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高速公路通信系统概论 高速公路通信系统概论 主讲 吴向东课时 30H 教材 1 教材 高速公路通信收费监控系统构成与进展 作者 陈启美 金凌 王从侠出版单位 国防工业出版社2 参考教材 高速公路通信系统理论及应用 作者 赵祥模 关可 靳引利出版单位 电子工业出版社3 参考教材 高速公路机电系统新技术及应用 作者 张智勇 朱立伟出版单位 人民交通出版社4 参考教材 高速公路通信 作者 郭元术出版单位 人民教育出版社 课程的主要内容 第一章绪论 第二章通信系统的基本理论 第三章高速公路数据通信系统 第四章信号的调制和解调 第五章高速公路程控数字交换系统 第六章高速公路数字光纤通信系统 第七章高速公路特有的通信系统 第一章绪论 1 1简介1 2高速公路中的通信系统1 3高速公路中的收费系统1 4高速公路中的监控系统1 5ITS框架及通信 收费和监控系统的地位 1 1简介 高速公路是专供汽车分向 分车道行驶并全部控制出入 全部采用立体交叉的公路的干线公路 它是国家经济和社会发展的产物 是衡量一个国家公路交通运输和汽车工业现代化水准的重要标志 公路交通运输是国民经济的基础性 服务性产业 是合理配置资源 提高经济运行质量和效率的重要基础 它具有 高速 高效 安全 舒适 等特点 主要表现在 1 行车速度快2 通行能力大3 运输效率高4 行车安全舒适 高速公路的特点 鉴于以上特点 高速公路在各国国民经济发展中具有举足轻重的地位和作用 1 支撑经济化发展2 推动社会进步 改善了人民生活质量 促进区域经济协调发展3 改善公共服务 增强了运输可靠性和安全性 4 服务可持续发展 改善了运输效率和效益 降低了能源消耗 加强了环境保护 高速公路的作用 通信系统 收费系统 监控系统 隧道安全保障 供配电系统 机电系统 高速公路的组成 照明系统 1 2高速公路中的通信系统 高速公路通信系统是高速公路现代化管理的重要支撑系统 它要准确及时的传输监控系统和收费系统的话音 数据和图像等信息 保持高速公路各管理部门之间业务联络通讯的畅通 并要为高速公路内部各部门和外界建立必要的联系 同时高速公路通信系统作为交通专用通信网的重要组成部分 是交通信息的主要传输载体 为各种网络服务及会议电视系统提供传输通道 随着计算机技术 网络技术和通信技术的迅速发展 高速公路通信技术也从简单的无线对讲系统发展到800MHz无线集群系统 从小容量微波通信发展到SDH系列数字光纤传输系统 从单纯的电话业务发展到包括话音 数据和图像等多种信息的综合通信 并从模拟通信向数字通信演变 开始组建先进的宽带综合业务数字 B ISDN 通信系统 近年来 我国的高速公路发展非常迅速 高速公路网正在逐步形成 高速公路通信系统已开始从单条路的内部通信向路网环境的广域通信转变 高速公路各现场监控站有大量监测数据需要及时传送给监控中心 各个收费站也有大批数据文件要定时传送给收费中心 这些传输任务都由通信系统承担 因此为了保证通信的高可靠性 高速公路辟有专用的通信网络 1 3高速公路中的收费系统 开放式 封闭式 收费方式 收费中心管理系统 收费站管理系统 车道收费系统 收费系统中心 1 4高速公路中的监控系统 车辆检测器 气象检测器 紧急电话和巡逻车 交通标志 标线和信号等 是交通监控管理为汽车用户服务的主要形式 监控中心是高速公路全线路监控系统的最高层即控制中心 主要负责全线路范围内交通情况的监视和控制 数据传输 通信系统 收费系统 监控系统 ITS 1 5ITS框架及通信 收费和监控系统的地位 通信系统 收费系统 监控系统 ITS的核心和基础是交通信息化 ITS系统是通信 收费和监控系统在交通网络中的发展 而后者是前者的重要支撑 智能交通系统 ITS IntelligentTransportationSystem 是以先进的交通信息系统为基础 将信息采集技术 数据通信技术 自动控制技术以及计算机处理技术等有效的运用与整个运输管理体系 使人 车 路密切地配合 和谐地统一 从而建立起一种在大范围内全方位发挥作用的实时 准确和高效的运输综合管理系统 通信技术 计算机网络技术 图像语音压缩编码 数据采集处理 网络管理设计 信息显示技术 图像处理模式识别 计算机软件设计技术 交通控制技术 数据加密信息安全 电源技术 防雷接地 遥感遥测 其他技术 所涉及的技术领域 通信 收费和监控系统所涉及的技术领域 第二章通信系统的基本理论 2 1通信系统概述 2 2通信系统的模型 2 3通信系统分类与通信方式 2 1通信系统概述 通信 Communication 就是信息的传递 是指由一地向另一地进行信息的传输与交换 古代 人们通过驿站 飞鸽传书 烽火报警 符号 身体语言 眼神 触碰等方式进行信息传递 今天 人们通过文字 书信 电报 电话 手机 广播 电视 邮件 聊天工具 互联网等来进行消息传递或信息交流 随着科学水平的飞速发展 相继出现了无线电 固定电话 移动电话 互联网甚至视频电话等各种通信方式 消息 信息 何信号之间的关系 因此 通信的根本目的在于传输含有信息的消息 通信 也就是 信息传输 或 消息传输 目前的通信越来越依赖利用 电 来传递消息的电通信方式 由于电通信迅速 准确 可靠且不受时间 地点 距离的限制 因而得到了迅速的发展和广泛的应用 如今 在自然科学领域涉及 通信 这一术语时 一般是指 电通信 通信发展简史 2 2通信系统的模型 不管通信媒体的构成情况如何 是简单的电话通信系统 或是复杂的其他信息网络系统 它们的目的均是为了通信 为了传送信息 理论上 为了将通信媒体系统带共性的问题进行一般化的讨论 