通信原理教程 第2章 信息与信道.ppt

1、第2章 信息与信道,通信的根本目的在于传输信息，信息是依附于消息进行传输的。消息是事物的表象，而信息是事物的本质。在一切有意义的通信中，消息包含有对用户有意义的内容。 信道是信号传输的通道，是通信系统中不可缺少的组成部分。信道是通信中一个重要概念，其特性对信号传输有很大影响，其性能好坏直接影响着通信质量。 信息和信道，它们在通信系统中都占有重要的地位。,第2章 信息与信道,21 信息及其度量 1 信息的概念 信息是一切事物运动状态和运动方式的表征，是物质的一种固有属性。 消息:是通信传输的具体对象，例如：电报通信中的电文，电话通信中的话音等。 特性：消息具有随机性。消息在收到之前无法预测，即消

2、息的出现是随机的。通信系统内传输的消息本身无法度量，消息集合具有一定的统计特性。 信息：信息是抽象化的消息。其含义比消息更广泛，而且更抽象。但其不确定性是可以度量的。信息是实际生活中原始的、含糊不清的概念的提炼、概括、抽象和深化。将“信息”定义为对消息统计特性的一种定量描述。人们得到消息之前，对它的内容有一种“不确定性”，信息就是对这种不确定性的定量描述。 信息的量值与消息所代表事件的随机性或发生概率有关。度量信息大小的物理量称为信息量，也称信息。,第2章 信息与信道,2 . 信息度量 消息所描述事件发生的可能性越小，这个消息带来的信息量越大。例如，某人告诉我们一件不太可能发生的消息，比起告诉

3、我们一件非常可能发生的消息来说，它所包含的信息要多。如果消息是确定的，即概率为1，则它包含的信息量为零。如果消息是完全不可能的，即概率为零，则它包含有无限的信息量。这表明，信息量可用消息发生概率的倒数来表示。信息论利用统计的概念对信息提出了一种度量方法，把度量信息大小的物理量称为信息量，简称信息。 设消息所代表的事件出现的概率为P ( x )，该消息所含有的信息量 若a = 2，单位为比特(bit），代表出现概率为1/2的消息所含有的信息量。实际中，一位二进制数称为1比特，而不管这两个符号是否相等概率。,第2章 信息与信道,22 信道 信道是信息传输的通道，是通信系统的重要组成部分，其特性对通

4、信系统的性能有很大影响。按其不同特征有不同的分类方法。 信道分类：按信道的组成划分，可分为广义信道和狭义信道。 狭义信道：发送设备和接收设备之间用以传输信号的媒介或通道。 广义信道：除了传输媒介外，还包括有关的部件和电路，如调制器、解调器、编码器、解码器等。,第2章 信息与信道,信道特性主要由狭义信道决定。 调制信道（广义信道）：从调制器的输出端至解调器的输入端。 编码信道（广义信道）：从编码器输出端至解码器输入端。 按传输介质划分，可分为有线信道和无线信道。 有线信道：由各种传输线路构成的信道。 无线信道：电波传播空间构成的信道。 按传输信号的特征，可分为模拟信道（连续信道）和数字信道。 模

5、拟信道（连续信道）：传输模拟信号的信道。广义信道中的调制信道属于模拟信道。 数字信道：传输数字信号的信道。,第2章 信息与信道,23 信道容量 信道对信息传输速率是有制约的，这种制约是由信道容量来衡量的。 信道容量：单位时间内信道无差错传输的最大信息量，即信道的极限传输能力。用信道的最大信息传输速率来衡量，单位：比特/秒（b/s）。 1.数字信道 对于信道容量，奈奎斯特和香农从不同的角度，在不同的条件下分别进行了研究。奈奎斯特研究了无噪声、无码间干扰的理想数字信道的信道容量，得出了如下结论： C为信道容量，单位是b/s； B为信道带宽，单位是Hz；为传输的数字信号的进制数。 2.模拟信道 香农

