信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ).ppt

第4章信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 4 1信息傳輸和信道4 2傳輸技術(shù)基礎(chǔ)4 3多路信號傳輸技術(shù) 4 1信息傳輸和信道 4 1 1信息傳輸?shù)幕靖拍? 信道信道是信號傳輸?shù)耐ǖ?從系統(tǒng)的角度看 通信系統(tǒng)一般由信源 信道 信宿 發(fā)送設(shè)備 接收設(shè)備和噪聲源組成 如圖4 1所示 圖4 1通信系統(tǒng)的基本模型 信息源是產(chǎn)生消息的源 發(fā)送設(shè)備是將信源端送出的信號變換或匹配成適合于特定信道介質(zhì)傳輸信號的設(shè)備 接收端的接收設(shè)備與發(fā)送設(shè)備實現(xiàn)功能相反 是將從信道接收的信號相應(yīng)地恢復(fù) 還原成終端設(shè)備能識別信號的設(shè)備 2 信息容量信息容量是在一個給定時間內(nèi) 通過一個通信系統(tǒng)可以傳輸多少信息的一種度量 簡而言之 信息容量可以是系統(tǒng)容納的用戶數(shù)目或系統(tǒng)交換 傳輸及處理的信息比特數(shù) 1920年貝爾電話實驗室的哈特萊 R Hartley 推導(dǎo)出了帶寬 傳輸時間和信息容量之間的關(guān)系 哈特萊定律簡單地說明 帶寬愈寬 傳輸時間愈長 能夠通過該系統(tǒng)傳送的信息就愈多 數(shù)學(xué)上 哈特萊定律表達(dá)如下 其中 C為信息容量 B為系統(tǒng)帶寬 Hz t為傳輸時間 s 上式說明信息容量是系統(tǒng)帶寬和傳輸時間的線性函數(shù)并與兩者直接成正比 4 1 例4 1已知某系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬為150MHz 分別在1秒和1分鐘時間內(nèi)的傳輸信息量 解根據(jù)哈特律公式 當(dāng)t 1s時 系統(tǒng)信息容量為C 150 106 1 1 5 108b s 當(dāng)t 60s 1分鐘 時 系統(tǒng)信息容量為C 150 106 60 9 109b s 那么如果增大帶寬B 能否使C一定線性增加呢 這實際上是不可能的 香農(nóng)公式回答了這一問題 數(shù)學(xué)上 香農(nóng)信息容量極限表述為 4 2 其中 C為信息容量 b s B為帶寬 Hz S N為信號與噪聲的功率之比 簡稱信噪比 無單位 其中N n0 B n0為噪聲單邊功率譜密度 可見 C是信道帶寬和信噪比的函數(shù) B增大的同時 噪聲功率N也增大 S N減小 C是有限的 信道容量受 三要素 B n0和S的限制 只要這三要素確定 信道容量就確定 例4 2已知某系統(tǒng)的信噪比為1000 30dB 標(biāo)準(zhǔn)話音頻帶通信信道帶寬為3 4kHz 試求該系統(tǒng)的信息速率極限值 解根據(jù)信息容量的香農(nóng)極限公式 C 3400 log2 1 1000 33 89kb s 這個值就是該信道傳輸信息的理論極限速率值 3 信道傳輸特性根據(jù)傳輸介質(zhì)是否有形 信道可以分為有線信道和無線信道 1 有線信道的傳輸特性1 幅頻傳輸特性 是信道在各頻率下的衰耗與頻率的關(guān)系曲線 它將影響信號的幅度衰減量 信道的理想幅頻特性要求其通帶內(nèi)特性平穩(wěn) 否則將導(dǎo)致信號幅度失真 2 相頻傳輸特性 是信道在各頻率下的相位移與頻率的關(guān)系曲線 它將影響被傳輸信號的相位移 圖4 2理想有線信道的傳輸特性 2 無線信道傳輸特性無線信道的傳輸媒介是自由空間 由電磁波攜帶信號 常用無線信道的通信方式有 調(diào)幅 調(diào)頻廣播 無線電視 微波通信 衛(wèi)星通信 移動電話 無線尋呼等 無線信道也以幅頻特性與相頻特性來描述信道對通過信號的影響 與有線信道類同 無線通信所用的電磁波 根據(jù)頻率的高低 或波長的長短 頻段劃分如表4 1所示 我們通常所說的微波是指頻率在0 3GHz 3GHz范圍的電磁波 各波長段的頻率不同 波長不同 其空間傳播特性就不一樣 用途也就不同 3 信道的衰減與失真在信道中傳遞的信號 由于介質(zhì)的特性 信號傳輸中必然會產(chǎn)生能量的損失 這種能量的損失 我們稱之這衰減或衰耗 在通信工程中稱之為固有衰減 這種衰減隨信道種類不同而不同 傳輸信道距離越長衰減越大 其度量一般用 dB 電平表示 其dB的定義為 采用信號輸入輸出端功率比值取10倍常用對數(shù)來表示 稱之為分貝 dB 10 4 3 在通信系統(tǒng)中 信號其傳輸一般用相對電平來表示 如果上式中參考點為Po 輸出點為Pi 若P0的單位用mw表示 則電平為dBm 稱dB毫瓦 如P單位用W表示 則電平為dBW或稱為dB瓦 4 4 通信信道由于干擾和噪聲影響 常見的信號衰減與失真度量參數(shù)有 幅度衰減 幅度突變 相位抖動 群時延 頻率失真 頻率偏移等 