通信原理 第02章 数据通信基础.ppt

1、第2章 数据通信基础,1948年香农在Bell System Technical Journal上发表了A Mathematical Theory of Communication。在这篇论文中，香农首次引入“比特”(bit)一词，如果在信号中附加额外的比特，就能使传输错误得到纠正。通信的数学理论是香农在数学与工程研究上的顶峰。他把通信理论的解释公式化，对最有效地传输信息的问题进行了研究。,本章主要讲述数据通信的相关概念，包括数据传输速率和相关的定理与计算，介绍数据通信的常见介质，包括有线通信和无线通信方式。描述数据传输的损耗和通信系统的性能衡量方法。,第2章 数据通信基础,2.1 基础概念和

2、计算 2.2 有线数据传输介质 2.3 无线传输媒介 2.4 数据传输损耗 2.5 通信系统的性能衡量 本 章 小 结,2.1 基础概念和计算 不同的通信系统有不同的性能指标，就数据通信系统而言，其性能指标主要有传输速率、频带利用率、差错率等。 2.1.1 数据传输速率 传输速率是指在单位时间内传输信息的量，它是评价通信速度的重要指标。数据传输中，经常用到的指标有调制速率、数据信号速率和数据传输速率。 1.码元传输速率 码元传输速率简称传码率，又称符号速率、码元速率、波特率、调制速率。,它表示单位时间内（每秒）信道上实际传输码元的个数，单位是波特（Baud），常用符号“B来表示。值得注意的是码

3、元速率仅仅表征单位时间内传送的码元数目而没有限定这时的码元应是何种进制的码元。但对于传信率，则必须折合为相应的二进制码元来计算。 （2-1） 其中T是周期，即传送单位调制信号波所用时间，单位是s。,例2.1 如图2-1所示的调频波，其中一个“0”或“1”状态的最短时间长度为40010-6秒，试求调制速率。 图2-1 信号调频波 解：根据公式2-1可以得到,2.数据信号速率 信息传输速率简称传信率，又称信息速率、比特率，它表示单位时间（每秒）内传输实际信息的比特数，单位为比特秒，记为bit/s、b/s、bps。比特在信息论中作为信息量的度量单位。一般在数据通信中，如使用“1”和“0”的概率是相同

4、的，则每个“1”和“0”就是一个比特的信息量。 若进行串行方式进行数据传输时，则数据信号速率可定义如下：,其中，RB为波特率，M为调制信号波的状态数，T为单位调制信号波的时间长度。 例2.2 若采用串行传输方式，且单位调制信号波的时间长度为50010-6s,试问在使用4状态调制时，数据信号速率为多少？ 解：RB=1/T=2000 (Baud) 根据公式（2-2）得Rb=RBlog2M=2000log24=20002=4000(bps),若进行并行方式进行数据传输时，则数据信号速率可定义如下： 其中，n为并行传输中使用的传输通道的数量，Ti为第i条通道上一个单位调制信号波的长度，即周期，Mi为第

5、i条通道上调制信号波的状态数。 例2.3 若采用6路并行传输方式，每路一个单位调制信号波的时间长度均为0.05s,且均采用4状态调制，试求数据信号速率。,解：调制速率为RB=1/T=1/0.05=20 (Baud) 根据公式(2.3) =50162=1600(bps) 3.数据传输速率 所谓数据传输速率是指在单位时间内数据的输送量，其单位可以是比特、字符等。时间单位可以是时、分、秒等。通常将“字符/min”作为它的单位。数据在实际传输时需要附加一定数量的比特位，计算时根据实际情况确定传输数据的长度及附加位数，此方面知识将在后文中提出。,例2.4 以异步方式传输汉字信息,停止位的长度为1位，每个

