计算机通信

1. 计算机通信 国林 Guolin@hrbeu.edu.cn 哈尔滨工程大学

2. 2 数据通信基础知识 信息、数据与信号 数据通信系统分析 编码与码型 信道

3. 信息、数据、信号 • 信息是是人们通过施加于数据的一些规定而赋予数据的特定含义（ISO定义）。 • 通信就是在信源和信宿之间传递信息。 • 信息和消息的关系：消息中包含信息，消息不等于信息。 • 消息所包含信息的多少，与在收到消息前对某事件存在的不确定性有关。 • 数据是事实或观测结果，是数字、字母和符号。 • 数据可以在物理介质上记录或传输并通过外围设备被计算机接受，经过处理而得到结果。 • 数据是信息的载体，用来表示信息。 • 信息交换就是访问数据及传输数据。 • 信号是数据的具体表现形式。数据是借助信号来传输的，是通信中传输的主体。

4. 信息及其度量 • 消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。消息出现的概率愈小，则消息中包含的信息量就愈大，且概率为0时（不可能发生事件）信息量为无穷大；概率为1时（必然事件）信息量为0。

5. 信息及其度量 • 消息中所含信息量与消息出现的概率之间的关系反映如下规律。 • I = log 2 1/P(x) =-log 2 P(x) • 信息量的单位 • 如果对数以2为底，单位为比特（B） • 如果对数以e为底，单位为奈特（nat) • 如果对数以10为底，单位为哈特莱（Hartley） • 若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和。 • 平均信息量 • H=-∑Pilog2Pi

6. 【例1-1】 • 一信息源由4个符号a、b、c、d组成，他们出现的概率为3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求信息源输出为cabacabdacbdaabcadcbabaadcbabaacdbacaacabadbcadcbaabcacba的信息量。

7. 【例1-1】解 • 信源输出的信息序列中，a：23次，b：14次，c：13次，d：7次，共有57个。 则 出现a的信息量为 23log257/23=30.11( bit ) 出现b的信息量为 14log257/14=28.35( bit ) 出现c的信息量为 13log257/13=27.72( bit ) 出现d的信息量为 7log257/7 =21.28( bit )

8. 信号分类 • 连续信号、离散信号 • 如果在某一时间间隔内，对一切的时间值，除若干不连续的点外，该函数都给出确定的函数值，这种信号就称为连续信号。 • 离散信号的时间函数只在某些不连续的瞬间给出函数值。

9. 信号分类 • 连续信号、离散信号

10. 信号分类 • 随机信号、确定信号 • 随机信号是指在它出现以前，总有某种程度的不确定性的一种信号。 • 确定信号是一种没有不确定值的信号。

11. 信号分类 • 周期信号、非周期信号 • 如果用时间函数表示的信号s(t)满足s(t+T)=s(t)则该信号为周期信号。T 为信号的周期。 • 如不满足s(t+T)=s(t)则该信号为非周期信号。

12. 信号分类 • 周期信号

13. 信号的特性 • 时间特性与频率特性 • 信号的幅值是信号各个时刻的瞬时值 • 信号的频率是周期的倒数，用赫兹来表示 • 信号的相位是描述周期信号在时间轴上的相对位置，用弧度表示。

14. 信号的分析方法 • 时域分析法 • 时域分析的基本手段是把外加的复杂激励信号，在时域中分解成一系列单元激励信号，然后分别计算各个单元信号通过通信系统的响应，最后在输出端叠加而得到总的响应。 • 频域分析法 • 任何信号都可表示成各种频率成分的正弦波或余弦波之和

15. 信号的相位

16. 信号的频率 • 信号的频率范围概念 • 信号也可以看成是频率的函数。 • 根据傅氏分析，满足一定条件的周期函数g(t),可以用若干正弦和余弦函数的和表示。 • 若函数的周期为T，其倒数称为函数的基波频率，用符号f1表，则f1=1/T。 • 上式中的an和bn分别为第n次谐波的正弦及余弦函数的幅值。1/2C为直流分量。这一分解称为傅氏级数。

17. 信号的频率

18. 信号的频谱和带宽 • 频谱：是一个信号所含有的频率范围。 • 周期信号频谱：其频谱由离散的频率成分，即基波和谐波构成。 • 非周期信号频谱：信号的频率范围为无穷大。根据信号能量衰减的程度来确定其频谱，当频率上升或下降到某一极限频率而使信号能量降低为信号能量最大值一半时，该频率就是频谱的边界。 • 信号的带宽：频谱的宽度（包含信号大部分功率的那部分频谱的宽度）

