远动系统信息传输基础

其次章、远动系统信息传输根底§2-1一、通信系统根本模型信息源发送设备信息源发送设备信道接收设备收信者其中，发送端的信息源把信息转换成消息。为了使消息适合于在信道中传送，由发送设备将它变换为信号后再送入信道。信道是指传输信号的通道。噪声源是信道中的噪声以及通信系统中其它各处噪声的集中表示。

端 2-1型

由于噪声的干扰，接收端收到的信号可能不同于发送端发出的信号。接收设备把收到的信号转换为消息输出，它是发送端发出的消息的近似或估量值，最终收信者将接收的消息转换成对应的信息。消息带有需要送给收信者的信息，有很多种形式，可分为连续消息和离散消息两大类。连续消息是指连续变化的消息状态，如强弱连续变化的语音等，连续消息也称模拟消息。离散消息是指消息状态是离散型的，如符号、文字等，离散消息也称数字消息。为了传递消息，需要把各种消息转换成肯定的信号。信号是消息的直接反映，通常用信号的某一参量来载荷消息，因此，信号是与消息一一对应的，是消息的载荷者。在通信系统内传输的信号，假设其参量对应于模拟消息而取连续值，就称为“连续信号”或“模拟信号”。假设信号参量的转变在时间上是离散的，则称为离散信号。假设信号参量的转变不仅在时间上离散，而且取值也是离散的，则称之为数字信号。通常把传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统，而把传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。应当指出，模拟信号并非必需要在模拟通信系统中传输。也可以把模拟信号经模数转换为数字信号，以数字通信方式传至对方。在接收端再进展数模变换，复原为模拟信号。与模拟通信相比，数字通信主要有以下优点：抗干扰力量强。由于信号以数码形式传送，信号被噪声干扰后，如尚未恶化到造成过失，就可用再生的方法来整形。在远距离传送信号时，各中继站就可通过再生来消除噪声的积存。即使由于噪声的干扰使数码消灭过失，也可承受过失掌握技术来觉察甚至加以订正。便于使用现代计算机技术对数字信号进展处理。可以传递各种消息，使通信系统变得通用、敏捷。此外，数字信息便于保密处理，易于实现保密通信。数字通信系统还有易于集成化、体积小、重量轻、牢靠性高等优点。因此，现代远动系统均承受数字通信技术。数字通信较突出的缺点是，它占用的信道频带通常较模拟通信要宽得多。以为例，一路模拟通常占4kHz带宽，但一路数字就要占几十kHz的带宽。随着微波信道及光纤信道等的日益进展，信道能供给的频带宽度可达几十MHz、几百MHz，甚至更多，因而数字通信占用频带较宽的冲突逐步得到了缓解。数字通信系统模型见图2-2。其中信源编码是将信息源送出的模拟信号或数字信号转换为符合要求的数码序列，包括用来提高传输有效性而实行的信号处理功能以及前面提到的数字加密功能。信道编码是实现自动检错和纠错目的的纠错编码，它是给数码序列按肯定规章参加监视码元，使接收端能觉察或订正错误码元，用于提高数据传输的牢靠性，这称为过失掌握技术。调制器是将信道编码输出的数码变换为适于在信道上传送的调制信号后再送往信道，而解调器则将收到的调制信号复原为数字序列。解调是调制的逆过程。信道是传送信号的媒质。信道译码对收到的数码系列进展检错或纠错译码。信源译码则把经信道译码处理后的数字序列变换为相应的信号后送给收信者。同步同步信息源信源编码同步同步信息源信源编码信道编码调制器信道解调器信道译码信源译码收信者2-2二、数字通信系统的工作方式数字通信系统的工作方式依据消息传送的方向和时间，可分为单工通信，半双工通信和全双工通信等三种方式。单工通信是指消息只能按一个方向传送的工作方式，如图2-3(a)。半双工通信是指消息可以双向传输，但两个方向的传输不能同时进展，只能交替进展。图2-3(b)为半双工交替切换通信方向示意图。全双工通信是指通信双方可同时进展双向传送消息的工作方式，见图2-3(c)。

