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1、数据通信基础第三章第1页，共38页，编辑于2022年，星期六3.3 3.3 3.3 3.3 有线信道有线信道有线信道有线信道3.4 3.4 3.4 3.4 无线信道无线信道无线信道无线信道3.2 3.2 3.2 3.2 信道的传输特性信道的传输特性信道的传输特性信道的传输特性 3.5 3.5 3.5 3.5 数据传输的信道容量数据传输的信道容量数据传输的信道容量数据传输的信道容量3.1 3.1 3.1 3.1 信道概述信道概述信道概述信道概述 第第第第3 3 3 3章章章章 信道信道信道信道第2页，共38页，编辑于2022年，星期六数据传输有哪些方式？何为信道？信道的种类课前提问第3页，共38
2、页，编辑于2022年，星期六3.1 3.1 信道概述信道概述本节内容提要：传输信道是任何通信系统中必不可少的组成部分，信道的传输性如何将直接影响系统的信能。本节将介绍通信信道的基本概念、各种传输介质的特性、信道的分类等内容。第4页，共38页，编辑于2022年，星期六3.1.2 3.1.2 传输信道分类传输信道分类1.狭义信道和广义信道 狭义信道即传输媒介 广义信道由传输媒介和部分收发端的通信设备组成广义信道狭义信道信道调制信道编码信道有线信道无线信道恒参信道变参信道无记忆编码信道有记忆编码信道双绞线同轴电缆光纤长波信道短波信道微波信道第5页，共38页，编辑于2022年，星期六调调制制器器发发转
3、转换换器器媒媒质质收收转转换换器器解解调调器器编编码码器器译译码码器器调制信道调制信道信源信源信宿信宿编码信道编码信道广义信道广义信道信道模型信道模型狭义信道狭义信道第6页，共38页，编辑于2022年，星期六p有线传输介质有线传输介质 (1)(1)双绞线双绞线 1 1）屏蔽双绞线）屏蔽双绞线 2 2）非屏蔽双绞线）非屏蔽双绞线 同轴电缆同轴电缆 光纤光纤第7页，共38页，编辑于2022年，星期六p双绞线分类双绞线分类类别带宽适用传输速率一类语音传输二类1MHZ语音传输和数据传输4Mbit/s三类16MHZ语音传输和数据传输10Mbit/s四类20MHZ令牌环网16Mbit/s五类100MHZ语
4、音传输和高速数据传输100-155Mbit/s超五类100MHZ千兆以太网100Mbit/s六类200-250MHZ局域网及FDDI1000Mbit/s七类大于500MHZ千兆以太网10Gbit/s第8页，共38页，编辑于2022年，星期六n 同轴电缆同轴电缆第9页，共38页，编辑于2022年，星期六n 光纤光纤第10页，共38页，编辑于2022年，星期六n 光纤传输信号方式光纤传输信号方式第11页，共38页，编辑于2022年，星期六p无线传输无线传输 微微波波通通信信:微微波波通通信信就就是是利利用用地地面面微微波波进进行行通通信信。微微波波是是一一种种频频率率很很高高的的电电磁磁波波，其其
5、频频率率范范围围为为300MHz300MHz300GHz,300GHz,微微波波通通信信主主要要使使用用的的是是2 240GHz40GHz的的频频率率范范围围。微微波波的的重重要要特特点点是是在在空空间间沿沿直直线线传传播播，不不能能绕绕射射，因因而而微微波波在在地地面面的的传传输输距距离离有有限限，一一般般为为404060km60km。红红外外通通信信:红红外外通通信信使使用用波波长长约约为为750nm750nm10m10m的的红红外外线线传传送送数数据据，有有较较强强的的方方向向性性，受太阳光的干扰大。红外通信是一种廉价、近距离、无连线、低功耗和保密性较强的通信方案。受太阳光的干扰大。红外
6、通信是一种廉价、近距离、无连线、低功耗和保密性较强的通信方案。卫卫星星通通信信:卫卫星星通通信信是是利利用用地地球球同同步步卫卫星星作作为为中中继继，来来转转发发微微波波信信号号的的一一种种远远距距离离的的特特殊殊微微波波通通信信方方式式。当当地地球球同同步步卫卫星星位位于于36000km36000km高高空空时时，其其发发射射角角可可以以覆覆盖盖地地球球上上的的1/31/3的的区区域域。只只要要在在赤赤道道上上空空的的同同步步轨轨道道上上等等距距离离地地放放置置三三颗颗间间隔隔120120o o卫星，就能实现全球的通信。卫星，就能实现全球的通信。第12页，共38页，编辑于2022年，星期六u
