分布式信源编码理论及应用的研究
一种分簇无线传感器网络中的分布式信源编码算法
文童编号：１ ０ ０ ９ — ５ ８ ９ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ３ ２ ８ — ０ ７
Ａ Ｄｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂｕ ｔ ｅ ｄ Ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ Ｃｏ ｄ ｉ ｎｇ Ａｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｆ ｏ ｒ Ｃｌ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ Ｎｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｓ
一
种分簇无线传感器 网络 中的分布式信源编码 算法
秦 智超 周 正 赵 小川
（ 北京邮电大学泛网无 线通信教 育部 重点 实验 室 北京 １ ０ ０ ８ ７ ６ １
摘
要： 针对密集型无线传感器网络中信息存在大量冗余的 问题 ，该文提 出了一种适用于分簇无线传感 网络 的分布
式信源编码算法 。该算法 以边信息作为初始参考信源 ，利用信源问的相关性来决定各信源的编码 顺序 和参考信源 ， 然后 由各信源相对于参考信源进行相关编码 ， 接收端则根据 编码顺序 和参考信源进行相关译码 。 该文 同时针对模值 编码 的方式 ，给出 了一种低 复杂度的译码 算法 。理论分析和仿真结果表 明， 将 该算法应用 于分簇路 由协议 中可 以有 效地 降低节 点的发送 比特数 ，从而 降低 网络 的能耗 以延长 网络寿命 。
Ｂ ｅ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｐｏ ｓ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ， Ｂ ｅ ｎ ｇ １ ０ ０ ８ ７ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｒ ｅ ｍ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｄ ｕ ｎ ｄ ａ ｎ ｃ ｙ ｉ ｎ ｄ ｅ ｎ ｓ ｅ Ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ Ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ（ ＷＳ Ｎ ） ， ａ
信源编码的基本原理及应用
信源编码的基本原理及应用1. 什么是信源编码信源编码，也称为数据压缩或编码压缩，是指在数字通信中对信息源进行编码，以便更有效地表示和传输数据。
信源编码的目标是尽量减小数据的表示和传输所需的比特数，提高传输效率。
2. 信源编码的基本原理信源编码的基本原理是利用编码技术将信息源中的冗余部分去除，从而实现数据压缩。
信源编码可以分为两种基本类型：无损编码和有损编码。
2.1 无损编码无损编码是指经过编码和解码后，能够完全还原原始数据的编码方法。
无损编码的基本思想是通过找到数据中的冗余部分，并对其进行有效的压缩和表示。
2.2 有损编码有损编码是指经过编码和解码后，不能完全还原原始数据的编码方法。
有损编码的基本思想是通过牺牲一定的数据精度来实现数据压缩，从而提高传输效率。
3. 信源编码的应用信源编码在数字通信领域有着广泛的应用。
下面列举一些常见的应用场景：•数据传输：信源编码常用于数据传输中，通过压缩数据，减少传输所需的带宽和存储空间。
•图像压缩：对于数字图像的存储和传输，信源编码可以显著减小存储和传输负荷，提高图像的传输效率。
•音频编码：在音频编码中，通过信源编码可以将音频数据进行压缩，实现更高效的音频传输和存储。