6、汉字由2个ASCII码表示。 已知数据信号速率为1080bps,试求该种传输方式下的数据传输速率。 解：若以“字符/min”为单位，则数据传输速率为 分母中两个“1”分别是附加在字符代码前面的起始位和停止位的长度。,波特率即调制速率或码元速率，指的是单位时间内载波调制状态改变的次数，其单位为波特(Baud)。 波特率B与比特率C的关系用公式表示为：C=Blog2M 或C=BL（M表示为信号的状态个数，L表示传输所需要的二进制位数） 比特率指的是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位数来表示，其单位用比特每秒（bps)表示。,2.1.2 信噪比 信噪比（SNR）是Signal

7、-To-Noise Ratio的缩写。信号在传输过程中不可避免地要受到噪声的影响，信噪比是用来描述在此过程中信号受噪声影响程度的量，它是衡量传输系统性能的重要指标之一。信噪比通常是指某一点上的信号功率与噪声功率之比，用下面公式表示信噪比： （2-4） 其中，是信噪比， 是信号的平均功率，是噪声的平均功率。,为了方便使用通常采用分贝（dB）来表示信噪比，公式为： （2-5） 2.1.3 香农定理 香农定理指的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频率宽度B的信道上，理论上单位时间内可能传输信息量的极限数值。香农定理的公式表示为 （2-6） 式中，B表示带宽，单位Hz，S/N为信

8、噪比，S是平均信号功率,N是平均噪声功率。,由公式2-5可以推导出 （2-7） 把公式2-7带入公式2-5可得到香农的公式的另外一种表达式，如公式2-8所表示。此种表达式在计算中大量使用。 （2-8）,例2.5 设高斯信道的带宽为4,信号与噪声的功率比为30,试计算此系统的信道容量。 解：由香农公式得 香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率，达到极限信息速率的通信系统称为理想通信系统。它描述了有限带宽、有随机热噪声、信道的最大传输速率与信道带宽信号噪声功率比之间的关系。,由于信道上存在损耗、延迟、噪声，所以会引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变，噪声会

9、破坏信号，产生误码。香农公式指出，对于一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的最大值就确定了。 要想提高信息的传输速率，或者提高传输线路的带宽，或者提高所传信号的信噪比，此外没有其它任何办法。但是，香农公式只证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出这种通信系统的实现方法。这正是通信系统研究和设计者们所面临的任务。,2.1.4 奈奎斯特定理 奈奎斯特定理也叫采样（或抽样）定理，它指的是一个频带限制在（0，）内的时间连续信号，如果以不大于的间隔对它进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。也就是说，如果对上述信号以的抽样速率进行均匀抽样，可以被所得到后的抽样值完全确定。最小抽样速率被称为

10、奈奎斯特速率。最大抽样时间间隔称为奈奎斯特间隔。,奈奎斯特定理用于理想低通信道，它给出了无热噪声时信道带宽对最大数据速率的限制，公式表示为： （2-9） 其中是信道的带宽（以为单位），而表示任何给定时刻数字信号可能取的离散值的个数，则是该信道最大的数据速率。 奈奎斯特定理说明，如果对某一带宽有限的时间连续信号进行抽样，且抽样速率达到一定数值时，那么根据这些抽样值就能准确地确定原信号，该定理为模拟信号的数字传输奠定了理论基础。,2.2 有线数据传输介质,传输介质是在数据传输系统中位于发送端和接收端之间的物理通路。传输介质大体可分为导向性传输介质和非导向性传输介质。双绞线、同轴电缆和光纤均属于导向

11、性传输介质，这种传输介质将引导信号的传播方向。其中双绞线和同轴电缆采用金属导体传输电流形式的信号，光纤则是采用玻璃或塑料传输光波形式的信号。而非导向传输介质一般通过空气传播信号，它不为信号引导传播方向。,2.2.1 双绞线 双绞线是网络布线中最常用的传输介质。双绞线一般由两根绝缘铜导线相互缠绕而成，封装在一个电缆套管里，每根铜导线的绝缘层上分别涂有不同的颜色，以示区别。双绞线的扭线越密其抗干扰能力就越强，传输性能就越高。相对于同轴电缆和光纤来说，双绞线在传输距离，信道宽度和数据传输速度等方面受到一定限制，但是它价格便宜，易于安装与使用。,1.UTP和STP 双绞线可分为屏蔽双绞线(STP)和非

