b t m c b c l b c m o s c r c c t c s e d a e p r o m e r t m s e s b e t c s e t s e v c f f f i s f f f s f p g a f s k g s m r i o b i r l e l e u p c b p l l p r o m 英文缩写名词英汉对照表 a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e r g a t e dc i r c u i t 专用集成电路 a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o l 列车自动控制 a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n 列车自动防护 b a l i s et r a n s m i s s i o nm o d u l e 应答器传输模块 c o n t r o lb i t s 控制位 c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k 可编程逻辑块 c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r 互补金属氧化物半导体 c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e 循环冗余码 c h i n e s et r a i nc o n t r o ls y s t e m中国列车运行控制系统 e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 电子设计自动化 e r a s a b l e p r o g r a m m a b l er o m 可擦除可编程存储器 e u r o p e a nr a i lt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m 欧洲铁路运输管理系统 e x t r as h a p i n gb i t s 额外修整位 e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m 欧洲列车运行控制系统 e u r o b a l i s et r a n s m i s s i o ns y s t e m 欧洲应答器传输系统 e u r o p e a nv i t a lc o m p u t e r 欧洲安全计算机 f o r m f i tf u n c t i o n a li n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n 形式化的功能接口规范 f o r m f i tf u n c t i o n a ls p e c i f i c a t i o n 形式规格化的功能规范 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s 现场可编程门阵列 f r e q u e n c y - s h i f tk e y i n g 移频键控 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n f o rr a i l w a y s 铁路移动无 线通信系统 i ob l o c k 输入输出模块 i n t e r c o n n e c tr e s o u r c e 互连资源 l o g i cc e l l 逻辑单元 l i n ee l e c t r o n i cu n i t 地面电子单元 p r i n t e dc i r c u i tb o a r d 印刷电路板 p h a s el o c k e dl o o p 锁相环 p r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y 可编程只读存储器 ra i r b c r o m s b s r a m s t m t c c t t l u d p v h d l r a n d o m a c c e s sm e m o r y 随机存储器 r a d i ob l o c kc e n