6、研究了在模拟信道中传输数字信号的信道容量，并得出了著名的香农公式。该公式描述了在加性高斯白噪声信道中，传输功率受限信号时，信,第2章 信息与信道,道所能达到的最大传输速率，即信道容量： N噪声平均功率，S信号平均功率，S / N信噪比， C信道容量。 结论： 1）任何一个信道，都有信道容量C。如果信息速率RC，理论上存在一种方法，能以任意小的差错概率通过信道传输；如果RC，在理论上无差错传输是不可能的。 2 )对于给定的C，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输信息。 3 ) 信息速率C = I / T，T为传输时间，代入上式 当S / N一定，给定的信息量可以用不同的带宽和时间T的组合来传输，

7、即带宽与时间可以互换。,第2章 信息与信道,【例】用于传输数据的模拟信道一些典型参数为：信道带宽B=3000Hz，信号功率S=0.0001W，信道噪声功率N=0.0000004W，求该信道的信息传输速率C。 解: =3000 log2 (1+0.0001 / 0.0000004) 24000（b/s） 【例】某信道的频率范围处于3MHz4MHz之间，信噪比为24dB，求该信道的信息传输速率。 解:信道带宽B = 4MHz 3MHz = 1MHz S/N = 251 = 106log2（1251） = 106 log2252106 8 = 8（Mb/s）,第2章 信息与信道,24 信道传输损耗

8、信号在信道中传输时会受到削弱，这种影响称为传输损耗。信道特性不同，产生的传输损耗也不同，但共同特点是，传输信号产生衰减。 无线信道：信号能量会随着传输距离的增加而衰减，信号的强度不断变小。衰减就是用来描述描述这种能量损耗的。衰减指的是信号在信道中过程中，随着传输距离的增加，信号衰减的程度。衰减直接导致信噪比S / N 的下降。 有线信道：信号的衰减一般是连续变化的，特性比较稳定。对于模拟信号，通常在信号传输一定距离之后使用放大器来放大信号；对于数字信号，通过中继器来再生信号，以便传输更远的距离。,第2章 信息与信道,25 有线传输介质 传输介质：通信系统中连接收发双方的物理通路，即通信过程中消

9、息传送的载体。 分类：有线传输介质和无线传输介质。 系统的传输性能和质量，不但与信号特性有关，还与传输介质的特性有关。当采用有线传输介质时，传输介质本身的特性对传输极限的影响极为重要。例如，介质本身的带宽就限制了系统的带宽。 常用有线传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤等。 1. 双绞线 类型:屏蔽型（STP）和非屏蔽型(UTP)。 输入阻抗：100和150两种。,第2章 信息与信道,传输模拟信号，每隔5km6km需要一级放大；传输数字信号，每隔2km3km要用转发器转发一次。远程中继线，最大传输距离为15Km。在局域网中，与集线器间的最大距离为100m。 三类通常用于以太网和4Mb/s以下的令牌

10、环局域网 。五类支持100Mb/s的,第2章 信息与信道,以太局域网及155 Mb/s ATM到桌面的连接。六类和七类将分别支持超过200Mb/s和600Mb/s的速率。 计算机网络中最常用三类和五类UTP。二者的不同：五类：每英寸34扭绞；三类：每英尺34扭绞。 目前常用的双绞线有100的3类和5类UTP，150的STP。5类比3类具 有更好的性能，当然价格也贵。目前3类双绞线电缆通常用于10Mb/s以太网和4Mb/s以下的令牌环局域网。4类常用于16Mb/s的令牌环局域网，5类用于100Mb/s的以太局域网及155 Mb/s ATM到桌面的连接。 下表给出了3类和5类UTP以及STP每百米

11、衰减特性的比较，主要涉及100非屏蔽双绞线和150的屏蔽双绞线。 随着吉比特局域网技术的发展，更高性能的双绞线电缆不断推出，下表列出了这些新电缆标准。FTP为金属箔双绞线，SSTP为屏蔽网双绞线。,第2章 信息与信道,第2章 信息与信道,2. 同轴电缆 分类：基带（视频）电缆和宽带（射频）电缆。 基带同轴电缆：用于直接传输数字数据信号。 宽带同轴电缆：用于传输高频信号。 特性阻抗：50和75。50的基带同轴电缆只用于传输数字基带信号，数据速率可达10Mb/s，用于局域网中；75宽带同轴电缆多用于无线电工程，用于传输模拟信号。 基带同轴电缆：传输距离几km。 宽带同轴电缆：传输距离几十km。 屏

