遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)信息傳輸基礎(chǔ)

其次章、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)信息傳輸根底§2-1一、通信系統(tǒng)根本模型信息源發(fā)送設(shè)備信息源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備收信者其中，發(fā)送端的信息源把信息轉(zhuǎn)換成消息。為了使消息適合于在信道中傳送，由發(fā)送設(shè)備將它變換為信號(hào)后再送入信道。信道是指傳輸信號(hào)的通道。噪聲源是信道中的噪聲以及通信系統(tǒng)中其它各處噪聲的集中表示。

端 2-1型

由于噪聲的干擾，接收端收到的信號(hào)可能不同于發(fā)送端發(fā)出的信號(hào)。接收設(shè)備把收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為消息輸出，它是發(fā)送端發(fā)出的消息的近似或估量值，最終收信者將接收的消息轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的信息。消息帶有需要送給收信者的信息，有很多種形式，可分為連續(xù)消息和離散消息兩大類。連續(xù)消息是指連續(xù)變化的消息狀態(tài)，如強(qiáng)弱連續(xù)變化的語音等，連續(xù)消息也稱模擬消息。離散消息是指消息狀態(tài)是離散型的，如符號(hào)、文字等，離散消息也稱數(shù)字消息。為了傳遞消息，需要把各種消息轉(zhuǎn)換成肯定的信號(hào)。信號(hào)是消息的直接反映，通常用信號(hào)的某一參量來載荷消息，因此，信號(hào)是與消息一一對應(yīng)的，是消息的載荷者。在通信系統(tǒng)內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)，假設(shè)其參量對應(yīng)于模擬消息而取連續(xù)值，就稱為“連續(xù)信號(hào)”或“模擬信號(hào)”。假設(shè)信號(hào)參量的轉(zhuǎn)變在時(shí)間上是離散的，則稱為離散信號(hào)。假設(shè)信號(hào)參量的轉(zhuǎn)變不僅在時(shí)間上離散，而且取值也是離散的，則稱之為數(shù)字信號(hào)。通常把傳輸模擬信號(hào)的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，而把傳輸數(shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)指出，模擬信號(hào)并非必需要在模擬通信系統(tǒng)中傳輸。也可以把模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以數(shù)字通信方式傳至對方。在接收端再進(jìn)展數(shù)模變換，復(fù)原為模擬信號(hào)。與模擬通信相比，數(shù)字通信主要有以下優(yōu)點(diǎn)：抗干擾力量強(qiáng)。由于信號(hào)以數(shù)碼形式傳送，信號(hào)被噪聲干擾后，如尚未惡化到造成過失，就可用再生的方法來整形。在遠(yuǎn)距離傳送信號(hào)時(shí)，各中繼站就可通過再生來消除噪聲的積存。即使由于噪聲的干擾使數(shù)碼消滅過失，也可承受過失掌握技術(shù)來覺察甚至加以訂正。便于使用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對數(shù)字信號(hào)進(jìn)展處理?？梢詡鬟f各種消息，使通信系統(tǒng)變得通用、敏捷。此外，數(shù)字信息便于保密處理，易于實(shí)現(xiàn)保密通信。數(shù)字通信系統(tǒng)還有易于集成化、體積小、重量輕、牢靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，現(xiàn)代遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)均承受數(shù)字通信技術(shù)。數(shù)字通信較突出的缺點(diǎn)是，它占用的信道頻帶通常較模擬通信要寬得多。以為例，一路模擬通常占4kHz帶寬，但一路數(shù)字就要占幾十kHz的帶寬。隨著微波信道及光纖信道等的日益進(jìn)展，信道能供給的頻帶寬度可達(dá)幾十MHz、幾百M(fèi)Hz，甚至更多，因而數(shù)字通信占用頻帶較寬的沖突逐步得到了緩解。數(shù)字通信系統(tǒng)模型見圖2-2。其中信源編碼是將信息源送出的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合要求的數(shù)碼序列，包括用來提高傳輸有效性而實(shí)行的信號(hào)處理功能以及前面提到的數(shù)字加密功能。信道編碼是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)目的的糾錯(cuò)編碼，它是給數(shù)碼序列按肯定規(guī)章參加監(jiān)視碼元，使接收端能覺察或訂正錯(cuò)誤碼元，用于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦慰啃裕@稱為過失掌握技術(shù)。調(diào)制器是將信道編碼輸出的數(shù)碼變換為適于在信道上傳送的調(diào)制信號(hào)后再送往信道，而解調(diào)器則將收到的調(diào)制信號(hào)復(fù)原為數(shù)字序列。解調(diào)是調(diào)制的逆過程。信道是傳送信號(hào)的媒質(zhì)。信道譯碼對收到的數(shù)碼系列進(jìn)展檢錯(cuò)或糾錯(cuò)譯碼。信源譯碼則把經(jīng)信道譯碼處理后的數(shù)字序列變換為相應(yīng)的信號(hào)后送給收信者。同步同步信息源信源編碼同步同步信息源信源編碼信道編碼調(diào)制器信道解調(diào)器信道譯碼信源譯碼收信者2-2二、數(shù)字通信系統(tǒng)的工作方式數(shù)字通信系統(tǒng)的工作方式依據(jù)消息傳送的方向和時(shí)間，可分為單工通信，半雙工通信和全雙工通信等三種方式。單工通信是指消息只能按一個(gè)方向傳送的工作方式，如圖2-3(a)。半雙工通信是指消息可以雙向傳輸，但兩個(gè)方向的傳輸不能同時(shí)進(jìn)展，只能交替進(jìn)展。圖2-3(b)為半雙工交替切換通信方向示意圖。全雙工通信是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)展雙向傳送消息的工作方式，見圖2-3(c)。