t e r 无线闭塞中心 r e a d o n l ym e m o r y 只读存储器 s c r a m b l i n gb i t s 扰乱位 s t a t i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y 静态随机存储器 s p e c i f i ct r a n s m i s s i o nm o d u l e 专用传输模块 t r a i nc o n t r o lc e n t e r 列控中心 t r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c 晶体管逻辑电路 u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 用户数据报协议 v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 超 高速集成电路硬件描述语言 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 占小萍 i 签字同期： 口罗年7 月多日 导师签名： 签字同期：。少年7 月多旧 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通人学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 髟小萃 l 签字日期：d9 年7 月多日 7 3 致谢 衷心地感谢我的导师单冬副教授! 本论文的工作是在单老师的精心指导下完 成的，在论文的选题、构思、研究和写作的各个环节中，单老师都给予了细心指 导并提出了许多好的建议，让我对所研究的课题有了深刻的见解。另外，单老师 严谨的治学态度和对工作一丝不苟的精神以及那侮人不倦的师者风范时刻影响着 我，是我终身学习的楷模。在单老师的指导下我通过两年的学习具备了本领域的 各种专业基础知识，提高了自身的科研能力。 由衷感谢北京交大微联科技有限公司的吴江娇老师。吴老师在我论文的选题 和研究工作中也给予了很多的指导和帮助，并为我提供了丰富的论文写作材料以 及各种研究所需的实验条件和资源，在我课题的研究和论文写作期间多次提出了 宝贵的意见。 感谢北京交大微联科技有限公司的卜长垫、赵志熙、高继祥三位老师对我论 文工作的指导和帮助，并提出了宝贵的建议。 感谢北京交大微联科技有限公司的薛辉、张斌、刘晶等人对我研究工作的支 持和帮助，让我能顺利的完成研究工作。 另外真心感谢我的父母这么多年来对我的辛苦教育和培养，让我成为了一个 能为祖国社会主义现代化做贡献的有用之材，他们对我的时刻关怀是我求学路上 不断进取的动力。 1 引言 1 1 列车运行控制系统概述 1 1 1 列车运行控制系统的发展 自蒸汽机车发明以来，人们采用了许多方法来保证列车的安全行驶。早期人 们采用挥旗、文字指示牌和臂板等人工方式来控制信号，通过这些信号显示，简 便地给司机各种运行条件的指示，提示司机采取相应的措施，以免发生事故。轨 道电路发明后，又出现了地面自动信号，人们开始使用轨道电路检查列车占用线 路状态，使地面信号显示能真实反映线路空闲状态，这既能防止列车事故的发生 又能提高运输效率。 传统的铁路信号对列车的控制都是完全基于地面信号，列车的安全运行完全 依赖于司机对信号的晾望和正确驾驶。然而由于地面信号显示系统易受天气( 如 雾、冰雪、大雨等) 的影响以及地形的限制，难以保证全天候不间断地正确显示， 对列车的安全行驶构成了安全隐患。因此人们又发明了机车信号设备，即车载信 号通过接收地面设备传送来的信息，在司机室内复示地面信号。这就大大改善了 司机的晾望条件，使司机能够及时地采取制动措施，提高了列车运行的安全级别。 但是随着列车运行速度的提高，行车密度的加大，不论是地面信号还是机车 信号，列车司机在确认信号含义和驾驶操作上都变得非常困难，也就是说人的应 变能力已不能适应客观变化了，一旦疏忽就会造成严重后果，这就对铁路通信信 号设备提出了更高的要求。针对这个问题，在2 0 世纪中后期，工业发达国家相继 研究出了多种基于通信的列车运行控制系统，如法国u t 、日本数字a t c 、德国 l z b 、欧洲e t c s 等，这些系统设备均适应了铁路发展的需要，大大提高了列车的 运行速度和运输效率，并使得世界上许多国家掀起了建设高速铁路的热潮【lj 。 