12、屏蔽双绞线(UTP)。屏蔽双绞线（如图2-2)电缆的外层由铝铂包裹，以减小辐射，但并不能完全消除辐射。屏蔽双绞线价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。 图2-2 屏蔽双绞线,非屏蔽双绞线（如图2-3所示)无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间，重量轻、易弯曲、易安装，将串扰减至最小或加以消除，具有阻燃性，具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。 图2-3 非屏蔽双绞线,2.双绞线的类型 双绞线规格型号有类线、类线、类线、类线、类线、超类线和最新的类线。局域网中非屏蔽双绞线分为3类、4类、5类、超5类以及6类线五种，屏蔽双绞线分为3类和5类两种。下面简单介绍以上几类双绞线。 （1）一类线

13、：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。,（2）二类线：传输频率为1MHZ，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4MBPS规范令牌传递协议的令牌网。 （3）三类线：指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆，该电缆的传输频率16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10BASE-T规范。 （4）四类线：该类电缆内含对线，其传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率为16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和 10BASE-T/100BASE-T规范。,（5）五类线：该类是新建网

14、络或升级到高级以太网最常用的UTP。该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和10BASE-T网络，是最常用的以太网电缆。 （6）超五类线：超5类双绞线属非屏蔽双绞线，与普通5类双绞线比较，超5类双绞线在传送信号时衰减更小，抗干扰能力更强，在100M网络中，用户设备的受干扰程度只有普通5类线的1/4，并且具有更高的衰减与串扰比值(ACR)和信噪比(Structural Return Loss)，更小的时延误差，性能得到很大提高。,（7）六类线：6类双绞线采用了经过一定比例预先扭绞的十字

15、型塑料骨架，保持电缆结构稳定性的同时降低了线对之间的串扰。6类双绞线单位长度的扭绞密度比超5类更为紧密，使近端串扰和抗干扰性能得到改善。该类电缆的传输频率为1MHz250MHz，六类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比（PS-ACR）有较大的余量，它提供2倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。六类双绞线改善了在串扰以及回波损耗方面的性能，对于新一代全双工的高速网络应用而言，优良的回波损耗性能是极重要的。六类标准中取消了基本链路模型，布线标准采用星型的拓扑结构，,要求的布线距离为永久链路的长度不能超过90m，信道长度不能超过100m。 双

16、绞线按性能和用途分为1类线、2类线、3类线、4类线，5类线和超5类线，以及6类线。类越高则性能越好，但价格也越贵。 3.双绞线的连接器 双绞线的连接器最常见的是RJ-11和RJ-45。RJ-11用于连接3双绞线缆，RJ-45用于连接4对双绞线缆。如图2-4所示是一个RJ-45连接器。 图2-4 RJ-45连接器,2.2.2 同轴电缆 同轴电缆是一种用途广泛的传输媒介，这种传输媒介由一根空心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导线组成。内导线和圆柱导体及外界之间用绝缘材料隔开，如图2-5所示。 图2-5 同轴电缆结构图,与双绞线相比，同轴电缆的抗干扰能力强、屏蔽性能好、传输数据稳定、价格也便宜，它

17、不用连接在集线器或交换机上即可使用。同轴电缆的带宽取决于电缆长度，1km的电缆可以达到1Gbps到2Gbps的数据传输速率。它可以使用更长的电缆，但是传输率要降低或使用中间放大器。目前，同轴电缆大量被光纤取代，但仍广泛应用于有线电视和某些局域网中。 根据传输频带的不同，同轴电缆可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种类型。 1. 基带同轴电缆 基带（Raseband）同轴电缆是特性阻抗为50欧姆的同轴电缆，用于传送数学信号。,通常把表示数字信号的方波所固有的频带称为基带。50欧姆电缆分为粗缆和细缆两种。 粗缆传输距离长，性能高，适用于较大局域网的网络干线，布线距离较长，可靠性较好。用户通常采用外部

