数字通信技术及应用--模块二

1、数字通信技术及应用2.1 信道的分类信道的分类2.3 无线信道无线信道2.4 信道传输特性信道传输特性 2.4.1 恒参信道传输特性 2.4.2 随参信道传输特性2.2 有线信道有线信道 2.2.1 明线 2.2.2 双绞线 2.2.3 同轴电缆 2.2.4 光纤2.5 信道加性噪声信道加性噪声 2.5.1 噪声分类 2.5.2 主要噪声2.6 信道容量信道容量 2.6.1 连续信道容量 2.6.2 离散信道容量目目 录录模块二 通信信道认知 2.1 信道的分类信道的分类 信道是指以传输媒介(质)为基础的信号通道。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。抽象地说，信道是指定的一段频

2、带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害（失真、干扰、噪声等）。 信道可以分为狭义信道和广义信道。一、狭义信道： 是指发送端和接收端之间用以传输信号的传输媒质或途径。 根据媒质的不同,可分为有线信道和无线信道。具有通信信道特性的某些物理存储介质也可以认为是狭义信道,如光盘磁盘等二、广义信道： 是一种逻辑信道，是对狭义信道范围的扩大，把包含传输设备在内的整个信号传输的通道称为广义上的信道。即除了传输媒质外，还包括有关转换设备，如馈线与天线、功放、调制器与解调器等。 广义信道分为调制信道和编码信道。 1.调制信道：发送端调制器输出和接收端解调器输入之间所有变换装置与传输媒质组成的信道。其又分为:

3、 恒参信道-传输特性恒定不变或变化缓慢。 随参信道-传输特性随时间不断变化。 2.编码信道：编码器输出端到译码器输入端之间的部分。其又分为： 无记忆编码信道 有记忆编码信道 调制信道和编码信道示意图如下：2.2.1 2.2.1 明线明线 明线是由电杆支持、架设在地面上的 一种平行而相互绝缘的裸线通信线路,用于传送电报、电话、传真等。 明线具有如下特点： 有线信道是通信网中最常用的信道，也是最早使用的信道。其主要传输媒质有明线、双绞线、同轴电缆、光纤等，它们分别可以适应不同的通信系统要求。 明线的特点： 1.设备简单，易架设和拆除， 易修理。 2.与电缆相比，传输损耗小。 3.易受天气、自然灾害

4、及外界 电磁场的影响,对外界噪声干 扰较敏感,通信质量不够稳定。 4.线路容量较小。 5.通频带在0.3-27kHz之间， 较窄，不能传输宽频带和高速数字信号。 因此,明线已逐渐被淘汰,只有通信业务量较小的农村和边远地区采用。2.2.2 2.2.2 双绞线双绞线 双绞线是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。从而抵御一部分外界电磁波干扰和减少对邻近线对的电磁干扰。为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰能力，还可以在双绞线的外层再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层。一、双绞线的扭铰l 它是由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的

5、。l 典型的双绞线有四对的，也有更多对双绞线放在一个电缆套管里的，称之为双绞线电缆。l 在双绞线电缆内，不同线对具有不同的扭绞长度，一般扭绞长度为38.1mm-14cm，按逆时针方向扭绞。相邻线对的扭绞长度在12.7mm以上，一般扭绞的越密其抗干扰能力就越强。二、双绞线的制作线序12345678568A绿白绿橙白蓝蓝白橙棕白棕568B橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕 先按前面表格中的线序将其排好，再按如下过程制作： 三、双绞线的传输l 双绞线既可用于模拟信号的传输，也可用于数字信号的传输。双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输距离。其通信距离一般为几到十几千米。导线越粗，通信距离越远，但导线价格也越高。l

6、 用于传输模拟信号时，每隔5-6km需要一个放大器，在一根双绞线上可以使用频分多路复用技术实现24路音频通道，每个通道的带宽为4kHz。l 用于传输数字信号时，每隔2-3km需要一个中继器，数据传输速度可达1.5Mbps，采用特殊技术可达1Gbps甚至更高，但会受到传输距离的影响。四、双绞线的分类 根据导体性能和扭绞密度，双绞线可分为1类-5类、超5类、6类和7类等。常见的有3类、5类、超5类和6类。l 一类线： 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。l 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

