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广域安全监控系统的通信技术模板.doc
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第 2 章 广域同步测量与通信技术
2.1 广域测量系统中的通信技术
2.2.1 数字通信基本概念和理论
1. 数字通信系统模型
图 2-16 给出了一个完整的数字通系统的模型。
信
源
信
源
编
码
器
信
道
编
码
器
数
字
调
制
器
信
道
数
字
解
调
器
信
道
译
码
器
信
源
译
码
器
信
宿
噪声
图 2-16 数字通信系统的模型
信源能够是数据、 语音和图像。如电力系统的电压和电流信号等。
信源编码包含模拟信号的数字化和信源压缩编码两个范畴。模拟信
号的数字化主要有脉冲调制( PCM) 等, 这种变换提高了通信质量, 是
靠扩大传输频带换来的。信源压缩编码是对信源进行处理, 把信号能量
集中起来缩窄占据频带, 从而提高了通信的有效性。这些编码方法有预
测编码、 变换编码等。
信道编码是指采用差错控制技术, 把可控的冗余码加入二进制序列,
从而提高了传输可靠性, 减少误码的影响。
调制器主要完成了信号频谱的搬移, 将低频信号调制到高频通道去
传输。
数据信号在信道中传输分为两种: 一是异步传输, 二是同步传输。
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2. 编码与调制
数据在传输之前, 必须被编码, 以适应传输介质和接收机的要求。
这些包括: 避免直流分量、 在接收端提取时钟、 克服噪声干扰以及适
应信道带宽。
通信网中常见的一些数字信号编码格式有: 归零码、 非归零码、
非归零翻转码、 曼彻斯特码、 曼彻斯特差分码以及裂相码等。
采样上述码的原因主要有一下几个方面:
从信号频谱角度考虑: 因为减少高频分量, 因此要求缩短带宽。
减少低频分量, 特别是直流分量, 因为通信路径可能遇到变压器
和线圈。
从同步和接收端提取时钟的角度考虑: 有些编码技术, 如曼彻斯
特码, 能够固定地为接收机提供关于每一比特的起始和停止信息,
因此避免需要单独的时钟信道。
纠错和抗干扰性考虑等。
在模拟信道中传输数字信号, 必须把数字信号转换成模拟形式, 才
能在模拟信道中进行传输。实现上述信号转换, 一般采样调制解调器。
对于正弦载波信号, 有三种调制技术: 数字调幅、 数字调频和数字
调相。
3. 信道带宽和信道容量
在给定带宽上能够传送的最大信息速率依赖于所传送信号的能量和
信道噪声特性。信息的最大传输速率又称为”信道容量”, 用 C 表示,
单位 bit/s。信道带宽用 B 表示, 单位 Hz。
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Shannon 的信道容量定理指出: 能够找到这样一种技术( 理论上称为
编码技术) , 当信息速率小于或等于信道容量 C 时, 经过它能够以任意
小的错误概率传送信息。相反, 当信息速率大于信道容量时, 则不能找
到这样一种编码技术。
信道容量和带宽的关系:
2
log (1 / )C B S N= +
式中,
N
为信道带宽内总的噪声能量, 而
/S N
为信号与噪声之比。该公
式只适应于具有高斯噪声特性的信道。
4. 多路复用
多路复用是把许多信道联合起来, 并在实际信道中传输, 在接收端
经过分解将原来信道的分隔并恢复出来。多路复用的主要目的是有效的
利用带宽。常见复用方式有两种: 一是时分多路制( TDM) , 二是频分
多路制( FDM) 。
5. 误码处理
在接收端, 无论信号在有线信道上还是在无线信道上传输, 都有噪
声伴随。当接收的信号被接收机各级处理时, 如滤波、 放大、 解调等,
每一级都在信号上叠加上附加的噪声。如何检测出这些差错?
研究者已经创造了很多用于检错和纠错的码。这些码的基本设计思
想是: 在输入的数据流中加入多余的比特, 经过多余的比特来检错和纠
错。检测码有奇偶校验码; 纠错码的例子有汉明码、 BCH 码以及卷积码
等。在电力系统通信中常见的检测码和纠错码有奇偶校验码、 和校验
码以及 CRC 等。
6. 光纤通信基础
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1) 光数字通信系统
基本的光纤通信系统使用强度调制( IM) 和直接检测( DD) 方法。
实际上所有当前采用的系统都是强度调制和直接检测系统, 如图 2-17。
光源
Laser/LED
光调制器
信源
光电监测器
PIN / APD
放大器
均衡器
判决
电路
信宿
发射机
接收机
光纤
图 2-17 IM-DD 光二进制通信系统框图
该系统包括一个激光器或发光二极管( LED) 光源、 光纤及 PIN 或
雪崩光电二极管( APD) 光接收机。当前大多数光系统是数字系统。一
个高性能的光数字系统经过无中继长距离能够传输数 Gbit/s 光信号。
这样一套系统一般采用单模单频激光器、 单模光纤及 PIN 接收机。
发射机将待传输的电信号转换成光信号, 能够采用直接调制光源或
经过外调制器的方法来实现这一转换。直接调制比较简单, 但会引起发
射光波谱的展宽, 即”频率啁啾”。频率啁啾与光纤中的群速度色散相
互作用, 严重影响光脉冲形状, 使系统性能下降。
外调制能够减小甚至消除频率啁啾, 因而更加适合于在长距离无中
继和高信息速率的系统中应用。最常见的外调制器是利用电光效应制成
的。
信道是光纤。光纤的两个主要参数是衰减和色散。这两个参数都会
限制无中继距离光信号的传输。
最后, 接收机包括光电检测器, 一般是 PIN 或 APD, 把输入光信号转
换成电信号。因为电信号可能非常微弱且有失真, 因此在进入判决器之
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