第4章信道传输特性

综合布线系统(第2版)第4章信道传输特性2020年4月21日第4章信道传输特性4.1信道传输特性的概念4.2电缆信道性能指标4.3光纤信道性能指标4.4提高信道传输质量的措施综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日4.1信道传输特性的概念数据通信系统由终端设备系统、数据传输系统和数据处理系统三个部分组成。其中，数据传输系统又由传输信道及两端的数据电路终接设备而构成。由于数据通信质量不但与传送的信号、发／收两端设备的特性有关，而且还要受到传输信道质量及噪声干扰的影响，所以传输信道是影响通信质量的重要因素之一。因此，在设计或评价综合布线系统性能时，经常要用到数据通信中的许多基本概念，如信道、带宽、数据传输速率等，要涉及信道的传输特性，否则就无法衡量其性能的优劣。综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日4.1.1信道和链路1．信道和链路的概念信道（Channel）是通信系统中必不可少的组成部分。通俗地说，信道是指以传输介质为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路；抽象地说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。在数据通信系统中，对信道可以从下面两种不同的角度进行理解：一种是将传输介质与完成信号变换功能的设备都包含在内，统称为广义信道。另一种是仅指传输介质(如对绞电缆、同轴电缆、光纤、微波、短波等)本身，这类信道称为狭义信道。对信道分类的方法很多，按照信道所采用传输介质的不同，可将信道分为有线信道和无线信道。从综合布线系统的角度讲，信道是指连接两个应用设备的端到端的传输通道，它包括了设备电缆、设备光缆和工作区电缆、工作区光缆。综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日2．布线系统信道、永久链路、CP链路构成模型如图4.1所示是布线系统信道、永久链路、CP链路构成模型。图4.1布线系统信道、永久链路、CP链路构成模型综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日3．光纤信道构成方式①光纤信道的第一种构成方式是，由水平光缆和主干光缆至楼层电信间的光纤配线设备经光纤跳线连接构成，如图4.2所示。图4.2光缆经电信间经光纤跳线连接综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日②光纤信道的第二种构成方式是，由水平光缆和主干光缆在楼层电信间做端接(熔接或机械连接)构成，FD只设光纤之间的连接点，如图4.3所示。图4.3光缆在电信间做端接综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日③光纤信道的第三种构成方式是，由水平光缆经过电信间直接连接至大楼设备间光配线设备构成，FD安装于电信间，只作为光缆路径的场合，如图4.4所示。图4.4光缆经电信间直接连接至设备间综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日4．信道容量信息论中的香农(C.E.Shannon)定律给出了有扰模拟信道容量的计算公式。设信道(调制信道)的输入端加入单边功率谱密度为n0(W/Hz)的加性高斯白噪声，信道的带宽为B(Hz)，信号功率为S(W)，则通过这种信道无差错传输的最大信息传输速率C为：令N=n0B，；BnSBC021logNSBC1log2其中，将S/N称为信噪比，则C是用bit/s表示的信道容量，称为香农容量。信道容量给出了信道所能传输的最大信息传输速率(即能达到的最大传输能力)与信道带宽B和信噪比S/N之间的关系。综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日由香农公式可得出以下结论：①提高信号和噪声功率之比，能增加信道容量。②当噪声功率N→0时，信道容量C可趋于无穷大。这意味着无干扰信道容量为无穷大。③当信道容量C一定时，可以用不同的带宽和信噪比的组合(或互换)来传输；即信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日例4.1考虑一个极端的噪声信道，其中信噪比近似于零。换言之，噪声很强使得信号很微弱。对于该信道，计算它的信道容量如下：这就是说，该信道容量是零，与带宽无关。换言之，在该信道上不能发送任何数据。例4.2计算常规电话线路理论上的最高比特率。电话线通常的带宽是3000Hz(300～3300Hz)；信噪比通常是3162(35dB)。对于该信道，计算信道容量如下：这就是说，电话线上的最高比特率是34860bit/s。如果要想更快地发送数据，则应该增加线路的带宽或改善信噪比。C=Blog2(1+S/N)=Blog2(1+0)=Blog2(1)=B×O=0C=3000log2(1+S/N)=3000log2(1+3162)=3000log2(3163)=3000×11.62=34860bit/s综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日4.1.2数据传输的主要指标1.带宽或吞吐率带宽（Bandwidth）本来是指某个信号具有的频带宽度。由于一个特定的信号往往是由许多不同的频率成份组成的，因此一个信号的带宽是指该信号的各种不同频率成份所占据的频率范围。目前常用对绞电缆带宽等级如表4.1所示。电缆级别支持带宽范围/MHz5类1～1005e类1～1006类1～2507类1～600表4.1对绞电缆带宽图4.5吞吐率综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日2．传输速率(1)调制速率调制速率表示信号在调制过程中，单位时间内调制信号波形的变换次数，即单位时间内所能调制的次数，简称波特率，其单位是波特(Baud)，它是以电报电码的发明者法国人波特(Baud)的名字来命名的。如果一个单位调制信号波的时间长度为T(s)，那么调制速率RB定义为：RB(Baud)=1/T(s)综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日(2)数据信号速率①数据信号速率。数据信号速率，又称信息速率，通常称之为传输速率。