第2讲通信技术基础

1、电力系统通信与网络技术电力系统通信与网络技术学习情境：学习情境： 信号的调制和编码信号的调制和编码学习任务：学习任务：第第2章章 通信技术基通信技术基础础2.1 通信的基本概念通信的基本概念2.2 信号的调制和编码信号的调制和编码2.3 数据的检错与纠错数据的检错与纠错2.4 调制解调器调制解调器2.5 多路复用技术多路复用技术2.6 数据链路层协议数据链路层协议2.7 信息交换技术信息交换技术2.8 通信网通信网2.1通信的基本概通信的基本概念念n概述概述n2.1.1 信号的种类信号的种类n2.1.2 数据的传输模式数据的传输模式n通信通信：双方或多方消息或信息的传递与交流。：双方或多方消息

2、或信息的传递与交流。n消息消息：指对客观世界发生变化的描述或报道。：指对客观世界发生变化的描述或报道。n信息信息：消息中所包含的有意义的内容；消息所含信息：消息中所包含的有意义的内容；消息所含信息的多少称为消息的信息量。的多少称为消息的信息量。n数据数据：一种承载信息的实体，它涉及到事物的具体形：一种承载信息的实体，它涉及到事物的具体形式，是任何描述物体、概念、情况、形式的事实、数式，是任何描述物体、概念、情况、形式的事实、数字、字母和符号。可分为字、字母和符号。可分为模拟数据和数字数据模拟数据和数字数据两种形两种形式。式。n信号信号是消息或者说是信息的携带者，是数据的具体表是消息或者说是信息

3、的携带者，是数据的具体表现形式。信号在形式上是一种具有变化的物理现象。现形式。信号在形式上是一种具有变化的物理现象。概述概述信息量信息量n如某消息由如某消息由m m个符号（个符号（x x1 1， x x2 2 ， x xm m ）的不同排）的不同排列构成，且每个符号在排列中出现的概率是独立无列构成，且每个符号在排列中出现的概率是独立无关的，分别以关的，分别以p p（ x x1 1 ），），p p（ x x2 2 ），），p p（ x xm m ）来表示，且来表示，且 则定义某一符号的信息量为则定义某一符号的信息量为n事件发生的概率越高，则信息量越少事件发生的概率越高，则信息量越少。1=)x(p

4、m1=ii)(1log)(iixpxI2.1.1信号的种类信号的种类n模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号 n周期信号与非周期信号周期信号与非周期信号模拟信号模拟信号n 模拟信号是指代表模拟信号是指代表消息的电信号及其消息的电信号及其参数参数( (幅度、频率或幅度、频率或相位相位) )取值随时间的取值随时间的变化而连续变化的变化而连续变化的信号。信号。n 其特点是幅度连续其特点是幅度连续变化，而在时间上变化，而在时间上可以连续也可以不可以连续也可以不连续。现实生活中连续。现实生活中模拟信号的例子很模拟信号的例子很多，如话音、图像多，如话音、图像等信号。等信号。模拟信号波形模拟信号波形 Of (

5、t)t(a)f (nT )tPAM信号信号(b)O数字信号数字信号 数字信号数字信号是由一系列的电脉冲所组成，时是由一系列的电脉冲所组成，时间上是离散的，幅度上也是离散的。如电间上是离散的，幅度上也是离散的。如电报信号、计算机输入报信号、计算机输入/ /输出信号、输出信号、PCMPCM信号信号等。等。周期矩形脉冲信号周期矩形脉冲信号周期信号与非周期周期信号与非周期信号信号n周期信号是指信号在相同的时间间隔后，周期信号是指信号在相同的时间间隔后，会重复前一次的波形。会重复前一次的波形。 即信号满足：即信号满足： f(t)=f(t+kT) T为信号周期，为信号周期，k为正整数，则称该信号为正整数，

