通信原理与城轨传输系统课件.ppt

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1、上海地铁通信原理与城轨传输系统第1页，此课件共81页哦1 1 通信原理通信原理 1.1 通信的定义通信按传统理解就是信息的传输与交换，信息可以是语音、文字、符号、音乐、图像等等。(1)通信的定义：通信是传递信息的手段，即将信息从发送器传送到接收器。(2)通信的目的：通信的目的是为了完成信息的传输和交换。第2页，此课件共81页哦1.2 通信系统通信系统是以实现通信为目标的硬件，软件以及人的集合。1.2.1 通信系统的模型图1-1是一个基本的点到点通信系统的一般模型：图1-1 通信系统的一般模型第3页，此课件共81页哦其中，各部分的功能如下：信息源：把各种可能消息转换成原始电信号；发送设备：为了使

2、原始电信号适合在信道中传输，对原始电信号变换成与传输信道相匹配的传输信号；信道：信号传输的通道；接收设备：从接收信号中恢复出原始电信号；收信者：将复原的原始电信号转换成相应的消息；第4页，此课件共81页哦 1.2.2 模拟通信系统与数字通信系统 信号的分类：模拟信号电信号的该参量连续取值。如：普通电话机收发的语音信号；数字信号电信号的该参量离散取值。如：计算机内PCI/ISA总线的信号。模拟信号和数字信号可以互相转换。因此，任何一个消息既可以用模拟信号表示，也可以用数字信号表示。相应的，通信系统也可以分为模拟通信系统与数字通信系统两大类。第5页，此课件共81页哦 模拟通信系统：模拟通信系统在信

3、道中传输的是模拟信号，模型如图1-2所示。图1-2模拟通信系统模型 基带信号由消息转化而来的原始模拟信号，一般含有直流和低频成分，不宜直接传输；已调信号由基带信号转化来的、频域特性适合信道传输的信号。又称频带信号。对模拟通信系统进行研究的主要内容就是研究不同信道条件下不同的调制解调方法。第6页，此课件共81页哦 数字通信系统：数字通信系统在信道中传输的是数字信号，模型如图1-3所示。图1-3 数字通信系统模型 信源编/译码器实现模拟信号与数字信号之间的转换；加/解密器实现数字信号的保密传输；信道编/译码器实现差错控制功能，用以对抗由于信道条件造成的误码；调制/解调器实现数字信号的传输与复用。第

4、7页，此课件共81页哦 1.2.3 通信系统的分类通信系统有不同的分类方法。按消息分：电报系统、电话系统、数据系统、图像系统 按调制方式分：基带传输、频带传输（调幅、调频、调相、脉幅、脉宽、脉位）媒质上的信号分：模拟系统、数字系统 传输媒质（信道）分：有线系统、无线系统 按复用方式分：频分复用、时分复用、码分复用按消息传送的方向和时间分：单工、半双工、全双工第8页，此课件共81页哦2 2 传输介质传输介质 2.1传输介质的基本概念 2.1.1 传输介质 传输介质是连接通信设备，为通信设备之间提供信息传输的物理通道；是信息传输的实际载体。从本质上讲，有线通信与无线通信中的信号传输，实际上都是电磁

5、波在不同介质中的传播过程，在这一过程中对电磁波频谱的使用从根本上决定了通信过程的信息传输能力。理论上，任何频率的信号都可以用作通信。第9页，此课件共81页哦 2.1.2传输介质的分类很多介质都可以作为通信中使用的传输介质，但这些介质本身有着不同的属性，它们适用于不同的环境条件，同时通信业务本身也会对传输介质的使用提出不同的要求。因此，在实际的应用中存在着多种多样的传输介质，最常见的传输介质是：线电缆、无线介质、光纤。第10页，此课件共81页哦 2.1.3 传输介质与传输技术的设计 传输介质只有被相应的传输技术所使用，才能够体现为可供上层业务使用的信道，由于传输介质是与传输技术紧密结合的，因此，

