信道與噪聲

第 2章 信道與噪聲 有線通信信道 線通信信道 道的噪聲 道容量 本章節(jié)教學(xué)說明 本章重點學(xué)習(xí)信道的分類和信道容量 本章主要介紹有線信道和無線信道各種介質(zhì)的特點 本章主要系統(tǒng)概括信道容量的計算方法 本章節(jié)內(nèi)容概述 有線通信信道 無線通信信道 信道的噪聲 信道的容量 本章節(jié)學(xué)習(xí)重點、難點 有線信道的主要應(yīng)用環(huán)境 無線信道的主要應(yīng)用環(huán)境 信道容量的計算方法 本章節(jié)學(xué)習(xí)目標 熟悉信道的分類 熟悉掌握各種介質(zhì)的應(yīng)用環(huán)境 理解信道容量的計算 本章節(jié)學(xué)習(xí)能力要素及基礎(chǔ)要求 課前預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容 掌握數(shù)據(jù)網(wǎng)相關(guān)基本內(nèi)容 學(xué)習(xí)了解噪聲的疊加特性 本章節(jié)學(xué)習(xí)方法建議 預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)結(jié)合 課堂學(xué)習(xí)課外學(xué)習(xí)結(jié)合 自學(xué)與探討結(jié)合 課后作業(yè)與章節(jié)個人總結(jié)結(jié)合 尋求教師答疑與學(xué)習(xí)反饋結(jié)合 傳輸介質(zhì)泛指用于連接各個通信終端或者設(shè)備的物理媒體，特指用來連接各個通信處理設(shè)備的物理介質(zhì)。 傳輸介質(zhì)分為有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)兩大類。 無線傳輸介質(zhì)包括無線電、微波、通信衛(wèi)星、紅外線等；有線傳輸介質(zhì)包括同軸電纜、雙絞線、光纖等。 有線通信信道 雙絞線 雙絞線電纜（簡稱雙絞線）是由一對或一對以上的相互絕緣的銅導(dǎo)線使用規(guī)則的方法絞合而成的，是目前局域網(wǎng)中最常用到的一種通信介質(zhì)。 圖 2雙絞線的結(jié)構(gòu) 1雙絞線的特征 （ 1）導(dǎo)線直徑 （ 2）含銅 （ 3）導(dǎo)線單位長度繞數(shù) （ 4）屏蔽措 圖 2非屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線 2雙絞線的分類 級 別 頻帶（ 帶寬（ s） 使 用 范 圍 1類 電話語音通信 2類 1 4 用于舊的令牌網(wǎng) 3類 16 10 類 20 16 基于令牌的局域網(wǎng)和 10類 100 100 百兆以太網(wǎng) 超 5類 100 155 百兆以太網(wǎng) 6類 200 250 1 000 吉比特以太網(wǎng) 超 6類 200 250 1 000 吉比特以太網(wǎng) 7類 500 10 000 十吉比特以太網(wǎng) 表 2屏蔽雙絞線種類和使用范圍 3雙絞線的特點 雙絞線具有以下優(yōu)點。 （ 1）低成本，易于安裝 （ 2）應(yīng)用廣泛 同時雙絞線還具有很多缺點。 （ 1）帶寬有限 （ 2）信號傳輸距離短 （ 3）抗干擾能力不強 4雙絞線的應(yīng)用 （ 1） （ 2） （ 3）以太網(wǎng) 同軸電纜 1同軸電纜結(jié)構(gòu)和分類 同軸電纜由中心的銅質(zhì)或鋁質(zhì)的導(dǎo)體、中間的絕緣塑料層、金屬屏蔽層以及主要起保護作用的外套層組成，如圖 2 圖 2同軸電纜的結(jié)構(gòu) 規(guī) 格 類 型 阻抗（ ） 描 述 纜 50 固體實心銅導(dǎo)線 細纜 50 絞合線 細纜 50 的軍用版本 5 寬帶同軸電纜，用于有線電 視中 纜 50 固體實心線，直徑約為 纜 50 標準實心線，直徑約為 2軸電纜的常見規(guī)格 2同軸電纜的特點 同軸電纜具有下列特點。 （ 1）可用頻帶寬。 （ 2）抗干擾能力強，誤碼率低，但這會受到屏蔽層接地質(zhì)量的影響。 （ 3）性能價格比高。 （ 4）安裝較復(fù)雜。 3同軸電纜的應(yīng)用 （ 1）局域網(wǎng) （ 2）局間中繼線路 （ 3）有線電視（ 統(tǒng)的信號線 （ 4）射頻信號線 光纜 光纜是由許多根經(jīng)過技術(shù)處理的光學(xué)纖維組合而成的纜，用來傳送光信號。 1光在光纖中的傳播 2光纖的結(jié)構(gòu) 圖 2光纖的結(jié)構(gòu) 圖 2四芯光纜剖面示意圖 3光纖的分類 （ 1）根據(jù)光纖橫截面上折射率的不同分類 可以分為階躍型光纖和漸變型光纖。 （ 2）按傳輸模式分類 可以分為單模光纖（ 多模光纖（ 圖 2單模光纖與多模光纖 （ 3）按照制造光纖所用的材料分類 可以分為石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖。 