它表示通过信道每秒传输的信息量，单位是比特/秒，用bit/s或bps表示。数据信号速率Rb可定义为：式中，m表示并行传输的通路数；Ti表示第i路一个单位调制信号波的时间长度(用s表示)；Ni表示第i路调制信号波的状态数。②比特和比特/秒。③调制速率与数据信号速率的关系。Rb=RBlog2MimtibNTR12log1综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日（3）数据传输速率数据传输速率又称信道速率，是指信源入/出口处单位时间内传送的二进制脉冲的信息量，单位可以是比特、字符、码组等；时间单位可以是秒、分、小时等；通常用字符/分为单位。数据传输速率和数据信号速率之间的关系需要考虑用多少比特来表示一个字符；另外，如果采用起止同步方式传输，还需要考虑在数据以外附加传输的比特数。例如：在使用数据信号速率为1200bit/s的传输电路时，按起止同步方式来传送ASCII码数据时，数据传输速率Rc为：Rc=1200×60/（8＋2）=7200(字符/分)分母括号中的“2”是在一个字符的前后分别附加的一个起始比特和终止比特。综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日3．频带利用率频带利用率是描述传输速率与带宽之间关系的一个指标，这也是一个与数据传输效率有关的指标。频带利用率定义式如下：式中，R表示系统的传输速率，B表示系统所占的频带宽度。当传输速率采用调制速率RB时，其频带利用率的单位为Baud/Hz；当传输速率采用数据信号速率Rb时，其频带利用率的单位为bps/Hz。BR/综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日4．时延(1)发送时延发送时延=数据块长度/信道带宽(2)传播时延传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率如图4.6所示阐释了传播时延这个概念。图4.6传播时延综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日(3)排队时延排队时延是指数据在交换节点的缓存队列中排队等候发送所经历的时间。这种时延的大小主要取决于网络中当时的数据流量。当网络的数据流量很大时，还会发生队列溢出，使数据丢失，这相当于排队时延为无穷大。显然，数据传输经历的总时延是以上三种时延之和，即：总时延=发送时延＋传播时延＋排队时延综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日5．波长波长可由已知的传播速度与信号周期来计算：波长=传播速度×周期。由于周期与频率彼此互为倒数，因此可写成：波长=传播速度×(1/频率)=传播速度/频率。如果用λ表示波长，传播速度用c表示，频率用f表示，则得到：λ=c/f。通常波长以µm而不是m作为度量单位。例如，空气中红光的波长是：λ=c/f=(3×108)/(4×1014)=0.75×10-6m=0.75µm由于光在缆线中的传播速度比空气中慢，因而在电缆或光缆中，波长低于0.5µm。综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日4.1.3电磁干扰与电磁兼容性1．电磁干扰电磁干扰EMI（ElectroMagneticInterference）也称为噪声，指在铜导线中由电磁场引起的电噪声，是电子系统辐射的寄生电能。2．电磁兼容性电磁兼容性EMC（ElectroMagneticCompatibility）是指系统发出的最小辐射和系统能承受的最大外部噪声，即设备或者系统在正常情况下运行时，不会产生干扰同一空间中其他设备、系统电信号的能力。综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日4.2电缆信道性能指标按照国际布线标准ISO/IEC11801-2002、ANSI/TIA/EIA568及国家标准GB50311-2007、YD/T1092-2001，描述平衡电缆信道（BalancedCablingLinks）性能的电气特性参数有直流环路电阻、特征阻抗、回波损耗、衰减、串扰、时延等，其中与信道长度有关的参数，如衰减、直流环路电阻、时延等；与对绞电缆纽距相关的参数有：特征阻抗、衰减、串扰和回波损耗等。按照GB50311-2007关于综合布线电缆系统A、B、C、D、E和F的分级情况，不同布线系统级别的具体性能指标也不相同。综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日4.2.1直流环路电阻任何导线都存在电阻。直流环路电阻是指一对导线电阻之和，ISO/IEC11801-2002规定不得大于19.2Ω/100m，每对对绞电缆的差异应小于0.1Ω。每对线的直流环路电阻应低于表4.2所列数值。表4.2直流环路电阻限值信道级别ABCDEF最大直流环路电阻/Ω56017040252525综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日4.2.2特征阻抗特征阻抗（CharacteristicImpedance）描述由电缆及相关连接器件组成的传输信道的主要特性。特征阻抗指链路在规定工作频率范围内对通过的信号的阻碍能力，用欧姆（Ω）来度量。综合布线系统要求整条电缆的特征阻抗保持为一个常数（呈电阻状态），如图4.7所示。与电缆的反射系数相似，定义比值r：图4.7特征阻抗计算%202.010015010015000ZRZRrii综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日4.2.3回波损耗和插入损耗1．回波损耗回波损耗(ReturnLoss，RL)又称反射衰减，简称回损。回波损耗是由于链路或信道特性阻抗偏离标准值导致功率反射而引起(布线系统中阻抗不匹配产生的反射能量)的。图4.8回波损耗综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日频率/MHzC级/dBD级/dBE级/dBF级/dB115.017.019.019.01615.017.018.018.0100-10.012.012.0250--8.08.0600---8.0表4.3信道最小回波损耗值综合布线系统(第2版)第2章信道传输特性2020年4月21日2．插入损耗一般说来，插入损耗是指发射机与接收机之间，插入电缆或元件产生的信号损耗，有