6、设计传输技术就必须考虑并充分利用传输介质本身固有的特点，以下分别说明传输介质的各种特征对设计传输技术的影响。（1）带宽：也就是可供使用的频谱宽度。高带宽的传输介质就可以承载较高的比特率，例如光纤；（2）误码率：高误码率的传输环境下，肯定会要求使用更为复杂、有效的检纠错技术；第11页，此课件共81页哦 （3）信号的传输距离：不同的传输介质对信号传输具有不同的衰减，当有用信号的强度衰减至一定水平之下时，就必须以某种形式进行信号的再生与放大，以保证按收端的正常工作。光纤通信中的光中继器，微波通信中的中继站，都是为了完成这一目的而设立的；（4）安全：不同的传输介质是有不同的安全等级，通信中的加密和认证

7、都是必不可少的，但不同复杂度的加密与认证技术在传输代价，时间代价等方面有很大差异，因此必须为各种传输介质来选用最为合适的安全保证技术。第12页，此课件共81页哦3 3 信号的传输技术信号的传输技术 3.1 传输技术概述3.1.1传输技术的发展根据国际电信联盟（ITU）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。从功能上看，这是一个在通信网中的各节点之间转移信息的过程。传输网即是在各网络节点之间运送信息的网络功能资源。为实现远距离的通信，在19世纪末即发明了用电信号来模拟语音信号并进行远距离传输，于是出现了电话以及话音传输技术。时至今日，电话通信仍然是电信网络中的重要业务之一，而传输技

8、术则已经经历了几次重大的变革。第13页，此课件共81页哦 从电话通信发明到上世纪60年代，电信传输均是采用模拟话音传输技术，起初是采用一对线路传输一路模拟话音信号；随后为提高传输效率，开始采用频分复用（FDM）技术进行多路载波传输，传输介质也从双绞线向同轴电缆过渡。上世纪60年代末到80年代后期，随着话音信号的脉冲编码调制（PCM）技术的发展，数字调制技术也迅速取代了模拟调制技术在频带信号传输中的位置。近年来，光传输技术得到了迅速发展，光纤通信技术以其带宽充足、不受电磁干扰、原材料丰富等优点获得了广泛应用，在骨干传输网、城域传输网中已占据了主导地位。第14页，此课件共81页哦 3.1.2调制技

9、术的概念 由消息变换过来的原始信号具有频率较低的频谱分量，这种信号大多不适宜直接传输。必须先经过在发送端调制才便于在信道中传输，而在接收端进行相应的解调操作。所谓调制，就是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。调制过程的目的是把输入信号变换为适合于通过信道传输的波形。第15页，此课件共81页哦 从功能上看，调制技术主要实现了以下三个功能。（1）频率变换：例如为了利用无线传输方式，将（0.33.4KHz）有效带宽内的语音信号调制到高频段上去；（2）实现信道复用：通过调制可以将多路信号互不干扰的安排在同一物理信道中传输；（3）提高抗干扰性：利用信号带宽和信噪比的互换性，提高通信系统的

10、抗干扰性。第16页，此课件共81页哦 3.2 模拟信号的调制传输 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。常见的模拟调制技术包括幅度调制、频率调制、相位调制，以及将以上调制方法结合的复合调制技术和多级调制技术。第17页，此课件共81页哦 3.3数字信号的基带传输 3.3.1数字基带传输概述1.数字基带传输系统 数字信号传输方式有基带传输和频带传输。来自数据终端的原始数据信号，如计算机输出的二进制序列，电传机输出的代码，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组，这些信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量，因而称之为数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道

11、中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传输，其传输的信道是电缆。我们称之为数字基带传输。第18页，此课件共81页哦 数字信号传输的基本准则是无码间干扰,理想的基带传输系统其输出响应波形在抽样点应满足无码间干扰的条件。目前，数字基带传输不如频带传输的应用那样广泛，但对于基带传输系统的研究仍是十分有意义的。一是因为在利用对称电缆构成的近距离数据通信系统广泛采用了这种传输方式，例如以太网；二是因为数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题，例如传输过程中的码型设计与波形设计；三是因为任何一个采用线性调制的频带传输系统均可以