19. 传输系统的带宽对传输性能的影响 • 带宽是描述信号的一个重要参数，带宽同时也是描述传输系统的一个重要参数，信号的带宽是指信号含有的频带宽度， • 传输系统的带宽是指该系统不失真传输信号的频率范围。如传输系统的带宽超过传输信号的频带宽度，在传输过程中就不会引起信号失真。 • 信号的数据率越高，信号的带宽也就越宽。 • 如果信号的传输率为X比特/秒（即X bps）,传输系统的带宽应大于2XHz。

20. 衰减、增益和失真 • 衰耗：信号电能经过传输系统传输后，系统输出的电功率小于输入端的电功率。 • 增益：信号电能经过传输系统传输后，系统输出的电功率大于输入端的电功率。 • 通常用分贝来表示衰耗和增益。分贝是两个功率电平差别的度量，是无量纲的量。 D=10lg(p出/p入) dB

21. 衰减、增益和失真 • 例:如果10mW功率的信号加到传输线上，而在某距离上测得的功率是5mW则在这段线路上的衰减为 Loss=10lg(5/10)=10(-0.3)=-3 dB • 分贝有时也用来度量电压或电流的差别 因为有 P=V2/R 或P=I2R 则有 D=10lg(P2/P1) = 20lg(V2/V1) = 20lg(I2/I1) • 使用分贝可方便计算整个系统的衰耗或增益整个传输线路上的衰减或增益等于各分段线路上的衰减与增益的代数和。

22. 衰减、增益和失真 • 信号通过传输系统时，其波形可能发生畸变，波形的畸变称为失真。 • 由衰减随频率的变化引起的失真叫衰减失真或振幅失真。 • 由不同频率分量的传播速度不一致所引起的失真，称为相位失真或群时延失真。

23. 编码与码型 • 信源编码 • 用编码的方法提高通信的传输效率称为信源编码 • 信道编码 • 为了解决误码问题而采用了检错和纠错码称为信道编码

24. 曼彻斯特与差分曼彻斯特编码 TTL电路波形 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码

25. 曼彻斯特与差分曼彻斯特编码 • 曼彻斯特编码 • 每个周期有一次电平跳变 • 1：从高跳到低， 0：从低跳到高 • 差分曼彻斯特编码 • 每个周期有一次电平跳变 • 1：周期开始处电平不跳变 • 0：周期开始处电平有跳变 • 应用于IEEE802.3

26. 4B/5B码型 • 这种编码的特点是将欲发送的数据流每４bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应5bit码。 • 5bit码共有32种组合，但只采用其中的24种，16种对应4bit码的16种，8种用作控制码，以表示帧的开始和结束、光纤线路的状态（静止、空闲、暂停）等。 • 标准4B/5B编码用于100MbpsFDD1PMD和快速以太网。

27. 4B/5B码型

28. 4B/5B码型

29. 4B/5B编码方式

30. 通信系统模型 把各种消息转换成原始电信号 将复原的原始电信号转换成相应的消息 对原始信号完成某种变换，使原始电信号适合在信道中传输 信号传输的通道，提供了信源与信宿之间在电气上的联系 把接收到的信号反变换，转换成原始电信号

31. 通信系统实例

32. 通信系统的分类 • 按通信业务 • 电报、电话、传真、数据传输、可视电话、无线寻呼等。 • 按调制方式 • 基带传输和频带传输。 • 按信道中所传信号 • 通常信道中传送的信号可分为数字信号和模拟信号，因此通信可分为数字通信和模拟通信。

33. 通信系统的分类 • 按传输媒质 • 通信可分为有线通信和无线通信。 • 按工作频段 • 根据通信设备的工作频率不同，通信通常可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。

34. 通信系统的分类 • 按信号复用方式 • 频分复用方式（FDM）、时分复用方式（TDM）和码分复用方式（CDM）等； • 按通信网络 • 专线通信和网通信等；

35. 通信系统的分类 • 按收信者是否运动 • 移动通信和固定通信； • 按通信方式 • 单工、单双工、双工通信等。

36. 模拟通信与数字通信系统 • 在信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。它包含两种重要变换，一是把原始消息变为电信号，二是把不适合传输的基带信号通过调制器转换成频带信号；同时两种变换在收端都要经过反变换。 • 在信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。

