第3章-物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(曾憲武)LXX2014.7

1、第3章數(shù)據(jù)通信中的信道1 1第3章數(shù)據(jù)通信中的信道3.1信道模型及其分類信道模型及其分類3.2信道容量信道容量3.3有線信道有線信道3.4無線信道無線信道本章小結(jié)本章小結(jié)第3章數(shù)據(jù)通信中的信道2 2 3.1 信道模型及其分類信道模型及其分類3.1.1 信道模型信道模型信道的功能是將載有信息的電磁信號從一端傳送到另一端。 一個實際的信道除了傳輸媒質(zhì)外，還應(yīng)有相關(guān)的諸如編碼/譯碼器、 調(diào)制/解調(diào)器、 接收/發(fā)送濾波器等電路， 這樣構(gòu)成的信道稱為廣義信道， 其模型如圖3.1.1所示。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道3 3圖3.1.1 信道模型第3章數(shù)據(jù)通信中的信道4 43.1.2 信道分類信道分類1. 廣義

2、信道和狹義信道廣義信道按照其包含的功能， 可以劃分為調(diào)制信道和編碼信道。 調(diào)制信道是指調(diào)制器輸出端到解調(diào)器入端的部分， 編碼信道是指編碼器的輸出端到譯碼器的輸入端部分， 這兩個廣義信道都有一個特點， 即僅關(guān)心信號的變換或編解碼結(jié)果， 而不關(guān)心具體的物理實現(xiàn)過程。 由于數(shù)據(jù)通信一般經(jīng)過編解碼和調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)， 因此數(shù)據(jù)通信的廣義信道是包括調(diào)制信道在內(nèi)的編碼信道。 狹義信道是指傳輸信號的媒質(zhì)， 導線、 光纖、 無線電波均是狹義信道。第3章數(shù)據(jù)通信中的信道5 52. 有線信道和無線信道按照狹義信道所使用的傳輸媒質(zhì)不同， 可以將狹義信道劃分為有線信道和無線信道兩大類。 有線信道使用的傳輸媒質(zhì)是有形的物理

3、媒質(zhì)， 常用的有雙絞線、 同軸電纜、 光纖等。 無線信道使用的是無形的傳輸媒質(zhì)， 主要是可見及不可見的電磁波， 常見的無線信道有長波、 中波、 短波和微波、 紅外等無線信道。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道6 63. 恒參信道和隨參信道恒參信道是指信道的各項參數(shù)不隨時間變化的信道， 它對信號的影響是確定的， 如各種有線信道及部分無線信道。 隨參信道是指信道的各項參數(shù)隨時間變化的信道， 它對信號的影響一般是不確定的， 如短波信道、 散射信道等。第3章數(shù)據(jù)通信中的信道7 74. 有記憶信道和無記憶信道根據(jù)信道輸出和輸入的關(guān)系， 編碼信道可分為有記憶信道和無記憶信道。 無記憶信道是指信道當前輸出僅與當前輸入

4、有關(guān)。 有記憶信道是指信道的當前輸出不僅與當前輸入有關(guān)， 而且還與以前時刻的輸入有關(guān)。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道8 85. 離散信道和連續(xù)信道根據(jù)信道中傳送信號在時間和幅度上的取值是離散的還是連續(xù)的， 可將信道劃分為離散信道和連續(xù)信道。 如果信道中的信號在時間和幅度上都是連續(xù)的， 則信道是連續(xù)信道； 如果信道中信號在時間和幅度上都是離散的， 則信道是離散信道。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道9 96. 模擬信道和數(shù)字信道根據(jù)所傳輸信號的不同， 把傳輸模擬信號的信道稱為模擬信道， 把傳輸數(shù)字信號的信道稱為數(shù)字信道。 一般來說， 把調(diào)制信道看成是一種模擬信道， 把編碼信道看成是一種數(shù)字信道。一個實際的信道既