12、等效为基带传输系统来研究。第19页，此课件共81页哦 2数字基带传输系统的基本组成 数字基带传输系统的基本结构如图3-1所示。它主要由编码器、信道发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器和解码器组成。此外为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步系统。图3-1数字基带传输系统第20页，此课件共81页哦 其中，各部分的功能为：（1）编码器：将信源或信源编码输出的码型（通常为单极性不归零码NRZ）变为适合于信道传输的码型；（2）信道发送滤波器：将编码之后的基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过波形变换来实现的，其目的是使信号波形与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样

13、判决；（3）信道：它是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的；第21页，此课件共81页哦（4）接收滤波器：它的主要作用是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形无码间串扰，有利于抽样判决；（5）抽样判决器：它是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定的时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号；（6）解码器：对抽样判决器输出的信号进行译码，使输出码型符合收终端的要求；（7）同步器：提取位同步信号，一般要求同步脉冲的频率等于码速率。第22页，此课件共81页哦 3.3.2数字基

14、带传输的码型设计 误码的原因：一、是信道加性噪声 二、是传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想引起的波形延迟、展宽、拖尾等畸变，使码元之间相互串扰。实际抽样判决值不仅有本码元的值，还有其他码元在该码元抽样时刻的串扰值及噪声。第23页，此课件共81页哦 1码型设计的要求 在实际的基带传输系统中，并不是所有信息码的电信号波形都能在信道中传输。例如，当消息代码中包含长串的连续“1”或“0”符号时，非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获取定时信息。单极性归零码在传送连“0”时，存在同样的问题。因此，信息码在进行传输之前，必须经过码型变换，变换为适用于信道传输的码型。传输码型（或称线路码）

15、的结构将取决于实际信道特性和系统工作的条件。第24页，此课件共81页哦 通常，传输码型的设计应具有下列主要特性：（1）相应的基带信号无直流分量，且低频分量少(因为，在信道中直流和丰富低频成分的基带信号衰减的比较厉害，特别是直流不是被电容隔离就是被电感旁路)；（2）便于从信号中提取定时时钟信息。为此，要求传输码型应含有（或者经变换后含有）时钟频率分量，且不能出现过多的连“0”码，否则提取的时钟信号就会很不稳定，引起同步偏移；（3）对适合于基带传输的传输码型的功率谱中的高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰；第25页，此课件共81页哦 （4）不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；

16、（5）有内在的检错能力，传输码型应具有一定规律性，对适合于基带传输的传输码型应具有一定的监测误码的能力；（6）编译码设备要尽可能的简单。第26页，此课件共81页哦 2常见的传输码型 （1）单极性非归零码（NRZ码）：数字信号的二进制码元1和0分别用高电平和低电平(常为零电平)两种取值来表示,在整个码元期间电平保持不变。这是一种最简单最常用的码型,很多终端设备输出的都是这种码。第27页，此课件共81页哦 （2）双极性非归零码：数字信号的二进制码元1和0分别用正电平和负电平表示,在整个码元期间电平保持不变。双极性码元无直流成分,适合在无接地的传输线路上使用。（3）单极性归零码（RZ码）：与单极性非

17、归零码不同,RZ码发送时,高电平在整个码元期间T内只持续一段时间,在其余时间则返回零电平,发送零时用零电平。由于码间干扰小,因此设备内部传输常采用单极性归零码。第28页，此课件共81页哦（4）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码的优点是：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。AMI码的编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。鉴于这些优点，AMI码是CCITT建议PCM采用的传输码性之一。AMI码的不足是，当原信码出现连“0”串时，信号的电平长时间不跳变

18、，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。AMI码的码型如图3-2中的（b）所示；第29页，此课件共81页哦 （5）三阶高密度双极性码（HDB3码）：HDB3码是AMI码的一种改进码型，其目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。其编码规则如下：当信码的连“0”个数不超过3个时，仍按AMI码的规则，即传号极性交替；当连“0”个数超过3个时，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，以确保编好的码中无直流分量；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

19、”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；第30页，此课件共81页哦 破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。从上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性（包括B在内）。这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连0码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。当接收端收到HDB3码后对其解码还原成二进码。HDB3码保持了AMI码的优点外，同时还将连“0”码限制在3个以内，故有利于位定时信号的提取。HDB3码是应用最为广泛的码型，A律PCM四次