•视频编码：信源编码在视频编码中也起到了关键作用，通过对视频数据的压缩，可以实现高清视频的传输和存储。
•文本压缩：在文本处理和存储中，信源编码可以将文本数据进行压缩，并提供更高效的文本处理和存储方式。
•无线通信：在无线通信中，信源编码可以将数据进行压缩，减小数据量，提高无线通信的传输效率。
4. 总结信源编码是数字通信中重要的一环，通过对信息源进行编码，可以实现数据的压缩和高效传输。
无损编码和有损编码是信源编码的两种基本类型，根据不同的应用场景选择合适的编码方式。
信源编码在数据传输、图像压缩、音频编码、视频编码、文本压缩和无线通信等领域都有着重要的应用价值。
通过合理地选用信源编码技术，可以有效地提高数据的传输效率和存储效率，减少网络带宽消耗，为数字通信提供更好的服务和用户体验。
联合信源信道编码的原理及其在无线通信中的应用
联合信源信道编码的原理及其在无线通信中的应用文章标题：深度解析联合信源信道编码的原理及其在无线通信中的应用在无线通信中，联合信源信道编码是一个重要的概念，它涉及到信源编码和信道编码的结合，能够有效提高通信系统的可靠性和效率。
本文将从信源编码和信道编码的原理入手，深入探讨联合信源信道编码在无线通信中的应用，并对其进行全面评估和分析。
一、信源编码的原理及应用1. 信源编码简介信源编码是将来自信源的信息进行编码压缩，以便在传输过程中占用更少的带宽或传输资源。
常见的信源编码算法包括霍夫曼编码、算术编码等。
2. 信源编码在无线通信中的应用信源编码可以大大减少数据传输的冗余度，提高数据传输的效率，尤其在无线通信中，由于带宽和传输资源的有限性，信源编码显得尤为重要。
二、信道编码的原理及应用1. 信道编码简介信道编码是为了提高数据传输的可靠性，通过在数据中添加冗余信息，增加数据的容错性。
常见的信道编码技术包括海明码、卷积码等。
2. 信道编码在无线通信中的应用在无线通信中，信道往往会受到多径衰落、多径干扰等影响，信道编码可以减小误码率，提高通信的可靠性。
三、联合信源信道编码的原理及应用1. 联合信源信道编码的概念联合信源信道编码是信源编码和信道编码的结合，通过联合设计信源和信道编码方案，提高信号的压缩率和传输可靠性。
其核心是在保证压缩率的增强信道编码的纠错能力。
2. 联合信源信道编码在无线通信中的应用在无线通信中，联合信源信道编码可以有效降低误码率，提高信号的传输质量，尤其在高速移动通信或弱信号覆盖的情况下具有明显的优势。
四、个人观点和结论根据对联合信源信道编码原理及应用的深入研究和分析，我认为在无线通信中采用联合信源信道编码能够有效提高通信系统的可靠性和效率，特别是在面对复杂的通信环境时能够更好地应对各种干扰和噪音。
但同时也需要考虑编解码复杂度和性能损耗，需要根据具体的通信场景进行灵活选择。
通过本文的全面介绍和分析，相信读者对联合信源信道编码的原理和应用有了更深入的了解，能够在实际的无线通信系统设计和优化中发挥重要作用。
数据传输论文
分布式信源编码的研究、应用及实现摘要：无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。
与其他的无线网络相比，无线传感器网络中传感器节点的能量有限而且不能够实时更新。
因此传感节点的信息处理能力和无线通信的容量都受到了很大的影响。
为了克服这些限制，需要设计能耗较低的通信协议和算法，其中，在编码时采用分布式信源编(Distributed Source Coding，DSC)技术就是一种有效地解决方法。
分布式信源编码利用多个信源之间的相关性，进行独立编码减少传送的信息速率，并通过联合译码提高信息传输的整体有效性。
DSC技术的作为无线传感器数据传送中的关键技术，对于其的研究也越来越成熟，而对DSC的应用也扩展到了无线摄像机网络等领域，成为了一种具有高效压缩性和优秀译码性能的信源编码。
本文对分布式信源编码技术从理论到实现再到应用进行了重点研究。
