通信原理02-數(shù)據(jù)通信的基礎知識)

1、計算機通信崔建明cuijm399163.co山東科技大學2 數(shù)據(jù)通信基礎知識n 信息、數(shù)據(jù)與信號n 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)分析n 編碼與碼型n 信道復習1n通信系統(tǒng)基本模型信息源發(fā)送設備信息接收設備受信者噪聲源發(fā)送端接收端信道復習2信息源信源編碼器信道編碼器數(shù)字調(diào)制器信道數(shù)字解調(diào)器信道譯碼器信源譯碼器受信者噪聲源數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型信息、數(shù)據(jù)、信號n信息是是人們通過施加于數(shù)據(jù)的一些規(guī)定而賦予數(shù)據(jù)的特定含義（ISO定義）。通信就是在信源和信宿之間傳遞信息。信息和消息的關(guān)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，與在收到消息前對某事件存在的不確定性有關(guān)。n數(shù)據(jù)是事實或觀測結(jié)果，是

2、數(shù)字、字母和符號。數(shù)據(jù)可以在物理介質(zhì)上記錄或傳輸并通過外圍設備被計算機接受，經(jīng)過處理而得到結(jié)果。數(shù)據(jù)是信息的載體，用來表示信息。信息交換就是訪問數(shù)據(jù)及傳輸數(shù)據(jù)。n信號是數(shù)據(jù)的具體表現(xiàn)形式。數(shù)據(jù)是借助信號來傳輸?shù)?，是通信中傳輸?shù)闹黧w。信息及其度量n消息中的信息量與消息發(fā)生的概率緊密相關(guān)。消息出現(xiàn)的概率愈小，則消息中包含的信息量就愈大，且概率為0時（不可能發(fā)生事件）信息量為無窮大；概率為1時（必然事件）信息量為0。信息及其度量n消息中所含信息量與消息出現(xiàn)的概率之間的關(guān)系反映如下規(guī)律。I = log 2 1/P(x) =-log 2 P(x) (香農(nóng)信息公式香農(nóng)信息公式)n信息量的單位如果對數(shù)以2為

3、底，單位為比特（B）如果對數(shù)以e為底，單位為奈特（nat)如果對數(shù)以10為底，單位為哈特萊（Hartley）n若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨立事件信息量的和。n平均信息量H=-Pilog2Pi1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 信號是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機的，信息含量就是對消息中這種不確定性的度量，是用統(tǒng)計方法來定性的。 消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。 （1） 信息量是概率的函數(shù)， 即 I=fP(x)（2） P(x)越小， I越大； 反之， I越小， 且 P(x)1時， I0 P(x)0時， I假設P(x)是一個消息發(fā)生的

4、概率（3）若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息，所含信息具有相加性: IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量信息量I與消息出現(xiàn)的概率P(x)之間的關(guān)系應為： 1、信息量的計算、信息量的計算信息量的單位與對數(shù)底數(shù)a有關(guān)。 a=2時， 信息量的單位為比特(bit)；a=e時， 信息量的單位為奈特(nit)； a=10時， 信息量的單位為哈特萊（Hartly）。目前廣泛使用的單位為比特。1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量可見，傳送等概率的二進制波形之一（P=1/2）的信息量為1比特。2211I(0)I(1)loglog1(bit)p1/2 例 1

5、1 設二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個輸出的信息含量為多少？1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量P：每一個波形出現(xiàn)的概率M：傳送的波形數(shù)。對于離散信源，M個波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，即信源是無記憶的，則傳送M進制波形之一的信息量為：22211Ilogloglog M(bit)(1.42)p1/M 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量例1-1中，如果傳送等概率的四進制波形之一（P=1/4）的信息量為2比特，這時每一個四進制波形需要用2個二進制脈沖表示；傳送等概率的八進制波形之一（P=1/8）的信息量為3比特，這時至少需要3個二進制脈沖

6、。1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量設離散信源是一個由n個符號組成的符號集，其中每個符號xi(i=1， 2， 3， ， n)出現(xiàn)的概率為P(xi)， 且有nii 1P()1x 2、非等概情況的信息量的計算、非等概情況的信息量的計算則x1, x2, ， xn 所包含的信息量分別為-log2 P(x1)， -log2 P(x2)， ，-log2 P(xn)。1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量該消息的信息量為：該消息的信息量為：nnIn In logP(x )(1.44)i ii2ii1i1ni 其其中中為為事事件件發(fā)發(fā)生生次次數(shù)數(shù)1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量例 1 2 一離

