通信原理教程 第2章 信息与信道

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,2,1,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,2,2,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,2,3,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,R,C,，,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,R,C,，,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，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,log,2,(1+0.0001/0.0000004)24000（b/s）,【,例】,某信道的频率范围处于3,MHz4MHz,之间，信噪比为24,dB，,求该信道的信息传输速率。,解:信道带宽,B=4MHz 3MHz=1MHz,S/N=251,=10,6,log,2,（1251）=10,6,log,2,25210,6,8=8（Mb/s）,第,2,章,信息与信道,2,4,信道传输损耗,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,2,5,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5,km6km,需要一级放大；传输数字信号，每隔2,km3km,要用转发器转发一次。远程中继线，最大传输距离为15,Km。,在局域网中，与集线器间的最大距离为,100,m。,三类通常用于以太网和,4,Mb/s,以下的令牌环局域网。五类支持,100,Mb/s,的,类别,带宽,速率,信号,用途,1,很低,100,kbit,/s,模拟,电话,2,2,MHz,2,Mbit,/s,模拟,/,数字,T-1,线路,3,16,MHz,10,Mbit,/s,数字,LAN,4,20,MHz,20,Mbit,/s,数字,LAN,5,100,MHz,100,Mbit,/s,数字,LAN,6,200,MHz,200,Mbit,/s,数字,LAN,7,600,MHz,6 00,Mbit,/s,数字,LAN,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200,Mb/s,和600,Mb/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,10,Mb/s,以太网和,4,Mb/s,以下的令牌环局域网。,4,类常用于,16,Mb/s,的令牌环局域网，,5,类用于,100,Mb/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,频率,(,MHz),3,类,UTP,5,类,UTP,STP,1,4,16,25,100,300,2.6,5.6,13.1,2.0,4.1,8.2,10.4,22.0,1.1,2.2,4.4,6.2,12.3,21.4,类别,类型,带宽,费用（,5,类为,1,）,3,类,C,级,UTP,16,Mbit,/s,0.7,5,类,D,级,UTP/FTP,100,Mbit,/s,1,5,类,E,级,UTP/FTP,100,Mbit,/s,1.2,6,类,E,级,UTP/FTP,200,Mbit,/s,1.5,7,类,F,级,SSTP,600,Mbit,/s,2.2,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,10,Mb/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。,屏蔽性：,优于双绞线。,第,2,章,信息与信道,3.,光纤,是一种直径为,2,125,m,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。,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，,是目前最有发展前途的有线传输介质。,第,2,章,信息与信道,2,6,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300000,km/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）无线电波的传播类型