遠動系統(tǒng)信息傳輸基礎

其次章、遠動系統(tǒng)信息傳輸根底§2-1一、通信系統(tǒng)根本模型信息源發(fā)送設備信息源發(fā)送設備信道接收設備收信者其中，發(fā)送端的信息源把信息轉換成消息。為了使消息適合于在信道中傳送，由發(fā)送設備將它變換為信號后再送入信道。信道是指傳輸信號的通道。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，接收端收到的信號可能不同于發(fā)送端發(fā)出的信號。接收設備把收到的信號轉換為消息輸出，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換成對應的信息。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、文字等，離散消息也稱數字消息。為了傳遞消息，需要把各種消息轉換成肯定的信號。信號是消息的直接反映，通常用信號的某一參量來載荷消息，因此，信號是與消息一一對應的，是消息的載荷者。在通信系統(tǒng)內傳輸的信號，假設其參量對應于模擬消息而取連續(xù)值，就稱為“連續(xù)信號”或“模擬信號”。假設信號參量的轉變在時間上是離散的，則稱為離散信號。假設信號參量的轉變不僅在時間上離散，而且取值也是離散的，則稱之為數字信號。通常把傳輸模擬信號的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，而把傳輸數字信號的通信系統(tǒng)稱為數字通信系統(tǒng)。應當指出，模擬信號并非必需要在模擬通信系統(tǒng)中傳輸。也可以把模擬信號經模數轉換為數字信號，以數字通信方式傳至對方。在接收端再進展數模變換，復原為模擬信號。與模擬通信相比，數字通信主要有以下優(yōu)點：抗干擾力量強。由于信號以數碼形式傳送，信號被噪聲干擾后，如尚未惡化到造成過失，就可用再生的方法來整形。在遠距離傳送信號時，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碼消滅過失，也可承受過失掌握技術來覺察甚至加以訂正。便于使用現代計算機技術對數字信號進展處理。可以傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)變得通用、敏捷。此外，數字信息便于保密處理，易于實現保密通信。數字通信系統(tǒng)還有易于集成化、體積小、重量輕、牢靠性高等優(yōu)點。因此，現代遠動系統(tǒng)均承受數字通信技術。數字通信較突出的缺點是，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展，信道能供給的頻帶寬度可達幾十MHz、幾百MHz，甚至更多，因而數字通信占用頻帶較寬的沖突逐步得到了緩解。數字通信系統(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或數字信號轉換為符合要求的數碼序列，包括用來提高傳輸有效性而實行的信號處理功能以及前面提到的數字加密功能。信道編碼是實現自動檢錯和糾錯目的的糾錯編碼，它是給數碼序列按肯定規(guī)章參加監(jiān)視碼元，使接收端能覺察或訂正錯誤碼元，用于提高數據傳輸的牢靠性，這稱為過失掌握技術。調制器是將信道編碼輸出的數碼變換為適于在信道上傳送的調制信號后再送往信道，而解調器則將收到的調制信號復原為數字序列。解調是調制的逆過程。信道是傳送信號的媒質。信道譯碼對收到的數碼系列進展檢錯或糾錯譯碼。信源譯碼則把經信道譯碼處理后的數字序列變換為相應的信號后送給收信者。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制器信道解調器信道譯碼信源譯碼收信者2-2二、數字通信系統(tǒng)的工作方式數字通信系統(tǒng)的工作方式依據消息傳送的方向和時間，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，但兩個方向的傳輸不能同時進展，只能交替進展。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進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數字通信系統(tǒng)的工作方式三、波特率與比特速率在數字式遠動系統(tǒng)中，消息是以數字方式傳送的。開關位置狀態(tài)，測量值或遠動命令等都編成數字代碼，轉換成相應的物理信號，如電脈沖等，再經過適當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。代碼的每一根本單元稱為碼元。通常碼元的寬度相等。假設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)。假設事物可能消滅的狀態(tài)數大于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。