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1、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。这些编码方法有预测编码、变换编码等。信道编码是指采用差错控制技术，把可控的冗余码加入二进制序列，从而提高了传输可靠性，减少误码
2、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，必须被编码，以适应传输介质和接收机的要求。这些包括：避免直流分量、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。采样上述码的原因主要有一下几个方面：l 从信号频谱角度考虑：因为减少高频分量，所以要求缩短带宽。减少低频分量，特别是直流分量，因为通信路径可能遇到变压器和线圈。l 从同步和接收端提取时钟的角度考虑：有些编码技术，如
3、曼彻斯特码，可以固定地为接收机提供关于每一比特的起始和停止信息，因此避免需要单独的时钟信道。l 纠错和抗干扰性考虑等。在模拟信道中传输数字信号，必须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赖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
4、，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，则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信道。4. 多路复用多路复用是把许多信道联合起来，并在实际信道中传输，在接收端通过分解将原来信道的分隔并恢复出来。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：一是时分多路制（TDM），二是频分多路制（FDM）。5. 误码处理在接收端，无论信号在有线信道上还是在无线信道上传输，都有噪声伴随。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
5、检测出这些差错？研究者已经发明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多余的比特，通过多余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1） 光数字通信系统基本的光纤通信系统使用强度调制（IM）和直接检测（DD）方法。实际上所有当前采用的系统都是强度调制和直接检测系统，如图217。图217 IMDD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
6、。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用单模单频激光器、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，可以采用直接调制光源或通过外调制器的方法来实现这一转换。直接调制比较简单，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，严重影响光脉冲形状，使系统性能下降。外调制可以减小甚至消除频率啁啾，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。最后，接收机包括光电检测器，一般是
7、PIN或APD，把输入光信号转换成电信号。因为电信号可能非常微弱且有失真，所以在进入判决器之前，必须经过放大和均衡。在判决器中，信号抽样并与一个适当的门限比较，从而恢复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，所有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，因光散射和吸收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灵敏度对传输距离的影响要大的多。 色散：不同的光的分量（或不同的频率，或颜色等），通常以不同的速度在
8、光纤中传输。这个现象称为色散。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。如果光纤可传输几个模，则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）。如果是单模光纤，则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，即激光器的电流在改变，激光器功率和频率都会改变。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益处的。3） 光纤带宽对光通信一般都采用多信道传输信息。采用多信道通信系统的原动力是巨大的光纤的有效带宽。对石英单模光纤
9、，光纤衰减与光载波波长的关系曲线，如图218图218 在普通石英单模光纤中信号衰减与波长的关系光纤有两个损耗极小值，一个在1.3附近，损耗更低的一个在1.55附近。在1.55波段，它大约提供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附近25000GHz的带宽。虽然，当前的光纤器件不可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
10、极小一部分。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：在电路交换中，如果用户A想和用户E通信，那么用户A想用户E发送一个请求信号，要求开始数据传输。若用户E可以进行互联，它就接收用户A的请求，然后用户A就可以开始传输数据。这个请求称之为“握手”。一旦传输开始，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。电路交换网容易实现和控制。多路交换强调一条透明的数据管道，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
11、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，用来实现数据恢复的同步，以及提醒接收机一个分组快要到达；还有分组信头比特，它包括为网络交换提供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成功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历数次路由选择，这取决于具体网络和不同线路的有效带宽。在这种情况下，需要给每一个分组加上序列号，从而确保这些分组没有按顺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。如果没有分组可供传输，可以把光纤链路中的带
12、宽分配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速率数据，线路并不因为某个特定的用户不传输数据而被迫处于空闲状态。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。 时分复用TDM大多数情况下，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。一芯光纤中能携带许多时分复用信道。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送它们的数据。图220 TDM比特交织的
13、概念如果一个时隙代表发送者的地址，那么解复用器则应该是：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中的复用技术可采取“比特交织”或“分组交织”。在比特交织方式中，复用器查询完一个节点的单一比特后，再查询下一个节点。如果N个用户相共用同一条大带宽的光媒介，为了复用必须将每个发射机的比特时间分成N个时隙；在分组交织方式中，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有两个主要优点：i) 输出端口没有争用问题。因为每个比特占用它自己的时隙，因而在任
14、何指定的瞬间只会有一个高速率信号。ii) 低速光网络的实现很简单并且与电网络非常类似。TDM的主要缺点：i) 如果每个用户本身是高速的，而且用户比较多，那么TDM传输需要超高速开关器件ii) 在很高速率时，网络的控制、稳定性和电处理很难实现好的性能。短脉冲的传输受光纤色散和非线性效应的影响很明显。 波分复用WDM波分复用是在一芯光纤中同时传输几个基带调制的信道，而每个信道处在不同的波长上。N个不同波长的激光器可以工作在较低的Gbit/s速率上，但是整个系统的传输速率则是单个激光器传输速率的N倍，大大增加了系统传输容量。WDM信道在波长上有一定的间隔，以避免由于非理想光滤波器解复用时带来的串话。
15、如图221为波分复用原理。图221 一个简单的WDM系统框图N个不同的波长信号可以独力地进行路由选择和检测，波长可以作为源、目的或者路由的标识地址和路径。因此，为了允许特定波长的传输、恢复和路由，器件必须是具有波长可选择性。6） 码分复用CDMCDM方法是每个信道不是占用一个给定的波长、频率或时隙，而是以这个信道特有的编码脉冲序列方式来传送比特信息。这种编码传输是由一个与时间有关的短脉冲序列来完成的。这些短脉冲处在较长的比特时间中的切普时间里。每一个信道都有各自特定的码子，而所有的信道可以在同一芯光纤中传输并异步解复用。编码的结果是每个信道的带宽变宽了，或扩展了，这种现象称作扩频传输。如图222说明了码分复用的例子。图222 码分复用的例子图222中a显示了单个比特时间如何分成M个切普时隙。在这些切普时隙里为每个用户分配一个由1和0组成的特定码。N个用户需要N个地址码。每个发射机必须在每个比特时间内是一个给定的目地址编写正确的序列。每个目的接收机，其硬件正好是发射机编码硬件的反演，将计划到达该目的地的数据解码，而不会对其它目的地的数据进行解码。如果解码器是发射机编码硬件的准确反演，则输出将产生一个叫做自相关的光信号尖峰。如果这个自相关信号超过一定的阀值水平，将在接收机里触发一个检测到的比特1。否则，为0。为了将可能的来自其它信道的互相关功率降至最低，