18、收发器与网络干线连接。粗缆局域网中每段长度可达 500米，采用4个中继器连接5个网段后最大可达 2500米。用粗缆组网如直接与网卡相连，网卡必须带有 AUI接口（15针D型接口）。用粗缆组建局域网虽然各项性能较高，具有较大的传输距离，但是网络安装、维护等方面比较困难，造价较高。,细缆传输距离短，相对便宜，用T型头，与BNC网卡相连，两端安装50欧姆终端电阻，两端需安装终端电阻器。细缆网络每段干线长度最大为 185米，每段干线最多接入 30个用户。如要拓宽网络范围，需使用中继器，如采用 4个中继器连接5个网段，使网络最大距离达到 925米。细缆安装较容易，而且造价较低，但因受网络布线结构的限制，

19、其日常维护不甚方便，一旦一个用户出故障，便会影响其他用户的正常工作。,粗缆传输性能优于细缆，在传输速率为10Mbps时，粗缆网段传输距离可达5001000m，细缆传输距离为200300m。基带同轴电缆多适用于直接传输数字信号（即基带信号），不需加调制解调器，信号可在电缆上双向传输，数据传输速率一般为10兆比特/ 秒，最大数据传输速率可达50Mbps，其抗干扰能力较好。但仍不能完全避开电磁干扰。每段电缆可支持近百台设备正常工作，加中继器后可接上千台设备。,2. 宽带同轴电缆 宽带（Broad band）同轴电缆是特性阴抗为75欧的CATV（Community Antenna Television

20、，公用天线电视）电缆，用于传送模拟信号。宽带同轴电缆常用的电缆的屏蔽层通常是用铝冲压成的。 宽带同轴电缆由于其通频带宽，故能将语音、图像、图形、数据同时在一条电缆上传送。宽带同轴电缆的传输距离最长可达10千米（不加中继器），一般为20千米（加中继器）。其抗干扰能力强，可完全避开电磁干扰，可连接上千台设备。,要把计算机产生的数字信号变成模拟信号在CATV电缆传输，就要求在发送端和接收端加入调制解调器（Modem）。对于带宽为400兆赫兹的CATV电缆，其传送速率为100150Mbps。 宽带系统又分为多个信道，电视广播通常占用6MHz信道。每个信道可用于模拟电视、CD质量声音(1.4Mb/s)或

21、3Mb/s的数字比特流。电视和数据可在一条电缆上混合传输。 宽带系统和基带系统的一个主要区别是：宽带系统由于覆盖的区域广，因此，需要模拟放大器周期性地加强信号。这些放大器仅能,单向传输信号，因此，如果计算机间有放大器，则报文分组就不能在计算机间逆向传输。为了解决这个问题，人们已经开发了两种类型的宽带系统：双缆系统和单缆系统。 3.同轴电缆连接设备 同轴电缆主要应用于环形拓扑结构的小型局域网中。采用同轴电缆进行网络连接时，常用到如下接头设备。 BNC桶型接头：用于连接两段细同轴电缆 BNC连接器： BNC电缆连接器由一根中心针、一个外套和卡座组成。每段电缆的两端必须安装BNC连接器，如图2-6(

