第三章 信道與噪聲

1、通信原理通信原理第三章第三章 信道與噪聲信道與噪聲通信原理通信原理通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型l通信系統(tǒng)基本模型：盡管各種通信系統(tǒng)具體設(shè)備和業(yè)務(wù)功能各不相同，但基本模型一樣：通信系統(tǒng)基本模型通信原理通信原理狹義信道狹義信道l通常把發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間用以傳輸信號(hào)的傳輸媒介定義為狹義信道。l例如架空明線(xiàn)、同軸電纜、雙絞線(xiàn)、光纜、自由空間、電離層、對(duì)流層等。 通信原理通信原理廣義信道廣義信道l除了傳輸媒介外，還可以包括有關(guān)的轉(zhuǎn)換器，如天線(xiàn)、調(diào)制器、解調(diào)器等。 。l在講通信原理時(shí)，通常采用的是廣義信道 。l廣義信道也可分為兩種：調(diào)制信道和編碼信道 通信原理通信原理編碼器輸入調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒質(zhì)收轉(zhuǎn)換器解

2、調(diào)器譯碼器輸出編碼信道調(diào)制信道調(diào)制信道和編碼信道通信原理通信原理通信原理通信原理時(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò))(tei)(teo調(diào)制信道模型調(diào)制信道調(diào)制信道通信原理通信原理調(diào)制信道調(diào)制信道l恒參信道 K(t) 不隨時(shí)間變化或變化緩慢的一類(lèi)信道 l隨參信道 K(t)是隨時(shí)間隨機(jī)變化的信道。 通信原理通信原理二進(jìn)制編碼信道模型編碼信道編碼信道通信原理通信原理2.3 通信傳輸介質(zhì)l2.3.1 雙絞線(xiàn)l2.3.2 同軸電纜l2.3.3 光纖l2.3.4 無(wú)線(xiàn)通信通信原理通信原理2.3.1 雙絞線(xiàn)（twisted pair)l雙絞線(xiàn)雙絞線(xiàn)：由兩根彼此絕緣的導(dǎo)線(xiàn)組成，這兩根導(dǎo)線(xiàn)是按一定的規(guī)則以螺旋狀絞合在一起的 （一對(duì)雙

3、絞線(xiàn)由兩根導(dǎo)線(xiàn)組成）l可降低信號(hào)干擾的程度,每一根導(dǎo)線(xiàn)在傳輸中輻射的電波會(huì)被另一根線(xiàn)上發(fā)出的電波抵消。 l多對(duì)雙絞線(xiàn)捆扎在一起再加上塑料外皮組成雙絞線(xiàn)電纜電纜（最常用傳輸媒介） 。通信原理通信原理當(dāng)線(xiàn)路中出現(xiàn)干擾信號(hào)時(shí)，其對(duì)兩根線(xiàn)的影響是相同的，因而在接收端還原差分信號(hào)時(shí)就可以屏蔽掉該干擾信號(hào)（可以理解為差分的兩路信號(hào)執(zhí)行減運(yùn)算）。 通信原理通信原理電磁兼容性EMCl（Electro Magnetic Compatibility）l信號(hào)和干擾能夠共存 l包括EMI(interference)和EMS(susceptibility),也就是電磁干擾和電磁抗干擾。 。lEMC包括兩個(gè)方面的要求：一

4、方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值；另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。通信原理通信原理電磁干擾（EMI）lEMI是Electro Magnetic Interference的縮寫(xiě)，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。l傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。l輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。 通信原理通信原理l分類(lèi)：屏蔽雙絞線(xiàn)屏蔽雙絞線(xiàn)(STP，Shielded Twisted Pair)：抗干擾性好，性能高，用于遠(yuǎn)程中繼線(xiàn)時(shí)，最大距離可以達(dá)到十幾公里。但成本也較

5、高，所以一直沒(méi)有廣泛使用。金屬網(wǎng)包住雙絞線(xiàn)，趨膚效應(yīng)-抗電磁干擾趨膚效應(yīng): 當(dāng)高頻電流傳導(dǎo)時(shí)，導(dǎo)體邊緣的電阻比導(dǎo)體中心的要小，因而表面?zhèn)鬏數(shù)母哳l電流密度最大。這種高頻電流流經(jīng)導(dǎo)體是有趨向于集中導(dǎo)體外表層的現(xiàn)象，稱(chēng)為趨膚效應(yīng)。 若將導(dǎo)體表面的傳輸?shù)碾娏鞫?，則所謂趨膚深度是指著這樣的深度即在該處所感應(yīng)的電流密度為導(dǎo)體表面最大值的e。從表面到e出這一薄層所感應(yīng)的電流占整體的63.2%，他所吸收的功率占總體積的86.5%。 通信原理通信原理l分類(lèi)： 非屏蔽雙絞線(xiàn)非屏蔽雙絞線(xiàn)(UTP，Unshielded Twisted Pair)：非屏蔽雙絞線(xiàn)的傳輸距離一般為100米,由于它較好的性能價(jià)格比，目前被