本文从以下几个方面对DSC进行了研究：首先介绍了分布式信源编码的理论基础——S1印ian．Wolf编码定理和Wyner-Ziv定理，从理论上说明了DSC的可行性；其次，分别说明了两种DSC 的实现方式，即基于校验子(Syndrome)的实现方式和基于校验位(Parity)的实现方式，详细地举例阐述了两种方式的实现方法和仿真测试结果；最后，文章还重点从平行多视角视频系统出发，说明分布式信源编码在无线摄像机网络这一领域的应用，在此，本文还引入了视差补偿和平行视差搜索技术，对基于不同建模方式的平行视差搜索方式进行了研究，找出了搜索质量和计算复杂度最优折中的视差搜索方式，并将此搜索方式应用于基于DSC的分布式视频系统PRISM中去以实现平行多视角视频系统。
文章最后还对这一系统进行了仿真对比，对比结果表明，引入了平行视差搜索的平行多视角视频系统能更好地重建视频序列，同时，分布式信源编码在无线摄像机网络的应用效果得到验证。
关键词：无线传感器网络，分布式信源编码，分布式联合信源信道编码，视差搜索，多视角视频系统，PRISM。
信源编码文档
信源编码概述信源编码是信息论的一个重要概念，用于将源信号转换成一系列编码的比特流。
在通信系统中，信源编码被广泛用于提高信息的传输效率和可靠性。
本文将介绍信源编码的基本概念、常见的信源编码方法和应用。
基本概念信源在通信系统中，信源是指产生信息的原始源头。
信源可以是任何可以生成离散或连续信号的设备或系统，比如人的语音、文本、图像等等。
信源编码信源编码是指将信源产生的原始信号转换成一系列编码的比特流。
它的主要目的是通过消除冗余、提高信号的压缩率以及提高传输的可靠性。
码字信源编码中的最小单位被称为码字（codeword）。
码字由编码器根据特定规则生成，每个码字可以表示一个或多个原始信号。
码长码长是指每个码字中的比特数。
它决定了编码器产生的每个码字传输所需的比特数，码长越短，传输效率就越高。
码率码率是指信源编码中每秒传输的码字数量。
它可以用比特/秒（bps）来表示，码率越高表示每秒传输的信息量越大。
常见的信源编码方法均匀编码均匀编码是一种简单的信源编码方法，它将每个原始信源符号映射到固定长度的码字上。
均匀编码适用于信源符号概率分布均匀的情况，例如二进制信源。
霍夫曼编码霍夫曼编码是一种基于信源符号概率分布的编码方法。
它通过将频率较高的信源符号映射到较短的码字，频率较低的信源符号映射到较长的码字来实现压缩。
高斯混合模型编码高斯混合模型编码是一种适用于连续信源的编码方法。
它假设源信号是由多个高斯分布组成的，通过对这些高斯分布进行建模来实现有效的压缩。
游程编码游程编码是一种用于压缩离散信号的编码方法，它基于信源连续出现相同符号的特性。
游程编码将连续出现的相同符号替换为一个计数符号和一个重复符号，从而实现压缩。
信源编码的应用数据压缩信源编码在数据压缩中起着关键作用。
通过使用有效的信源编码方法，可以大大减少传输数据的比特数，从而提高数据传输的效率和速率。
影音编码在数字媒体领域，信源编码常用于音频和视频的压缩。
通过采用适当的信源编码方法，可以减小音频和视频文件的大小，从而节省存储空间和传输带宽。
一种分布式信源编码中最优量化器的设计
种分布式信源编码 中最优量化器的设计
郑婷一 ， 程 永 强
（ 太原 理 工 大 学 通信 技 术 研 究 室 ， 山西 太原 ０ ３ ０ ０ ２ ４ ）
【 摘 要】针对传统的向量量化压缩的不足性， 提高量化效果的方法主要是增加向量的维数 ， 但 同时增加了计算的复杂性。为 了解 决分布 式编码 中量化器 的设 计 问题 ， 在联 合条件熵 约束 的条 件下 ， 着重从 Ｗ Ｚ量化器 的最优条 件分 析 ， 提 出 了一种 Ｌ ｌ ｏ ｙ ｄ迭 代算 法 ， 通 过实验证 明 ， 该 算法 比传 统 的算 法更可 以保 证量化器 的局部 最优 性。 【 关键词】分布式编码； ＷＺ量化器； Ｌ ｌ ｏ ｙ ｄ算法； 局部最优 【 中图分类号】Ｔ Ｎ ９ １ １ ． ２ １ 【 文献标志码】Ａ
ｉ ｔ ＂ ｉ ｔ ｔ ｏ 雹ｎ ｎ ｉ ｔ ０ ｔ ｉ ｎ
囊鞠教黛