22、a)所示。,图2-6 BNC电缆连接设置 BNC T型接头：T型接头用于连接细缆的BNC连接器和网卡，每台工作站都需要一个T型接头。如图2-33(b)所示。 终端匹配器：每个粗同轴电缆网段都必须用50系列终端匹配器连接。每个细同轴电缆网段的两端都有必须有一个50的BNC终端匹配器，直接连接于BNC T型接头。如图2-33(c)所示。,2.2.3 光纤 光纤是以光脉冲的形式来传输信号，以玻璃或有机玻璃等作为材料制作的网络传输介质。它由光纤芯、包层和外部保护层(也叫保护套)组成（如图2-7所示）。 （a）光纤外部构造 （b）光纤内部构造 图2-7 光纤结构图,1.光纤的分类 （1）按照制造材料分为

23、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。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。 （2）按光的传输模式分为单模光纤和多模光纤。多模光纤是指使用多条光路传输同一信号，通过光的折射来控制传输速度。多模光纤根据其包层的折射率分为突变型折射率光纤和渐变型折射率光纤。多模光纤主要用于短距离、低速率的通信。多模光纤的纤芯直径为5062.5m，包层外直径125m，多模光纤的模间色散程度随距离的增加变化十分明显，所以只适合于短距离通信采用。单模光纤,是指光纤只提供一条光路。该类型的光纤加工复杂，但具有更大的通信容量和更远的传输距离。单模光纤的纤芯直径为8.3m，包层外直径125m。

24、（3）按最佳传输频率窗口分为常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。 （4）按折射率分布情况分为阶跃型和渐变型光纤。 （5）按光纤的工作波长分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤是指0.80.9m的光纤；长波长光纤是指1.01.7m的光纤；而超长波长光纤则是指2m以上的光纤。,2.光纤通信的特点 (1)通信容量大、传输距离远。 (2)信号串扰小、保密性能好。 (3)抗电磁干扰、传输质量佳。 (4)光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输。 (5)材料来源丰富,环境保护好。 (6)无辐射,难于窃听。 (7)光缆适应性强,寿命长。 2.2.4 PLC电力线通信 PLC（ Power Line

25、Communication）,即电力线通信。它是依托电线作为传输介质，用电线替代网线实现布线通信的目的。用电线替代传统,的网线作为传输介质，再结合电力线猫实现数据的转换，保证用户访问网络。 PLC利用4.3MHz到20.9MHz频带范围传输信号。在发送时，利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输，在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可以得到原通信信号。目前可达到的通信速率依具体设备不同在1M200M之间。PLC设备分局端和调制解调器，局端负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络的连接。在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配

26、电线路传输到局端设备，,局端将信号解调出来，再转到外部的Internet。典型的PLC网络如图2-8所示。 图2-8 PLC网络模型,电力线上网的优势是省去了布线的烦恼，省去了布线花费的精力和财力。通过利用传输电流的电力线作为通信载体，使得PLC具在极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，即可进行网络通信服务。目前，PLC主要是作为一种接入技术，适用于居民小区，学校、酒店、写字楼等领域。 电力线上网还可以借助电力AP实现无线网络的轻易建立，这种无线移动形式上比我们用无线路由器和无线网卡建立的无线网络更好，因为他的覆盖面更大。,不过，目前普遍认为电力线上网在技术方面还存在着一些障

27、碍，即中继器、路由器、中压线与低压线用耦合器等基础设施所需设备的安全性与性能标准尚未制定。因此，电力线上网目前在全球都还处于试验阶段。另外由于电力线走向和规格都不符合标准，所以线路虚接线路串扰的现象非常普遍，电压不稳定，对PLC上网影响巨大。 2.3 无线传输媒介 无线传输介质：无线传输介质是利用可以穿越外太空的大气电磁波来传输信号的。,由于无线信号不需要物理的媒体，它可以克服线缆限制引起的不便，解决某些布线有困难的区域联网问题。无线传输介质具有不受地理条件的限制、建网速度快等特点，目前应用于计算机无线通讯的手段主要有无线电短波、超短波、微波、红外线、激光以及卫星通信等。 电磁波是发射天线感应

