勘察仪器与原理 第四章 第一节 第二节ok

勘查仪器原理教师：王旭Email：hfli@第四章信号的编码与传输第一节信号的编码与传输的基本概念信号传输在通信技术中应用很广泛,本章内容主要针对遥测地震仪,介绍地震数据的传输。因为,对于其它勘查仪器,测量结果一般存于本仪器的存储器里,而且它们的数据量不是很大,仪器的内存就能承担,不需要远距离数据传输(有的测井仪也需遥传)。随着地震勘探技术的发展,地震仪相应的随计算机应用技术的进步发展到了数控地震仪阶段,而且地震数据信息量很大,以前的地震仪的数据采集电路和格式编排电路都设置在仪器车内,所以不存在远距离数字传输问题,而现在遥测地震仪(又称数控类地震仪)的采集电路不设置在仪器车上,而是设置在检波点附近的采集站内,采集站在仪器车中央主机控制下对地震信号进行数据采集,由于采集站远离仪器车,所以,仪器车上的中央主机对采集站的控制指令称为遥控指令,把采集站的状态和采集到的地震数据称为遥测数据,中央主机如何把遥测指令送到采集站去?采集站又如何把遥测数据送回主机?这就是中央主机与采集站之间的通信联系,也就是数据传输问题。数字通信系统：数字通信系统由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪声源以及发送端和接收端时钟同步组成。计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信系统。信源信源编码器信道编码器调制器解调器信道译码器信源译码器信宿噪声源信道4.1.1信号的编码由前面的章节学习知道,信号要进行处理,必须经ADC电路,此电路的末级完成信号编码工作,也就是把量化后的信号电平转换成二进制编码的过程。再看,地震信号由检波器到采集站,采集站完成信号的模数转换工作,而后就是把这些采集站采集的地震数据传向主机进行记录和显示。怎样进行数据传输,这就和通信技术联系起来,所以从事地震数据采集工作,就需要将电子技术、通信网络技术、计算机技术、物探技术、地震仪的研制等多方面的技术组合起来。数字通信的任务是把0和1从一个地方传到另一个地方。从ADC输出的数字信号称之为信息码(包含资料信息情况),信息码在进行传输之前,必须经码型变化,也就是须经编码器这样的器件,把它变化为适于信道传输的码型,以提高数据传输的效率和实现通信双方的信号同步。为什么?直接传不好吗?采集站编码器输出的码型都是单极性二元码序列,多用NRZ码(不归零码),即用高、低电平分别表示二进制数码的1和0,在整个码元期间电平保持不变,如下图所示:111101001若采用这种简单的二进制码进行数字传输有3个实际问题:(1)由于连续1和连续0的个数没有限制不易区分识别,某一位码元与其下一位码元之间没有间隙,难于从中提取数码识别所需要的位定时信号；(2)由于连续1或0使信号有丰富的低频分量乃至直流分量,对于大多数采用交流耦合的电缆传输通道来说是不允许的；(3)这种简单的二进制信号不具有误码检测能力。所以在电缆传输之前,必须将二进制信息码变换成适合电缆传输的码型,也就是将信息码变为传输码。并不是所有的基带信号码型都适合在信道中传输，为了提高信号抗干扰能力，并且便于信号接收同步，往往是根据实际需要选择更为有效的信号编码方法。适于传输的常用的数字信号编码有不归零NRZ(NonReturntoZero)码、差分不归零DNRZ

码、曼彻斯特(Manchester)码及差分曼彻斯特(DifferentialManchester)码、AMI码(交替信号反码)、HDB3(高密度码)等。下面我们介绍几种常用的适合在信道中传输的传输码型。

一、NRZ码

NRZ码是用信号的幅度来表示二进制数据的，通常用正电压表示数据“1”，用负电压表示数据“0”，并且在表示一个码元时，电压均无需回到零，故称不归零码。NRZ码的特点是一种全宽码，即一位码元占一个单位脉冲的宽度。全宽码的优点：（1）每个脉冲宽度越大，发送信号的能量就越大，这对于提高接收端的信噪比有利；