5、可有數(shù)字信道， 也可有模擬信道； 同時既可有連續(xù)信道， 也可有離散信道。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道10 107. 物理信道和邏輯信道一個實際存在的物理實體信道稱為物理信道， 如有線信道、 無線信道等， 它包含了實際存在的物理設(shè)備和傳輸物理媒質(zhì)。 采用多路復用技術(shù)在一個物理信道中來傳輸多路信號而劃分的信道稱為邏輯信道。 一個物理信道可以包含多個邏輯信道。鑒于上述分類， 我們可以將信道簡要地劃分為如圖3.1.2所示的類別。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道11 11圖3.1.2 信道分類第3章數(shù)據(jù)通信中的信道12 12 3.2 信信 道道 容容 量量3.2.1 離散信道的信道容量離散信道的信道容量設(shè)離散信道的

6、模型如圖3.2.1所示。 圖3.2.1(a)是無噪聲信道， P(xi)表示發(fā)送符號xi的概率， P(yi)表示接收到符號yi的概率， P(yi/xi)是轉(zhuǎn)移概率， 其中， i=1, 2, , n。 由于信道無噪聲干擾， 所以P（xi）=P（yi）。第3章數(shù)據(jù)通信中的信道13 13圖3.2.1(b)是有噪聲信道， P（xi)為發(fā)送符號xi的概率， i=1, 2, , n， P(yj)是接收到符號yj的概率， j=1, 2, , m， P(yj/xi)或P(xi/yj)是轉(zhuǎn)移概率， 在有噪聲信道中， 輸入和輸出之間不存在一一對應(yīng)的關(guān)系。 當輸入一個x1時， 則輸出可能為y1， 也可能為y2或ym等

7、， 輸出與輸入間的關(guān)系隨機， 但輸入與輸出之間有一定的統(tǒng)計特性， 該特性反映在信道的轉(zhuǎn)移（或條件）概率上。第3章數(shù)據(jù)通信中的信道14 14圖3.2.1 離散信道模型第3章數(shù)據(jù)通信中的信道15 15在有噪聲信道中， 我們可得到發(fā)送xi， 收到y(tǒng)j時所獲得的信息量為發(fā)送xi收到y(tǒng)j時所獲得的信息量=lbP(xi)+lbP(xi/yj) (3.2.1)式中， P(xi)為未發(fā)送xi前出現(xiàn)的概率， P(xi/yj)為收到y(tǒng)j而發(fā)送xi的概率。 對xi和yj取統(tǒng)計平均值， 即對所有發(fā)送xi而收到y(tǒng)j的取平均， 有(3.2.2)第3章數(shù)據(jù)通信中的信道16 16式中， H(x)為發(fā)送的每個符號的平均信息量;

8、 H(x/y)為發(fā)送符號在有噪聲信道中傳輸時平均丟失的信息量， 或當輸出符號已知時在單位輸入符號中的平均信息量。 為了說明信道傳輸信息的能力， 引入信息傳輸速率的概念。 信息傳輸速率是指信道在單位時間內(nèi)所傳輸?shù)钠骄畔⒘浚?用R表示， 即R=Hl（x）Hl（x/y） （3.2.3)式中， Hl(x)為單位時間內(nèi)信源發(fā)送的平均信息量， 或稱為信源的信息速率；Hl(x/y)為單位時間內(nèi)發(fā)送x而收到y(tǒng)的條件平均信息量。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道17 17 設(shè)單位時間傳送的符號數(shù)位r， 于是有 式(3.2.4)表明， 在有噪聲信道中， 信息傳輸速率等于每秒鐘內(nèi)信源發(fā)送的信息量與由于信道不確定性而引起丟失

9、的那部分信息量之差。 在無噪聲信道中， 由于信道不存在不確定性， 即H（x/y）=0， 故信道傳輸?shù)乃俾实扔谛旁吹男畔⑺俾剩?即R=rH(x)。 （3.2.3)第3章數(shù)據(jù)通信中的信道18 18 在無噪聲信道中， 由于信道不存在不確定性， 即H（x/y）=0， 故信道傳輸?shù)乃俾实扔谛旁吹男畔⑺俾剩?即R=rH(x)。 從式(3.2.4)可以看出， 信道傳輸信息的速率R與單位時間內(nèi)傳送符號的數(shù)目r、 信源概率分布以及信道干擾的概率分布有關(guān)。 但是， 對于某個給定的信道， 干擾概率分布應(yīng)是確定的。 如果單位時間內(nèi)傳送符號的數(shù)目r一定， 則信道傳送信息的速率僅與信源的概率分布有關(guān)。第3章數(shù)據(jù)通信中的信

