信息的传输与通信技术 课件 第四章综合应用

现代智能控制实用技术丛书

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries信息的传输与通信技术信息的传输与通信技术简介

《现代智能控制实用技术丛书》共分为四本，其内容按照信号传输的链条编写：

传感器

调制与解调

信息的传输与通信技术

智能控制技术的应用

本书系统地对信息传输与现代通信技术的密切关系、通信技术的发展简史，现代通信技术的特点和发展趋势进行了介绍；

简述了世界通用的有线通信的载波技术、无线通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各类通信系统的组成、特点、优势、不足及适用领域。信息的传输与通信技术简介

本书还对现代通信技术的“高速公路”，即光导纤维通信、５Ｇ通信、卫星通信系统技术，以及近距离小容量的通信手段———无线保真（ＷｉＦｉ）、蓝牙和可见光通信技术进行原理、功能及应用的阐述。

对未来的通信技术，即量子通信技术的概况进行介绍，并预测量子通信技术将在计算机技术、通信传输技术、卫星通信技术等方面应用的可期待前景。

本书可作为大专院校或高等院校智能控制类相关专业的参考书籍，也可供从事智能控制信息的传输方面的设计、制造、应用领域工作的工程技术人员作为参考资料。

信息的传输与通信技术丛书序

自动控制、智能控制、智慧控制是相对ＡＩ控制技术的普遍话题。在当今的生产、生活和科学实验中具有重要的作用。

在控制技术中离不开将甲地的信息传送到乙地，以便远程监测（遥测）、视频显示和数据记录（遥信）、状况或数据调节（遥调）和智能控制（遥控），统称为智能控制的四遥工程。

信息是物理现象、过程或系统所固有的。信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输却依靠物质和能量。

而信号则是信息的某种表现形式，是传输信息的载体。信号是物理性的，并且随时间而变化，这是信号的本质所在。

在无线电通信中，电磁波信号承载着各种各样的信息。所以信号是有能量的物质，它描述了物理量的变化过程，在数学上，信号可以表示为关于一个或几个独立变量的函数，也可以表示随时间或空间变化的图形。

信息的传输与通信技术丛书序

实际的信号中往往包含着多种信息成分，其中有些是我们关心的有用信息，有些是我们不关心的噪声或冗余信息。传感器的作用就是把未知的被测信息转化为可观察的信号，提取所研究对象的有关信息，将原始信息转换成信号。将有效信息转换成便于传输的信号，或将信号放大，或将较低频率的原始信息“调制”到较高频率的信号；满足远距离传输的要求，或将原始模拟信息处理为数字信号等。这就是智能控制发送部分的“职责”———信息的收集与调制。然后，将调制后的信号置于所选取的传输通道上进行传输，使调制后的信号传输至信宿端———乙地在乙地接收到经传输线路传送来的信号后，然后进行调制器的反向操作“解调”。即将高频信号或数字信号还原成原始信息。

信息的传输与通信技术丛书序

原始信息通过扬声器器（还原的音Ⅳ频信号）、显示器（还原的图像或视频信号）、打（还原的计算结果）或进行力学、电磁学、光学、声学等转换，对原始信息控制目的物进行作用，从而达到智能控制的目的。本套丛书就是对智能控制系统中各个环节的一些关键技术的原理、特性、基本计算公式和方法、基本结构的组成、各个部分参数的选取，以及主要应用场合及其优势和不足等问题进行讨论和分析。本套丛书则沿着“有效信息的取得”、“有效信息的调制”、“调制信号的传输“、“调制信号的解调”以及“智能控制系统的举例应用”这一线索展开，对比较典型的智能控制系统，应用于实践的设计计算及控制的逻辑关系进行举例论述。本套丛书虽然经历了十多年的知识积累，但仍然觉得时间仓促，加之水平有限，错误与疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。编撰者

