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1、计算机通信国林 G 哈尔滨工程大学2 数据通信基础知识n 信息、数据与信号n 数据通信系统分析n 编码与码型n 信道信息、数据、信号n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。n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。n信号是数据的具体表现形式。数据是借助信 号
2、来传输的，是通信中传输的主体。信息及其度量n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。信息及其度量n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)n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）n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。n平均信息量H=-Pilog2Pi【例1-1】n一信息
3、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 cabacabdacbdaabcadcbabaadcbabaacdb acaacabadbcadcbaabcacba的信息量。【例1-1】解n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 =2
4、1.28( bit )信号分类n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。信号分类n连续信号、离散信号信号分类n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。信号分类n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。信号分类n周期信号信号的特性n时间特性与频率特性信号的
5、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。信号的分析方法n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。 n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 信号的相位信号的频率n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
6、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。信号的频率信号的频谱和带宽n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。n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）传输系统的带宽对传输性能的影响n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，n
7、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。n信号的数据率越高，信号的带宽也就越宽。n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。衰减、增益和失真n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。n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。n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衰减、增益和失真n例:如果10mW功率的信号加到传输线上，而在某距离 上测得的
8、功率是5mW则在这段线路上的衰减为 Loss=10lg(5/10)=10(-0.3)=-3 dBn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) n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。衰减、增益和失真n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。编码与码型n信源编码用编码的方
9、法提高通信的传输效率称为信源编码 n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 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101100曼彻斯特与差分曼彻斯特编码n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n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n应用于IEEE802.34B/5B码型n这种编码的特点是将欲发送的数据流每 bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将 其转换成相应5bit码。 n5bit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
10、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。n标准4B/5B编码用于100MbpsFDD1PMD和快速 以太网。4B/5B码型4B/5B码型4B/5B编码方式通信系统模型 把各种消息 转换成原始 电信号对原始信号完成 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 始电信号将复原的原 始电信号转 换成相应的 消息通信系统实例通信系统的分类n按通信业务电报、电话、传真、数据传输、可视电话、无线寻呼 等。n按调制方式基带传输和频带传输。n按信道中所传信号通常信道中传送的信号可分为数字信
11、号和模拟信号， 因此通信可分为数字通信和模拟通信。通信系统的分类n按传输媒质通信可分为有线通信和无线通信。n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。通信系统的分类n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；n按通信网络专线通信和网通信等；通信系统的分类n按收信者是否运动移动通信和固定通信；n按通信方式单工、单双工、双工通信等。模拟通信与数字通信系统n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
12、；同 时两种变换在收端都要经过反变换。n在信道中传输数字信号的系统称为数字通 信系统。数字通信系统n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。n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。数字通信系统n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。n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。数字通信系统n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。n
13、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。数字通信的特点n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。数字通信系统主要性能指标n有效性：指通信系统传输消息的“速率”问题，即快慢问题n可靠性：指通信系统传输消息的“质量”问题，即好坏问题n适应性：指通信系统使用时的环境条件。n经济性：指系统的成本问题n保密性
14、：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n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n维修性：指系统是否维修方便n工艺性：指通信系统各种工艺要求有效性指标n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=RBNlog2N有效性指标n频带利
15、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（），即单位频带内的传输速率。 =RB/B（Baud/Hz）可靠性指标n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可靠性指标n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信道n传输信道：为信号传输提供了通路，是沟 通通信双方的桥梁。n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
16、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。信道分类n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n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信道分类n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n有线信道和无线信道：按照信道采用的传 输介质分类信道的容量n定义：