20、群以下的接口码型均为HDB3码。HDB3码的码型如图3-2中的（c）所示；第31页，此课件共81页哦 （6）传号反转码（CMI码）：它是一种二电平不归结零码,属于1B2B码。CMI码的编码规则是：“1”码交替用“11”和“00”两位码表示；“0”码固定地用“01”表示。CMI码有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息。此外，由于10为禁用码组，不会出现3个以上的连码，这个规律可用来进行检错。由于CMI码易于实现，且具有上述特点，因此ITU-T已建议将CMI码作为同步数字系列(SDH)的STM-1的接口码型，在速率低于8.448 Mb/s的光纤传输系统中有时也用作线路传输码型。CMI码的码型如图

21、3-2中的（d）所示；第32页，此课件共81页哦图3-2常见的基带传输码型第33页，此课件共81页哦3.4数字信号的调制传输 通信的最终目的是远距离传递信息。虽然基带数字信号可以在传输距离不远的情况下直接传送，但如果要进行远距离传输时，特别是在无线信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。如同模拟信号的频带传输时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。第34页，此课件共81页哦 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

22、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，因而，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：第一，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。第二，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。第35页，此课件共81页哦44光信号的传输光信号的传输 4.1光信号传输的基本原理 4.1.1 光信号的发送强度调制 光纤通信中采用强度调制的方式控制信号的产生。强度即指光强，是指单位面积上的光功率。其原理是以

23、电信号来控制发光器的工作电流，从而控制发光器的输出功率，使之随信号电流成线性变化，在线路上通过光信号的有无来表示数字信号的1、0。第36页，此课件共81页哦 4.1.2 光信号的接收直接检波 直接检波完成与强度调制相反的动作，即利用光电检测器直接对已调光信号在光频上进行检测，根据光功率的强弱来判断光信号的有无，进而转化为数字信号。第37页，此课件共81页哦 4.1.3 光纤通信中的线路编码 一般数字系统的传输码型如HDB3、CMI码均不完全适合在光纤信道上传输，因此必需进行重新编码，以满足光纤信道的要求。（1）对光纤通信中线路码型的要求 双极性码变为单极性码，发光器只能识别电流的有无，不能产生

24、负脉冲；可以从接收码元序列中提取时钟；加扰，有规律的破坏信息码流中的连“0”或连“1”，以便于提取时钟信号；第38页，此课件共81页哦 可进行不中断业务传输的误码监测,例如:CMI码出现“10”即是误码，要求光纤信道编码具有类似功能；减少信号中直流电平的起伏：在接收侧，直流电平即是进行接收判决的门限电平，如果直流电平变化较大，即会出现误判，从而产生误码。能提供一定数量的辅助信号和区间通信信道：辅助信号主要是用于维护功能中的监控和倒换等信号；区间信道则是用于中继站间或中继站与终端站之间、附加于系统主信道之上的通信信道。第39页，此课件共81页哦 （2）常用的信道编码：扰码：扰码是将原有的二进制序

25、列以一定规律重新排列，从而改善码流的一些特性。如改变原有的“0”、“1”分布等。扰码的优点是不增加线路速率、适于高速系统，缺点是可减少但不能完全抑制较长的连“0”或“1”序列，可能会丢失定时信息。一般扰码与其它编码方式结合使用；mBnB码：是分组码的一种，常用码型有1B2B、2B3B和5B6B等,它将原始码流以m个比特为一组,根据一定规则变为n个比特一组的码组输出,nm。优点是加入冗余信息,可用于误码监测,定时信息丰富,而且频率特性好。缺点是不利用插入辅助通信信息,传输辅助信号比较困难;第40页，此课件共81页哦 插入比特码；插入比特码是将原码流的m比特为一组，在其后插入1个比特，构成新的码流

