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第第2 2章章 信道与噪声信道与噪声本讲稿第一页，共五十九页本章节教学说明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本章主要介绍有线信道和无线信道各种介质的特点介质的特点本章主要系统概括信道容量的计算方法本章主要系统概括信道容量的计算方法本讲稿第二页，共五十九页本章节内容概述本章节内容概述有线通信信道有线通信信道无线通信信道无线通信信道信道的噪声信道的噪声信道的容量信道的容量本讲稿第三页，共五十九页本章节学习重点、难点本章节学习重点、难点有线信道的主要应用环境有线信道的主要应用环境无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信道容量的计算方法本讲稿第四页，共五十九页本章节学习目标本章节学习目标熟悉信道的分类熟悉信道的分类熟悉掌握各种介质的应用环境熟悉掌握各种介质的应用环境理解信道容量的计算理解信道容量的计算本讲稿第五页，共五十九页本章节学习能力要素及基础要求本章节学习能力要素及基础要求课前预习相关内容课前预习相关内容掌握数据网相关基本内容掌握数据网相关基本内容学习了解噪声的叠加特性学习了解噪声的叠加特性本讲稿第六页，共五十九页本章节学习方法建议本章节学习方法建议预习复习结合预习复习结合课堂学习课外学习结合课堂学习课外学习结合自学与探讨结合自学与探讨结合课后作业与章节个人总结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寻求教师答疑与学习反馈结合本讲稿第七页，共五十九页 传输介质泛指用于连接各个通信终端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。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传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类。输介质两大类。本讲稿第八页，共五十九页 无线传输介质包括无线电、微波、通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。轴电缆、双绞线、光纤等。本讲稿第九页，共五十九页2.1 2.1 有线通信信道有线通信信道2.1.1 双绞线双绞线 双绞线电缆（简称双绞线）是由一对双绞线电缆（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。用到的一种通信介质。本讲稿第十页，共五十九页图图2-1 2-1 双绞线的结构双绞线的结构本讲稿第十一页，共五十九页1双绞线的特征双绞线的特征（1）导线直径）导线直径（2）含铜）含铜（3）导线单位长度绕数）导线单位长度绕数（4）屏蔽措）屏蔽措本讲稿第十二页，共五十九页图图2-2 2-2 非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线本讲稿第十三页，共五十九页2双绞线的分类双绞线的分类级级 别别频带频带（MHzMHz）带宽带宽（Mbit/sMbit/s）使使 用用 范范 围围1 1类类电话语电话语音通信音通信2 2类类1 14 4用于旧的令牌网用于旧的令牌网3 3类类16161010l0BASE-Tl0BASE-T4 4类类20201616基于令牌的局域网和基于令牌的局域网和10BASE-T10BASE-T5 5类类100100100100百兆以太网百兆以太网超超5 5类类100100155155百兆以太网百兆以太网6 6类类2002002502501 1000000吉比特以太网吉比特以太网超超6 6类类2002002502501 1000000吉比特以太网吉比特以太网7 7类类5005001010000000十吉比特以太网十吉比特以太网表表2-12-1非屏蔽双绞线种类和使用范围非屏蔽双绞线种类和使用范围本讲稿第十四页，共五十九页3双绞线的特点双绞线的特点 双绞线具有以下优点。双绞线具有以下优点。（1）低成本，易于安装）低成本，易于安装（2）应用广泛）应用广泛 同时双绞线还具有很多缺点。同时双绞线还具有很多缺点。（1）带宽有限）带宽有限（2）信号传输距离短）信号传输距离短（3）抗干扰能力不强）抗干扰能力不强本讲稿第十五页，共五十九页4双绞线的应用双绞线的应用（1）ISDN（2）xDSL（3）以太网）以太网本讲稿第十六页，共五十九页2.1.2 同轴电缆同轴电缆1同轴电缆结构和分类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、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，如图起保护作用的外套层组成，如图2-3所示。所示。本讲稿第十七页，共五十九页图图2-3 2-3 同轴电缆的结构同轴电缆的结构本讲稿第十八页，共五十九页规规 格格类类 型型阻抗（阻抗（）描描 述述RG-58URG-58U细缆细缆5050固体固体实实心心铜导线铜导线RG-58A/URG-58A/U细缆细缆5050绞绞合合线线RC-58C/URC-58C/U细缆细缆5050RG-58A/URG-58A/U的的军军用版本用版本RG-59RG-59CATVCATV7575宽带宽带同同轴电缆轴电缆，用于有，用于有线电线电视视中中RC-8RC-8粗粗缆缆5050固体固体实实心心线线，直径，直径约为约为0.4inch0.4inchRC-11RC-11粗粗缆缆5050标标准准实实心心线线，直径，直径约为约为0.4inch0.4inch表表2-22-2同轴电缆的常见规格同轴电缆的常见规格本讲稿第十九页，共五十九页2同轴电缆的特点同轴电缆的特点 同轴电缆具有下列特点。同轴电缆具有下列特点。（1）可用频带宽。）可用频带宽。