苏遵惠

信息的传输与通信技术

丛书序

前言第一章简说通信技术与信息传输第三节现代通信技术特点第五节网络通信技术的发展第二章世界通用的通信技术

第二节有线通信的载波通信技术

第三节微波接力通信和卫星微波

通信第三章通信技术的“高速公路”第一节通信技术的“高速公路”

概述

第二节无线通信的第五代移动通信技术——５Ｇ第三节近距离小容量无线通信技术——无线保真通信、蓝牙通信、可见光通信第四节有线通信的光导纤维通信技术

第四章通信技术的综合应用———脉冲码编调制的可见光通信系统第五章未来的量子通信技术

第一节量子通信技术

第二节量子计算机的工作原理附录附录Ａ名词术语及解释附录Ｂ相关技术标准参考文献重点目录

信息的传输与通信技术正文

第四章通信技术的综合应用——多通道反向脉冲编码调制的可见光通信系统设计

第一节脉冲编码调制的基础知识解析

第二节脉冲编码调制概述

第三节脉冲编码调制系统的功能

第四节可见光信号的发射与接收

第五节信号解调器

信息的传输与通信技术正文第一节

脉冲编码调制的基础知识解析

一、模拟信号相位调制的量化

（一）量化的定义

所谓量化就是将从模拟信号中获取的采样信号的幅度离散化的过程。

（二）信号量化的必要性

信号在传输之前，必须将信号转换成适合传输线路传输的信息格式，即对信号进行调制。

归一量化是因为模拟信号的连续性，但只能对采样的PAM信号采取“四舍五入”的方法，将非整值信号舍入为整值信号，以便用有限的码位将PAM数字化。其编码过程即为模数转换，见书本P129

图4-1所示。

信息的传输与通信技术正文第一节

脉冲编码调制的基础知识解析

一、模拟信号相位调制的量化（三）脉冲编码调制的步骤

1、采用低通滤波器滤去高于上限频率（4KHz）的频谱；

2、决定时钟频率：

f（时钟频率）≥T（每帧时钟码数）×２fmax（２倍最高频率）

＝[N×D×B]×２fmax3、进行脉冲编码调制，即模数转换,得到调制为PCM信号。

分为不归零码调制和归零码调制。

编码步骤见图4-1所示。

信息的传输与通信技术正文第一节

脉冲编码调制的基础知识解析

一、模拟

信号

相位

调制

的

量化图4-1编码步骤图

信息的传输与通信技术正文第一节

脉冲编码调制的基础知识解析

一、模拟信号相位调制的量化

（四）均匀量化与非均匀量化

1、信号的采样

2、量化误差

3、均匀量化：直接按照电平大小量化。其量化信噪比随着

量化电平数M的增加而提高;4、非均匀量化：高电平压缩量化，低电平扩展量化。其量

化信噪比大小信号基本一致；A律和μ律压扩特性

公式见下：

信息的传输与通信技术正文第一节

脉冲编码调制的基础知识解析

一、模拟信号相位调制的量化——均匀量化和非均匀量化语音信号电平分布示意图PAM信号压扩前后脉幅示意图PAM信号压扩A律13折线原理图

信息的传输与通信技术正文第一节

脉冲编码调制的基础知识解析

二、压缩扩展特性

（一）A律13折线的压扩特性

信息的传输与通信技术正文第一节

脉冲编码调制的基础知识解析

二、压缩扩展特性

（二）μ律15折线的压扩特性

图4-11μ律15折线压扩特性曲线图图4-12μ律15折线量化信噪比曲线图

信息的传输与通信技术正文第一节

脉冲编码调制的基础知识解析

二、压缩扩展特性

（三）μ律15折线与A律13折线的压扩特性比较

信息的传输与通信技术正文第一节

脉冲编码调制的基础知识解析

二、压缩扩展特性

（三）μ律15折线与A律13折线的压扩特性比较

图4-15μ律15折线和A律13折线量化信噪比比较曲线图

信息的传输与通信技术正文第二节

脉冲编码调制概述

一、脉冲编码调制的发展概况

脉冲编码调制(PulseCodeModulation,PCM)，简称“脉码调制”。是由A.里弗斯于1937年提出的一种调制方式。

60年代它开始应用于市内电话网以扩充容量，使已有音频电缆的传输容量扩大24～48倍。

70年代中、末期各国相继把脉码调制应用于同轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容量传输系统。