Ｔ Ｒ Ａ Ｎ Ｓ Ｍ Ｉ Ｔ Ｔ ｌ Ｎ Ｇ ８ ＆ Ｒ Ｅ 输 Ｃ 与 Ｅ Ｉ Ｖ 接 Ｉ Ｎ 收 Ｇ ｜ 黧 ＿ ■
【 本文献信息】郑婷一， 程永强 ． 一种分布式信源编码中最优量化器的设计［ Ｊ ］ ． 电视技术， ２ ０ １ ３ ， ３ ７ （ ７ ）
ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ｉ ｚ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｅ ｄ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｃ ｏ ｄ ｉ ｎ ｇ ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｅ ｑ ｕ ａ ｌ ｔ ｏ ｈｅ ｔ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ ｐ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｕａ ｑ ｎ ｔ ｉ ｚ ｅ ｄ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｑ ｕ ｎｔ ａ ｉ ｚ ｅ ｒ ｓ
分布式视频编码技术研究
、
分布 式视 频 编码 的基本 框架
目前 的分 布式视 频编 解码框 架 基本 原理是 这样 的 ：对 于输 入
的视频帧 序列 ，首先 从帧序 列 中有规 律 的抽取 一部 分帧作 为 关键 帧 （ ｅ 帧 ） 在这 些关 键帧之 间 的帧称 为 Ｗｎ ｒＺ ｖ帧 （Ｚ帧 ） Ｋｙ ， ｙ ｅ— ｉ Ｗ 。 对 于 Ｋｙ帧 ，使用传 统 的帧 内编解码 算法 进行 处理 ，如 Ｊ ｅ ｅ ｐ ｇ或
关犍 词 ：分 布式编码 ；Ｗｙ ｅ—Ｚｖ编码 ；Ｓｅ ｉ － ｏ ￣ ｎｒ ｉ ｌｐａ Ｗ ｌ ｎ ｆ
中图分类：Ｔ １． Ｎ９９８
文献标识码 ：Ａ
文章鳊号：１０ — ５９（００）１— ０ １ Ｏ ０７ ９９ ２ １ ３ ０ １一 １
Ｔｈ ｕｄ ｆＤｉｔ ｉ ｕｔ ｄ Ｖｉ ｅ ｄｉ ｃ ｅＳｔ ｙ ｏ ｓｒｂ ｅ ｄ ｏＣｏ ｎｇ Ｔｅ ｈｎｏｏ ｙ ｌｇ
序列 的帧 间相 关性 主要 用于解 码端 ，可在解 码端 实现 运动 补偿预
（ ）变换 二
最 简单 的 分布式 视频 编码 是在 像素 域进 行的 ，即 直接对 帧 的 像素数 据进 行 Ｗ ｎ ｒ Ｚ ｖ 码 ，但 这种 方法无 法利 用 图像 的空 间 ｙｅ — ｉ 编 统计相 关性 。 ａ ｏ 和 Ｐ ｒ 各 自 立提 出 了采 用基 于 Ｄ Ｔ 换 的 Ａｒｎ ｕｌ 独 Ｃ 变 方法 。 即对 于 ｗ ｚ帧首 先进行 Ｄ Ｔ变 换，然后把 变换 系数输 出到量 Ｃ
ｄ ｓｇ ｓｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ ｇ ｎ ｒ ｔｏ ａ ｄ ｅ ｅ ａｌ ｅ ｃ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ｉ ｎ，ｉ ｅ ｉ ｒ ｔ ｅ ｅ ａ ｉ ｎ，ｎ ｓ ｖ ｒ ｙ ｔ ｈ ｏｌ ｇ ｅ ． ｎｆ ｏ ｋ ｅ
极化编码理论与实用方案研究
极化编码理论与实用方案研究一、本文概述极化编码（Polar Coding）作为一种新型的信道编码技术，自其2008年由E. Arıkan首次提出以来，就以其出色的性能和独特的编码构造引起了全球通信领域的广泛关注。
极化编码理论的核心思想是利用信道极化现象，在噪声信道中构造出容量接近甚至达到信道容量的可靠和不可靠的子信道，进而通过在这些子信道上传输不同的信息比特，实现高效的信道编码。
本文旨在深入研究极化编码理论，探讨其实用方案，为极化编码在实际通信系统中的应用提供理论支持和实践指导。
文章将首先介绍极化编码的基本原理和发展历程，阐述极化现象的物理意义和数学基础。
随后，将重点分析极化编码的性能优势，包括其相对于传统信道编码技术的优越性以及在实际通信系统中的应用前景。
