第5章 通信和数字通信,第一节 基本通信模型 第二节 数字基带信号 第三节 数字通信系统的主要性能指标 第四节 香农定理 第五节 数据通信系统的分类 第六节 数字通信同步 第七节 数字通信系统的调制与解调 第八节 差错控制措施 第九节 循环码 第十节 通信多路复用技术,5.1 基本通信模型,5.1.1 信息、消息、电信号 (1) 信息 在计算机通信领域，科学的信息概念可以概括如下：信息是对客观世界中各种事物的运动状态和变化的反映，是客观事物之间相互联系和相互作用的表征，表现的是客观事物运动状态和变化的实质内容。简单理解就是事物的状态和状态改变的程度，把这种事物的状态和改变的程度称为信息。 反映事物的运动状态的信息，可以表示为各种形式。,5.1 基本通信模型,信息是抽象的。必须借助于载体进行信息的交换、传递和存储。 (2) 消息 携带信息的载体，称为消息，用消息有效的表达信息。 消息的传递或交换方式有书信、电话、电视、广播，传递或交换消息也就传递或交换了信息。 (2) 信号 信号(也称为讯号)是运载消息的工具，是消息的载体。从广义上讲，它包含光信号、声信号和电信号等。,(3) 电信号 指随着时间而变化的电压或电流，因此，可将它表示为时间的函数，并可画出其波形。信息通过电信号进行传送、交换、存储、提取等。,(4) 电信号的分类 随机性：确定信号 随机信号； 周期性：周期信号 非周期信号； 连续性：连续时间信号 离散信号； 电子线路中：模拟信号 数字信号。,1) 模拟信号 模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，即参数取值为无穷多值,或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号，其信号的幅度、频率或相位随时间作连续变化。 2) 数字信号（数字信号又称为离散信号） 凡信号参量只能取有限的值，并且常常不直接与信息对应的信号，称为数字信号，如电报码、计算机输入/输出。 离散信号的某一参量是离散化的，而不一定在时间上也离散。,5.1.2 通信系统一般模型,通信系统一般模型中，由六部分组成： (1) 信息源 各种信息转换为原始的电信号，称之为基带信号。 (2) 发送设备 基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生 的信号变换成适合在信道中传输的信号，即使发送信号的特性 和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力，并且具有足够的 功率以满足远距离传输的需要。 (3) 信道 是指传输信号的物理媒质，如无线、有线，用来将来自 发送设备的信号传送到接收端。,(4) 噪声源 不是人为加入的设备，而是通信系统及信道所固有 的噪声。 (5) 接收设备 完成发送设备所发送的信号的反变换，如解调、 译码，任务是从带有干扰的接收到的信号中正确恢复出相 应的原始基带信号。 (6) 受信者(简称信宿) 是传送消息的目的地，其功能与信源相 反，即把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。,5.1.3 模拟通信系统模型 通信系统一般模型,其中包含两种重要变换，第一种变换是，在发送端把连续消息变换成原始电信号，在接收端进行相反的变换这种变换由信息源和信宿即接收完成，原始电信号通常称为基带信号。 有些基带信号可以直接传输，大部分原始基带信号频率较低，一般不宜直接传输，因此，模拟通信系统中常常需要进行第二种变换：需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，把基带信号变换成适合在信道传输的信号，并在接收端进行反变换，完成这种变换和反变换的过程称为调制和解调,5.1.4 数字通信系统模型,(1) 信源编码(解码) 信源编码的任务是，将模拟量进行模数转换，使信息转化成数字信息，再进行优化和信息压缩编码，按需要进行加密，打成符合标准的数据包。信源译码是信源编码的逆过程。 (2) 信道编码(解码) 为了与信道的统计特性相匹配，对传输的信号按一定的规则加入保护成分，组成抗干扰编码。信道解码是将收到抗干扰编码，进行解码，恢复出原信号编码。 (3) 数字调制与解调 数字调制是将数字基带信号按照一定的方式调制成适合信道传输的频带信号，形成适合在信道中传输的带通信号。在接收端可以用解调还原出数字基带信号。 (4) 信道 信道是通信传输信号的通道，基本特点是信号随机地受到各种噪声源的干扰。,5.1.5 数字通信系统和模拟通信系统比较 数字通信系统和模拟通信系统相比较，具有以下优点： (1) 抗干扰能力强 (2) 差错可控 (3) 传送的信号容易加密 (4) 可以综合传递各类信息 (5) 便于用现代数字信号处理技术对数字信号进行处理,5.2.1 码元和码元,5.2.1 码元和码元序列 数字基带信号是由数字终端设备或数字编码设备产生的数字代码的原始脉冲电波形序列。基带信号的基本信息单元称为码元，是承载信息的基本单元，一个码元是一个电脉冲。,二进制码元波形和序列 (a) 二进制码元 (b)二进制数字信号波形序列,四进制数字信号波形序列,5.2.2 数字基带信号和编码波形 基带信号的评价，应按照以下基本原则： (1) 数字基带信号应不含有直流分量，且低频及高频分量也应尽可能少 (2) 数字基带信号中含有足够大的定时信息分量 (3) 基带传输的信号码型应对任何信源都具有透明性，即与信源的统计特性无关,根据以上对基带信号评价的原则，对不同的数字基带传输系统，应根据不同信道特性及系统指标的要求，选择适当的波形。下面给出常见的矩形基带信号波形： (1) 单极性不归零码 (2) 双极性不归零码 (3) 单极性归零码 (4) 双极性归零码 (5) 差分波形码 (6) 多电平波形码,常见数字基带信号波形：,5.3 数字通信系统的主要性能指标,通信的任务是快速准确的传递信息，因此评价一个通信系统的优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。数字通信系统的有效性是指信息传输速度，可靠性是指传输质量，即传输的差错概率。,1.信息传输速率 信息传输速率是指给定的信道内，单位时间内传输的比特数目或码元的数目，分别称为信息速率和码元速率，单位分别为比特(bit/s)、波特(Baud)。信息速度简称比特率。 信息传输速率和码元速率关系：,2. 误码率和误信率 衡量数字通信系统可靠性指标是差错率，用误码率和误信率表示。 误码率是指给定的信道，发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，它是一个概率指标，计算信道的误码率和误信率时，统计时间需要足够长的时间，指标才趋于合理。 误信率： 误码率：,ne ,nt ,时间t内出 错信息位和总信息位。 me,mt时间t内传送的总码元，和出错的码元,在信道传送二进制信号时，误码率和误信率值是相同的。在传送其它进制的信息时，误码率和误信率不相等。 一个码元出错并不代表码元所表示的所有的信息位均出错。,3. 频带利用率 信道带宽 定义为信道允许通过的信号下限频率和上限频率之差，称为信道带宽。 比较不同的通信系统的有效性时，单看信息传递效率是不够的，还应当看在这样的传输速度下所占信道的频带带宽，即恒量数字通信系统传输速率应当是单位频带内码元的传输速率。 频带利用率： ( Band/Hz) 频带利用率，也可以用信息速率表示： (bps/Hz),5.4 香农定理,5.4.1 信道带宽与香农定理 数字通信系统中“带宽”的含义不同于模拟系统，理论上是指传输信道的信道容量，它通常是指数字系统中数据的传输速率，也即信道中传递信息的最大值，其表示单位为比特/秒(bit/S)或波特/秒(Baud/S)。带宽越大，表示单位时间内的数字信息流量也越大；反之，则越小。,5.4.2 信道容量与香农定理 物理信道：传输设备与通信介质组成。 逻辑信道：路基信道是在物理信道基础上建立的两个节点之间的通信链路。 信道容量(Channel Capacity)指信道传输信息的最大能力：对于数字信道一般用单位时间可以传输的最大二进制位(比特bit)数来表示， 对于模拟信道则由信道的带宽表示。