可采用如图2 1所示的通信系统模型 图2 1 信源是消息的产生地 其作用是把各种消息转换成原始电信号 称之为消息信号或基带信号 电话机 电视摄像机和电传机 计算机等各种数字终端设备就是信源 前者属于模拟信源 输出的是模拟信号 后者是数字信源 输出离散的数字信号 转换所谓转换是将表达消息的感觉媒体 通常是一些非电物理量 通过显示媒体转换为电物理量 电流 电压 例如 电话机的送话器 显示媒体 将发话人的声压转换为相应变化的电流 电视摄像机将图像景物的光感 转换为相应变化的电压等 都是通信中的转换过程 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来 即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号 变换方式是多种多样的 在需要频谱搬移的场合 调制是最常见的变换方式 对数字通信系统来说 发送设备常常又可分为信源编码与信道编码 信道是指传输信号的物理媒质 在无线信道中 信道可以是大气 自由空间 在有线信道中 信道可以是明线 电缆或光纤 有线和无线信道均有多种物理媒质 媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量 根据研究对象的不同 需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型 以反映传输媒质对信号的影响 噪声源不是人为加入的设备 而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的 并且是人们所不希望的 噪声的来源是多样的 它可分为内部噪声和外部噪声 而且外部噪声往往是从信道引入的 因此 为了分析方便 把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换 即进行解调 译码 解码等 它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来 对于多路复用信号 还包括解除多路复用 实现正确分路 信宿是传输信息的归宿点 其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息 根据研究的对象以及所关注的问题不同 图2 1模型中的各小方框的内容和作用将有所不同 因而相应有不同形式的更具体的通信模型 今后的讨论就是围绕着通信系统的模型而展开的 2 3通信系统分类与通信方式 2 3 1通信系统的分类2 3 2通信方式 2 3 1通信系统分类 1 按通信业务分类 按通信业务分 通信系统有话务通信和非话务通信 电话业务在电信领域中一直占主导地位 它属于人与人之间的通信 近年来 非话务通信发展迅速 非话务通信主要是分组数据业务 计算机通信 数据库检索 电子信箱 电子数据交换 传真存储转发 可视图文及会议电视 图像通信等 由于电话通信最为发达 因而其他通信常常借助于公共的电话通信系统进行 未来的综合业务数字通信网中各种用途的消息都能在一个统一的通信网中传输 此外 还有遥测 遥控 遥信和遥调等控制通信业务 2 按调制方式分类 根据是否采用调制 可将通信系统分为基带传输和频带 调制 传输 基带传输是将未经调制的信号直接传送 如音频市内电话 频带传输是对各种信号调制后传输的总称 调制方式很多 例如 用数据信号控制振荡波的振幅 就是 调幅 控制振荡波的频率 就是 调频 控制振荡波的相位 就是 调相 被调制的振荡波 称为 载波信号 或称 已调波信号 3 按信号特征分类 按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号 相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统 调制调制是通信系统工作的核心 信号之所以载有消息是通过 调制 加工处理后而获得的 将与消息作相应变化的电压或电流 对发信机中的 被调制部件 例如 调制器 电振荡或光振荡波的参数进行控制 就可以达到调制的目的 例如 控制振荡波的振幅 就是 调幅 控制振荡波的频率 就是 调频 控制振荡波的相位 就是 调相 被调制的振荡波 称为 载波信号 或称 已调波信号 调制的主要作用是将经转换获得的电信号 例如 话音信号 的 频谱 在发信机中进行 搬移 将它搬移到某个 载频 即载波的频率 附近的频带内 这样做 至少可以达到以下两个目的 1 利用高载频率电磁波向大气空间 强 的辐射能力 以满足无线电通信的需要 根据电磁场理论的观点 低频 率 信号 例如 话音信号和视频信号 虽然可视为电磁波 但不具备强的辐射能力 它们通常只能在传输线 例如 电缆线 双线传输线 引导下传输 因此 低频信号要以无线电方式和以大气空间为传输媒体进行通信 必须对其进行调制处理 将它的频谱搬移到某个高载频附近的频率范围内 实际中 这需要根据传输的 波 频 段 而定 例如 给定传输波段是微波波段 就需要将低频信号的频谱搬移到微波频段上去 2 可以实现频分复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 以满足多路通信的要求 通常 送往通道传输的信号 其频带宽度 简称 带宽 远小于信道可能提供的带宽 因此 如果不采用多路复用的方法 而仅将一个信号送往信道传输 将对信道带宽造成极大的浪费 以电话通信为例 每个用户的话音信号所占的带宽为0 3 3 4kHz 如果将这带宽不足4kHz的话音信号送往信道中传输 将对信道的带宽能力造成极大的浪费 例如 1970年同轴电缆的带宽能力就可以做到100MHZ 