幅度衰減是指信道對不同頻率信號的幅度衰減變化 幅度突變是指接收信號幅度突然變化 增加或減小 的數(shù)值 一般要求門限值在1 6dB范圍內(nèi)選擇 相位抖動也會引起信號的畸變和失真 是一種線性畸變 通信系統(tǒng)可以采用 均衡 措施補(bǔ)償 信道的相位 頻率特性也經(jīng)常用群時延 頻率失真來衡量 所謂群時延 頻率失真是相位 頻率特性對頻率的導(dǎo)數(shù) 若相位 頻率特性用 表示 則群時延 頻率特性 為 4 5 4 信道的損傷信道中的噪聲與干擾信號在信道道傳輸中過程中 會遇到各種情況的干擾和噪聲 包括各種各樣來自系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲與外部的干擾 統(tǒng)內(nèi)部噪聲 系統(tǒng)內(nèi)部半導(dǎo)體器件中的少數(shù)載流子的隨機(jī)擴(kuò)散與電子 空穴對的隨機(jī)復(fù)合運(yùn)動產(chǎn)生散彈噪聲 通信設(shè)備中的元器件的熱運(yùn)動 絕對溫度零度以上都有 產(chǎn)生白噪聲 以上兩種噪聲是不可避免的 只能通過改良通信設(shè)備的工藝來避免或改善 統(tǒng)外部的干擾 通信設(shè)備工作時 處于強(qiáng)電磁環(huán)境中 一方面受到自然界雷電 太陽黑子活動等引起的電磁暴 另一方面受其它無線電設(shè)備發(fā)射電磁波 市電50Hz信號的干擾 這種外界干擾 可通過降低外界干擾源的干擾和增強(qiáng)通信設(shè)備的屏蔽能力來改善 2 數(shù)字傳輸系統(tǒng)性能指標(biāo)從數(shù)字信號傳輸?shù)慕嵌壬峡?數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)分為有效性和可靠性指標(biāo) 其中有效性指標(biāo)常用信息傳輸速率 碼元傳輸速率 符號速率 頻帶利用率等表示 可靠性指標(biāo)常用誤碼率和抖動容限表示 信息傳輸速率 是指在單位時間 每秒 傳送的信息量 也稱傳信率 例4 3某數(shù)字通信系統(tǒng) 它每秒鐘傳輸2048 103個二進(jìn)制碼元 則它的信息傳輸速率為多少 解該系統(tǒng)信息佶速率為 fb 2048 103比特 秒 碼元 符號 傳輸速率 也稱為符號傳輸速率 或碼元速率 它是指單位時間 每秒 所傳輸?shù)拇a元數(shù)目 其單位稱為波特 碼元速率可折合為信息速率進(jìn)行計算 其轉(zhuǎn)換公式為 4 6 式中 fb為信息傳輸速率 二進(jìn)制傳輸速率 fB表示波特數(shù) 消息速率 其單位為波特 Bd 或Baud M為符號進(jìn)制數(shù) 碼元進(jìn)制數(shù) 例4 4已知某系統(tǒng)的碼元傳輸速率為600Baud 如果系統(tǒng)傳輸二進(jìn)制和四進(jìn)制碼元時對應(yīng)的信息速率分別為多少 解二進(jìn)制碼元時 M 2 代入公式 4 6 計算出信息傳輸速率fb 600bit s 四進(jìn)制碼元時 M 4 信息傳輸速率fb 1200b s 頻帶利用率 是指單位頻帶內(nèi)的傳輸速率 傳輸?shù)乃俾视?所占用的信道頻帶愈寬 通常用 來表示數(shù)字信道頻帶的利用情況 即頻帶利用率為 4 7 當(dāng)傳輸速率是碼元傳輸速率時 其單位為波特 赫茲 Baud Hz 當(dāng)傳輸速率是信息傳輸速率時 其單位為比特 秒 赫茲 b s Hz 誤碼率 在數(shù)字通信中是用脈沖信號 即用 1 和 0 攜帶信息 由于通信系統(tǒng)中噪聲 串音及碼間干擾以及其它突發(fā)因素的影響 當(dāng)干擾幅度超過脈沖信號再生判決的某一門限值時 將會造成誤判成為誤碼 如圖4 3所示 圖4 3噪聲疊加在數(shù)字信號上的波形 誤碼用誤碼率來表征 其定義為 數(shù)字通信系統(tǒng)中在一定統(tǒng)計時間內(nèi) 數(shù)字信號在傳輸過程中 發(fā)生錯誤的碼元數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比 用符號Pe表示 4 8 例4 5某數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸 1 和 0 等概率的碼元 則每碼元含有的信息量為1bit 現(xiàn)有一數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)每秒傳送144kb的 1 和 0 碼元 則此系統(tǒng)傳信率多少比特 秒 如果此系統(tǒng)在傳輸過程中每5秒傳錯2碼元 則系統(tǒng)的誤碼率又為多少 解在二進(jìn)制碼系統(tǒng)中 直接計算系統(tǒng)傳信率fb 144Kbit s 由于系統(tǒng)5秒鐘內(nèi)傳送的信息比特數(shù)為 144Kb 5 720kbits 則根據(jù)公式 4 8 計算系統(tǒng)誤碼率為 Pe 2 720K 2 778 10 6 在實際的數(shù)字通信系統(tǒng)中 