（2）抗干扰能力强，误码率低，但这会受）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。到屏蔽层接地质量的影响。（3）性能价格比高。）性能价格比高。（4）安装较复杂。）安装较复杂。本讲稿第二十页，共五十九页3同轴电缆的应用同轴电缆的应用（1）局域网）局域网（2）局间中继线路）局间中继线路（3）有线电视（）有线电视（CATV）系统的信号）系统的信号线线（4）射频信号线）射频信号线本讲稿第二十一页，共五十九页2.1.3 光缆光缆 光缆是由许多根经过技术处理的光学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。纤维组合而成的缆，用来传送光信号。本讲稿第二十二页，共五十九页1光在光纤中的传播光在光纤中的传播2光纤的结构光纤的结构本讲稿第二十三页，共五十九页 图图2-4 2-4 光纤的结构光纤的结构 本讲稿第二十四页，共五十九页 图图2-5 2-5 四芯光缆剖面示意图四芯光缆剖面示意图本讲稿第二十五页，共五十九页3光纤的分类光纤的分类（1）根据光纤横截面上折射率的不同分类）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。可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤。（2）按传输模式分类）按传输模式分类 可以分为单模光纤（可以分为单模光纤（Single Mode Fiber）和多模光纤（）和多模光纤（Multi Mode Fiber）。）。本讲稿第二十六页，共五十九页图图2-6 2-6 单模光纤与多模光纤单模光纤与多模光纤本讲稿第二十七页，共五十九页（3）按照制造光纤所用的材料分类）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、全塑料光纤和纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。氟化物光纤。本讲稿第二十八页，共五十九页4光纤的损耗光纤的损耗（1）损耗）损耗（2）固有损耗和附加损耗）固有损耗和附加损耗（3）吸收损耗）吸收损耗（4）散射损耗）散射损耗（5）使用损耗）使用损耗本讲稿第二十九页，共五十九页5光纤的带宽与色散光纤的带宽与色散（1）色散）色散（2）带宽与色散的关系）带宽与色散的关系（3）色散的分类）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）光纤的传输带宽本讲稿第三十页，共五十九页6光纤作为传输介质的主要特点光纤作为传输介质的主要特点（1）传输频带宽）传输频带宽（2）传输距离长）传输距离长（3）抗电磁干扰能力强）抗电磁干扰能力强（4）保密性好）保密性好（5）节省大量有色金属）节省大量有色金属（6）体积小，重量轻）体积小，重量轻（7）需要经过额外的光）需要经过额外的光/电转换过程电转换过程本讲稿第三十一页，共五十九页2.2 2.2 无线通信信道无线通信信道2.2.1 无线信道的基本概念无线信道的基本概念 无线通信的传输介质，即是无线信道，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。天线之间的传播路径。本讲稿第三十二页，共五十九页 天线感应电流而产生电磁振荡并辐射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传播，最后被接收天线所感应并产生感应电流。电流。本讲稿第三十三页，共五十九页 电磁波的传播路径可能包括直射传播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了解无线信道的特点对于理解无线通信是非常必要的。信是非常必要的。本讲稿第三十四页，共五十九页 与其他通信信道相比，无线信道是最与其他通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。为复杂的一种。无线信道的衰落特性取决于无线电波无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。传播环境。本讲稿第三十五页，共五十九页2.2.2 电磁波在无线信道中的传播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。信系统首先要遇到的问题。对于不同频段的无线电波，其传播方对于不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的。式和特点是不相同的。本讲稿第三十六页，共五十九页1基本传播机制基本传播机制（1）直射）直射（2）反射）反射（3）绕射）绕射（4）散射）散射本讲稿第三十七页，共五十九页2无线信道的指标无线信道的指标（1）传播损耗）传播损耗 路径损耗 阴影衰落 多径衰落本讲稿第三十八页，共五十九页（2）传播时延）传播时延（3）时延扩展）时延扩展（4）多普勒扩展）多普勒扩展（5）干扰）干扰本讲稿第三十九页，共五十九页2.2.3 无线信道的特点无线信道的特点（1）频谱资源有限）频谱资源有限（2）传播环境复杂）传播环境复杂（3）存在多种干扰）存在多种干扰（4）网络拓扑处于不断地变化之中）网络拓扑处于不断地变化之中本讲稿第四十页，共五十九页2.2.4 无线传输介质无线传输介质1无线电波无线电波 无线电波是指在自由空间（包括空气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。和真空）传播的射频频段的电磁波。本讲稿第四十一页，共五十九页2激光激光 激光通信是利用激光束调制成光脉冲激光通信是利用激光束调制成光脉冲用以传输数据。用以传输数据。本讲稿第四十二页，共五十九页3红外线红外线 红外线通信是采用红外线来传输信号，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，在接收端设在发送端设有红外线发送器，在接收端设有红外线接收器。