如果用如此宽的宽带信道传送带宽仅为3 1kHz的一个用户电话 简直浪费惊人 因此 为了充分利用传输信道的带宽能力 必须采用多路复用 对于 模拟信号 通信而言 是将每个用户的话音信号频谱利用调制方法 将它们搬移到高低不同的载频附近 令载频按高低秩序排队 以组成多个用户的 多路信号 这种复用方式 称为 频分复用 FDM 图2 3数字通信系统模型 i 信源编码与译码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 作用之二是 当信息源给出的是模拟语音信号时 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 ii 信道编码与译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 为了减小差错 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 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 iii 加密与解密在需要实现保密通信的场合 人为将被传输的数字序列扰乱 即加上密码 这种处理过程叫加密 在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密 恢复原来信息 iv 数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处 形成适合在信道中传输的频带信号 v 同步与数字复接同步是保证数字通信系统有序 准确 可靠工作的不可缺少的前提条件 同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致 数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号 以扩大传输容量和提高传输效率 需要说明的是 图2 3是数字通信系统的一般化模型 实际的数字通信系统不一定包括图2 3中的所有环节 如在某些有线信道中 若传输距离不太远且通信容量不太大时 数字基带信号无需调制 可以直接传送 称之为数字信号的基带传输 其模型中就不包括调制与解调环节 4 按传输媒质分类按传输媒质分 通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类 有线通信是用导线 如架空明线 同轴电缆 光导纤维 波导等 作为传输媒质完成通信的 如市内电话 有线电视 海底电缆通信等 无线通信是依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的的 如短波电离层传播 微波视距传播 卫星中继等 5 按工作波段分类按通信设备的工作频率不同可分为长波通信 中波通信 短波通信 远红外线通信等 通信中工作频率和工作波长可互换 6 按信号复用方式分类 传输多路信号有三种复用方式 即频分复用 时分复用和码分复用 频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围 时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间 码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同信号 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广泛 码分复用主要用于空间通信的扩频通信中 7 按收信者是否运动分 通信还可按收信者是否运动分为移动通信和固定通信 移动通信是指通信双方至少有一方在运动中进行信息交换 由于移动通信具有建网快 投资少 机动灵活 它使用户能随时随地快速可靠地进行信息传递 因此 移动通信已被列为现代通信中的三大新兴通信方式之一 另外 通信还有其它一些分类方法 如按用户类型可分为公用通信和专用通信等 2 3 2通信方式 图2 4单工 半双工和全双工通信方式示意图 a 单工 b 半双工 c 全双工 1 按消息传递的方向与时间关系分 对于点与点之间的通信 按消息传递的方向与时间关系 通信方式可分为单工 半双工及全双工通信三种 单工通信 是指消息只能单方向传输的工作方式 因此只占用一个信道 如图2 4 a 所示 广播 遥测 遥控 无线寻呼等就是单工通信方式的例子 半双工通信 是指通信双方都能收发消息 但不能同时进行收和发的工作方式 如图2 4 b 所示 例如 使用同一载频的对讲机 收发报机以及问询 检索 科学计算等数据通信都是半双工通信方式 全双工通信 是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式 一般情况全双工通信的信道必须是双向信道 如图2 4 c 所示 普通电话 手机都是最常见的全双工通信方式 计算机之间的高速数据通信也是这种方式 2 按数字信号排列顺序分 在数字通信中 按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输和串行传输 并行传输是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输 如图2 5 a 所示 并行传输的优点是节省传输时间 但需要传输信道多 设备复杂 成本高 故较少采用 一般适用于计算机和其他高速数字系统 特别适用于设备之间的近距离通信 串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输 如图2 