發(fā)送端發(fā)送端信 道接收端接收端發(fā)送端發(fā)送端發(fā)送端信 道接收端接收端發(fā)送端接收端信 道信 道接收端發(fā)送端發(fā)送端信 道接收端(c)全雙工圖2-3數(shù)字通信系統(tǒng)的工作方式三、波特率與比特速率在數(shù)字式遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中，消息是以數(shù)字方式傳送的。開關(guān)位置狀態(tài)，測量值或遠(yuǎn)動(dòng)命令等都編成數(shù)字代碼，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理信號(hào)，如電脈沖等，再經(jīng)過適當(dāng)變換后由信道傳送給對方。常用的是二元制代碼“0”和“1”。如以幅值為E的脈沖代表“1”，幅值為0的脈沖代表“0”，可表示一種形式的二元制電信號(hào)。代碼的每一根本單元稱為碼元。通常碼元的寬度相等。假設(shè)某事物具有兩種可能的狀態(tài)，就可以用一位二元制碼元來表示，例如商定以“10”表示斷路器為斷開狀態(tài)。假設(shè)事物可能消滅的狀態(tài)數(shù)大于2，則可用幾位二元制碼元的組合來表示。除二元制碼以外，也可以用多元制碼來表示和傳送消息。如假設(shè)以幅值為E、2E/3、E/3和0的脈沖分別代表四元制中的“3”、“2”、“1”和“0”，則可表示一種四元制電脈沖信號(hào)。當(dāng)某事物具有四種可能的狀態(tài)時(shí)，用一位四元制碼即可表示該事物的狀態(tài)。假設(shè)用二元制碼來表示這四種狀態(tài)，至少要 2位，如分別用11、10、01和00來表示。一般而言，一位N元碼用二元碼來表示時(shí)要n位，n與N的關(guān)系應(yīng)滿足2n≥N，即n≥log2N。消息傳送的速度可以用每秒傳送的碼元數(shù)來衡量，稱為碼元速率，單位為波特〔Baud，簡稱Bd〕，如每秒傳送600個(gè)碼元，其碼元速率就是600Bd。碼元速率也稱波特率，它僅表征每秒傳送的碼元數(shù)，并未說明該碼元是二元制的，還是哪一種多元制的。數(shù)字通信中的傳輸速率也可用信息傳輸速率來表征。信息傳輸速率又稱信息速率或比特速率，定義為每秒傳送的信息量，單位是比特/秒〔bit/s〕。比特〔bit〕在信息論中是衡量信息的單位。通信系統(tǒng)中傳輸?shù)木唧w對象是消息，但通信的最終目的在于傳遞信息。日常生活中，往往把“信息”的概念和“數(shù)據(jù)”、“情報(bào)”、“資料”、“狀況”、“學(xué)問”等概念混為一談。實(shí)際上信息和消息是有差異的。信息可理解為消息中所包含的有意義的內(nèi)容。消息中所含信息的多少，可用“信息量”來衡量。假設(shè)一個(gè)消息所表示的是必定大事，即該大事發(fā)生的概率為1，則對收信者來說毫無意義，得不到什么信息，其信息量為零。假設(shè)消息所表示的是很少發(fā)生的大事，則收信者感到意義很大，得到了不少信息，這個(gè)消息就具有較大的信息量。因此，消息中所含的信息量與消息所表示的大事發(fā)生的概率嚴(yán)密相關(guān)。大事消滅的概率越小，則消息所包含的信息量就越大。在信息論中，將消息所含信息量I定義為：I=loga(1/p)=-logap式中，P——消息所表示的大事消滅的概率。上式中，假設(shè)對數(shù)底a=2，則信息量的單位為比特〔bit〕；假設(shè)a=e，則單位為奈特〔nit〕，1奈特=log2e=1.443比特；假設(shè)a=10，則單位為哈特萊。其中應(yīng)用最廣泛的單位是比特。它代表消滅概率為1/2時(shí)的消息所含有的信息量。在通信系統(tǒng)中，當(dāng)所傳送的消息是兩個(gè)等概率的消息之一時(shí)，任一消息所含有的信息量為1比特。二進(jìn)制通信系統(tǒng)中，假設(shè)“0”和“1”消滅的概率相等，則每個(gè)二元制碼元所含所含的信息量為1。此時(shí)，信息速率和碼元速率在數(shù)值上一樣，單位不同。例如每秒傳送600個(gè)二元制碼元，其信息速率為600bit/s，而碼元速率為600Bd。對于N元制數(shù)碼，在等概率狀況下，由于它的每一碼元所含的信息量為I=log2N〔bit〕 (2.1)因此，假設(shè)N元制的碼元速率為RBN〔Bd〕，則其信息速率R為bRb=RBNlog2N(bit/s) (2.2)比特〔bit〕這個(gè)術(shù)語除作為信息量的單位外，在數(shù)字通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)中，常把二元制的一個(gè)碼元稱為1比特，比特一詞一般又作為一位二元制數(shù)的簡稱?！?-2信道就是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?。在遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中各站之間的連系，都是通過信道來完成的。信道中不行避開地存在干擾和噪聲。本節(jié)中先爭論電力系統(tǒng)中承受的一些信道，然后介紹干擾的一般特性。一、信道信道可以簡潔地分為有線信道和無線信道兩大類。明線、電纜、電力線載波和光纖通信等都是有線信道，而短波、散射、微波中繼和衛(wèi)星通信等都是無線信道。可概括劃分為： 實(shí)線通信 明線載波通信 有線通信載波通信 電纜載波通信 光纖通信 電力線載波通信 通信 微波中繼通信 衛(wèi)星通信無線通信