发送端发送端信 道接收端接收端发送端发送端发送端信 道接收端接收端发送端接收端信 道信 道接收端发送端发送端信 道接收端(c)全双工图2-3数字通信系统的工作方式三、波特率与比特速率在数字式远动系统中，消息是以数字方式传送的。开关位置状态，测量值或远动命令等都编成数字代码，转换成相应的物理信号，如电脉冲等，再经过适当变换后由信道传送给对方。常用的是二元制代码“0”和“1”。如以幅值为E的脉冲代表“1”，幅值为0的脉冲代表“0”，可表示一种形式的二元制电信号。代码的每一根本单元称为码元。通常码元的宽度相等。假设某事物具有两种可能的状态，就可以用一位二元制码元来表示，例如商定以“10”表示断路器为断开状态。假设事物可能消灭的状态数大于2，则可用几位二元制码元的组合来表示。除二元制码以外，也可以用多元制码来表示和传送消息。如假设以幅值为E、2E/3、E/3和0的脉冲分别代表四元制中的“3”、“2”、“1”和“0”，则可表示一种四元制电脉冲信号。当某事物具有四种可能的状态时，用一位四元制码即可表示该事物的状态。假设用二元制码来表示这四种状态，至少要 2位，如分别用11、10、01和00来表示。一般而言，一位N元码用二元码来表示时要n位，n与N的关系应满足2n≥N，即n≥log2N。消息传送的速度可以用每秒传送的码元数来衡量，称为码元速率，单位为波特〔Baud，简称Bd〕，如每秒传送600个码元，其码元速率就是600Bd。码元速率也称波特率，它仅表征每秒传送的码元数，并未说明该码元是二元制的，还是哪一种多元制的。数字通信中的传输速率也可用信息传输速率来表征。信息传输速率又称信息速率或比特速率，定义为每秒传送的信息量，单位是比特/秒〔bit/s〕。比特〔bit〕在信息论中是衡量信息的单位。通信系统中传输的具体对象是消息，但通信的最终目的在于传递信息。日常生活中，往往把“信息”的概念和“数据”、“情报”、“资料”、“状况”、“学问”等概念混为一谈。实际上信息和消息是有差异的。信息可理解为消息中所包含的有意义的内容。消息中所含信息的多少，可用“信息量”来衡量。假设一个消息所表示的是必定大事，即该大事发生的概率为1，则对收信者来说毫无意义，得不到什么信息，其信息量为零。假设消息所表示的是很少发生的大事，则收信者感到意义很大，得到了不少信息，这个消息就具有较大的信息量。因此，消息中所含的信息量与消息所表示的大事发生的概率严密相关。大事消灭的概率越小，则消息所包含的信息量就越大。在信息论中，将消息所含信息量I定义为：I=loga(1/p)=-logap式中，P——消息所表示的大事消灭的概率。上式中，假设对数底a=2，则信息量的单位为比特〔bit〕；假设a=e，则单位为奈特〔nit〕，1奈特=log2e=1.443比特；假设a=10，则单位为哈特莱。其中应用最广泛的单位是比特。它代表消灭概率为1/2时的消息所含有的信息量。在通信系统中，当所传送的消息是两个等概率的消息之一时，任一消息所含有的信息量为1比特。二进制通信系统中，假设“0”和“1”消灭的概率相等，则每个二元制码元所含所含的信息量为1。此时，信息速率和码元速率在数值上一样，单位不同。例如每秒传送600个二元制码元，其信息速率为600bit/s，而码元速率为600Bd。对于N元制数码，在等概率状况下，由于它的每一码元所含的信息量为I=log2N〔bit〕 (2.1)因此，假设N元制的码元速率为RBN〔Bd〕，则其信息速率R为bRb=RBNlog2N(bit/s) (2.2)比特〔bit〕这个术语除作为信息量的单位外，在数字通信和计算机技术中，常把二元制的一个码元称为1比特，比特一词一般又作为一位二元制数的简称。§2-2信道就是信号传输的通道。在远动系统中各站之间的连系，都是通过信道来完成的。信道中不行避开地存在干扰和噪声。本节中先争论电力系统中承受的一些信道，然后介绍干扰的一般特性。一、信道信道可以简洁地分为有线信道和无线信道两大类。明线、电缆、电力线载波和光纤通信等都是有线信道，而短波、散射、微波中继和卫星通信等都是无线信道。可概括划分为： 实线通信 明线载波通信 有线通信载波通信 电缆载波通信 光纤通信 电力线载波通信 通信 微波中继通信 卫星通信无线通信