26、。优点是插入的比特可以用作误码检测，辅助信道，改善“0”、“1”分布等多种用途。根据插入码的功能不同，常用的有mB1P、mB1C、mB1H等几种。实际的光纤设备中，常把扰码与mBnB码或插入比特码结合使用，组成线路编码。扰码+5B6B、扰码+4B1H，即是两种常用的线路码型。第41页，此课件共81页哦 4.2 光纤通信系统的基本组成一个最简单的光纤通信系统由光发射机、光接收机、光中继器、光缆等组成，如图4-1所示。图4-1 光纤通信系统组成第42页，此课件共81页哦4.2.1 光发射机 （1）光发射机的组成：如图4-2所示，光发射机是由均衡放大器、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调

27、制电路、光源的控制电路及光源的监视和保护电路组成。光发射机首先要对由电端机送的电信号进行均衡放大,需要特别说明的是，光发射机的对外接口是由国际标准定义的，逻辑信号与物理电路的结构均需要遵循这些规范。第43页，此课件共81页哦图图4-24-2光发射机的组成光发射机的组成第44页，此课件共81页哦 光源：是光发射机的关键部件，产生光波,光源器件是光纤通信设备的核心；均衡放大器：由于在实际的系统中总是存在不同程度的码间干扰，往往在系统中加入均衡器，用以校正这些失真。本系统中由PCM端机送来的HDB3（三阶高密度双极性码）或CMI（传号反转码）码流，首先需要经过均衡放大，用于补偿由电缆传输产生的衰减和

28、畸变，以便正确译码；线路编码：包括码形变换和编码。码形变换是由于光源不能产生负脉冲，将双极性码变为单极性码。编码是为满足光纤传输的加扰、时钟提取等要求；第45页，此课件共81页哦 调制电路：将电压信号转换为电流调制信号，以驱动电源；码型变换：由均衡器输出的是HDB3或CMI码，HDB3码是三值双极性码（即+1、0、-1），CMI码是归零码。由于光源不能发射负脉冲，因此要通过码型变换电路，将其变换成适合于光纤传输的单极性的非归零的0、1码（即NRZ码）。时钟提取：由于码型变换、扰码和编码的过程都需要以时钟信号为依据，因此，在均衡电路之后，由时钟提取电路提取时钟信号，供码型变换、扰码和解码电路使用

29、。第46页，此课件共81页哦 扰码：若信息码流中出现长连0和长连1的情况，将会给时钟信号的提取带来困难。为了避免出现这种情况，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使之达到0、1等概率出现。相应地，在光接收机的判决器后加一个解扰器，以恢复原始序列。其它辅助电路：包括温度控制（补偿）电路，功率控制电路，告警指示电路，保护电路等。（2）光发送机的作用：把电信号转换成光信号，并送入光纤线路进行传输。光发送机合适的输出光功率为0.01mw-5mw。第47页，此课件共81页哦 （3）光源：光源是光发射机的核心部件,当前光纤通信中常用的光源主要有半导体发光二极管（LED）和半导体激光二极管（L

30、D）两种。光源的作用：是将传输的电信号转换为光信号进入光纤；光纤通信系统对光源的要求：a合适的发光波长:应处于光纤的工作窗口内；b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，一般输出功率均应在1mw以上；c可靠性高:要求平均工作寿命在106小时以上；d输出效率高:主要为了支持无人中继站的供电；e光谱宽度窄:窄谱线的激光器可以有效地降低色散效应的影响。第48页，此课件共81页哦 LED：发光二极管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、且控制电路简单。LED适用于模拟光纤通信系统,LED通常和多模光纤耦合,主要用于34Mbit/s以下的短距离小容量的数字

31、光纤通信系统；LD：半导体激光器是依靠半导体中的光学谱振腔受激辐射产生光振荡从而发光，其阀值电流越小越好,一般来说，阈值电流越小，使用寿命越长；阈值电流越大，使用寿命越短。LD适用于长距离大容量的光纤通信系统。第49页，此课件共81页哦 4.2.2 光接收机 （1）光接收机的组成：如图4-3所示，直接检波式光接收机一般由光电检测器、放大电路、均衡器、判决器、增益控制电路、时钟恢复电路等组成。图4-3光接收机的组成第50页，此课件共81页哦 光电检测器：是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件；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；均衡器：将信号波形进行调整，使之适于进入判决

