第三章-信号的传输技术

1、1 通信导论 信息与通信工程学院 2 第三章 信号的传输技术 n传输技术概述 n模拟信号的调制传输 n数字信号的基带传输 n数字信号的调制传输 n光信号的传输 3 传输技术的发展 n传输的定义：根据国际电信联盟(ITU-T) 的定义，传输是指通过物理介质传播含有 信息的信号的过程，是一个在通信网中的 各节点之间转移信息的过程。 n传输网的定义：传输网是在各网络节点 之间运送信息的网络功能资源。 4 传输技术的发展历史 n传输技术的发展 n19世纪末发明了用电信号来模拟语音信号并 进行远距离传输，出现了电话以及话音传输 技术。 n20世纪60年代，均采用模拟话音传输技术； （单路-频分复用、双绞

2、线-同轴电缆） n60年代末到80年代：PCM技术的发展，出 现了数字传输技术，替代了模拟传输技术。 n光纤传输技术的发展，属于数字传输技术范 畴。 5 传输技术的发展 n模拟话音传输技术 n一对线路传输一路话音(双绞线) nFDM多路载波传输(同轴电缆) n数字传输技术 nPCM数字传输技术 (双绞线、同轴电缆和无线传输) n光传输技术 6 调制技术的概念 n调制调制：按原始信号的变化规律去改变载波信号 的某些参数的过程； n目的：把输入信号变换为适合于通过信道传输 的波形； n调制的功能 n模拟/数字信号模拟传输的方法，实质上是频率 变换过程； n实现信道复用； n适合传输，提高抗干扰性。

3、 n不关心信息的内容，只是变换传输方式。 7 调制技术的概念 1 个周期个周期 6 周期周期/秒秒 = 6 Hertz 1 秒秒 波长波长 幅度幅度 8 调制技术的概念 n调制系统的模型 nm(t):源信号 nC(t):载波信号 nS(t):已调信号 调制器S(t)m(t) C(t) 9 调制技术的分类 n从不同的角度，调制技术可以按以下几 个角度进行分类： n按m(t)的性质分类 n模拟调制: m(t)是连续信号； n数字调制: m(t)是离散信号。 n按C(t)的性质分类 n连续波调制: C(t)是连续信号； n脉冲调制: C(t)是脉冲信号，如周期矩形脉冲序 列。 10 调制技术的分类(

4、续) n从不同的角度，调制技术可以按以下几个 角度进行分类： n按调制器的功能分类 n幅度调制，用m(t)改变C(t)的幅度； n频率调制, 用m(t)改变C(t)的频率; n相位调制,用m(t)改变C(t)的相位。 n按调制器传输函数的性质分类 n线性调制：调制前、后的频谱吴线性搬移关系； n非线性调制：无上述关系，且调制后的频诺产生 许多新成分。 11 模拟信号的调制传输 n基本概念 n幅度调制 n频率调制 n相位调制 12 模拟调制的基本概念 n模拟调制的定义 n当源信号是模拟信号且被改变的载波信号的 参数也是连续变量时，即称为模拟调制。 n模拟调制的常见种类 n幅度调制(AM) n频率

5、调制(FM) n相位调制(PM) 13 幅度调制 n基本原理 n幅度调制信号的时域特征 幅度调制是正弦载波信号的 幅度随调制信号做线性变化 的过程。 基带信号：m(t) 载波信号： S(t)=Acos(ct+0) 调制信号： Sm(t)=Am(t)cos(ct+0) 14 幅度调制 15 幅度调制(续) n幅度调制信号的频域特征 n幅度调制信号的频谱是基带信号频谱在频域内 的简单搬移 基带信号:M() 载波信号:S()=A/2(c)+(+c) 调制信号： Sm()=FSm(t)=A/2M(c)+M(+c) 16 幅度调制(续) n幅度调制的一般模型 n一个相乘器 n一个冲激响应为h(t)的带通

6、滤波器 n说明：冲激响应h(t)不同，输出信号就具有不同 的边带 h(t)m(t) cosct Sm(t) 17 频率调制 n调制原理 是已调信号的瞬时角 频率受基带信号的控 制而改变的调制过程， 调频信号的瞬时频率 与基带信号呈线性关 系。 18 相位调制 n调制原理 是已调信号的瞬时相 位受基带信号的控制 而改变的调制过程， 调相信号的幅度和角 频率对于载波保持不 变，瞬时相位偏移与 基带信号呈线性关系。 19 数字信号的基带传输 n数字基带传输概述 n数字基带传输的码形设计 n数字基带传输的波形设计 20 数字基带传输概述 n数字基带传输系统 n数字基带信号 定义：来自数据终端的、未经过

