2022年第章广域安全监控系统的通信.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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 216 给出了一个完整的数字通系统的模型;图 216 数字通信系统的模型 信源可以是数据、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;这些编码方法有猜测编 码、变换编码等;信道编码是指采
2、纳差错掌握技术,把可控的冗余码加入二进制序列,从而提高了传输牢靠 性,削减误码的影响;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;2. 编码与调制 数据在传输之前,必需被编码,以适应传输介质和接收机的要求;这些包括:防止直流分 量、在接收端提取时钟、克服噪声干扰以及适应信道带宽;通信网中常用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;采样上述码的缘由主要有一下几个方面:从信号频谱角度考虑:由于削减高频重量,所以要求缩短带宽;削减低频重量,特殊是 直流重量,由于通
3、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,可以固定地为接 收机供应关于每一比特的起始和停止信息,因此防止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,必需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,通常采样调制解调器;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靠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;Shannon 的信道
4、容量定理指出:可以找到这样一种技术(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,通过它可以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,就不能找到这样一种编码技术;信道容量和带宽的关系:式中,为信道带宽内总的噪声能量,而为信号与噪声之比;该公式只适应于具有高斯噪声特性的名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 信道;4. 多路复用 多路复用是把很多信道联合起来,并在实际信道中传输,在接收端通过分解将原先信道的分 隔并复原出来;多路复用的主要目的是有效的利用带宽;常用复用方式有两种:一是时分多
5、路制(TDM ),二是频分多路制(FDM );误码处理 5.在接收端,无论信号在有线信道上仍是在无线信道上传输,都有噪声相伴;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?争论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 加入余外的比特,通过余外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用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IM )和直接检测(DD )方法;实际上全部当前采纳的1)光数字通信系统
6、基本的光纤通信系统使用强度调制(系统都是强度调制和直接检测系统,如图217;图 217 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通过无中继长距离可以传输 数 Gbit/s 光信号;这样一套系统通常采纳单模单频激光器、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,可以采纳直接调制光源或通过外调制器的方法来实 现这一转换;直接调制比较简洁,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,严峻影响光脉冲外
7、形,使系统性能下降;外调制可以减小甚至排除频率啁啾,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;最常用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;最终,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;由于电信号可能特别柔弱且有失真,所以在进入判决器之前,必需经过放大和均衡;在判决器中,信号抽 样并与一个适当的门限比较,从而复原出所发送的信息比特;2)有关光纤通信的基本概念折射率:光在真空中的传输速度,同光在介质中的传输速度的比值称为折射率;当入射角比临界角大时,不存在折射光速,全