1 1 2 欧洲列车控制系统e t c s 为克服欧洲各国信号制式互不兼容，使高速列车穿越边境时能够兼容互换， 以提高运输效率，降低运营成本，1 9 8 9 年1 2 月欧洲运输部长会议做出决定要为欧 洲铁路的互连互通寻找解决方案。于是在欧洲委员会的财政支持下，欧洲铁路和 欧洲信号工业经过十多年的努力，制定出了一套列车运行控制系统的技术规范 e t c s 。该技术规范于2 0 0 1 年被欧盟通过立法形式确定为强制性技术规划劲。 e t c s 是一系列具有可操作性的技术文件、标准和规范，主要分为地面子系统 和车载子系统两大部分构成。地面子系统包括欧洲应答器( e u r o b a l i s e ) 、轨旁 电子单元( l e u ) 、无线通信网络( g s m r ) 、无线闭塞中心( r b c ) 、欧洲环线 ( e u r o l o o p ) 。车载子系统主要包括：e t c s 车载设备( 欧洲安全计算机e v c ) 、 铁路无线移动通信系统( g s m r ) 、专用传输模块( s t m ) 、应答器接收设备( b t m ) 箜f 2 】 寸。 结合欧洲各国铁路现状，兼顾既有设备及未来列车运行控制系统发展趋势， e t c s 技术规范确定了5 个应用等级【3 j ： 等级o ：保证装备了e t c s 的列车可以在没有装备e t c s 地面设备或者没有本国 ( 本地) 信号系统的线路上运行，或者在试运行中的e t c s 线路中运行。 等级s t m ：装备了e t c s 的列车在装备了本国( 本地) 信号系统的线路上运行， 它们之间通过s t m 进行接口。 等级l ( 带注入或不带注入信息) ：装备了e t c s 的列车，在装备有欧洲应答器 的线路上运行，线路上可以安装欧洲环线或者无线注入单元。 等级2 ：装备了e t c s 的列车，在由无线闭塞中心控制的、装备了欧洲应答器 和欧洲无线的线路上运行，由地面设备提供列车定位功能和列车完整性检测。 等级3 ：取消了传统的地面信号系统，车一地之间的双向信息通信由g s m r 提 供传输通道，列车定位和列车完整性检测由车载设备实现。 1 1 3 中国列车控制系统c t c s 我国铁路网络发展建设过程中互连互通也是一个重要的问题，因此通过对 e t c s 技术规范、世界各国列控标准及实际运营情况的分析，结合我国铁路的实际 运营需求、设备状况和技术政策，经过长时间的论证和研究，最终确定了中国列 车控制系统c t c s 的五个等级的总体技术框架【4 】： c t c s 0 级( 简称c o 级) ：既有系统，由通用机车信号和运行监控记录装置构 成，适用于列车最高运行速度为1 6 0 k m h 以下的区段。 c t c s 1 级( 简称c 1 级) ：主体机车信号+ 安全型运行监控记录装置组成，点 式信息作为连续信息的补充，可实现点连式超速防护功能。 c t c s 2 级( 简称c 2 级) ：基于轨道电路和点式应答器传输控车信息，并采用 车地一体化设计的列车运行控制系统，地面可不设通过信号机。 c t c s 3 级( 简称c 3 级) ：基于无线传输信息，采用轨道电路等方式检查列车 占用的列车运行控制系统，点式设备主要传送定位信息。c 3 级列控系统可以叠加 在c 2 级列控系统上。 c t c s 4 级( 简称c 4 级) ：完全基于无线传输信息的列车运行控制系统，地面 可取消轨道电路，由无线闭塞中心和列控车载设备共同完成列车定位和列车完整 性检查，实现虚拟闭塞或移动闭塞。 c t c s 车载设备逐级向下兼容，通过系统设计，系统级间切换可以自动完成， 级间切换不影n i ；j y u 车正常运行【5 1 。 1 2 欧洲应答器技术 1 2 1 欧洲应答器传输系统 1 ) 欧洲应答器传输系统基本结构 应答器作为一种信息传输的媒介，已被广泛应用于航海、航天、通信、军事 等领域。在2 0 世纪7 0 年代应答器被应用到铁路列车控制系统后，发展极其迅速。 在欧洲，各国的干线铁路及城市轨道交通中所使用的地面应答器的式样、尺寸、 技术特征相差很大。1 9 9 6 年年底欧洲铁路联盟为统一欧洲铁路应答器的制式，在 制定了e t c s 详细技术规范的同时，也制定了欧洲型应答器e u r o b a l i s e 的技 术标准，对应答器的结构原理、规格尺寸、类型样式等方面都作了要求，形成了 统一的欧洲应答器传输系统【6 】( e u r o b a l i s et r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 。 