信道与噪声

第 2章 信道与噪声 有线通信信道 线通信信道 道的噪声 道容量 本章节教学说明 本章重点学习信道的分类和信道容量 本章主要介绍有线信道和无线信道各种介质的特点 本章主要系统概括信道容量的计算方法 本章节内容概述 有线通信信道 无线通信信道 信道的噪声 信道的容量 本章节学习重点、难点 有线信道的主要应用环境 无线信道的主要应用环境 信道容量的计算方法 本章节学习目标 熟悉信道的分类 熟悉掌握各种介质的应用环境 理解信道容量的计算 本章节学习能力要素及基础要求 课前预习相关内容 掌握数据网相关基本内容 学习了解噪声的叠加特性 本章节学习方法建议 预习复习结合 课堂学习课外学习结合 自学与探讨结合 课后作业与章节个人总结结合 寻求教师答疑与学习反馈结合 传输介质泛指用于连接各个通信终端或者设备的物理媒体，特指用来连接各个通信处理设备的物理介质。 传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类。 无线传输介质包括无线电、微波、通信卫星、红外线等；有线传输介质包括同轴电缆、双绞线、光纤等。 有线通信信道 双绞线 双绞线电缆（简称双绞线）是由一对或一对以上的相互绝缘的铜导线使用规则的方法绞合而成的，是目前局域网中最常用到的一种通信介质。 图 2双绞线的结构 1双绞线的特征 （ 1）导线直径 （ 2）含铜 （ 3）导线单位长度绕数 （ 4）屏蔽措 图 2非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线 2双绞线的分类 级 别 频带（ 带宽（ s） 使 用 范 围 1类 电话语音通信 2类 1 4 用于旧的令牌网 3类 16 10 类 20 16 基于令牌的局域网和 10类 100 100 百兆以太网 超 5类 100 155 百兆以太网 6类 200 250 1 000 吉比特以太网 超 6类 200 250 1 000 吉比特以太网 7类 500 10 000 十吉比特以太网 表 2屏蔽双绞线种类和使用范围 3双绞线的特点 双绞线具有以下优点。 （ 1）低成本，易于安装 （ 2）应用广泛 同时双绞线还具有很多缺点。 （ 1）带宽有限 （ 2）信号传输距离短 （ 3）抗干扰能力不强 4双绞线的应用 （ 1） （ 2） （ 3）以太网 同轴电缆 1同轴电缆结构和分类 同轴电缆由中心的铜质或铝质的导体、中间的绝缘塑料层、金属屏蔽层以及主要起保护作用的外套层组成，如图 2 图 2同轴电缆的结构 规 格 类 型 阻抗（ ） 描 述 缆 50 固体实心铜导线 细缆 50 绞合线 细缆 50 的军用版本 5 宽带同轴电缆，用于有线电 视中 缆 50 固体实心线，直径约为 缆 50 标准实心线，直径约为 2轴电缆的常见规格 2同轴电缆的特点 同轴电缆具有下列特点。 （ 1）可用频带宽。 （ 2）抗干扰能力强，误码率低，但这会受到屏蔽层接地质量的影响。 （ 3）性能价格比高。 （ 4）安装较复杂。 3同轴电缆的应用 （ 1）局域网 （ 2）局间中继线路 （ 3）有线电视（ 统的信号线 （ 4）射频信号线 光缆 光缆是由许多根经过技术处理的光学纤维组合而成的缆，用来传送光信号。 1光在光纤中的传播 2光纤的结构 图 2光纤的结构 图 2四芯光缆剖面示意图 3光纤的分类 （ 1）根据光纤横截面上折射率的不同分类 可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤。 （ 2）按传输模式分类 可以分为单模光纤（ 多模光纤（ 图 2单模光纤与多模光纤 （ 3）按照制造光纤所用的材料分类 可以分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。 4光纤的损耗 （ 1）损耗 （ 2）固有损耗和附加损耗 （ 3）吸收损耗 （ 4）散射损耗 （ 5）使用损耗 5光纤的带宽与色散 （ 1）色散 （ 2）带宽与色散的关系 （ 3）色散的分类 模式色散 材料色散 波导色散 （ 4）光纤的传输带宽 6光纤作为传输介质的主要特点 （ 1）传输频带宽 （ 2）传输距离长 （ 3）抗电磁干扰能力强 （ 4）保密性好 （ 5）节省大量有色金属 （ 6）体积小，重量轻 （ 7）需要经过额外的光 /电转换过程 无线通信信道 无线信道的基本概念 无线通信的传输介质，即是无线信道，更确切地说，无线信道是基站天线与用户天线之间的传播路径。 