散射通信短波通信此外，通信中所使用的频率不同，其传播的方法，信道制式，回路方式及通信设备2-1所示。实线通信实线通信是通信中最原始的一种。把两只机连接到通信线上，就可以在机之间进展通话。机把声音信号变成电流信号送出，经过通信线，在接收端再把收到的电流信号变成声音信号来完成通话任务，通信线有明线、电缆和双绞线等。我们用一般声音讲话时，送到通信线上的功率约为1mW〔毫瓦〕，即0dB〔分贝〕。机的输出，通信线的传输损失和收信功率之间的关系如下式所示：收信电平〔dB〕=发信电平〔dB〕-传输损失〔dB〕收信电平S〔dB〕＞噪声电平N〔dB〕当S/N越大，通话时噪声干扰越小；反之，噪声干扰越大。定义信号平均电平与噪声平均电平的比值为信号噪声比，简称信噪比或信杂比。假设收信功率为s〔mW〕，噪声功率为n〔mW〕，则信噪比〔S/N〕为：信噪比〔S/N〕=10lg〔s/n〕〔dB〕实线通信的线路传输损失较大，因而其信噪比也较小，此外，波形失真和延迟也比较严峻。所以这种通信线路传输距离很短，一般用于供电和配电系统中。明线载波通信明线载波通信，是把音频〔15kHz〕沿明线通信线路传输的。在发送端，把音频信号调制成高频信号；在接收端，再把高频信号解调成音频信号。架空明线的导线有铜线、铜包钢线、铁

2-1频率通称10kHz10kHzVLF｝频率通称10kHz10kHzVLF｝长波30kHzLF(lowfreg)90kHz100kHZ｝300kHz中波MF3MHz30MHz300MHzHFVHF｝｝｝短波30MHz3000MHzUHFSHF300MHz微米30000MHZ300000MHz3000000MHzEHF30000MHz｝300000MHz电缆载波假设干根相互绝缘的导线包在同一护套之中，构成多股电缆。电缆线主要由芯线、芯线间的绝缘介质和外面的护套组成。按频率特性不同，有音频电缆和高频电缆两种。与架空明线相比，电缆的优点是：容纳线对的数量可以很多；受气候的影响和人为的损害较小；敷设在地下时，保密性比较好。其缺点是：衰耗比明线大得多；同时投资也比明线大。电业局、电力局、电管局的调度所到发电厂和变电所用此种信道比较多。同轴电缆的高频特性格外好，通常使用在大于2023MHz的载波频段上。它可以进展数百路通信。另外，在输电线架空地线上镶嵌电缆进展通信，原东德电力系统中使用较多，我国在试验中。电力线载波电力线载波通信方式使用的通信线是电力线。电力线分为输电线和配电线两种，电力线载波通信方式也分为输电线载波方式和配电线载波方式。电力线载波传输方式有四种：〔a〕一线对地结合传输方式；〔b〕二线对地结合传输方式；〔c〕相间结合传输方式；〔d〕回路间结合传输方式。如图2-4所示。电力线载波通信特性打算于电力线的构造尺寸〔长度、线种、地面高度、导线排列有无换位和分支等〕，大地导电率和残相〔非结合相〕的状况等种种因素。由于影响的因素很多，对每一条输电线来说，通信特性都是不同的。除超高压输电线以外，一般换位后能保持线路特性的对称性，因而认为结合哪一相都一样。图2-5是远动与载波复用的电力线载波信道。一个电话话路的频率范围为0.3～3.4kHz，为了使远动信号与载

载波机

波复用，通常规定载波占用频率范围为0.3～2.5kHz的音频段，而远动信号占用2.7～3.4kHz的上音频段。远动的数字脉冲信号在送入载波机之前，要经过调制器调制成2.7～3.4kHz的信号，然后送入