6、廣泛使用。 用塑料外皮把多對(duì)雙絞線(xiàn)簡(jiǎn)單捆在一起，易受干擾通信原理通信原理屏蔽雙絞線(xiàn)屏蔽雙絞線(xiàn) (STP(STP)l以鋁箔屏蔽以減少 干擾和串音 3類(lèi)、5類(lèi)、6類(lèi)（16M、155M、1200M）雙絞線(xiàn)外沒(méi)有任何附加屏蔽非屏蔽雙絞線(xiàn)非屏蔽雙絞線(xiàn) (UTP)(UTP)STP和和UTP通信原理通信原理EIAEIA規(guī)定了規(guī)定了6 6種質(zhì)量等級(jí)的種質(zhì)量等級(jí)的雙絞線(xiàn)電纜雙絞線(xiàn)電纜，其中，其中類(lèi)類(lèi)線(xiàn)的檔次最低，線(xiàn)的檔次最低， 類(lèi)線(xiàn)的檔次最高。類(lèi)線(xiàn)的檔次最高。類(lèi)：類(lèi)：基本雙絞線(xiàn)，傳輸語(yǔ)音基本雙絞線(xiàn)，傳輸語(yǔ)音 類(lèi)：類(lèi)：語(yǔ)音和語(yǔ)音和4Mb/s4Mb/s的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸類(lèi)：類(lèi)：目前在大多數(shù)電話(huà)系統(tǒng)中使用的

7、標(biāo)準(zhǔn)電目前在大多數(shù)電話(huà)系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)電纜。其傳輸頻率為纜。其傳輸頻率為16MHz16MHz，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)10Mb/s10Mb/s，主要用于，主要用于10base10baseT T雙絞線(xiàn)種類(lèi)雙絞線(xiàn)種類(lèi)通信原理通信原理類(lèi)類(lèi)：20MHZ-16Mbit/s20MHZ-16Mbit/s主要用于主要用于10base10baseT,100baseT,100baseT T 和令牌環(huán)局域網(wǎng)和令牌環(huán)局域網(wǎng)類(lèi)類(lèi)：100MHz100MHz100Mbit/s100Mbit/s主要用于主要用于10base10baseT,100baseT,100baseT T網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)：類(lèi)：250MHz250MHz常用

8、的是常用的是3 3類(lèi)線(xiàn)和類(lèi)線(xiàn)和5 5類(lèi)線(xiàn)，類(lèi)線(xiàn)，5 5類(lèi)線(xiàn)既可支持類(lèi)線(xiàn)既可支持100Mbps100Mbps的快速以太網(wǎng)連接，又可支持到的快速以太網(wǎng)連接，又可支持到150Mbps150Mbps的的ATMATM數(shù)數(shù)據(jù)傳輸，是連接桌面設(shè)備的首選傳輸介質(zhì)。據(jù)傳輸，是連接桌面設(shè)備的首選傳輸介質(zhì)。雙絞線(xiàn)種類(lèi)雙絞線(xiàn)種類(lèi)通信原理通信原理雙絞線(xiàn)雙絞線(xiàn)（twisted pair)應(yīng)用：應(yīng)用：傳輸模擬信號(hào)，電話(huà)線(xiàn)（1對(duì)雙絞線(xiàn)）傳輸數(shù)字信號(hào)，局域網(wǎng)網(wǎng)線(xiàn)（一般4對(duì)雙絞線(xiàn)組成雙絞線(xiàn)電纜）特點(diǎn)：特點(diǎn)：最常用、便宜的傳輸媒介易受環(huán)境中電信號(hào)的干擾，通常用于較短距離的連接通信原理通信原理2.4.2 同軸電纜(coaxial c

9、able)l結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：同軸電纜由同軸的內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體組成，內(nèi)導(dǎo)體是一根金屬線(xiàn)（銅芯），外導(dǎo)體是一根圓柱形的套管，一般是細(xì)金屬線(xiàn)編制成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)外導(dǎo)體之間有絕緣層。 另外，同軸電纜的兩端需要有終結(jié)器，中間連接需要收發(fā)器、T形頭、筒形連接器等器件。通信原理通信原理絕緣層絕緣層內(nèi)導(dǎo)體(銅芯)外導(dǎo)體(編織狀)外保護(hù)層(塑料)外保護(hù)層(塑料)外導(dǎo)體(編織狀)通信原理通信原理比較便宜絕緣層保護(hù)外層絕緣層外導(dǎo)體銅芯銅芯通信原理通信原理l分類(lèi)與應(yīng)用分類(lèi)與應(yīng)用:等效阻抗為50歐和75歐同軸電纜：基帶同軸電纜: 50歐同軸電纜,用于基帶數(shù)字信號(hào)傳輸（局域網(wǎng)）,它又分為粗纜和細(xì)纜。寬帶同軸電纜: 75歐同軸電纜