散射通信短波通信此外，通信中所使用的頻率不同，其傳播的方法，信道制式，回路方式及通信設(shè)備2-1所示。實(shí)線通信實(shí)線通信是通信中最原始的一種。把兩只機(jī)連接到通信線上，就可以在機(jī)之間進(jìn)展通話。機(jī)把聲音信號(hào)變成電流信號(hào)送出，經(jīng)過通信線，在接收端再把收到的電流信號(hào)變成聲音信號(hào)來完成通話任務(wù)，通信線有明線、電纜和雙絞線等。我們用一般聲音講話時(shí)，送到通信線上的功率約為1mW〔毫瓦〕，即0dB〔分貝〕。機(jī)的輸出，通信線的傳輸損失和收信功率之間的關(guān)系如下式所示：收信電平〔dB〕=發(fā)信電平〔dB〕-傳輸損失〔dB〕收信電平S〔dB〕＞噪聲電平N〔dB〕當(dāng)S/N越大，通話時(shí)噪聲干擾越?。环粗?，噪聲干擾越大。定義信號(hào)平均電平與噪聲平均電平的比值為信號(hào)噪聲比，簡稱信噪比或信雜比。假設(shè)收信功率為s〔mW〕，噪聲功率為n〔mW〕，則信噪比〔S/N〕為：信噪比〔S/N〕=10lg〔s/n〕〔dB〕實(shí)線通信的線路傳輸損失較大，因而其信噪比也較小，此外，波形失真和延遲也比較嚴(yán)峻。所以這種通信線路傳輸距離很短，一般用于供電和配電系統(tǒng)中。明線載波通信明線載波通信，是把音頻〔15kHz〕沿明線通信線路傳輸?shù)?。在發(fā)送端，把音頻信號(hào)調(diào)制成高頻信號(hào)；在接收端，再把高頻信號(hào)解調(diào)成音頻信號(hào)。架空明線的導(dǎo)線有銅線、銅包鋼線、鐵

2-1頻率通稱10kHz10kHzVLF｝頻率通稱10kHz10kHzVLF｝長波30kHzLF(lowfreg)90kHz100kHZ｝300kHz中波MF3MHz30MHz300MHzHFVHF｝｝｝短波30MHz3000MHzUHFSHF300MHz微米30000MHZ300000MHz3000000MHzEHF30000MHz｝300000MHz電纜載波假設(shè)干根相互絕緣的導(dǎo)線包在同一護(hù)套之中，構(gòu)成多股電纜。電纜線主要由芯線、芯線間的絕緣介質(zhì)和外面的護(hù)套組成。按頻率特性不同，有音頻電纜和高頻電纜兩種。與架空明線相比，電纜的優(yōu)點(diǎn)是：容納線對的數(shù)量可以很多；受氣候的影響和人為的損害較小；敷設(shè)在地下時(shí)，保密性比較好。其缺點(diǎn)是：衰耗比明線大得多；同時(shí)投資也比明線大。電業(yè)局、電力局、電管局的調(diào)度所到發(fā)電廠和變電所用此種信道比較多。同軸電纜的高頻特性格外好，通常使用在大于2023MHz的載波頻段上。它可以進(jìn)展數(shù)百路通信。另外，在輸電線架空地線上鑲嵌電纜進(jìn)展通信，原東德電力系統(tǒng)中使用較多，我國在試驗(yàn)中。電力線載波電力線載波通信方式使用的通信線是電力線。電力線分為輸電線和配電線兩種，電力線載波通信方式也分為輸電線載波方式和配電線載波方式。電力線載波傳輸方式有四種：〔a〕一線對地結(jié)合傳輸方式；〔b〕二線對地結(jié)合傳輸方式；〔c〕相間結(jié)合傳輸方式；〔d〕回路間結(jié)合傳輸方式。如圖2-4所示。電力線載波通信特性打算于電力線的構(gòu)造尺寸〔長度、線種、地面高度、導(dǎo)線排列有無換位和分支等〕，大地導(dǎo)電率和殘相〔非結(jié)合相〕的狀況等種種因素。由于影響的因素很多，對每一條輸電線來說，通信特性都是不同的。除超高壓輸電線以外，一般換位后能保持線路特性的對稱性，因而認(rèn)為結(jié)合哪一相都一樣。圖2-5是遠(yuǎn)動(dòng)與載波復(fù)用的電力線載波信道。一個(gè)電話話路的頻率范圍為0.3～3.4kHz，為了使遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)與載

載波機(jī)

波復(fù)用，通常規(guī)定載波占用頻率范圍為0.3～2.5kHz的音頻段，而遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)占用2.7～3.4kHz的上音頻段。遠(yuǎn)動(dòng)的數(shù)字脈沖信號(hào)在送入載波機(jī)之前，要經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制成2.7～3.4kHz的信號(hào)，然后送入