7、散信源由0， 1， 2， 3四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8， 1/4， 1/4， 1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。 解：此消息中，0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次，共有57個符號，故該消息的信息量為：)(1088log74log134log1438log232222bitInnIn In logP(x )i ii2ii1i1 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量3、平均信息量、平均信息量(信息源的熵信息源的熵)每個符號所含信

8、息量的統(tǒng)計平均值，即平均信息量H為：12n12n12n1222n2ni2ii 1H(x)P(x ) (x )P(x ) (x ).P(x ) (x )P(x ) log P(x )P(x ) log P(x ).P(x ) log P(x )P(x )log P(x )(bit/(1.4 - 5) 符符號號）1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量由于由于H同熱力學中的熵形式一樣，同熱力學中的熵形式一樣， 故通常又稱它為信息源的熵。故通常又稱它為信息源的熵。 當信源中每個符號等概獨立出現(xiàn)時，式1.4-5即成為式(1.4 - 3)， 此時信源的熵有最大值。 n2iii 12i2H(x)log P

9、(x )P(x )log P(x )log M(bit/ 符符號號）1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 每個符號的算術(shù)平均信息量為：符號位）符號位/(89. 157108bitII若用熵的概念來計算， 由式（1.4 - 5）得： 81log8141log4141log4183log832222H符號位）/(906.1bit4、算術(shù)平均信息量、算術(shù)平均信息量1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量可見，兩種算法的結(jié)果有一定誤差，但當消息很長時， 用熵的概念來計算比較方便。 而且隨著消息序列長度的增加， 兩種計算誤差將趨于零。 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量一離散信源由一離散信源由

10、A A，B B，C C，D D四個符號組四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為成，它們出現(xiàn)的概率分別為1/21/2， 1/41/4， 1/81/8， 1/81/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息立的。試求某消息AAAAABBACCDDBAAAAABBACCDDB的的信息量及熵信息量及熵。 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量解：此消息中，A出現(xiàn)6次，B出現(xiàn)3次，C出現(xiàn)2次，D出現(xiàn)2次，共有13個符號，故該消息的信息量及熵分別為：ni2i2222i 11111In log p6log3log2log2log24(bit)2488 222211111111H ( x

11、lo glo glo glo g2244888812331 .7 5 ( b it /2488 ）符 號 位 ）1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量1、設有四個消息、設有四個消息A、B、C、D分別以概率為分別以概率為1/4，1/8，1/8，和，和1/2傳送，每一消息的出現(xiàn)傳送，每一消息的出現(xiàn)是相互獨立的，試計算其平均信息量。是相互獨立的，試計算其平均信息量。2、某信息源的符號集由息、某信息源的符號集由息A、B、C、D和和E組組成，每一符號獨立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別為成，每一符號獨立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別為1/4，1/8，1/8，3/16和和5/16。，試計算其平均。，試計算其平均信息量。信息量

12、。1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量作作 業(yè)業(yè)1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標通信的任務是快速、準確地傳遞信息。評價一個通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標是系統(tǒng)的有效性和可靠性。有效性是指在給定時間內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}；可靠性是指接收信息的準確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。1、模擬通信系統(tǒng)、模擬通信系統(tǒng)有效性指標：用單位時間傳送的信息量來衡量，傳送信息量越大，有效性越好；可靠性指標：用接收端最終輸出信噪比來度量，信噪比越大，可靠性越好。1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標（1）信道容量信道容量2log (1)S

13、CBNB:帶寬S/N:信噪比增加信噪比增加B)2()1 (log0) 1 (2CNSBCN1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標00022B0B nS2B002003NB nn:BSCB lo g(1)NSB lo g(1)B nSSlo g(1)nB nSSlo ge1 .4 4nnlimlim （）噪 聲 單 邊 功 率 譜 密 度1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標 接接收收端端輸輸出出的的信信號號功功率率信信噪噪比比噪噪聲聲平平均均功功率率（2）信噪比信噪比1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性用傳