10、,用于CATV信號(hào)傳輸, 一條電纜可以同時(shí)傳輸不同頻率的多路模擬信號(hào)，300450MHz，需要放大器。通信原理通信原理l粗纜粗纜( (D=2.54cm) )l10 兆比特每秒l非中繼傳輸距離500米l需要使用收發(fā)器和收發(fā)電纜lAUI接口l細(xì)纜細(xì)纜 ( (D=1.02cm) )l 便宜的同軸電纜l10 兆比特每秒l非中繼傳輸距離185米lBNC接口通信原理通信原理l粗纜粗纜優(yōu)缺點(diǎn)： 價(jià)格稍高 安裝方便（收發(fā)器、收發(fā)器電纜、Terminator） 抗干擾能力強(qiáng) 距離中等 可靠性好 通信原理通信原理l細(xì)纜細(xì)纜優(yōu)缺點(diǎn)： 價(jià)格低 安裝方便（T型連接器、BNC接頭、Terminator） 抗干擾能力強(qiáng) 距

11、離短 可靠性差通信原理通信原理2.4.2 同軸電纜通信原理通信原理同軸電纜結(jié)構(gòu)圖同軸電纜結(jié)構(gòu)圖通信原理通信原理幾種有線(xiàn)電纜的特點(diǎn)幾種有線(xiàn)電纜的特點(diǎn) 線(xiàn)路類(lèi)型 頻率范圍/MHz 信號(hào)衰減 電磁干擾 UTP電纜 1100高一般STP電纜 1150 高 小 同軸電纜 11000 低 小 通信原理通信原理2.3.3 光纜(optical fiber)l光纖即光纖即光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維。利用光導(dǎo)纖維作為光的傳輸介質(zhì)，。利用光導(dǎo)纖維作為光的傳輸介質(zhì)，以光波為信號(hào)載體的光纖通信。以光波為信號(hào)載體的光纖通信。 19601960年，美國(guó)人梅曼，發(fā)明年，美國(guó)人梅曼，發(fā)明世界上第一臺(tái)激光世界上第一臺(tái)激光器器紅寶石激光器

12、紅寶石激光器19661966年，英籍華人高錕（年，英籍華人高錕（C.K.KAOC.K.KAO）博士提出，）博士提出，用用Sio2 Sio2 石英玻璃制成光纖，低消耗石英玻璃制成光纖，低消耗 19701970年，美國(guó)康寧公司制出了損耗為年，美國(guó)康寧公司制出了損耗為2020分貝的分貝的光纖。光纖。通信原理通信原理入射光1122折射光折射光反射光3光密介質(zhì)光疏介質(zhì)光纖通信的原理光纖通信的原理光纖通信的原理光纖通信的原理通信原理通信原理l見(jiàn)圖，入射角見(jiàn)圖，入射角逐漸增大，逐漸增大，1 122是折射角，光纖通信的原理，是基于是折射角，光纖通信的原理，是基于光線(xiàn)由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，在入射角足光線(xiàn)由光

13、密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，在入射角足夠大的情況下會(huì)發(fā)生全反射的特性，達(dá)到夠大的情況下會(huì)發(fā)生全反射的特性，達(dá)到3 3時(shí)，發(fā)生全反射，即光波能量幾乎全部反射，時(shí)，發(fā)生全反射，即光波能量幾乎全部反射，這樣才可以達(dá)到長(zhǎng)距離高速傳輸?shù)哪康?。這樣才可以達(dá)到長(zhǎng)距離高速傳輸?shù)哪康?。通信原理通信原?典型的單芯光纜結(jié)構(gòu)典型的單芯光纜結(jié)構(gòu)（纖芯：光導(dǎo)纖維）（纖芯：光導(dǎo)纖維）通信原理通信原理l結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 纖芯：光導(dǎo)纖維纖芯：光導(dǎo)纖維( (玻璃玻璃/ /塑料塑料) )包層：折射率比纖芯小包層：折射率比纖芯小外套：保護(hù)外套：保護(hù)l分類(lèi)分類(lèi)：根據(jù)制作材料不同：塑料，玻璃，石英根據(jù)制作材料不同：塑料，玻璃，石英 根據(jù)傳輸模式不

14、同：多模，單模根據(jù)傳輸模式不同：多模，單模根據(jù)光纖總折射率不同：突變型，漸變型根據(jù)光纖總折射率不同：突變型，漸變型根據(jù)工作波長(zhǎng)不同：短波長(zhǎng)，長(zhǎng)波長(zhǎng)，超長(zhǎng)波長(zhǎng)根據(jù)工作波長(zhǎng)不同：短波長(zhǎng)，長(zhǎng)波長(zhǎng)，超長(zhǎng)波長(zhǎng) 通信原理通信原理光纜(optical fiber)l分類(lèi)分類(lèi)：根據(jù)傳輸模式不同： 多模（MMF），單模（SMF）通信原理通信原理l單模光纖（單模光纖（single-modesingle-mode）使用使用激光源激光源，單束光線(xiàn)沿直接傳播，單束光線(xiàn)沿直接傳播100100公里不中繼公里不中繼內(nèi)芯半徑降低到波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)內(nèi)芯半徑降低到波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)l多模光纖多模光纖 多束光線(xiàn)在一條光纖中傳播多束光線(xiàn)在一條光