5 b 所示 通常 一般的远距离数字通信都采用这种传输方式 除了点与点之间的通信外 还有点与多点 多点与多点之间的通信 多点间的通信属于网络通信 显然 网通信的基础仍是点与点的通信 图2 5并行和串行通信方式示意图 a 并行传输 b 串行传输 3按照串行数据的时钟控制方式按照串行数据的时钟控制方式可以分为异步通信和同步通信 异步通信指的是以字符为单位的 字符与字符间的传送是完全异步的 异步通信的数据帧结构 启始位 一个低电平 0 位 宣布开始传送新的字符 数据位 一般为7 8位 所传送字符的代码 奇偶位 是为了检验错误而增加的一个校验位 又有奇校验和偶校验 停止位 又称为空闲位 是一个高电平 1 同步通信是面向一批字符块或数据块 同步传输是以固定的时钟节拍来发送数据信号的 因此在一个串行数据流中 各信号码元之间的相对位置是固定的 即同步 4从一个通信实体到其他通信实体之间同时建立通信关系的情况分广播式 发送者将信号发送到通信群体中所以接收者所在的位置 并不理会接收者的情况 如电台 电视等 点 点通信 仅发生在两个通信实体之间 这是通信中最经常发生的情况 如两个人通电话 两台PC之间交流信息 点 多点通信 一个实体与多个实体同时进行通信 比较适合于协同工作 如视频会议等 5 按通信网络形式分 图2 6按网络形式划分的通信方式 a 两点间直通方式 b 分支方式 c 交换方式 第三章高速公路数据通信系统 3 1数据通信基础3 2数据通信系统的研究内容3 3数据通信系统的主要技术指标3 4公路数据通信网的特点 数据通信也称计算机通信 是现代信息技术中的一个重要组成部分 它是计算机科学与通信科学相结合的产物 是把通信技术中的信息传输 交换同计算机技术中的数据处理 加工及存储有机结合而形成的一种通信方式 3 1 1数据通信基础计算机的输入和输出都是数据信号 因此数据通信是电子计算机和通信相结合而产生的一种通信方式 数据通信可定义为 用通信线路 包括通信设备 将远地的数据终端设备与主计算机连接起来进行信息处理 以实现硬件 软件和信息资源共享 3 1数据通信基础 3 1 2数据通信系统的组成数据通信的基本构成如图3 1所示 按功能划分 数据通信系统由计算机中心 终端设备以及数据链路三个子系统组成 图3 1数据通信系统的基本构成 1 计算机中心计算机中心子系统的主要功能是进行数据的收集与处理 其内部包括三部分 第一部分是通信控制器 其首要任务是使数据终端计算和处理数据的速率与通信链路传输数据的速率相匹配 同时完成数据信号的串 并或并 串转换 第二部分是中央处理装置 主要用于收集和处理由数据终端传来的数据 第三部分是存储器 主存储器用于存放处理数据所需要的程序 辅助存储器 如磁带 磁盘等 则用于临时存储程序和数据 2 数据终端设备 DTE DataTerminalEquipment 数据终端设备的作用是将来自信道的电信号转换为数据信号 或者相反 根据数据通信业务的不同 有多种类型的终端设备 典型终端设备有键盘 打印机 传真机和显示器等 3 数据链路数据链路的功能是把多台数据终端设备与计算机中心连接起来进行数据传输 其组成包括传输信道和数据通信设备 DCE DataCircuit TerminatingEquipment或DataCommunicationsEquipment 两部分 如果传输信道属于模拟信道 DCE的作用就是把DTE送来的数据信号变换为模拟信号再送往信道 或者反过来把信道送来的模拟信号变换成数据信号再送到DTE 如果信道是数字的 则DCE的作用就是实现信号码型与电平的变换 信道特性的均衡 定时供给等 3 2数据通信系统的研究内容 3 2 1信道3 2 2通信接口技术3 2 3数据传输信号3 2 4差错控制3 2 5数据交换和通信协议3 2 6ATM交换 3 2 7多路复用技术3 2 8同步数字传输网3 2 9同步3 2 10接入网3 2 11IP交换技术3 2 12综合业务数字网 信道 Channel 通俗地说 是指以传输媒质为基础的信号通路 狭义的讲 信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路 信道的作用是传输信号 同时又给信号加以限制和损害 广义的讲 信道除包括传输媒质外 还包括有关的变换装置 如 发送设备 接收设备 馈线与天线 调制器 解调器等等 它的引入主要是从研究信息传输的角度出发 3 2 1信道 图3 2调制信道和编码信道 调制信道和编码信道 调制信道 调制器输出端到解调器输入端的部分 从调制和解调的角度来看 调制器输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质 不论其过程如何 只不过是对已调信号进行某种变换 调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道 它所关心的是调制信道输入信号形式和已调信号通过调制信道后的最终结果 对于调制信道内部的变换过程并不关心 因此 调制信道可以用具有一定输入 输出关系的方框来表示 通过对调制信道进行大量的分析研究 发现它具有如下共性 调制信道 有一对 或多对 输入端和一对 或多对 输出端 绝大多数的信道都是线性的 即满足叠加原理 信号通过信道具有一定的迟延时间 而且它还会受到 固定的或时变的 损耗 即使没有信号输入 在信道的输出端仍有一定的功率输出 噪声 根据以上几条性质 调制信道可以用一个二端口 或多端口 线性时变网络来表示 这个网络便称为调制信道模型 如图二端口的调制信道模型 其输出与输入的关系有 式中 ei t 为输入的已调信号 eo t 为调制信道对输入信号的响应输出波形 