7、范令牌传递协议的旧的令牌网。l 三类线： 指目前在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。 l 四类线： 传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率为16Mbps，主要用于基于令牌的局域网和10Base-T/100Base-T。l 五类线： 传输频率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100Base-T和10Base-T网络。l 超五类线：传输频率为100MHz，传输速率高达1Gbps，可以用于快速以太网及千兆位以太网。l 六类线：传输频率为2

8、50MHz，用于传输速率高于1Gbps的应用，主要用于10Base-T/100Base-T/1000Base-T网络。l 扩展六类线：传输频率为500MHz，主要用于10Base-T。l 七类线： 传输频率大于600MHz-1.2GHz，传输速率为10Gbps。 根据内部结构不同，双绞线还可分为非屏蔽型和屏蔽型两种：铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STPl 非屏蔽型(UTP)：优点：尺寸小、重量轻、容易弯曲，价格便宜，容易安装和维护。缺点：抗干扰能力较弱，传输距离比较短，非常适合于楼宇内部的结构化布线。l 屏蔽型(STP)：在双绞线与外层绝缘封套

9、之间有一个金属丝网屏蔽层。优点：线径粗、辐射减少、抗干扰性强，防止信息被窃听，传输速率高。缺点：安装不合适有可能引入外界干扰。双绞线一般用于点对点的连线，由于电磁耦合和趋肤效应的影响，线对的传输衰减随频率的增高而增大，呈低通特性。在低频传输时，其抗干扰能力相当于或高于同轴电缆。但频率超过10-100kHz时,同轴电缆性能明显优越。2.2.32.2.3 同轴电缆同轴电缆 同轴电缆由内导线铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。同轴电缆的这种结构使其具有高带宽和较好的抗干扰特性，并且可在共享通信线路上支持更多的点。其传输信号的频率范围是100kHz

10、-500MHz。铝制编织导体(屏蔽)内部绝缘体内部导体外部绝缘体(a) 一段同轴电缆(b) 一段与连接器相连的同轴电缆多芯同轴电缆一、同轴电缆的分类 按用途不同(按特性阻抗数值的不同)分l 基带同轴电缆(50): 又称网络同轴电缆，分为粗细两种。一条基带同轴电缆只支持一个信道，它能够以10Mbps的速率把基带数字信号传输几千米。所谓基带数字信号传输是指按数字信号位流形式进行的传输，无需任何调制。它是局域网中广泛使用的一种信号传输技术。l 宽带同轴电缆(75)：又称视频同轴电缆，是CATV系统中使用的标准，它支持的带宽为300450MHz，可用于宽带数据信号的传输，传输距离可达几十千米。所谓宽带

11、数据信号传输是指可利用多路复用技术在宽带介质上进行多路数据信号的传输。它既能传输数字信号，也能传输诸如话音、视频等模拟信号，是综合服务宽带网的一种理想介质。细同轴电缆粗同轴电缆 按电缆直径不同分l 粗同轴电缆(75)：直径为1.27cm，传输距离长，可达500m；可靠性高，安装时不需要切断电缆，但必须安装收发器电缆，安装难度大，造价高。一般用于大型局域网的干线。l细同轴电缆(50)：直径为0.26cm，传输距离为185m；安装较容易，造价较低，但安装过程要切断电缆，两头须装上基本网络连接头(BNC)，然后接在T型连接器两端，所以当接头多时容易产生不良隐患。二、同轴电缆的特点 l优点：可以在相对

12、长的无中继器的线路上支持高带宽通信。l缺点：体积大；不能承受缠结、压力和严重的弯曲；成本高2.2.2.2.4 4 光纤光纤光纤、光缆的组成光纤信道是以光导纤维为传播媒质、以光波为载波的信道。光纤是一种能引导光束的细且柔软的横截面为圆形的介质，由纤芯、包层、护套等组成包层纤芯折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体）纤芯是光纤最中心的部分，是光的通路，它由一条或多条非常细的玻璃或塑料纤维线构成，每根纤维线都有它自己的封套。由于这一玻璃或塑料封套涂层的折射率比芯线低，因此可使光波保持在芯线内。环绕一束或多束有封套纤维的外套由若干塑料或其它材料层构成，以防止外部的潮湿气体侵入，并可