15、纖中傳播通信原理通信原理 光纖傳送模式：光纖傳送模式：SMFSMF通信原理通信原理 光纖傳送模式：光纖傳送模式：MMFMMF通信原理通信原理單模光纖與多模光纖的比較單模光纖與多模光纖的比較通信原理通信原理通信原理通信原理l突變多模光纖突變多模光纖內(nèi)芯密度均勻內(nèi)芯密度均勻使用普通發(fā)光二極管（使用普通發(fā)光二極管（2 2公里不中繼）公里不中繼）（光源發(fā)出的光線(xiàn)沿不同光路傳播，到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)刻不同，信號(hào)容易失真，傳輸速率不能太高）通信原理通信原理l漸變多模光纖漸變多模光纖內(nèi)芯密度不均勻內(nèi)芯密度不均勻, ,纖芯的折射率由中心向外纖芯的折射率由中心向外按一定的規(guī)律逐漸減小，直至與包層交界處按一定的規(guī)律逐漸減

16、小，直至與包層交界處為最小。為最小。使用普通發(fā)光二極管（使用普通發(fā)光二極管（2 2公里不中繼）公里不中繼）（光路以曲線(xiàn)傳播，每經(jīng)過(guò)一段距離相交，（光路以曲線(xiàn)傳播，每經(jīng)過(guò)一段距離相交，不同光路同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)）不同光路同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)）通信原理通信原理 典型的光纜典型的光纜常見(jiàn)規(guī)格：玻璃內(nèi)芯常見(jiàn)規(guī)格：玻璃內(nèi)芯50 50 m 緩變型緩變型MMFMMF 62.5 62.5 m 緩變緩變/ /增強(qiáng)型增強(qiáng)型MMFMMF 8.3 8.3 m 突變型突變型SMF SMF 玻璃包層玻璃包層125 125 m 通信原理通信原理典型的光纜典型的光纜常見(jiàn)規(guī)格：玻璃內(nèi)芯常見(jiàn)規(guī)格：玻璃內(nèi)芯50um緩變型緩變型MMF 62.5u

17、m緩變緩變/增強(qiáng)型增強(qiáng)型MMF 8.3um突變型突變型SMF 玻璃包層玻璃包層125um通信原理通信原理 高密度多芯光纜剖面結(jié)構(gòu)高密度多芯光纜剖面結(jié)構(gòu)芯封套外套加強(qiáng)芯光纖外鞘加強(qiáng)芯光纖束通信原理通信原理光纖特點(diǎn)光纖特點(diǎn)l依靠光波承載信息l速率高，通信容量大 僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制（100Gb/s）l傳輸損耗小，適合長(zhǎng)距離傳輸l抗干擾性能極好，保密性好l輕便通信原理通信原理通信原理通信原理 色散是光纖的傳輸特性之一。由于不同波長(zhǎng)光脈沖在光纖中具有不同的傳播速度，因此，色散反映了光脈沖沿光纖傳播時(shí)的展寬。 光纖的色散現(xiàn)象對(duì)光纖通信極為不利。光纖數(shù)字通信傳輸?shù)氖且幌盗忻}沖碼，脈沖展寬導(dǎo)致了脈沖與脈沖

18、相重疊現(xiàn)象，即產(chǎn)生了碼間干擾，造成差錯(cuò)。 通信原理通信原理2.3.4 無(wú)線(xiàn)通信l1 短波傳輸l2 地面微波傳輸l3 衛(wèi)星微波通信l4 電磁波傳輸l5 蜂窩電話(huà) 通信原理通信原理2.3.4 無(wú)線(xiàn)通信l電磁波電磁波電磁波是發(fā)射天線(xiàn)感應(yīng)電流而產(chǎn)生的電磁電磁波是發(fā)射天線(xiàn)感應(yīng)電流而產(chǎn)生的電磁振蕩輻射。這些電磁波在自由空間或空中振蕩輻射。這些電磁波在自由空間或空中傳播，最后被接收天線(xiàn)所感應(yīng)。傳播，最后被接收天線(xiàn)所感應(yīng)。通信原理通信原理無(wú)線(xiàn)通信無(wú)線(xiàn)通信l在真空中，所有的電磁波以相同的速度傳播，在真空中，所有的電磁波以相同的速度傳播，與頻率無(wú)關(guān)，大約為與頻率無(wú)關(guān)，大約為3108m/s。l在銅線(xiàn)和光纖中，電磁波

19、的傳播速度為光速在銅線(xiàn)和光纖中，電磁波的傳播速度為光速的的2/3；而且變得與頻率相關(guān)。；而且變得與頻率相關(guān)。通信原理通信原理無(wú)線(xiàn)通信通信原理通信原理無(wú)線(xiàn)通信l無(wú)線(xiàn)電波、微波、紅外線(xiàn)和可見(jiàn)光部分都可通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波、微波、紅外線(xiàn)和可見(jiàn)光部分都可通過(guò)調(diào)節(jié)振幅、頻率或相位來(lái)傳輸信息。調(diào)節(jié)振幅、頻率或相位來(lái)傳輸信息。 調(diào)制調(diào)制l紫外線(xiàn)、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)和伽瑪射線(xiàn)也可以用來(lái)傳輸信息且射線(xiàn)和伽瑪射線(xiàn)也可以用來(lái)傳輸信息且可以獲得更好的效果，但它們難以生成和調(diào)制，可以獲得更好的效果，但它們難以生成和調(diào)制，且對(duì)生物有害。且對(duì)生物有害。l電磁波可運(yùn)載的信息量與它的帶寬有關(guān)。電磁波可運(yùn)載的信息量與它的帶寬有關(guān)。通信原理通

