网络与通信总结

1、网络与通信总结 n第一章绪论 n第二章通信基础知识 n第三章电力线载波通信 n第四章光纤通信技术 n第五章微波与卫星通信技术 n第六章移动通信技术 n第七章现代交换技术 n第八章通信网 n补充 第一章 通信绪论 n第一节通信、通信系统以及通信网的基 本概念 n第二节电力系统通信的现状 n第三节电力系统通信网 n第四节电力系统通信技术 通信目的、通信系统组成、现状 电力自动化系统正常 通信的目的： 通信的目的是传送信息。即把信息源产生的信息(语言、文字、 数据、图像等)快速、准确地传到收信者。 通信系统由信息发送者(信源)、信息接收者(信宿)和处理、传输 信息的各种设备共同组成。图1-1是通信系

2、统的组成模型。 通信的目的通信的目的 图 1-2 通信网构成示意图 地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备 数 字 多 路 设 备 长 途 交 换 设 备 市 内 交 换 设 备 移 动 交 换 设 备 基 站 基 站 地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备 数 字 多 路 设 备 长 途 交 换 设 备 市 内 交 换 设 备 移 动 交 换 设 备 基 站 基 站 通信卫星 光再生中继设备 (光放大器) 长途网 移动网 本地网本地网 用户 电力通信系统的现状电力通信系统的现状 电力通信的主要传输方式从上个世纪70年代的电力线载波、 80年代的模拟微波、90年

3、代的数字微波，发展到目前的光纤 通信。主干光通信电路的容量为2.5Gbit/s 。 第二章通信基础知识 n第一节通信的基本概念与基本问题 n第二节信号分析基础 n第三节通信中的调制技术 n第四节通信中的编码技术 n第五节数字基带传输系统 n第六节通信中的复用和多址技术 n第七节通信中的同步 模型，通信性能指标，香龙公式，信号分析，调制，解调， PCM编码,基带传输,AMI,HDB3,复用和多址技术 重点： 1. 模拟通信系统模型 n凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且 直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号，如电 话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号 等。模拟信号有时也称连续信

4、号，这个连续是指信 号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范 围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续， 如抽样信号。信道中传输模拟信号的系统称为模拟 通信系统。模拟通信系统的模型如图2-1所示。 图2-1 2. 数字通信系统模型 n凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消 息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、 计算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时 也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离 散变化的，而不一定在时间上也离散。信道中传输 数字信号的系统称为数字通信系统。数字通信系统 的模型如图2-2所示。 图2-2 （一）模拟通信系统的主要性能指标 1有效性

5、模拟通信系统的有效性指标用传输频带衡量，不同 调制方式需要的频带宽度(简称带宽B)也不同，信 号的带宽B越小，占用信道带宽越少，在给定信道 时容纳的传输路数越多，有效性越好。 2可靠性 模拟通信系统的可靠性指标用接收端的最终输出信 号噪声功率比(简称信噪比S/N或SNRSignal Noise Ratio) 衡量，不同调制方式在同样信道信噪比下所 得到的最终解调输出信噪比也不同，如调频系统的 输出信噪比大于调幅系统，故可靠性比调幅系统好， 但调频信号所需传输带宽高于调幅。 （二）数字通信系统的主要性能指标 1有效性 数字通信系统的有效性指标用传输速率 衡量，传输速率又分为码元传输速率和信息传

6、输速率。 （1）码元传输速率(RB)。简称传码率，又称符 号速率，指单位时间能够传送的码元数，单位 为波特（Baud）。 （2）信息传输速率(Rb)。简称传信率，又称比 特率，指单位时间能够传送的平均信息量，单 位为bit/s。 2可靠性 数字通信系统的可靠性指标用差错概率衡量， 差错概率又分为误码率和误信率。 （1）误码率（码元差错概率）Pe 。误码率指接 收的错误码元数在传输总码元数中所占的比例， 即码元在通信系统中被传错的概率， ； （2）误信率（信息差错概率）Pb。误信率指发 生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例， 六、信道容量与香农公式六、信道容量与香农公式 信道容量C指信道中无

7、差错传输信息的最大速率，分为连续 信道的信道容量和离散信道的信道容量。 对于连续信道的信道容量，有著名的香农公式2-1： （2-1） 式中：S为信号的功率；B为信道带宽；S/N为信道信噪比； no为噪声功率谱密度。 Bn S BNSBC 0 22 1log)1 (log 通信应用 电话通信 数据通信：电力数据网包含传统的远动 信息网(SCADA系统)、EMS、MIS等。 信号变换 n频率在0.33.4kHz范围的话音信号，通 过常规的电缆信道可直接传输。若用光 缆传送，则必须将话音信号变换为光信 号。 复用 n传统的模拟通信中都采用频分复用，随 着数字通信的发展，时分复用通信系统 的应用愈来愈