32、电路；校正由于信道特性（包括接收滤波器在内）不理想而产生的波形失真或码间串扰。第51页，此课件共81页哦 判决器：对点信号进行判决，获得“0”、“1”码流。它是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。用来抽样的位定时脉冲则依靠同步提取电路从接收信号中提取，位定时的准确与否将直接影响判决效果；译码器：对线路编码进行译码；输出接口：生成与输出线路匹配的电信号；第52页，此课件共81页哦 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持稳定,其原理就是利用反馈环路来控制主放大器的增益；采用PIN光

33、电检测器的数字光接收机,其自动增益控制只对主放大器起作用;时钟恢复电路：提取时钟以获得判决时刻。光接收机的主要作用是将接收到的光信号变化为电信号,并对电信号进行放大、整形,再生后,生成与发送端相同的电信号。第53页，此课件共81页哦 （2）光电检测器：光电检测器是光接收机的核心部件，常见的光电检测器有PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管两种。光电检测器的作用：光电检测器的作用是将微弱的光信号转换为电信号；光电检测器的噪声:包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和雪崩光电二极管的倍增噪声;第54页，此课件共81页哦 对光电检测器的要求：a灵敏度高：光纤上的线路信号有可能弱达1nw，因此灵敏度要尽

34、可能的高；同时，光电检测器的峰值响应波长要尽可能接近系统的工作波长；b响应速度快：即随入射光信号产生电流信号的速度要快于系统的工作码率；c暗电流小：暗电流是指无光照射时，光电检测器的输出电流。暗电流给光接收机引入了噪声，因此越小越好；d受环境变化、温度变化的影响尽可能小。第55页，此课件共81页哦 半导体的光电效应:当光照射到半导体的PN结上,若光子能量足够大,便发生受激吸收,即价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带,形成电子-空穴对(光生载流子),这种现象称为半导体的光电效应。PIN光电二极管：利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管,在P型材料和N型材料之间加入一层轻掺杂的N型材料,经扩散

35、后形成很宽的耗尽层,这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管。主要原理是利用二极管内耗尽层所形成的漂移电流来完成光电转换。其特点是光电转换效率高、响应速度快，其响应度随入射光波长的增大而增大。第56页，此课件共81页哦 APD雪崩光电二极管：原理与PIN类似，区别是由于雪崩现象，会在强光照射下光电流产生倍增效应，其不但具有光电转换作用,还具有内部放大作用。其优点是可以为光接收提高一定的动态范围，缺点是受湿度影响极严重、为保持稳定的增益,雪崩光电二极管需要在温度变化的情况下进行额外的自动温度补偿。另外,随着温度升高,雪崩光电二极管倍增增益将下降。第57页，此课件共81页哦 （3）光接收机的评价指

36、标 灵敏度：灵敏度是光接收机的重要性能指标，是指光接收机在最佳工作状态下，接收微弱光信号的能力。在一定的误码率水平下，灵敏度越高越好,光接收机在满足给定的误码率指标下,所需的平均光功率越高,则它的灵敏度越低。影响光接收机灵敏度的主要因素是雪崩光电二极管倍增的噪声和放大器的噪声等；第58页，此课件共81页哦 动态范围：是在一定的误码率水平下，光接收机所能接收的最大最小的功率之差(即动态范围)，动态范围越大越好。实际设备中一般为16-20dB；噪声:数字光接收机的内部噪声包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪声；眼图：眼图是直观表征接收信号质量的重要手段。眼图是将连续的输出信号在时域上重叠之后、观

37、测到的形状，其图案类似于眼睛。评价的标准是眼睛张得越开、眼皮越薄越好，即“0”“1”的间隔大、信号幅度抖动小。第59页，此课件共81页哦 4.2.3 光纤通信系统中的其它设备 （1）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(全光)中继器和光/电中继器两种。光/光中继器结构简单，但由于目前技术所限，无法用于高速系统。光/电中继器可用于插入监控信号，但结构复杂，常用的是光/电中继器。光中继器也可以分为有人中继器和无人中继器，在海底、野外等恶劣环境下，一般采用无人中继，为了增加光纤的通信距离和通信容量,就必须在传输线路中每隔一定距离50-70KM设置一个