n t 为加性噪声 与ei t 相互独立 f ei t 反映了信道特性 f ei t 可以表示为信道单位冲激响应k t 与输入信号的卷积 即 eo t k t i t n t 或e k i 其中 k 依赖于信道特性 对于信号来说 k 可看成是乘性干扰 如果我们了解k t 与n t 的特性 就能知道信道对信号的具体影响 加性干扰 乘性干扰 通常信道特性k t 是一个复杂的函数 它可能包括各种线性失真 非线性失真 衰落等 同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化 故k t 往往只能用随机过程来描述 根据信道传输函数k 的时变特性的不同 信道可以分为两大类 恒定参量信道 信道传输特性k 基本不随时间变化的信道 即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的 架空明线和电缆 中长波地波传播 超短波及微波视距传播 人造卫星中继 光导纤维以及光波视距传播等信道是恒参信道 恒参信道和随参信道 随机参量信道 信道传输特性k 随时间随机快变化的信道 这类信道称为随参信道 常见的随参信道有陆地移动信道 短波电离层反射信道 超短波流星余迹散射信道 超短波及微波对流层散射信道 超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道 多径传播 编码信道 包括调制信道 调制器和解调器 它与调制信道模型有明显的不同 是一种数字信道或离散信道 编码信道输入是离散的时间信号 输出也是离散的时间信号 对信号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列 由于信道噪声或其他因素的影响 将导致输出数字序列发生错误 由于编码信道传输的是编码后的数字信号 所以我们关心的是数字信号经信道传输后的差错情况 即误码特性 所以编码信道的模型用数字转移概率来表示 编码信道 分为有记忆编码信道和无记忆编码信道 假设解调器每个输出码元的差错发生是相互独立的 即一码元的差错与其前后码元是否发生差错无关 信道是无记忆的 二进制编码信道模型 P 0 P 1 分别是发送 0 符号和 1 符号的先验概率 P 0 0 P 1 1 正确转移概率 P 1 0 P 0 1 错误转移概率 与信道噪声有关输出的总的错误概率为Pe P 0 P 1 0 P 1 P 0 1 在上图所示的编码信道模型中 由于信道噪声或其他因素影响导致输出数字序列发生错误是统计独立的 因此这种信道是无记忆编码信道 根据无记忆编码信道的性质可以得到 P 0 0 P 1 0 1P 1 1 P 0 1 1由二进制无记忆编码信道模型 可以容易地推广到多进制无记忆编码信道模型 设编码信道输入M元符号 即 X x0 x1 xM 1 编码信道输出N元符号为Y y0 y1 yN 1 如果信道是无记忆的 则表征信道输入 输出特性的转移概率为 多进制无记忆编码信道模型 P yj xi P Y yj X xi 上式表示发送xi条件下接收出现yj的概率 也即是将xi转移为yj的概率 如果编码信道是有记忆的 即信道噪声或其他因素影响导致输出数字序列发生错误是不独立的 则编码信道模型要比上图所示的模型复杂得多 信道转移概率表示式也将变得很复杂 明线 对称电缆 双绞线 同轴电缆 有线电信道 光纤信道 以光导纤维 光纤 为传输媒质 光波为载波的光纤信道 传输容量极大 损耗低 频带宽 线径细 重量轻 可弯曲半径小 不怕腐蚀 节省有色金属 不受电磁干扰等优点 微波中继信道 定义 工作频率在超短波和微波波段时 电磁波基本上沿视线传播 通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路 相邻中继站间距离一般在40 50km 适用场合 长途干线 移动通信网及某些数据收集 如水文 气象数据的测报 系统中 组成 终端站 中继站及各站间的电波传播路径 特点 传输容量大 发射功率小 通信稳定可靠 以及和同轴电缆相比 可以节省有色金属等优点 卫星中继信道 卫星中继信道是利用人造卫星作为中继站构成的通信信道 卫星中继信道与微波中继信道都是利用微波信号在自由空间直线传播的特点 微波中继信道是由地面建立的端站和中继站组成 卫星中继信道是以卫星转发器作为中继站与接收 发送地球站之间构成 若卫星运行轨道在赤道平面 离地面高度为35780km时 绕地球运行一周的时间恰为24小时 与地球自转同步 这种卫星称为静止卫星 不在静止轨道运行的卫星称为移动卫星 若以静止卫星作为中继站 采用三个相差120 的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域 两极盲区除外 如下图所示 若采用中 低轨道移动卫星 则需要多颗卫星覆盖地球 所需卫星的个数与卫星轨道高度有关 轨道越低所需卫星数越多 目前卫星中继信道主要工作频段有 L频段 1 5 1 6GHz C频段 4 6GHz Ku频段 12 14GHz Ka频段 20 30GHz 卫星中继信道的主要特点是 覆盖区域大 通信容量大 传输质量稳定 传输距离远 通信成本与通信距离无关 地球站需要有大功率发射机 低噪声接收机和高增益天线 另外 由于卫星轨道离地面较远信号衰减大 电波往返所需要的时间较长 对于静止卫星 由地球站至通信卫星 再回到地球站的一次往返需要0 26s左右 传输话音信号时会感觉明显的延迟效应 目前卫星中继信道主要用来传输多路电话 电视和数据 3 2 2通信接口技术 DTE和DCE接口框图 DTE DataTerminalEquipment 数据终端设备 