13、防止磨损或挤压等伤害。 光缆是由若干对光纤、外加填充物和护套组成外 套绝 缘包 层纤 维 芯二、分类：按光在其中的传输模式不同分l单模光纤: 指光在光纤中的传播没有反射，而沿直线一直向前传播。这种光纤的直径非常细，一般为9m或10m， 只能传输一种模式的光，因其模间色散很小，适用于远程通信l多模光纤: 指光在光纤中可能有多条不同角度入射的光线在一条光纤中同时传播。这种光纤所含纤芯的直径较粗。一般为50m或62.5m,因其模间色散较大，限制了传输数字信号的速率，且色散随距离的增加会更加严重，适用于近距离通信，一般只有几公里吸 收 护 套纤 芯包 层(a) 多 模(b) 单 模吸收护套纤芯包层(a

14、) 多模(b) 单模按纤芯和包层折射率不同分l阶跃型光纤: 它的纤芯折射率和包层折射率都是均匀的，且前者略高于后者，使得输入的光能在纤芯-包层交界面上不断产生全反射而前进l渐变型光纤: 它的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小，包层折射率分布与阶跃型光纤一样是均匀的，可使光波按正弦形式传播项目传输距离速率光源信号衰减端接造价单模光纤长高激光小较难高多模光纤短较低发光二极管大较易低单模光纤与多模光纤的比较三、损耗： 光纤的工作波长在近红外区内，有短波长0.85m(损耗为2.5dB/km)、长波长1.31m(损耗为0.35dB/km)和1.55m(损耗为0.2dB/km)三个低损耗工作窗口。

15、其损耗随波长增加而减小，随距离增加而增大。为了增大传输距离，利用掺饵光纤放大器作为接收机的前置放大器，或在光纤中作为中继器，可使传输距离达到数百千米四、特点： l优点:不受外界电磁波干扰。信号衰减小。传输频带宽。线径细、质量轻，不怕腐蚀，代替电缆可节省有色金属。l缺点:价格相对较高，安装比较困难光波波长（nm）1.55 m1.31 m0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.7无线信道是利用电磁波(无线电波)和光波在空间的传播来传输信号。它具有频率高、容量大的特点，是带通型信道。它包括微波通信、卫星通信和移动通信等。 无线信道根据电磁波的波长和频率范围分为长波信道、中波信道、短波信道、超短波信

16、道和微波信道。 无线信道从电磁波的传播方式来看有地波传播信道、天波传播信道、视距传播信道、无线电视距中继信道、卫星中继信道、对流层散射信道、流星余迹散射信道等。 为了合理、充分地利用无线电频率资源，根据频率高低的不同(波长的不同)，人们将无线电波分为9个大波段。见下表：频率资源划分表 一、地波传播信道： 即频率在2MHz以下的无线电波沿地球表面传播。地波在传播过程中,其场强因大地吸收会衰减,频率愈高则衰减愈大;长波、中波由于频率低,加上绕射能力强，因此利用这种传播可以实现远距离通信,通信距离远。地波传播受季节、昼夜变化影响小,信号传输比较稳定。l频率: 2MHzl距离：通信距离达数百数千kml

17、优点: 传播损耗小，作用距离远。受电离层扰动小，传输稳定。有较强的穿透能力，能够穿过建筑物、海水和土壤。l缺点: 大气噪声电平高，工作频带窄。二、天波传播信道： 天波传播是利用电离层对电波的一次或多次反射进行的远距离传播，是短波的主要传播方式。中波只有在夜间才能以天波形式传播。天波传播存在着严重的信号衰落现象。所谓电离层是大气中具有离子和自由电子的导电层。l频率: 230MHzl高度：电离层高度：60 300 kml距离：单跳最大距离：4000 kml优点: 传播损耗小。设备简单。可利用小功率进行远距离通信l缺点: 会因电离层骚动和暴变而极不稳定，甚至完全中断通信。三、视距传播信道： 由发射天

18、线辐射的电波像光线一样按直线传播,直接传到接收点，这种传播方式称为直射波传播。另外，还有由发射天线发射、经地面反射到达接收点的传播方式，称为大地反射波传播。视距传播是这两种传播方式的统称，在接收点所接收的电波一般是直射波与大地反射波的合成。主要用于超短波及微波通信。l频率: 30MHzl距离：2050kml类型: 地面上的视距传播。地面与空中目标之间的视距传播。空间飞行体之间的视距传播。l特点: 无论地面还是还是地空之间视距传播，其传播途径至少有一部分是在对流层中，必然要受到对流层的影响，因此，当电波在低空大气层中传播时，可能受到地球表面或人为障碍物的影响，引起地波的反射、散射、绕射现象。无线