6、则称该信号为周期信号；否则是非周期信号。为周期信号；否则是非周期信号。信号的表示方式信号的表示方式n数学表达式法数学表达式法 如：正弦信号如：正弦信号 f(t)=Asin2 ft。n时域波形图法时域波形图法n频谱表示法频谱表示法f2f(Hz)V(f)05 6 7 1 2 3 5 7 1f1 f3f9音乐信号的频谱音乐信号的频谱2.1.2 数据传输模数据传输模式式n串行与并行传输串行与并行传输n同步与异步传输同步与异步传输n单工、半双工与全双工单工、半双工与全双工一、串行与并行传一、串行与并行传输输 (a) (a)并行传输并行传输 (b)(b)串行传输串行传输并行通信与串行通并行通信与串行通信的

7、比较信的比较n并行通信并行通信：传输中有多个数据位同时通过信道：传输中有多个数据位同时通过信道在设备之间进行的传输。在设备之间进行的传输。 并行传输线也叫并行传输线也叫总线总线。n串行通信：串行通信：传输中只有一个数据位在设备间进传输中只有一个数据位在设备间进行传输。对任何一个二进制序列行传输。对任何一个二进制序列, ,串行传输都是串行传输都是用一个传输信道，按位进行传输。用一个传输信道，按位进行传输。 适宜于远距离传输。常见的计算机网络通信，适宜于远距离传输。常见的计算机网络通信，RTURTU和和MTUMTU间通信均采用串行通信方式。串行间通信均采用串行通信方式。串行通信又分为通信又分为同步

8、串行通信方式和异步串行通信同步串行通信方式和异步串行通信方式。方式。二、同步与异步传二、同步与异步传输输n同步：同步：在数据通信系统中，数据从发送在数据通信系统中，数据从发送端传送到接收端必须保持收、发两端工端传送到接收端必须保持收、发两端工作协调一致。作协调一致。n数据通信不仅要同步，对其接收端收到数据通信不仅要同步，对其接收端收到数据还必须是可识别的。数据还必须是可识别的。n数据通信按照其传输和同步方式可以分数据通信按照其传输和同步方式可以分为两种类型，同步通信系统和异步通信为两种类型，同步通信系统和异步通信系统。系统。同步通信系统同步通信系统n 以恒定的速率传输，处理数据。以恒定的速率传

9、输，处理数据。n通常采用定时提取的方法从传输信号中通常采用定时提取的方法从传输信号中提取发送端的位定时信息，用以控制调提取发送端的位定时信息，用以控制调整接收端定时信号，以确保收、发两端整接收端定时信号，以确保收、发两端同步。同步。起始同步信号字符块起始DCE同步信号DCE同步传输方式同步传输方式特点：有较高的传输效率，但实现起来较特点：有较高的传输效率，但实现起来较复杂，常用于高速传输。复杂，常用于高速传输。异步通信系统（异步通信系统（1 1）n通信双方保持自己通信双方保持自己独立独立的时钟，其数据传输速的时钟，其数据传输速率是不确定的。率是不确定的。n异步传输通过约定传输速率来实现位同步，

10、通异步传输通过约定传输速率来实现位同步，通过起始位和结束位来实现字符同步，通过特殊过起始位和结束位来实现字符同步，通过特殊字符来保证帧同步。字符来保证帧同步。n异步通信对于发射设备要求较简单，易于实现，异步通信对于发射设备要求较简单，易于实现，在调度自动化中应用较多。但其通信帧中冗余在调度自动化中应用较多。但其通信帧中冗余信息较多，速率低信息较多，速率低 (509600bit/s)(509600bit/s)，通信效率很，通信效率很低。而同步通信冗余信息少，通信速率高，可低。而同步通信冗余信息少，通信速率高，可达达800,000bit/s800,000bit/s。异步通信系统（异步通信系统（2）