當某事物具有四種可能的狀態(tài)時，用一位四元制碼即可表示該事物的狀態(tài)。假設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要n位，n與N的關系應滿足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，并未說明該碼元是二元制的，還是哪一種多元制的。數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)中傳輸的具體對象是消息，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“數據”、“情報”、“資料”、“狀況”、“學問”等概念混為一談。實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容。消息中所含信息的多少，可用“信息量”來衡量。假設一個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)生的概率嚴密相關。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，假設對數底a=2，則信息量的單位為比特〔bit〕；假設a=e，則單位為奈特〔nit〕，1奈特=log2e=1.443比特；假設a=10，則單位為哈特萊。其中應用最廣泛的單位是比特。它代表消滅概率為1/2時的消息所含有的信息量。在通信系統(tǒng)中，當所傳送的消息是兩個等概率的消息之一時，任一消息所含有的信息量為1比特。二進制通信系統(tǒng)中，假設“0”和“1”消滅的概率相等，則每個二元制碼元所含所含的信息量為1。此時，信息速率和碼元速率在數值上一樣，單位不同。例如每秒傳送600個二元制碼元，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〕這個術語除作為信息量的單位外，在數字通信和計算機技術中，常把二元制的一個碼元稱為1比特，比特一詞一般又作為一位二元制數的簡稱。§2-2信道就是信號傳輸的通道。在遠動系統(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?？筛爬▌澐譃椋?實線通信 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，回路方式及通信設備2-1所示。實線通信實線通信是通信中最原始的一種。把兩只機連接到通信線上，就可以在機之間進展通話。機把聲音信號變成電流信號送出，經過通信線，在接收端再把收到的電流信號變成聲音信號來完成通話任務，通信線有明線、電纜和雙絞線等。我們用一般聲音講話時，送到通信線上的功率約為1mW〔毫瓦〕，即0dB〔分貝〕。機的輸出，通信線的傳輸損失和收信功率之間的關系如下式所示：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S/N越大，通話時噪聲干擾越??；反之，噪聲干擾越大。定義信號平均電平與噪聲平均電平的比值為信號噪聲比，簡稱信噪比或信雜比。假設收信功率為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的。在發(fā)送端，把音頻信號調制成高頻信號；在接收端，再把高頻信號解調成音頻信號。架空明線的導線有銅線、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電纜載波假設干根相互絕緣的導線包在同一護套之中，構成多股電纜。電纜線主要由芯線、芯線間的絕緣介質和外面的護套組成。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)點是：容納線對的數量可以很多；受氣候的影響和人為的損害較??；敷設在地下時，保密性比較好。其缺點是：衰耗比明線大得多；同時投資也比明線大。電業(yè)局、電力局、電管局的調度所到發(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。它可以進展數百路通信。另外，在輸電線架空地線上鑲嵌電纜進展通信，原東德電力系統(tǒng)中使用較多，我國在試驗中。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〕一線對地結合傳輸方式；〔b〕二線對地結合傳輸方式；〔c〕相間結合傳輸方式；〔d〕回路間結合傳輸方式。如圖2-4所示。電力線載波通信特性打算于電力線的構造尺寸〔長度、線種、地面高度、導線排列有無換位和分支等〕，大地導電率和殘相〔非結合相〕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，因而認為結合哪一相都一樣。圖2-5是遠動與載波復用的電力線載波信道。一個電話話路的頻率范圍為0.3～3.4kHz，為了使遠動信號與載