80年代初脉冲编码调制已用于市话中继传输和大容量干线传输以及数字程控交换机，并在用户话机中采用。

至今已用于多种业务，可提供从2M到155M速率的数字数据专线，提供话音、图象传送,远程教学等业务。特别适用于对数据传输速率要求较高、更高带宽的使用。

70年代末应用于CD，80年代初脉码调制的音频格式也被DVD-A所采用，它支持立体声和5.1环绕声，1999年由DVD讨论会发布和推出。

信息的传输与通信技术正文第二节

脉冲编码调制概述

二、脉冲编码调制的基本原理

（一）采样

是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号，即脉幅调制信号PAM。

（二）量化

因模拟信号的幅度值是连续的、量值无穷多，而量化值是有限级别，需将抽样得到的PAM调幅信号进行幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示，现在一般方法是采用1024等级规定的电平值量化原信息的抽样值。

信息的传输与通信技术正文第二节

脉冲编码调制概述

二、脉冲编码调制的基本原理

（三）量化误差

量化后的信号和抽样信号的差值即为量化误差。其在接收端表现为噪声，称为量化噪声。

为平衡量化噪声与码位数的关系，通常采用非线性量化，也称为“非均匀量化”的方法。

（四）编码

是用一组二进制码来表示每一个固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换调制，可记作A/D。

信息的传输与通信技术正文第二节

脉冲编码调制概述

三、脉冲编码调制系统的特点

1、脉码调制系统采用数字脉冲来传输信息，传送的是"1"或"0"，即脉冲的"有"或"无",所以在传输线路中抗干扰性强。2、进行远距离传输时，采用信号再生中继方式，每隔一定距离就再生出"干净"的脉冲向下一站继续传送，其信号的失真不积累3、脉码在制式确定后，可采用定型的集成电路进行信号模数转换,设备体积小、重量轻、功耗小。4、脉码调制设备传送的是数字信号，便于信号的加密处理。5、脉码调制的主要缺点是占用频带较宽。

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

一、设计方案原理图

1、RPCM—VLC/4FCH可见光通信系统方案方框图，即反向脉冲编码的4通道可见光通信系统方框图见图4-17所示。

2、RPCM—VLC/4FCH可见光通信系统方案详细方框图，即反向脉冲编码的4通道可见光通信系统详细方框图见图4-18所示。

图4-17反向脉冲编码的4通道可见光通信系统方框图图4-18反向脉冲编码的4通道可见光通信系统详细方框图(见下页)

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

一、设计方案原理图(详见P148图4-18)

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

二、设计方案功能概述

1、系统命名：反向脉冲编码的4通道可见光通信系统；

2、系统型号：RPCM—VLC/4FCH

3、通信通道：4通道，双向通信；

4、复用编码方式：时间分割，多路复用；

5、压扩方式：采用数字压扩；压扩律：13折线近似，压扩率：A=87.6；

6、每通道代码组成：8bt/CH,

其中：D1——通/断信号码

D2——信息极性码

D3—D8——信息幅度码；

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

二、设计方案功能概述

7、信息帧同步方式：每4通道结束（1帧）后增加1位D9作为同步码，同步码以规律为每帧“1-0-1-0........”方式传输，连续检出，一比特移位，具有前、后方保护时间；

8、信道码：四通道信道码分别用：CH1,CH2,CH3,CH4表示；

9、信道终端形式：二线制信道接口或四线制信道接口；

10、输出码型：正向二进制码，与取样PAM脉幅反向编码（即大信号为“0”码，小信号为“1”码）；

11、输出信息编码脉冲码型占空比：50%的归零码；

12、输出脉冲幅度：不超过LED灯具所需幅度（V0-P,orI0-P）的5%，一般采用3—5V；

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

三、设计方案技术指标拟定

1、每通道可传输信息带宽：B≥6.5MHz(电视的带宽)，故信息通道可传输语音、图片及视频信号;

