1、第3章数据通信中的信道3.1信道模型及其分类信道模型及其分类3.2信道容量信道容量3.3有线信道有线信道3.4无线信道无线信道本章小结本章小结 3.1 信道模型及其分类信道模型及其分类3.1.1 信道模型信道模型信道的功能是将载有信息的电磁信号从一端传送到另一端。一个实际的信道除了传输媒质外，还应有相关的诸如编码/译码器、调制/解调器、接收/发送滤波器等电路，这样构成的信道称为广义信道，其模型如图3.1.1所示。图3.1.1 信道模型3.1.2 信道分类信道分类1.广义信道和狭义信道广义信道按照其包含的功能，可以划分为调制信道和编码信道。调制信道是指调制器输出端到解调器入端的部分，编码信道是指
2、编码器的输出端到译码器的输入端部分，这两个广义信道都有一个特点，即仅关心信号的变换或编解码结果，而不关心具体的物理实现过程。由于数据通信一般经过编解码和调制解调环节，因此数据通信的广义信道是包括调制信道在内的编码信道。狭义信道是指传输信号的媒质，导线、光纤、无线电波均是狭义信道。2.有线信道和无线信道按照狭义信道所使用的传输媒质不同，可以将狭义信道划分为有线信道和无线信道两大类。有线信道使用的传输媒质是有形的物理媒质，常用的有双绞线、同轴电缆、光纤等。无线信道使用的是无形的传输媒质，主要是可见及不可见的电磁波，常见的无线信道有长波、中波、短波和微波、红外等无线信道。3.恒参信道和随参信道恒参信
3、道是指信道的各项参数不随时间变化的信道，它对信号的影响是确定的，如各种有线信道及部分无线信道。随参信道是指信道的各项参数随时间变化的信道，它对信号的影响一般是不确定的，如短波信道、散射信道等。4.有记忆信道和无记忆信道根据信道输出和输入的关系，编码信道可分为有记忆信道和无记忆信道。无记忆信道是指信道当前输出仅与当前输入有关。有记忆信道是指信道的当前输出不仅与当前输入有关，而且还与以前时刻的输入有关。5.离散信道和连续信道根据信道中传送信号在时间和幅度上的取值是离散的还是连续的，可将信道划分为离散信道和连续信道。如果信道中的信号在时间和幅度上都是连续的，则信道是连续信道；如果信道中信号在时间和幅
4、度上都是离散的，则信道是离散信道。6.模拟信道和数字信道根据所传输信号的不同，把传输模拟信号的信道称为模拟信道，把传输数字信号的信道称为数字信道。一般来说，把调制信道看成是一种模拟信道，把编码信道看成是一种数字信道。一个实际的信道既可有数字信道，也可有模拟信道；同时既可有连续信道，也可有离散信道。7.物理信道和逻辑信道一个实际存在的物理实体信道称为物理信道，如有线信道、无线信道等，它包含了实际存在的物理设备和传输物理媒质。采用多路复用技术在一个物理信道中来传输多路信号而划分的信道称为逻辑信道。一个物理信道可以包含多个逻辑信道。鉴于上述分类，我们可以将信道简要地划分为如图3.1.2所示的类别。图
5、3.1.2 信道分类 3.2 信信 道道 容容 量量3.2.1 离散信道的信道容量离散信道的信道容量设离散信道的模型如图3.2.1所示。图3.2.1(a)是无噪声信道，P(xi)表示发送符号xi的概率，P(yi)表示接收到符号yi的概率，P(yi/xi)是转移概率，其中，i=1,2,n。由于信道无噪声干扰，所以P（xi）=P（yi）。图3.2.1(b)是有噪声信道，P（xi)为发送符号xi的概率，i=1,2,n，P(yj)是接收到符号yj的概率，j=1,2,m，P(yj/xi)或P(xi/yj)是转移概率，在有噪声信道中，输入和输出之间不存在一一对应的关系。当输入一个x1时，则输出可能为y1，
