【计算机网络篇】物理层（4）信道的极限容量，信道复用技术

桃扇骨 2024-04-17 06:45 98阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  ?信道的极限容量
 *   *  ?造成信号失真的主要因素
     *   *  ⭐码元的传输速率
     *  ?奈氏准则
     *  ?香农公式
     *   *  ?练习
     *  ?️小结
 *  ?信道复用技术
 *   *  ⭐常见的信道复用技术
     *   *  ?频分复用FDM
         *  ?时分复用TDM
         *  ?波分复用WDM
         *  ?码分复用CDM

![在这里插入图片描述][92a41fed755a4b6c82d6df90ba3186aa.png_pic_center]

## ?信道的极限容量 ##

信道的极限容量是指在理想情况下，通过一个通信信道传输信息的最高速率。  
下面我们来介绍信道的极限容量的相关问题

### ?造成信号失真的主要因素 ###

我们知道，任何实际的信道都不是理想的，信号在信道上传输时不可避免地会产生失真![在这里插入图片描述][67aacd90c2fa49eca0fc4b2323c1fd4c.png]  
具体因素有  
![在这里插入图片描述][4797b2a2d22b458eaaaaf429ced82f42.png]

#### ⭐码元的传输速率 ####

信道上传输的数字信号，可以看作是多个频率的模拟信号进行多次叠加后形成的方波  
![在这里插入图片描述][8351554d22994e458580752cb77c60ab.png]  
我们将基波与3次谐波进行叠加，形成下图的数字信号  
![在这里插入图片描述][3501219599c74bd58384c5bf9fd983fa.png]  
可见，基波经过更高频率的谐波的叠加，就能形成高度接近数字信号的波形  
![在这里插入图片描述][95c726d631744927b0feb5beb2f3a100.png]  
然而，数字信号在数字信道传输时，信号中的许多高频分量往往不能通过信道  
![在这里插入图片描述][91c6581f1a37427ba92e9350c402a689.png]

### ?奈氏准则 ###

![在这里插入图片描述][249bf48251224f0d9d8a79cc08797067.png]  
![在这里插入图片描述][2cb8640cab9a416fac541a1a3f52580f.png]

> 尽管奈氏准者限制了最高码元的传输速率，但是只要采用技术更为复杂的信号调制方法，让码元可以携带更多的比特，岂不是可以无限制地提高信息的传输速率呢?
> 
> --------------------
> 
> 答案是否定的  
> 因为在实际的信道中会有噪声，噪声是随机产生的，其瞬时值有时很大，这会影响接收端对码元的识别，并且噪声功率相当于信号功率越大，影响就越大

### ?香农公式 ###

带宽受限 且有 高斯白噪声 干扰的信道的 极限信息传输速率  
![在这里插入图片描述][5974960a5a5f42fcbd0ae9dbae87ea9c.png]  
从公式可知  
![在这里插入图片描述][5cdfbbfe2ded40a397ddb4267e7326da.png]

#### ?练习 ####

![在这里插入图片描述][7c5e7a4d13034e8ea6b113baa8cc6f52.png]  
![在这里插入图片描述][30c00cc8aa7d471287cd4c59713fa716.png]  
![在这里插入图片描述][eb4c178fe50e41c9b79b7345c439d068.png]  
![在这里插入图片描述][c7aebf1728bb40669b41540e1af65b47.png]  
![在这里插入图片描述][31cee9d0d3454c9a8da4714be681f7e1.png]

### ?️小结 ###

![在这里插入图片描述][f060193018544f248b2cd472a508b249.jpeg]

## ?信道复用技术 ##

![在这里插入图片描述][fc33f2d270d847eea33fb6a53758fc8a.png]

### ⭐常见的信道复用技术 ###

#### ?频分复用FDM ####

在频分复用中，不同的信号被调制到不同的频率上，然后通过同一个传输介质同时传输这些信号。接收端根据频率将不同信号进行解调，从而还原原始信号。这种技术可以有效地提高信道的利用率，使得多个信号可以共享同一个传输介质，从而节省成本和资源。  
![在这里插入图片描述][7f945e4336b1479a83299bdcfbf96194.png]

#### ?时分复用TDM ####

将时间划分为一段段等长的时隙，每一个时分复用的用户，在其相应时隙内独占传输媒体的资源进行通信  
时分复用的各用户所对应的时隙，就构成了时分复用帧，即TDM帧  
![在这里插入图片描述][87cb85836c8b4b82b33b42b6b7c3de0d.png]

> 注意：TDM帧实际上是一段固定长度的时间，它与数据链路层对等实体间逻辑通信的“帧”，是完全不同的概念

#### ?波分复用WDM ####

波分复用，就是光的频分复用FDM  
根据频分复用的设计思想，可在一根光纤上`同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号`，实现基于光纤的频分复用技术。  
目前可以在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号。因此，这种复用技术也称为`密集波分复用DWDM`。

![在这里插入图片描述][0ecc681db9ab4d799f0877ce49c8e05f.png]  
铺设光缆的工程耗资巨大，应尽量在一根光缆中放入尽可能多的光纤，然后对每一根光纤使用密集波分复用技术。

> 例如，在一根光缆中放入100根速率为2.5Gb/s的光纤，对每根光纤采用40倍的密集波分复用，则这根光缆的总数据速率为（2.5Gb/s × 40）× 100 = 10000Gb/s = 10Tb/s。

#### ?码分复用CDM ####

码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）常称为码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术。  
与FDM和TDM不同，CDMA的每个用户可以`在相同的时间使用相同的频带进行通信。`  
CDMA最初用于军事通信，这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛用于民用的移动通信中。  
![在这里插入图片描述][98e1e2ea17c444a5b8a77a04747b648c.png]

如果有2个或多个站同时发送数据，则信道中的信号就是这些站所发送的一系列码片或码片序列反码的`叠加`。为了从信道中`分离`出每个站的信号，在给每个站`指派码片序列`的时候，必须遵循以下规则：

![在这里插入图片描述][101203d542a64b1aa0a11b15a73aabab.png]  
例如  
![在这里插入图片描述][eedfb263ade2487cb60e492b13815ba7.png]  
公式推广  
![在这里插入图片描述][b8031978134640c1b15116322541a94c.png]  
例题  
![在这里插入图片描述][75df8a7f4c1148b28759380eb4fda022.png]

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