欧洲应答器传输系统是个安全的点式大容量信息传输系统。采用数字编码 技术，可实现地面和列车之间的数据传输，通过处理后得到相应的信息，提交给 车载计算机，用于超速防护或列车定位等。欧洲应答器传输系统由地面应答器 ( b a l i s e ) 、车载应答器天线( a n t e n n au n i t ) 、车载应答器接收模块( b t m ) 、轨旁 电子单元( l e u ) 四部分组成【7 1 ，如图1 1 所示： e t c s 内核设备 信号机或联锁设备 图l 一1 欧洲应答器系统基本结构图 f i g 1 - 1t h eb a s i cs t r u c t u r ef o re u r o b a l i s es y s t e m 在欧洲，地面应答器通常设置在信号机旁或一段需要减速的缓行区始终端， 分为固定报文应答器( b a l i s ef i x e d ) 和可变报文应答器( b a l i s ec o n t r o l l e d ) 两种。 其共同特点是无源的，内部寄存器按协议以数码形式存放实现列车速度监控及其 他行车功能所必须的数据。 固定报文应答器通常不需要与任何设备相连，存放的数据是固定的；可变报 文应答器置于信号机旁，与信号机通过接口相连，可向列车传递信号显示信息， 应答器内所存储的部分数据受信号显示的控制。 当机车驶过地面应答器时，车载应答器首先以一定的频率，通过电磁感应方 式将能量传递给地面应答器；地面应答器的内部电路在接收到来自列车的能量后 开始工作，通过电路输出一个可靠的电源，为信息发送电路提供能量，将数据以 频移调方式通过电磁感应传送至车上【引。 车载应答器天线设置在机车的底部，是一个全双工的收发天线，既要向地面 发送激活地面应答器的功率载波，还要接收地面应答器发送来的包含数据报文的 f s k 信号。 4 车载应答器天线将接收到的地面应答器f s k 信号，传送到b t m ，由其对信 息进行处理，完成解调、译码等工作，最后把信息通过相应的接口，在约定的接 口协议下传送到相关设备，如a t p 设备、显示设备或无线设备等。 轨旁电子单元是地面应答器与信号机之间的电子接口设备，是一种数据采集 与处理单元，其任务是将诸如进站股道信号和信号灯位等信息转换成报文，传送 给可变报文应答器进行发送。 2 ) 欧洲应答器的技术指标【6 】 能量传输频率：2 7 0 9 5 m h z ； 数据传输载频：4 2 3 7 m h z ； 调频方式：f s k ； 调制频率：2 8 2 l z ； 报文码长：3 4 1 b i t s ( 短码) ，1 0 2 3 b i t s ( 长码) ； 可用码长：2 1 0 b i t s ( 短码) ，长码8 3 0 b i t s ( 长码) ； 数码同步方式：块控制首部( b c h ) ： 数码校验方式：7 5 b i t s 循环冗余( c r c ) 校验； 车载天线与应答器距离：1 9 5 m m 4 6 3 m m ； 有效作用长度：0 5 m ； 适用列车速度： 大量自由的信息位，分别为8 3 0 b i t s 和2 1 0 b i t s ； 对于多种类型的传输错误都具有可证明的安全保证； 报文的所有信息位反转后仍然能被译码器识别； 不必在报文开始设置起始( 或结束) 标志； 可以与将来未知的格式变更兼容； 报文格式如表2 1 下： 表2 1 欧洲应答器报文格式 t a b 2 1t h et e l e g r a mf o r m a to fe u r o b a l i s e s h a p e dd a t a c b s be s b 校验 用户报文 控制报文扰码报文修正码报文 报文 8 3 * 11 = 9 1 3 或 2 l 木1 1 = 2 3 1 b i t s 3 b i t s1 2 b i t s l o b i t s8 5 b i t s f f f s 编码策略中定义了两种格式的报文，分别为b l = 1 0 2 3 ( 9 3 1 1 ) 的长报文和 ，l 。= 3 4 1 ( 3 1 1 1 ) 的短报文，长报文中包含8 3 0 个用户信息位，短报文中包含2 1 0 个用 户信息位。报文的信息位从左到右依次表示为：玩一，包一：，岛，b o 。最左边是高 位，定义为统最右边是低位，定义为6 n 。应答器发送数据的顺序是从左至右， 但不一定从最左边的统。