6、也可能为y2或ym等，输出与输入间的关系随机，但输入与输出之间有一定的统计特性，该特性反映在信道的转移（或条件）概率上。图3.2.1 离散信道模型在有噪声信道中，我们可得到发送xi，收到yj时所获得的信息量为发送xi收到yj时所获得的信息量=lbP(xi)+lbP(xi/yj)(3.2.1)式中，P(xi)为未发送xi前出现的概率，P(xi/yj)为收到yj而发送xi的概率。对xi和yj取统计平均值，即对所有发送xi而收到yj的取平均，有(3.2.2)式中，H(x)为发送的每个符号的平均信息量;H(x/y)为发送符号在有噪声信道中传输时平均丢失的信息量，或当输出符号已知时在单位输入符号中的平均
7、信息量。为了说明信道传输信息的能力，引入信息传输速率的概念。信息传输速率是指信道在单位时间内所传输的平均信息量，用R表示，即R=Hl（x）Hl（x/y）（3.2.3)式中，Hl(x)为单位时间内信源发送的平均信息量，或称为信源的信息速率；Hl(x/y)为单位时间内发送x而收到y的条件平均信息量。设单位时间传送的符号数位r，于是有 式(3.2.4)表明，在有噪声信道中，信息传输速率等于每秒钟内信源发送的信息量与由于信道不确定性而引起丢失的那部分信息量之差。在无噪声信道中，由于信道不存在不确定性，即H（x/y）=0，故信道传输的速率等于信源的信息速率，即R=rH(x)。（3.2.3)在无噪声信道中
8、，由于信道不存在不确定性，即H（x/y）=0，故信道传输的速率等于信源的信息速率，即R=rH(x)。从式(3.2.4)可以看出，信道传输信息的速率R与单位时间内传送符号的数目r、信源概率分布以及信道干扰的概率分布有关。但是，对于某个给定的信道，干扰概率分布应是确定的。如果单位时间内传送符号的数目r一定，则信道传送信息的速率仅与信源的概率分布有关。因此，信源的概率分布不同，信道传输信息的速率也不同。所以，一个信道传输能力应用该信道最大可能传输信息的速率来衡量，即对于一切可能的信源概率分布，信道传输信息的速率R的最大值称为信道容量，记为C，即(3.2.5)3.2.2 连续信道的信道容量连续信道的信
9、道容量若信道的带宽为B(Hz)，信道输出的信号功率为S(W)以及输出的加性带限高斯白噪声功率为N(W)，则该连续信道的容量为(3.2.6)上式就是信息论中非常著名的香农(Shannon)公式。它表明，当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度B的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限值，该公式也成为了扩频通信技术的理论基础。3.3 有有 线线 信信 道道在物联网中，构成信息传输的通信网络需要用线缆来传送信息，这些线缆组成了狭义信道。常用的有线信道有双绞线、同轴电缆、光纤等。有线信道的传输特性非常良好，传输质量较高，但与无线信道相比，其主要的缺点是灵活、方便性较差
10、。一般用如下特性来衡量信道的性能：（1）物理特性：描述传输媒质的物理结构。（2）传输特性：描述传输媒质允许传送信号的形式、所采用的调制技术、传输容量、传输频率范围。（3）传输距离：传输媒质的最大传输范围。（4）抗干扰性能：传输媒质对抗噪声与电磁干扰的能力。（5）性价比：衡量信道的经济性。3.3.1 双绞线双绞线双绞线(Twisted Pair)是较常见的传输媒质，广泛应用在计算机局域网中。双绞线由两条相互绝缘的直径为1 mm左右的铜导线按一定规格绞合在一起，通过绞合可减少两线间的串扰。在中、低速传输速率下，能可靠地传输信号达几公里。如果要进一步提高抗电磁干扰的能力，可在双绞线束的外围加一金属屏