它们是数据的源或目的或既是源又是目的 例如数据输入 输出设备 通信处理机或计算机 DTE具有根据协议控制数据通信的功能 DCE DataCircuit TerminatingEquipment或DataCommunicationsEquipment 数据电路终接设备或数据通信设备 是解决通信传输问题的通信设备 通常指调制解调器 多路复用器或数字设备 接口是DTE与DCE之间的界面 为了使不同厂家的产品能够互换或互连 DTE与DCE在插接方式 引线分配 电气特性及应答关系上均应符合统一的标准和规范 这一套标准规范就是DTE DCE的接口标准 或称接口协议 互连的设备在接口的标准上必须一致 EIA ElectronicIndustryAssociation 美国电子工业协会CCITT ConsultativeCommitteeInternationalonTelegraphandTelephone 国际电报电话咨询委员会ISO InternationalStandardsOrganization 国际标准化组织IEEE InstituteofElectricalandElectronicsEngineers 电气和电子工程师协会 接口特性 机械特性 MechanicalCharacteristics 接口中所使用接线器的形状 引脚数 引线排列 固定装置和锁定装置作出详细规定 电气特性 ElectricalCharacteristics 规定了DTE DCE之间多条信号线的电气连接及有关电路特性 通常包括发送器和接收器的电路特性 发送电平 发送器的输出阻抗 接收器的输入阻抗 平衡特性等 负载要求 信号速率及连接距离等 DTE DCE接口的电气连接有非平衡方式 差动接收的非平衡方式和平衡方式3种连接方式 功能特性 FunctionalCharacteristics 反映了数据传输方式及两者通信间的握手关系 主要是对各接口信号线作出确切的功能定义并确定相互间的操作关系 接口电路按期功能可以分为四类 数据信号电路 数据线 地址线 控制信号电路 读写控制信号 定时信号电路 时钟 公共信号电路 共地 过程特性 ProceduralCharacteristics 也叫规程特性 他是功能特性进一步具体细节的描述 反映了各接口线之间的相互关系 动作次序以及维护测试等方面的内容 规定了接口个信号线之间相互关系 动作顺序 维护测试操作等 1 单极性不归零波形信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制代码0和1 其特点是极性单一 有直流分量 脉冲之间无间隔 另外位同步信息包含在电平的转换之中 当出现连0序列时没有位同步信息 3 2 3数据信号传输 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 高斯脉冲等 最常用的是矩形脉冲 因为矩形脉冲易于形成和变换 下面就以矩形脉冲为例介绍几种最常见的基带信号波形 2 单极性归零波形有电脉冲宽度小于码元宽度 每个有电脉冲在小于码元长度内总要回到零电平 所以称为归零波形 单极性归零波形可以直接提取定时信息 3 双极性不归零波形脉冲的正 负电平分别对应于二进制代码1 0 当0 1符号等可能出现时无直流分量 这样 恢复信号的判决电平为零值 因而不受信道特性变化的影响 抗干扰能力也较强 4 双极性归零波形每个码元内的脉冲都回到零点平 即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔 有利于同步脉冲的提取 1 曼彻斯特码 双相码 每个码元用两个连续且极性相反的脉冲来表示 如用 正 负 脉冲表示1 用 负 正 脉冲表示0 该跳变既代表时钟 也代表数字信号的取值 即用2个比特表示1个二元码元 是一类所谓的1B2B码 直流分量被完全消除 在连续1和连续0都有码元间隔 有利提取同步信号 曼彻斯特编码在需要时 如连续多个0或1 将在某位的开始边界进行一次跳变 为传输下一为作准备 该跳变既不代表时钟 也不代表信号 码型 1 差分曼彻斯特码是改进的曼彻斯特编码 其特点是位中心的跳变仅提供时钟定时 用每位开始时有无跳变表示数据 有跳变时表示 0 无跳变时表示 1 微分曼彻斯特编码在每一位的中间必有一次跳变 该跳变仅代表时钟 不代表信号 而在位的开始是否有跳变才代表信号 上述两种编码的特点是 每一位时间间隔的中间有一次信号跳变 接收端可以利用这一跳变与发送端保持同步 由于时钟与数据均包含于信号数据流中 所以这种编码被称为自同步编码 差分双相码用于解决信道相位反转导致的接收困难 2 交替极性码 AMI码 将单极性归零码的1码元交替用正 负脉冲来表示 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 比如当前用正脉冲表示1 则下一个1用负脉冲表示 AMI码也称为传号交替反转码 双极码 平衡对称码 伪三元码等 优点 由于 1与 1交替 不含直流成分 高 低频分量少 能量集中在频率为1 2码速处 位定时频率分量虽然为0 但只要将基带信号经全波整流便可提取位定时信号 此外 编译码电路简单 便于利用传号极性交替规律观察误码情况 缺点 当原信码出现连 0 串时 信号的电平长时间不跳变 造成提取定时信号的困难 解决连 0 码问题的有效方法之一是采用HDB3码 3 三阶高密度双极性码 HDB3码 在当信码的连0个数不超过3时 仍按AMI码的规则编 即传号极性交替 连0个数超过3时 则将第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 