(a)一線對地 (c)相間結(jié)合載波機(jī)與信號(hào)合并成0.3～3.4kHz的音頻信號(hào)。電力線載

2-4

波機(jī)經(jīng)過兩次調(diào)制，將頻率搬移到載波通信頻段40～500kHz，在經(jīng)功率放大器將信號(hào)放大后，經(jīng)結(jié)合設(shè)備隔離高壓，將信號(hào)送到高壓電力線路上去。圖中的阻波器是防止高頻信號(hào)流向母線，防止載波信號(hào)的功率損失。高頻載波信號(hào)沿高壓電力線路傳向接收端。在接收端。載波信號(hào)經(jīng)結(jié)合設(shè)備進(jìn)入載波機(jī)。經(jīng)過300kHz、12kHz兩次解調(diào)后，變成0.3～3.4kHz的音頻信號(hào)。0.3～2.3kHz的低通濾波器將信號(hào)濾出，2.7～3.4kHz高通濾波器將遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)濾出。再經(jīng)遠(yuǎn)動(dòng)接收裝置本身的解調(diào)器復(fù)原成數(shù)字脈沖序列。圖中的高通濾波器用于防止音頻與遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)的上音頻之間的串?dāng)_。光導(dǎo)纖維通信光纖通信是70年月進(jìn)展起來的的通信技術(shù)。光纖通信以光導(dǎo)纖維作為信道來傳送光信號(hào)。光導(dǎo)纖維是利用各種玻璃和塑料制成。單根光導(dǎo)纖維是用具有較低折射率的二氧化硅組成敷層〔即包層〕，圍繞具有高折射率的摻雜二氧化硅纖芯制成。該敷層使里面的纖維與外界“絕緣”，以便阻擋相鄰話路串話。光纜由一捆光導(dǎo)纖維組合而成。光導(dǎo)纖維通信的優(yōu)點(diǎn)是不受外界電磁場的干擾，所以特別適用于電力系統(tǒng)。光導(dǎo)纖維的使用頻率高，通信容量大，衰耗小，誤碼率低(中繼距離為5～8km時(shí)，Pe<10-9)，抗腐蝕，保密性好。目前光纖通信在我國電力系統(tǒng)正處于試用階段。由于光纖信道的上述優(yōu)點(diǎn)，可以估量光纖通信是電力系統(tǒng)中很有進(jìn)展前途的通信方式。微波中繼通信微波是指頻率為300MHz～300GHz〔波長為1mm～1m〕的無線電波。微波具有類似光的直線傳輸特性，其繞射力量很弱。由于地球是一個(gè)球體，所以微波的直線傳輸距離就受到限制，一般在平原地區(qū)，一個(gè)50m高的微波天線，通信距離為50km左右。為了增加通信距離，通常承受中繼接力方式。在視距范圍內(nèi)設(shè)一個(gè)微波站，將信號(hào)接收下來加以放大后在發(fā)送出去，這就是中繼轉(zhuǎn)發(fā)。利用多級(jí)中繼站可以使微波通信距離大大增加。微波中繼通信的優(yōu)點(diǎn)是：微波頻段頻帶很寬，可以容納數(shù)量很多的無線電頻道而不致相互干擾；微波收發(fā)信機(jī)的通頻帶可以做得很寬，用一套設(shè)備可作很多路的通信；受外界干擾小，通信穩(wěn)定；方向性強(qiáng)，保密性好；每公里話路本錢比有線通信低。但微波中繼通信設(shè)備比較簡單，技術(shù)水平要求高。微波中繼站按其工作方式分為：有源站和無源站。無源站又可分為天線直接連接的無源方式、反射板無源方式和繞射網(wǎng)無源方式等。目前我國電力系統(tǒng)中，這種信道主要用于通信主干線。從電管局調(diào)度所到省電力局調(diào)度所及各大發(fā)電廠、大變電所之間差不多都有微波通信信道連接。電力線電力線結(jié)合設(shè)備

12kHz 4kHz帶帶帶帶低調(diào)通放調(diào)通放通通解放解通制濾大制濾大濾濾調(diào)大調(diào)濾器波器器波器波波器器器波器器器器器12kHz

