通信技术基础第3章xjs.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 信道与信道复用,3.1,通信信道,3.2,信道复用,3.3,码分复用（,CDM,）,3.4,数字复接技术,3.1,通信信道,信道是信息传输的通道。信道连接发送端和接收端的通信设备，并将信号从发送端传送到接收端，完成点对点通信。,按传输媒介的不同，信道可以分为有线信道和无线信道两大类。,有线信道,指利用人造的传输媒体来传输信号，如明线、对称电缆、同轴电缆以及光缆等。,无线信道,指利用电磁波在空间传播来传输信号，包括地波传波、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继等。,3.1.1,有线信道1,、明线,明线是指平行架设在电线杆上的架空线路。它本身是导电裸线或带绝缘层的导线。其传输损耗低，但是易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰较敏感，并且很难沿一条路径架设大量的（成百对）线路，故目前已经逐渐被电缆所代替。,2,、对称电缆,对称电缆是由若干对叫做芯线的双导线放在一根保护套内制成的。为了减小各对导线之间的干扰，每一对导线都做成扭绞形状的，称为双绞线。保护套则是由几层金属屏蔽层和绝缘层组成的，它还有增大电缆机械强度的作用。对称电缆的芯线比明线细，直径约在,0.4-1.4 mm,，故其损耗较明线大，但是性能较稳定。,3,、同轴电缆,同轴电缆则由内外两根同心圆柱形导体构成，在这两根导体间用绝缘体隔开。外导体自然应是一根空心导管，内导体多为实心导线。在内外导体间可以填充满塑料作为电介质，或者用空气作介质但同时有塑料支架用于连接和固定内外导体。由于外导体通常接地，所以它同时能够很好地起到屏蔽作用。在实用中多将几根同轴电缆和几根电线放入同一根保护套内，以增强传输能力,.,4,、光纤和光缆,传输光信号的有线信道是光导纤维，简称,光纤,。,光纤的材料主要是,石英玻璃,(,适当掺杂,),由两种不同折射率的玻璃材料拉制而成,.,光纤,纤芯,是一个透明的圆柱形介质，其作用是以极小的能量损耗传输载有信息的光信号。,紧靠纤芯的外面一层称为,包层,，其作用是保证光全反射只发生在纤芯内，使光信号封闭在纤芯中传输。,为了实现光信号的传输，要求纤芯折射率,n1,比包层折射率,n2,稍大些,.,为了提高光纤的抗拉力及弯曲强度，还需要在包层外加上,涂覆层,.,光纤的结构,纤芯直径,2a,：,5,10um(,单模光纤,),50,80um(,多模光纤,),包层直径,2b,：均为,125um,一次涂覆后直径：,250um,二次涂覆后直径：,900um,光缆由,缆芯,(,包括多根光纤,),，,加强件,和,护层,构成。,加强件由钢丝线、钢绞线和芳伦纤维材料构成。,护层对缆芯起机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。由聚乙烯或聚氯乙烯,(PE,或,PVC),和铝带或钢带构成。,按缆芯结构不同光缆可分为以下,4,种：层绞式光缆；骨架式光缆；中心束管式光缆；带状式光缆。,按使用条件分：,室内光缆、架空光缆、埋地光缆、管道光缆、特种光缆等。,光缆结构和类型,容许频带很宽，传输容量很大,。理论上一根单模光纤可利用的带宽达,20THz,以上,损耗很小,中继距离很长。目前通信用光纤的最低损耗低达,0.2 dB/km,，中继距离达数百公里以上。传统的电缆,(1.5km),、微波,(50km),等无法与之相比。