8、部的入射光功率都反射会介质;这种现象称为 全内反射; 衰减:光在光纤中传输时,因光散射和吸取现象引起光信号的损耗,称为光纤衰减;光纤对传输距 离的影响,比发射机输出功率或接收机警敏度对传输距离的影响要大的多; 色散:不同的光的重量(或不同的频率,或颜色等),通常以不同的速度在光纤中传输;这个现象名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 称为色散;当复合光信号在光纤中传输时,由于光纤色散的影响,信号可能失真;假如光纤可传输几个模,就起主要作用的色散机理是模式色散或模间色散(即不同的模以不 同的速度传输引起的色散);假如是单模光
9、纤,就起主要作用的色散机理是模式色散(色度色 散); 啁啾:当激光器被调制时,即激光器的电流在转变,激光器功率和频率都会转变;这种现象称为“ 啁啾” ;在强度调制系统中,啁啾通常产生不利的影响:啁啾展宽激光器谱线,因而通过光纤 色散使传输输出失真;然而,啁啾在频率调制系统中使有好处的;3)光纤带宽 对光通信一般都采纳多信道传输信息;采纳多信道通信系统的原动力是庞大的光纤的有效带 宽;对石英单模光纤,光纤衰减与光载波波长的关系曲线,如图 2 18 图 218 在一般石英单模光纤中信号衰减与波长的关系 光纤有两个损耗微小值,一个在 1.3 邻近,损耗更低的一个在 1.55 邻近;在 1.55 波段
10、,它大 约供应 25000GHZ 带宽;在不考虑光纤损耗对传输的限制时,光纤的宽带特性意味着 1.55 的单一 载波能够以 25000Gbit/s 的比特率进行基带调制,占据 1.55 邻近 25000GHz 的带宽;虽然,当前的 光纤器件不行能达到这么高的比特率,激光器、外调制器、开关和检测器的带宽充其量不超过 100GHz;事实上当前实际数据链路层的比特率明显低的多,可能每个信道不超过 10Gbit/s ;因 此,单路高速信道只不过利用了光纤带宽的微小一部分;4)电路交换和分组交换 在网络通信中,信息传输时主要有两种交换方法:多路交换和分组交换; 电路交换:A 想用户 E 发送一个恳求信号
11、,要求 在电路交换中,假如用户 A 想和用户 E 通信,那么用户 开头数据传输;如用户 E 可以进行互联,它就接收用户 A 的恳求,然后用户 A 就可以开头传输数 据;这个恳求称之为“ 握手” ;一旦传输开头,这两个用户之间就在网络中建立了一条固定的路 径或线路,直到其中的一个用户中断这条通信线路为止;电路交换网简洁实现和掌握;多路交换强调一条透亮的数据管道,其建立和拆除时间都较 长,更适合低速长时间传输;分组交换:分组交换网部需要具有专用带宽的链路;每个用户都是以分组的形式传输数据;在通常的网 络中,每个数据分组有一个标记,即一组特定的比特,它一般在分组的开头,用来实现数据复原 的同步,以及
12、提示接收机一个分组快要到达;仍有分组信头比特,它包括为网络交换供应的目的 地址和路由信息;以及用户产生的端到端数据有效载荷;如图 219;图 219 数据分组的基本结构 一个分组在胜利地到达它的目的地址之前,可能要经过很多中间交换节点;任何分组为到达 目的地址可能需要经受数次路由挑选,这取决于详细网络和不同线路的有效带宽;在这种情形 下,需要给每一个分组加上序列号,从而确保这些分组没有按次序到达目的地时也不至于被错 判;每个传输的分组只占光纤线路有效带宽的一小部分;假如没有分组可供传输,可以把光纤链 路中的带宽安排给其它用户的分组传输;所以,分组交换有效的充分利用了有效带宽带宽仅 仅用来传输高
13、速率数据,线路并不由于某个特定的用户不传输数据而被迫处于闲暇状态;5)常用的复用方式 在光纤通信中,常用的复用技术主要有:时分复用、波分复用、码分复用和空分复用几种;名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 时分复用 TDM 大多数情形下,光网络可以仿照电网络进行构建,电网络的数字数据传输系统绝大多数使用TDM 技术;一芯光纤中能携带很多时分复用信道;其中每个信道在一个指定时间间隙中传送他的数据,这个间隙也用来识别发送者或接收者的地址;图 220 给出了一条典型的TDM 链路,其中N 个发射机由一个快速复用器定时依次查询并发
14、送它们的数据;图 220 TDM 比特交错的概念假如一个时隙代表发送者的地址,那么解复用器就应当是:在一个指定的接收节点,仅仅能接收一个与所期望的发送者相关的特定时隙;图220 中的复用技术可实行“ 比特交错” 或“ 分组交错” ;在比特交错方式中,复用器查询完一个节点的单一比特后,再查询下一个节点;假如N 个用户相共用同一条大带宽的光媒介,为了复用必需将每个发射机的比特时间分成 N 个时隙;在分组交错方式中,复用器用一个完整的分组时间,查询一个节点后再查询下一个节点;TDM 的传输比特率,与每个信道的比特率和用户数 N 的关系为:TDM 传输对输入比特同步有着严格的要求;TDM 有两个主要优
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