20、信原理無(wú)線(xiàn)通信l無(wú)線(xiàn)電波可用于無(wú)線(xiàn)電波可用于A(yíng)M AM 和和FM FM 廣播、業(yè)余無(wú)線(xiàn)廣播、業(yè)余無(wú)線(xiàn)電、蜂窩電話(huà)和短波廣播，也用于電視廣電、蜂窩電話(huà)和短波廣播，也用于電視廣播。播。l每一種通信都必須無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)申請(qǐng)每一種通信都必須無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)申請(qǐng)一個(gè)頻率波段。一個(gè)頻率波段。通信原理通信原理無(wú)線(xiàn)通信無(wú)線(xiàn)通信l微波通信和短波通信都是屬于無(wú)線(xiàn)通信微波通信和短波通信都是屬于無(wú)線(xiàn)通信l短波通信短波通信是一種以波長(zhǎng)為10100m的電磁波進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)囊环N通信方式，其工作頻率的范圍在330MHz l微波通信微波通信是指用頻率在300MHz到10GHz的微波信號(hào)進(jìn)行通信。 微波通信分為地面微波通信和衛(wèi)

21、星微波通信。通信原理通信原理1. 短波傳輸n 短波可以通過(guò)兩種形式進(jìn)行傳播：n 沿地球的表面以地波地波的形式傳播n 通過(guò)電離層的反射以天波天波的形式傳播。通信原理通信原理無(wú)線(xiàn)通信短波傳輸 由于短波在以地波的形式進(jìn)行傳播時(shí)，陸地和海洋均會(huì)引起信號(hào)的衰損，所以短波一般采用天波的形式進(jìn)行傳播。在這種方式下，電波在經(jīng)過(guò)電離層的一次反射或電離層與地面之間的多次反射后才能到達(dá)目的地。通信原理通信原理無(wú)線(xiàn)通信短波傳輸l優(yōu)點(diǎn)：通信距離遠(yuǎn)，無(wú)需大的發(fā)射功率，設(shè)備成本適中。l缺點(diǎn)：易受到外部干擾，如受季節(jié)、晝夜、太陽(yáng)活動(dòng)的影響通信原理通信原理2 地面微波傳輸l微波傳輸微波傳輸一般發(fā)生在兩個(gè)地面站之間，一般發(fā)生在兩

22、個(gè)地面站之間，沿直線(xiàn)傳輸沿直線(xiàn)傳輸。 傳播距離近的原因：傳播距離近的原因：首先，首先，微波是直線(xiàn)傳播的微波是直線(xiàn)傳播的，它無(wú)法象某些低頻波那，它無(wú)法象某些低頻波那樣沿著地球的曲面?zhèn)鞑?，因此傳播距離很近。樣沿著地球的曲面?zhèn)鞑?，因此傳播距離很近。其次，大氣條件和固體物將妨礙微波的傳播，造成其次，大氣條件和固體物將妨礙微波的傳播，造成一定衰減。一定衰減。通信原理通信原理無(wú)線(xiàn)通信無(wú)線(xiàn)通信-地面微波傳輸?shù)孛嫖⒉▊鬏攍如果要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途傳送，可以在中間設(shè)置幾個(gè)如果要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途傳送，可以在中間設(shè)置幾個(gè)中中繼站繼站。中繼站上的天線(xiàn)依次將信號(hào)傳遞給相鄰。中繼站上的天線(xiàn)依次將信號(hào)傳遞給相鄰的站點(diǎn)。這種傳遞不斷持續(xù)下去就

23、可以實(shí)現(xiàn)視的站點(diǎn)。這種傳遞不斷持續(xù)下去就可以實(shí)現(xiàn)視線(xiàn)被地表切斷的兩個(gè)站點(diǎn)間的傳輸。線(xiàn)被地表切斷的兩個(gè)站點(diǎn)間的傳輸。通信原理通信原理無(wú)線(xiàn)通信無(wú)線(xiàn)通信-地面微波傳輸?shù)孛嫖⒉▊鬏斖ㄐ旁硗ㄐ旁淼孛嫖⒉ń恿Φ孛嫖⒉ń恿兩個(gè)地面站之間傳送l距離：50 -100 km地面站之間的直視線(xiàn)路地面站之間的直視線(xiàn)路 微波傳送塔微波傳送塔通信原理通信原理3 衛(wèi)星微波通信通信原理通信原理 衛(wèi)星中繼信道衛(wèi)星中繼信道 微波中繼信道是由地面建立的端站和中繼站組成。而衛(wèi)星中繼信道是以衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器作為中繼站與接收、發(fā)送地球站之間構(gòu)成。若衛(wèi)星運(yùn)行軌道在赤道平面，離地面高度為35780km時(shí)，繞地球運(yùn)行一周的時(shí)間恰為24小時(shí)，與