7、 电磁波谱电磁波谱第13页，共38页，编辑于2022年，星期六 信道的数学模型信道的数学模型特性：特性：有一对（或多对）输入端和一对（或多有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；对）输出端；信道是线性的，满足叠加原理；信道是线性的，满足叠加原理；信道有一定的迟延时间，有损耗；信道有一定的迟延时间，有损耗；即使没有信号输入，输出端仍有一定的即使没有信号输入，输出端仍有一定的功率输出（噪声）。功率输出（噪声）。3.2 3.2 信道的信道的传输特性特性第14页，共38页，编辑于2022年，星期六（1 1）二对端网络）二对端网络 （2 2）多对端网络）多对端网络 第15页，共38页，编辑于202
8、2年，星期六 表示表示已调信号通过网络所发生的变换，假定已调信号通过网络所发生的变换，假定可以用可以用 表示。表示。依赖于网络的特性，对依赖于网络的特性，对 来说是一种干扰（乘性干扰），来说是一种干扰（乘性干扰），表示加性干扰，上式可以表示为：表示加性干扰，上式可以表示为：对二对端的信号模型，输入与输出的关系：对二对端的信号模型，输入与输出的关系：第16页，共38页，编辑于2022年，星期六3.2.1 恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道归纳恒参信道归纳1 1三种有线电信道三种有线电信道（1 1）明线）明线 与电缆相比，它的优点与电缆相比，它的优点是传输损耗低。但它易受气是传输损耗低。但它易受
9、气候和天气的影响，并且对外候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感界噪声干扰较敏感 （2 2）对称电缆）对称电缆 电缆的传输损耗比明电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特性线大得多，但其传输特性比较稳定比较稳定。第17页，共38页，编辑于2022年，星期六（3 3）同轴电缆）同轴电缆 基带同轴电缆的最大传输距离一般不超过几公里，基带同轴电缆的最大传输距离一般不超过几公里，可用于数字数据信号的直接传输；而宽带同轴电缆的最可用于数字数据信号的直接传输；而宽带同轴电缆的最大传输距离可达几十公里，用于传输高频信号，采用频大传输距离可达几十公里，用于传输高频信号，采用频分复用技术可以传送多路信号。分复用
10、技术可以传送多路信号。第18页，共38页，编辑于2022年，星期六2 2光纤信道光纤信道 光纤线径细、重量轻光纤线径细、重量轻 ；由于不受外界电磁干扰和噪声的；由于不受外界电磁干扰和噪声的影响，能在长距离、高速率传输中保持低误码率影响，能在长距离、高速率传输中保持低误码率 ；可弯曲半；可弯曲半径小、不怕腐蚀、安全保密性好、节省有色金属。径小、不怕腐蚀、安全保密性好、节省有色金属。第19页，共38页，编辑于2022年，星期六u 光纤信道的特点光纤信道的特点通信容量大。传输距离远，损耗小。不导电适应恶劣环境，节省资源。轻便，容易铺设第20页，共38页，编辑于2022年，星期六3 3无线电视距中继无
11、线电视距中继 无线电中继信道具有传输容量大、发射功率小、通信无线电中继信道具有传输容量大、发射功率小、通信稳定可靠，以及和同轴电缆相比，可以节省有色金属等优稳定可靠，以及和同轴电缆相比，可以节省有色金属等优点点 第21页，共38页，编辑于2022年，星期六u 再生中继器再生中继器第22页，共38页，编辑于2022年，星期六4 4卫星中继信道卫星中继信道 卫星中继信道具有通信距离远、覆盖面积大、传播稳卫星中继信道具有通信距离远、覆盖面积大、传播稳定可靠、传输容量大、通信线电路灵活、机动性好等突出定可靠、传输容量大、通信线电路灵活、机动性好等突出的优点的优点。第23页，共38页，编辑于2022年，
12、星期六u 全球卫星通信第24页，共38页，编辑于2022年，星期六u 无线信号接收和发送设备无线信号接收和发送设备第25页，共38页，编辑于2022年，星期六 L:1.0-2.0 GHZ S:2.0-4.0 GHZ C:4.0-8.0 GHZ X:8.0-12.4GHZ Ku:12-18GHZ K:18 27 GHZ Ka:27-40 GHZu 微波通信的工作微波通信的工作频段段第26页，共38页，编辑于2022年，星期六恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响1 1幅度幅度-频率失真频率失真 幅度幅度频率失真是指已调信号中各频率分量在通过频率失真是指已调信号中各频率分