8、广泛，码分复用主要用于 移动通信系统，波分复用主要用于光纤 通信，卫星通信中还有空分复用 （SDM）。 频率频率1 频率频率3 频率频率2 频率频率4 时间时间 频率频率 T4 T3 T2 T1T1 T2 T3 T4 频率频率 时间时间 B C DB C DB C DB C DAAAA 在在 TDM 帧中的位置不变帧中的位置不变 TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧 TDM 帧帧 TDM CDM 码分费用码分费用-扩频的实现扩频的实现 n扩频过程框图 扩频 （模二和） BPSK 调制 信息码 地址码载波 发端已调信号发送码 扩频的实现（续）扩频的实现（续） n扩频过程波形 1110

9、010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1 0 1 1 1 0 0001101 1110010 0001101 0001101 0001101 1110010 信息码 地址码 发送码 0000 000 0000 0000 0000 000发端已调信号 解扩的实现解扩的实现 n解扩过程框图 解扩 （相乘） BPSK 解调 接收信号 参考 地址码 参考 载波 收端信息码 接收 信号 （扩频） （解扩） 扩频的实现（续）扩频的实现（续） n解扩过程波形 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1

10、0 1 1 1 0 0 0 收端 信息码 参考 地址码 接收信号 （解扩） 0000 000 0000 0000 0000 000 接收信号 （扩频） 3周期信号及频谱分析 n周期信号的傅里叶级数表示为： n其中cn为傅立叶系数，写为： n相应周期信号的频谱为： tjn ne ctf 1 )( T dtetf T c tjn n 2 ,)( 1 1 1 )(2)( 1 ncF n 图2-12 波形与频谱 4正弦信号和余弦信号的频谱分析 n余弦信号s(t)=Acos ct，正弦信号s(t)=Asin ct，c 为载波角频率， 图2-13 波形和频谱 三、信号通过线性系统 信号通过通信系统传输时，

11、系统的特性及信道中的噪声 特性会影响信号传输的质量。系统可看作产生信号变 换的任何过程，系统可用传递函数H( )和冲激响应h(t) 表示(对应图2-14) 。 （一）信号通过线性系统后输出与输入之间的各种关系 n时域关系： n频域关系：)()()(HXY )()()(thtxty 四、系统的带宽 指一个系统的幅频特性| H( )|在给定数值范围内分布的 那段正频率区间。 1低通系统带宽 对于图2-16所示的理想低通系统，其带宽 B=fm，单位为 赫兹（Hz）。 2带通系统带宽 n对于图2-17所示的理想带通系统，其带宽 B=2 fm 3. 3dB带宽 n对于图2-18所示的系统，其带宽B定义为

12、幅频特性在频 带中心处取值的0.707倍以内（即-3dB内或半功率点内） 的频率范围，也称作3dB带宽，B3dB=f2-f1（其中 1=2f1, 2=2f2）。 第三节 通信中的调制技术 一、调制的概念一、调制的概念 调制技术是通信理论中的重要部分，信息传输多数 情况下需要经过调制。所谓调制，就是按调制信号的 变化规律去改变载波某些参数的过程。 一般在通信系统的发送端有调制过程，而在接收 端则需要调制的反过程解调过程。 调制涉及两个输入信号和一个输出信号:输入信号为调 制信号（基带信号）和载波信号。其中调制信号m(t) 为包含信息的原始信号，具有较低的频谱分量，在许 多信道中不适宜直接传输；载

13、波信号c(t)为参数受调制 信号控制、用来承载信息的特定信号。 一个输出信号为在信道中传输的已调信号sm(t)。 （一）调制的作用 （1）进行频谱搬移。把调制信号的频谱搬移到 所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合 于信道传输的已调信号 （2）实现信道多路复用，提高信道的频带利用 率。 （3）通过选择不同的调制方式改善系统传输的 可靠性。 二、模拟调制二、模拟调制 模拟调制又分成线性调制和非线性调制两种类型。 （一）线性调制 线性调制有AM、DSB、SSB和VSB四种方式，它们的共同 特点是调制前后信号频谱只有位置变化。 1.调幅（Amplitude Modulation, AM） 表达式与

14、波形 SAM(t)=A0+m(t)cosct， 要求 A0+m(t)0（包络检波不失真条件） 图2-19 调幅过程的波形及频谱 带宽 BAM=2fm 调制框图 m(t) A0cosct SAM(t) 包络检波 BPF SAM(t) m0(t) 特点：实现简单 解调框图 （1）包络检波法 -要求 A0+m(t)0，否则会失真 包络检波电路及工作过程：包络检波电路及工作过程： （2）相干解调(同步检测） 要求：解调用的载波要与调制用的载波同频同 相，否则会产生失真。 m0(t) cosct LPF sAM(t) BPF 特点：实现复杂 2抑制载波的双边带调制（DSB-SC） 双边带调制信号对应表达

15、式为 sDSB(t)=m(t)cosct 双边带调制信号的波形及频谱如图2-21所示。 带宽B2fm cos cos-cos（）cos（） cos2cos2sin22cos2112sin2 3.单边带调制（SSB） 让DSB信号分别通过图2-22所示的边带滤波器，保留所需 要的一个边带，滤除不要的边带。就可分别取出下边 带信号频谱SLSB()或上边带信号频谱SUSB()，如图 2- 23所示。 图 2-23 图2-22 带宽Bfm 单边带调制相移法解调 4残留边带调制（VSB） 残留边带调制是介于双 边带与单边带之间的 一种线性调制，即克 服了DSB占双倍带宽 的缺点，又解决了 SSB实现的难