含有多個再生中繼段 則一個傳輸系統(tǒng)的誤碼率 應(yīng)與每個再生中繼段的誤碼率相關(guān) 即具有累積特性 如一個傳輸系統(tǒng)有m個再生中繼段 則總誤碼率為 4 9 式中 PeB代表總誤碼率 i表示再生中繼段序號 PeBi表示第i個再生中繼段的誤碼率 當(dāng)每個再生中繼段誤碼率相同時 即都為 則m個再生中繼段的誤碼率為 4 10 抖動容限 所謂抖動 是指數(shù)字信號的有效瞬間與其理想時間位置的短時偏離 抖動現(xiàn)象如圖4 4所示 圖4 4脈沖抖動示意圖 抖動容限一般是用峰 峰抖動Jp p來描述的 它是指某個特定的抖動比特的時間位置 相對于該比特抖動時的時間位置的最大部分偏離 4 1 2有線傳輸信道有線信道的電磁能量被約束在某種傳輸線上傳輸 包括平行導(dǎo)體傳輸線 同軸電纜傳輸線 微帶傳輸線 波導(dǎo)傳輸線 光纖傳輸線等 1 架空明線和平行雙線電纜架空明線是利用金屬裸導(dǎo)線捆扎在固定的線擔(dān)上的隔電子上 是架設(shè)在電線桿上的一種通信線路 它主要由導(dǎo)線 電桿 線擔(dān) 隔電子和拉線等組成 如圖4 5 a 所示 平行雙線電纜是一種雙線平行導(dǎo)體傳輸線 兩個導(dǎo)體承載電流 其中一個導(dǎo)體承載發(fā)出的信號 另一個承載返回的信號 任何一對傳輸線都可以在平衡模式下工作 如圖4 5 b 所示 a 架空明線 b 平行雙線電纜 圖4 5架空明線和平行雙線電纜 2 對稱電纜對稱電纜是由若干條扭絞成對 或組 的導(dǎo)電芯線加絕緣層組合而成的纜芯 在纜芯外面加上金屬編織物 如圖4 6 a 所示 3 雙絞線雙絞線電纜是由兩根絕緣的導(dǎo)體扭絞封裝在一個絕緣外套中而形成的一種傳輸介質(zhì) 通常以對為單位 并把它作為電纜的內(nèi)核 根據(jù)用途不同 其芯線要覆以不同的護(hù)套 圖4 6對稱電纜和雙絞線電纜 4 同軸電纜同軸電纜包括一個中心導(dǎo)體 直徑1 2mm至5mm 周圍是同心共軸的外部導(dǎo)體 外管直徑4 4mm至18mm 外部導(dǎo)體被物理隔絕 由間隔器與中心導(dǎo)體隔離 屬于不對稱的結(jié)構(gòu) 圖4 7給出的是固態(tài)柔韌型同軸電纜 外部導(dǎo)體是柔韌的編織物 并與中心導(dǎo)體同軸 絕緣體是固態(tài)絕緣聚乙烯材料 以保證內(nèi)外導(dǎo)體的電隔離 圖4 7同軸電纜 固態(tài)柔韌型 5 微帶線和矩形波導(dǎo)微帶線應(yīng)用于高頻 300 3000MHz 在印制電路板 PC PrintedCircuit 上使用銅線構(gòu)成的特殊傳輸線稱為微帶線或帶狀線 已在PC板上被用于元件的連接 圖4 8 a 給出了一個簡化的單軌微帶線路 波導(dǎo) WaveGuide 的最簡單形式是一個空心導(dǎo)管 其橫截面通常是矩形 如圖4 8 b 所示 a 微帶線 b 矩形波導(dǎo) 圖4 8微帶線和矩形波導(dǎo) 6 光纖光纖 OpticalFiber 是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲 其結(jié)構(gòu)圖見圖4 9所示 纖芯的折射率比包層稍高 損耗比包層更低 光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸 圖4 9光纖結(jié)構(gòu)圖 光纖是利用光的全反射特性來導(dǎo)光的 折射率小的稱為光疏媒質(zhì) 折射率大的稱為光密媒質(zhì) 假定光線從光密介質(zhì)n1射向光疏介質(zhì)n0 其折射情況如圖4 10所示 入射角為 1指入射光線與法線YY 的夾角 折射角為 0是折線光線與法線的夾角 由圖可見 1 0 入射光在兩種介質(zhì)面發(fā)生折射的現(xiàn)象用斯涅爾定律描述為 圖4 10光線折射示意圖 光纖結(jié)構(gòu)及剖面圖如圖4 11所示 a 光纖結(jié)構(gòu) b 光纖結(jié)構(gòu)剖面圖 圖4 11光纖結(jié)構(gòu)及剖面示意圖 4 1 3無線傳輸信道無線信道的介質(zhì)是自由空間 電磁波在大氣層 電離層或外層空間傳送 如短波電離層 散射信道 微波視距信道 衛(wèi)星遠(yuǎn)程自由空間的恒定參數(shù)信道等 圖4 12顯示了在兩個天線之間的基本傳播形式 圖4 12電磁波的三種傳播模式 1 地波傳播 地波 GroundWave 是沿地球表面?zhèn)鞑サ囊环N電磁波 很容易穿過一般建筑物 地波有時也稱為表面波 SurfaceWave 地波的傳播如圖4 13所示 圖4 13地波傳播 地波傳播的缺點如下 1 地波傳播需要很大的發(fā)射功率 2 地波傳播的頻率限制在甚低頻 VLF 低頻 LF 以及中頻 MF 范圍內(nèi) 并且需要大尺寸的天線 3 地面損耗隨表面材料不同會發(fā)生明顯變化 地波傳播的優(yōu)點如下 1 地波傳播可提供足夠大的功率 地用于世界上任何兩地之間的長距離通信 2 大氣條件的改變對地波傳播基本上不產(chǎn)生影響 2 空間波 