,重量轻、体积小,抗电磁干扰性能好,泄漏小，保密性能好,原材料丰富,，潜在价格低廉（光纤成本,0.1,元,/m),光纤优点：,光纤缺点：,质地脆,机械强度低,光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术,分路,耦合不灵活,光纤,光缆弯曲半径不能过小,光纤怕水,3.1.2,无线信道,1,、电磁波,在无线信道中，信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。所谓电磁波，简单地说，就是电和磁的波动过程，是向前传播的交变的电磁场；或者说，电磁波是在空间传播的交变电磁场。电磁波和我们周围存在的水波、声波一样，都是一种波动过程。所不同的是，人的眼睛可以看到水波，耳朵可以听到声波。但我们既看不见也听不到电磁波。,正弦波是最简单的波动过程，也是最重要的波动过程。正弦波具有振幅、频率以及相位三个要素。,光速,表,3.1-2,通信频段、常用传输媒质及主要用途,通常把频率为,300MHz,300GHz,的频段称为,微波,；,波长在,0.75,毫米以下的电磁波，,统称为,光波,。,我们最熟悉的光波是可见光。,2,、电波的传播方式,利用无线电波传递信息时，电波要经过发射、传播、接收等几个环节。那么，不同频率的无线电波是怎样传播的呢？,电波的,4,种主要传播方式，即,地波传播；,天波传播；,视距传播；,散射传播。,（,1,）地波传播,地波传播是指无线电波沿地球表面传播，又称绕射传播或地表面波传播。,地波传播主要受地面土壤的电参数和地形地物的影响，波长越短的电波越容易被地面吸收，因此只有超长波、长波及中波能以地波方式传播。,地波传播不受气候条件影响，传播时稳定可靠，但在传播过程中，电波能量不断地被大地吸收，因而传播距离不远。,（,2,）天波传播,天波传播也叫电离层反射传播，是指无线电波经天空中电离层的反射或折射后返回地面的传播方式。,所谓电离层是指大气层中离地面约,40-800,千米高度范围内包含有大量的自由电子和离子的气体层，它是大气层在受到太阳射线和宇宙射线的照射后发生电离而形成的。,电离层能反射电波，对电波也有吸收作用。但电离层对长波和中波吸收较多而对短波吸收较少，因而,短波通信更适合以天波方式传播,。比短波频率更高的超短波及微波可以穿过电离层，因而它们也不能靠电离层反射来传播。,（,3,）空间波传播,空间波传播,也称视距传播,，是指收发两端处在视距范围内，能互相看得见”时的电波直线传播方式。,超短波和微波主要以视距方式传播；,另外，工作在特高频和超高频频段的卫星通信，其电磁波传播也是利用视距传播方式，但是在地面和卫星之间的电磁波传播要穿过电离层。,视距传播时易受到高山和大的建筑物的阻隔，因此为了加大传输距离，就要把发射天线架高，做成大铁塔。但由于受地球曲面的影响，一般的传输距离也不过,50,千米左右。,为了加大传输距离，通常采用接力通信方式，即每隔一定的距离设立接力站，像接力赛跑一样，把信息传到远方。,图,3-11,空间波传播,图,3-12,微波接力,（,4,）散射波传播,对于那些无法建立微波接力站的地区大海、岛屿之间的通信，可以利用散射波传递信息散射波传播包括对流层散射和电离层散射传播。,对流层是指比电离层低的不均匀气团。散射传播的工作频段主要是超短波和微波，通信距离最大可达,600,800,千米。,散射信号一般很弱，因此进行散射通信时要求使用大功率发射机、高灵敏和方向性很强的天线。,图,3-13,对流层散射通信和电离层散射通信,各波段无线电波的传播特点如表,3.1-3,所示,由于电磁波的传播没有国界，所以为了在国际上保持良好的电磁环境，避免不同通信系统间的干扰，由国际电信联盟（,ITU,）负责定期召开世界无线电通信大会,WRC(The World Radio communication Conference),，制订有关频率使用的国际协议。