11、停止奇偶位b7b6b5b4b3b2b1起始起始停止一个字符起始停止一个字符起始DCEDCE异步传输方式异步传输方式 三、单工、半双工三、单工、半双工与全双工与全双工 信息在通信线路上传输是有方向的，根据某一时间内信息在通信线路上传输是有方向的，根据某一时间内信息流传输的方向和特点，通信线路的工作方式可分信息流传输的方向和特点，通信线路的工作方式可分为三种：为三种：n单工通信单工通信 所传信息始终是一个方向的通信。例如广播、电力系所传信息始终是一个方向的通信。例如广播、电力系统遥测、遥控。统遥测、遥控。n半双工通信半双工通信 通信信道两端均可以收发信息，但同一时刻信息只能通信信道两端均可以收发信

12、息，但同一时刻信息只能有一个传输方向。例如对讲机。有一个传输方向。例如对讲机。n全双工通信全双工通信 通信信道两端可同时收发信息。例如电话通信，远动通信信道两端可同时收发信息。例如电话通信，远动通道中无论载波、扩频、通信电缆、微波等通信方式。通道中无论载波、扩频、通信电缆、微波等通信方式。AB数据(a) 单工通信AB数据(b ) 半双工通信AB数据(c) 全双工通信AB数据(a) 单工通信AB数据(b ) 半双工通信AB数据(c) 全双工通信AB数据(a) 单工通信AB数据(b ) 半双工通信AB数据(c) 全双工通信2.2 数据的调制与数据的调制与编码编码n2.2.1 数字数字数字的转换数字

13、的转换n2.2.2 模拟模拟数字的转换数字的转换n2.2.3 数字数字模拟的转换模拟的转换n2.2.4 模拟模拟模拟的转换模拟的转换概述概述n信号的调制与编码技术：信号的调制与编码技术：保障传输质量、实现长距保障传输质量、实现长距离传输、提高传输速率离传输、提高传输速率等。等。n信号编码信号编码：在远距离传输的过程中，由于线路较长，：在远距离传输的过程中，由于线路较长，数据信号在传输介质中将会产生损耗和干扰，为减数据信号在传输介质中将会产生损耗和干扰，为减少在特定的介质中的损耗和干扰，需要将传输的信少在特定的介质中的损耗和干扰，需要将传输的信号进行转换，使之成为适于在该介质上传输的信号。号进行

14、转换，使之成为适于在该介质上传输的信号。n调制：调制：为了节约带宽，提高传输效率，常把要传输为了节约带宽，提高传输效率，常把要传输的信号加载在高频载波上。的信号加载在高频载波上。 2.2.1数字数字数字数字的转换的转换n数字数字数字的转换数字的转换 用数字信号来表示数字信息。用数字信号来表示数字信息。n数字数据的基带传输：数字数据的基带传输： 直接或经过波形形成电路后在其原始电信号所固有的直接或经过波形形成电路后在其原始电信号所固有的频带上传输。频带上传输。n一般有如下要求：一般有如下要求： 不含直流和低频分量；不含直流和低频分量； 所选码型占用频带要窄；所选码型占用频带要窄； 信号本身包含位

15、同步信息；信号本身包含位同步信息； 具有差错检测能力；具有差错检测能力； 编译码的电路应尽量简单便于实现。编译码的电路应尽量简单便于实现。 常用的码型常用的码型a.单极性不归零码（单极性不归零码（NRZ）b.单极性归零码单极性归零码(RZ)c.双极性不归零码（双极性不归零码（NRZ）d.双极性归零码双极性归零码(RZ)e.极性交替转换码（极性交替转换码（AMI）f.曼彻斯特码曼彻斯特码g.差分曼切斯特码差分曼切斯特码h.传号反转码（传号反转码（CMI）a.a.单极性不归零码单极性不归零码（NRZNRZ） n用在近距离传输上，接口电路十分简单用在近距离传输上，接口电路十分简单n连续的连续的“0”