載波機

波復用，通常規(guī)定載波占用頻率范圍為0.3～2.5kHz的音頻段，而遠動信號占用2.7～3.4kHz的上音頻段。遠動的數字脈沖信號在送入載波機之前，要經過調制器調制成2.7～3.4kHz的信號，然后送入

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

2-4

波機經過兩次調制，將頻率搬移到載波通信頻段40～500kHz，在經功率放大器將信號放大后，經結合設備隔離高壓，將信號送到高壓電力線路上去。圖中的阻波器是防止高頻信號流向母線，防止載波信號的功率損失。高頻載波信號沿高壓電力線路傳向接收端。在接收端。載波信號經結合設備進入載波機。經過300kHz、12kHz兩次解調后，變成0.3～3.4kHz的音頻信號。0.3～2.3kHz的低通濾波器將信號濾出，2.7～3.4kHz高通濾波器將遠動信號濾出。再經遠動接收裝置本身的解調器復原成數字脈沖序列。圖中的高通濾波器用于防止音頻與遠動信號的上音頻之間的串擾。光導纖維通信光纖通信是70年月進展起來的的通信技術。光纖通信以光導纖維作為信道來傳送光信號。光導纖維是利用各種玻璃和塑料制成。單根光導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。光纜由一捆光導纖維組合而成。光導纖維通信的優(yōu)點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，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，可以估量光纖通信是電力系統(tǒng)中很有進展前途的通信方式。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。在視距范圍內設一個微波站，將信號接收下來加以放大后在發(fā)送出去，這就是中繼轉發(fā)。利用多級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)點是：微波頻段頻帶很寬，可以容納數量很多的無線電頻道而不致相互干擾；微波收發(fā)信機的通頻帶可以做得很寬，用一套設備可作很多路的通信；受外界干擾小，通信穩(wěn)定；方向性強，保密性好；每公里話路本錢比有線通信低。但微波中繼通信設備比較簡單，技術水平要求高。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。從電管局調度所到省電力局調度所及各大發(fā)電廠、大變電所之間差不多都有微波通信信道連接。電力線電力線結合設備