,各个国家在此国际协议的基础上也分别制订本国的无线电频率使用规则。,3,、电波传播的窗口,天线,天线的基本功能是辐射和接收无线电波。,发射时，通过天线把高频信号辐射到空中去，接收时，通过天线把高频信号收集起来。,信号经发射机调制成高频信号，经馈线送至发射天线，发射天线将高频信号能量转换成向空间传播的电磁波，并按指定方向传播之后，在接收端用接收天线将信号接收下来。,图,3-14,基本的无线电通信系统,接收天线与发射天线的作用是一个可逆过程；,同一天线既可用作发射也可用作接收用。,为了使高频信号在天线上形成谐振，将天线的长度取为电磁波波长的,1/2,或者,1/4,。,当频率较低时，电磁波的波长很长，天线尺寸过大，当频率过高时天线的尺寸又会很小。,图（,a,）微波天线,（,2,）天线的分类,图（,b,）移动基站天线,3.1.3,通信信道特性,1,、,恒参信道,对信号传输的影响,各种有线信道和部分无线信道，包括卫星链路和某些视距传输链路，可以看作恒参信道，因为它们的特性变化很小、很慢，可以视做其参量恒定。,可以把恒参信道当做一个非时变线性网络来分析。该线性网络的传输特性 可以用幅度,频率特性 和相位,频率特性,来表征。即,要使任一信号通过线性网络不产生波形失真，网络的传输特性应具备以下两个理想条件：,（,1,）网络的幅度频率特性 是一个不随频率变化的常数。,（,2,）网络的相位频率特性 应与频率成直线关系。,网络的相位频率特性 常用群时延频率特性来表示。所谓群时延频率特性是指相位频率特性的导数，即,对于理想的无失真信道，如果相频特性是线性的，则群时延频率特性是条水平直线,.,图,3-16,理想的幅频特性、相频特性、群时延频率特性,信号经过恒参信道时，若信道的幅度特性在信号频带内不是常数，则信号的各频率分量通过信道后将产生不同的幅度衰减，从而引起信号波形的失真，我们称这种失真为幅频失真；,幅频失真对模拟通信影响较大，导致信噪比下降。,若信道的相频特性在信号频带内不是频率的线性函数，则信号的各频率分量通过信道后将产生不同的时延，从而引起波形的群时延失真，我们称这种失真为相频失真。,相频失真对语音通信影响不大，但对数字通信影响较大，会引起严重的码间干扰，造成误码。,信道的幅频失真,是一种线性失真，可以用一个线性网络进行补偿。,若此线性网络的频率特性与信道的幅,频特性之和，在信号频谱占用的频带内，为一条水平直线，则此补偿网络就能够完全抵消信道产生的幅频失真。,信道的相频失真,也是一种线性失真，所以也可以用一个线性网络进行补偿。,恒参信道中还可能存在其它一些使信号产生失真的因素，例如,非线性失真、频率偏移和相位抖动,等。,非线性失真,是指信道输入信号和输出信号的幅度关系不是直线关系。非线性特性将使信号产生新的谐波分量。这种失真主要是由信道中的元器件特性不理想造成的频率偏移,是指信道输入信号的频谱经过信道传输后产生了平移。这主要是由发送端和接收端中用于调制解调或频率变换的振荡器的频率误差引起的。,相位抖动,也是由这些振荡器的频率不稳定产生的。相位抖动的结果是对信号产生附加调制。上述这些因素产生的信号失真一旦出现，就很难消除。,2,、,随参信道,对信号传输的影响,许多无线信道都是随参信道，例如依靠天波和地波传播的无线电信道，某些视距传输信道和各种散射信道。,随参信道的参数随时间随机快速变化，其特性比恒参信道要复杂，对传输信号的影响也较为严重。,影响信道特性的主要因素是传输媒介，如电离层的反射和散射，对流层的散射等。,随参信道的传输媒质有以下,3,个特点1,）对信号的衰耗随时间而变化,。,在随参信道中，传输媒介参数随气象条件和时间而随机变化。如电离层对电波的吸收特性随年份、季节、白天和黑夜在不断地变化，因而对传输信号的衰减也在不断地发生变化，,这种变化通常称为衰落,。