19、电视距中继信道： 它工作在超短波和微波波段，利用定向天线实现视距直线传播l频率: 30MHz300GHzl距离：相邻中继站距离4050kml特点: 传播条件稳定。传输容量大。发射功率小。 通信可靠稳定。图1.4.4 无线电中继五、卫星中继信道： 它是利用卫星作为中继站转发无线电信号，实现地球站之间的通信。l类型:l频率:l距离：同步卫星距离地面35860kml范围: 18000km范围内多点通信l特点: 传播特性稳定可靠。传输距离远。容量大。 覆盖地域广。六、对流层散射信道： 它是 利用对流层介质中的不均匀体对无线电波的散射作用而进行的传播。l频率: 100MHz4GHzl距离：传播距离约60

20、0kml特点: 它具有较强的方向性，散射能量主要集中在前方，故称“前向散射”。七、流星余迹散射信道： 由于流星经过大气层时产生了很强的电离余迹，它会对电磁波进行散射。l频率: 30100MHzl距离：传播距离达1000kml特点: 流星余迹持续时间短，但出现频繁，可用于建立瞬间通信，只能用于低速存储和高速突发的断续方式传输数据。 前面我们已经讲到恒参信道和随参信道： 。恒参信道的主要传输特性通常可以用其振幅-频率特性和相位-频率特性来描述。随参信道主要具有对信号的传输衰减随时间而变化、信号传输的时延随时间而变化、多径传播三个特性。2.4.1 2.4.1 恒参信道传输特性恒参信道传输特性 恒参信

21、道包括卫星链路和某些视距传输链路等，它们具有如下一些传输特性，且随时间变化小。 一、幅频特性： 无失真传输要求幅频特性与频率无关，即理想的幅频特性曲线是一条水平直线。但实际幅频特性曲线不可能是这种理想形式，总会产生一定的幅度-频率畸变，这种现象称为频率失真。 由于这种失真是线性失真，则由失真引起的相邻码元波形之间发生部分重叠，造成的码间串扰，可以用一个线性网络采用均衡技术进行补偿。f (Hz)30030000衰耗 (dB)理想特性典型音频电话信道特性H(f )Ko 二、相频特性： 其传输群时延与频率无关，等于常数，即理想的相频特性是一条过原点的直线。但实际相频特性曲线也不可能是这种理想形式，总

22、会产生一定的相位-频率畸变，这种现象称为相位失真。 对模拟信号来说,人的听觉对相位的反应不灵敏,所以相位失真对传输模拟信号没有太大的影响,而幅度失真的影响却比较大。但对于传输数字信号来说，正与此相反，幅度失真的影响不大，相位失真对数字传输的危害比较大，不但波形失真，还会带来码间干扰。 这种失真也是线性失真，则由失真引起的码间串扰，也可以用一个线性网络进行补偿。 ()0理想特性理想特性 ()0实际特性实际特性相频特性群时延-频率特性三、其他特性： 如非线性失真、频率偏移、相位抖动等，这些因素产生的信号失真一旦出现，就难以消除。l非线性失真：信道输入输出信号的振幅关系不是直线关系，是由信道中的元器

23、件特性不理想造成的，它使信号产生新的谐波分量，造成谐波失真。l频率偏移：是由发送端和接收端中用于调制解调或频率变换的振荡器的频率误差引起的，它是指信道输入信号的频谱经过信道传输后产生了平移。l相位抖动：也是由这些振荡器的频率不稳定产生的，对信号产生了附加调制。2.4.2.4.2 2 随随参信道传输特性参信道传输特性 随参信道一般是无线信道，如依靠天波、地波传播的无线电信道、某些视距传输信道和各种散射信道等。随参信道的传输特性“时变”的，这是由于其传输媒介是“时变”的原因。一般来说具有以下共同特性：l信号的传输衰减随时间而变化。l信号的传输时延随时间而变化。l多径传播。指信号经过几条路径到达接收