(a)一线对地 (c)相间结合载波机与信号合并成0.3～3.4kHz的音频信号。电力线载

2-4

波机经过两次调制，将频率搬移到载波通信频段40～500kHz，在经功率放大器将信号放大后，经结合设备隔离高压，将信号送到高压电力线路上去。图中的阻波器是防止高频信号流向母线，防止载波信号的功率损失。高频载波信号沿高压电力线路传向接收端。在接收端。载波信号经结合设备进入载波机。经过300kHz、12kHz两次解调后，变成0.3～3.4kHz的音频信号。0.3～2.3kHz的低通滤波器将信号滤出，2.7～3.4kHz高通滤波器将远动信号滤出。再经远动接收装置本身的解调器复原成数字脉冲序列。图中的高通滤波器用于防止音频与远动信号的上音频之间的串扰。光导纤维通信光纤通信是70年月进展起来的的通信技术。光纤通信以光导纤维作为信道来传送光信号。光导纤维是利用各种玻璃和塑料制成。单根光导纤维是用具有较低折射率的二氧化硅组成敷层〔即包层〕，围绕具有高折射率的掺杂二氧化硅纤芯制成。该敷层使里面的纤维与外界“绝缘”，以便阻挡相邻话路串话。光缆由一捆光导纤维组合而成。光导纤维通信的优点是不受外界电磁场的干扰，所以特别适用于电力系统。光导纤维的使用频率高，通信容量大，衰耗小，误码率低(中继距离为5～8km时，Pe<10-9)，抗腐蚀，保密性好。目前光纤通信在我国电力系统正处于试用阶段。由于光纤信道的上述优点，可以估量光纤通信是电力系统中很有进展前途的通信方式。微波中继通信微波是指频率为300MHz～300GHz〔波长为1mm～1m〕的无线电波。微波具有类似光的直线传输特性，其绕射力量很弱。由于地球是一个球体，所以微波的直线传输距离就受到限制，一般在平原地区，一个50m高的微波天线，通信距离为50km左右。为了增加通信距离，通常承受中继接力方式。在视距范围内设一个微波站，将信号接收下来加以放大后在发送出去，这就是中继转发。利用多级中继站可以使微波通信距离大大增加。微波中继通信的优点是：微波频段频带很宽，可以容纳数量很多的无线电频道而不致相互干扰；微波收发信机的通频带可以做得很宽，用一套设备可作很多路的通信；受外界干扰小，通信稳定；方向性强，保密性好；每公里话路本钱比有线通信低。但微波中继通信设备比较简单，技术水平要求高。微波中继站按其工作方式分为：有源站和无源站。无源站又可分为天线直接连接的无源方式、反射板无源方式和绕射网无源方式等。目前我国电力系统中，这种信道主要用于通信主干线。从电管局调度所到省电力局调度所及各大发电厂、大变电所之间差不多都有微波通信信道连接。电力线电力线结合设备