由于这种信道参数的变化相对而言是十分缓慢的，所以称这种衰落为“,慢衰落,”。慢衰落对传输信号的影响可以通过调节设备的增益来补偿。,（,2,）,传输的时延随时间而变化,。,（,3,）,多径传播,。由发射点出发的电波可能经多条路径到达接收点，这种现象称为多径传播。,由多径传播也会引起的信号衰落，这种衰落属于,“快衰落”。,为了抗快衰落，可采用抗衰落的,调制解调技术,、,抗衰落接收技术,、,扩频技术,，,差错控制及交织技术,等。其中较为有效且常用的抗衰落措施是,分集接收技术,。,3,、信道中的噪声,我们将信道中不需要的电信号统称为噪声。,通信系统中没有传输信号时也有噪声，噪声永远存在于通信系统中。由于这样的噪声是叠加在信号上的，所以有时将其称为,加性噪声,。,噪声对于信号的传输是有害的，它能使模拟信号失真，使数字信号发生错码，并随之限制着信息的传输速率。,（,1,）噪声按照来源分类，可以分为,人为噪声,和,自然噪声,两大类。,人为噪声是指由人类的活动产生的噪声,。例如电钻和电气开关瞬态造成的电火花、汽车点火系统产生的电火花、荧光灯产生的干扰、其它电台和家电用具产生的电磁波辐射等。,自然噪声,是指自然界中存在的各种电磁辐射。如闪电、大气噪声及来自太阳和银河系等的宇宙噪声等。,此外还有一种很重要的自然噪声，即,热噪声,。,热噪声来自一切电阻性元器件中电子的热运动,。例如，导线、电阻和半导体器件等均会产生热噪声。所以热噪声无处不在，不可避免地存在于一切电子设备中。,（,2,）,噪声按照性质分类，可以分为,脉冲噪声,、,窄带噪声,和,起伏噪声,三类。,脉冲噪声是突发性地产生的幅度很大、持续时间很短、间隔时间很长的干扰,。由于其持续时间很短，故其频谱较宽，可以从低频一直分布到甚高频，但是频率越高其频谱的强度越小。电火花就是一种典型的脉冲噪声。,窄带噪声是一种非所需的连续的已调正弦波,，或简单地就是一个幅度恒定的单一频率的正弦波。,通常它来自相邻电台或其它电子设备,。窄带噪声的频率位置通常是确知的或可以测知的。,起伏噪声是在时域和频域内都普遍存在的随机噪声,。热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等都属于起伏噪声。,脉冲噪声不是普遍地、持续地存在的，对于话音通信的影响也较小，但是对于数字通信可能有较大影响。,窄带噪声也是只存在于特定频率、特定时间和特定地点，所以它的影响也是有限的。,只有,起伏噪声无处不在,。所以在讨论噪声对通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声,(,特别是,热噪声,),，,它是通信系统最基本的噪声源,。,起伏噪声是一种高斯噪声，,且在相当宽的频率范围内其频谱是均匀分布的,，好像白光的频谱在可见光的频谱范围内均匀分布那样，所以起伏噪声又常称为,白噪声,.,3.2,信道复用,所谓信道复用是指在同一链路上传输多路信号而互不干扰的一种技术,。,最常用的信道复用方式有频分复用,(FDM),、时分复用,(TDM),和码分复用,(CDM),。,频分复用是指按照频率的不同来区分多路信号的方法。,时分复用是指利用各路信号在信道上占有不同时间间隔的特征来区分各路信号的方法。,码分复用是指按相互正交的不同码型区分信号的方法。,几个多路传输的网或链路间需要互连，这称为,复接,(Multiple Connection),。,复接技术是为了解决来自若干条链路的多路信号的合并和分离的专门技术。,目前大容量链路的复接几乎都是,TDM,信号的复接。所以,数字复接是一种时分复用技术,，它把两个或两个以上中低速数字信号按时分复用方式合并成一个高速数字信号，再通过高速信道传输，在收端分离还原成各个中低速信号。