300kHz

300kHz話

低高高低低高高低通調(diào)通通解通濾制濾濾調(diào)濾波器器波器波器器波器

2-5

衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電信號(hào)，在兩個(gè)或多個(gè)地面站之間進(jìn)展通信。和微波通信相比，衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)是不受地形和距離的限制，通信容量大，不受大氣騷動(dòng)的影響，通信牢靠。凡在需要通信的地方，只要設(shè)立一個(gè)衛(wèi)星通信地面站，便可以利用衛(wèi)星進(jìn)展轉(zhuǎn)接通信。通信衛(wèi)星，按其構(gòu)造可分為有源衛(wèi)星和無源衛(wèi)星，按其運(yùn)行軌道可分為同步衛(wèi)星和運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星。衛(wèi)星通信使用的頻率為：上行〔地球→衛(wèi)星〕，5925～6425MHz；下行，3700～4200MHz。目前這種通信主要用于電力系統(tǒng)的遙遠(yuǎn)省份，作遠(yuǎn)距離通信。對流層散射通信散射通信是利用對流層中介質(zhì)對超短波或微波的散射作用，在兩點(diǎn)之間進(jìn)展無線電通信。散射通信使用的頻率有兩種，微波頻率和特高頻頻率。電波通過對流層散射之后，到達(dá)接收端的強(qiáng)度很弱。因此，為了實(shí)現(xiàn)牢靠通信，必需承受大功率放射機(jī)〔500瓦以上至幾十千瓦〕、高靈敏度接收機(jī)和方向性很強(qiáng)的高增益天線。目前這種信道主要用于地形簡單〔如跨越高山、湖沼或海灣等〕，通常微波中繼達(dá)不到的地段，作 100～300km的大跳越通信。特高頻通信特高頻通信利用頻率為30MHz～500MHz的無線電波來進(jìn)展的通信。主要靠空間波，其次靠山峰繞射傳播。它使用的容量為1～24路，距離在100km左右狀況下比較經(jīng)濟(jì)。這種信道在電力系統(tǒng)中用于較短距離。如供電局至四周幾十公里范圍內(nèi)變電所之間，往往承受特高頻通信。在上述各種通信方式中，目前電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)中常用的通道主要是電力線載波信道和微波信道，并以電力線載波信道為最多。二、干擾信道可以抽象為一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)。設(shè)其輸入信號(hào)為 Si(t)，輸出信號(hào)為So(t)，干擾為n(t)，則有：So(t)=f[Si(t)]+n(t) (2.3)式中，f[Si(t)]表示輸入信號(hào)Si(t)通過網(wǎng)絡(luò)后產(chǎn)生的響應(yīng)。設(shè)f[Si(t)]=k(t)Si(t)，則有的：So(t)=k(t)Si(t)+n(t) (2.4)假設(shè)k(t)不是常數(shù)，導(dǎo)致輸出波形不同于輸入波形，我們也稱之為干擾。明顯這種干擾以相乘的方式消滅，稱為乘性干擾。上式中的干擾n(t)Si(t)而獨(dú)立存在，即以相加的方式消滅，稱之為加性干擾，所以信道上的干擾可以分為兩類，即加性干擾和乘性干擾。大量觀看說明，很多信道的k(t)是一個(gè)常數(shù)，或者變化很緩慢，這種信道稱為恒參信道，如遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中常用的有線、載波、微波和光纖信道等都可看作是恒參信道。在恒參信道中，干擾以加性干擾的形式消滅。在短波電離層反射、超短涉及微波對流層散射、超短波電離層散射等無線電信道中，k(t)是隨機(jī)快速變化的，這種信道稱為變參信道。加性干擾的來源是多方面的，主要是人為干擾、自然界干擾以及內(nèi)部干擾。人為干擾來源于一些獨(dú)立的其它信號(hào)源，如電氣設(shè)備操作所造成的干擾、外界電臺(tái)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的電火花、閃絡(luò)、電焊干擾等。自然界干擾是指自然界存在的各種電磁波，例如，閃電、大氣中的電暴以及各種宇宙噪聲等。內(nèi)部干擾是指系統(tǒng)或設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲，如導(dǎo)電體中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)〔常稱為熱噪聲〕、真空管中電子的起伏放射和半導(dǎo)體中載流子的起伏變化〔常稱為散彈噪聲〕及電源哼聲等。某些加性噪聲是無法避開的，并且不能推測它們的準(zhǔn)確波形。這種不能推測的干擾，統(tǒng)稱為隨機(jī)干擾或隨機(jī)噪聲。根本的隨機(jī)干擾有連續(xù)波干擾、脈沖干擾和起伏干擾三種形式。其中：連續(xù)波干擾是一種單頻噪聲，如外臺(tái)信號(hào)，它可看作是一個(gè)正弦波，但其幅度、頻率及相位都是事先不能預(yù)知的。這種干擾的特點(diǎn)是占有極窄的頻帶，并可能對傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。脈沖干擾是在時(shí)間上無規(guī)章的時(shí)而安靜、時(shí)而突發(fā)的噪聲，如電氣設(shè)備的操作、工業(yè)設(shè)備的電火花、閃電、閃絡(luò)等。這種干擾的特點(diǎn)是突發(fā)的幅度大，但單個(gè)突發(fā)脈沖持續(xù)的時(shí)間短，并且相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間常有一段較長的時(shí)間間隔。從頻譜上看，脈沖噪聲從甚低頻到高頻具有較寬的頻譜，但頻率越高，其頻譜成分就越小。起伏干擾是以熱噪聲、散彈噪聲及宇宙噪聲為代表的干擾。其特點(diǎn)是無論在時(shí)域內(nèi)或者在頻域內(nèi)總是普遍存在和不行避開的。在信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，最根本的干擾是起伏干擾。無論是熱噪聲、散彈噪聲，還是宇宙噪聲，都符合高斯分布規(guī)律，因而通稱為高斯噪聲。高斯噪聲在整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有平坦的功率譜密度，又稱為白噪聲，所以起伏干擾被認(rèn)為是高斯白噪聲。白噪聲是均勻分布的，其噪聲功率譜密度N是常數(shù)。設(shè)信道的帶寬為B〔Hz〕，則在0信道整個(gè)頻帶內(nèi)的總噪聲功率σ2〔W〕表示為：σ2=N0B (2.5)式中，σ2為白噪聲幅值分布概率的方差。三、信道的根本特性信道用來傳輸信號(hào)。在傳輸過程中信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減和相移，這與信道的衰減頻率特性和相移頻率特性有關(guān)。衰減頻率特性是信號(hào)通過信道后其衰減量隨頻率變化的特性。抱負(fù)信道的衰減頻率特性是一條水平直線，它表示各頻率重量經(jīng)過信道傳輸后有一樣的衰減，因而不會(huì)造成幅度失真。實(shí)際信道對各種頻率可能有不同的衰減，信號(hào)通過時(shí)會(huì)產(chǎn)生幅度失真。圖2-6(a)0.5mm線徑的音頻電纜的衰減頻率特性，從圖中可以看出，頻率越高，衰減越大。為了削減線路上的衰減，可在電纜中串接電感，成為加感電纜。加感后的衰減特性如圖2-6(a)中虛線所示。載波線路的衰減頻率特性一般在傳輸頻帶的邊緣處陡峭上升。圖2-6(b)是僅經(jīng)過一次話音頻帶調(diào)制的典型載波線路的衰減頻