空間波包括直射波和地面反射波 如圖4 1所示 直射波 DirectWave 在發(fā)射天線與接收天線之間以直線傳播 地面反射波 GroundReflectedWave 是在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間靠地球表面對波的反射進(jìn)行傳播的 3 天波 一般天波 SkyWave 是在某一方向上相對于地球仰起一個很大的角度來輻射的電磁波 天波是朝著天空輻射并憑借電離層反射或折射回地面的 正是由于這個原因 天波傳播的這種形式有時也稱為電離層傳播 天波的傳播離地球越遠(yuǎn) 電離作用就越強(qiáng) 只有很少的分子被電離 電離層通常分為D E F三層 如圖4 14所示 從圖中可以看出 電離層的分層在同一天的不同時間有不同的高度和不同的電離密度 電離密度在一年中隨季節(jié)呈周期性波動 并且這種周期性的變化還隨著太陽黑子活動以大約11年為一個周期發(fā)生著變化 在太陽光最強(qiáng)的時期電離層的密度最大 在夏天的中午時段 圖4 14電離層的分導(dǎo)層 4 2傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 4 2 1模擬傳輸技術(shù)基礎(chǔ)模擬基帶傳輸系統(tǒng)如果模擬傳輸系統(tǒng)不對傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行任何頻率變換 調(diào)制 則稱該系統(tǒng)為基帶傳輸系統(tǒng) 自然界的任何非電量信息m t 經(jīng)過非電 電量變換后的通信信號f t 其頻率成分分布在接近0Hz頻率到某一頻率的有限頻段范圍內(nèi) 因此稱為基帶信號 如人類的語音信號大部分頻率成份在0Hz 10Khz范圍內(nèi) 是有限帶寬的信號 若某傳輸系統(tǒng)直接傳輸f t 信號 不再進(jìn)行其它變換 這種傳輸系統(tǒng)就稱為基帶模擬傳輸系統(tǒng) 如圖4 15所示 圖4 15基帶模擬傳輸系統(tǒng) 2 高頻窄帶模擬傳輸系統(tǒng) 對信源端發(fā)出的電信號進(jìn)行一些調(diào)制的變換 將頻率搬移到某高頻率載波附近 使f t 成為已調(diào)信號S t 的傳輸系統(tǒng) 稱為高頻窄帶模擬傳輸系統(tǒng) 如圖4 16所示 圖4 16高頻窄帶模擬傳輸系統(tǒng) 高頻窄帶調(diào)制 解調(diào)技術(shù)所用的典型技術(shù)是調(diào)制 解調(diào)技術(shù) 調(diào)制 解調(diào)技術(shù)的基本部件是調(diào)制 解調(diào)器 結(jié)構(gòu)如圖4 17所示 由本地振蕩器 正弦信號發(fā)生器 低通濾波器 乘法器組成 圖4 17調(diào)制 解調(diào)器系統(tǒng) 設(shè)消息信號為m t 經(jīng)非電 電變換后信號為f t 在調(diào)制 解調(diào)技術(shù)中 稱f t 為調(diào)制信號 本地振蕩器產(chǎn)生的正弦信號為載波信號C t A0cos ct 0 C t 稱為被調(diào)信號 其中A0 c 0這三個分別為振幅 頻率和相位參數(shù) 調(diào)幅 用電信號f t 去調(diào)制載波信號C t 的振幅A0的調(diào)制技術(shù) 調(diào)頻 用電信號f t 去調(diào)制載波信號C t 的角頻率 c的調(diào)制技術(shù) 調(diào)相 用電信號f t 去調(diào)制載波信號C t 的相位 0的調(diào)制技術(shù) 調(diào)幅 AM 設(shè)載波信號為C t A0cos ct 0 調(diào)制信號為f t 其對應(yīng)的頻譜為F 當(dāng)這兩個信號同時送到乘法器上相乘 所產(chǎn)生的輸出信號稱為已調(diào)信號S t 4 11 則音頻信號f t K m t K為外加的直流分量 載波信號C t 和調(diào)制信號S t 的波形如圖4 18所示 a 音頻信號f t b 載波信號C t c 調(diào)幅信號S t 圖4 18調(diào)幅信號波形 從圖4 18可以看出 在時域上已調(diào)信號S t 的包絡(luò)與f t 的波形變化一致 因此稱調(diào)幅 如果對f t 和s t 分別作傅里葉變換分析 設(shè)S t 對應(yīng)的頻譜為S 信號f t 對應(yīng)頻譜為F 信號m t 對應(yīng)頻譜為M 根據(jù)信號傅里葉變換性質(zhì) 在頻域上有 4 12 其中 直流部分分量A1 KA0 因此 S t 對應(yīng)的頻譜S 是信號m t 對應(yīng)頻譜M 在頻域上的簡單搬移 M 在頻域被搬移到載波頻率 c附近形成雙邊帶 S 由集中于附近的上邊帶 圖4 19中加黑部分 和下邊帶 且下邊帶是上邊帶的反摺 如圖4 19所示 圖4 19調(diào)幅信號頻譜示意圖 2 抑制載波雙邊帶調(diào)幅 DSB 在調(diào)幅信號中 載波分量并不攜帶信息 