02网络与通信基础

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1、第二章 网络与通信基础2.1 基本概念2.2 通信系统的基本知识z 通信系统性能指标z 信号编码z 信号传输z 数据交换z 差错控制编码（纠错编码）2.1 基本概念 总线： 传输信息（信号）的公共通道，它遵循某种技术规范。通常分为 系统总线和通信总线（串行总线和并行总线）两大类，如ISA，PCI ，IDE ，USB ，VXI。 串行总线： 几个比特（bit）同时传输，传输距离有限，传输效率高，速度快。 并行总线： 一个个比特依次顺序传输，传输距离较远，传输效率低，速度慢。 总线技术： 包括通道控制、仲裁方法和传输方式等内容。 总线技术规范： 包括机械特性、电气特性和通信协议等一系列标准。基本概

2、念 总线段（bus segment）： 总线连接在一起的1组设备，该组设备使用统一的技术规范。 总线协议（bus protocol）： 总线上设备遵从统一的规约（规则）。 总线仲裁： 总线上设备同时有一个以上设备需要占用总线时，需要总线仲裁，以免发生冲突。可以采用优先级等多种方案解决总线冲突问题。 现场/总线设备： 网络节点，现场设备具备测量控制功能和数据通信能力，包括具有总线通信接口的传感器、变送器、执行器、控制单元等。2.2 通信系统的基本知识 通信： 为了克服距离上的障碍，传输与交换信息（消息），即互通信息。通信已进入信息时代，它与传感、计算机、网络技术紧密结合，是整个社会的高级 “神经

3、中枢 ” 。 通信系统主要内容包括 信息的传输、交换及通信网 ，是传输信息所需要的设备和技术的总和。 信息时代：计算机、网络等先进技术的广泛应用，特别是数字通信技术得到了迅速发展。 空间巨大：通信技术和产业向数字化、远程与大容量化、网络与综合化、移动与个人化等方向发展，为社会提供更好地服务。通信系统的组成点对点的通信系统 （ C. Shannon模型）：信源 信宿传输系统噪声与干扰信源：信息源； 信宿：受信者信源和信宿决定通信系统的业务性质（电报、电话、电视、传真，遥测、遥控导航等）。通信系统的一种简化模型：噪声源发送设备接收设备信息源 受信者信道（ 发送端 ）（ 接收端 ）通信报文通信协议温

4、度测控系统： 发送设备：温度传感器（检测温度信息）；温度变送器。 信道：传输电缆。 接收设备：监控层计算机。 通信报文：温度测量数据 通信协议：温度变送器和监控层计算机数据传输规定，如简单的数据格式要求。说明：1 通信系统通常都是双向通信的。2 通信双方都有发送设备和接受设备。3 信道（传输媒介）可以是独立的，但通常共用一个传输媒介，采用复用技术来共享（频分复用，时分复用，码分复用，波分复用等）。4 通信系统 = 传输系统 + 交换系统，是多点通信系统，是网络系统（硬件和软件）。5 通信网除通信系统的所有设备外，还需要转接设备，通信信令和通信协议（规约）、标准等。6 信源可以是语音、图像、数据

5、（多媒体）。说明： 通信系统基本任务：准确、及时地传输信息。 通信系统一般不处理传输信息。 信道：传输介质。是信息传输的物理通道。 信息形式：包括通信报文、通信协议，一般属于软件范畴。数字通信系统：离散消息：电传，计算机数据。消息的状态在时间特性上是可数的，离散的。 在数字通信系统中也可以传输模拟消息 。噪声源编码器 解码器信息源受信者信道数字通信系统的主要特点：1. 抗干扰能力强，无噪声积累。模拟信号与噪声叠加后，难以分解。2. 采用再生器中继实现高质量原距离传输，传输差错可控。模拟信号采用中继放大器，信号和噪声同时放大，往往难以分解信号和噪声。3. 灵活性高，便于多路复用技术运用，传输和交