28、电流而产生的振荡波。这些电磁波在空中传播，最后被感应天线接收。在真空中，所有的电磁波以相同的速度传播，与频率无关，大约为3108m/s。,电磁波可运载的信息量与它的带宽有关。无线电波、微波、红外线和可见光都可以通过调节振幅、频率或相位来传输信息。紫外线、X射线和伽玛射线也可以用来传输信息且可以获得更好的效果，但它们难以生成和调制，穿过建筑物的特性不好，且对生物有害。如图2-9所示的电磁波的辐射频率。 图2-9 电磁波频率,1.短波通信 短波通信，又称高频通信，是以波长为10100m的电磁波进行信号传输的一种通信方式，其工作频率范围在330MHz。短波通信可以通过地表以地波形式传播，也可以通过电

29、离层的反射以天波形式传播。这两种传播形式有其各自的频率范围和传输距离。地波传播时，陆地和海洋均会引起信号的衰损，所以短波一般采用天波形式进行传播。在这种方式下，电波经过电离层与地面之间的多次反射，进行远距离通信。,短波通信系统配置简单，机动性大，广泛应用于电话、电报、传真和广播等业务。 但是该通信系统载频较低，稳定性较差。 2.微波通信 微波通信是指用频率在300MHz到10GHz的微波信号进行通信。微波通信沿直线进行信号传播,并且不能穿透障碍物，因此微波通信的主要依靠视距通信,超过视距以后需要中继转发。一般相隔50公里就需要设置中继站,将电波放大转发而延伸。远距离微波通信通常要经过数十次中继

30、，微波通信频带宽、容量大、广泛应用于各种电信业务的传送。,3.卫星通信 卫星通信是指利用人造卫星进行中转的通信方式。通信卫星一般被发射在赤道上方3.6万公里的同步轨道上，与地球的自转同步运行。轨道的平面与赤道平面的夹角保持为零度，使卫星相对地面静止不动，因此称为同步卫星。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星在空中起中继站的作用,把地球站发上来的电磁波放大后回送另一地球站。地球站是卫星系统形成的链路。由于每一颗通信卫星可俯视地球1/3的面积，所以利用在定点同步轨道上等距离分布的三颗卫星，就能同全球进行通信。,（1）通信波段 最适合卫星通信的频率是1-10GHz的微波频段。卫星收发信号的频率

31、范围一般都很宽，每个异频雷达收发机处理一个特定范围内的信号。为避免干扰，上行和下行分别使用不同的频率。表2-4列出卫星通信四个常用波段的上行频率和下行频率。 表2-1 常用卫星通信频率,在微波频带,整个通信卫星的工作频带约为50OMHz宽度,为了便于放大发射及减少变调干扰,一般在卫星上设置若干个转发器。每个转发器的工作频带宽度为36MHz或72MHz。卫星通信多采用频分多址复用FDM技术，时分多址复用TDM技术和码分多址复用CDMA技术。 （2）VSAT和VSAT通信网 VSAT指的是甚小口径天线终端，是一种天线口径较小的卫星通信地球站，又称微型地球站或小型地球站。VSAT站是现代卫星通信技术

32、与计算机技术相结合的小型化智能地球站。,VSAT系统有两种类型，一种是双向VSAT系统，它由中心站控制许多VSAT终端来提供数据传输、语音和传真等业务;另一种是单向VSAT系统，在这种系统中，图像和数据等信号从中心站传输到VSAT终端。 VSAT系统由室外单元和室内单元组成。室外单元是射频设备，包括小口径天线、上下变频器和各种放大器。室内单元是中频及基带设备，包括调制解调器、编译码器等。VSAT网根据业务性质可分为数据通信网、语音通信网和电视卫星通信网三大类。,VSAT通信网有星型、网状、混合型三种网络结构。星型网由一个主站和若干个VSAT小站组成。主站可与任一小站直接通信，各个VSAT站之间