11、蔽层（如铜丝网、铝箔等）。根据双绞线是否加装屏蔽层，双绞线可分为屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair，STP)和非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair，UTP)两类。1.物理特性一般，双绞线由规则的螺旋结构排列而成，由2根、或4根、或8根绝缘导线构成，可一对为一条传输信道，也可多对为一个传输信道，常用RJ45或插头作为线路的连接头。2.传输特性在局域网中常用的双绞线根据其传输特性分为五类；在典型的以太网中常用三类、四类、五类、超五类、六类、七类非屏蔽双绞线。通常简称x类线。这些类线的传输特性如下：三类线：带宽为16 MHz，适用于语音及10 Mb/s以下
12、的数据传输。四类线：主要用于令牌环网的传输，传输速率为10 Mb/s。五类线：带宽为100 MHz，适用于语音及100 Mb/s的高速传输，甚至可以传输155 Mb/s 的ATM信号。超五类线：100M带宽，100 Mb/s传输速率，比五类线衰减小，抗干扰能力强。六类线：传输速率可达1000 Mb/s，通常用于1000Bas-T局域网或光纤分布的数据接口。七类线：常用于1000Bas-T、千兆以太网。最常用的非屏蔽双绞线是三类线和五类线，均用于低速率的局域网，但五类线的性能较好，适合长距离、较高速率的网络。3.连通性双绞线适合于点点或点多点的通信。4.传输距离双绞线作为中继线使用时，传输距离最
13、大可达15 km；用于10 Mb/s局域网时，与交换机或集线器的距离最大为100 m。5.抗干扰能力及性价比双绞线的抗干扰能力取决于相邻线间的绞合长度和适当的屏蔽，其性价比较高，安装使用及维护都比较方便。3.3.2 同轴电缆同轴电缆同轴电缆(Coaxial Cable)是一种常见的传输媒质，常用于电视信号、高速率、宽带宽的通信信号传输。1.物理特性由铜质缆芯、绝缘层、屏蔽层和外围的保护套构成，其结构如图3.3.1所示。图3.3.1 同轴电缆结构铜芯一般是单根实心线或多股绞合线；绝缘层是由绝缘材料构成的包裹层；屏蔽层是由网状编制的外导体层或金属箔包裹而成的；保护套是由塑料包裹而成的。实际的同轴电
14、缆可以是单根的，也可以由多根用塑料包装构成的多股同轴电缆。同轴电缆中的屏蔽层可以当作导体与铜芯构成双导体，同时还具有屏蔽作用，以防止电磁信号外泄和外部电磁干扰。同轴电缆具有较宽的带宽和极好的抗干扰与抑制噪声的特性，一般用于高速率、远距离的通信。同轴电缆的特性参数由内外导及绝缘层与机械尺寸决定。2.传输特性同轴电缆根据其阻抗的不同分为50 和75 两种，前者为基带同轴电缆，用于数字信号的传输；后者为宽带同轴电缆，用于模拟信号的传输。基带同轴电缆用来传输基带数字信号，一般传输距离为1 km，传输速率可达10 Mb/s。基带同轴电缆的特点是安装简单、价格便宜。宽带同轴电缆的带宽为300450 MHz
15、，可以用于宽带信号的传输，传输距离可达100 km。3.连通性同轴电缆用于点点或点多点的通信传输。基带同轴电缆可用来连接数百台数据设备，宽带同轴电缆可连接数千台。4.抗干扰能力及性价比同轴电缆抗干扰能力较强，价格处于双绞线与光纤之间，使用维护方便。3.3.3 光纤光纤光纤分为单模光纤和多模光纤两大类。单模光纤的纤芯较细，使用激光器作为信号传输的光源，传输损耗小，能用于高速率、长距离的数据传输。多模光纤的纤芯较粗，使用便宜的发光二极管作为数据信号发送的光源，适用于低速率、短距离的数据传输。两种光纤的性能如表3.3.1所示。3.4 无无 线线 信信 道道1.无线电波的波段101015 Hz是通信系
16、统所使用的频率。国际电信联盟(ITU)依据波长将电磁波划分为甚低频(VLF)、低频(LF)、中频(MF)、高频(HF)、甚高频(VHF)、超高频(UHF)、特高频(SHF)、极高频(EHF)和巨高频(THF)频段。它们的频率范围分别是3 Hz30 kHz、30300 kHz、300 kHz3 MHz、330 MHz、30300 MHz、300 MHz3 GHz、330 GHz、30300 GHz、300 GHz1014 Hz。红外线的频率范围为300 GHz1013 Hz、可见光的频率范围为10131014 Hz。我们可以用c=f计算出各频段的波长，其中c为光速，f为频率，为波长。2.传播方式