位丌始，而可能是报文中的任何一位。 报文开头是经过加扰和修整后的用户数据，这个数据块，在长报文中包含9 1 3 位( 8 3 个1 1 位字) ，即6 l 吻，6 1 1 0 ，在短报文中包含2 3 1 位( 2 1 个1 1 位字) ，即6 3 。o ， 岛。；接下来的b 。叭b ；。，b 。，是3 个比特的控制位，其中b 。，是一个反转位，必须 置0 ；b 悯和b m 预留为将来格式变更时使用，目前分别将其设置为o 和1 ； 岛，岛，6 9 ，是扰乱位，共1 2 b i t s ，用于储存对数据进行操作的扰码器初始 状态；6 0 。，6 r ，是额外修整位，共1 0 b i t s ，用于报文的修整以满足所需要的各种 测试条件；最后的8 5 位6 8 。，6 0 是校验位。 2 2 报文编码策略 f f f s 编码策略的总体步骤概括如下： 1 判断扰乱位是否被耗尽，如果没有，选择扰乱位；否则编码失败； 2 数据扰乱； 3 数据转换； 4 判断额外修整位是否耗尽，如果没有耗尽，选择额外修整位；否则跳转至 步骤l 重新选择扰乱位； 5 数据校验； 6 候选报文测试； 7 判断候选报文是否通过测试，如果通过则编码完成；否则跳转至步骤4 。 下面将对几个关键步骤进行详细说明，这里先给出以下说明中都需要用到的 一种数学表示方法：对任意一个二进制的，z 元组1 ，= 1 ，川，1 ，川，1 ，。，1 ，。】，我们把它 与一个二进制多项式相联系y ( x ) = v n - i - 1 + v 脚x ”2 + + 1 ，l x + v o 。对任意的两个二 进制多项式c ( x ) 和d ( z ) ，r m l d ( x ) 】表示d ( 石) 被c ( x ) 除的余数，令多项式r ( x ) = r 出， d ( x ) 】，则，( x ) 的最高次幂必定小于c ( x ) ，对某多项式q ( x ) ，必有 d ( 石) = c ( x ) g ( x ) + r ( x ) 。 2 2 1 数据扰乱 用户数据的扰乱分以下三个步骤完成： ( 1 ) 用所有用户数据的函数替代f i l l l o b i t s 用户位，方法如下： 用u 川，u 。一：，u 。，u 。表示用户信息位。对长报文，m = 8 3 0 ，对短报文， m = 2 1 0 ；将用户信息从左到右以1 0 b i t s 为单位分隔为k 个数据块， u 川= ( u m - i u 。- l o ) ，uh = m 州1 u 。喇) ，uo = 9 “o ) ，对于长报文尼= 8 3 ，短 报文k = 2 1 。将u 用下面的式子代替。 k 一1，、 u 七一1 u f m o d 2 1 u( 2 1 ) 一 f = 0 。 u h ，u 。均保持不变。这样得到的新数据除- j f i i j 1 0 b i t s 与原来的不一样之 外，其余的比特均与原来相同。 ( 2 ) 把1 2 位扰乱位看作一个整数b ，最高位( m s b ) 为b 。，最低位( 艮6 ) 为b 。， 即b = b 1 0 6 2 1 1 + + 6 9 6 2 + b 。，。扰乱器所需要的3 2 位的初始值s 定义为： s = ( 2 8 0 1 7 7 5 5 7 3 b ) m o d 2 3 2 ( 2 2 ) ( 3 ) 用图2 1 所示的线性反馈移位寄存器对用户数据进行扰乱。 方框表示数据延迟单元，寄存器共有3 2 个延迟单元；加号表示异或操作：系 数魄。，呜。，。，吃，吃，等于1 ，图中表示为有线连接；其余的没有线连接，系数等 于零；用特征多项式表示为h ( x ) = x 3 2 + 1 + x 3 0 + 石2 9 + x 2 7 + x 2 5 + 1 。 ( 2 3 ) 移位反馈寄存器的初始状态即为上述定义的初始值s ，每到来一个时钟，该寄 存器对一位用户数据进行扰乱。 图2 - l3 2 位线性反馈移位奇存器 f i g 2 - 13 2 - b i tl i n e a rf e e d b a c ks h i f tr e g i s t e r 数据扰乱的具体过程，用多项式描述如下： j ，= u i o 盯3 l ( 聊一1 ，o ) ( 2 4 ) 仃( 功i 专r 肌) x o r ( x ) + u f 2 】 ( 2 5 ) 当前时钟计算得到的盯( 功代替上个时钟时的仃( 力。