37. 数字通信系统 • 信源和信宿：信源的作用是把消息转换成原始的电信号，完成非电/电的转换；信宿的作用是把复原的电信号转换成相应的消息，就是完成电/非电的转换。 • 信源编码和信源解码：信源编码有两个作用，其一，进行模/数转换；其二，数据压缩，即设法降低数字信号的数码率。

38. 数字通信系统 • 信道编码与信道解码：数字信号在信道中传输时，由于噪声影响，会引起差错。 • 调制和解调：数字调制的任务是把各种数字基带信号转换成适应于信道传输的数字频带信号。

39. 数字通信系统 • 信道：信道是信号传输的通道（媒质）。信道分为有线信道、无线信道。 • 最佳接收和同步：依据最小差错准则进行接收，可以合理设计接收机达到最佳。

40. 数字通信的特点 • 相对于模拟通信系统而言，数字通信系统有如下优点。 • 抗干扰、抗噪声能力强，无噪声积累。 • 便于加密处理，保密性强。 • 差错可控。 • 利用现代技术，便于对信息进行处理、存储、交换。 • 便于集成化，使通信设备微型化。 • 数字通信相对于模拟通信系统来说，主要有以下两个缺点。 • 数字信号占用的频带宽。 • 对同步要求高，系统设备比较复杂。

41. 数字通信系统主要性能指标 • 有效性：指通信系统传输消息的“速率”问题，即快慢问题 • 可靠性：指通信系统传输消息的“质量”问题，即好坏问题 • 适应性：指通信系统使用时的环境条件。 • 经济性：指系统的成本问题 • 保密性：指系统对所传信号的加密措施，这点对军用系统显得更加重要 • 标准性：指系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准 • 维修性：指系统是否维修方便 • 工艺性：指通信系统各种工艺要求

42. 有效性指标 • 数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量，传输速率越高，则系统的有效性越好。通常可从以下三个不同的角度来定义传输速率。 • 码元传输速率：单位时间（每秒钟）内传输码元的数目，单位为波特（Baud）。 • 信息传输速率：单位时间（每秒钟）内传输的信息量，单位为比特/秒。 • Rb与RB之间的互换：多进制中，RBN与RbN之间数值不同，单位亦不同。它们之间在数值上有如下关系式 RbN=RBN·log2N

43. 有效性指标 • 频带利用率 • 在比较不同通信系统的效率时，只看它们的传输速率是不够的，还应看在这样传输速率下所占的信道的频带宽度。因为传输速率越高，所占用的信道频带越宽。因此，能够真正体现出信息的传输效率的指标应该是频带利用率（η），即单位频带内的传输速率。 η=RB/B（Baud/Hz）

44. 可靠性指标 • 码元差错率Pe 单位时间内错误接受的码元数 单位时间内系统传输的总码元数

45. 可靠性指标 • 信息差错率Pb 单位时间错误接受的比特数 单位时间内系统传输的总比特数

46. 信道 • 传输信道：为信号传输提供了通路，是沟通通信双方的桥梁。 • 从两个角度理解传输信道： • 广义信道：包含传输媒体和完成各种形式的信号变换功能的设备。如：调制信道、编码信道。 • 狭义信道：仅指传输媒体本身，能够传输信号的任何抽象的或具体的通路，如：明线、电缆、光纤、微波、短波等。

47. 信道分类 • 模拟信道和数字信道：按照允许的信号的类型分类 • 模拟信道只允许传输波形连续变化的模拟信号，通信质量可用失真和输出信噪比来衡量 • 数字信道只允许传输离散的数字信号，数字信道的特性可用差错率及差错序列的统计特性来描述 • 单工、半双工、全双工信道：按照信道上的信号的传输方向分类 • 单工信道是只能沿一个方向传送信号的信道 • 半双工信道是可沿两个方向传送信号，但同一时间只能沿一个方向传送信号的信道 • 全双工信道是可同时沿两个方向传送信号的信道

48. 信道分类 • 专用（租用）信道和公共交换信道：按信道的使用方法分类 • 专用信道是指连接两点或多点的固定线路 • 公共交换信道是一种通过交换机转接可为大量用户服务的信道 • 有线信道和无线信道：按照信道采用的传输介质分类

49. 信道的容量 • 定义：在传输差错率任意趋近于零的情况下，单位时间内可以传输的信息量即信道在单位时间里所能传输信息的最大速率。单位：比特/秒

50. 有扰模拟信道的信道容量 • 香农定律：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，信道容量 C=Blog2(1+S/N) b/s 其中：C：信道容量，B：信道带宽，S/N：平均信号噪声功率比。