38、光中继器,光电中继器采用光-电-光转换模式,全光中继器没有光-电-光的转换过程,就是光放大器；第60页，此课件共81页哦 （2）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。（3）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。（4）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。常见的有一主一备倒换和多主一备倒换。当前多主一备方式的应用更为广泛。第61页，此课件共81页哦5 5 数字信号复接数字信号复接 5.1 模拟信号的数字化通常所说

39、的模拟信号数字化是指将模拟的话音信号数字化、将数字化的话音信号进行传输和交换的技术。这一过程涉及数字通信系统中的两个基本组成部分：一个是发送端的信源编码器，它将信源的模拟信号变换为数字信号，即完成模拟/数字（A/D）变换；另一个是接收端的译码器，它将数字信号恢复成模拟信号，即完成数字/模拟（D/A）变换，将模拟信号发送给信宿。第62页，此课件共81页哦 (1)A/D变换模拟信号的数字化过程主要包括三个步骤：抽样、量化和编码。抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限

40、数量的有一定间隔的离散值。编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二进制或多进制的数字信号流。(2)D/A变换 在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反。首先经过解码过程，再经过低通滤波器恢复成原来的模拟信号。第63页，此课件共81页哦 5.2 多路复用技术 在数字通信中，复用技术的使用极大地提高了信道的传输效率，取得了广泛地应用。多路复用技术就是在发送端将多路信号进行组合，然后在一条专用的物理信道上实现传输，接收端再将复合信号分离出来。多路复用技术主要分为两大类：频分多路复用（简称频分复用）和时分多路复用（简称时分复用），波分复用和统计复用本质上也属于这两种复用技术。另

41、外还有一些其他的复用技术，如码分复用、极化波复用和空分复用等。第64页，此课件共81页哦 5.2.1频分复用（Frequency division Multiplexing）1)频分复用原理 所谓频分复用（FDM）技术，是指按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中，信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。在FDM系统中，各信号在频域上是分开的而在时域上是混叠在一起的，一个简单的频分复用系统如图5-1所示。第65页，此课件共81页哦图5-1频分复用系统组成第66页，此课件共81页哦 2)

42、时分复用（Time division Multiplexing）时分复用（TDM）技术是利用各信号的抽样值在时间上的不相互重叠来达到在同一信道中传输多路信号的一种方法，各信号在时域上是分开的，而在频域上是混叠在一起的。时分复用方式将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片（简称时隙），并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。时分复用技术的特点是时隙事先规划分配好且固定不变。其优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道。第67页，此课件共81页

43、哦PCM 30/32PCM 30/32系统帧结构系统帧结构第68页，此课件共81页哦 与FDM方式相比，TDM方式主要有以下两个突出优点：(1)多路信号的复接和分路都是采用数字处理方式实现的，通用性和一致性好，比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠；(2)信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真和高次谐波，引起信号间串扰，因此，要求信道的线性特性要好。而TDM系统对信道的非线性失真要求可以降低。3)码分复用（CDM）码分复用系统为每路信号分配了各自特定的地址码，利用同一信道来传输信息。码分复用系统的地址码相互之间具有准正交性，以区别各路信号。码分复用的信号在频率、时间和空间上都可能重叠。也就是说，

44、每路信号有自己的地址码，这个地址码用于区别每路信号，地址码彼此之间是互相独立的，也就是互相不影响的.第69页，此课件共81页哦5.3 数字复接技术 5.3.1 数字复接的基本概念 在频分复用的载波系统中，高次群系统是由若干个低次群信号通过频谱搬移并叠加而成。例如，60路载波是由5个12路载波经过频谱搬移叠加而成。在时分制数字通信系统中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速宽带信道中传输。数字复接技术就是解决PCM、SDH等系统中的传输信号由低次群到高次群的合成的技术。第70页，此课件共81页哦 扩大数字通信容量有两种方法。一种方法是采