16、题。 VSB不是将一个边带 完全抑制，而是部分 抑制，使其仍保留一 小部分，VSB信号的 频谱如图2-25（d） 所示。 三、数字调制 数字调制与模拟调制类似，也有调幅、调频、调 相三种基本形式，并派生出多种其它形式。但由于 调制信号为数字形式，为离散状态，在状态切换时， 类似于对载波进行开关控制，故称作键控。可分为 二进制数字调制和多进制数字调制。 （一）二进制数字调制 根据调制信号对载波控制的参数不同，又分为四种情 况： 1二进制振幅键控（2ASK） 振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的 数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅 键控。 二进制振幅键控信号可表示为 二进

17、制振幅键控信号的 时间波形如图2-28所示。 tnTtgats cS n nASK cos)()( 2 带宽B2ASK=2Rb 2二进制移频键控（2FSK） n正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点 间变化，则产生二进制移频键控信号（2FSK信号）。 二进制移频键控信号的时间波形如图2-29 所示， 若 二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对 应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达 式为 )cos()()cos()()( 212n n S n nS n nFSK tnTtgatTntgats 带宽B2FSK=2Rb+| f2-f1| 3二进制移相键控2PSK

18、 n当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则 产生二进制移相键控(2PSK)信号。 通常用已调信号载波的 0和 180分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。 二 进制移相键控信号的时域表达式为 ,cos)( i n a=(t)s2pskt cs nTtg 4二进制差分相位键控（2DPSK） n在2PSK信号中，信号相位 的变化是以未调正弦载波 的相位作为参考，用载波 相位的绝对数值表示数字 信息的，所以称为绝对移 相。由于2PSK信号解调出 的二进制基带信号出现反 向现象，从而难以实际应 用。为了解决2PSK信号解 调过程的反向工作问题， 提出了二进制差分相位键 控(2DPSK)

19、。 （二）多进制数字调制系统 n二进制数字调制系统是数字通信系统最基本的方式， 具有较好的抗干扰能力。由于二进制数字调制系统频 带利用率较低，使其在实际应用中受到一些限制。在 信道频带受限时，为了提高频带利用率，通常采用多 进制数字调制系统。其代价是增加信号功率和实现上 的复杂性。与二进制数字调制系统相类似，若用多进 制数字基带信号去调制载波的振幅、频率或相位，则 可相应地产生多进制数字振幅调制、多进制数字频率 调制和多进制数字相位调制。 n 由信息传输速率Rb、码元传输速率RB和进制数M之 间的关系RB =Rb/log2M 可知，在信息传输速率不变的 情况下，通过增加进制数M，可以降低码元传

20、输速率， 从而减小信号带宽，节约频带资源，提高系统频带利 用率。由关系式可以看出，在码元传输速率不变的情 况下，通过增加进制数M，可以增大信息传输速率，从 而在相同的带宽中传输更多的信息量，有效性提高。 （三）其它数字调制方式 1正交振幅调制(QAM) 正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一种频谱利用率很高的调制方式，其 在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速 数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。在 移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信 道传输特性发生了很大变化。过去在传统蜂窝系统中 不能应用的正交振幅调制也引起人们

21、的重视。 正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相 互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用 这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两 路并行的数字信息传输。MQAM系统的抗干扰能力优 于MPSK。 4正交频分复用（OFDM） n前面所讨论的数字调制解调方式都是属于串行体制，和串行体制相对应 的一种体制是并行体制。它是将高速率的信息数据流经串/并变换，分 割为若干路低速率并行数据流，然后每路低速率数据采用一个独立的载 波调制并叠加在一起构成发送信号，这种系统也称为多载波传输系统。 n在并行体制中，正交频分复用OFDM方式是一种高效调制技术，它具有 较强的抗多径传播和频率选择性

22、衰落的能力以及较高的频谱利用率，因 此得到了深入的研究。 nOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统已成功地应用 于接入网中的高速数字环路HDSL、非对称数字环路ADSL，高清晰度电 视HDTV的地面广播系统。在移动通信领域，OFDM是第三代、第四代 移动通信系统准备采用的技术之一。 nOFDM是一种高效调制技术，其基本原理是将发送的数据流分散到许多 个子载波上，使各子载波的信号速率大为降低，从而能够提高抗多径和 抗衰落的能力。为了提高频谱利用率，OFDM方式中各子载波频谱有重 叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出各子载

23、波，同 时消除码间干扰的影响。 OFDM 正交多载波调制 5扩频调制 n扩频系统是将发送的信息扩展到一个很宽的频带上，通常要比发送的信 息带宽宽很多。在接收端，通过相关检测恢复出发送的信息。扩频系统 对于单个用户来说频谱利用率很低，但是扩频系统允许很多用户在同一 个频带中同时工作，而不会相互产生明显的干扰。当采用码分多址 (CDMA)技术，实现多用户工作时，扩频系统的频谱效率就变得较高。 扩频系统具有以下主要特点： （1） 抗干扰和抗衰落、抗阻塞能力强。 （2） 多址通信时频谱利用率高。 （3） 信号的功率谱密度很低，有利于信号的隐蔽。 扩频通信系统的工作方式有：直接序列扩频(Direct S