线性反馈移位寄存器中的 内容为o r ( x ) = o r 3 i ，1 + + o r i x + o r o ，其初始值为s 的二进制表示。s f 为扰乱后的输 出数据，u j 为输入的用户数据，对于长报文m 为8 3 0 ，短报文为2 1 0 。每来一个时 钟，进行上式的计算，经过m 一1 个时钟周期后，就可以得到所有用户数据的扰乱 输出j 州，s o 。 2 2 2 数据转换 扰乱后的数据按照从高位到低位的顺序( 左边为高位) ，以1 0 b i t s 为单位进行 分组，这样对长报文可以分为8 3 组l o b i t s 的数据块，短报文分为2 1 组。将每一组 l o b i 如的数据块按照预先定义的转换表进行l o 到1 1 位的数据转换。转换表中共有 1 0 2 4 个取代值，每个取代值都是1 1 6 泐，第一个取代值的位置定为0 ，往后依次加1 ， 直到1 0 2 3 。转换规则是：将每一组l o b i 结数据块转换为对应的十进制整数i ( 必在0 到1 0 2 3 之间) ，在转换表中查找第f 个1 1 位的数据，则这个数据就是该1 0 b i 括信息 转换后得到的1 1 6 泌信息。 2 2 3 校验位计算 在数据扰乱和转换之后，再选择额外修整位b 。易。，( 编码策略中没有给出额 外修整位的详细选取方法，需要我们自己设计，本文在2 4 2 节中给出了具体选取 方法) ，候选报文的b - v 易。，就固定了( 长报文n = 1 0 2 3 ，短报文，l = 3 4 1 ) ，接下 来就是要完成6 8 。也校验位的计算，计算公式如下。 b s 4 2 8 4 + + 6 l x + bo = e f ( x ) g ( x ) 6 。一l x ”一1 + + 6 8 5 x 8 5 + d ( x ) ( 2 6 ) 这里的多项式f ( x ) ，g ( x ) ，和0 ( x ) 根据报文格式的不同而不同。对长报文格式， 表示如下：( x ) = f ( x ) ，g ( x ) = g ( x ) ，o ( x ) = g ( z ) 。 厂，( x ) = x l o + x 9 + x 7 + x 6 + + x 3 + x 2 + 石+ 1 ( 2 7 ) g ( z ) = x 7 5 + x 7 3 + x 7 2 + x 7 1 + 7 + x 6 2 + 1 + x 6 0 + x 5 7 + x 5 6 + 石5 5 + x 5 2 + x 5 1 + 9 + x 4 6 + x 4 5 + x 4 4 + x 4 3 + x 4 1 + x 3 7 + x 3 5 + x 3 4 + 石3 3 + 1 + x 3 0 + x 2 8 + x 2 6 + x 2 4 + 石2 1 + x 1 7 + x 1 6 + x 1 5 + x 1 3 + x 挖+ x 1 1 + x 9 + x 4 + 石+ 1 ( 2 8 ) 对短报文格式，表示如下：f ( x ) = f s ( 石) ，g ( x ) = g s ( x ) ，o ( x ) = gs ( z ) 厂( x ) = z l o + x 8 + x 7 + x 5 + x 3 + z + 1 ( 2 9 ) g s ( 曲= x 7 5 + x 7 2 + x 7 1 + x 7 0 + x 6 9 + x 鹋+ x 6 6 + x 6 5 + z “+ x 6 3 + x 6 0 + 夕5 + x 5 4 + x 4 9 + 7 + 一6 + z 4 5 + x 4 4 + x 4 3 + z 4 2 + 石4 1 + x 3 9 + x 3 8 + x 3 7 + x 3 6 + x 3 4 + ，3 + ，2 + 工3 1 + x 3 0 + x 2 7 + x 2 5 + x 2 2 + x 1 9 + x 1 7 + 石1 3 + x 1 2 + x 1 1 + x l o + x 6 + x 3 + x + 1( 2 1 0 ) 多项式g ( 功和g s ( x ) 满足： r g 。t x ) g s ( 工) ( x 6 8 2 + 工3 4 1 + 1 ) 】= 0 ， ( 2 1 1 ) 这意味着3 个重复的短报文( 共3 4 1 3 = 1 0 2 3 位) 可以通过长报文的奇偶校验。 2 2 4 候选报文测试 经过上面的步骤，报文的所有数据位已经确定，即形成了一个完整的候选报 文。候选报文必须要满足以下所有的测试条件，才能成为最终合法的报文。