在理论分析的基础上，文章将进一步探讨极化编码的实用方案，包括编码算法的优化、解码算法的改进以及与其他通信技术的结合等。
通过仿真实验和实际案例的分析，验证极化编码在实际通信系统中的应用效果，为极化编码的进一步研究和应用提供有力支持。
本文的研究不仅有助于深化对极化编码理论的理解，也为极化编码在实际通信系统中的应用提供了有益的参考。
相信随着研究的深入和技术的不断发展，极化编码将在未来通信领域发挥更加重要的作用。
二、极化编码基本理论极化编码（Polar Coding）是一种新型的信道编码技术，由土耳其教授Erdal Arikan于2008年首次提出。
极化编码理论的基础是信道极化现象，即通过对多个独立且相同的二进制输入离散无记忆信道（B-DMCs）进行特定的组合和变换，可以生成一组新的信道，这些新信道的容量呈现两极分化的特性，一部分信道容量趋于1，而另一部分趋于0。
极化编码的目标是利用这种现象，将信息尽可能地传输在容量趋于1的信道上，从而实现高效的信息传输。
极化编码的基本流程包括信道极化、信息编码和信道解码三个步骤。
通过对原始信道进行信道极化操作，生成一组极化信道。
分布式视频编码技术研究
该码率与图 ｌ 所示编码条件下的码率相同。Ｓ ｐ ｎ ｌｉ — ｅａ Ｗｏ 编码理论说明仅在解码端利用 ｘ和 Ｙ之间相关 ｆ ｌ 性的情况下（ 单独编码 一 联合解码） 系统无损压缩 的 ， 最低码率与传统编码方案的码率相同（ 联合编码 一 联
３ 分 布式视 频编码 中 的关键技 术
对于视 频 压 缩 ， Ｖ 是 一 种 全 新 的 框 架 。其 中 ＤＣ
式 中： （ Ｙ）Ｈ Ｙ ｘ 是两个信源 ｘ和 Ｙ之间 Ｈ ｘＩ 、 （ Ｉ ）
的条 件熵 。 ２ ２ Ｗｙｅ —Ｚｖ有损 分布式 编码 理论 ． ｎｒ ｉ
Ｓ ｐ ｎ ｗｏ 理论针对于信源的无损压缩编码 ， ｌｉ — ｌ ｅａ ｆ １８ ３２
虽然 Ｓ ｐ ｎ— ｌ理论早 在 ２ ｌ ｉ Ｗｏ ｅａ ｆ ０世纪 ７ ０年代就
已提 出 ， 由于缺 少具体 的实现方 法 ， 导致分 布式 编码 的
发展较为缓慢。实际上，ｌ ｉ Ｗ ｌ编码与信道编 Ｓ ｐ ｎ— ｏ ｅａ ｆ 码存在着天然的内在联系 ， 即可使用系统信道编码来 生成校验位。解码端联合校验位 ｘ和边信息 Ｙ， 执行 纠错解 码 。如 果 ｘ与 Ｙ 非常 相 似 则 只需 要 传 输 少 许 校验位和少量辅助信息 ， 实现高效压缩。需要强调 的
编码， 从而导致编码器的运算复杂度是解码器的 ５至 １ ０倍以上 ， 不能适用于误码率 高、 前端设备资源受 限 的无线网络环境 。为了解决这个 问题 ， 国内外学者提 出了全新的视频压缩方法 ： 分布式视频编码 （ ｉｒ ｕ Ｄｓｉ ． ｔｂ
码端转移到解码端。分布式视频编码代表 了和传统视 频编码截然相反的思路。总体而言， 分布式视频编码 有 ４个主要特点 ：１ 低复杂度的编码、 （） 高复杂度的解
分布式视频编码在视频压缩和容错视频传输中的应用
和 ｙ进行 联合编码 时可 获得 更好 的 效果 ，即 Ｒ ＋Ｒ ≥日（ ，Ｙ），这是 因为联 合编码可 利用 和 ｙ之 间的 统计 相 关 性 。Ｓｌｅｐｉａｎ—Ｗｏｌｆ理论 ｊ指 出，当对 长 序 列进行编码时 ，若允许存在一个任意小（但通常不为 零 ）的解码错误概 率 ，则 对 Ｘ 和 ｙ分 别 进行 编 码 、然 后进行联 合解码 ，可 获得与联合 编码相 同 的信 息传输 率 。这 种 方 式 即 为 分 布 式 信 源 编 码 （Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｄｉｎｇ：ＤＳＣ），它相 当于 只在 解码 端利用 和 ｙ的统计相 关性 。Ｓｌｅｐｉａｎ—Ｗｏｌｆ理论 确定 了无 损分 布式信源编 码 中信息 传输 率 的下 界 ：
图 １ 两个统计相关独立同分布随机序 列 Ｘ、Ｙ进行 分布式编码 时可达 到的信息传输率下界