14、輸速率來衡量；可靠性用差錯率來衡量。 2、 數(shù)字通信系統(tǒng)指標數(shù)字通信系統(tǒng)指標1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標（1）傳碼率）傳碼率RB1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率。它表示單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。 例如，若1秒內(nèi)傳2400個碼元，則傳碼率為2400B。在數(shù)字通信中常用時間間隔相同的符號來表示一位二進制數(shù)字，這個間隔被稱為碼元長度BBBB11TR1.51RT 或或（）數(shù)字信號有多進制和二進制之分，但碼元速率與進制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度TB有關(guān)(2) 碼元長度碼元長

15、度TB1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它表示單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s ，或 b/s ，或bps。（3）傳信率）傳信率Rb1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標Rb=RBH(b/s) (1.5 - 3)H：信源中每個符號所含的平均信息量（熵）例如：碼元速率為1200B，采用八進制（N=8）時，信息速率為3600b/s；采用二進制（N=2）時，信息速率為1200b/s。或或 Rb=RB log2 N (b/s) （等概率情況下）等概率情況下） (1.5 -4)N：

16、每個碼元可能采用的符號數(shù)每個碼元可能采用的符號數(shù)二進制的碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等，有時簡稱它們?yōu)閿?shù)碼率。1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標在保證信息速率不變的情況下，M進制的碼元速率RBM與二進制的碼元速率RB2之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系：若有信號x1x2.x256（共N種信號）用2進制描述需8位用4進制描述需4位用8進制描述需3位用M進制描述，需logMN位RB2=RBMlog2 M (B)(1.5-2)1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標例題例題 某信息源的符號集由某信息源的符號集由A，B，C，D和和E組組成，設每一個符號獨立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率

17、分別為成，設每一個符號獨立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別為1/4，1/8，1/8，3/16和和5/16。如果信息源以。如果信息源以1000B速率傳送信息，則傳送速率傳送信息，則傳送1小時的信息量為多少？小時的信息量為多少？傳送傳送1小時可能達到的最大信息量為多少？小時可能達到的最大信息量為多少？ni2ii 1H(x)P(x )log P(x )(bit/ 平平均均信信息息量量：符符號號）信息速率：信息速率：Rb=RBH (b/s)1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標解解:(1)符號符號/23. 2bitH BRB1000 sbitHRRBb/223023. 21000 傳送傳送1

18、小時的信息量小時的信息量I=TRb=3600 2230=8. 028 106bit（2）等概率時，其信息量最大。）等概率時，其信息量最大。符號符號/32. 25log2maxbitH sbitHRRBb/232032. 21000maxmax 傳送傳送1小時的最大信息量小時的最大信息量I=TRbmax=3600 2320=8.352 106bit （4）頻帶利用率頻帶利用率BR(Band/ Hz)B:B 信信道道帶帶寬寬數(shù)字信號的傳輸帶寬B取決于碼元速率RB，而碼元速率和信息速率Rb有著確定的關(guān)系。為了比較不同系統(tǒng)的傳輸效率， 又可定義頻帶利用率為： bRbit /(s Hz)B （單位頻帶內(nèi)

19、的碼元傳輸速率。即：1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標誤碼率（碼元差錯率）e是指發(fā)生差錯的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，即 ：傳輸總碼元數(shù)傳輸總碼元數(shù)錯誤碼元數(shù)錯誤碼元數(shù) e （5）誤碼率）誤碼率e在ISDN中310e1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標 誤信率（信息差錯率）b是指發(fā)生差錯的比特數(shù)在傳輸總比特數(shù)中所占的比例， 即：傳傳輸輸總總比比特特數(shù)數(shù)錯錯誤誤比比特特數(shù)數(shù)數(shù)數(shù) b （6）誤信率）誤信率b在二進制中有：be 1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標例如:4

20、進制信息串1 2 0 3 0 2 1 72e二進制： 0110001100100142147b1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標通常指信號所占據(jù)的頻帶寬度；在被用來描述信道時，帶寬是指能夠有效通過該信道的信號的最大頻帶寬度。 對于模擬信號而言，帶寬又稱為頻寬，以赫茲（Hz）為單位。例如模擬語音電話的信號帶寬為3400Hz，一個Pal-D電視頻道的帶寬為8MHz（含保護帶寬）。 對于數(shù)字信號而言，帶寬是指單位時間內(nèi)鏈路能夠通過的數(shù)據(jù)量。例如ISDN的B信道帶寬為64Kbps。由于數(shù)字信號的傳輸是通過模擬信號的調(diào)制完成的，為了與模擬帶寬進行區(qū)分，數(shù)字信道的帶寬一般直接用波