45、用PCM30/32系统（又称基群或一次群）复用的方法。例如需要传送120路电话时，可将120路话音信号分别用8kHz抽样频率抽样，然后对每个抽样值编8位码。另一种方法是将几个（例如4个）经PCM复用后的数字信号（例如4个PCM30/32系统）再进行时分复用，形成容纳更多路信号的数字通信系统。显然，经过数字复用后的信号的码速率提高了，但是对每一个基群的编码速度没有提高，实现起来容易。目前广泛采用这种方法提高通信容量。由于数字复用是采用数字复接的方法来实现的，因此也称为数字复接技术。第71页，此课件共81页哦 5.3.2 数字复接系统的组成 数字复接系统由数字复接器和数字分接器组成，如图5-2所示

46、。数字复接器是把两个或两个以上的支路（低次群）信号，按时分复用方式合并成一个单一高次群的数字信号设备，它由定时、码速调整和复接单元等组成。数字分接器的功能是把已合路的高次群数字信号，分解成原先的低次群数字信号，它由帧同步、定时、数字分接和码速恢复等单元组成。第72页，此课件共81页哦 图5-2 数字复接系统组成第73页，此课件共81页哦 5.3.3 数字信号的复接方法1按位复接、按字复接、按帧复接 按位复接又叫比特复接，即复接时每支路依次复接一个比特。图5-3(a)所示是4个PCM30/32系统时隙的码字情况。图5-3(b)是按位复接后的二次群中各支路数字码排列情况。按位复接方法简单易行，设备

47、也简单，存储器容量小，目前被广泛采用，其缺点是对信号交换不利。图5-3(c)是按字复接，对PCM30/32系统来说，一个码字有8位码，它是将8位码先储存起来，在规定时间四个支路轮流复接，这种方法有利于数字电话交换，但要求有较大的存储容量。按帧复接是每次复接一个支路的一个帧（一帧含有256个比特），这种方法的优点是复接时不破坏原来的帧结构，有利于交换。第74页，此课件共81页哦 2同步复接和异步复接 1)同步复接：复接器各输入支路数字信号相对于本机定时信号是同步的，只需相位调整即可实施复接。同源信号的复接为同步复接；同源信号是指各个信号由同一主时钟产生。从模拟信号转换成64Kbit/S数字信号(

48、零次群),64Kbit/S 数字信号复用成2048Kbit/S信号是同步复用。同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群信号，使这几个低次群的码速统一在主时钟的频率上，达到同频、同相，即不仅低次群信号速率相同，而且码元边缘对齐。第75页，此课件共81页哦 图5-3 数字复接方法第76页，此课件共81页哦 2)异步复接:若复接器各输入支路数字信号相对于本机定时信号是异步的，称为异步复接；需要对各个支路进行频率和相位调整，使之成为同步的数字信号，然后实施同步复接；异源信号的复接为异步复接；异源信号指信号由各自不同的时钟源产生；准同步信号在异源信号中，各信号的对应生效瞬间为同一标称速率（

49、速率变化限制在规定范围内）绝大多数异步复接属于准同步信号的复接；在异步复接中，若解决将非同步信号变成同步信号的问题，经码速调整即可实施同步复接。第77页，此课件共81页哦 5.3.4 数字复接系统 数字复接按照一定的规定速率，从低速到高速分级进行，其中某一级的复接是把一定数目的具有较低规定速率的数字信号，合并成为一个具有较高规定速率的数字信号。该数字信号在更高一级的数字复接中，与具有同样速率的其他数字信号作进一步的合并，成为更高规定速率的数字信号。PDH数字复接是将几个低次群在时间的空隙上叠加合成高次群。第78页，此课件共81页哦 （1）数字复接器 数字复接器位于发送端，把两个或多个低速数字支

50、路信号（低次群）按时分复用方式合并成为一个高速数字信号（高次群）的设备。数字复接器由定时、码速调整和复接单元组成 （2）数字分接器 数字分接器位于收信端，由同步、定时、分接和码速恢复等单元组成 第79页，此课件共81页哦 PCM的的高高次次群群第80页，此课件共81页哦 ITU推荐了两类数字速率系列和数字复接等级：中国、欧洲采用的2.048 Mbit/s（即3032路PCM）作基群(一次群)的数字速率系列；北美和日本采用的1.544 Mbit/s（24路PCM）。以2.048 Mbit/s为基群的数字速率系列的帧结构与目前程控数字交换用的帧结构统一，便于向数字传输和数字交换统一化方向发展。第8