Ｓｌｅｐｉａｎ—Ｗｏｌｆ的 无 损 分 布 式 信 源 编 码 理 论 提 出不久 ，Ｗｙｎｅｒ和 Ｚｉｖ便将 其 扩 展 到有 损 情 况 ，建立 了解码 端使 用边信 息 （Ｓｉｄｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）的有 损 分 布 式信 源编码 率 失 真理 论 Ｊ。设 和 ｙ为 两 个 统 计 相关独 立 同分布 的 随机 序 列 的样 本 ，分 别 代 表 信 源 数据 和 边 信 息 ，取 自有 可 能 是 无 限 的样 本 空 问 ｘ、 Ｙ。信源 在 编码 时 不 能使 用 边 信 息 ｙ，但 解 码 时 可使用 ｙ。解 码 后 得 到 在样 本 空 问 ｘ 上 的 重 建 值 ）＾／ －失真度 为 Ｄ ＝Ｅ［ｄ（Ｘ，）＾ ／ －）］。Ｗｙｎｅｒ—ｚｉｖ率 失 真
ｏｔ．
●
Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｖｉｄｅｏ ｃｏｄｉｎｇ； ｖｉｄｅｏ ｃｏｍ ｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｅｒｒｏｒ— ｒｅｓｉｌｉｅｎｔ ｖｉｄｅｏ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；Ｗ ｙｎｅｒ—
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本科毕业设计基于单片机的太阳能跟踪充电系统设计摘要随着社会经济的快速增长，传统的燃料能源正在不断减少，同时对环境的危害越来越严重。
太阳能是一种可再生能源，并且具有清洁、丰富等独特优势，具有广阔的发展前景。
但是，目前太阳能的利用率较低，制约了其发展。
目前，大多数太阳能发电是采用固定式的跟踪系统，无法随着太阳的运行进行转变，所以电能转化效率较低。
本设计以单片机为控制中心，采用太阳能双轴跟踪装置充电，可在两个自由度中上对太阳进行跟踪，有效的提高太阳能的利用率。
本系统以单片机为控制核心，光电传感器将采集到的光线强弱信息传送到单片机，单片机经过分析处理后，驱动步进电机运转，在两个自由度上对太阳能电池板的角度进行调整，达到太阳光双轴跟踪的效果，同时对充电进行控制。
采用单片机来实现的太阳能双轴追踪系统能有效提高太阳能的转换效率，而且实时性好，成本较低，具有较广泛的应用前景。
关键词：单片机双轴跟踪太阳能充电Design of Two-axe Solar Tracking and Charging System Based on MCUTan Xueqing(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract:With the rapid growth of social economy, the traditional fuel sources is decreasing quickly, and the harm of environment is more and more serious at the same time. Solar energy is one of the renewable energy, and has the unique advantages such as clean, abundant, has a broad development prospects. But the current solar utilization is low, restricting its development. Currently, most solar tracking system is fixed, unable to shift as the sun run, so the energy conversion efficiency is low. Microcontroller is the core of the whole