12kHz 4kHz带带带带低调通放调通放通通解放解通制滤大制滤大滤滤调大调滤器波器器波器波波器器器波器器器器器12kHz

300kHz

300kHz话

低高高低低高高低通调通通解通滤制滤滤调滤波器器波器波器器波器

2-5

卫星通信卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电信号，在两个或多个地面站之间进展通信。和微波通信相比，卫星通信的优点是不受地形和距离的限制，通信容量大，不受大气骚动的影响，通信牢靠。凡在需要通信的地方，只要设立一个卫星通信地面站，便可以利用卫星进展转接通信。通信卫星，按其构造可分为有源卫星和无源卫星，按其运行轨道可分为同步卫星和运动卫星。卫星通信使用的频率为：上行〔地球→卫星〕，5925～6425MHz；下行，3700～4200MHz。目前这种通信主要用于电力系统的遥远省份，作远距离通信。对流层散射通信散射通信是利用对流层中介质对超短波或微波的散射作用，在两点之间进展无线电通信。散射通信使用的频率有两种，微波频率和特高频频率。电波通过对流层散射之后，到达接收端的强度很弱。因此，为了实现牢靠通信，必需承受大功率放射机〔500瓦以上至几十千瓦〕、高灵敏度接收机和方向性很强的高增益天线。目前这种信道主要用于地形简单〔如跨越高山、湖沼或海湾等〕，通常微波中继达不到的地段，作 100～300km的大跳越通信。特高频通信特高频通信利用频率为30MHz～500MHz的无线电波来进展的通信。主要靠空间波，其次靠山峰绕射传播。它使用的容量为1～24路，距离在100km左右状况下比较经济。这种信道在电力系统中用于较短距离。如供电局至四周几十公里范围内变电所之间，往往承受特高频通信。在上述各种通信方式中，目前电力系统远动中常用的通道主要是电力线载波信道和微波信道，并以电力线载波信道为最多。二、干扰信道可以抽象为一个四端网络。设其输入信号为 Si(t)，输出信号为So(t)，干扰为n(t)，则有：So(t)=f[Si(t)]+n(t) (2.3)式中，f[Si(t)]表示输入信号Si(t)通过网络后产生的响应。设f[Si(t)]=k(t)Si(t)，则有的：So(t)=k(t)Si(t)+n(t) (2.4)假设k(t)不是常数，导致输出波形不同于输入波形，我们也称之为干扰。明显这种干扰以相乘的方式消灭，称为乘性干扰。上式中的干扰n(t)Si(t)而独立存在，即以相加的方式消灭，称之为加性干扰，所以信道上的干扰可以分为两类，即加性干扰和乘性干扰。大量观看说明，很多信道的k(t)是一个常数，或者变化很缓慢，这种信道称为恒参信道，如远动系统中常用的有线、载波、微波和光纤信道等都可看作是恒参信道。在恒参信道中，干扰以加性干扰的形式消灭。在短波电离层反射、超短涉及微波对流层散射、超短波电离层散射等无线电信道中，k(t)是随机快速变化的，这种信道称为变参信道。加性干扰的来源是多方面的，主要是人为干扰、自然界干扰以及内部干扰。人为干扰来源于一些独立的其它信号源，如电气设备操作所造成的干扰、外界电台信号、工业设备的电火花、闪络、电焊干扰等。自然界干扰是指自然界存在的各种电磁波，例如，闪电、大气中的电暴以及各种宇宙噪声等。内部干扰是指系统或设备本身产生的各种噪声，如导电体中自由电子的热运动〔常称为热噪声〕、真空管中电子的起伏放射和半导体中载流子的起伏变化〔常称为散弹噪声〕及电源哼声等。某些加性噪声是无法避开的，并且不能推测它们的准确波形。这种不能推测的干扰，统称为随机干扰或随机噪声。根本的随机干扰有连续波干扰、脉冲干扰和起伏干扰三种形式。其中：连续波干扰是一种单频噪声，如外台信号，它可看作是一个正弦波，但其幅度、频率及相位都是事先不能预知的。这种干扰的特点是占有极窄的频带，并可能对传输系统产生干扰。脉冲干扰是在时间上无规章的时而安静、时而突发的噪声，如电气设备的操作、工业设备的电火花、闪电、闪络等。这种干扰的特点是突发的幅度大，但单个突发脉冲持续的时间短，并且相邻突发脉冲之间常有一段较长的时间间隔。从频谱上看，脉冲噪声从甚低频到高频具有较宽的频谱，但频率越高，其频谱成分就越小。起伏干扰是以热噪声、散弹噪声及宇宙噪声为代表的干扰。其特点是无论在时域内或者在频域内总是普遍存在和不行避开的。在信号传输系统中，最根本的干扰是起伏干扰。无论是热噪声、散弹噪声，还是宇宙噪声，都符合高斯分布规律，因而通称为高斯噪声。高斯噪声在整个频率范围内具有平坦的功率谱密度，又称为白噪声，所以起伏干扰被认为是高斯白噪声。白噪声是均匀分布的，其噪声功率谱密度N是常数。设信道的带宽为B〔Hz〕，则在0信道整个频带内的总噪声功率σ2〔W〕表示为：σ2=N0B (2.5)式中，σ2为白噪声幅值分布概率的方差。三、信道的根本特性信道用来传输信号。在传输过程中信号会发生衰减和相移，这与信道的衰减频率特性和相移频率特性有关。衰减频率特性是信号通过信道后其衰减量随频率变化的特性。抱负信道的衰减频率特性是一条水平直线，它表示各频率重量经过信道传输后有一样的衰减，因而不会造成幅度失真。实际信道对各种频率可能有不同的衰减，信号通过时会产生幅度失真。图2-6(a)0.5mm线径的音频电缆的衰减频率特性，从图中可以看出，频率越高，衰减越大。为了削减线路上的衰减，可在电缆中串接电感，成为加感电缆。加感后的衰减特性如图2-6(a)中虚线所示。载波线路的衰减频率特性一般在传输频带的边缘处陡峭上升。图2-6(b)是仅经过一次话音频带调制的典型载波线路的衰减频