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 破坏脉冲之后的传号码极性也要交替 原代码 1000010000110000l1AMI码 10000 10000 1 10000 1 1HDB3码 1000 V 100 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 5 CMI码 CodedMarkInversion 是一类1B2B码 用 负 正 脉冲 编码01 表示0 用 负 负 脉冲 00 或 正 正 脉冲 11 表示1 规定相邻的码元1 中间可能有0将它们隔开 须由交替反转的00或11表示 CMI具有双相码的优点 且不怕信道相位反转 是CCITT推荐的PCM接口码型 6 Miller码Miller码也称延迟调制码 是一类1B2B码 用码元周期中点出现跳变表示1 否则表示0 但当出现连续0时 规定一个0码元的下一个0码元的周期前沿出现跳变 Miller码脉冲宽度最大为两个码元 最小为一个码元 可用于误码检测 b 密勒码 c CMI 码 3 2 4差错控制 在通信系统中 由于存在信道噪声干扰和码间干扰等原因 不可避免的造成传输差错 实际中为了减少传输差错 通常采用两种基本的差错控制方法 改善线路质量 采用高质量的传输信道差错检测与纠正 对所传输的数据进行抗干扰编码 并以此来检测和校正传输中的差错 差错控制编码的基本思想是通过对信息码元序列做某种变换 使原来彼此相互独立 没有关联的信息码元序列 产生某种规律性或相关性 从而可以在接收端根据这种规律性来检查以致纠正传输序列中的差错 差错控制编码能有效减少噪声干扰 但影响了传输效率 差错控制编码的分类 差错控制方式 前向纠错系统 在前向纠错 FEC 系统中 发信端将信息码经信道编码后变成能够纠正错误的码 然后通过信道发送出去 收信端收到这些码组后 根据与发信端约定好的编码规则 通过译码能自动发现并纠正因传输带来的数据错误 前向纠错方式只要求单向信道 因此特别适合于只能提供单向信道的场合 同时也适合一点发送多点接收的广播方式 因为不需要对发信端反馈信息 所以接收信号的延时小 实时性好 这种纠错系统的缺点是设备复杂 成本高 且纠错能力愈强 编译码设备就愈复杂 自动检错重发 ARQ 系统的发信端将信息码编成能够检错的码组发送到信道 收信端收到一个码组后进行检验 将检验结果 有误码或者无误码 通过反向信道反馈给发信端作为对发信端的一个应答信号 发信端根据收到的应答信号做出是继续发送新的数据还是把出错的数据重发的判断 检错重发系统根据工作方式又可分为三种 即停发等候重发系统 返回重发系统和选择重发系统 自动检错重发系统 停发等候重发系统 返回重发系统 选择重发系统 发信端在t 0时刻将码组1发给收信端 然后停止发送 等待收信端的应答信号 收信端收到该码组并检验后 将应答信号ACK发回发信端 发信端确认码组1无错 就将码组2发送出来 收信端对码组2进行检验后 收信端判断该码组有错并以NAK信号告知发信端 发信端将码组2重新发送一次 收信端第二次收到码组2经检验后无错 即可通过ACK信号告诉发信端无错 发信端接着发送码组3 从上述过程中可见 发信端由于要等收信端的应答信号 发送过程是间歇式的 因此数据传输效率不高 但由于该系统原理简单 在计算机通信中仍然得到应用 停发等候重发系统 在这种系统中发信端不停顿地发送信息码组 不再等候ACK信号 如果收信端发现错误并发回NAK信号 则发信端从下一个码组开始重发前一段N个码组 N的大小取决于信号传输和处理所造成的延时 也就是发信端从发错误码组开始 到收到NAK信号为止所发出的码组个数 图中N 5 收信端收到码组2有错 发信端在码组6后重发码组2 3 4 5 6 收信端重新接收 这种返回重发系统的传输效率比停发等候系统有很大改进 在很多数据传输系统中得到应用 返回重发系统 选择重发系统的工作过程 这种重发系统也是连续不断地发送码组 收信端检测到错误后发回NAK信号 但是发信端不是重发前N个码组 而是只重发有错误的那一组 图中显示发信端只重发收信端检出有错的码组2 对其它码组不再重发 收信端对已认可的码组 从缓冲存储器读出时重新排序 恢复出正常的码组序列 显然 选择重发系统传输效率最高 但价格也最贵 因为它要求较为复杂的控制 在收 发两端都要求有数据缓存器 选择重发系统 混合纠错方式是前向纠错方式和检错重发方式的结合 在传输码数较少时 可自动纠正错误 在错码较多时 可以自动请求重发 他的通信可靠性好 传输效率高 但传输设备也相应比较复杂 也需要双向信道场合中使用 在实际通信系统中 差错控制方式的选择 要视具体情况而定 可以根据信源性质 信息传输特点 信道干扰种类 对实时性 误码率的要求以及有无双向信道等因素而合适的选择差错控制方式 混合纠错方式 常见的抗干扰码 1奇偶校验码奇偶校验码是数据通信中最常见的一种简单检错码 其编码规则是 把信息码先分组 形成多个许用码组 在每一个许用码组最后 最低位 加上一位监督码元即可 加上监督码元后使该码组中1的数目为奇数的编码称为奇校验码 为偶数的编码称为偶校验码 根据编码分类 可知奇偶校验码属于一种检错 线性 分组系统码 根据奇偶校验的规则我们可以看到 当码组中的误码为偶数时 校验失效 比如有两位发生错误 会有这样几种情况 00变成11 11变成00 01变成10 10变成01 可见无论哪种情况出现都不会改变码组的奇偶性 偶校验码中1的个数仍为偶数 奇校验码中1的个数仍为奇数 因此 简单的奇偶校验码只能检测出奇数个位发生错误的码组 偶数 奇数 奇数奇数 奇数 偶数偶数 偶数 偶数奇数 偶数 奇数 