17、无线电波通过发射天线后，以多种传播方式到达接收天线。传播方式主要有地面波传播、天波传播、地面电离层波导传播、视距传播、散射传播、外大气层和星际空间传播方式。地面波传播：无线电波沿地球表面传播到达接收端的传播方式。长波和中波就是利用该方式传输信号的。天波传播：经电离层发射到地面的电波叫做天波。天波传播就是自发射天线发射的电波，在高空被电离层反射回来到达接收端的传播方式。电离层是指地球周围离地面60 km 以上的区域，在这个区域中存在着大量被电离的粒子，它们具有对特定波长电磁波的反射性能。地面电离层波导传播：电波在地面电离层波导内的传播。长波和甚长波在此波导内可以以较小的衰减传输较长距离，且传播特
18、性稳定，常用来进行长距离通信。视距传播：发射的电磁波像光线一样直线传播或经过大地反射传播到接收端的传播方式。由于受到地球曲率的限制，收发之间的距离限制在视距以内。该方式主要用于超短波和微波接力通信，传播距离可以达到50 km以上。散射传播：利用对流层或电离层中的不对称性来散射无线电波，使无线电波的传播到达视距以外的地方的传播方式，通信距离可达300800 km。外大气层及星际空间电波传播：以卫星等航天器为对象，电波由地面发射，经大气层到达外层空间的传播方式，卫星通信就是利用了该通信方式。本本 章章 小小 结结信道的特性和信号特性影响着数据通信的质量。描述信道的参数有信道带宽、信道容量、信道衰减
19、、信道延迟和信道噪声等，信道的这些参数特性直接决定着信息传输的方式。信道的功能是将载有信息的电磁信号从一端传送到另一端。一个实际的信道除了传输媒质外，还应有相关的诸如编码/译码器、调制/解调器、接收/发送滤波器等电路，这样构成的信道称为广义信道。信道分为广义信道和狭义信道、有线信道、无线信道、恒参信道、随参信道、有记忆信道、无记忆信道、离散信道、连续信道、模拟信道、数字信道、物理信道和逻辑信道。广义信道按照它包含的功能，可以划分为调制信道和编码信道。调制信道是指调制器输出端到解调器入端的部分，编码信道是指编码器的输出端到译码器的输入端部分，这两个广义信道都有一个特点，即仅关心信号的变换或编解码
20、结果，而不关心具体的物理实现过程。由于数据通信一般经过编解码和调制解调环节，因此数据通信的广义信道是包括调制信道在内的编码信道。狭义信道是指传输信号的媒质，导线、光纤、无线电波均是狭义信道。从信息论的观点看，各种信道可以概括为离散信道和连续信道两类。离散信道就是广义信道中的编码信道，信道模型可以用转移概率来表示；而连续信道就是广义信道中的调制信道，其信道模型可以用时变线性系统来表示。信道容量是衡量信道最大传输能力的重要参数，连续信道和离散信道的信道容量意义各有不同。有线信道的传输特性非常良好，传输质量较高，但与无线信道相比，其主要的缺点是灵活、方便性较差。一般，用物理特性、传输特性、传输距离、抗干扰性能和性价比来衡量有线信道的性能。无线信道通常是指以辐射无线电波和光波为传输媒质所构成的信道。辐射的无线电磁波可分为无线电波、微波，光波主要是应用红外和激光。理论上把频率在1012 Hz以下的电磁波称为辐射无线电波，它分为无线电波和微波两个波段。无线通信是通过天线将电磁波信号发送出去的，另一个天线接收电磁波信号后还原出原始信息，这样便完成了无线通信。一般来说，无线信道的传输特性与有线信道相比具有稳定性和可靠性不高、易受干扰、技术复杂等特点，但由于通信时无需有形的传输媒质连接，因此使用方便、灵活，适合于长距离、不易敷设通信线路的场合，它是物联网中非常重要的通信方式之一。