system. The system can track the sun in the two degrees of freedom, which can effectively improve the utilization of solar energy.This system adopts microcontroller as nucleus and photoelectric sensor transmit the collected light information to the microcontroller. After analyzing and processing, microcontroller drive two stepper motors running, so it can adjust the angle of solar panels on the two degrees of freedom. This system achieves the goal of two-axis tracking solar, and to control charging at the same time. By microcontroller to realize two-axis tracking solar systems can effectively improve the conversion efficiency of solar energy, and has a broad application prospect with the advantages of good real-time and low cost.Key words: Microcontroller Two-axes tracking Solar Charging目录1 前言 (1)1.1 课题的研究背景和意义 (1)1.2 太阳能跟踪系统的国内外研究现状 (2)1.3 本设计的主要研究内容 (2)2 总体方案确定 (3)2.1 方案简述 (3)2.2 光电检测跟踪太阳原理 (3)3系统的硬件设计 (4)3.1 ATmega16单片机最小系统电路 (4)3.1.1 ATmega16 单片机的简介及引脚功能说明 (4)3.1.2 ATmega16单片机最小系统电路设计 (5)3.1.3 ISP下载线路 (7)3.2 光强度检测电路 (7)3.2.1 光敏电阻介绍和工作原理 (7)3.2.2 光强检测电路 (8)3.3 A/D转换电路 (9)3.4 时钟电路 (9)3.4.1 DS1302时钟芯片介绍 (9)3.4.2 时钟电路 (10)3.5 电机驱动电路 (10)3.5.1 步进电机的介绍 (10)3.5.2 ULN2003芯片介绍 (11)3.5.3 电机驱动电路设计 (12)3.6 锂电池充电电路 (13)3.6.1 太阳能充电管理专用充电芯片CN3063简介 (13)3.6.2 锂电池充电电路设计 (13)3.7 电源电路 (14)3.7.1 LM7805芯片简介 (14)3.7.2 电源电路设计 (15)4 系统软件设计 (15)4.1 系统主程序设计及工作原理 (15)4.2 太阳跟踪算法程序设计 (16)4.3 A/D转换程序设计 (17)4.3 DS1302时钟程序设计 (18)5 软硬件调试 (19)5.1 硬件调试 (19)5.2 软件调试 (19)5.3 设计中遇到的问题及其解决办法 (20)6 系统测试方法及测试数据 (20)7 结论 (21)参考文献 (22)附录 (23)附录A 系统电路图 (23)附录B 程序代码 (24)致谢 (30)毕业设计成绩评定表1 前言1.1 课题的研究背景和意义全球经济的快速发展，在很大的程度上都是以石油、天然气、煤炭等传统能源的大量开发采用为代价的。
从工业时代开始，到21世纪的今天，在经济快速发展下，传统能源越来越少，迅速地接近枯竭。