0.5mm0.5mm3210 1 2 3

432104 0.2 1.0 2.0 3.03.4率特性。在頻帶邊緣處衰減陡峭上升主要是由于調(diào)制解調(diào)過程中承受了分路帶通濾波器的原因。音電纜 f(kHz) (b)載電路 f(kHz)2-6衰減不均勻會(huì)使信號(hào)的幅度頻譜產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致信號(hào)波形的幅度失真。信道的衰減頻率特性可用信道的通帶寬度〔簡稱信道的帶寬〕這一指標(biāo)來表征。在信道帶寬范圍內(nèi)要求衰減量的波動(dòng)小于3dB，在通帶外的衰減值可能很大。信號(hào)的帶寬必需與信道的帶寬相匹配。假設(shè)信號(hào)帶寬超過信道的帶寬，則有一局部信號(hào)的頻率重量就會(huì)嚴(yán)峻衰減，造成信號(hào)波形失真。相移頻率特性是指信號(hào)通過信道后，相移量隨頻率變化的特性。信號(hào)相位的滯后實(shí)際上是信號(hào)在時(shí)間上的時(shí)延。相移α和時(shí)延t之間的關(guān)系是：t=α/ω (2.6)式中，ω為角頻率。因此，信道的相移頻率特性也是信道的時(shí)延頻率特性。抱負(fù)信道的相移頻率特性是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，對信號(hào)的各種頻率重量都有一樣的時(shí)延，因而無失真。實(shí)際中信道對各種頻率會(huì)有不同的相移，因而可能造成信號(hào)波形失真。一般要求在信道的帶寬范圍內(nèi)，信道時(shí)延的相差不能太大，否則，必需實(shí)行措施，以補(bǔ)償相位的失真。四、信道容量信道容量C是指信道可能傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾省布葱诺滥艿竭_(dá)的最大傳輸力量〕。依據(jù)香農(nóng)信息論，對于連續(xù)信道，假設(shè)信道帶寬為B，并且受到加性高斯白噪聲的干擾，則其信道容量的理論公式為：C=B·log〔1+S/N〕〔b/s〕 (2.7)2其中N為白噪聲的平均功率；S為信號(hào)的平均功率；S/N為信噪比。式(2.7)是在肯定條件下獲得的〔要求輸入信號(hào)也為高斯信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)上述可能性〕，但對其他狀況也可作為近似公式來應(yīng)用。香農(nóng)公式的嚴(yán)格證明比較簡單，已超出了本書的范圍。依據(jù)上述公式可以得出以下重要結(jié)論：任何一個(gè)信道都有信道容量。假設(shè)信源的信息速率小于或等于信道容量C，則在理論上存在一種方法使信源的輸出能以任意小的過失概率通過信道傳輸；反之，無過失傳輸在理論上是不行能的。對于給定的信道容量C，可以用不同的帶寬和信噪比的組合來傳輸信號(hào)。假設(shè)減小帶寬，則必需發(fā)送較大的功率，即增大信噪比S/N。反之，假設(shè)有較大的傳輸帶寬，則同樣的信道容量能夠用較小的信號(hào)功率〔即較小的S/N〕來傳送信號(hào)。這說明寬帶系統(tǒng)有較好的抗干擾性。因此當(dāng)信噪比太小，不能保證通信質(zhì)量時(shí)，可承受寬帶系統(tǒng)，用增加帶寬來提高信道容量，以改善通信質(zhì)量。這就是通常承受的用帶寬換功率的措施。但應(yīng)指出，帶寬和信噪比的互換過程并不是自動(dòng)的，必需借助于變換信號(hào)使之具有所要求的帶寬來實(shí)現(xiàn)帶寬和信噪比的互換。實(shí)際上這是由各種類型的調(diào)制和編碼來完成的。調(diào)制和編碼過程就是實(shí)現(xiàn)帶寬和信噪比之間互換的手段。當(dāng)信道噪聲為高斯白噪聲時(shí)，香農(nóng)公式中的噪聲功率不是常數(shù)而與帶寬B有關(guān)。假設(shè)設(shè)單位頻帶內(nèi)的噪聲功率為n0(W/Hz)，N=n0B，代入式(2.7)后可得：C=B·log2[1+S/(n0B)] (2.8)當(dāng)帶寬B趨于∞時(shí)的信道容量C將為：lim C = lim Blog

S 1

1.44S

(2.9)2B B

n0B n00由此可知，當(dāng)S和n肯定時(shí)，信道容量雖然隨帶寬B的增大而增大，但當(dāng)B→∞時(shí)，信道容00量C趨于常數(shù)1.44S/n。0由于信息速率C=I/T，T為傳輸時(shí)間，代入式(2.7)可得：I=T·B·log2〔1+S/N〕 (2.10)S/N肯定時(shí)，給定的信息量I可以用不同的帶寬B和傳輸時(shí)間T的組合來傳輸。同帶寬與信噪比互換類似，帶寬和傳輸時(shí)間也可以互換。例2,1彩色電視圖象由5×105個(gè)象素組成。設(shè)每個(gè)象素有64種彩色度，每種彩色度有16個(gè)亮度等級(jí)。假設(shè)全部彩色度和亮度等級(jí)的組合時(shí)機(jī)均等，且統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，(1)試計(jì)算每秒傳送100個(gè)畫面所需的信道容量；(2)假設(shè)接收機(jī)信噪比為30dB，為了傳送彩色圖象所需信道帶寬是多少？(1)信息/=log2(64×16)=10bit信息/=10×5×105=5×106bit信息速率R=100×5×106=5×108bit/秒由于R必需小于或等于C，所以信道容量CR=5×108bit/秒(2)令S/N=1000代入式(2.7)，得：Bmin=C/[log2(1+S/N)]=5×108/log21001≈50MHz例2.2 設(shè)有一個(gè)圖象要在線路中實(shí)現(xiàn)傳輸。大約要傳輸2.25×106個(gè)象素，每個(gè)象素有12個(gè)亮度等級(jí)。假設(shè)全部亮度等級(jí)都是等概率的，線路具有3kHz帶寬和30dB信噪比。試求在該標(biāo)準(zhǔn)線路上傳輸一張圖片需要的最小時(shí)間。信息/=log212=3.58bit信息/=3.58×2.25×106=8.06×106bit信道容量C=B·log〔1+S/N〕=3×103log