21、特率或符號率來描述。補充知識：帶寬的概念補充知識：帶寬的概念nnIn In logP(x )i ii2ii1i1ni 符符號號集集：其其中中為為事事件件發(fā)發(fā)生生次次數(shù)數(shù)ni2ii 1H(x)P(x )log P(x )(bit/ 平平均均信信息息量量：符符號號）公式匯總公式匯總B1RT 碼碼 元元 速速 率率 ：信息速率：信息速率：Rb=RBH (b/s)BR(Band/ Hz)B:B 信信道道帶帶寬寬bRbit /(s Hz)B （e 錯錯誤誤碼碼元元數(shù)數(shù)誤誤碼碼率率：傳傳輸輸總總碼碼元元數(shù)數(shù)b 錯錯 誤誤 比比 特特 數(shù)數(shù) 數(shù)數(shù)誤誤 信信 率率 ：傳傳 輸輸 總總 比比 特特 數(shù)數(shù)【例例1

22、-1】n一信息源由4個符號a、b、c、d組成，他們出現(xiàn)的概率為3/8、1/4、1/4、1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求信息源輸出為cabacabdacbdaabcadcbabaadcbabaacdbacaacabadbcadcbaabcacba的信息量?！纠?-1】解n信源輸出的信息序列中，a：23次，b：14次，c：13次，d：7次，共有57個。 則 出現(xiàn)a的信息量為 23log28/3=32( bit ) 出現(xiàn)b的信息量為 14log24/1=28 ( bit ) 出現(xiàn)c的信息量為 13log24/1=26( bit ) 出現(xiàn)d的信息量為 7log28/1 =21 ( bit )

23、信號分類n連續(xù)信號、離散信號如果在某一時間間隔內(nèi)，對一切的時間值，除若干不連續(xù)的點外，該函數(shù)都給出確定的函數(shù)值，這種信號就稱為連續(xù)信號。離散信號的時間函數(shù)只在某些不連續(xù)的瞬間給出函數(shù)值。信號分類n連續(xù)信號、離散信號信號分類n隨機信號、確定信號隨機信號是指在它出現(xiàn)以前，總有某種程度的不確定性的一種信號。確定信號是一種沒有不確定值的信號。信號分類n周期信號、非周期信號如果用時間函數(shù)表示的信號s(t)滿足s(t+T)=s(t)則該信號為周期信號。T 為信號的周期。如不滿足s(t+T)=s(t)則該信號為非周期信號。信號分類n周期信號Of (t)t(a)f (nT )tPAM 信號(b)O圖圖 1 2

24、 模擬信號波形模擬信號波形 (a) 連續(xù)信號；連續(xù)信號； (b) 抽樣信號抽樣信號信號的特性n時間特性與頻率特性信號的幅值幅值是信號各個時刻的瞬時值信號的頻率頻率是周期的倒數(shù)，用赫茲來表示信號的相位相位是描述周期信號在時間軸上的相對位置，用弧度表示。信號的分析方法n時域分析法時域分析的基本手段是把外加的復雜激勵信號，在時域中分解成一系列單元激勵信號，然后分別計算各個單元信號通過通信系統(tǒng)的響應，最后在輸出端疊加而得到總的響應。 n頻域分析法任何信號都可表示成各種頻率成分的正弦波或余弦波之和 信號的相位信號的頻率n信號的頻率范圍概念信號也可以看成是頻率的函數(shù)。根據(jù)傅氏分析，滿足一定條件的周期函數(shù)g

25、(t),可以用若干正弦和余弦函數(shù)的和表示。若函數(shù)的周期為T，其倒數(shù)稱為函數(shù)的基波頻率，用符號f1表，則f1=1/T。上式中的an和bn分別為第n次諧波的正弦及余弦函數(shù)的幅值。1/2C為直流分量。這一分解稱為傅氏級數(shù)。信號的頻率信號的頻譜和帶寬n頻譜：是一個信號所含有的頻率范圍。周期信號頻譜：其頻譜由離散的頻率成分，即基波和諧波構(gòu)成。非周期信號頻譜：信號的頻率范圍為無窮大。根據(jù)信號能量衰減的程度來確定其頻譜，當頻率上升或下降到某一極限頻率而使信號能量降低為信號能量最大值一半時，該頻率就是頻譜的邊界。n信號的帶寬：頻譜的寬度（包含信號大部分功率的那部分頻譜的寬度）傳輸系統(tǒng)的帶寬對傳輸性能的影響n帶