24、equence Spread Spectrum)、跳变频率扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum)、跳 变时间扩频(Time HoppingSpread Spectrum)和混合扩频。 以扩频技术为基础的码分多址(CDMA)方式已得到广泛应用，并确定为 第三代移动通信系统的多址方式。 第四节第四节 通信中的编码技术通信中的编码技术 通信中的编码技术主要有信源编码和信道编码。 n信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率， 即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的 带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。作用之二 是，当信息源给出的是模拟语音

25、信号时，信源编码器将其 转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。模拟信 号数字化传输的方式有脉冲编码调制(PCM)和增量调制 (M)、 ADPCM等。信源译码是信源编码的逆过程。 n信道编码是为了提高数字通信的可靠性而采取的编码。数 字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等， 将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息 码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓 “抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解 码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系 统抗干扰能力，实现可靠通信。 一、信源编码一、信源编码 因数字通信系统具有许多优点而成为当今通信的发展方

26、向。 然而自然界的许多信号经各种传感器感知后都是模拟量，例 如电话、电视等通信业务，其信源输出的都是模拟信号。若 要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤： （1） 把模拟信号数字化，即模数转换（A/D）； （2） 进行数字方式传输； （3） 把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）。 模拟信号数字化的方法分为波形编码和参数编码两类。波 形编码，比特率通常在16 kb/s64 kb/s范围内，接收端重建 信号的质量好，典型方法有如脉冲编码调制（PCM）、自适 应差分脉冲编码调制（ADPCM）、增量调制（M）；参数编 码是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参数，再变换 成数字代码，

27、其比特率在16 kb/s以下，但接收端重建(恢复) 信号的质量不够好，如线性预测编码LP。 n目前应用最普遍的波形编码方法有PCM和M。采用 PCM的模拟信号数字传输系统如图2-34所示， （一）PCM原理 n脉冲编码调制PCM（简称脉码调制）是一种用一组二 进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通 信的方式。由于这种通信方式抗干扰能力强，它在光 纤通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为广 泛的应用。 nPCM是一种最典型的语音信号数字化的波形编码方式， 其系统原理框图如图2 -35 所示。 （2）非均匀量化 n非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等 的量化。换言之，非均匀量

28、化是根据输入信号的概率 密度函数来分布量化电平，以改善量化性能。 在实际中常采用的方法有两种：一种是采用13折线近 似A律压缩特性，另一种是采用15折线近似律压缩特 性。A律13折线主要用于英、法、德等欧洲各国的 PCM 30/32路基群中，我国的PCM30/32路基群也采用 A律13折线压缩特性。律15折线主要用于美国、加拿 大和日本等国的PCM 24路基群中。CCITT建议G.711 规定上述两种折线近似压缩律为国际标准，且在国际 间数字系统相互连接时，要以A律为标准。A律13折线 的形成如图2-37所示。 非均匀量化 3编码和译码 把量化后的信号电平值变换成二进制码组的过程 称为编码，其

29、逆过程称为解码或译码。 编码需要考虑以下几个问题。 （1）码字和码型的选择。考虑到二进制码具有抗干扰能 力强，易于产生等优点，因此PCM中一般采用二进制 码。对于M个量化电平，可以用N位二进制码来表示， 其中的每一个码组称为一个码字。为保证通信质量， 目前国际上多采用8位编码的PCM系统。 码型指的是代码的编码规律，其含义是把量化后 的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来， 并列出各对应的码字，这种对应关系的整体就称为码 型。常用的二进制码型有三种：自然二进码、折叠二 进码和格雷二进码，在PCM通信编码中，折叠二进码 比自然二进码和格雷二进码优越，它是A律13折线PCM 30/32路基群

30、设备中所采用的码型。 （2）码位的选择与安排 n码位数的选择，它不仅关系到通信质量的好坏，而且 还涉及到设备的复杂程度。码位数的多少，决定了量 化分层的多少，反之，若信号量化分层数一定，则编 码位数也被确定。在信号变化范围一定时，用的码位 数越多，量化分层越细，量化误差就越小，通信质量 当然就更好。但码位数越多，设备越复杂，同时还会 使总的传码率增加，传输带宽加大。一般从话音信号 的可懂度来说，采用34位非线性编码即可，若增至 78位时，通信质量就比较理想了。8位码的安排分为 极性码、段落码、段内码三部分。 极性码 段落码 段内码 C1 C2C3C4 C5C6C7C8 （二）增量调制（M） n