信息完全由邊帶傳送 如果將載波抑制掉 只需將f t 信號中的直流分量K抑制掉 即可輸出抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號如圖4 20 a 所示 a 抑制載波雙邊帶調(diào)幅 DSB b 單邊帶調(diào)幅 SSB 圖4 20DSB和SSB調(diào)幅信號 3 單邊帶調(diào)幅 SSB 在DSB調(diào)幅信號中包含兩個邊帶 即上 下邊帶 這兩個邊帶攜帶的信息相同 從信息傳輸?shù)慕嵌葋砜紤] 傳輸一個邊帶就足夠了 這種只傳輸一個邊帶的調(diào)幅方式就稱為單邊帶調(diào)幅 單邊帶調(diào)幅可以通過DSB濾波法或移相法得到 單邊帶調(diào)幅信號如圖4 20 b 所示 4 殘留邊帶調(diào)制 VSB 殘留邊帶調(diào)制是介于DSB和SSB之間的一種調(diào)制方式 VSB不是完全抑制另一個邊帶 像SSB那樣 而是逐漸切割 使其殘留一小部分 如圖4 21所示 圖4 21DSB SSB和VSB調(diào)制波形 5 調(diào)頻用載波的角頻率 來攜帶信源的信息 將信源端f t 幅度的變化用于控制壓控振蕩器控制載波頻率的變化 其輸出就為調(diào)頻波S t 調(diào)頻波的稀和疏與f t 的幅度大小有關(guān) 6 調(diào)相由載波的相位分量來攜帶信源的消息 以載波相位的變化表示信號f t 幅度的變化 在調(diào)相在模擬傳輸中一般用得少 其內(nèi)容略 4 2 2數(shù)字傳輸技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字基帶傳輸所謂基帶傳輸 是指不經(jīng)過調(diào)制而直接將原始基帶信號送到線路上進(jìn)行傳輸?shù)囊环N方式 信源端的模擬信號經(jīng)過PCM數(shù)字化編碼后 輸出的數(shù)字信號是以基群 低次群 的碼流 該碼流可不經(jīng)調(diào)制 直接在電纜上作短距離傳輸 我們稱之為基帶傳輸 在此信道上傳輸?shù)臄?shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號 數(shù)字基帶信號1 單極性不歸零 NRZ 碼 設(shè)消息代碼由二進(jìn)制符號0 1組成 基帶信號的0電位及正電位分別對應(yīng)數(shù)字信號0和1 NRZ碼的基帶信號及頻譜可用圖4 22表示 圖4 22單極性 NRZ 不歸零碼及功率譜圖 2 雙極性不歸零碼 雙極性波形就是二進(jìn)制符號0 1分別與正 負(fù)電位對應(yīng)的波形 如圖4 23所示 圖4 23雙極性不歸零碼 3 單極性歸零碼 單極性波形就是二進(jìn)制符號0 1分別與零 正電位對應(yīng) 且有電脈沖寬度比碼元寬度窄的波形 每個脈沖都回到零電位 如圖4 24所示 圖4 24單極性歸零碼 RZ 及功率譜 4 雙極性歸零碼 雙極性波形就是二進(jìn)制符號0 1分別與正 負(fù)電位對應(yīng)的波形 如圖4 25所示 圖4 25雙極性歸零 RZ 碼 2 常用的數(shù)字基帶傳輸碼型 根據(jù)電纜信道的特點及傳輸數(shù)字信號的要求 為了不使在信道中傳輸?shù)臄?shù)字信號產(chǎn)生嚴(yán)重畸變 選擇的數(shù)字基帶碼要滿足以下幾個條件 碼型中 高 低頻成分少 無直流分量 在接收端便于定時時鐘提取 碼型應(yīng)具有一定的檢錯 檢測誤碼 能力 設(shè)備簡單 易于實現(xiàn) 滿足或部分滿足以上特性的傳輸碼型種類繁多 下面是常見的幾種碼型 1 雙極性半占空碼 AMI 碼 也稱為雙極性半占空交替反轉(zhuǎn)碼是一種將消息代碼0 空號 和1 傳號 按如下規(guī)則進(jìn)行編碼的碼型 代碼中的0變換為傳輸碼0 而代碼中的1交替地變換為傳輸碼的 1 1 1 1 例4 7已知二進(jìn)制代碼為110101 按AMI編碼規(guī)則編出信道碼 解編出的AMI碼為 1 1 01 01 其編碼波形及頻譜圖如4 26所示 圖4 26AMI碼及功率譜 2 HDB3碼 是三階高密度雙極性碼的簡稱 是一種改進(jìn)的AMI碼 普通二進(jìn)制碼流變換為HDB3碼的規(guī)則中下 在數(shù)碼流中當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)四個以上連 0 時 從第一個 0 起到四個連 0 中 最后一個 0 用 V 碼取代 此位碼稱極性破壞點 各 V 碼必須進(jìn)行極性交替 為保證傳號碼極性交替不引入直流成分 相鄰 V 碼間 前一 V 碼與后相鄰的原傳號 1 碼 應(yīng)使之符合極性交替原則 符合AMI碼變換規(guī)律 要使 V 碼前面相鄰一定出現(xiàn)一個與之極性相同的碼位 滿足 V 碼為極性破壞點要求 按前三步驟變換后也可能會出現(xiàn)與 V 碼同極性的碼 當(dāng)沒有出現(xiàn)時 就將四連 0 中的第一個 0 用B碼取代 使B與它后鄰的取代V碼同極性 為了在收端能識別出哪個是取代碼以便消除 