7、调制的信号 特点：包含丰富的低频分量，甚至直流分量 n数字基带传输 定义：直接传输数字基带信号 适用：具有低通特性的有线信道，传输距离 不太远的情况 21 数字基带传输概述(续) n应用：利用对称电缆构成的近距离数据通信 系统，例如以太网 22 数字基带传输概述(续) n数字基带传输系统的基本组成 编编 码码 发发 送送 滤滤 波波 信信 道道 接接 收收 滤滤 波波 抽抽 样样 判判 决决 译译 码码 同步同步 噪声 23 数字基带传输概述(续) n数字基带传输的基本波形：数字基带信号的类 型有很多常见的有矩形脉冲、三角波、高斯 脉冲和升余弦脉冲等，其中最常用的是矩形脉 冲，因为矩形脉冲易于

8、形成和变换。 n单极性不归零波形 n双极性不归零波形 n单极性归零波形 n双极性归零波形 n差分波形 n多电平波形 24 数字基带传输概述(续) 25 数字基带传输的码形设计 n为什么要进行传输码型设计？ n因为并不是所有信息码的电信号波形都适合在 信道中传输。 n什么是码型设计？ n码型设计就是将信源发出的信号码型变换为适 合于信道传输的码型。 26 数字基带传输的码形设计(续) n码型设计的要求 n信号无直流分量且低频分量少； n便于从信号中提取定时信息； n高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间 串扰； n不受信息源统计特性的影响； n具有内在的检错能力； n编译码设备尽可能简单。 2

9、7 数字基带传输的码形设计(续) n常见的传输码型 nAMI码 nHDB3码(略) nCMI码(略) n曼彻斯特码 28 数字基带传输的码形设计 nAMI码 n传号反转交替码(AMI码)：AMI码的编码规则是将二进制消息代 码“1，交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”保持 不变，AMI码对应的基带信号是止负极性交替的脉冲序列，而0 电位保持不变的规律。 nAMI码的优点：由于“+1”与“-1”交替，AMI码的功率谱中 不含直流成分，高/低频分量少。位定时频率分量虽然为0，但 只要将基带信号经全波整流变为单极性归零波形便可提取位 定时信号。AMI码的编译码电路简单，便于利用传号极性交

10、替 规律观察误码情况。鉴于这些优点，AMI码是CCIIT建议采用的 传输码型之一。 nAMl码的缺点：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。 29 数字基带传输的码形设计 30 数字基带传输的波形设计 n数字信号基带传输的要求 n数字信号的待传信息包含在码元的组合之中； n要求接收端无差错地恢复出发送的码元流； n可以允许一定的波形失真，只要失真程度不影 响码元的恢复即可。 31 数字基带传输的波形设计(续) n矩形波在信道中的传输 n二进制数字基带波形在实际信道中传输会发生波形失真 n矩形波在频域内波形是无穷延伸的； n实际信道的带宽都是有限的； n传输

11、系统接收端所得信号频谱与发送端不同。 32 数字基带传输的波形设计(续) n数字基带信号传输会发生码间干扰 n基带脉冲序列通过传输系统时会发生波形失 真、拖尾等现象； n接收端在约定的时隙对信号各点进行抽样， 并对抽样测定的信号幅度进行判决导出原脉 冲消息； n重叠的邻接时隙内的信号足够强就可发生错 误判决； n多个相邻脉冲的拖尾叠加并在接收端造成判 决困难的现象叫码间干扰。 33 数字基带传输的波形设计(续) n消除码间干扰的方法 n方法一：加宽信道的传输频带，但会浪费带 宽且引入过多噪声； n方法二：通过一定的技术使拖尾值在判决 时刻为“0”，采用奈奎斯特第一准则，即 Rb=2fN 。 3

12、4 数字信号的调制传输 n基本概念 n频率调制 n幅度调制 n相位调制 35 数字调制的基本概念 n理论上数字调制与模拟调制在本质上没有什么 不同它们都属于正弦波调制。但是，数字调 制是源信号为离散型的正弦波调制，而模拟调 制则是源信号为连续型的正弦波调制。 n数字调制具有由数字信号带来的一些特点。这 些特点主要包括两个方面： n数字调制信号的产生，除把数字的调制信号当作模 拟信号的特例而直接采用模拟调制方式产生数字调 制信号外，还可以采用键控载波的方法； n对于数字调制信号的解调为提高系统的抗噪声性 能，通常采用与模拟调制系统中不同的解调方式。 36 数字调制的基本概念 n调制的作用：将数字