24、端，且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变化的现象。它对信号传输质量的影响（多径效应）很大。 信号包络因传播有了起伏的现象称为衰落。通 常把由多径效应引起的衰落称为快衰落。 即使没有多径效应，仅有一条无线电路径传播时，由于路径上季节、日夜、天气等的变化，也会使信号产生衰落现象。这种衰落起伏周期较长，称为慢衰落。 在通信系统中，总会存在一些不需要但不可能完全避免的信号，它随机变化，对正常通信起干扰作用，这就是噪声。 噪声可以理解为通信系统中对有用信号有害的各种干扰的总称，分为加性噪声和乘性噪声。 加性噪声加性噪声：以相加的方式对信号进行干扰，没有传输信号时依然存在。 乘性噪声乘性噪声：以相乘

25、的方式对信号进行干扰，伴随信号的存在而存在，信号消失干扰消失。 噪声对信号的干扰体现为：使模拟信号失真。数字信号发生误码。限制信号的传输速率。2.2.5.15.1 噪声分类噪声分类一、按来源分 1.外部噪声：-由信道引入。l自然噪声。来自于大自然。由自然界存在的各种电磁波源引起。如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声、大气干扰及宇宙噪声等。l人为噪声。来源于人类活动造成的其他信号源。如：电台信号、接触不良的触点等，由不希望有的信号源引起的。 2.内部噪声：-通信系统设备内部产生。l热噪声。在导体中电子受热随机运动引起的噪声。 通常用电压源表示： l散弹噪声。真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀

26、性引起。 通常用电流源表示：kTBRVN4BqIIN02二、按性质分 1.窄带噪声：是占有频率很窄的连续波噪声，只存在于特定频率、特定时间、特定地点，它的影响有限，可以测量和防止。 2.脉冲噪声：是突发性地产生幅度很大、持续时间很短、间隔时间很长的干扰。其特点是：突发性。持续时间短。出现频率低。所占频谱宽，但随频率升高能量降低。因此，对话音通信的影响较小，但对数字通信影响较大。 3.起伏噪声:是以热噪声、散弹噪声和宇宙噪声为代表的噪声。其特点是无论是在时域还是频域内它们都是普遍存在和不可避免的，是影响通信质量的主要因素之一。2.2.5.25.2 主要噪声主要噪声一、白噪声 指功率谱密度在整个频

27、域内均匀分布的噪声。实际处理中，只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远大于其作用的系统的带宽，且在该带宽中其频谱密度基本为常数，就可以把它当白噪声看待。 理想白噪声的双边功率密度可以表示为： 单位是 W/Hz)(2)(0nPn二、高斯噪声：指它的概率密度函数服从正态分布。 用数学式表示为： 正态概率分布函数经常表示成与误差函数相联系的形式，误差函数的定义式为： 函数的定义式为： 222exp21)(axxPdzexerfxz022)(dzexerfxerfcxz22)(1)(三、高斯白噪声 指噪声的概率密度函数满足正态分布，且功率谱密度为常数。 热噪声、散弹噪声和宇宙噪声都可近似为高斯白噪声。 在

28、分析计算通信系统的抗噪声性能时，经常假定系统信道中的噪声为高斯白噪声，原因是：它可以用具体表达式表示，便于分析、计算。它确实反映了具体信道中的噪声情况，比较真实地代表了信道噪声的特性。 四、窄带高斯噪声 当高斯噪声通过窄带系统 （指系统的频带宽度B比起中心频率来小很多的通信系统， 即 Bfc=c/2）时，就形成窄带高斯噪声。它的特点是频谱局限在中心附近很窄的范围内，其包络和相位都在作缓慢的随机变化，即：)(cos)()(tttAtnc信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大平均信息速率，有连续信道和离散信道之分。2.2.6.16.1 连续信道容量连续信道容量 连续信道是传输连续消息的信道，其容量由香农公式给出，是信息论的基本定理，揭示了信道传输信息的能力。 设加性高斯白噪声功率N(W)，信道带宽为B(Hz)，信号功率为S(W)，则通过这种信道无差错传输的最大信息速率（即信道容量）为 ： 由香农公式可以得出以下结论：bpsNSBC)1(log2香农公式香农公式1.若能提高信噪比S/N，