2水平奇偶校验码为克服上述简单奇偶校验码检错能力不高且不能检测突发错误的缺点 我们可以将经过简单奇偶校验编码的码组按行排列成方阵 每一行是一个码组 若有n个码组则方阵就有n行 比如 有经过奇偶校验编码的7个码组01011011001 01010100100 00110000110 11000111001 00111111110 00010011111 11101100001排成方阵共有7行 见下表 如果传输时按码组逐行传输的话 则与简单奇偶校验码没有区别 但若发信端按列进行传输 收信端按列接收后再按行还原成发信端的方阵 然后按行进行奇偶校验 则纠错情况就会发生变化 观察该表可见 因为是逐列发送 在一列中不管出现几个误码 偶数个或奇数个 对应在每一行都只是一位误码 所以都可以通过水平奇偶校验检验出来 但对于每一行 一个码组 而言仍然只能检出所有奇数个错误 与简单奇偶校验编码相比 这种方法的最大优点是可以检出所有长度小于行数 码组数 的突发错误 2二维奇偶校验码二维奇偶校验码又称水平 垂直奇偶校验码或方阵码 经奇偶校验后的若干码子排列成矩阵 每个码子构成一行 然后再按列的方向增加垂直校验位 就构成了二维奇偶校验码 二维奇偶校验码在发送时仍按列发送 收信端顺序接收后仍还原成原方阵形式 二维奇偶校验码比一维奇偶校验码多了个列校验 因此 其检错能力有所提高 除了检出行中的所有奇数个误码及长度不大于行数的突发性错误外 还可检出列中的所有奇数个误码及长度不大于列数的突发性错误 同时还能检出码组中大多数出现偶数个错误的情况 比如 在码组1中头两位发生错误 从01变成10 则第1列的1就变成3个 第2列的1也变成3个 而两列的校验码元都是0 所以可以查出这两列有错误 也就是说 码组中出现了2位 偶数位 误码 但具体是哪一个码组 那一行 出现误码还无法判断 3线性分组码线性分组码的概念 将信息序列划分为等长 k位 的序列段 在每一信息段后附加r位监督码元 且监督码元与信息码元之间构成线性关系 即他们之间可由线性方程来联系 这样构成的抗干扰编码成为线性分组码 显然线性分组码是分组码 也是线性码 简单地说 将信息码进行分组 然后为每组信息码附加若干位监督码元的编码方法得到的码集合称为分组码 线性分组码有两个重要性质 一个是封闭性 即任意两个许用码组 代表信息的码组 之模2和仍为一许用码组 另一个是码组的最小码距等于非零码的最小码重 4循环码循环码是线性分组码的一个重要分支 循环码有许多特殊的代数性质 基于这些性质 循环码有较强的纠错能力 而且其编码和译码电路很容易用移位寄存器实现 因而在FEC系统中得到了广泛的应用 循环码可定义为 对于一个 n k 线性码C 若其中的任一码组向左或向右循环移动任意位后仍是C中的一个码组 则称C是一个循环码 循环码是一种分组码 前k位为信息码元 后m位为监督码元 它除了具有线性分组码的封闭性之外 还具有一个独特的性质即循环性 循环性指的是任一许用码组经过循环移位后所得到的码组仍为一许用码组 4卷积编码卷积编码又称连环码 它是一种非分组纠错码 他和分组码有明显的区别 在 n k 线形分组码中 本组r n k个监督码元仅与本组k个信息元有关 而与其它各组无关 也就是说 分组码编码器本身没有记忆性 卷积码则不同 每个 n k 码段 也称子码 通常较短 内的n个码元不仅与该码段内的信息元k有关 而且与前面m段里的信息源有关 m为编码器存储器数 卷积码常用符号 n k m 表示 其编码效率为k n 典型的卷积码一般选的n和k n k 值较小 存储器m可取较大值 m 10 这样可以获得极简单又高性能的信道编码 3 2 5数据交换和通信协议 对于实际的通信系统 无论电话还是数据通信 都需要再多点之间进行通信 从而构成通信网络 对于点到点的通信 只要在通信双方之间建立一个连接即可 而对于点到多点或多点到多点的通信 也就是具有多个通信终端 最直接的方法就是让所有通信方两两相连 如右图所示 这样的连接方式称为全互连式 全互连式存在以下缺点 1 当存在N个终端时需要N N 1 2条连线 连线数量随终端数的平方而增加 通常称为N2问题 2 当这些终端分别位于相距很远的地方时 相互间的连接需要大量的长途线路 3 每个终端都有N 1根连线与其它终端相接 因而每个终端都需要N 1个线路接口 4 增加第N 1个终端时 必须增设N条线路 显然 全互连式成本较高 连接复杂 仅适合于终端数目较少 地理位置相对集中且可靠性要求很高的场合 对于终端用户数量较多 分布范围较广的情况 最好的连接方法是在用户分布密集中心处安装一个设备 把每个用户终端设备 比如电话机 分别用专用的线路 电话线 连接到这个设备上 如右图所示 当任意两个用户之间要进行通信时 该设备就把连接这两个用户的开关接点合上 将这两个用户的通信线路接通 当两个用户通信完毕 再把相应的开关接点断开 两个用户间的连线也就随之切断 这样 对N个用户只需要N对连线 即N条线路就可以满足要求 线路的投资费用大大降低 这种能够完成任意两个用户之间通信线路连接与断开作用的设备称为交换设备或交换机 引入交换设备后 交换设备就和连接在其上的用户终端设备以及它们之间的传输线路构成了最简单的通信网 并可由多个交换设备构成实用的大型通信网 如下图所示 处于通信网中的任何一台交换设备都可以称为一个交换节点 信息在网络中经过若干个交换节点 完成从一点到另一点的传输这种节点对信息的转发方式就称为交换方式 所谓交换就是指各通信终端之间 比如计算机之间 电话机之间 计算机与电话机之间等 为交换信息所采用的一种利用交换设备进行连接的工作方式 线路交换 也叫电路交换 是在信息 数据 的发送端和接收端之间 直接建立一条临时通路 供通信双方专用 其