,3.2.1,频分复用（,FDM,）,频分复用就是在发送端利用不同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段，以实现多路复用。,频分复用的多路信号在频率上不会重叠，合并在一起通过一条信道传输，到达接收端后，可以通过中心频率不同的带通滤波器将它们彼此分离开来，解调还原出基带信号。,在频分复用时，每路信号占用不同的频段。在有大量信号需做频分复用时，总的占用频带必然很宽。因此，希望在复用时每路信号占用的频带宽度尽量窄。,由第,2,章的讨论可知，单边带调制信号占用的带宽最窄。所以,在频分复用中一般都采用单边带调制技术。,传统的模拟通信系统都采用频分复用，下面以多路电话通信系统为例，说明其原理。,图,3-18,画出了,3,路频分复用电话通信系统的原理图。为了使各个输入信号在调制之后频谱不相互重叠，调制时使用了多个频率互不相同的载波。为了能用滤波器有效地对带宽进行限制，国际组织建议将,1,个话路的带宽取为,4kHz,。,图,3-18,频分复用的原理,在收端，如想取出某一个话路信号，只要选用一个与单边带信号频率范围相对应的带通滤波器对信号进行滤波，然后解调就可还原声音信号。,频分复用主要缺点是设备庞大复杂，成本较高，还会因为滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而出现链路间干扰。,故近年来已经逐步被更为先进的时分复用技术所取代。,不过在电视广播中图像信号和声音信号的复用、立体声广播中左右声道信号的复用，仍然采用频分复用技术。,3.2.1,时分复用,时分复用,(TDM),就是利用,各路信号的抽样值在时间上占据不同的时隙,，以实现在同一信道中传输多路信号而互不干扰的一种方法。,时分复用主要用于数字通信，例,PCM,通信。,各路语音信号先经低通滤波器,(,截止频率为,3.4kHz),将频带限制在,0.3kHz,3.4kHz,以内。,然后各路语音信号经各自的抽样门进行抽样，其抽样频率为,8kHz,，则抽样间隔均为,T=125us,，抽样脉冲出现时刻依次错后，因此各路样值序列在时间上是分开的，从而达到合路的目的。,合路后的抽样信号送到,PCM,编码器进行量化和编码，然后将数字信码通过信道送到收端。,在接收端，解码后还原成合路抽样信号，再经过分路门把各路抽样信号区分开来，最后经过低通滤波器重建原始的语音信号。,要注意为收、发旋转开关必须同步。,2,、,PCM30/32,路系统的帧结构,时分多路,PCM,最重要的一种应用是,PCM,电话系统。对于多路数字电话系统，有二种标准化制式，即,PCM 30/32,路,(A,律压扩特性,),制式和,PCM 24,路,(,律压扩特性,),制式，,并规定国际通信时，以,A,律压扩特性为准,(,即以,PCM 30/32,路制式为准,),。,通常称,PCM30/32,路和,PCM24,路时分多路系统为,PCM,基群,(,即一次群,),。我国和欧洲采用,PCM 30/32,路制式,。,图,3-20 PCM 30/32,路帧和复帧结构,对于,PCM30/32,，帧周期为,一复帧由,16,个帧组成，复帧周期为 ；,一帧内要时分复用,32,路，则每路占用的时隙为 ；,每时隙包含,8,位码，则每位码元占,488ns,。,从传码率上讲，也就是每秒钟能传送,8000,帧，而每帧包含,总传码率为,256bit/,帧,8000,帧,/s=2048kbit/s,。,对于每个话路来说，每秒钟要传输,8000,个样值，每个样值编,8,位码，所以可得每个话路数字化后信息传输速率为,88000=64kbit/s,。,可见，,PCM,基群（,30/32,路系统）的传输速率为,2.048Mbit/s,，简称,2M,线或,E1,。图,3-21,所示为,E1,线实例图。