24、地球自轉(zhuǎn)同步，這種衛(wèi)星稱(chēng)為靜止衛(wèi)星（同步衛(wèi)星）。通信原理通信原理無(wú)線(xiàn)通信衛(wèi)星微波通信l衛(wèi)星微波通信是指利用人造衛(wèi)星進(jìn)行中轉(zhuǎn)的通信衛(wèi)星微波通信是指利用人造衛(wèi)星進(jìn)行中轉(zhuǎn)的通信方式。方式。l每顆衛(wèi)星都有幾個(gè)每顆衛(wèi)星都有幾個(gè)異頻雷達(dá)異頻雷達(dá)收發(fā)收發(fā)機(jī)機(jī)（Tr a n s p Tr a n s p o n d e r o n d e r ），用來(lái)接收某一特定頻率范圍內(nèi)的），用來(lái)接收某一特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，并用另一個(gè)不同的頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)播。一個(gè)地信號(hào)，并用另一個(gè)不同的頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)播。一個(gè)地面發(fā)射機(jī)將（面發(fā)射機(jī)將（上行上行）信號(hào)發(fā)送給一顆衛(wèi)星，接著）信號(hào)發(fā)送給一顆衛(wèi)星，接著衛(wèi)星上的異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)將信號(hào)轉(zhuǎn)播到地球

25、上的衛(wèi)星上的異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)將信號(hào)轉(zhuǎn)播到地球上的另一個(gè)區(qū)域（另一個(gè)區(qū)域（下行下行）。如今，衛(wèi)星通信已普遍用）。如今，衛(wèi)星通信已普遍用于電話(huà)和電視信號(hào)的傳送。很多人使用自己的接于電話(huà)和電視信號(hào)的傳送。很多人使用自己的接收器接收電纜電視信號(hào)收器接收電纜電視信號(hào)通信原理通信原理通信原理通信原理無(wú)線(xiàn)通信衛(wèi)星微波通信l衛(wèi)星收發(fā)信號(hào)的頻率范圍一般都很寬，每個(gè)異衛(wèi)星收發(fā)信號(hào)的頻率范圍一般都很寬，每個(gè)異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)處理一個(gè)特定范圍內(nèi)的信號(hào)。頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)處理一個(gè)特定范圍內(nèi)的信號(hào)。通通常，上行和下行分別使用不同的頻率，這它們常，上行和下行分別使用不同的頻率，這它們才不會(huì)相互干擾才不會(huì)相互干擾。l表表2 2 列出了四

26、個(gè)商業(yè)衛(wèi)星通信的常用波段以及列出了四個(gè)商業(yè)衛(wèi)星通信的常用波段以及與之相關(guān)的上行頻率和下行頻率。還有其他波與之相關(guān)的上行頻率和下行頻率。還有其他波段用于軍事和政治用途。段用于軍事和政治用途。通信原理通信原理無(wú)線(xiàn)通信衛(wèi)星微波通信通信原理通信原理l另外，由于衛(wèi)星軌道離地面較遠(yuǎn)信號(hào)衰減大，電波往返所需要的時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于靜止衛(wèi)星， 由地球站至通信衛(wèi)星，再回到地球站的一次往返需要0.26s左右，傳輸話(huà)音信號(hào)時(shí)會(huì)感覺(jué)明顯的延遲效應(yīng)。l目前衛(wèi)星中繼信道主要用來(lái)傳輸多路電話(huà)、 電視和數(shù)據(jù)。通信原理通信原理幾種傳輸介質(zhì)的比較下頁(yè)將列出計(jì)算機(jī)通信中幾種傳輸介質(zhì)的比較。 我們?cè)谶x擇通信介質(zhì)的時(shí)候，一定要從性能、價(jià)格和

27、使用場(chǎng)合等各個(gè)角度綜合考慮，一般來(lái)說(shuō)，影響傳輸介質(zhì)選擇的因素包括：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形結(jié)構(gòu)不適合選用同軸電纜(總線(xiàn)結(jié)構(gòu))，可選擇雙絞線(xiàn)方等方式；容量：介質(zhì)提供的傳輸速率應(yīng)能夠滿(mǎn)足要求；可靠性(差錯(cuò)率)：在可能的情況下，盡量選擇可靠性高的介質(zhì)；應(yīng)用環(huán)境：包括傳輸距離、環(huán)境惡劣程度、信號(hào)強(qiáng)度等等 通信原理通信原理常用傳輸介質(zhì)比較常用傳輸介質(zhì)比較 分類(lèi)分類(lèi)傳輸速率傳輸速率地理范圍地理范圍差錯(cuò)率差錯(cuò)率成本成本非屏非屏蔽雙蔽雙絞線(xiàn)絞線(xiàn)3類(lèi)類(lèi) 5類(lèi)類(lèi) 3類(lèi)類(lèi)UTP最大最大16Mbps 5類(lèi)類(lèi)UTP最大最大155Mbps100米米左右左右 一般一般( 1 0- 5 10-6 ) 低低 基帶基帶同軸同軸電纜電纜 粗