33、必须通过主站转接才能互相通信，此种网主要用于数据传输;网状网中各站无主次之分，任意两个VSAT站都能直接互相通信，此种网主要用于话音传输。 （3）卫星通信的特点 卫星通信覆盖范围广，只要在卫星发射的电磁波所覆盖的范围内,任何两点之间都可进行通信。卫星通信容量大，同一信道可用,于不同方向或不同区间，同时可在多处接收,能经济地实现广播、多址通信。卫星通信的缺点是传输延时较大，费用较高。 4.空间激光通信 空间激光通信是指用激光束作为信息载体进行空间(包括大气空间、低轨道、中轨道、同步轨道、星际间、太空间)通信。激光空间通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显短，具有高度的相干性和空间定向性，它的

34、特点如下：,(1)、大通信容量：激光的频率比微波高3-4个数量级（其相应光频率在1013 -1017 Hz）,作为通信的载波有更大的利用频带。光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤通信每束波束光波的数据率可达20Gb/s以上，并且可采用波分复用技术使通信容量上升几十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的优势。 (2)、低功耗：激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应于能源成本高昂,的空间通信来说，是十分适用的。 (3)、体积小、重量轻：由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减轻；由于

35、激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以减小。摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量减轻，体积减小。 (4)、高度的保密性:激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常在毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。 (5)、激光空间通信具有较低的建造经费和维护经费。,2.4 数据传输损耗,在计算机通信技术飞速发展的今天，各种数据传输系统在性能等诸多方面得到了不断完善。然而在任何传输系统的信号传输过程中一定会出现传输损耗,因为对于各种传输系统接收端得到的信号不可能与发送端传送出的信号完全一致。这些损耗会随机地引起模拟信号的改变，

36、或使数字信号出现差错。它们也是影响数据传输速率和传输距离的一个重要因素。,2.4.1 衰损 信号在传输中将会有部分能量转化为热能或者被传输介质吸收，从而造成信号强度不断减弱，这就是衰损。衰损在远距离通信时尤为明显，通常采用放大器或中继器来增加信号强度。如图2-10显示的是信号强度和距离之间的关系。 图2-10 信号强度与传输距离,衰损的计算公式如下： (2-10) 其中表示衰损值，其单位为分贝（），为源信号功率，为测量点信号功率。根据下面公式： (2-11) 可以把衰损的计算公式推到为如下的两个等价公式，即： (2-12) 当时，0,表示信号功率从到出现了增益。,例 2.6 假设在传输系统上传

37、输的信号具有15的功率，而在一定距离远的某处测得功率为8,试计算这段路上信号的衰损。 解：根据公式： 其中=7,=12 代入数据可得 在远距离传输系统中，信号绕过一系列的电缆和设备后会出现衰损或增益。为了便于进行各点间的比较，通常在系统中选择一个称为传输电平的参考点。由于在求出用分贝表示的一个点上的增益代数和之后，就可以确定该点的相对电平，其中这个代数和的值就是该点的传输电平。而绝对电平却是由信号自身决定的。因此一般参考点被定为传输点，简称零电平点，缩写为 。,2.4.2 失真 信号不同频率的分量在传输过程中受到不同程度的衰减和延迟的影响，最终使到达接收端的信号与发送端送出的初始信号在波形上有

38、所差异，把这种传输过程中信号波形的变化称为失真。 根据产生的原因不同分为振幅失真，延迟失真。 振幅失真：由各个频率分量振幅值发生不同变化而引起的失真，是由传输设备和线路引起的衰损造成的，如图2-11为振幅失真的信号波形。,图2-11 失真的信号波形 延迟失真：由各频率分量的传播速度不一致所造成的失真，容易造成码间串扰。,2.4.3 噪声 噪声是指传输和接收之间的某处插入的不必要的信号。它是通信系统性能（特别是带宽的使用效率）的主要制约因素。数据通信中可能出现的噪声主要有以下四类： 1.热噪声 热噪声是在电阻一类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声。电子由于热能而产生的这种布朗运动会产生一个交流