〔1+1000〕≈29.9×103bit/秒2 2最大信息速率Rmax=8.06×106/T由于R必需大于或等于C，故Rmax=C，于是得到傳輸一張圖片所需的最小時(shí)間為：T=8.06×106/(29.9×103)=0.269×103=4.5分§2-3為了滿足電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化的需要，要求遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒘扛裢獯?，且信息傳送的距離可達(dá)幾十、幾百甚至上千公里，假設(shè)承受近距離并行直接傳送的方法，則在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是行不通的，這是由于信號(hào)衰減和并行直接傳送費(fèi)用太大的原因。因此，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)承受在一個(gè)信道上能傳送多路信號(hào)的技術(shù)，稱為多路復(fù)用。目前廣泛應(yīng)用的多路傳輸體制有頻分多路制、時(shí)分多路制和碼分多路制三種。頻分多路傳輸是頻率分割制，各路信號(hào)的差異是傳輸頻率不同，接收端利用帶通濾波器把不同的頻率分割開來。時(shí)分多路傳輸是時(shí)間分割制，將各種不同的信號(hào)按先后挨次安排在不同的時(shí)間間隔中傳送，在接收端依次接收各個(gè)時(shí)間間隔的信號(hào)。碼分多路傳輸是碼型分割制，各種信號(hào)的差異是傳輸碼型〔或波型〕構(gòu)造不同，在接收端利用只對特定碼型起反響的相關(guān)檢測器來區(qū)分各路信號(hào)。在電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)中承受的是頻分多路制和時(shí)分多路制，且主要是承受時(shí)分多路制。因此，在本節(jié)中我們簡要介紹頻分多路制和時(shí)分多路制的根本原理。一、頻分多路制調(diào)制能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜搬移。頻分多路制就是基于利用調(diào)制進(jìn)展頻譜搬移原理實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際信號(hào)的帶寬是有限的，而信道供給的帶寬可以比信號(hào)帶寬大得多，此時(shí)可把各路信號(hào)安排在互不重疊的頻段內(nèi)，在一個(gè)信道上傳送，這就實(shí)現(xiàn)了頻分多路制。具體地講，在發(fā)送端，通過調(diào)制將各路信號(hào)的頻譜搬移到相互不重疊的頻帶內(nèi)，然后由一個(gè)信道把它們一起傳輸出去；在接收端利用中心頻率不同的帶通濾波器，將各路信號(hào)分開，再進(jìn)展解調(diào)，恢復(fù)出原來被傳輸?shù)母髀沸盘?hào)。從而到達(dá)了一個(gè)信道傳輸多個(gè)信號(hào)的目的。這里，信號(hào)是以它們在頻域內(nèi)所占不同的頻帶位置來區(qū)分的，因此稱為頻率分割多路傳輸或復(fù)用體制，簡稱頻分多路制〔FDM〕。頻分多路制的傳輸原理如圖2-7所示。設(shè)在發(fā)送端要傳輸n個(gè)遙測量，它們通過變送器變換成相應(yīng)的電信號(hào)，分別為f1(t)fn(t)，其相應(yīng)的頻譜為F1(ω)、?、Fn(ω)，如圖2-8(a)所示。為了便于爭論，假定各路信號(hào)均占有0至Bf的一樣頻帶寬度。n個(gè)信號(hào)分別通過一個(gè)低通濾波器，以保證它們的頻帶不會(huì)超過Bf。由于這些信號(hào)在頻率軸上占據(jù)同一頻帶，假設(shè)將它們直接加于同一信道上傳輸，接收端將無法加以區(qū)分。ω因此必需將它們的頻譜F1(ω)、?、Fn(ω)進(jìn)展“搬移”，使其在頻率軸上互不重疊。為ω此，各路信號(hào)都要有一個(gè)副載波振蕩器，以便產(chǎn)生頻率為ω

、?、1

的正弦波，將信號(hào)nf1(t)、?、fn(t)分別對它們進(jìn)展調(diào)制以實(shí)現(xiàn)頻譜搬移。這種調(diào)制稱為第一次調(diào)制或副載波調(diào)制。這一組正弦波稱為副載波，相應(yīng)的頻率稱為副載頻。各已調(diào)副載波的頻譜如圖2-8(b)。只要副載頻選得適宜，它們就可互不重疊。然后，將各路已調(diào)副載波相加，形成合成信號(hào)或稱群信號(hào)S∑(ω)〔見圖2-8(c)〕。為了限制已調(diào)副載波所占用的頻帶，在相加器之前，每一路都設(shè)一個(gè)帶通濾波器。多路信號(hào)屬于基帶信號(hào)，可直接通過電纜或?qū)Ｓ脤?dǎo)線傳送到接收端。但在很多系統(tǒng)中，例如電力線載波、微波等信道中，還要求把合成信號(hào)再次調(diào)制，搬移到更高頻率上發(fā)送，見圖2-8(d)。這種其次次調(diào)制稱為二次調(diào)制或主載波調(diào)制。接收端信號(hào)的解調(diào)過程是發(fā)送端調(diào)制的逆過程。首先接收機(jī)將收到的信號(hào)進(jìn)展第一次解調(diào)，也稱主載波解調(diào)，得到多路合成信號(hào)S∑(ω)。然后將S∑(ω)加到n個(gè)并聯(lián)的分路濾波器上，各個(gè)分路濾波器的中心頻率分別對應(yīng)于發(fā)送端的副載波頻率ω1、?、ωn。各分路濾波器只讓自己所對應(yīng)的那一路信號(hào)通過，從而實(shí)現(xiàn)了各路信號(hào)的頻率分割。由各路濾波器輸出的信號(hào)加到對應(yīng)的副載頻解調(diào)器進(jìn)展二次解調(diào)，復(fù)原成原始信號(hào)，即可得到所傳輸?shù)母髀沸盘?hào)f1(t)、?、fn(t)。f(t)1

低通

ω1ω2

帶通

S(ω)1相

S(ω)∑ ↓主載↓波 ∑

S(ω)∑主載波

分路

S(ω)1S(ω)2

ω2

f(t)1fn(t)

ωn

濾器 S(ω) 加2器

調(diào) 調(diào)制 信道 制器 Ss(ω) 器

Sn(ω)