例4 8已知二進(jìn)制碼1000010110000000011010 試編出其HDB3碼 解按照HDB3編碼規(guī)則 首先找出連0碼足4個0的碼串 碼串中4個0用破壞碼V取代 然后確定V碼正負(fù)交替 最后就可以編出HDB3碼 編碼過程和HDB3碼波形如下 圖4 27HDB3碼的波形圖 3 CMI碼 是傳號反轉(zhuǎn)碼的簡稱 其編碼規(guī)則為 1 碼交替用 11 和 00 表示 0 碼用 01 表示 其中 10 則為禁字不準(zhǔn)出現(xiàn) 接收端可據(jù)此判決為誤碼 例4 9二進(jìn)制碼為11001011 編出其CMI碼 解按CMI碼編碼規(guī)則 則CMI碼為1100010111010011 其波形圖是一種二電平不歸零碼 如圖4 28 b 所示 圖4 28不歸零信息碼 CMI碼 雙相碼和密勒碼的波形 4 Manchester碼 又稱雙相碼 它是對每個二進(jìn)制代碼分別利用兩個具有2個不同相位的二進(jìn)制新碼去取代的碼 編碼規(guī)則之一是 0碼用 01 表示 1碼用 10 表示 編碼后0 1的統(tǒng)計概率相等 編碼波形如圖4 28 c 所示 5 Miller 密勒 碼 又稱延遲調(diào)制碼 它可看作是雙相碼的一種變形 編碼規(guī)則如下 1 碼用碼元持續(xù)時間中心點出現(xiàn)躍變來表示 即用 10 或 01 表示 0 碼分兩種情況處理 對于單個 0 時 在碼元持續(xù)時間內(nèi)不出現(xiàn)電平躍變 且與相鄰碼元的邊界處也不躍變 對連 0 碼 在兩個 0 碼的邊界處出現(xiàn)電平躍變 即 00 和 11 交替 6 nBmB碼 是一類分組碼 它所原信息碼流的n位二進(jìn)制碼作為一組 變換為m位二進(jìn)制碼作為新的碼組 3 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)基帶信號呈現(xiàn)低通型頻譜特性 基帶傳輸系統(tǒng)具有低通特性 其基本模型如圖4 29所示 圖4 29數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) 在圖4 29中 接收濾波器輸出頻譜信號為 4 13 顯然 要在接收端得到無失真的波形S 必須滿足下列條件 4 14 2 數(shù)字頻帶傳輸 所謂頻帶傳輸 是指原始電信號在發(fā)送端先經(jīng)過調(diào)制后 再送到路上傳輸 接收端則要進(jìn)行相應(yīng)解調(diào)才能恢復(fù)出原來的基帶信號 數(shù)字信號的無線傳輸數(shù)字信號通過空間以電磁波為載體傳輸?shù)綄Ψ?稱為無線傳輸 2 數(shù)字信號的基本調(diào)制與解調(diào)調(diào)制是通過改變一個更高頻率信號的某些特征物理量或參數(shù) 如幅度 頻率 相位等 的過程 這一高頻信號常稱載波 它一般由載波振蕩器 如振蕩電路 激光器等 產(chǎn)生 圖4 30是頻帶通信系統(tǒng)的簡化方框圖 它顯示了調(diào)制信號 高頻載波及已調(diào)波間的關(guān)系 圖4 30頻帶傳輸系統(tǒng)簡化框圖 數(shù)字調(diào)制方式有四種基本方式 二進(jìn)制幅移鍵控 二進(jìn)制頻移鍵控 二進(jìn)制相移鍵控 二進(jìn)制相對相移鍵控 1 四種基本調(diào)制方式 二進(jìn)制幅移鍵控 2ASK 的調(diào)制 二進(jìn)制幅移鍵控 2ASK 就是數(shù)字信號 1 和 0 的振幅調(diào)制 換句話說 是利用載波的振幅變化去攜帶信息 而載波的頻率 相位都保持不變 二進(jìn)制頻移鍵控 2FSK 頻移鍵控就是數(shù)字信號頻率鍵控 換句話說 是利用已調(diào)波的頻率變化去攜帶信息 而載波的振幅和相位不變 如圖4 31 b 所示 二進(jìn)制相移鍵控 2PSK 相移鍵控就是數(shù)字信號相位控制 換句話說 是利用已調(diào)載波信號的相位去攜帶數(shù)字信息 而載波的振幅和頻率都不變化 如圖4 31 c 所示 二進(jìn)制相對相移鍵控 2DPSK 所謂相對調(diào)相 不是象絕對調(diào)相那樣對應(yīng)數(shù)字信號 1 和 0 以固定的相位關(guān)系 而是一種相對的關(guān)系 其調(diào)制規(guī)律如下 當(dāng)遇到基帶信號 1 碼時 載波的相位相對于前一個碼元相位改變 即倒相 當(dāng)遇到 0 碼時 載波的相位相對于前一個碼元相位不變 當(dāng)然此規(guī)律也可反而用之 2DPSK調(diào)制原理方框如圖4 31 d 所示 此相對調(diào)相的波形如圖4 32 d 所示 圖4 31二進(jìn)制基帶碼的四種調(diào)制方式 圖4 32二進(jìn)制基帶信號的調(diào)制波形 2 基本調(diào)制方式的解調(diào) 2ASK調(diào)制信號的解調(diào)二進(jìn)制振幅鍵控信號的解調(diào)與模擬調(diào)幅信號解調(diào)一樣 