4光纖的損耗 （ 1）損耗 （ 2）固有損耗和附加損耗 （ 3）吸收損耗 （ 4）散射損耗 （ 5）使用損耗 5光纖的帶寬與色散 （ 1）色散 （ 2）帶寬與色散的關(guān)系 （ 3）色散的分類 模式色散 材料色散 波導(dǎo)色散 （ 4）光纖的傳輸帶寬 6光纖作為傳輸介質(zhì)的主要特點 （ 1）傳輸頻帶寬 （ 2）傳輸距離長 （ 3）抗電磁干擾能力強 （ 4）保密性好 （ 5）節(jié)省大量有色金屬 （ 6）體積小，重量輕 （ 7）需要經(jīng)過額外的光 /電轉(zhuǎn)換過程 無線通信信道 無線信道的基本概念 無線通信的傳輸介質(zhì)，即是無線信道，更確切地說，無線信道是基站天線與用戶天線之間的傳播路徑。 天線感應(yīng)電流而產(chǎn)生電磁振蕩并輻射出電磁波，這些電磁波在自由空間或空中傳播，最后被接收天線所感應(yīng)并產(chǎn)生感應(yīng)電流。 電磁波的傳播路徑可能包括直射傳播和非直射傳播，多種傳播路徑的存在造成了無線信號特征的變化。 了解無線信道的特點對于理解無線通信是非常必要的。 與其他通信信道相比，無線信道是最為復(fù)雜的一種。 無線信道的衰落特性取決于無線電波傳播環(huán)境。 電磁波在無線信道中的傳播 電磁波傳播的特性是研究任何無線通信系統(tǒng)首先要遇到的問題。 對于不同頻段的無線電波，其傳播方式和特點是不相同的。 1基本傳播機制 （ 1）直射 （ 2）反射 （ 3）繞射 （ 4）散射 2無線信道的指標 （ 1）傳播損耗 路徑損耗 陰影衰落 多徑衰落 （ 2）傳播時延 （ 3）時延擴展 （ 4）多普勒擴展 （ 5）干擾 無線信道的特點 （ 1）頻譜資源有限 （ 2）傳播環(huán)境復(fù)雜 （ 3）存在多種干擾 （ 4）網(wǎng)絡(luò)拓撲處于不斷地變化之中 無線傳輸介質(zhì) 1無線電波 無線電波是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的射頻頻段的電磁波。 2激光 激光通信是利用激光束調(diào)制成光脈沖用以傳輸數(shù)據(jù)。 3紅外線 紅外線通信是采用紅外線來傳輸信號，在發(fā)送端設(shè)有紅外線發(fā)送器，在接收端設(shè)有紅外線接收器。 4微波 所謂微波，是一種具有極高頻率（通常為 300300波長很短（通常為 1m 1電磁波。 圖 2微波通信 微波通信同樣是利用電磁波來承載信息，但它具有以下顯著特點。 （ 1）工作頻率高，可用帶寬大。 （ 2）波長短，易于設(shè)計高增益的天線。 （ 3）受天電干擾小。 （ 4）視距傳播。 （ 5）容易受天氣影響。 信道的噪聲 信道的噪聲能夠干擾通信效果，降低通信的可靠性。 從不同的方面，噪聲有著不同的分類。 噪聲按其產(chǎn)生的原因可以分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲。 噪聲從統(tǒng)計理論觀點可以分為平穩(wěn)和非平穩(wěn)噪聲兩種。 另外，按噪聲和信號之間關(guān)系可分為加性噪聲和乘性噪聲。 信道容量 信道容量的定義 在信息論中，稱信道無差錯傳輸信息的最大信息速率為信道容量，記為 C。 從信息論的觀點來看，各種信道可概括為兩大類：離散信道和連續(xù)信道。 所謂離散信道，就是輸入與輸出信號都是取值離散的時間函數(shù)；而連續(xù)信道，是指輸入和輸出信號都是取值連續(xù)的。 可以看出，前者就是廣義信道中的編碼信道，后者則是調(diào)制信道。 連續(xù)信道的容量 2l o g 1 ( b i t / s ) 這就是信息論中具有重要意義的香農(nóng)（ 道容量公式，簡稱香農(nóng)公式。 它表明了當(dāng)信號與作用在信道上的起伏噪聲的平均功率給定時，具有一定頻帶寬度 論上單位時間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。 信噪比，即 即放大器的輸出信號的電壓與同時輸出的噪聲電壓的比，常常用分貝數(shù)表示。 此處的 S/。 香農(nóng)公式告訴我們?nèi)缦陆Y(jié)論。 （ 1）在給定 B、 S/道的極限傳輸能力為 C，而且此時能夠做到無差錯傳輸（即差錯率為零）。 （ 2）提高信噪比 S/N，可提高信道容量 C。 （ 3）增加信道帶寬 B，也可增加信道容量 C，但做不到無限制地增加。 （ 4）維持同樣大小的信道容量，可以通過調(diào)整信道的 ，即信道容量可以通過系統(tǒng)帶寬與信噪比的互換而保持不變。 離散信道的信道容量 根據(jù)奈奎斯特（ 噪聲下的碼元速率極限值 的關(guān)系 B=2H（ 得到無噪聲離散信道的信道容量的公式 22 l o M（ s） 小 結(jié) 1傳輸介質(zhì) 傳輸介質(zhì)分為有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)兩大類。 無線傳輸介質(zhì)包括無線電