28、纜粗纜 細(xì)纜細(xì)纜 因種類(lèi)、距離因種類(lèi)、距離不同變化較大不同變化較大(但總要高于但總要高于UTP)細(xì)纜小于細(xì)纜小于800米米,粗粗纜 小 于纜 小 于2500米米中等中等( 1 0- 7 10-9 )中中光纖光纖單模單模 多模多模幾千幾千Mbps 幾 公 里幾 公 里到幾十公到幾十公里里最低最低(10-10 ) 較高較高衛(wèi)星衛(wèi)星同步同步低軌低軌 根據(jù)租用費(fèi)根據(jù)租用費(fèi)用變化較大用變化較大很大很大高高 高高 通信原理通信原理2.4 恒參信道傳輸特性恒參信道傳輸特性)(je)()(HH幅頻特性 相頻特性 通信原理通信原理理想信道的幅頻特性、 相頻特性和群遲延-頻率特性 OK0|H()|(a)O()td

29、(b)Otd(c)理想信道的特性 通信原理通信原理 理想的恒參信道特性：在整個(gè)頻率范圍，在整個(gè)頻率范圍，幅頻特性為常數(shù)相頻特性為的線(xiàn)性函數(shù)群延遲特性：不同頻率信號(hào)延遲相同通信原理通信原理l信道傳輸特性偏離了理想信道特性，就會(huì)產(chǎn)生失真(或稱(chēng)為畸變)。l如果信道的幅度-頻率特性在信號(hào)頻帶范圍之內(nèi)不是常數(shù)，則會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生幅度-頻率失真；l如果信道的相位-頻率特性在信號(hào)頻帶范圍之內(nèi)不是的線(xiàn)性函數(shù)， 則會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生相位-頻率失真。 通信原理通信原理典型音頻電話(huà)信道的幅度衰減特性典型音頻電話(huà)信道的幅度衰減特性350080020002800 30006f / Hz12(a)0300A( f ) / dB(b

30、)3020100120024003600f / HzA( f ) / dB 幅度幅度-頻率失真頻率失真通信原理通信原理 幅度幅度-頻率失真頻率失真 幅度-頻率失真是由實(shí)際信道的幅度頻率特性的不理想所引起的。 圖中是典型音頻電話(huà)信道的幅度衰減特性。衰減特性在 3003000 Hz頻率范圍內(nèi)比較平坦；300 Hz以下和 3000Hz以上衰耗增加很快。 CCITT M.1020建議規(guī)定的衰減特性如圖(b)所示。 信道的幅度-頻率特性不理想會(huì)使通過(guò)它的信號(hào)波形產(chǎn)生失真， 若在這種信道中傳輸數(shù)字信號(hào)，則會(huì)引起相鄰數(shù)字信號(hào)波形之間在時(shí)間上的相互重疊，造成碼間干擾。通信原理通信原理 相位相位-頻率失真頻率失

31、真 當(dāng)信道的相位-頻率特性偏離線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，將會(huì)使通過(guò)信道的信號(hào)產(chǎn)生相位-頻率失真，相位-頻率失真也是屬于線(xiàn)性失真。 在話(huà)音傳輸中，由于人耳對(duì)相頻失真不太敏感人耳對(duì)相頻失真不太敏感，因此相頻失真對(duì)模擬話(huà)音傳輸影響不明顯。如果傳輸數(shù)字信號(hào)， 相頻失真同樣會(huì)引起碼間干擾，特別當(dāng)傳輸速率較高時(shí)，相頻失真會(huì)引起嚴(yán)重的碼間干擾，使誤碼率性能降低通信原理通信原理 群延遲失真群延遲失真 群遲延頻率特性都偏離了理想特性的要求，也會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生群遲延失真。通信原理通信原理圖 3 15 典型電話(huà)信道相頻特性和群遲延頻率特性 (a) 相頻特性； (b) 群遲延頻率特性 ()O理想特性(b)()O理想特性(a)通信原理通

32、信原理2.5 典型隨參信道典型隨參信道 l隨參信道是指信道傳輸特性隨時(shí)間隨機(jī)快速變化的信道 K(t)是隨時(shí)間隨機(jī)變化的信道。l常見(jiàn)的隨參信道：陸地移動(dòng)信道、短波電離層反射信道、超短波流星余跡散射信道、超短波及微波對(duì)流層散射信道、超短波電離層散射以及超短波超視距繞射 通信原理通信原理隨參信道的特點(diǎn)l信號(hào)的衰耗隨時(shí)間隨機(jī)變化；l信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間隨機(jī)變化；l多徑傳播。通信原理通信原理2.8 加性噪聲加性噪聲1. 噪聲的分類(lèi)與特性噪聲的分類(lèi)與特性 大氣噪聲熱噪聲宇宙噪聲自然噪聲人為噪聲外部噪聲散彈噪聲熱噪聲電源噪聲內(nèi)部噪聲噪聲通信原理通信原理l人為噪聲來(lái)源于由人類(lèi)活動(dòng)造成的其他信號(hào)源，例如：開(kāi)關(guān)接