分為非相干解調(diào) 包絡(luò)檢波 和相干解調(diào) 同步檢波 兩種 2ASK的解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖4 33所示 a 2ASK非相干解調(diào) b 2ASK相干解調(diào) 圖4 332ASK的非相干和相干解調(diào) 2FSK調(diào)制信號的解調(diào) 2FSK信號的相干解調(diào)也稱為最佳接收法 如圖4 34 a 所示 a 2FSK相干解調(diào) b 2FSK鑒頻法 圖4 342FSK的相干和非相干解調(diào) 鑒頻法 2PSK調(diào)制信號的解調(diào) 2PSK信號的解調(diào)方法為相干解調(diào)法 其框圖如圖4 35 a 所示 2DPSK調(diào)制信號的解調(diào) 2DPSK的相干解調(diào)與2PSK的相干解調(diào)過程類似 但得到的是相對碼序列 需要變換成絕對碼序列 其原理框圖4 35 b 所示 a 2PSK相干解調(diào) b 2DPSK相干解調(diào) 圖4 352PSK和2DPSK的相干解調(diào) 3 四相相對調(diào)相與解調(diào)在數(shù)字微波通信中PDH系列的8Mb s 34Mb s等中等速率的數(shù)字基帶信號 經(jīng)常采用四相相對調(diào)制 QPSK 如下圖所示 圖4 36QPSK調(diào)制器 圖4 37QPSK相干解調(diào)器 注 LPF 低通濾波器 I t 同相支路 Q t 正交支路 4 組合調(diào)制方式 選讀 1 16QAM調(diào)制 如圖4 38所示 圖4 3816QAM和16PSK點群圖 2 16QAM正交調(diào)制器 QAM調(diào)制的調(diào)制器電路有正交調(diào)制法和四相疊加法 我國目前使用的設(shè)備基本是前者 其調(diào)制方框圖如圖4 39所示 圖4 3916QAM正交調(diào)制法調(diào)制器 3 多進(jìn)制正交調(diào)幅 MQAM 與其解調(diào)方式 其正交MQAM調(diào)制原理如圖4 40所示 MQAM的解調(diào)原理如圖4 41所示 圖4 40正交調(diào)幅法 圖4 41多進(jìn)制QAM相干解調(diào)電路 4 3多路信號傳輸技術(shù) 4 3 1信號多路傳輸?shù)幕靖拍? 數(shù)字多路通信原理數(shù)字多路通信也叫做時分多路通信 所謂時分多路通信 是利用多路信號 數(shù)字信號 在信道上占有不同的時間間隙來進(jìn)行通信 多路通信的原理源于數(shù)學(xué)上信號的正交性 4 18 對于不是連續(xù)信號 如時分制中的脈沖信號 只能用離散和來代替以上積分 即 4 19 這里的f1 t f2 t 為周期性的矩形脈沖信號 如圖4 42所示 它們的周期是相同的 都為T0 但在周期內(nèi)出現(xiàn)的時間不同 即在t 0時f1 t 等于A f2 t 0到t 時f1 t 變?yōu)?而f2 t A 其中t1是f1 t 脈沖的持續(xù)時間 根據(jù)離散和計算得 4 20 圖4 42脈沖信號的正交 2 數(shù)字信號復(fù)接技術(shù)數(shù)字復(fù)接 就是利用時間的可分性 采用時隙疊加的方法 把多路低速的數(shù)字碼流 支路碼流 如圖4 43 a 所示 數(shù)字復(fù)接主要有 按位復(fù)接 按字復(fù)接 按幀復(fù)接等各種方式 按一個碼位時隙寬度進(jìn)行時隙疊加稱為按位復(fù)接 如圖4 43 b 所示 圖4 43 c 所示為按字復(fù)接 一般一個碼字在PCM中即為一個抽樣值所編的8位碼 因此一個碼字通常稱為8位碼 在一個碼字寬度里將四個碼字疊加在一起 其每個碼字時間寬度減小到原來的1 4 碼率提高了四倍 圖4 43按位復(fù)接和按字復(fù)接示意圖 3 數(shù)字傳輸信號幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)一般都由世界電信組織建議統(tǒng)一格式 為保證數(shù)字通信系統(tǒng)正常工作 在一幀的信號中應(yīng)有以下基本信號 1 幀同步信號 幀定位信號 及同步對端告警信號 2 信息信號 3 其它特殊信號 地址 信令 糾錯等信號 4 勤務(wù)信號4 3 2PDH數(shù)字復(fù)接1 PCM30 32路基群幀結(jié)構(gòu)CCITTG 732建議 世界上共有兩種最基本的數(shù)字基群系列 一種是PCM30 32路系統(tǒng)一次群系統(tǒng) 我國及歐洲采用 一種是PCM24路一次群系統(tǒng) 日本 美國等采用 我們這里主要講述我國采用的PCM30 32路系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu) CCITTG 732建議PCM30 32路系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖4 