31、增量调制简称M或DM，它是继PCM后出现的又一种模 拟信号数字传输的方法，其目的在于简化语音编码方 法。 nM与PCM虽然都是用二进制代码去表示模拟信号的编 码方式。但是，在PCM中，代码表示样值本身的大小， 所需码位数较多，从而导致编译码设备复杂；而在M 中，它只用一位编码表示相邻样值的相对大小，从而 反映出抽样时刻波形的变化趋势，与样值本身的大小 无关。M系统框图如图2-38所示。 n M与PCM编码方式相比具有编译码设备简单，低比特 率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。在军事 和工业部门的专用通信网和卫星通信中得到了广泛应 用，近年来在高速超大规模集成电路中用作A/D转换器。 nM一

32、般适于小容量支线通信，话路上、下方便灵活。 目前，随着集成电路的发展，M的优点已不再那么显 著。在传输语音信号时，M话音清晰度和自然度方面 都不如PCM。因此目前在通用多路系统中很少用或不 用M。M一般用在通信容量小和质量要求不十分高 的场合以及军事通信和一些特殊通信中。 （三）自适应差分脉冲编码调制 （ADPCM） n以较低的速率获得高质量编码，一直是语音编码追求 的目标。通常，人们把话路速率低于64kb/s的语音编 码方法，称为语音压缩编码技术。语音压缩编码方法 很多，其中，自适应差分脉冲编码调制是语音压缩中 复杂度较低的一种编码方法，它可在32kb/s的比特率 上达到64kb/s的PCM

33、数字电话质量。近年来，ADPCM 已成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方 法。在长途传输系统中，ADPCM有着远大的前景。相 应地，CCITT也形成了关于ADPCM系统的规范建议 G.721、G.726等。 二、信道编码二、信道编码 （一）概述 数字信号在传输过程中，加性噪声、码间串扰等都会 产生误码。为了提高系统的抗干扰性能，可以加大发射功 率，降低接收设备本身的噪声，以及合理选择调制、解调 方法等。此外，还可以采用信道编码技术。 信道编码技术的基本思想是通过对信息序列作某种变 换，使原来彼此独立，相关性极小的信息码元产生某种相 关性，从而在接收端利用这种规律检查或纠正信息码元在 信

34、道传输中所造成的差错。 1差错类型 差错类型可分为随机差错和突发差错。其中随机差错由随机 噪声的干扰引起，差错互相独立、互不相关，恒参高斯白 噪声信道是典型的随机信道；突发差错由突发噪声的干扰 引起，错误通常成串出现，错误之间具有相关性，具有脉 冲干扰的信道是典型的突发信道。 2差错控制方式 差错控制方式一般分为三种，对于不同类型的信道， 应采用不同的差错控制方式。 （1）检错重发方式。检错重发又称自动请求重传方式， 记作ARQ(Automatic Repeat Request)。 （2）前向纠错方式。前向纠错方式记作FEC(Forword Error Correction)。 （3）混合纠错

35、方式。混合纠错方式记作HEC(Hybrid Error Correction)是FEC和ARQ方式的结合。 3纠错码的分类 （1）线性码和非线性码。根据纠错码各码组信息元和监 督元的函数关系，可分为线性码和非线性码。如果函 数关系是线性的，即满足一组线性方程式，则称为线 性码，否则为非线性码。 （2）分组码和卷积码。根据码组信息元和监督元的函数 关系涉及的范围，可分为分组码和卷积码。分组码的 各码元仅与本组的信息元有关；卷积码中的码元不仅 与本组的信息元有关，而且还与前面若干组的信息元 有关。 （3）检错码和纠错码。根据码的用途，可分为检错码和 纠错码。检错码以检错为目的，不一定能纠错；而纠

36、错码以纠错为目的，一定能检错。 4纠错编码的基本原理 （1）码距与最小码距。 分组码一般可用(n, k)表示。其中，k是每组二进制信息码元的数目， n是码组的码元总位数，又称为码组长度，简称码长。n-k=r为每 个码组中的监督码元数目。简单地说，分组码是对每段k位长的信 息组以一定的规则增加r个监督元，组成长为n的码字。在二进制 情况下，共有2k个不同的信息组，相应地可得到2k个不同的码字， 称为许用码组。其余 2n-2k个码字未被选用，称为禁用码组。 在分组码中，非零码元的数目称为码字的汉明重量，简称码重。例 如，码字 10110，码重w=3。 两个等长码组之间相应位取值不同的数目称为这两个

37、码组的汉明 (Hamming)距离，简称码距。例如 11000 与 10011之间的距离 d=3。码组集中任意两个码字之间距离的最小值称为码的最小距 离，用d表示。最小码距是码的一个重要参数，它是衡量码检错、 纠错能力的依据。 （2）检错和纠错能力 码的最小距离d0直接关系着码的检错和纠错能力；任一(n， k)分组码，若要在码字内满足： 1) 检测e个随机错误，则要求码的最小距离d0e+1； 2) 纠正t个随机错误，则要求码的最小距离d02t+1； 3) 纠正t个同时检测e(t)个随机错误，则要求码的最小距 离d0t+e+1。 5编码效率 用差错控制编码提高通信系统的可靠性，是以降低有效 性为