12、蔽性：优于双绞线。,第2章 信息与信道,3. 光纤 是一种直径为2125m的、柔软的、能传导光波的介质，可由玻璃或塑料制成，使用超高纯度石英玻璃制作的光纤具有很低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面，再用折射率较低的包层包住，就可以构成一条光通道。外面再加一保护套，即构成一条单芯光导纤维电缆，即单芯光缆。多条光纤放在同一保护套内，就构成多芯光缆。光缆是目前有线传输介质中性能最好、最具发展前途的一种。,第2章 信息与信道,光导纤维通过内部全反射来传输光信号。纤芯的折射系数高于外包层，光波在纤芯与包层界面上产生全反射。以小角度进入光纤的光波沿纤芯以反射方式向前传播。通过内部全反射来传输光信号。

13、分类:多模与单模。 多模光纤：允许一束光沿纤芯反射传播. 单模光纤：仅允许单一波长的光沿纤芯直线传播，在其中不产生反射。 直径：单模小，多模大。 单模光纤频带宽，数据传输速率高，性能优于多模光纤。单模光纤价格贵，多模光纤便宜。,第2章 信息与信道,光纤对数据的传输是利用光脉冲的有无来代表数据的“1”和“0”的。 发送端：可用发光二极管或激光二极管将电流脉冲转换成光脉冲，然后耦合到光纤中进行传输。 接收端：利用光电二极管把光纤中传输来的光脉冲再转换为电脉冲信号，然后，恢复出数据“1”和“0”。 光纤特点：具有尺寸小、重量轻、频带宽，损耗小，数据传输速率高，误码率低，安全保密性好等，是目前最有发展

14、前途的有线传输介质。,第2章 信息与信道,26 无线传输介质 无线传输介质的传输特性不如有线传输介质的传输特性稳定和可靠，易受干扰，通信中使用的技术也较复杂。无线传输介质无需物理连接，通信方便和灵活，应用广泛。发送信号的带宽对传输性能的影响起决定性作用。带宽不同，允许的数据传输速率也不同。带宽越宽，数据传输速率就越高。 常用无线传输介质：无线电波、地面微波、卫星链路、激光、红外线等。 1. 无线电波 即电磁波，每秒振动的次数称为频率，单位为赫兹（Hz）。在真空中的传播速度大约是300000km/s。但在铜导线或者光纤中，传播速度大约降低到光速的2/3。,第2章 信息与信道,（1） 无线电波的传

15、播类型 传播方式：以5种不同的方式进行传播：地表传播、对流层传播、电离层传播、视距传播和空间传播。无线电技术将大气层分为两层：对流层和电离层。对流层是距地面大约50公里的大气层。电离层是在对流层之上而在太空以下的大气层，它高于平常我们所说的大气层，该层充满电离的离子，电离层也是由此而得名。 1)地表传播 通过地表大气层传播，紧靠地面。呈曲线向各个方向传播，传播距离取决于信号的能量，能量越大，传播越远。 2）对流层传播 两种方式：一种直线传播，另一种是对流层反射。第一种方式视线范围，会受到地表曲度和天线高度的限制。第二种方式可以覆盖更远的距离。,第2章 信息与信道,3）电离层传播 电离层是距地面

16、50400km的大气层，在电离层传播中，无线电波由电离层反射回地面，能以较低的能量传播较远的距离。 4）视距传播 电磁波从一个天线传播到另一个天线，天线有方向性，二者相向。 5）空间传播 利用卫星中继来代替空间大气折射。地球站向卫星发射信号，卫星将该信号向地面广播。卫星像一个高度极高的天线，扩大了信号的传播范围。 （2）传播频率 1）甚低频（VLF） 以表面波方式传播，通常通过大气或海水作为介质。传播衰减不大，对大气噪声敏感。用于长距离无线导航和海底通信，频率范围：3kHz 30kHz。,第2章 信息与信道,2）低频（LF） 也以表面波形式传播，用于无线电导航。频率范围：30kHz300kHz