10、道19 19 因此， 信源的概率分布不同， 信道傳輸信息的速率也不同。 所以， 一個信道傳輸能力應(yīng)用該信道最大可能傳輸信息的速率來衡量， 即對于一切可能的信源概率分布， 信道傳輸信息的速率R的最大值稱為信道容量， 記為C， 即(3.2.5)第3章數(shù)據(jù)通信中的信道20203.2.2 連續(xù)信道的信道容量連續(xù)信道的信道容量若信道的帶寬為B(Hz)， 信道輸出的信號功率為S(W)以及輸出的加性帶限高斯白噪聲功率為N(W)， 則該連續(xù)信道的容量為(3.2.6)上式就是信息論中非常著名的香農(nóng)(Shannon)公式。 它表明， 當信號與作用在信道上的起伏噪聲的平均功率給定時， 在具有一定頻帶寬度B的信道上，

11、 理論上單位時間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限值， 該公式也成為了擴頻通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道21 213.3 有有 線線 信信 道道在物聯(lián)網(wǎng)中， 構(gòu)成信息傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)需要用線纜來傳送信息， 這些線纜組成了狹義信道。 常用的有線信道有雙絞線、 同軸電纜、 光纖等。 有線信道的傳輸特性非常良好， 傳輸質(zhì)量較高， 但與無線信道相比， 其主要的缺點是靈活、方便性較差。 一般用如下特性來衡量信道的性能： 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道2222（1） 物理特性： 描述傳輸媒質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)。（2） 傳輸特性： 描述傳輸媒質(zhì)允許傳送信號的形式、 所采用的調(diào)制技術(shù)、 傳輸容量、 傳輸頻率范圍。（3） 傳

12、輸距離： 傳輸媒質(zhì)的最大傳輸范圍。（4） 抗干擾性能： 傳輸媒質(zhì)對抗噪聲與電磁干擾的能力。（5） 性價比： 衡量信道的經(jīng)濟性。第3章數(shù)據(jù)通信中的信道23233.3.1 雙絞線雙絞線雙絞線(Twisted Pair)是較常見的傳輸媒質(zhì)， 廣泛應(yīng)用在計算機局域網(wǎng)中。 雙絞線由兩條相互絕緣的直徑為1 mm左右的銅導線按一定規(guī)格絞合在一起， 通過絞合可減少兩線間的串擾。 在中、 低速傳輸速率下， 能可靠地傳輸信號達幾公里。 如果要進一步提高抗電磁干擾的能力，可在雙絞線束的外圍加一金屬屏蔽層（如銅絲網(wǎng)、 鋁箔等）。 根據(jù)雙絞線是否加裝屏蔽層， 雙絞線可分為屏蔽雙絞線(Shielded Twisted P

13、air， STP)和非屏蔽雙絞線(Unshielded Twisted Pair， UTP)兩類。第3章數(shù)據(jù)通信中的信道24241. 物理特性一般， 雙絞線由規(guī)則的螺旋結(jié)構(gòu)排列而成， 由2根、 或4根、 或8根絕緣導線構(gòu)成， 可一對為一條傳輸信道， 也可多對為一個傳輸信道， 常用RJ45或插頭作為線路的連接頭。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道25252. 傳輸特性在局域網(wǎng)中常用的雙絞線根據(jù)其傳輸特性分為五類； 在典型的以太網(wǎng)中常用三類、 四類、 五類、 超五類、六類、 七類非屏蔽雙絞線。 通常簡稱x類線。 這些類線的傳輸特性如下： 三類線： 帶寬為16 MHz， 適用于語音及10 Mb/s以下的數(shù)據(jù)傳