0.5mm0.5mm3210 1 2 3

432104 0.2 1.0 2.0 3.03.4率特性。在频带边缘处衰减陡峭上升主要是由于调制解调过程中承受了分路带通滤波器的原因。音电缆 f(kHz) (b)载电路 f(kHz)2-6衰减不均匀会使信号的幅度频谱产生畸变，导致信号波形的幅度失真。信道的衰减频率特性可用信道的通带宽度〔简称信道的带宽〕这一指标来表征。在信道带宽范围内要求衰减量的波动小于3dB，在通带外的衰减值可能很大。信号的带宽必需与信道的带宽相匹配。假设信号带宽超过信道的带宽，则有一局部信号的频率重量就会严峻衰减，造成信号波形失真。相移频率特性是指信号通过信道后，相移量随频率变化的特性。信号相位的滞后实际上是信号在时间上的时延。相移α和时延t之间的关系是：t=α/ω (2.6)式中，ω为角频率。因此，信道的相移频率特性也是信道的时延频率特性。抱负信道的相移频率特性是一条通过坐标原点的直线，对信号的各种频率重量都有一样的时延，因而无失真。实际中信道对各种频率会有不同的相移，因而可能造成信号波形失真。一般要求在信道的带宽范围内，信道时延的相差不能太大，否则，必需实行措施，以补偿相位的失真。四、信道容量信道容量C是指信道可能传输的最大信息速率〔即信道能到达的最大传输力量〕。依据香农信息论，对于连续信道，假设信道带宽为B，并且受到加性高斯白噪声的干扰，则其信道容量的理论公式为：C=B·log〔1+S/N〕〔b/s〕 (2.7)2其中N为白噪声的平均功率；S为信号的平均功率；S/N为信噪比。式(2.7)是在肯定条件下获得的〔要求输入信号也为高斯信号才能实现上述可能性〕，但对其他状况也可作为近似公式来应用。香农公式的严格证明比较简单，已超出了本书的范围。依据上述公式可以得出以下重要结论：任何一个信道都有信道容量。假设信源的信息速率小于或等于信道容量C，则在理论上存在一种方法使信源的输出能以任意小的过失概率通过信道传输；反之，无过失传输在理论上是不行能的。对于给定的信道容量C，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输信号。假设减小带宽，则必需发送较大的功率，即增大信噪比S/N。反之，假设有较大的传输带宽，则同样的信道容量能够用较小的信号功率〔即较小的S/N〕来传送信号。这说明宽带系统有较好的抗干扰性。因此当信噪比太小，不能保证通信质量时，可承受宽带系统，用增加带宽来提高信道容量，以改善通信质量。这就是通常承受的用带宽换功率的措施。但应指出，带宽和信噪比的互换过程并不是自动的，必需借助于变换信号使之具有所要求的带宽来实现带宽和信噪比的互换。实际上这是由各种类型的调制和编码来完成的。调制和编码过程就是实现带宽和信噪比之间互换的手段。当信道噪声为高斯白噪声时，香农公式中的噪声功率不是常数而与带宽B有关。假设设单位频带内的噪声功率为n0(W/Hz)，N=n0B，代入式(2.7)后可得：C=B·log2[1+S/(n0B)] (2.8)当带宽B趋于∞时的信道容量C将为：lim C = lim Blog

S 1

1.44S

(2.9)2B B

n0B n00由此可知，当S和n肯定时，信道容量虽然随带宽B的增大而增大，但当B→∞时，信道容00量C趋于常数1.44S/n。0由于信息速率C=I/T，T为传输时间，代入式(2.7)可得：I=T·B·log2〔1+S/N〕 (2.10)S/N肯定时，给定的信息量I可以用不同的带宽B和传输时间T的组合来传输。同带宽与信噪比互换类似，带宽和传输时间也可以互换。例2,1彩色电视图象由5×105个象素组成。设每个象素有64种彩色度，每种彩色度有16个亮度等级。假设全部彩色度和亮度等级的组合时机均等，且统计独立，(1)试计算每秒传送100个画面所需的信道容量；(2)假设接收机信噪比为30dB，为了传送彩色图象所需信道带宽是多少？(1)信息/=log2(64×16)=10bit信息/=10×5×105=5×106bit信息速率R=100×5×106=5×108bit/秒由于R必需小于或等于C，所以信道容量CR=5×108bit/秒(2)令S/N=1000代入式(2.7)，得：Bmin=C/[log2(1+S/N)]=5×108/log21001≈50MHz例2.2 设有一个图象要在线路中实现传输。大约要传输2.25×106个象素，每个象素有12个亮度等级。假设全部亮度等级都是等概率的，线路具有3kHz带宽和30dB信噪比。试求在该标准线路上传输一张图片需要的最小时间。信息/=log212=3.58bit信息/=3.58×2.25×106=8.06×106bit信道容量C=B·log〔1+S/N〕=3×103log

