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

第3章數(shù)據(jù)通信中的信道3.1信道模型及其分類3.2信道容量3.3有線信道3.4無線信道本章小結(jié)3.1信道模型及其分類

3.1.1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。圖3.1.1信道模型3.1.2信道分類

1.廣義信道和狹義信道

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(dǎo)線、光纖、無線電波均是狹義信道。2.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。3.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。4.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(dāng)前輸出僅與當(dāng)前輸入有關(guān)。有記憶信道是指信道的當(dāng)前輸出不僅與當(dāng)前輸入有關(guān)，而且還與以前時刻的輸入有關(guān)。5.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。6.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。7.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(fù)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。圖3.1.2信道分類3.2信道容量

3.2.1離散信道的信道容量

設(shè)離散信道的模型如圖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）。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(dāng)輸入一個x1時，則輸出可能為y1，也可能為y2或ym等，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。圖3.2.1離散信道模型在有噪聲信道中，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)式中，H(x)為發(fā)送的每個符號的平均信息量;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(dāng)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?，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。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碦=rH(x)。（3.2.3)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?，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)。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)3.2.2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(dāng)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，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)。3.3有線信道

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：（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。3.3.1雙絞線

雙絞線(TwistedPair)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1mm左右的銅導(dǎo)線按一定規(guī)格絞合在一起，通過絞合可減少兩線間的串?dāng)_。在中、低速傳輸速率下，能可靠地傳輸信號達(dá)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(ShieldedTwistedPair，STP)和非屏蔽雙絞線(UnshieldedTwistedPair，UTP)兩類。1.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(dǎo)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。2.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16MHz，適用于語音及10Mb/s以下的數(shù)據(jù)傳輸。

四類線：主要用于令牌環(huán)網(wǎng)的傳輸，傳輸速率為10Mb/s。

五類線：帶寬為100MHz，適用于語音及100Mb/s的高速傳輸，甚至可以傳輸155Mb/s的ATM信號。超五類線：100M帶寬，100Mb/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(dá)1000Mb/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)。3.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(dá)15km；用于10Mb/s局域網(wǎng)時，與交換機或集線器的距離最大為100m。

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(dāng)?shù)钠帘危湫詢r比較高，安裝使用及維護都比較方便。3.3.2同軸電纜

同軸電纜(CoaxialCable)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。圖3.3.1同軸電纜結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dāng)作導(dǎo)體與銅芯構(gòu)成雙導(dǎo)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(yuǎn)距離的通信。同軸電纜的特性參數(shù)由內(nèi)外導(dǎo)及絕緣層與機械尺寸決定。2.傳輸特性

同軸電纜根據(jù)其阻抗的不同分為50Ω和75Ω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1km，傳輸速率可達(dá)10Mb/s?；鶐S電纜的特點是安裝簡單、價格便宜。寬帶同軸電纜的帶寬為300~450MHz，可以用于寬帶信號的傳輸，傳輸距離可達(dá)100km。3.連通性

同軸電纜用于點—點或點—多點的通信傳輸?；鶐S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。3.3.3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(xì)，使用激光器作為信號傳輸?shù)墓庠?，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。3.4無線信道

1.無線電波的波段

10~1015Hz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(VHF)、超高頻(UHF)、特高頻(SHF)、極高頻(EHF)和巨高頻(THF)頻段。它們的頻率范圍分別是3Hz~30kHz、30~300kHz、300kHz~3MHz、3~30MHz、30~300MHz、300MHz~3GHz、3~30GHz、30~300GHz、300GHz~1014Hz。紅外線的頻率范圍為300GHz~1013Hz、可見光的頻率范圍為1013~1014Hz。我們可以用c=fλ計算出各頻段的波長，其中c為光速，f為頻率，λ為波長。2.傳播方式

無線電波通過發(fā)射天線后，以多種傳播方式到達(dá)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(dǎo)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_(dá)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。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(dá)接收端的傳播方式。電離層是指地球周圍離地面60km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(dǎo)傳播：電波在地面—電離層波導(dǎo)內(nèi)的傳播。長波和甚長波在此波導(dǎo)內(nèi)可以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。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(dá)到50km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(dá)視距以外的地方的傳播方式，通信距離可達(dá)300~800km。

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(dá)外層空間的傳播方式，衛(wèi)星通信就是利用了該通信方式。本章小結(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?。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。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，