12kHz 4kHz帶帶帶帶低調通放調通放通通解放解通制濾大制濾大濾濾調大調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通通解通濾制濾濾調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)星作為中繼站來轉發(fā)或反射無線電信號，在兩個或多個地面站之間進展通信。和微波通信相比，衛(wèi)星通信的優(yōu)點是不受地形和距離的限制，通信容量大，不受大氣騷動的影響，通信牢靠。凡在需要通信的地方，只要設立一個衛(wèi)星通信地面站，便可以利用衛(wèi)星進展轉接通信。通信衛(wèi)星，按其構造可分為有源衛(wèi)星和無源衛(wèi)星，按其運行軌道可分為同步衛(wèi)星和運動衛(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)的遙遠省份，作遠距離通信。對流層散射通信散射通信是利用對流層中介質對超短波或微波的散射作用，在兩點之間進展無線電通信。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，到達接收端的強度很弱。因此，為了實現牢靠通信，必需承受大功率放射機〔500瓦以上至幾十千瓦〕、高靈敏度接收機和方向性很強的高增益天線。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左右狀況下比較經濟。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)遠動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四端網絡。設其輸入信號為 Si(t)，輸出信號為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Si(t)通過網絡后產生的響應。設f[Si(t)]=k(t)Si(t)，則有的：So(t)=k(t)Si(t)+n(t) (2.4)假設k(t)不是常數，導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)是一個常數，或者變化很緩慢，這種信道稱為恒參信道，如遠動系統(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、自然界干擾以及內部干擾。人為干擾來源于一些獨立的其它信號源，如電氣設備操作所造成的干擾、外界電臺信號、工業(yè)設備的電火花、閃絡、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。內部干擾是指系統(tǒng)或設備本身產生的各種噪聲，如導電體中自由電子的熱運動〔常稱為熱噪聲〕、真空管中電子的起伏放射和半導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確波形。這種不能推測的干擾，統(tǒng)稱為隨機干擾或隨機噪聲。根本的隨機干擾有連續(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，如外臺信號，它可看作是一個正弦波，但其幅度、頻率及相位都是事先不能預知的。這種干擾的特點是占有極窄的頻帶，并可能對傳輸系統(tǒng)產生干擾。脈沖干擾是在時間上無規(guī)章的時而安靜、時而突發(fā)的噪聲，如電氣設備的操作、工業(yè)設備的電火花、閃電、閃絡等。這種干擾的特點是突發(fā)的幅度大，但單個突發(fā)脈沖持續(xù)的時間短，并且相鄰突發(fā)脈沖之間常有一段較長的時間間隔。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。其特點是無論在時域內或者在頻域內總是普遍存在和不行避開的。在信號傳輸系統(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。高斯噪聲在整個頻率范圍內具有平坦的功率譜密度，又稱為白噪聲，所以起伏干擾被認為是高斯白噪聲。白噪聲是均勻分布的，其噪聲功率譜密度N是常數。設信道的帶寬為B〔Hz〕，則在0信道整個頻帶內的總噪聲功率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。在傳輸過程中信號會發(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。衰減頻率特性是信號通過信道后其衰減量隨頻率變化的特性。抱負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過信道傳輸后有一樣的衰減，因而不會造成幅度失真。實際信道對各種頻率可能有不同的衰減，信號通過時會產生幅度失真。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)是僅經過一次話音頻帶調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制解調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衰減不均勻會使信號的幅度頻譜產生畸變，導致信號波形的幅度失真。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〕這一指標來表征。在信道帶寬范圍內要求衰減量的波動小于3dB，在通帶外的衰減值可能很大。信號的帶寬必需與信道的帶寬相匹配。假設信號帶寬超過信道的帶寬，則有一局部信號的頻率重量就會嚴峻衰減，造成信號波形失真。相移頻率特性是指信號通過信道后，相移量隨頻率變化的特性。信號相位的滯后實際上是信號在時間上的時延。相移α和時延t之間的關系是：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延頻率特性。抱負信道的相移頻率特性是一條通過坐標原點的直線，對信號的各種頻率重量都有一樣的時延，因而無失真。實際中信道對各種頻率會有不同的相移，因而可能造成信號波形失真。一般要求在信道的帶寬范圍內，信道時延的相差不能太大，否則，必需實行措施，以補償相位的失真。四、信道容量信道容量C是指信道可能傳輸的最大信息速率〔即信道能到達的最大傳輸力量〕。依據香農信息論，對于連續(xù)信道，假設信道帶寬為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〔要求輸入信號也為高斯信號才能實現上述可能性〕，但對其他狀況也可作為近似公式來應用。香農公式的嚴格證明比較簡單，已超出了本書的范圍。依據上述公式可以得出以下重要結論：任何一個信道都有信道容量。假設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。假設減小帶寬，則必需發(fā)送較大的功率，即增大信噪比S/N。反之，假設有較大的傳輸帶寬，則同樣的信道容量能夠用較小的信號功率〔即較小的S/N〕來傳送信號。這說明寬帶系統(tǒng)有較好的抗干擾性。因此當信噪比太小，不能保證通信質量時，可承受寬帶系統(tǒng)，用增加帶寬來提高信道容量，以改善通信質量。這就是通常承受的用帶寬換功率的措施。但應指出，帶寬和信噪比的互換過程并不是自動的，必需借助于變換信號使之具有所要求的帶寬來實現帶寬和信噪比的互換。實際上這是由各種類型的調制和編碼來完成的。調制和編碼過程就是實現帶寬和信噪比之間互換的手段。當信道噪聲為高斯白噪聲時，香農公式中的噪聲功率不是常數而與帶寬B有關。假設設單位頻帶內的噪聲功率為n0(W/Hz)，N=n0B，代入式(2.7)后可得：C=B·log2[1+S/(n0B)] (2.8)當帶寬B趨于∞時的信道容量C將為：lim C = lim Blog