天线感应电流而产生电磁振荡并辐射出电磁波，这些电磁波在自由空间或空中传播，最后被接收天线所感应并产生感应电流。 电磁波的传播路径可能包括直射传播和非直射传播，多种传播路径的存在造成了无线信号特征的变化。 了解无线信道的特点对于理解无线通信是非常必要的。 与其他通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。 无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。 电磁波在无线信道中的传播 电磁波传播的特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题。 对于不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的。 1基本传播机制 （ 1）直射 （ 2）反射 （ 3）绕射 （ 4）散射 2无线信道的指标 （ 1）传播损耗 路径损耗 阴影衰落 多径衰落 （ 2）传播时延 （ 3）时延扩展 （ 4）多普勒扩展 （ 5）干扰 无线信道的特点 （ 1）频谱资源有限 （ 2）传播环境复杂 （ 3）存在多种干扰 （ 4）网络拓扑处于不断地变化之中 无线传输介质 1无线电波 无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。 2激光 激光通信是利用激光束调制成光脉冲用以传输数据。 3红外线 红外线通信是采用红外线来传输信号，在发送端设有红外线发送器，在接收端设有红外线接收器。 4微波 所谓微波，是一种具有极高频率（通常为 300300波长很短（通常为 1m 1电磁波。 图 2微波通信 微波通信同样是利用电磁波来承载信息，但它具有以下显著特点。 （ 1）工作频率高，可用带宽大。 （ 2）波长短，易于设计高增益的天线。 （ 3）受天电干扰小。 （ 4）视距传播。 （ 5）容易受天气影响。 信道的噪声 信道的噪声能够干扰通信效果，降低通信的可靠性。 从不同的方面，噪声有着不同的分类。 噪声按其产生的原因可以分为外部噪声和内部噪声。 噪声从统计理论观点可以分为平稳和非平稳噪声两种。 另外，按噪声和信号之间关系可分为加性噪声和乘性噪声。 信道容量 信道容量的定义 在信息论中，称信道无差错传输信息的最大信息速率为信道容量，记为 C。 从信息论的观点来看，各种信道可概括为两大类：离散信道和连续信道。 所谓离散信道，就是输入与输出信号都是取值离散的时间函数；而连续信道，是指输入和输出信号都是取值连续的。 可以看出，前者就是广义信道中的编码信道，后者则是调制信道。 连续信道的容量 2l o g 1 ( b i t / s ) 这就是信息论中具有重要意义的香农（ 道容量公式，简称香农公式。 它表明了当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给定时，具有一定频带宽度 论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。 信噪比，即 即放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示。 此处的 S/。 香农公式告诉我们如下结论。 （ 1）在给定 B、 S/道的极限传输能力为 C，而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。 （ 2）提高信噪比 S/N，可提高信道容量 C。 （ 3）增加信道带宽 B，也可增加信道容量 C，但做不到无限制地增加。 （ 4）维持同样大小的信道容量，可以通过调整信道的 ，即信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。 离散信道的信道容量 根据奈奎斯特（ 噪声下的码元速率极限值 的关系 B=2H（ 得到无噪声离散信道的信道容量的公式 22 l o M（ s） 小 结 1传输介质 传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类。 无线传输介质包括无线电