有红外线接收器。本讲稿第四十三页，共五十九页4微波微波 所谓微波，是一种具有极高频率（通所谓微波，是一种具有极高频率（通常为常为300MHz300GHz）、波长很短（通）、波长很短（通常为常为1m1mm）的电磁波。）的电磁波。本讲稿第四十四页，共五十九页图图2-7 2-7 微波通信微波通信本讲稿第四十五页，共五十九页 微波通信同样是利用电磁波来承载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。息，但它具有以下显著特点。（1）工作频率高，可用带宽大。）工作频率高，可用带宽大。（2）波长短，易于设计高增益的天线。）波长短，易于设计高增益的天线。（3）受天电干扰小。）受天电干扰小。（4）视距传播。）视距传播。（5）容易受天气影响。）容易受天气影响。本讲稿第四十六页，共五十九页2.3 2.3 信道的噪声信道的噪声 信道的噪声能够干扰通信效果，降低信道的噪声能够干扰通信效果，降低通信的可靠性。通信的可靠性。从不同的方面，噪声有着不同的分类。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噪声按其产生的原因可以分为外部噪声和内部噪声。声和内部噪声。本讲稿第四十七页，共五十九页 噪声从统计理论观点可以分为平稳和噪声从统计理论观点可以分为平稳和非平稳噪声两种。非平稳噪声两种。另外，按噪声和信号之间关系可分为另外，按噪声和信号之间关系可分为加性噪声和乘性噪声。加性噪声和乘性噪声。本讲稿第四十八页，共五十九页2.4 2.4 信道容量信道容量2.4.1 信道容量的定义信道容量的定义 在信息论中，称信道无差错传输信息在信息论中，称信道无差错传输信息的最大信息速率为信道容量，记为的最大信息速率为信道容量，记为C。本讲稿第四十九页，共五十九页 从信息论的观点来看，各种信道可概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。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，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。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。码信道，后者则是调制信道。本讲稿第五十页，共五十九页2.4.2 连续信道的容量连续信道的容量本讲稿第五十一页，共五十九页 这就是信息论中具有重要意义的香农这就是信息论中具有重要意义的香农（Shannon）信道容量公式，简称香农公）信道容量公式，简称香农公式。式。它表明了当信号与作用在信道上的起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，具有一定频带伏噪声的平均功率给定时，具有一定频带宽度宽度B的信道上，理论上单位时间内可能传的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。输的信息量的极限数值。本讲稿第五十二页，共五十九页 信噪比，即信噪比，即SNR（Signal to Noise Ratio），即放大器的输出信号的电压与同），即放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示。示。此处的此处的S/N为信号功率与噪声功率之比，为信号功率与噪声功率之比，S/N与信噪比之间的转换关系为与信噪比之间的转换关系为。本讲稿第五十三页，共五十九页 香农公式告诉我们如下结论。香农公式告诉我们如下结论。（1）在给定）在给定B、S/N的情况下，信道的极的情况下，信道的极限传输能力为限传输能力为C，而且此时能够做到无差错，而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。传输（即差错率为零）。（2）提高信噪比）提高信噪比S/N，可提高信道容量，可提高信道容量C。本讲稿第五十四页，共五十九页（3）增加信道带宽）增加信道带宽B，也可增加信道容量，也可增加信道容量C，但做不到无限制地增加。，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）维持同样大小的信道容量，可以通过调整信道的调整信道的B及及S/N来达到，即信道容量可来达到，即信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。变。本讲稿第五十五页，共五十九页2.4.3 离散信道的信道容量离散信道的信道容量 根据奈奎斯特（根据奈奎斯特（Nyquist）无噪声下的）无噪声下的码元速率极限值码元速率极限值B与信道带宽与信道带宽H的关系的关系B=2H（Baud），得到无噪声离散信道的），得到无噪声离散信道的信道容量的公式信道容量的公式（bit/sbit/s）本讲稿第五十六页，共五十九页小小 结结1传输介质传输介质 传输介质分为有线传输介质和无线传传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类。输介质两大类。无线传输介质包括无线电、微波、通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。轴电缆、双绞线、光纤等。本讲稿第五十七页，共五十九页2噪声噪声 噪声按其产生的原因可以分为外部噪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，噪声按其和信号分为平稳和非平稳噪声，噪声按其和信号之间关系可分为加性噪声和乘性噪声。之间关系可分为加性噪声和乘性噪声。本讲稿第五十八页，共五十九页3信道容量信道容量 连续信道的信道容量连续信道的信道容量 ；离散信道的信道容量离散信道的信道容量 。本讲稿第五十九页，共五十九页