38、代价换来的。我们定义编码效率R来衡量有效性： R=k/n 其中，k是信息元的个数，n为码长。 对纠错码的基本要求是: 检错和纠错能力尽量强，编 码效率尽量高，编码规律尽量简单。实际中要根据具 体指标要求，保证有一定纠、检错能力和编码效率， 并且易于实现。 （二） 常用的几种简单编码 1奇偶监督码 奇偶监督码是在原信息码后面附加一个监督元， 使得码组中“1”的个数是奇数或偶数。或者说，它是 含一个监督元，码重为奇数或偶数的(n，n-1)系统分 组码。奇偶监督码又分为奇监督码和偶监督码。 2恒比码 码字中 1 的数目与 0 的数目保持恒定比例的码称 为恒比码。由于恒比码中，每个码组均含有相同数目

39、的1和0，因此恒比码又称为等重码，定 1 码。这种码 在检测时，只要计算接收码元中 1 的数目是否正确， 就知道有无错误。目前我国电传通信中普遍采用 3 2 码，又称“5 中取 3”的恒比码，即每个码组的长度为 5，其中 3 个“1”。这时可能编成的不同码组数目等于 从 5 中取 3 的组合数。实践证明，采用这种码后，我 国汉字电报的差错率大为降低。 （三）主要的信道编码方法 n信息位和监督位由线性方程联系，构成线性码，若线性码的各码 元仅与本组的信息元有关，则称为线性分组码。 n线性分组码中循环码的编码和解码设备都不太复杂，且纠错能力 较强，目前在理论和实践上都有了较大发展。 n另外一种信道

40、编码为卷积码。关于循环码与卷积码的原理在此不 在介绍，读者可参考相关文献。 nTurbo 码： Turbo 码。它巧妙地将两个简单分量码通过伪随机交 织器并行级联来构造具有伪随机特性的长码，并通过在两个软入/ 软出(SISO)译码器之间进行多次迭代实现了伪随机译码。3G标准 WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000均使用了Turbo 码。 第五节 数字基带传输系统 n一、数字基带传输系统与数字基带信号一、数字基带传输系统与数字基带信号 来自数据终端的原始数据信号，如计算机输出的二进制序列， 电传机输出的代码，或者是来自模拟信号经数字化处理后的 PCM码组，M序列等等都是数字信号。这些信号

41、往往包含丰 富的低频分量，甚至直流分量，因而称之为数字基带信号。 在某些具有低通特性的有线信道中，特别是传输距离不太 远的情况下，数字基带信号可以直接传输，我们称之为数字 基带传输。 而大多数信道，如各种无线信道和光信道，则是带通型的， 数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高载处才能 在信道中传输，我们把这种传输称为数字频带传输（也称调 制传输或载波传输，数字频带传输原理已在数字调制部分做 过介绍）。 （一）数字基带传输系统构成 n数字基带传输系统的基本结构如图 2-39 所示。它主要 由信道信号形成器、信道、接收滤波器和抽样判决器 组成。为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步系 统。

42、（二）数字基带信号 n数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的 电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号(以 下简称为基带信号)的类型有很多，常见的有矩形脉冲、 三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形 脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。 常见的基带信号波形 二、数字基带传输的常用码型二、数字基带传输的常用码型 n在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的电波形 都能在信道中传输。例如，前面介绍的含有直流分量 和较丰富低频分量的单极性基带波形就不适宜在低频 传输特性差的信道中传输，因为它有可能造成信号严 重畸变。又如，当消息代码中包含长串的连续“1”或 “0”符号时，非归零波形呈

43、现出连续的固定电平，因 而无法获取定时信息。单极性归零码在传送连“0”时， 存在同样的问题。 基带传输信号主要的要求： （1）对代码的要求。原始消息代码必须适合于传输用的码型。 （2）对码型的电波形要求。电波形应适合于基带系统传输。 码型的选择问题，通常考虑下列主要因素： (1) 相应的基带信号无直流分量，且低频分量少。 (2) 便于从信号中提取定时信息。 (3) 信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串 扰。 (4) 具有内在的检错能力，传输码型应具有一定规律性，以 便利用这一规律性进行宏观监测。 (5) 编译码设备要尽可能简单等。 目前常见的的传输码型 （一一）AMI码 AMI码是

44、传号交替反转码。其编码规则是将二进制消息代码 “1”(传号)交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”(空号) 保持不变。例如： 消息代码 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI码： +1 0 0 1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1 （二）HDB3码 HDB3码的全称是3阶高密度双极性码，它是AMI码的一种 改进型，其目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点， 使连“0”个数不超过3个。其编码规则如下： （1）当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的 规则编，即传号极性交替。 （2）当连“0”个数超过3时，则

45、将第4个“0”改为非 “0”脉冲，记为+V或-V，称之为破坏脉冲。相邻V码 的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流。 （3）为了便于识别，V码的极性应与其前一个非“0” 脉冲的极性相同，否则，将四连“0”的第一个“0”更 改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或-B； （4） 破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。 代码： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 l 1 AMI码： -1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3码： -1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1 其中的V脉冲和B脉冲与1脉冲波形相同，用V或