（2）脉冲时间宽度与传输带宽成反比关系，即全宽码在信道上占用较窄的频带，并且在频谱中包含了码位的速度。缺点：

a、难以分辨一位的结束和另一位的开始；

b、发送方和接收方必须有时钟同步；

c、若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。这将导致信号的失真与畸变，使传输的可靠性降低，并且由于直流分量的存在，使得无法使用一些交流耦合的线路和设备。结论：容易产生传输错误。一般的数据传输系统都不采用这种编码方式。所以，此编码方式常用于低速同步、异步通信中，如RS-232通信(计算机与外设之间的通信)。

（只适于短距离传输）Caption:RS-232connectors,showingwiringforthree-wireconnection.二、DNRZ码

DNRZ(DifferentialNonReturntoZero)码(差分不归零码)是一种NRZ码的改进形式，它是用信号的相位变化来表示二进制数据的，一个信号位的起始处有跳变表示数据“1”，而无跳变表示数据“0”。DNRZ码不仅保持了全宽码的优点，同时提高了信号的抗干扰性和易同步性。

近年来，越来越多的高速网络系统采用了DNRZ码，成为主流的信号编码技术，在FDDI、100BASE-T及100VG-AnyLAN等高速网络中都采用了DNRZ编码。其原因是在高速网络中要求尽量降低信号的传输带宽，以利于提高传输的可靠性和降低对传输介质带宽的要求。而DNRZ编码中的码元速率与编码时钟速率相一致，具有很高的编码效率，符合高速网络对信号编码的要求同时，为了解决数据流中连续出现0或1时所带来的信号编码问题，通常采用两级编码方案，第一级是预编码器，对数据流进行预编码，使编码后的数据流不会出现连续0或连续1，常用的预编码方法有4B5B、5B6B等；第二级是DNRZ编码，实现物理信号的传输。这种两级编码方案的编码效率可达到80%以上。差分不归零码不归零码数据值001101

一个信号位的起始处有跳变表示数据“1”，而无跳变表示数据“0”。三、曼彻斯特码

在曼彻斯特码中，用一个信号码元中间电压跳变的相位不同来区分数据“1”和“0”，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。因此，这种编码也是一种相位码。由于电压跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟，因此这种编码也称为自同步码。优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。每一位中间都有一个跳变四、差分曼彻斯特码

差分曼彻斯特码是一种曼彻斯特码的改进形式，其差别在于：每个码元的中间跳变只作为同步时钟信号；而数据“0”和“1”的取值是用信号位的起始处有无跳变来表示，若有跳变则为“0”；若无跳变则为“1”。这种编码的特点是每一位均用不同电平的两个半位来表示，因而始终能保持直流的平衡。这种编码也是一种自同步编码。

这两种曼彻斯特编码主要用于中速网络(Ethernet为10Mb/s；

Token-Ring最高为16Mb/s)中，而高速网络并不采用曼彻斯特编码技术。其原因是它的信号速率为数据速率的两倍，即对于10Mb/s的数据速率，则编码后的信号速率为20Mb/s，编码的有效率为50%。对于100Mb/s的高速网络来说，200Mb/s的信号速率无论对传输介质的带宽的要求，还是对传输可靠性的控制都未免太高了，将会增加信号传输技术的复杂性和实现成本，难以推广应用。因此，高速网络主要采用两级的DNRZ编码方案，而中速网络采用曼彻斯特编码方案，尽管它增加了传输所需的带宽，但在实现起来简单易行。常用编码比较001101数据值不归零码差分不归零码曼彻斯特码差分曼彻斯特码1高电平0低电平中间跳0上跳1下跳中间跳0开头跳4.1.2数据的传输目前,国内外使用的遥测地震仪数据传输方式基本上有三种:

金属电缆传输(简称电缆传输)

光导纤维传输(简称光缆传输)

无线电传输一、电缆传输国内外传输电缆的基本结构可分为三种类型:

双绞线电视平行馈线同轴电缆（这三种是数字信号传输电缆,传输的是数字信号。无论是控制指令还是地震数据,在数传电缆上都是一位接一位一字接一字串行传送的。数传电缆是实现野外地震数据采集必备的地面设备,它在排列里起着连接采集站、电源站、交叉站的作用。地震仪常用的传输电缆是双绞线和同轴电缆,长度因仪器不同而不同，传输码为极性交替反转码AMI码）串行通信方式数据流以串行方式在一条信道上传输，由于计算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要将计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的字符结构，才能实现串行通信。串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低，但速度比较低。双绞线由两根相互绝缘并绞扭在一起的铜导线对组成。是最经常使用的物理媒体，相对于其它有线物理媒体（同轴电缆和光纤）来说，价格便宜也易于安装与使用，其性能一般也较差（指它的传输距离、抗干扰性能和带宽或数据速率而言）双绞线：既可用于模拟传输，也可用于数字传输；带宽依赖于线的粗细和传输距离；3类线，5类线非屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwistedPair），屏蔽双绞线Caption:TheendofatwistedpairEthernetcablewithanRJ-45connector.Caption:A10/100megabittwistedpairEthernetinterfaceinapersonalcomputer.ThelinkindicatorisilluminatedindicatingthattheinterfaceisconnectedtoanactiveEthernetnetwork.The10Mbit/sindicatorislit,whilethe100Mbit/sindicatorisnot.Thisshowsthatthenetworkisoperatingintheslower10megabitmode.五类屏蔽双绞线五类非屏蔽双绞线同轴电缆：

同轴电缆也由一对导体组成，其内导体为铜质导线，外包一层绝缘材料，再外边为网状编织细铜丝组成的外导体，最外层是保护性塑料外套。

外层绝缘蒙皮外导体金属屏蔽层绝缘层内导体铜质芯线同轴电缆与双绞线比较，价格贵，但带宽、数据速率高、传输距离长和抗干扰能力强同轴电缆连接器低频传输：双绞线优于同轴电缆二、光纤传输地震仪向多道数,高采样采集发展,这意味着数据传输量、传输速度成倍的增加,原有的电缆数据传输方式已不能适应多道数(万道以上)采集的需要,采用光缆进行数据传输是所有仪器发展的方向。光纤即光导纤维，它的内层是能传导光波的玻璃纤维，外层加比玻璃折射率低的材料作保护层。光源可以采用两种发光管。采用发光二极管LED（Light-EmittingDiode）时产生可见光，光波在光导纤维中以多种角度不断反射式传播前进，这种光纤称多模光纤。若采用激光二极管ILD（InjectionLaserDiode），产生的是激光，再将光纤直径减小到只有一个光的波长，则光线可以无反射地一直向前传播，这种光纤称单模光纤。光纤的结构示意图：光纤芯包层外部保护层(a)保护层包层光纤芯(b)光电转换LED发送端输入光电转换PIN接收端输出光纤光信号一般的光纤纤心材料折射率高,包层材料折射率低,光在两种材料的分界面上能够发生全反射,光线在光导纤维中全程依次全反射到终端,形象地说,光纤就像水管,把光线象水一样从源头导引至出水口。光电二极管纤芯1)位置：光纤的中心部位2)尺寸：直径d1=4~50mm3)材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)，作用是提高纤芯折射率(n1)，以传输光信号包层位置：位于纤芯的周围尺寸：直径d2=125mm材料：高纯度SiO2，极少量掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当降低包层折射率(n2)，使之略低于纤芯折射率，使得光信号能约束在纤芯中传输。涂覆层1)位置：位于光纤的最外层2)尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5mm3)结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层

a)一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料

b)缓冲层一般为性能良好的填充油膏(防水)c)二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如下图所示，当传输频率超过100MHz时，5类双绞线随着频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在300MHz以内，衰减基本不变。光纤与电缆频率与衰减关系图62.5/125μm渐变增强型多模光纤01101003001000频率(MHz)衰减(dB/km)051015202530355类UTP双绞电缆光通信系统组成：光纤通信又叫光缆通信，是以光纤作为传输介质，光波作为信息载体进行的通信。由于光纤必须在构成光缆之后才能在实际工作中使用，因此有时采用光缆通信这个名称。这种通信方式所组成的光纤通信系统工作原理如下图所示。系统主要包括三大部分，即光发信设备、光传输设备和光接收设备。调制器发信电路激励电路电信号解调器收信电路放大电路电信号光缆中继器发信设备收信设备发光二极管（LED）激光二极管（LD）光电二极管（PIN）雪崩光电二极管（APD）光－电－光中继器发信设备组成------半导体光源(核心)、驱动器和调制器。功能-----将待发送的电信号进行电/光转换,并将转换出的光信号最大限度的注入光纤中进行传输。光源：发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，寿命长，价低，适用于小容量、短距离传输系统。激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，寿命长，价高，适用于大容量、长距离传输系统。光调制器：使光信号随电信号变化而变化。目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。