S 1

1.44S

(2.9)2B B

n0B n00由此可知，當S和n肯定時，信道容量雖然隨帶寬B的增大而增大，但當B→∞時，信道容00量C趨于常數1.44S/n。0由于信息速率C=I/T，T為傳輸時間，代入式(2.7)可得：I=T·B·log2〔1+S/N〕 (2.10)S/N肯定時，給定的信息量I可以用不同的帶寬B和傳輸時間T的組合來傳輸。同帶寬與信噪比互換類似，帶寬和傳輸時間也可以互換。例2,1彩色電視圖象由5×105個象素組成。設每個象素有64種彩色度，每種彩色度有16個亮度等級。假設全部彩色度和亮度等級的組合時機均等，且統(tǒng)計獨立，(1)試計算每秒傳送100個畫面所需的信道容量；(2)假設接收機信噪比為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 設有一個圖象要在線路中實現傳輸。大約要傳輸2.25×106個象素，每個象素有12個亮度等級。假設全部亮度等級都是等概率的，線路具有3kHz帶寬和30dB信噪比。試求在該標準線路上傳輸一張圖片需要的最小時間。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)調度自動化的需要，要求遠動系統(tǒng)傳輸的信息量格外大，且信息傳送的距離可達幾十、幾百甚至上千公里，假設承受近距離并行直接傳送的方法，則在技術上和經濟上都是行不通的，這是由于信號衰減和并行直接傳送費用太大的原因。因此，遠動系統(tǒng)承受在一個信道上能傳送多路信號的技術，稱為多路復用。目前廣泛應用的多路傳輸體制有頻分多路制、時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。時分多路傳輸是時間分割制，將各種不同的信號按先后挨次安排在不同的時間間隔中傳送，在接收端依次接收各個時間間隔的信號。碼分多路傳輸是碼型分割制，各種信號的差異是傳輸碼型〔或波型〕構造不同，在接收端利用只對特定碼型起反響的相關檢測器來區(qū)分各路信號。在電力系統(tǒng)遠動中承受的是頻分多路制和時分多路制，且主要是承受時分多路制。因此，在本節(jié)中我們簡要介紹頻分多路制和時分多路制的根本原理。一、頻分多路制調制能夠實現頻譜搬移。頻分多路制就是基于利用調制進展頻譜搬移原理實現的。實際信號的帶寬是有限的，而信道供給的帶寬可以比信號帶寬大得多，此時可把各路信號安排在互不重疊的頻段內，在一個信道上傳送，這就實現了頻分多路制。具體地講，在發(fā)送端，通過調制將各路信號的頻譜搬移到相互不重疊的頻帶內，然后由一個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，將各路信號分開，再進展解調，恢復出原來被傳輸的各路信號。從而到達了一個信道傳輸多個信號的目的。這里，信號是以它們在頻域內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。設在發(fā)送端要傳輸n個遙測量，它們通過變送器變換成相應的電信號，分別為f1(t)fn(t)，其相應的頻譜為F1(ω)、?、Fn(ω)，如圖2-8(a)所示。為了便于爭論，假定各路信號均占有0至Bf的一樣頻帶寬度。n個信號分別通過一個低通濾波器，以保證它們的頻帶不會超過Bf。由于這些信號在頻率軸上占據同一頻帶，假設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)進展“搬移”，使其在頻率軸上互不重疊。為ω此，各路信號都要有一個副載波振蕩器，以便產生頻率為ω