46、B符号的目 的是为了示意是将原信码的“0”变换成“1”码。 虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。从上述原 理看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性(包括B在内)。 HDB3码保持了AMI码的优点外，同时还将连“0”码限制在3个以内， 故有利于位定时信号的提取。HDB3码是应用最为广泛的码型，A 律PCM四次群以下的接口码型均为HDB3码。 （三）数字双相码 数字双相码又称曼彻斯特（Manchester）码。它 用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波 形表示“1”。 编码规则之一是：“0”码用“01”两位码 表示，“1”码用“10 ”两位码表示，例如： 代码：

47、1 1 0 0 1 0 1 双相码： 10 10 01 01 10 01 10 双相码只有极性相反的两个电平，而不像前面的 三种码具有三个电平。因为双相码在每个码元周期的 中心点都存在电平跳变，所以富含位定时信息。又因 为这种码的正、负电平各半，所以无直流分量，编码 过程也简单。但带宽比原信码大1倍。计算机以太网中 常采用这种码型。 （四） CMI码 nCMI码是传号反转码的简称，与数字双相码类似，它也 是一种双极性二电平码。编码规则是：“1”码交替用 “11”和“00”两位码表示；“0”码固定地用“01”表示。 n CMI码有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息。 此外，由于10为禁用码组

48、，不会出现3个以上的连码， 这个规律可用来宏观检错。 n由于CMI码易于实现，且具有上述特点，因此是CCITT 推荐的PCM高次群采用的接口码型，在速率低于8.448 Mb/s的光纤传输系统中有时也用作线路传输码型。 n 在数字双相码、密勒码和CMI码中，每个原二进制 信码都用一组2位的二进码表示，因此这类码又称为 1B2B码。 （五）nBmB码 nnBmB码是把原信息码流的n位二进制码作为一组，编 成m位二进制码的新码组。 n 由于mn，新码组可能有2m种组合，故多出(2m- 2n)种组合。从中选择一部分有利码组作为可用码组， 其余为禁用码组，以获得好的特性。在光纤数字传输 系统中，通常选择

49、mn+1，有1B2B码、2B3B、3B4B 码以及5B6B码等，其中，5B6B码型已实用化，用作三 次群和四次群以上的线路传输码型。 第六节 通信中的复用和多址技术 一、复用技术一、复用技术 为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互 性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。“复用” 是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个可以在同 一信道上传输的复合信号的方法。 为了提高频谱利用率，充分利用信道资源，需要采 用多路复用技术，即在同一信道中同时传输多路信号。 目前采用的复用方法有频分复用（FDM）、时分复用 （TDM）、码分复用（CDM）和波分复用（WDM）。 其中频分复用主要用于传统的模拟通

50、信，时分复用 广泛用于数字微波通信等，码分复用主要用于移动通 信，波分复用主要用于光纤通信，卫星通信中还有空 分复用（SDM） （一）频分复用 n频分复用(Frequency division Multiplexing-FDM) 是指 按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用 中，信道的带宽被分成若干相互不重叠的频段，每路 信号占用其中一个频段，因而在接收端可以采用适当 的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的 信号。 n频分复用系统组成原理如图2-43所示。图中，各路基 带信号首先通过低通滤波器(LPF)限制基带信号的带宽， 避免它们的频谱出现混叠。然后，各路信号分别对各 自的载

51、波进行调制、合成后送入信道传输。在接收端， 分别采用不同中心频率的带通滤波器分离出各路已调 信号，解调后恢复出基带信号。 FDM组成原理 n频分复用是利用各路信号在频率域不相互重叠来区分 的。若相邻信号之间产生相互干扰，将会使输出信号 产生失真。为了防止相邻信号之间产生相互干扰，应 合理选择载波频率fc1, fc2, , fcn，并使各路已调信 号频谱之间留有一定的保护间隔。若基带信号是模拟 信号，则调制方式可以是DSB-SC、AM、SSB、VSB或 FM等，其中SSB方式频带利用率最高。若基带信号是 数字信号，则调制方式可以是ASK、FSK、PSK等各种 数字调制。复用信号的频谱结构示意图如

52、图2 - 44所示。 Oc1c2c3c n （二）时分复用 n时分复用(Time division Multiplexing-TDM)是利用各信 号的抽样值在时间上不相互重叠来达到在同一信道中 传输多路信号的一种方法。在FDM系统中，各信号在 频域上是分开的而在时域上是混叠在一起的；在TDM 系统中，各信号在时域上是分开的，而在频域上是混 叠在一起的。图 2 - 45给出了两个基带信号进行时分 复用的原理图。图中，对m1(t)和m2(t)按相同的时间周 期进行采样，只要采样脉冲宽度足够窄，在两个采样 值之间就会留有一定的时间空隙。 时分复用（TDM）是将时间帧划分成若干时隙和各路信 号占有各自

53、时隙，在数字通信中经常采用。 与FDM方式相比，TDM方式主要有以下两个突出优点： （1）多路信号的复接和分路都是采用数字处理方式实现 的， 通用性和一致性好，比FDM的模拟滤波器分路简 单、可靠。 (2) 信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真和高次谐 波，引起路间串话，因此，要求信道的线性特性要好， 而TDM系统对信道的非线性失真要求可降低。 1时分复用标准 n目前国际有两大标准时分复用标准，即PDH（准同步 数字系列）和SDH（同步数字系列）。而PDH又分成 欧洲、中国和北美、日本两个数字复接系列，不同标 准在路数和速率上规定不同，见表2-3。 2PCM基群帧结构 n 目前国际上推荐的