39、电流成分，这个交流成分称为热噪声。热噪声是由带电粒子在导电媒介中进行的分子热运动造成的，它是绝对存在的，因而无法被消除的。,噪声功率密度可作为热噪声的度量，它以瓦/赫（）为单位。1Hz带宽内存的噪声值可由下列公式计算 (2-13) 式中，为噪声功率密度，为玻耳兹曼常数，其值是1.380510-23焦耳/开（）；为热噪声源的热力学温度，其单位是。,例2.7 若系统带宽为，试求在40的温度下热噪声源的噪声功率。 解：根据公式（2-13）求出噪声功率密度为 = 于是当带宽为时，噪声功率为 将其换算成单位 ,根据公式 可得,值得一提的是,热噪声是一种高斯白噪声.所谓高斯白噪声是指n维分布都服从高斯分布

40、的噪声。而白噪声是指功率谱密度在这个频率范围内分布均匀的噪声。于是在服从高斯分布的同时功率谱密度又是均匀分布的噪声被称为高斯白噪声。而热噪声恰恰具有这两项特性。 2. 交调噪声 交调噪声指的是多个不同频率的信号共享一个传输媒介时可能产生的噪声,通常是通信系统中存在非线性因素造成的.这些信号的频率是某两个频率和、差或倍数.这些非线性因素通常是由元件故障引起的.通常情况下,发送端和接收端是以线性系统模式工作的,即输出为输入的常数倍。,3.串扰 串扰又叫串音，它是指一个信道中的信号对另一个信道中的信号产生的干扰。串扰分为边带线性串扰和边带非线性串扰两种。边带线性串扰指的是，当单边带通信中的边带滤波器

41、对另一边带的衰减不够大时，上边带信号窜入下边带或下边带信号窜入上边带所造成的可懂干扰。边带非线性串扰指的是，当单边带接收机的某一个边带在工作时，位于另一个边带内的两个高频信号形成的互调产物落到工作边带内所造成的不可懂干扰。,4.脉冲噪声 脉冲噪声是一种由突发的振幅很大持续时间很短，耦合到信号通路中的非连续尖峰脉冲引起的干扰，通常是由一些无法预知的因素造成的，如电火花，雷电；该噪声是非连续的，在短时间里具有不规则的脉冲或噪声峰值。脉冲噪声对模拟数据传输不会造成明显影响，但数字数据传输中脉冲噪声是产生差错的主要来源。脉冲噪声造成的干扰是不易被消除的，必须通过差错控制手段来确保数据传输的可靠性。如图

42、2-12为脉冲噪声对数字信号传输造成的影响。,图2-12 噪声对传输的影响,2.5 通信系统的性能衡量,一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面: （1）有效性。指通信系统传输消息的“速率”问题，即快慢问题。 （2）可靠性。指通信系统传输消息的“质量”问题，即好坏问题。 （3）适应性。指通信系统适用的环境条件。 （4）经济性。指系统的成本问题。 （5）保密性。指系统对所传信号的加密措施。这点对军用系统尤为重要。,（6）标准性。指系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准。 （7）维修性。指系统是否维修方便。 （8）工艺性。指通信系统各种工艺要求。 有效性和可靠性是评价通信系统优劣的主要性能指标。一般情况下，要增加系统的有效性，就得降低可靠性。对于模拟通信来说，系统的有效性和可靠性具体可用系统频带利用率和输出信噪比（或均方误差）来衡量。对于数字通信系统而言，系统的可靠性和有效性具体可用误码率和传输速率来衡量。,数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量，传输速率越高，系统的有效性越好。关于传输速率的相关知识在2.1节已经做了说明，在此不在阐述。 由于数据信息都由离散的二进制数字序列来表示，因此在传输过程中，不论它经历了何种变换，产生了什么样的失真，只要在到达接收端时能正确地恢复出