、?、1

的正弦波，將信號nf1(t)、?、fn(t)分別對它們進展調制以實現頻譜搬移。這種調制稱為第一次調制或副載波調制。這一組正弦波稱為副載波，相應的頻率稱為副載頻。各已調副載波的頻譜如圖2-8(b)。只要副載頻選得適宜，它們就可互不重疊。然后，將各路已調副載波相加，形成合成信號或稱群信號S∑(ω)〔見圖2-8(c)〕。為了限制已調副載波所占用的頻帶，在相加器之前，每一路都設一個帶通濾波器。多路信號屬于基帶信號，可直接通過電纜或專用導線傳送到接收端。但在很多系統(tǒng)中，例如電力線載波、微波等信道中，還要求把合成信號再次調制，搬移到更高頻率上發(fā)送，見圖2-8(d)。這種其次次調制稱為二次調制或主載波調制。接收端信號的解調過程是發(fā)送端調制的逆過程。首先接收機將收到的信號進展第一次解調，也稱主載波解調，得到多路合成信號S∑(ω)。然后將S∑(ω)加到n個并聯(lián)的分路濾波器上，各個分路濾波器的中心頻率分別對應于發(fā)送端的副載波頻率ω1、?、ωn。各分路濾波器只讓自己所對應的那一路信號通過，從而實現了各路信號的頻率分割。由各路濾波器輸出的信號加到對應的副載頻解調器進展二次解調，復原成原始信號，即可得到所傳輸的各路信號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 調制 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、時分多路制時分多路傳輸是在一個信道上按時間挨次傳輸多路信號。明顯，這時各路信號應是離散的脈沖信號。遠動系統(tǒng)中遙測量一般是連續(xù)變化的模擬量信號，因此必需把它變成離散信號后，才能承受時分多路傳輸技術。這種利用時間上離散的值來代表連續(xù)信號的過程，稱為采樣。采樣定理指出：一個頻帶寬度為fm的連續(xù)信號f(t)，假設用2fm頻率進展采樣，則f(t)完全可由其采樣值fs(t)來代表，馬上fs(t)通過一個截止頻率為fm的抱負低通濾波器，就能恢復出原來的連續(xù)信號f(t)。采樣定理為時分多路傳輸系統(tǒng)的實現供給了理論根底。采樣定理說明：時間上連續(xù)的原始信號可以用在時間上離散消滅的采樣脈沖值來代替。因此，當采樣脈沖很窄時，在各采樣脈沖之間就留出了時間空隙，在這個時間空隙中就可以安排其它信號的采樣值，即可用一個信道來傳送假設干個原始信號。以脈沖序列作為載波的各種調制方法均可構成時分多路傳輸系統(tǒng)。時分多路傳輸系統(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與接收端的時序規(guī)律電路給出的時間分路信號，同時加到各選通門上，選出各路自身的已調脈沖信號，并送到解調器中，恢復出被傳輸的信號。同樣，解調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間上協(xié)調全都，亦即收發(fā)兩端的時序保持同頻率、同相位。同步是時分多路傳輸的一個重要問題，由于發(fā)送端的各路信號采樣值是按肯定的時間挨次發(fā)送的，接收端必需把挨次到來的信號送到對應的地點去，因此收發(fā)兩端只有同步工作才能不發(fā)生錯收。通常承受的同步方法是依靠發(fā)送端發(fā)出的同步信號使接收端對準發(fā)送端的時序來實現收發(fā)兩端的同步。關于同步的問題將在第四章特地討論?！?-4〔PCM〕時分多路制中傳送的是各路脈沖幅值信號，稱為脈沖幅度調制〔PAM〕。PAM中信號的幅度取值是連續(xù)的。而在遠動系統(tǒng)中要求傳送數字信號，因此必需將PAM信號轉換成數字信號。這種將采樣后的脈沖幅值轉換成數字信號的方法，稱為脈沖編碼調制〔PCM〕。PCM的優(yōu)點是：抗干擾性強；失真小；傳輸特性穩(wěn)定，遠距離再生中繼時噪聲不累積，而且可以承受有效編碼、糾錯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，由于數字信號可以存儲，并能進展時間和標度的變換，所以可以實現時間與信號功率的互換；由于PCM可以把各種消息〔聲音、圖象、數據等〕變換成數字信號進展傳輸，因此可以實現傳輸和交換一體化的綜合通信方式，還可以實現數據傳輸與數據處理一體化的綜合信息處理。PCM的缺點是傳輸帶寬寬，系統(tǒng)比較簡單。脈沖編碼是將連續(xù)信號的采樣值變成數字信號，即完成模/數〔A/D〕轉換功能。信號數字化的全過程包括采樣、量化與編碼三個步驟。脈沖編碼調制的根本原理簡述如下：首先對連續(xù)信號進展采樣獲得PAM信號。由于PAM信號僅在時間上是離散的，而每個采樣值卻為模擬量，因而無法用有限狀態(tài)的數字信號來表示。為此，需要將模擬量轉換成離散量，即把每個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，是在信號幅度取值范圍內，按肯定的規(guī)律分為假設干層，各個量化層稱為量化級，每個量化級都用一個數碼來表示。例如第一量化級用數碼001來表示，其次量化級用數碼010來表示等等。一個采樣值屬于哪一個量化級，要和量化電平比較采能判決，通常取相鄰兩級的中間值作為量化電平。圖2-10(a)、(b)是量化過程示意圖，圖中分為八個量化級，規(guī)定相鄰兩級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；1.5～2.5之間為2(010)級；?；大于6.5者為7(111)級。量化時一個采樣值落在兩個量化電平之間，都要歸為同一量化級。例如0.5～1.5之間的全部采樣值

7654321 t07654321 t0000001011101111110100010001編碼2-1