ωn

f2(t)低通

Sn(ω)2-7

分路

fn(t)F(ω)1ωF(ω)1ωS(ω)1ωS(ω)∑ω0 Bf

0 ω1

0 ω1 ωn2BfωsωωSωsωωSn(ω)ωSSs(ω)0 ωs-ωn

ωs-ω1 ωs+ω1 ωs+ωn2-8二、時(shí)分多路制時(shí)分多路傳輸是在一個(gè)信道上按時(shí)間挨次傳輸多路信號(hào)。明顯，這時(shí)各路信號(hào)應(yīng)是離散的脈沖信號(hào)。遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中遙測量一般是連續(xù)變化的模擬量信號(hào)，因此必需把它變成離散信號(hào)后，才能承受時(shí)分多路傳輸技術(shù)。這種利用時(shí)間上離散的值來代表連續(xù)信號(hào)的過程，稱為采樣。采樣定理指出：一個(gè)頻帶寬度為fm的連續(xù)信號(hào)f(t)，假設(shè)用2fm頻率進(jìn)展采樣，則f(t)完全可由其采樣值fs(t)來代表，馬上fs(t)通過一個(gè)截止頻率為fm的抱負(fù)低通濾波器，就能恢復(fù)出原來的連續(xù)信號(hào)f(t)。采樣定理為時(shí)分多路傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)供給了理論根底。采樣定理說明：時(shí)間上連續(xù)的原始信號(hào)可以用在時(shí)間上離散消滅的采樣脈沖值來代替。因此，當(dāng)采樣脈沖很窄時(shí)，在各采樣脈沖之間就留出了時(shí)間空隙，在這個(gè)時(shí)間空隙中就可以安排其它信號(hào)的采樣值，即可用一個(gè)信道來傳送假設(shè)干個(gè)原始信號(hào)。以脈沖序列作為載波的各種調(diào)制方法均可構(gòu)成時(shí)分多路傳輸系統(tǒng)。時(shí)分多路傳輸系統(tǒng)的根本模型如圖2-9所示。該系統(tǒng)的工作原理簡述如下：綜f綜f(t)1(1)合↓∑器脈沖調(diào)制器低通濾波器(1)(n)(n)(1)(n)(1)(n)2-9信道輸出的多路信號(hào)與接收端的時(shí)序規(guī)律電路給出的時(shí)間分路信號(hào)，同時(shí)加到各選通門上，選出各路自身的已調(diào)脈沖信號(hào)，并送到解調(diào)器中，恢復(fù)出被傳輸?shù)男盘?hào)。同樣，解調(diào)器的含義也是廣義的。同步是指發(fā)送端和接收端的工作在時(shí)間上協(xié)調(diào)全都，亦即收發(fā)兩端的時(shí)序保持同頻率、同相位。同步是時(shí)分多路傳輸?shù)囊粋€(gè)重要問題，由于發(fā)送端的各路信號(hào)采樣值是按肯定的時(shí)間挨次發(fā)送的，接收端必需把挨次到來的信號(hào)送到對應(yīng)的地點(diǎn)去，因此收發(fā)兩端只有同步工作才能不發(fā)生錯(cuò)收。通常承受的同步方法是依靠發(fā)送端發(fā)出的同步信號(hào)使接收端對準(zhǔn)發(fā)送端的時(shí)序來實(shí)現(xiàn)收發(fā)兩端的同步。關(guān)于同步的問題將在第四章特地討論。§2-4〔PCM〕時(shí)分多路制中傳送的是各路脈沖幅值信號(hào)，稱為脈沖幅度調(diào)制〔PAM〕。PAM中信號(hào)的幅度取值是連續(xù)的。而在遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中要求傳送數(shù)字信號(hào)，因此必需將PAM信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這種將采樣后的脈沖幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的方法，稱為脈沖編碼調(diào)制〔PCM〕。PCM的優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾性強(qiáng)；失真小；傳輸特性穩(wěn)定，遠(yuǎn)距離再生中繼時(shí)噪聲不累積，而且可以承受有效編碼、糾錯(cuò)編碼和保密編碼來提高通信系統(tǒng)的有效性、牢靠性和保密性。此外，由于數(shù)字信號(hào)可以存儲(chǔ)，并能進(jìn)展時(shí)間和標(biāo)度的變換，所以可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間與信號(hào)功率的互換；由于PCM可以把各種消息〔聲音、圖象、數(shù)據(jù)等〕變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)展傳輸，因此可以實(shí)現(xiàn)傳輸和交換一體化的綜合通信方式，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理一體化的綜合信息處理。PCM的缺點(diǎn)是傳輸帶寬寬，系統(tǒng)比較簡單。脈沖編碼是將連續(xù)信號(hào)的采樣值變成數(shù)字信號(hào)，即完成模/數(shù)〔A/D〕轉(zhuǎn)換功能。信號(hào)數(shù)字化的全過程包括采樣、量化與編碼三個(gè)步驟。脈沖編碼調(diào)制的根本原理簡述如下：首先對連續(xù)信號(hào)進(jìn)展采樣獲得PAM信號(hào)。由于PAM信號(hào)僅在時(shí)間上是離散的，而每個(gè)采樣值卻為模擬量，因而無法用有限狀態(tài)的數(shù)字信號(hào)來表示。為此，需要將模擬量轉(zhuǎn)換成離散量，即把每個(gè)采樣值用振幅域上離散的值來近似。這種將幅度取值離散化的過程稱為量化。量化也稱分層，是在信號(hào)幅度取值范圍內(nèi)，按肯定的規(guī)律分為假設(shè)干層，各個(gè)量化層稱為量化級(jí)，每個(gè)量化級(jí)都用一個(gè)數(shù)碼來表示。例如第一量化級(jí)用數(shù)碼001來表示，其次量化級(jí)用數(shù)碼010來表示等等。一個(gè)采樣值屬于哪一個(gè)量化級(jí)，要和量化電平比較采能判決，通常取相鄰兩級(jí)的中間值作為量化電平。圖2-10(a)、(b)是量化過程示意圖，圖中分為八個(gè)量化級(jí)，規(guī)定相鄰兩級(jí)的中間值為量化電平，其值為0.5、1.5、?、6.5。采樣值小于0.50(000)0.5～1.5之間為1(001)級(jí)；1.5～2.5之間為2(010)級(jí)；?；大于6.5者為7(111)級(jí)。量化時(shí)一個(gè)采樣值落在兩個(gè)量化電平之間，都要?dú)w為同一量化級(jí)。例如0.5～1.5之間的全部采樣值

7654321 t07654321 t0000001011101111110100010001編碼2-1