16、和和“1”，不利于同步信号的提，不利于同步信号的提取；取；n有直流分量有直流分量b.单极性归零码单极性归零码（RZ）编码规则编码规则：数据代码中的每一个：数据代码中的每一个“1”1”都对应一都对应一个脉冲，可能是正脉冲也可能是负脉冲，脉个脉冲，可能是正脉冲也可能是负脉冲，脉冲宽度比每位的传输周期短，即脉冲提前回冲宽度比每位的传输周期短，即脉冲提前回到零电位；数据到零电位；数据“0”0”仍然为零电平。仍然为零电平。c.双极性不归零码双极性不归零码（NRZ）编码规则编码规则：对于数据中的：对于数据中的“1”用用+E或或-E电平电平表示，对数据表示，对数据“0”用相反的电平用相反的电平(即即-E或或

17、+E)表示。表示。d.双极性归零码双极性归零码(RZ)编码规则编码规则：对于数据中的：对于数据中的“1”用一个正或负的脉冲用一个正或负的脉冲(+E或或-E)来表示，数据来表示，数据“0”用相反的脉冲用相反的脉冲(-E或或+E)来表示，这两种脉冲的宽度都小于一位的传输时来表示，这两种脉冲的宽度都小于一位的传输时间，即提前回到零电平间，即提前回到零电平e.极性交替转换码极性交替转换码（AMI）n没有直流分量；没有直流分量；n连续连续“0”的个数太多时，不利于定时的个数太多时，不利于定时信号的提取。信号的提取。编码规则编码规则：用交替极性的脉冲用交替极性的脉冲(+E(+E和和-E)-E)表示表示码元

18、码元1 1，用无脉冲表示，用无脉冲表示0 0，脉冲宽度可以是，脉冲宽度可以是码元宽度，也可以是部分宽度。码元宽度，也可以是部分宽度。f.曼彻斯特码曼彻斯特码编码规则编码规则：对于数据代码对于数据代码“1”1”用电平正跳变用电平正跳变( (或负或负跳变跳变) )来代表，数据代码来代表，数据代码“0”0”用与数据代码用与数据代码“1”1”相反的跳变来表示，这种跳变在一位数据传输时相反的跳变来表示，这种跳变在一位数据传输时间内完成。间内完成。n有利于同步信号的提取；有利于同步信号的提取；n由于跳变的存在，编码后的脉冲频率为传输由于跳变的存在，编码后的脉冲频率为传输频率的频率的2 2倍，多占用信道带宽

19、。倍，多占用信道带宽。 g.差分曼切斯特码差分曼切斯特码n编码规则编码规则：以每位开始有无跳变表示数据，：以每位开始有无跳变表示数据，有跳变是有跳变是0 0，无跳变是，无跳变是1 1，中间的跳变仅表，中间的跳变仅表示时钟。示时钟。 h.h.传号反转码传号反转码（CMICMI）n编码规则编码规则： 1交替地用交替地用00和和11两位码表示，两位码表示，而而0则固定地用则固定地用01表示。表示。n某某CMI码如下，将其还原成二进码序列。码如下，将其还原成二进码序列。 CMI码：码： 011101010011010001 二进码序列：二进码序列：0100110102.2.2 模拟模拟数字数字的转换的

20、转换n 抽样抽样n 量化量化n 编码编码模拟信号模拟信号数字数字传输传输编码编码量化量化抽样抽样滤波滤波解码解码输出信号输出信号模拟信号的脉冲编码调制模拟信号的脉冲编码调制抽样抽样n抽样抽样 每隔一定的时间间隔每隔一定的时间间隔Ts，抽取模拟话音，抽取模拟话音信号的一个瞬时幅度值（抽样值）。信号的一个瞬时幅度值（抽样值）。n样值信号：幅度仍然是连续的，仍是模样值信号：幅度仍然是连续的，仍是模拟信号。拟信号。抽样要求抽样要求n要求：要求： a.为避免样值信号的相邻边带互相重迭，必须为避免样值信号的相邻边带互相重迭，必须满足抽样定理：满足抽样定理：fS2fm； b.用一个截止频率为用一个截止频率为