,图,3-21 E1,线实例图,3.3,码分复用,(CDM),码分复用,(Code Division Multiplexing),通信系统是给每个用户分配一个唯一的正交码的码字作为该用户的地址码，对要传输的数据信息用该地址码进行编码，从而实现信道复用。,在接收端，用与发送端相同的地址码进行解码，从而实现用户之间的通信,。,图,3-22,码分复用原理框图,3.4,数字复接技术,在时分制数字通信系统中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速宽带信道中传输。具体来说，,数字复接技术是解决,PCM,信号由低次群到高次群的合成技术,，它把,PCM,数字信号由低次群逐级合成为高次群以适应在高速信道中传输。,图,3-23,数字复接系统的组成框图,3.4.2,数字复接方法,分为两类，即,同步复接和异步复接,。,同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群,，使这几个低次速的数码率（简称码速）统一在主时钟的频率上,(,这样就使几个低次群系统达到同步的目的,),，可直接复接。,异步复接是各低次群各自使用自己的时钟,，由于各低次群的时钟频率不一定相等，使得各低次群的数码率不完全相同（这是不同步的），因而,先要进行码速调整，使各低次群获得同步，再复接,。,3.4.3,数字复接的实现,数字复接的实现主要有三种方法：,按位复接,、,按字复接,和,按帧复接,。,1,、按位复接,每次复接各低次群的一位码形成高次群。,复接后高次群的速率提高到复接前各支路的,4,倍。,按位复接要求复接电路存储容量小，简单易行。但这种方法破坏了一个字节的完整性，不利于以字节为单位的信号的处理和交换。,2,、按字复接,按字复接是每次复接各低次群,(,支路,),的一个码字,(8bit),形成高次群。按字复接要求有较大的存储容量，但保证了一个码字的完整性，有利于以字节为单位的信号的处理和交换。,3,、按帧复接,按帧复接就是以帧为单位进行复接，即依次复接每个基群的一帧码。这种方法的优点是不破坏原来各个基群的帧结构，有利于交换。但是，与第二种方法有同样的原因，它需要容量更大的缓冲存储器，目前尚无实际应用。,3.4.4,数字复接系列,PCM30/32,路基群所传输的数字话路数比较少，如果要传输更多路数的数字电话，则需要以基群为基础，通过复接，得到二次群、三次群等更高速率的群路信号。,根据不同的需要和不同传输介质的传输能力，要有不同话路数和不同速率的复接，形成一个系列（或等级），由低向高逐级复接，这就是数字复接系列。目前使用较广的是,准同步数字体系（,PDH,）。,图,3-25,基于,PCM30/32,路系列的数字复接体制,每次复接需要额外的开销,3.4.5 SDH,的提出,PDH,不能满足大容量高速传输的要求，其缺点有：,（,1,）没有世界性标准的数字信号速率和帧结构标准。,（,2,）没有世界性标准的光接口规范，无法在光路上实现互通和调配电路。,（,3,）复接方式大多采用按位复接，不利于以字节为单位的现代信息交换。,（,4,）准同步系统的复用结构复杂，缺乏灵活性，硬件数量大，上、下业务费用高。,（,5,）复用结构中用于网络运行、管理和维护的比特很少。,（,6,）若继续按准同步数字系列发展高次群，易受高速器件的限制，增加实现的复杂性。,美国贝尔通信研究所提出同步光网络,(SONET),的概念。,原,CCITT(,现在的,ITU-T),于,1988,年接受了,SONET,的概念，重新命名为,同步数字系列,(SDH),，,使之成为不仅适用于光纤，也适用于微波及卫星传输的通用技术体制。,SDH,是数字通信中一种全新的世界体制。关于,SDH,的详细介绍见第,5,章。,