6、换相结合。B-ISDN， ISDN能够传输各种信息（多媒体）。4. 易于加密，可靠性高，无需复杂设备（如逻辑加密等）。5. 集成化程度高，性价比好，微电子技术发展使DSP广泛应用。6. 占用频带宽，同步要求高，系统设备较复杂。数据通信的发送与接收设备 发送设备（发送器：transmitter）：具有数据信息发送功能的设备。 接收设备（接收器：receiver）：具有数据信息接收功能的设备。 收发设备（收发器：transceiver）：通信设备往往同时具有发送设备和接受设备。通信软件 通信报文、通信协议都属于软件范畴。 通信报文：需要传输的信息（文本、命令、参数、语音、图像等）。 通信协议：通信

7、报文的含义，通信的规则等。保证通信报文正确传输的标准（一系列规定），一般地定义了通信报文格式、如何通信等内容，包括语法（如何讲）、语义（讲什么）、时序（讲的时序）三要素。2.2.1 通信系统的主要性能指标通信的任务是传递（互通）信息。从信息传输的角度来说，最基本也是最主要的性能指标是信息传输的 有效性和可靠性 。通信的有效性是指在给定的信道内传输信息的数量，即信息 传输的速度 问题；而通信的可靠性是指在给定的信道内接收信息的准确程度，即信息 传输的质量 问题。有效性和可靠性往往是相互矛盾的，必须根据实际要求取得相对统一。1. 模拟通信系统的主要性能指标 有效频带：有效性传输给定的信号所需要的有

8、效传输频带越窄，或者说，在给定传输带宽的信道中，能同时传输的信号路数越多，则系统的传输有效性就越高。即信号的复用程度越高，有效性越好。 信噪比：可靠性 （信号平均功率与噪声平均功率之比）信噪比越高，信息传输的准确性就越高，通信质量就越好。2. 数字通信系统的主要性能指标：有效性有效性和传码率、传信率 码元传输速率（简称传码率RB）是指系统每秒传送的码元数目，其单位为波特（Baud,常用B表示），又称为波特率。 信息传输速率（简称传信率Rb）是指系统每秒内传输的平均信息量。单位为比特/秒（bit/s）。 若设码元传输速率为RB，信息传输速率为Rb，则对二进制码元有： Rb=RB对M进制码元有：

9、Rb=RB2M可靠性和差错率（误码率 Pe、误信率 Pb） 误码率：指错误接收的码元数在传送总码元数中所占的比例，或者更确切地说，误码率即是码元在传输系统中被传错的概率。Pe= 错误码元数/传输总码元数 误信率：又称误比特率，是指错误接收的信息量在传送信息总量中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。Pb= 错误比特数/传输总比特数对二进制码元有： Pe= Pb；一般地有 Pe Pb。数字通信系统的主要性能指标：可靠性数字通信系统的主要性能指标通常用传码率RB和误码率Pe表示 ：传码率RB越大，有效性越好，但占用带宽越大，抗噪声性能越差，误码率Pe越大。误码率Pe越小，通

10、信可靠性越高。有效性：信息的传输速率。可靠性：信息的传输质量。适应性：环境使用条件。标准性：标准的互换性。保密性：系统的灵活性，是否便于加密。经济性：系统成本高低。可维护性：使用、维护的方便性。其中有效性和可靠性是通信系统最主要的性能指标。3. 通信系统其它性能指标香农（ Shannon）定理信息传输的有效性和可靠性是相互矛盾的，其极限性能遵从信息论中著名的香农定理，即香农信道容量公式。C= B2(1+S/N)（bit/s）其中N：噪声功率； S：信号功率；C：信道容量； B：信道带宽；S/N：信噪比它从理论上说明了传信率Rb可以达到接近信道容量C的数值，即无误、高速地传输信息。虽然香农信道容

11、量公式并没有给出具体的实现方法，但其贡献仍然是非常巨大的。它为通信系统的发展指明了方向和奋斗目标，具有重要的指导意义。结论与意义： 提高信噪比S/N ，信道容量C增加。在极限情况下，当S/N 时，C。 当噪声功率N0时，信道容量C，即无干扰传输时，信道容量C。 增加信道带宽B，能增加信道容量C，但并不能无限制增大信道容量C，即C是有限的。当噪声为白色高斯噪声时，B增加，N也增大，其极限情况为，当B时，可以证明得到：C = 1.44*S/n0 （其中 n0为噪声的单边功率谱密度） C一定时，B和S/N 可以彼此互换，即B增大，则S/N 下降，反之亦然。它对于通信系统的设计和工程应用具有很大的指导