17、。 3）中频（MF） 通过对流层传播，易被电离层吸收，覆盖范围与发射角度有关。用于无线电广播等，频率范围：300kHz3MHz。 4）高频（HF） 通过电离层传播，被电离层反射。用于业余无线电通信、民用无线电、国际广播、军事通信等，频率范围：3MHz30MHz。 5）甚高频（VHF） 视距传播。用于电视广播、调频广播、飞机通信导航等。频率范围：30MHz300MHz 。 6）超高频（UHF） 视距传播，用于电视广播、移动通信、微波通信等。频率范围：300MHz3GHz 。,第2章 信息与信道,7）特高频（SHF） 视距或空间传播。用于地面微波通信、雷达、卫星通信等。频率范围：3GHz30GHz

18、。 8）极高频（EHF） 空间传播。用于雷达、卫星及实验性通信等。频率范围：30GHz300GHz。 2. 地面微波 微波通信：是指用微波频率作载波携带信息，通过空间传播进行通信的方式。 特点：微波频率高，带宽宽，信道容量大，数据传输速率高。 应用：地面微波通信和无线局域网技术中。 频率范围：300MHz300GHz，应用较多的是240GHz。,第2章 信息与信道,典型的数字微波通信系统参数 地面微波直线传播。由于地球表面的曲率和障碍物，在地面上的传播距离受到了限制，为此，微波天线通常位于非常高的地方。传播距离一般不超过50km。在地面上进行远距离传输，必须通过多次中继接力来实现。 双向传输需

19、要两个不同的频率，一个用于正向传输，另一个用于反向传输，同一副天线可以收发公用。,第2章 信息与信道,3. 卫星信道 卫星通信:利用卫星作为中继站，通过微波频带转发无线电信号，实现远距离、大范围内地球站之间的通信。 在地球上设立地球站，包括陆地上、海洋中和大气层内的通信站点。地球站向卫星发送信号或者接收卫星转发来的信号，分为发送地球站和接,第2章 信息与信道,收地球站。卫星信道也是利用微波频带。近年来，卫星通信发展迅速，目前已广泛应用于电视广播、长途电话、数据通信等领域。数据通信中常租用卫星链路实现数据业务的远距离传输。 地球同步卫星:运行于赤道上空，距地球表面约35786Km，与地球表面相对

20、静止。一颗地球同步卫星发射的电磁波大约覆盖地球表面的三分之一，3颗分别相隔120o的地球同步卫星可以覆盖除南北两极地区以外的整个地球的大部分有人居住区，能实现全球通信。地球同步卫星相当于一个中继站，通过卫星转发可以实现地球站之间的通信。卫星在一个频段上接收信号，将信号放大和再生后从另一个频段上转发出去。 上行信道:地球站向卫星发送信号的信道。 下行信道:卫星向地球站转发信号的信道。 卫星通信特点：费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件的限制、通信带宽宽，是国际干线通信的主要手段。,第2章 信息与信道,C频段是目前使用较多的一个频段，位于卫星通信最佳频段（110GHz范围内)。该频段面临饱

21、和，出现了Ku和Ka频段。这两个频段信号衰减严重。,第2章 信息与信道,在C频段，地球站使用5.925GHz6.425GHz频带（上行频率）向卫星发送信号，卫星使用3.7GHz4.2GHz频带（下行频率）向地球站转发信号。将二者统称为4/6GHz频段。上行频率和下行频率不同，是为了使卫星发射和接收不产生干扰。,第2章 信息与信道,卫星距地球较远，信号传输延迟时间长，从地球到卫星或者从卫星到地球信号单程延迟时间大约是270ms。天气对卫星信号传输也有影响。卫星通信覆盖地域广、通信距离远、费用与通信距离无关、通信链路频带宽、通信容量大、可靠性高、不受地理条件限制等优点，目前已成为国际干线通信的主要手段。 20世纪90年代以来，出现了中、低轨道卫星移动通信的新方法，作为陆地移动通信系统的补充和扩展，与地面公用通信网有机结合，可实现全球个人移动通信。中轨道卫星距地球表面为500015000km，低轨道卫星距地球表面为5002000km。中、低轨道卫星高度比较低，每颗卫星覆盖地球表面要比地球同步卫星小得多，可利用多颗卫星实现全球的覆盖。由于卫星数目众多，在地球上任何地点每时每刻都有一颗卫星对其覆盖，