根据经济学家和科学家的普遍估计，石油储量的综合估算，可以支配的化石资源的极限大约为1180亿吨~1510亿吨，以1995年世界石油的开采量33.2 亿吨计算，石油储量大约在2050 年左右宣告枯竭；天然气储量估计131800~152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57~65年内枯竭；煤的储量约为5600亿吨，1995年煤开采量为33亿吨，可以供应169年；铀的年开采量目前为每年6万吨，据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期；核聚变到2050年还没有实现的希望（杨园静等，2012）。
中国国民生产总值持续几年高速的增长受到世人瞩目，同时受到关注的还有中国能源消耗的迅速增长。
据统计，2010年中国成为世界能源第一消耗大国，能源消耗总量为2432.2百万吨油当量，同比增长11.2%，占世界总能源消耗的20.3% 。
据统计，在2010 年国内一次性能源消耗结构中，煤炭占70%，原油占18%，天然气占4%，非石化能源（水电、核能和可再生能源）消费比重上升到8.1%。
中国煤炭比重远远高于其他国家，占世界煤炭消费总量的48.2%。
经济的高速发展，石化能源大量使用的同时也加剧了环境的污染和危害，这种危害表现为大量温室气体排放引起全球温度升高加剧、南极臭氧层空洞扩大、酸雨和暴雪等极端气候出现以及各种疾病的复活等。
传统能源的紧缺和使用传统能源带来的环境问题，迫使各国开始想对策来应对这些问题。
这时候，大家把目光投向新能源的开发和利用。
太阳能的利用开始逐渐被人类重视。
太阳能作为一种可再生能源，可以说取之不尽，用之不竭，在新能源利用发展中具有很多优势。
太阳能是完全环保的能源，对环境没有污染。
太阳能的分布广泛，在偏远地区及地理环境相对恶劣的山区、农村等地方提供太阳能所转化的各种能量，可以降低运输压力，而且能缓解能源供应的矛盾。
太阳能是绿色无污染能源，能减少对环境的污染，符合人类可持续发展的要求。
太阳能具有这么多优点，开放和利用太阳能，将太阳能转化为其他可利用能源将对我们人类的可持续发展具有深远的意义。
1.2 太阳能跟踪系统的国内外研究现状随着科学技术的迅猛发展，人们对已经把太阳能应用到许多领域，太阳能的使用逐渐进入人类的生活。
太阳能光伏发电是太阳能利用的一个重要领域。
太阳能光伏发电的工作原理是利用太阳能电池板接收太阳光辐射，通过电池板的接收和电路的转化为可以利用的电能。
虽然，太阳能有很多优点，但也存在太阳光的密度低、空间分布不断变化、辐照时间间歇性等缺点，因此收集和利用的难度较大、成本较高。
理论分析表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，因此进行高精度的太阳跟踪是很有必要的（杨金焕等，2008）。
高精度的太阳跟踪器可以大大提高太阳接收效率，在太阳能发电中有着重要的作用。
目前太阳跟踪的方法主要有两种。
一种是视日运动轨迹跟踪法，太阳相对与地球上某一点的位置，是可以近似计算的。
视日运动轨迹跟踪法，是通过计算地球上某一点某个时刻太阳的相对位置，从而对太阳进行跟踪。
另一种是传感器跟踪法。
这种方法由光电转换器根据太阳光和接收板之间的偏差产生一个反馈信号，经过放大整理后，控制步进电机转动，使得接收装置对准太阳（郑小年等，2012）。
目前国内外常见的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。
单轴跟踪，电池阵列只能沿一个轴旋转，能够调节电池阵列方位角，使之与太阳方位角相同。
这类跟踪方式具有结构相对简单，控制较为容易的特点，比较合适在光照强度充足和光照比较稳定的地区。
但这类跟踪方式存在一个缺点,就是不能保持电池阵列平面与太阳光线始终垂直，经常有光线和电池板有一定角度，这样一定程度上降低了光电转换效率，造成了能源的流失，影响了整个系统发电效率。
双轴跟踪，双轴跟踪弥补了单轴跟踪方式的不足之处，它是一种全方位的跟踪技术。
它能够对太阳的高度角和方位角进行全面跟踪，实现更高的采集效率。