14、輸。四類線： 主要用于令牌環(huán)網(wǎng)的傳輸， 傳輸速率為10 Mb/s。五類線： 帶寬為100 MHz， 適用于語音及100 Mb/s的高速傳輸， 甚至可以傳輸155 Mb/s 的ATM信號。第3章數(shù)據(jù)通信中的信道2626超五類線： 100M帶寬， 100 Mb/s傳輸速率， 比五類線衰減小， 抗干擾能力強。六類線： 傳輸速率可達1000 Mb/s， 通常用于1000Bas-T局域網(wǎng)或光纖分布的數(shù)據(jù)接口。 七類線： 常用于1000Bas-T、 千兆以太網(wǎng)。 最常用的非屏蔽雙絞線是三類線和五類線， 均用于低速率的局域網(wǎng)， 但五類線的性能較好，適合長距離、 較高速率的網(wǎng)絡(luò)。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道272

15、73. 連通性雙絞線適合于點點或點多點的通信。 4. 傳輸距離雙絞線作為中繼線使用時， 傳輸距離最大可達15 km； 用于10 Mb/s局域網(wǎng)時， 與交換機或集線器的距離最大為100 m。 5. 抗干擾能力及性價比雙絞線的抗干擾能力取決于相鄰線間的絞合長度和適當?shù)钠帘危?其性價比較高， 安裝使用及維護都比較方便。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道28283.3.2 同軸電纜同軸電纜同軸電纜(Coaxial Cable)是一種常見的傳輸媒質(zhì)， 常用于電視信號、 高速率、 寬帶寬的通信信號傳輸。 1. 物理特性由銅質(zhì)纜芯、 絕緣層、 屏蔽層和外圍的保護套構(gòu)成， 其結(jié)構(gòu)如圖3.3.1所示。第3章數(shù)據(jù)通信中的信

16、道2929圖3.3.1 同軸電纜結(jié)構(gòu)第3章數(shù)據(jù)通信中的信道3030銅芯一般是單根實心線或多股絞合線； 絕緣層是由絕緣材料構(gòu)成的包裹層； 屏蔽層是由網(wǎng)狀編制的外導體層或金屬箔包裹而成的； 保護套是由塑料包裹而成的。 實際的同軸電纜可以是單根的， 也可以由多根用塑料包裝構(gòu)成的多股同軸電纜。 同軸電纜中的屏蔽層可以當作導體與銅芯構(gòu)成雙導體， 同時還具有屏蔽作用， 以防止電磁信號外泄和外部電磁干擾。 同軸電纜具有較寬的帶寬和極好的抗干擾與抑制噪聲的特性， 一般用于高速率、 遠距離的通信。 同軸電纜的特性參數(shù)由內(nèi)外導及絕緣層與機械尺寸決定。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道31 312. 傳輸特性同軸電纜根據(jù)其阻

17、抗的不同分為50 和75 兩種， 前者為基帶同軸電纜， 用于數(shù)字信號的傳輸； 后者為寬帶同軸電纜， 用于模擬信號的傳輸。 基帶同軸電纜用來傳輸基帶數(shù)字信號， 一般傳輸距離為1 km， 傳輸速率可達10 Mb/s。 基帶同軸電纜的特點是安裝簡單、 價格便宜。 寬帶同軸電纜的帶寬為300450 MHz， 可以用于寬帶信號的傳輸， 傳輸距離可達100 km。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道32323. 連通性同軸電纜用于點點或點多點的通信傳輸。 基帶同軸電纜可用來連接數(shù)百臺數(shù)據(jù)設(shè)備， 寬帶同軸電纜可連接數(shù)千臺。 4. 抗干擾能力及性價比同軸電纜抗干擾能力較強， 價格處于雙絞線與光纖之間， 使用維護方便。 第

18、3章數(shù)據(jù)通信中的信道33333.3.3 光纖光纖光纖分為單模光纖和多模光纖兩大類。 單模光纖的纖芯較細， 使用激光器作為信號傳輸?shù)墓庠矗?傳輸損耗小， 能用于高速率、 長距離的數(shù)據(jù)傳輸。 多模光纖的纖芯較粗， 使用便宜的發(fā)光二極管作為數(shù)據(jù)信號發(fā)送的光源， 適用于低速率、 短距離的數(shù)據(jù)傳輸。 兩種光纖的性能如表3.3.1所示。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道3434第3章數(shù)據(jù)通信中的信道35353.4 無無 線線 信信 道道1. 無線電波的波段101015 Hz是通信系統(tǒng)所使用的頻率。 國際電信聯(lián)盟(ITU)依據(jù)波長將電磁波劃分為甚低頻(VLF)、 低頻(LF)、 中頻(MF)、 高頻(HF)、 甚高頻