54、PCM基群有两种标准，即 PCM30/32路(A律压扩特性)制式和PCM24路(律压扩 特性)制式。并规定，国际通信时，以A律压扩特性为 标准。我国也规定采用PCM30/32路制式。 n PCM30/32路制式基群帧结构如图2-46所示，共由 32路组成，其中30路用来传输用户话语，2路用作同步 和信令。每路话音信号抽样速率fs=8000Hz，故对应 的每帧时间间隔为125s。一帧共有32个时间间隔，称 为时隙。各个时隙从0到31顺序编号，分别记作TS0， TSl，TS2，TS31。 3PCM高次群 n 以上我们讨论的PCM30/32路称为数字基群 或一次群。如果要传输更多路的数字电话，则 需

55、要将若干个一次群数字信号通过数字复接设 备复合成二次群，二次群复合成三次群等。我 国和欧洲各国采用以PCM30/32路制式为基础 的高次群复合方式，北美和日本采用以PCM24 路制式为基础的高次群复合方式。 4数字复接技术 n在数字通信系统中，为了扩大传输容量，通常将若干个低等 级的支路比特流汇集成一个高等级的比特流在信道中传输。 这种将若干个低等级的支路比特流合成为高等级比特流的过 程称为数字复接。完成复接功能的设备称为数字复接器。在 接收端，需要将复合数字信号分离成各支路信号，该过程称 为数字分接，完成分接功能的设备称为数字分接器。由于在 时分多路数字电话系统中每帧长度为125s，因此，传

56、输的 路数越多，每比特占用的时间就越少，实现的技术难度也就 越高。 n数字复接实质上是对数字信号的时分多路复用。数字复接系 统组成原理如图2 - 47所示。数字复接设备由数字复接器和 数字分接器组成。数字复接器将若干个低等级的支路信号按 时分复用的方式合并为一个高等级的合路信号。数字分接器 将一个高等级的合路信号分解为原来的低等级支路信号。 数字复接系统原理 （三）码分复用 n码分复用（CDM）系统的全部用户共享一个无 线信道，用户信号的区分靠所用码型的不同， 目前在移动通信中采用的CDMA蜂窝系统具有 扩频通信系统所固有的优点，如抗干扰、抗多 径衰落和具有保密性等，码分多址(CDMA)是 最

57、具有竞争力的多址方式。 （四）波分复用 n在光纤通信系统中采用的光波分复用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技术是在一根光纤 中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理 是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦 合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端 又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理， 恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称 为光波长分割复用，简称光波分复用技术。人们把在 同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复 用(DWDM-Dense Wavelength Division Multiplex

58、ing)。 WDM技术具有如下特点 1. 充分利用光纤的巨大带宽资源 2. 同时传输多种不同类型的信号 3. 节省线路投资 4. 降低器件的超高速要求 5. 高度的组网灵活性、经济性和可靠性 WDM技术有很多应用形式，如长途干线网、广播 分配网、多路多址局域网。可以利用WDM技术选择路 由，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、 灵活、经济且具有高度生存性的光网络。 二、多址技术二、多址技术 n在同一通信网内各个通信台、站工用同一指定的射频 信道，进行相互间的多方通信，这种通信系统就称为 多址通信系统。 n多址通信与上面讨论的多路复用，都是利用分割理论 进行通信的技术。 n多址通信指多个

59、电台或通信站的射频信号在射频信道 复用，以实现各台、站之间各用户的多方通信； n多路复用指一个站内的多路低频信号在群路信道上的 复用，在接收端用低通滤波器分开，以实现两个台站 之间点对点的多用户通信。目前采用多址技术的有卫 星通信、移动通信等。 多址技术种类多址技术种类 n多址方式的基本类型有频分多址(FDMA)、 n时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。 实际中 也常用到三种基本多址方式的混合多址方式， 比如，频分多址/时分多址(FDMA/TDMA)、频 分多址/码分多址(FDMA/CDMA)、 时分多址/ 码分多址(TDMA/CDMA)等等。 第三章电力线载波通信 n第一节概述 n第

60、二节电力线载波通信系统 n第三节数字电力线载波机 n第四节电力线载波通信新技术 PLC 特点 种类 组成 频率分 配 耦合方式 单边带调制 电力线载波通信 n(也称PLC-Power Line Carrier)是利用电力线作 为传输通路的载波通信方式，用于电力系统的 调度通信、远动、保护、生产指挥、行政业务 通信及各种信息传输。基于调制解调原理 n我国统一规定电力线载波通信使用的频率范围 为40500KHz。 n电力线宽带电力线宽带(Broadband over Power lines,BPL)， 是指利用电力线传输数据、话音、视频信号的一种通是指利用电力线传输数据、话音、视频信号的一种通 信