13、量在通过信道时带来不同的衰减（或增益），所造成的输出信号信道时带来不同的衰减（或增益），所造成的输出信号的失真（畸变）。的失真（畸变）。2 2相位相位-频率失真频率失真 信道的相位信道的相位频率特性常用群迟延频率特性常用群迟延频率特性来表示。频率特性来表示。所谓群迟延所谓群迟延频率特性是指相位频率特性是指相位频率特性对频率的导数。频率特性对频率的导数。若相位若相位频率特性用来表示，则群迟延频率特性用来表示，则群迟延频率特性为频率特性为 d d()()=-)=-d d 第27页，共38页，编辑于2022年，星期六（1 1）原信号）原信号 （2 2）经迟延时后的信号）经迟延时后的信号 群迟延产生失
14、真的例子群迟延产生失真的例子第28页，共38页，编辑于2022年，星期六3.2.2 随参信道及其对信号传输的影响1 1衰落衰落吸收型衰落（天气）吸收型衰落（天气）阴影衰落（遮挡）阴影衰落（遮挡）干涉型衰落（多路径传输干涉型衰落（多路径传输）2 2延迟畸变延迟畸变多径传输效应多径传输效应色散效应色散效应第29页，共38页，编辑于2022年，星期六 噪声噪声噪声的概念噪声的概念噪声的种类噪声的种类（1 1）环境噪声）环境噪声 内部噪声（起伏噪声）内部噪声（起伏噪声）自然噪声自然噪声 人为噪声人为噪声 热噪声热噪声 散弹噪声散弹噪声 电源噪声电源噪声噪声的描述噪声的描述第30页，共38页，编辑于20
15、22年，星期六1.连续信道的信道容量 在连续信道中，假设信道的带宽为B(Hz)，信道输出的信号平均功率为S(W)及输出加性高斯白噪声平均功率为N(W)，该信道的信道容量为 C=Blog2(1+S/N)(bit/s)由于噪声功率N与信道带宽B有关，故若噪声单边功率频谱密度为n0，噪声功率N等于n0B，则 C=Blog2(1+S/n0B)(bit/s)3.3 3.3 信道容量信道容量第31页，共38页，编辑于2022年，星期六1若提高信噪比S/N，则信道容量C也提高；2若n00，则C，这意味着无干扰信道容量为无穷大；3若增加信道带宽B，则信道容量C也增加，但不能无限制的增加，即当B时，C1.44S
16、/n0；4C一定时，B与S/N可进行互换；5若信源的信息速率R小于或等于信道容量C，则理论上可实现无误差（任意小的差错率）传输。若RC，则不可能实现无误差传输。第32页，共38页，编辑于2022年，星期六例题例题3-13-1 若信道带宽为3000HZ，信号噪声功率比为30dB,求信道容量。解 因为10lg（S/N）=30dB,所以S/N=1000，则该信道容 量为：C=B2(1+S/N)=3000 2(1+1000)30kbit/s第33页，共38页，编辑于2022年，星期六例题例题3-23-2 已知一首压缩过的双通道立体声歌曲的信息量为9.36106 bit,歌曲长度为5分钟，通过电话信道播
17、放，已知电话信道带宽 B=3kHz,要使接收端能听到清晰的歌曲，则信道的信噪比S/N应为多少？(2 X 3.32lg X)解 歌曲的信息传输速率为 R=9.36106/(560)=3.12104bit/s 则信道的容量C至少要等于R，即 S/N=2C/B-1 1000 即要求的信噪比大约为30dB。第34页，共38页，编辑于2022年，星期六例题例题3-43-4 已知某未经压缩的彩色电视图像由480000个像素组成，每个像素的色彩和亮度使用32位二进制数来描述。如果彩色电视播放的帧率（每秒钟播放的画面数目，单位是帧/S）30帧/S。那么该信号无失真传输的信道容量是多少？若干信道的信噪比是40d
18、B,那么传送该彩色电视图像需要的信道带宽是多少？解 每幅图像的信息量是 48000032=15360000=15.36106bit 则该信源的信息速率为 R=15.36106 30 4.6108bit/s 所以所需的最小信道容量为 C=R 4.6108bit/s 信道带宽B=C/2(1+S/N)4.6108/(3.324)=3.46107 Hz 第35页，共38页，编辑于2022年，星期六2.离散信道的信道容量 根据奈奎斯特准则，带宽为B的信道所能传输的信号的最高码元速率为2B Baud。因此离散信道的信道容量C可表示为 C=2B 2M bit/s其中，M为码元符号所能取得离散值的个数，即M进制。第36页，共38页，编辑于2022年，星期六例题例题3-43-4 设离散信道的带宽为3000HZ，采用八进制传输，计算无噪声时该离散信道的信道容量。解 C=2B2M=23000 2 818000bit/s第37页，共38页，编辑于2022年，星期六已知某信源发送10Mbit的信息，设信道带宽为8kHz,信噪比为20dB,问传送这一信息需要多长时间？课后作业P57 4、10练习第38页，共38页，编辑于2022年，星期六