19、(VHF)、 超高頻(UHF)、 特高頻(SHF)、極高頻(EHF)和巨高頻(THF)頻段。第3章數(shù)據(jù)通信中的信道3636它們的頻率范圍分別是3 Hz30 kHz、 30300 kHz、300 kHz3 MHz、 330 MHz、 30300 MHz、 300 MHz3 GHz、 330 GHz、 30300 GHz、300 GHz1014 Hz。 紅外線的頻率范圍為300 GHz1013 Hz、 可見光的頻率范圍為10131014 Hz。 我們可以用c=f計算出各頻段的波長， 其中c為光速， f為頻率， 為波長。第3章數(shù)據(jù)通信中的信道37372. 傳播方式無線電波通過發(fā)射天線后， 以多種傳播

20、方式到達接收天線。 傳播方式主要有地面波傳播、 天波傳播、 地面電離層波導傳播、 視距傳播、 散射傳播、 外大氣層和星際空間傳播方式。 地面波傳播： 無線電波沿地球表面?zhèn)鞑サ竭_接收端的傳播方式。 長波和中波就是利用該方式傳輸信號的。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道3838天波傳播： 經(jīng)電離層發(fā)射到地面的電波叫做天波。 天波傳播就是自發(fā)射天線發(fā)射的電波， 在高空被電離層反射回來到達接收端的傳播方式。 電離層是指地球周圍離地面60 km 以上的區(qū)域， 在這個區(qū)域中存在著大量被電離的粒子， 它們具有對特定波長電磁波的反射性能。 地面電離層波導傳播： 電波在地面電離層波導內(nèi)的傳播。 長波和甚長波在此波導內(nèi)可以

21、以較小的衰減傳輸較長距離， 且傳播特性穩(wěn)定， 常用來進行長距離通信。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道3939視距傳播： 發(fā)射的電磁波像光線一樣直線傳播或經(jīng)過大地反射傳播到接收端的傳播方式。由于受到地球曲率的限制， 收發(fā)之間的距離限制在視距以內(nèi)。 該方式主要用于超短波和微波接力通信， 傳播距離可以達到50 km以上。 散射傳播： 利用對流層或電離層中的不對稱性來散射無線電波， 使無線電波的傳播到達視距以外的地方的傳播方式， 通信距離可達300800 km。 外大氣層及星際空間電波傳播： 以衛(wèi)星等航天器為對象， 電波由地面發(fā)射， 經(jīng)大氣層到達外層空間的傳播方式， 衛(wèi)星通信就是利用了該通信方式。 第3章數(shù)據(jù)

22、通信中的信道4040本本 章章 小小 結(jié)結(jié)信道的特性和信號特性影響著數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量。 描述信道的參數(shù)有信道帶寬、 信道容量、信道衰減、 信道延遲和信道噪聲等， 信道的這些參數(shù)特性直接決定著信息傳輸?shù)姆绞健?信道的功能是將載有信息的電磁信號從一端傳送到另一端。 一個實際的信道除了傳輸媒質(zhì)外， 還應(yīng)有相關(guān)的諸如編碼/譯碼器、 調(diào)制/解調(diào)器、 接收/發(fā)送濾波器等電路， 這樣構(gòu)成的信道稱為廣義信道。 第3章數(shù)據(jù)通信中的信道41 41信道分為廣義信道和狹義信道、 有線信道、 無線信道、 恒參信道、 隨參信道、 有記憶信道、無記憶信道、 離散信道、 連續(xù)信道、 模擬信道、 數(shù)字信道、 物理信道和邏輯信道。 廣義信道按照它包含的功能， 可以劃分為調(diào)制信道和編碼信道。 調(diào)制信道是指調(diào)制器輸出端到解調(diào)