2、每通道取样频率：13MHz;

3、时钟频率：429MBt/S[(4*8+1)*13Bt/S=429MBt/S];

4、频率响应：0dB输入电平,增益侧：1/10以内,衰减侧：2/5以内；

5、输入/输出阻抗：二线制600Ω，平衡反射系数≤±10%；

6、转接点电平：输入标准电平：As=0dB,

输入最高电平：Amax=+3dB;

输出标准电平：As=-4dB,

输出最高电平：Amax=0dB;

7、净衰耗：4dB;

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

三、设计方案技术指标拟定

8、净衰耗电平特性：净衰耗波动值：Abd≤±1dB

(条件：以0dB为参数，在输入+3dB～-37dB范围内)；

9、传输距离：有线部分传输距离：Dw不小于500m,

无线部分传输距离：Freeair不小于2.0m；

10、信噪比：RSN≥23dB(条件：在输入+3dB～-37dB范围内)；

11、背景噪声：信道无信号时传输信道噪声Ni≤-60dB(衡重)；

12、发信端/收信端信息防卫度：Dsc≥57dB;

13、时钟脉冲泄露最大值：Rcp≤-50dB(不衡重)；

14、非线性失真：2次、3次谐波衰耗：Ah≥34dB;

15、使用工作环境：电源：AC:50Hz,220V±10%,

DC:Vo(Io)±2%;

环境温度：-10℃～+50℃；

环境相对湿度：Hr≤90%;

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

四、系统的工作原理（一）定时部分

本通信系统的定时部分由发送端定时部分和接收端定时部分组成。

发送端定时部分为“主动式时钟”系统；

接收端定时部分为“被动式时钟”系统，从接收的脉冲信息中

提取时钟，以保证收端和发端同步。

1、发送端定时部分：发送端定时部分原理框图如图4-19所示。主频率：（时钟）晶体振荡器产生通道脉冲：（路脉冲）CH1-CH4编码脉冲：（位脉冲）D1-D8同步脉冲：

D9

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

四、系统的工作原理（一）定时部分

1、发送端定时部分：1）时钟频率的计算：

Fcp=[(4X8)+1]X13MBt/S=429MBt/S2、位脉冲的分配（参见图4-19）每位PAM由8位（D1～D8）比特组成其中：D1——通/断信号码脉冲，信息通时为“0”，信息断时为“1”；