组成------光纤、光纤接头和光连接器。功能------把来自光发送机的光信号,以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。光纤线路收信设备组成------光电检测器(核心)、放大器和相关电路。功能------将光纤传来的光信号进行光/电转换,并对转换出的电信号进行放大和恢复。光检测器的功能：光信号的解调。光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）。光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标。APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。光接收机中还有电的放大器、自动增益控制电路、均衡再生电路等。光中继器组成——光电检测器(核心)、放大器、再生判别电路、驱动电路、光源五部分组成。功能——将经过一段光纤线路传输后产生了失真的光信号，进行放大及再生后送入下一段光纤中传送，从而可延长光信号传输距离。光纤通信优点及缺点：具有强抗电磁干扰能力光导纤维是绝缘体材料,不受输电线,电气化铁路及高压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设,还可制成复合光缆。无串话,保密性好通信质量高。线径细,柔软,重量轻。可制成大芯数高密度光缆单芯光缆可安装在飞机,火箭,潜艇及航天飞机上优点：节约有色金属,原材料资源丰富可节约大量铜金属。频带宽,通信容量大理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz(1THz=1012Hz)以上,现在最先进的光纤通信系统达400GHz,而一路电话带宽约占4KHz频带,一路彩色电视约占6MHz频带。损耗低,中继距离长铜缆的损耗特性与缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度)有关,高质量望远镜的镜头其损耗超过500dB/km,目前通信用光纤的最低损耗达0.2dB/km。缺点：质地脆,机械强度低；光纤切断和接续需要一定的工具、设备和技术；分路、耦合不灵活；光缆弯曲半径不能过小(>20CM)；在偏僻地区存在有供电困难问题。三、无线电传输随着地震勘探的区域不断向边远和复杂地质构造的新探区延伸,探区地表条件越来越复杂,如森林,河流,沼泽,山区等等,有线遥测地震仪的使用受到限制,只有通过无线电通信的方式在采集站与中央主机之间传送指令和数据,现在的地震仪大都具有有线、无线两种通信方式。无线通信介质指的是不须通过线缆，通过空间传输信号。包括微波、激光、红外线和短波等几种。无线通信：利用电磁波可以在空间自由传播的特性，通过调节电磁波的振幅、频率或相位实现远距离传输信息。电磁波的种类与频率范围：无线电波：104～108(Hz)微波：108～1011(Hz)

红外线：1011～1014(Hz)可见光：1014(Hz)紫外线：1014～1016(Hz)X射线：1016～1022(Hz)伽玛射线：1022～1024(Hz)接收机接收天线馈线导行波导行波导行波导行波发射机发射天线馈线导行波导行波广播、电视，还是导航、遥控遥测，都是通过电磁波传递信息来进行工作的。因此以宏观电磁理论为基础，电磁信息的传输和转换为核心的电磁场与电磁波工程技术将充分发挥其重要作用。下面以无线电通信系统为例来说明。

发射机对被传送的原始信号进行高频调制，调制产生的信号称为已调信号，经过馈线送到发射天线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；无线电波在空间传播，到了接收端，电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递，再由接收机中的解调器恢复被传递的原始信号。在这个过程中，经历了电磁波的传输、发射、传播、接收等过程。

传输——导行电磁波

发射和接收——天线

传播——入射、反射、透射、绕射在无线电传输遥测地震仪中，传输系统除用来传送中央主机的指令和采集站的数据外，还被用作野外生产人员和仪器车操作员的通信工具，因此，这种仪器无线电传输系统担负着传送模拟信号和数字信号的双重任务，所以有两种信号调制：模拟调制与数字调制。由于无线电波在空间传播中，能量逐渐减弱，传播距离越远，信号幅度衰减越大，所以传输距离看发射机发射功率的强弱和接收机接收信号的灵敏度而定。428XL数据传输距离达到了24公里。传输码型NRZ码、曼彻斯特码（PE