26、寬是描述信號的一個重要參數(shù)，帶寬同時也是描述傳輸系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，信號的帶寬是指信號含有的頻帶寬度，n傳輸系統(tǒng)的帶寬是指該系統(tǒng)不失真?zhèn)鬏斝盘柕念l率范圍。如傳輸系統(tǒng)的帶寬超過傳輸信號的頻帶寬度，在傳輸過程中就不會引起信號失真。n信號的數(shù)據(jù)率越高，信號的帶寬也就越寬。n如果信號的傳輸率為X比特/秒（即X bps）,傳輸系統(tǒng)的帶寬應大于2XHz。衰減、增益和失真n衰耗：信號電能經(jīng)過傳輸系統(tǒng)傳輸后，系統(tǒng)輸出的電功率小于輸入端的電功率。n增益：信號電能經(jīng)過傳輸系統(tǒng)傳輸后，系統(tǒng)輸出的電功率大于輸入端的電功率。n通常用分貝來表示衰耗和增益。分貝是兩個功率電平差別的度量，是無量綱的量。D=10lg(p出/p

27、入) dB衰減、增益和失真n例:如果10mW功率的信號加到傳輸線上，而在某距離上測得的功率是5mW則在這段線路上的衰減為Loss=10lg(5/10)=10(-0.3)=-3 dBn分貝有時也用來度量電壓或電流的差別 因為有 P=V2/R 或 P=I2R 則有D=10lg(P2/P1) = 20lg(V2/V1) = 20lg(I2/I1) n使用分貝可方便計算整個系統(tǒng)的衰耗或增益整個傳輸線路上的衰減或增益等于各分段線路上的衰減與增益的代數(shù)和。衰減、增益和失真n信號通過傳輸系統(tǒng)時，其波形可能發(fā)生畸變，波形的畸變稱為失真。由衰減隨頻率的變化引起的失真叫衰減失真或振幅失真。由不同頻率分量的傳播速度

28、不一致所引起的失真，稱為相位失真或群時延失真。編碼與碼型n信源編碼用編碼的方法提高通信的傳輸效率稱為信源編碼 n信道編碼為了解決誤碼問題而采用了檢錯和糾錯碼稱為信道編碼 曼徹斯特與差分曼徹斯特編碼TTL電路波形曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼101100曼徹斯特與差分曼徹斯特編碼n曼徹斯特編碼（裂項碼或二項碼）每個周期有一次電平跳變1：從高跳到低， 0：從低跳到高n差分曼徹斯特編碼每個周期有一次電平跳變1：周期開始處電平不跳變0：周期開始處電平有跳變n應用于IEEE802.3n應用于令牌環(huán)網(wǎng)和隨機接入控制方式n缺點： 編碼效率50% 不適合于高效編碼因而提出了4B/5B碼型4B/5B碼型n這種編碼

29、的特點是將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流每bit作為一個組，然后按照4B/5B編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成相應5bit碼。n每個5bit碼中不少于2個1，或者不會多于三個0。采用NRZI制（Non-Return to Zero,Invert on ones）：遇1反轉(zhuǎn)碼n5bit碼共有32種組合，但只采用其中的24種，16種對應4bit碼的16種，8種用作控制碼，以表示幀的開始和結(jié)束、光纖線路的狀態(tài)（靜止、空閑、暫停）等。n標準4B/5B編碼用于100MbpsFDDIPMD和快速以太網(wǎng)。4B/5B碼型4B/5B碼型4B/5B編碼方式10進制數(shù)字圖2.8 4B/5B編碼方式101111110110100101111110