21、 m的低通滤波器，滤去大的低通滤波器，滤去大于于 m的全部高频分量；的全部高频分量；n例如：话音信号频率一般为例如：话音信号频率一般为 0.33.4kHz，加上，加上为保证不失真恢复所需的为保证不失真恢复所需的0.6 kHz的过渡带，取的过渡带，取fm=4kHz，则抽样频率，则抽样频率fS一般取一般取8000Hz。量化量化n量化：量化：把时间离散、幅度连续的模拟样值信号把时间离散、幅度连续的模拟样值信号（PAM）近似地变换为幅度离散的样值序列，）近似地变换为幅度离散的样值序列，并用有限个二进制数来表示。并用有限个二进制数来表示。n注意注意： a、量化过程是一个用数字量近似表示模拟量量化过程是一

22、个用数字量近似表示模拟量的过程，必然带来量化误差（即量化噪声）；的过程，必然带来量化误差（即量化噪声）； b、量化误差与量化级的大小有关；量化误差与量化级的大小有关； c、为了减小量化噪声，应优化量化方法，如为了减小量化噪声，应优化量化方法，如均匀量化和非均匀量化。均匀量化和非均匀量化。编码编码n编码编码：将经过抽样、量化的信号转换成数字编：将经过抽样、量化的信号转换成数字编码脉冲的过程。码脉冲的过程。nPCM编码标准的编码标准的A律折线压缩编码律折线压缩编码是直接非线是直接非线性编码。性编码。n在在13折线折线A律编码方式中，采用律编码方式中，采用8位位编码，其中编码，其中第一位表示正负极性

23、，后第一位表示正负极性，后7 位以普通二进制码位以普通二进制码表示幅值大小。表示幅值大小。n在我国和欧洲等国使用的在我国和欧洲等国使用的PCM30/32(Pulse-Code Modulation)基群中采用的基群中采用的A87.6/13折线折线压缩编码。压缩编码。编码原理编码原理y17/86/85/84/83/82/81/801/1281/641/321/161/81/41/2x161 21(8)(7)(6)(5)16等分A A律特性在正域的近似律特性在正域的近似11ln1ln110ln1xAAxAyAxAAxyA A律特性函数律特性函数8位码的编排位码的编排A律编码规则表律编码规则表举例举

24、例 某抽样量化后的电平为某抽样量化后的电平为i=434 ，按，按A律律13折线折线变为变为8位二进制码。位二进制码。n抽样值为正，故抽样值为正，故a1=1；n又又434 电平范围在电平范围在256 512 之间，故落入第之间，故落入第6量化段，量化段，a2 a3 a4 =101；n又该段的起始电平为又该段的起始电平为256 ，与，与434 相差相差178 ，区段内码区段内码a5 a6 a7 a8 =1011。n量化误差为量化误差为2 。最后的编码为。最后的编码为a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8=11011011。例题例题n抽样值为负，故抽样值为负，故a1=0；n1215 电平范围

25、在电平范围在1024 2048 之间，故落入第之间，故落入第8量量化段，化段，a2 a3 a4 =111；n第第8段的起始电平为段的起始电平为1024 ，与，与1215 相差相差191 ，区，区段内码段内码a5 a6 a7 a8 =0011，量化误差为，量化误差为 。n最后的编码为最后的编码为a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8=01110011。n已知已知A律律13折线编码器的输入折线编码器的输入PAM样值样值is=-1217，试求编码器输出的相应码字。试求编码器输出的相应码字。2.2.3数字数字模拟的模拟的转换转换n幅度键控（幅度键控（ASK）n频率键控（频率键控（FSK）n相位键控相位键控(PSK) 振幅键控（振幅键控（ASK）频移键控频移键控相移键控相移键控 比较：比较：nASK方式易受增益变化的影响，是一种效率较低的调制技方式易受增益变化的影响，是一种效率较低的调制技术。在音频电话线路上，通常只能达到术。在音频电话线路上，通常只能达到1200 b/s的传输速的传输速率；率； nFSK方式不易受干扰的影响，比方式不易受干扰的影响