44所示 時隙信號安排為 1 30個話路時隙TS1 TS15 TS17 TS31 2 幀同步時隙TS0偶幀TS0發(fā)送幀同步碼0011011 奇幀TS0傳送幀失步告警碼 3 信令復(fù)幀時隙TS16一個復(fù)幀共有16幀稱F0 F15 其中F0幀的TS16時隙傳送復(fù)幀同步碼與復(fù)幀失步告警碼 為保證數(shù)字信號按幀結(jié)構(gòu)安排位置進(jìn)行傳輸 各位碼的固定時間關(guān)系必須由定時系統(tǒng)來保證 其時間關(guān)系為 每一路時隙tc值 4 21 碼字位數(shù)L 8故每一位時隙tB為 4 22 數(shù)碼率 4 23 因此現(xiàn)在一般稱為2Mb s速率接口 E1電路 根據(jù)幀結(jié)構(gòu)其PCM基群30 32路 即2M接口結(jié)構(gòu)方框如圖4 45所示 圖4 44PCM30 32路幀結(jié)構(gòu) 圖4 45PCM30 32路系統(tǒng)方框圖 2 準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接系列PDH幀結(jié)構(gòu) 以PCM30 32路為基礎(chǔ) 1 準(zhǔn)同步復(fù)接 PDH 系列倘若被復(fù)接的支路不是在同一時鐘控制下 各支路有自己的時鐘 它們的數(shù)碼率 由于各自的時鐘偏差不同而不會嚴(yán)格相等 即各支路碼位是不同步的 這種情況下在復(fù)接之前必須調(diào)整各支路碼速 使之達(dá)到嚴(yán)格相等 這樣的復(fù)接稱為異步復(fù)接也稱為準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接 PDH系列 而且它們是按位復(fù)接 逐位碼進(jìn)行疊加 國際上主要有兩大系列的準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接系列 PDH系列 經(jīng)CCITT推薦 兩大系列有PCM基群24路系列和PCM基群30 32路系列 作為第一級速率接口 通常稱為1 5Mbps和2Mbps接口速率 兩類速率復(fù)接系列如表4 2所示 表4 2PDH兩類復(fù)接系列比較表 2 2 048Mb s速率接口的 PDH 復(fù)接系列二次群幀結(jié)構(gòu)由于參加復(fù)接的各低次群 支路 采用各自的時鐘 雖然其標(biāo)稱速率相同 2 048Mb s 但由于時鐘允許偏差 50ppm 即 100bit s 而各支路偏差不相同 因此各支路的瞬時數(shù)碼率會不相同 因此 在復(fù)接時首先要進(jìn)行碼率調(diào)整使各支路碼率嚴(yán)格相等 同步 后 才能進(jìn)行復(fù)接 匯接或稱合成 其方法如圖4 46所示 圖4 46數(shù)字復(fù)接示意圖 CCITTG 742推薦的正碼速調(diào)整 增加碼位 準(zhǔn)同步復(fù)接系列PDH二次群的幀結(jié)構(gòu)中各支路的比特安排如圖4 47 a 所示 它的復(fù)接幀如圖4 47 b 所示 幀長848比特 幀周期為100 38 s 圖4 47PDH異步復(fù)接二次群幀結(jié)構(gòu)按幀結(jié)構(gòu) PDH三次群 四次群復(fù)接幀結(jié)構(gòu)與二次群幀結(jié)構(gòu)形式類似 即是對應(yīng)的支路比特數(shù) 每幀比特數(shù)等比二次群多 這種PDH PlesiochronousDigitalHierarchy 復(fù)接體制的接口速率和碼型如表4 3所示 表4 3PDH接口速率 碼型 4 3 3SDH數(shù)字復(fù)接1 同步數(shù)字復(fù)接系列SDH隨著人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鲗νㄐ诺囊笤絹碓礁?因此通信容量越來越大 業(yè)務(wù)種類越來越多 傳輸?shù)男盘枎捲絹碓綄?數(shù)字信號傳輸速率越來越高 為了完成更高速率 更多路數(shù)數(shù)字信號的復(fù)接 1988年 光同步傳輸網(wǎng)絡(luò) SONET 應(yīng)運(yùn)而生 其概念很快被CCITT 后改為ITU T 接受 提出了G 707建議 規(guī)范了世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸體制 同步數(shù)字復(fù)接系列 SDH SDH的速率等級如表4 4所示 最基本的STM 1信號承載在一個125 s的幀結(jié)構(gòu)上 表4 4SDH的標(biāo)稱速率 2 SDH同步數(shù)字復(fù)接系列幀結(jié)構(gòu) ITU T采納了以字節(jié) Byte 作為基礎(chǔ)的矩形塊狀幀結(jié)構(gòu) 或稱頁面塊狀幀結(jié)構(gòu) 如圖4 48所示 STM N的幀是由9行 270 N列 8 字節(jié) 組成的碼塊 對于任何等級 其幀長 幀周期 均為125