33、觸噪聲、工業(yè)的點(diǎn)火輻射及熒光燈干擾等 （電流、電壓突變而形成的電磁輻射，可通過(guò)空間、電力線(xiàn)傳播）l自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源，例如：閃電、大氣中的電暴、銀河系噪聲及其他各種宇宙噪聲等 l內(nèi)部噪聲是系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲，例如：在電阻一類(lèi)的導(dǎo)體中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)、真空管中電子的起伏發(fā)射和半導(dǎo)體載流子的起伏變化等。 通信原理通信原理熱噪聲l熱噪聲：由帶電粒子在導(dǎo)電媒介中進(jìn)行的分子熱運(yùn)動(dòng)熱噪聲：由帶電粒子在導(dǎo)電媒介中進(jìn)行的分子熱運(yùn)動(dòng)造成的（絕對(duì)存在的）無(wú)法被消除的。造成的（絕對(duì)存在的）無(wú)法被消除的。熱噪聲是一種熱噪聲是一種高斯白噪聲高斯白噪聲。 高斯噪聲：高斯噪聲：n n維分布都服從高

34、斯分布。維分布都服從高斯分布。 白噪聲：功率譜密度在這個(gè)頻率范圍內(nèi)分布均勻白噪聲：功率譜密度在這個(gè)頻率范圍內(nèi)分布均勻的噪聲。的噪聲。通信原理通信原理熱噪聲l噪聲功率譜密度：噪聲功率譜密度：N N0 0=KT =KT 單位：?jiǎn)挝唬篧/HW/HZ Z； K K：波爾茲曼常數(shù)：波爾茲曼常數(shù) 1.381.381010-23 -23 J/K(J/K(焦耳焦耳/ /開(kāi)；開(kāi)； T T： 絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度 K K（單位（單位 開(kāi)開(kāi) 273+273+）N N0 0=P/W =P/W 單位帶寬上的噪聲功率單位帶寬上的噪聲功率 通信原理通信原理熱噪聲例子熱噪聲例子l若系統(tǒng)帶寬1000Hz，求在40 的溫度下熱噪聲源

35、的噪聲分貝功率通信原理通信原理脈沖噪聲脈沖噪聲：是：是一種由突發(fā)的振幅很大持續(xù)時(shí)間很一種由突發(fā)的振幅很大持續(xù)時(shí)間很短，耦合到信號(hào)通路中的非連續(xù)尖峰脈沖引起的短，耦合到信號(hào)通路中的非連續(xù)尖峰脈沖引起的干擾，通常是由一些無(wú)法預(yù)知的因素造成的，如干擾，通常是由一些無(wú)法預(yù)知的因素造成的，如電火花，雷電；電火花，雷電；脈沖噪聲對(duì)模擬數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)造成明顯影響脈沖噪聲對(duì)模擬數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)造成明顯影響但數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸中脈沖噪聲是產(chǎn)生差錯(cuò)的主但數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸中脈沖噪聲是產(chǎn)生差錯(cuò)的主要來(lái)源要來(lái)源通過(guò)差錯(cuò)控制手段來(lái)確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕⊥ㄟ^(guò)差錯(cuò)控制手段來(lái)確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?！通信原理通信原理脈沖噪聲對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸造成的影

36、響 通信原理通信原理l散彈噪聲散彈噪聲 出現(xiàn)在電子管和半導(dǎo)體器件中 l宇宙噪聲宇宙噪聲 指天體輻射波對(duì)接收機(jī)形成的噪聲，它在整個(gè)空間的分布是不均勻的，最強(qiáng)的來(lái)自銀河系的中部，其強(qiáng)度與季節(jié)、頻率等因素有關(guān) 通信原理通信原理l信噪比信噪比：信號(hào)在傳輸過(guò)程中不可避免地要受到噪聲的影響，信噪比是用來(lái)描述在此過(guò)程中信號(hào)受噪聲影響程度的量，它是衡量傳輸系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。通信原理通信原理l信噪比信噪比通常是指某一點(diǎn)上的信號(hào)功率與噪聲功通常是指某一點(diǎn)上的信號(hào)功率與噪聲功率之比，可用下面的公式表示信噪比率之比，可用下面的公式表示信噪比l/ /是信噪比是信噪比lP Ps s是信號(hào)的平均功率是信號(hào)的平均功率l

37、P Pn n是噪聲的平均功率是噪聲的平均功率 nsPPNS通信原理通信原理l為了使用方便通常采用分貝（為了使用方便通常采用分貝（dBdB）來(lái)表示信噪）來(lái)表示信噪比，公式如下比，公式如下NSlg10PPlg10NSnsdB通信原理通信原理2.9 信道容量信道容量l信道容量是指信道中信息無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笏俾首畲笏俾省?通信原理通信原理2.9.2 離散信道的信道容量離散信道的信道容量 l離散信道：當(dāng)信道輸入和輸出都是離散符號(hào)時(shí)，稱(chēng)為離散信道通信原理通信原理互信息與各類(lèi)熵之間的關(guān)系可以用下圖表示： H(X,Y) H(X/Y) H(Y/X) H(X) H(Y) I(X,Y)如無(wú)干擾，2個(gè)圓應(yīng)當(dāng)重疊在一起通信原理通信原理2/1)()(21xPxP1x2x1y2y6/14/16/54/3題2-12圖2-12、二進(jìn)制無(wú)記憶編碼