信道容量的大小还受信道质量和可使用时间的影响，当信道质量较差时，实际传输速率将降低。,已知信道的带宽，信道的容量和信道的带宽之间有什么关系，香农定理给出了结论： 香农定理指出，在噪声与信号独立的高斯白噪信道中，假设信号的功率为S，噪声功率为N，信道通频带宽为W(Hz)，则该信道的容量C为 即：香农信道容量公式。在特定带宽(W)和特定信噪比(S/N)的信道中传送信息的速率是一定的。,由信道容量公式还可得出以下结论： (1) 提高信号S与噪声N功率之比，可以增加信道容量。 (2) 当信道中噪声功率N 0时，信道容量C 无穷大，这就是说无干扰信道的信道容量可以为无穷大。 (3) 信道容量C一定时，带宽W与信噪比S/N之间可以互换，即减小带宽，同时提高信噪比，可以维持原来信道容量。 (4) 信噪比一定时，增加带宽W可以增大信道容量。但噪声为高斯白噪声时，增加带宽同时会造成信噪比下降，因此无限增大带宽也只能对应有限信道容量，该极限容量为： 其中，n0为噪声功率谱密度, n0=N/W。,香农公式可以画成下图曲线：,5.5 数据通信系统的分类,(1) 按信号类别 按照传输信号是模拟信号还是数字信号，即传送信号的种类，通信系统分为数字通信和模拟通信系统。 (2) 按通信业务(用途)分类 通信系统有话务通信和非话务通信。随着技术的发展，目前在各种应用场合，各类数据终端传输各类数据，办公需要传输可视图文及会议电视、图像等，电信将这种业务统称为综合业务。,(3) 按通信介质划分 通信介质一般可以分为三大类：一类是信号沿导线传输的系统，称为有线通信系统；第二类是信号通过空间传输的系统，称为无线通信系统，无线通信系统又按照波段的不同分为长波、中波、短波和微波通信系统。通信系统按通信介质进行分类下图所示。,(4) 按消息传递的方向与时间关系 对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。 (a)单工 (b)半双工 (c)全双工,(5) 按数字信号排列 在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输和串行传输。 (a) 并行传输；(b) 串行传输,(6) 按信号复用方式 传输多路信号有四种复用方式，即频分复用、时分复用、码分复用、波分复用通信系统。,5.6 数字通信同步,1. 同步概念 根据同步信息的产生的方法，将同步方法分为外同步法和自同步法。 (1) 外同步法 是由发送端发送专门的同步信息(常被称为导频)接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法，称为外同步法。 (2) 自同步法 发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。,2. 异步通信和同步通信 按照通信过程同步方法的不同通信模式分为同步通信模式和异步通信模式。 所谓同步通信是指在约定的通信速率下，发送端和接收端的时钟信号频率和相位始终保持一致(同步)，这就保证了通信双方在发送和接收数据时具有完全一致的定时关系。,3. 起止式同步法(异步通信) 串行异步通信，又称为起止式同步法，是在通信的过程中，其按照通信的帧(字)来进行同步的。在异步通信方式中，两个帧(字)之间的传输间隔是任意的，所以，每个数据帧(字)的前后都要用一些间隔作为分隔。 下图是异步通信帧格式：,Bs为通信速率，每位码元传送周期： 异步串行通信对收发端时钟精度和稳定度要求低。 一般通信速率可设置为300、600、1200、2400、3600、4800、6300、7200、9600、11200、19200、38400、57600。数据位可以取58位。校验位可以设置为奇校验、偶校验、无校验，停止位设置为，1位、1.5位、2位。,4. SDH同步传输和ATM异步传输 通信网上的消息传递方式有同步传输(STM)和异步传输方式(ATM)两种。 (1) STM同步传输的过程 同步传输是在由N路原始信号复用的时分信号中，各路原始信号都是按照一定的时间间隔周期性的出现。STM信号传输过程如下图所示：,(2) ATM异步传输过程