〔1+1000〕≈29.9×103bit/秒2 2最大信息速率Rmax=8.06×106/T由于R必需大于或等于C，故Rmax=C，于是得到传输一张图片所需的最小时间为：T=8.06×106/(29.9×103)=0.269×103=4.5分§2-3为了满足电力系统调度自动化的需要，要求远动系统传输的信息量格外大，且信息传送的距离可达几十、几百甚至上千公里，假设承受近距离并行直接传送的方法，则在技术上和经济上都是行不通的，这是由于信号衰减和并行直接传送费用太大的原因。因此，远动系统承受在一个信道上能传送多路信号的技术，称为多路复用。目前广泛应用的多路传输体制有频分多路制、时分多路制和码分多路制三种。频分多路传输是频率分割制，各路信号的差异是传输频率不同，接收端利用带通滤波器把不同的频率分割开来。时分多路传输是时间分割制，将各种不同的信号按先后挨次安排在不同的时间间隔中传送，在接收端依次接收各个时间间隔的信号。码分多路传输是码型分割制，各种信号的差异是传输码型〔或波型〕构造不同，在接收端利用只对特定码型起反响的相关检测器来区分各路信号。在电力系统远动中承受的是频分多路制和时分多路制，且主要是承受时分多路制。因此，在本节中我们简要介绍频分多路制和时分多路制的根本原理。一、频分多路制调制能够实现频谱搬移。频分多路制就是基于利用调制进展频谱搬移原理实现的。实际信号的带宽是有限的，而信道供给的带宽可以比信号带宽大得多，此时可把各路信号安排在互不重叠的频段内，在一个信道上传送，这就实现了频分多路制。具体地讲，在发送端，通过调制将各路信号的频谱搬移到相互不重叠的频带内，然后由一个信道把它们一起传输出去；在接收端利用中心频率不同的带通滤波器，将各路信号分开，再进展解调，恢复出原来被传输的各路信号。从而到达了一个信道传输多个信号的目的。这里，信号是以它们在频域内所占不同的频带位置来区分的，因此称为频率分割多路传输或复用体制，简称频分多路制〔FDM〕。频分多路制的传输原理如图2-7所示。设在发送端要传输n个遥测量，它们通过变送器变换成相应的电信号，分别为f1(t)fn(t)，其相应的频谱为F1(ω)、„、Fn(ω)，如图2-8(a)所示。为了便于争论，假定各路信号均占有0至Bf的一样频带宽度。n个信号分别通过一个低通滤波器，以保证它们的频带不会超过Bf。由于这些信号在频率轴上占据同一频带，假设将它们直接加于同一信道上传输，接收端将无法加以区分。ω因此必需将它们的频谱F1(ω)、„、Fn(ω)进展“搬移”，使其在频率轴上互不重叠。为ω此，各路信号都要有一个副载波振荡器，以便产生频率为ω

、„、1

的正弦波，将信号nf1(t)、„、fn(t)分别对它们进展调制以实现频谱搬移。这种调制称为第一次调制或副载波调制。这一组正弦波称为副载波，相应的频率称为副载频。各已调副载波的频谱如图2-8(b)。只要副载频选得适宜，它们就可互不重叠。然后，将各路已调副载波相加，形成合成信号或称群信号S∑(ω)〔见图2-8(c)〕。为了限制已调副载波所占用的频带，在相加器之前，每一路都设一个带通滤波器。多路信号属于基带信号，可直接通过电缆或专用导线传送到接收端。但在很多系统中，例如电力线载波、微波等信道中，还要求把合成信号再次调制，搬移到更高频率上发送，见图2-8(d)。这种其次次调制称为二次调制或主载波调制。接收端信号的解调过程是发送端调制的逆过程。首先接收机将收到的信号进展第一次解调，也称主载波解调，得到多路合成信号S∑(ω)。然后将S∑(ω)加到n个并联的分路滤波器上，各个分路滤波器的中心频率分别对应于发送端的副载波频率ω1、„、ωn。各分路滤波器只让自己所对应的那一路信号通过，从而实现了各路信号的频率分割。由各路滤波器输出的信号加到对应的副载频解调器进展二次解调，复原成原始信号，即可得到所传输的各路信号f1(t)、„、fn(t)。f(t)1

低通

ω1ω2

带通

S(ω)1相

S(ω)∑ ↓主载↓波 ∑

S(ω)∑主载波

分路

S(ω)1S(ω)2

ω2

f(t)1fn(t)

ωn

滤器 S(ω) 加2器

调 调制 信道 制器 Ss(ω) 器

Sn(ω)