）。中、短波发射天线微波接力天线一些常见的天线和馈线MMDS—A型微波天线MMDS—C型微波天线428XL使用的天线第二节传输线路实例

在这一节,我们来介绍Sercel公司生产的428XL地震仪的通信网络。428XL整体网络称为地震区域网，分为三大部分：

地面电子设备网络

中央控制单元网络远程控制网络

地震区域网(SeismicArealNetwork)的核心思想：把计算机网络节点概念引入到遥测地震仪系统中，从而将遥测地震仪系统作为一个计算机网络对待，这样，野外排列中交叉站、大线采集单元等地面电子设备都可以定为网络节点，并通过仪器系统软件去控制和管理。

20世纪50年代，计算机技术和通信技术的紧密结合，形成了远程处理技术，又称为联机技术，这是由一台主机和若干台终端通过电话系统连接而成的，实现了主机和远程终端的通信。1969年，美国的ARPA(阿帕网，尽管ARPA网构成了因特网的基础，但它最终于1990年退役）网才真正实现了网络资源的共享。1992年法国Sercel公司率先将以太网技术应用于遥测地震仪中生产出SN388数字地震仪，428XL地震仪是此公司2005年生产的基于网络技术的遥测地震数据采集系统。该系统采用全新的链路技术和地震区域网络遥测技术，不再受传统遥测技术的局限性的限制，解决了复杂地区的施工问题，并且提高了数据采集的质量和施工效率。该地震仪的地震区域网络由控制节点、记录节点、数据缓冲节点和采集节点组成，它采用了被称之为“OSI/RM（开放系统参考模型）”的网络协议，将采集系统的各个部分均视为网络节点，各个节点之间按照通信协议进行数据传输和交换，灵活可靠地实现地震数据的传输交换。OSI七层结构：第一层：物理层第二层：数据链路层第三层：网络层第四层：传输层第五层：会话层第六层：表示层第七层：应用层第七层第六层第五层第四层第三层第二层第一层在地震区域网中，从交叉站开始使用以太网TCP/IP协议进行数据传输，测线内部主要依靠OSI/RM协议进行传输。428XL是完全基于网络的数据采集系统。OSI/RM（开放系统参考模型）：为网络传输协议，用来协调整个网络系统（将采集系统的各个部分视为网络节点）实现信息的发送、接收以及对通信过程进行控制，从而使整个系统节点能够进行数据通信和共享网络资源。此协议分为四层，由低到高：物理层、数据链路层、网络层和传输层。物理层：是硬件和软件之间的接口，为网络中各节点提供了传输数据的通路并进行数据传输。数据链路层：用于建立、维持和释放网络节点之间的数据链路，使之对网络层呈现为一条无差错通道。网络层：是整个网络协议的核心，完成对传输通信的控制。在数据传输过程中它可靠的安排从交叉站到交叉站再到最终目的地的信息和路径。传输层：也称运输层，是OSI协议体系结构中很关键的一层，将网络层和应用之间的信息多路复用和多路解码。4.2.1以太网在地震仪中的应用以太网就是我们常说的局域网，采用最通用的通信协议标准。它不是一种具体的网络，是一种技术规范，它定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网可采用多种连接介质：同轴电缆、双绞线、光缆。双绞线多用于从主机到交换机的连接；光缆主要用于交换机间的级联和交换机到路由器间的点到点链路上。通常在OSI模型的物理层和数据链路层操作，该系统相对比较容易安装，直接利用每个工作站网卡上的BNC-T型连接器，就可以将电缆从一个工作站连接到另一个工作站，完成网络传输控制任务。以太网作为一种原理简单、便于实现、价格低廉的局域网技术已成为业界的主流。一、以太网协议

428XL系统的中央控制单元各部分的控制信息和状态信息使用TCP/IP协议进行交换。

TCP/IP协议叫做传输控制/网际协议，它是互联网的基础。表面看，它包括两个协议，但实际上是一组协议，包括上百个各种功能的协议，如：远程登录、文件传输和电子邮件等，而TCP协议和IP协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。

TCP协议是传输层协议，它提供了数据流传输、可靠性、有效流控制、全双工操作和多路复用技术。IP协议是网络层协议，包含寻址信息和控制信息，可使数据包在网络中路由。428XL的中央控制单元各部分之间使用的是IPV4版本协议。总之，IP协议保证数据传输；TCP协议保证数据传输的质量。二、以太网的物理结构

在428XL系统中的以太网使用双绞线电缆，该总线符合IEEE（电气与电子工程师协会

）802.3标准，由于数据传输率较高，因此要保证其具备千兆传输规格，其特性是：1、长度：<200