只要 任意一个测试条件没有通过，该候选报文将被拒绝，此时必须变换额外修整位或 者扰乱位形成一个新的候选报文再重新通过测试。 候选报文的测试条件分为四个： ( 1 ) 字母表条件 对f 是1 1 的倍数，任意一个ll b i t s 的码字6 h 石，都要满足字母表条件，即 在1 0 到1 l 的转换表中能够找到该码字，否则该码字是无效的，该候选报文将被放 弃。 很明显，这个条件在报文的前i 9 1 3 位是自动满足的，而报文的其余部分则不能 保证满足条件，需要对其进行测试。 ( 2 ) 偏离同步解析条件 当i 不是l l 的倍数时，这个条件对11 位的码字序列b i _ v b h 。，( b i _ 1 2 b h ：) ， ( b i _ 2 r b h ，) ，中有效字的个数进行了限制。 如果i + 1 或者i 一1 是1 1 的倍数，1 1 位的码字序列中连续有效字的个数至多为2 ； 如果f + l 或者f 一1 不是1 1 的倍数，对长报文连续有效字的个数至多为1 0 ，短报文至 多为6 。 候选报文的任意部分都不能保证满足该测试条件，因此需要对整个报文进行 测试。 ( 3 ) 汉明距条件 这个条件仅适用于长报文。通过测试任意两个相隔3 4 0 b i t s 的2 2 位码字的汉明 距来确保即使在在出现噪声和位滑动的情况下，一个长报文的任何部分也不会被 误认为短报文。 对任意i 是1 1 的倍数，岛中，岛啦和岛圳。巾，勿埘h ：之间的汉明距至少是3 ；对 每个k = + l ，- 1 ，+ 2 ，- 2 ，+ 3 ，- 3 ，岛- l ，岛- 2 2 和6 - 3 4 l - l ，岛- 3 4 ，_ 2 2 之间的汉明距至少是2 。 ( 4 ) 抽样条件 对报文进行抽样，每隔l b i t 取1 个，报文变成如下序列： b 柚，b n - - 49 9 b 。b 川，b 棚，b ：，b 。，它是报文循环码的另外一个码字，这意味着当 传输的报文由于某种原因变为这种序列时，将不能通过奇偶校验检测出来。实际 中由于硬件的缺陷导致这种变换是可能的，因此我们需要确保这种报文是无效的。 同样，对报文每隔3 、7 、1 5 b i t s 进行抽样所得的新报文也应确保其无效。 方法是：令，= bi 2 k ，j = o ，n - 1 ，对k = 1 ，2 ，3 ，4 并- 1 任意f ，序列( y h v h l ) ， ( 1 ) i _ 1 2o - v ，_ 2 ：) ，( v i - 2 3 v f - 3 3 ) ，有效字的最大长度不能超过3 0 。 2 3f f f s 编码策略分析 f f f s 编码算法较为复杂且计算量很大，但具有极高的安全性和可靠性【1 0 】。经 过编码后的数据对传输中的各种错误具有极强的抵抗力，它可以保证：一条报文 在传输中出现错误而不被检测出来的概率不会超过1 0 - 1 8 【9 】。下面将对f f f s 编码中 采用的各种保证安全传输的策略进行简要说明和分析。 1 扰码技术 扰码技术在现代通信中应用非常广泛。由于实际中的数字通信信道的设计性 能易受到待发送数据的序列统计性能的影响而使通信系统的性能发生变化，例如 发送信号中出现了长时间的“l ”或长时间的“0 状态，这就使直接从数据流中 提取时钟的码同步器提取和保持同步信息发生了困难，可能造成通信系统无法同 步甚至中断。为了克服这个困难，我们就要把待发送的数据序列变换成一个随机 的数据序列【l l 】，到接收端再把它反变换回原始序列，这就是所谓的数据扰乱。采 用扰码技术，即使待发送的数据流中出现长时间的“l ”或“0 ，经过加扰之后也 会转换成一个随机序列，接收端仍然可以稳定可靠的保持同步；另外，数据经过 加扰后也起到了一定的保密作用，接收端在不知道加扰的特征多项式时是无法还 原出原始数据流的。 数据扰乱方法有多种。f f f s 编码策略中采用的是自同步扰乱，这种扰码方法 由于不需要同步码，无需增加额外的信息，资源利用率比较高，所以在数据加扰 中经常被采用。自同步扰乱器由一个线性反馈移位寄存器构成，恰当的选取其反 馈系数，能够使线性反馈移位寄存器输出序列的周期达到最长【1 2 1 。这样可以把一 个输入序列是短周期的序列变为一个输出序列是长周期的序列，使得各频谱分量 能够均匀的在信道中传输，可以有效的防止交叉干扰。经过分析可以证明：对于n 级的线性反馈移位寄存器，要使其输出序列的周期达到最长，那么它的特征多项 式必须是，1 次的本原多项式，且最长周期为2 “一1 。f f f s 编码中