D2——极性码脉冲，当PAM信息为正向时，输出“0”码，当PAM信息为负向时，输出“1”码；

D3～D8——信息取样PAM（脉幅调制）的幅度反向编码。

D9——同步码脉冲，每帧后插入1位同步码“0”和“1”交替设置。

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

四、系统的工作原理（一）定时部分

2、接收端定时部分：被动式时钟系统，从接收的脉冲信息中提取。接收端定时部分原理框图如图4-20所示。

通道脉冲（路脉冲）、编码脉冲（位脉冲）、同步脉冲提取同发送端定时部分。

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

四、系统的工作原理

（二）信号预处理部分：信号预处理部分是相对模拟信号调制为数字信号的过程而言的，该部分的原理框图如图4-21所示。

包括以下电路部分：1、差分电路2、模拟放大电路3、低通滤波器4、进入PAM采样

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

四、系统的工作原理

（三）信号调制部分:将预处理的PAM信号按照模拟/数字信号转换的要求，进一步处理的电路。包括：

1、脉冲放大

PAM信号放大电路；

2、脉冲整流

将负极性PAM信号转换为正极性PAM，并在D2码中记忆其原极性；

3、二次取样

得到更窄的PAM调幅脉冲，使其幅值为唯一性；

4、信号保持

将窄PAM信号展宽至D3—D8调制时隙的宽度；

5、信号调制

进行PAM/RPCM调制；

信息的传输与通信技术正文第三节

脉冲编码调制系统的功能

四、系统的工作原理

（三）信号调制部分:5、脉冲汇合

将RPCM与脉冲D1,D2及D9在信号汇合电路中汇合。

6、与时钟脉冲对位

形成连续的、占空比为50%，等幅的RPCM脉冲群，送至载频发射部分。

发送端信号调制部分原理框图见图4-22所示。

信息的传输与通信技术正文第四节

可见光信号的发射与接收

一、可见光信号载频的发射

载频部分的功能：

将调制编码后的电脉冲信号装载到LED的光中，

使电信号转换为光信号。

其原理框图如图4-23所示。

信息的传输与通信技术正文第四节

可见光信号的发射与接收

一、可见光信号载频的发射

（一）控制装置的选取与要求

１、输出电流（电压）的稳定性；

２、输出电流（电压）中的纹波限制；

３、控制系统的容抗和感抗的限制，（二）载频LED的选取与要求

１、系统LED的中心波长具有一致性，λ＝λ0±１ｎｍ；

２、LED的发光强度应满足其需要；

３、LED系统的电容值根据传输速率和传输距离有严格的要求；

４、防止多点效应，避免LED的辐射死角。

信息的传输与通信技术正文第四节

可见光信号的发射与接收

一、可见光信号载频的发射

（三）可见光载频信息的发射

经LED系统载频的照通结合信号通过空气进行可见光辐射。

注意发送端与接收端之间的距离及光障碍物、传输介质，可见光的有效发射距离与辐射立体角、主振频率之间的关联。

（四）可见光通信的脉冲编码调制波形图

用时钟和模拟信号经采样、脉冲整流、二次采样、信号保持和Ａ－Ｄ调制过程的波形参见本书

P157

图4-24所示。

信息的传输与通信技术正文第四节

可见光信号的发射与接收

二、可见光信号的接收及光电信号转换

数字光接收机一般包括光电探测器、前置放大器、主放大器、均衡器、判别器和解调器，其主要结构方框图图4-25所示。

信息的传输与通信技术正文第四节

可见光信号的发射与接收

二、可见光信号的接收及光电信号转换

（一）光电探测器（PIN）将光辐射信号转换成电信号的器件。

（二）RPCM信号前置放大器将经过PIN检测出的微弱电信号进行放大，达到可识别脉冲有、无的幅度和控制一定的占空比。

（三）RPCM信号主放大器

RPCM信号主放大器为后级脉冲放大器。对低电平小信号脉冲进行脉幅放大，以达到判决器对“０”“１”信号进行判决的电平。（四）信号均衡器对主放大器输出脉冲波形进行脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲占空比等质量进行调整，对时钟脉冲的前沿和后沿进行校正。

信息的传输与通信技术正文第五节

信号解调器——RPCM/PAM信号变换

信号解调器是信号调制器的逆变过程，即将接收到的数字信号还原成模拟信号的过程。

本部分由脉冲判别器和信号解调器组成。

其原理图如图4-26所示。

信息的传输与通信技术正文第五节

信号解调器——RPCM/PAM信号变换

一、RPCM脉冲判别器

PCM脉冲判决器的工作是恢复数字信号，根据信号电平的大小判别出该信号是“１”bit还是“０”bit。在同步信号的引导下，将均衡器整形的脉冲与时钟脉冲进行“相与”，得到与时钟脉冲同相位的信息脉冲列，送至解调器将脉冲列信号转换成模拟信号。

二、RPCM信号解调器

RPCM信号解调器完成解码功能，完成信号从脉冲信号转换成模拟信号，具有调制器的反向功能。

信息的传输与通信技术正文第五节

信号解调器——RPCM/PAM信号变换

三、PAM信号的后处理

PAM信号的后处理包括：用Ｄ9进行第一通道信息判定，利用通道脉冲（CH1、CH2、CH3、CH4）将各个信道的PAM信号“各行其道”进入各个分电路系统。

PAM信号在各分路中经滤波器、模拟信号放大，送入信号接收器终端，