13、数据信息转移到传输 介质上； n调制解调器的工作原理：根据传输的是1 还是0来改变载波信号的幅度、频率和相 位。 37 频率调制 n2FSK基本原理 n正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两 个频点间变化，产生2FSK信号； n2FSK信号的时域波形 调制解调器调制解调器 1 01 01 01 0 2FSK信号的时域波形 38 频率调制(续) n2FSK信号的调制方法 n模拟调频法 n键控法 n2FSK信号的解调(略) n2FSK方式的应用 n话音频带内进行数据传输(m n插入比特码：将原始码流的m比特为一组， 在其后插入1个比特构成新的码流。 47 光纤通信系统的基本组成 n光纤通信系

14、统的组成 n光发射机 n光接收机 n光中继器 n光缆 48 光发射机的组成 n光源 n光源的作用：是将传输的电信号转换为光信号进入光纤； n对光源的要求 n 合适的发光波长：应处于光纤的工作窗口内。 n足够的输出功率：输出功率直接影响着光纤通信的中继距离，在 1mW以上； n可靠性高：要求平均工作寿命在106小时以上； n输出效率高：主要为了支持无人中继站的供电； n光谱宽度窄：窄诺线的激光器可以有效地降低色散效应的影响。 n两种主要光源： nLED：LED主要依靠半导体自身的辐射发光。其特点是谱线较宽、响 应速度慢、温度特性好、控制电路简单。一般主要用于近距系统。 nLD：半导体激光器是依靠

15、半导体中的光学谱振腔受激辐射产生光振 荡从而发光，原理类似于电子振荡器。其特点是由于谐振有一定的 谐振频率因此其谱线很窄，即单色性好、响应速度很快、转换效率 高。光纤通信中得到大规模应用的即是此种光源。 49 光接收机的组成 n光电检测器：将光纤中输入的微弱)t信号转换为电信号； n放大电路：将电信号放大至一定幅度，一般是级联形式的放大电路； n均衡器：将信号波形进行调整，使之适合进入判决电路； n判决器：对电信号进行判决，获得“0”、“1“码流； n译码器：对线路编码进行译码； n输出接口：生成与输出线路匹配的电信号； n增益控制电路；利用自动增益控制电路AGC进行控制，使光接收机的输出保

16、持稳定； n时钟恢复电路：提取时钟以获得判决时刻。 50 光纤通信系统中的其他设备 n光中继器：光中继器用于长距传输中对衰减和变形了的 光信号进行放大和再生，一般可分为光/光中继器和光/ 电中继器两种。 n光开关：光开关是用于传输线路转换的器件，利用光开 关可以直接进行光路交换，常见的有机械式和电子式开 关。 n光放大器：光放大器主要应用于光中继器中光信号的放 大、光发射机中放大进入光线路的信号以及接收机中对 微弱光信号的再生。 n在光纤中掺人少量铒离子，就构成了掺铒光放大器（EDFA）， 实用的掺饵放大器的功率增益可达30dB以上。 n监控系统：监控系统是光纤通信系统的重要组成部分， 特别是

17、在长途光纤传输中更加重要。 n保护倒换系统：由于骨干网传输对可靠性的要求非常高， 因此光纤通信一般采用主备倒换方式。 51 光波分复用 n光波分复用的基本原理 n在同一根光纤上同时传输多个不同波长的光 信号，实际上是高频段的频分复用； n发射机侧有多个不同工作波长的光源； n接收机侧有多个不同波长的光电检测器； n光源与光纤之间有波分复用器； n光纤与光电检测器之间有波分解复用器。 52 光波分复用的原理 (WDM) Optical Fibre Cable Digital Signals Digital Signals Optical Combiner Optical Splitter Wav

18、elength 3 Wavelength 2 Wavelength 1 Wavelength 4 Wavelength 3 Wavelength 2 Wavelength 1 Wavelength 4 53 光波分复用(续) n光波分复用的优点 n充分利用光纤带宽 n可以传输性质完全不同的信号 n可以灵活配置传输设备 n光波分复用对其他光器件的要求 n对光放大器的要求：理想情况下所有的工作波长均 可通过同一个放大器放大；对不同波长信号的放大 倍数要相等。 n对光纤的要求：工作窗口1.55um，低色散，大功率。 54 光纤通信技术的发展方向 n全光通信网：全光通信网是指光信息流在网络中传输及交换时始终 以光的形式存在，而不必经过光/电、电/光的转换，其研究的主要 难点是在核心路由器中完成光交换/光路由。 n光交换： 光交换即是在光纤通信网的核心节点处任意光端口之间的 信息交换及路由选择。它简化了现有交换中的光