ωn

f2(t)低通

Sn(ω)2-7

分路

fn(t)F(ω)1ωF(ω)1ωS(ω)1ωS(ω)∑ω0 Bf

0 ω1

0 ω1 ωn2BfωsωωSωsωωSn(ω)ωSSs(ω)0 ωs-ωn

ωs-ω1 ωs+ω1 ωs+ωn2-8二、时分多路制时分多路传输是在一个信道上按时间挨次传输多路信号。明显，这时各路信号应是离散的脉冲信号。远动系统中遥测量一般是连续变化的模拟量信号，因此必需把它变成离散信号后，才能承受时分多路传输技术。这种利用时间上离散的值来代表连续信号的过程，称为采样。采样定理指出：一个频带宽度为fm的连续信号f(t)，假设用2fm频率进展采样，则f(t)完全可由其采样值fs(t)来代表，马上fs(t)通过一个截止频率为fm的抱负低通滤波器，就能恢复出原来的连续信号f(t)。采样定理为时分多路传输系统的实现供给了理论根底。采样定理说明：时间上连续的原始信号可以用在时间上离散消灭的采样脉冲值来代替。因此，当采样脉冲很窄时，在各采样脉冲之间就留出了时间空隙，在这个时间空隙中就可以安排其它信号的采样值，即可用一个信道来传送假设干个原始信号。以脉冲序列作为载波的各种调制方法均可构成时分多路传输系统。时分多路传输系统的根本模型如图2-9所示。该系统的工作原理简述如下：综f综f(t)1(1)合↓∑器脉冲调制器低通滤波器(1)(n)(n)(1)(n)(1)(n)2-9信道输出的多路信号与接收端的时序规律电路给出的时间分路信号，同时加到各选通门上，选出各路自身的已调脉冲信号，并送到解调器中，恢复出被传输的信号。同样，解调器的含义也是广义的。同步是指发送端和接收端的工作在时间上协调全都，亦即收发两端的时序保持同频率、同相位。同步是时分多路传输的一个重要问题，由于发送端的各路信号采样值是按肯定的时间挨次发送的，接收端必需把挨次到来的信号送到对应的地点去，因此收发两端只有同步工作才能不发生错收。通常承受的同步方法是依靠发送端发出的同步信号使接收端对准发送端的时序来实现收发两端的同步。关于同步的问题将在第四章特地讨论。§2-4〔PCM〕时分多路制中传送的是各路脉冲幅值信号，称为脉冲幅度调制〔PAM〕。PAM中信号的幅度取值是连续的。而在远动系统中要求传送数字信号，因此必需将PAM信号转换成数字信号。这种将采样后的脉冲幅值转换成数字信号的方法，称为脉冲编码调制〔PCM〕。PCM的优点是：抗干扰性强；失真小；传输特性稳定，远距离再生中继时噪声不累积，而且可以承受有效编码、纠错编码和保密编码来提高通信系统的有效性、牢靠性和保密性。此外，由于数字信号可以存储，并能进展时间和标度的变换，所以可以实现时间与信号功率的互换；由于PCM可以把各种消息〔声音、图象、数据等〕变换成数字信号进展传输，因此可以实现传输和交换一体化的综合通信方式，还可以实现数据传输与数据处理一体化的综合信息处理。PCM的缺点是传输带宽宽，系统比较简单。脉冲编码是将连续信号的采样值变成数字信号，即完成模/数〔A/D〕转换功能。信号数字化的全过程包括采样、量化与编码三个步骤。脉冲编码调制的根本原理简述如下：首先对连续信号进展采样获得PAM信号。由于PAM信号仅在时间上是离散的，而每个采样值却为模拟量，因而无法用有限状态的数字信号来表示。为此，需要将模拟量转换成离散量，即把每个采样值用振幅域上离散的值来近似。这种将幅度取值离散化的过程称为量化。量化也称分层，是在信号幅度取值范围内，按肯定的规律分为假设干层，各个量化层称为量化级，每个量化级都用一个数码来表示。例如第一量化级用数码001来表示，其次量化级用数码010来表示等等。一个采样值属于哪一个量化级，要和量化电平比较采能判决，通常取相邻两级的中间值作为量化电平。图2-10(a)、(b)是量化过程示意图，图中分为八个量化级，规定相邻两级的中间值为量化电平，其值为0.5、1.5、„、6.5。采样值小于0.50(000)0.5～1.5之间为1(001)级；1.5～2.5之间为2(010)级；„；大于6.5者为7(111)级。量化时一个采样值落在两个量化电平之间，都要归为同一量化级。例如0.5～1.5之间的全部采样值

7654321 t07654321 t0000001011101111110100010001编码2-1