12、意义，B决定信号传输的有效性，而S/N决定可靠性。 若传信率RbC，则能够找到相应的编码与调制方式，实现无误码传输；若RbC，则不可能实现无误码传输。2.2.2 通信系统分类 按消息的物理特征分类：语音通信系统，图像通信系统，数据通信系统等。 按调制方式分类：基带传输系统，频带（调制）传输系统等。 按信号特征分类：模拟通信系统，数字通信系统。 按传输媒介分类：有线通信系统，无线通信系统。 按信号复用方式分类：频分复用系统，时分复用系统，码分复用系统，波分复用系统等。一、通信系统信号的几种传输方式 基带传输：直接利用基带信号通过传输信道进行传输的方式，主要用于传输数据量不大的应用。 载波（调制）

13、传输：对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，通常选择正弦信号作为载波，可分为数字调制和模拟调制。 宽带网（千兆网）：数据传输量大，传输速率高，能够传输数据、语音、图像等多媒体信息，用于广域网。通信系统的信号编码： 信号编码分为信源编码和信道编码两大类。信源编码是为了提高数字信号的有效性；信道编码是为了提高数字信号的可靠性，也称为抗干扰编码。 传输差错根本原因是信道内存在的噪声和传输特性的不理想造成的码间干扰，故传输到接收端后可能发生错误判决，通常仅把噪声作为传输差错的根本原因。 信道中乘性干扰引起的码间干扰，通常可以采用均衡的方法纠正，而加性干扰的影响则要从其它

14、途径解决。通常首先选择调制、解调方法，加大发送功率，扩展信道带宽等措施。 采用信道编码技术来检测和纠正误码，是减少加性干扰造成错误判决的有效措施。二、最基本的基带信号码波形1. 单极性码波形2. 双极性码波形3. 单极性归零码波形4. 双极性归零码波形5. 差分码波形6. 多元码波形（多电平码波形）三、基带传输的常用码型 基带信号是代码的一种电表示形式。在实际的基带传输系统中，并不是所有的基带电波形都能在信道中传输。 对传输用的基带信号的主要要求有两点：（1）对各种代码的要求：期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型，即传输码型的选择。（2）对所选码型的电波形要求：期望电波形适宜于在信道中传

15、输，即基带脉冲的选择。传输码型的设计原则：传输码（又称线路码）的结构将取决于实际信道特性和系统工作的条件。为匹配基带信道传输媒介的传输特性，并考虑在接收端提取时钟方便，传输码的结构应具有下列主要特性：（1）接收端能从码型对应的基带信号中提取定时信号（时钟分量），这是再生原始信息所必需的；（2）码型所对应的基带信号无直流成分和只有很小的低频成分及高频成分，这样既可以节省传输频带，也可以减少码间干扰；（3）码型能同时适应不同统计特性的信息源；（4）码型的传输效率应尽可能地高；（5）码型结构含有内在的检错能力，便于误码监测；（6）传输码的功率谱密度特性匹配基带信道的频率特性。常见的传输码型：1. AMI码2. HDB3码3. PST码4. 双相码（Manchester Code）5. 密勒码6. 伪双极性码7. nBmB码2.2.3 数字基带传输系统 基带传输是目前广泛应用的数据通信方式，它不使用调制和解调装置，数据传输速率较高，在数字通信系统中得到广泛应用。如A/D转换的测量数据。 不经调制的原始数据信号称为基带信号，直接传送基带信号的系统称为基带传输系统。 信源输入电信号进行有效编码（信源编码），形成信息序列（一般为二进制数字序列）；往往同时产生差错控制编码信号（信道编码），以提高信息传输的可靠性。数字基带传输系统 大部分局域