30、11010011000011100001524bit碼5bit碼經(jīng)差分編碼后的光信號5bit碼的波形 （NRZ方式）通信系統(tǒng)模型 把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號對原始信號完成某種變換，使原始電信號適合在信道中傳輸信號傳輸?shù)耐ǖ?，提供了信源與信宿之間在電氣上的聯(lián)系把接收到的信號反變換，轉(zhuǎn)換成原始電信號將復原的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應的消息通信系統(tǒng)實例通信系統(tǒng)的分類n按通信業(yè)務電報、電話、傳真、數(shù)據(jù)傳輸、可視電話、無線尋呼等。n按調(diào)制方式基帶傳輸和頻帶傳輸。n按信道中所傳信號通常信道中傳送的信號可分為數(shù)字信號和模擬信號，因此通信可分為數(shù)字通信和模擬通信。通信系統(tǒng)的分類n按傳輸媒質(zhì)通信可分為有線通信和無線通

31、信。n按工作頻段根據(jù)通信設備的工作頻率不同，通信通?？煞譃殚L波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。通信系統(tǒng)的分類n按信號復用方式頻分復用方式（FDM）、時分復用方式（TDM）和碼分復用方式（CDM）等；n按通信網(wǎng)絡專線通信和網(wǎng)通信等；通信系統(tǒng)的分類n按收信者是否運動移動通信和固定通信；n按通信方式單工、單雙工、雙工通信等。模擬通信與數(shù)字通信系統(tǒng)n在信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。它包含兩種重要變換，一是把原始消息變?yōu)殡娦盘?，二是把不適合傳輸?shù)幕鶐盘柾ㄟ^調(diào)制器轉(zhuǎn)換成頻帶信號；同時兩種變換在收端都要經(jīng)過反變換。n在信道中傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)n信源和信宿：信

32、源的作用是把消息轉(zhuǎn)換成原始的電信號，完成非電/電的轉(zhuǎn)換；信宿的作用是把復原的電信號轉(zhuǎn)換成相應的消息，就是完成電/非電的轉(zhuǎn)換。n信源編碼和信源解碼：信源編碼有兩個作用，其一，進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；其二，數(shù)據(jù)壓縮，即設法降低數(shù)字信號的數(shù)碼率。數(shù)字通信系統(tǒng)n信道編碼與信道解碼：數(shù)字信號在信道中傳輸時，由于噪聲影響，會引起差錯。n調(diào)制和解調(diào)：數(shù)字調(diào)制的任務是把各種數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成適應于信道傳輸?shù)臄?shù)字頻帶信號。數(shù)字通信系統(tǒng)n信道：信道是信號傳輸?shù)耐ǖ溃劫|(zhì)）。信道分為有線信道、無線信道。n最佳接收和同步：依據(jù)最小差錯準則進行接收，可以合理設計接收機達到最佳。數(shù)字通信的特點n相對于模擬通信系統(tǒng)而言，數(shù)字通信系

33、統(tǒng)有如下優(yōu)點?？垢蓴_、抗噪聲能力強，無噪聲積累。便于加密處理，保密性強。差錯可控。利用現(xiàn)代技術(shù)，便于對信息進行處理、存儲、交換。便于集成化，使通信設備微型化。數(shù)字通信相對于模擬通信系統(tǒng)來說，主要有以下兩個缺點。數(shù)字信號占用的頻帶寬。對同步要求高，系統(tǒng)設備比較復雜。數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標n有效性：指通信系統(tǒng)傳輸消息的“速率”問題，即快慢問題n可靠性：指通信系統(tǒng)傳輸消息的“質(zhì)量”問題，即好壞問題n適應性：指通信系統(tǒng)使用時的環(huán)境條件。n經(jīng)濟性：指系統(tǒng)的成本問題n保密性：指系統(tǒng)對所傳信號的加密措施，這點對軍用系統(tǒng)顯得更加重要n標準性：指系統(tǒng)的接口、各種結(jié)構(gòu)及協(xié)議是否合乎國家、國際標準n維修性：指系統(tǒng)

34、是否維修方便n工藝性：指通信系統(tǒng)各種工藝要求有效性指標n數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來衡量，傳輸速率越高，則系統(tǒng)的有效性越好。通?？蓮囊韵氯齻€不同的角度來定義傳輸速率。碼元傳輸速率碼元傳輸速率：單位時間（每秒鐘）內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud）。信息傳輸速率信息傳輸速率：單位時間（每秒鐘）內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，單位為比?秒。Rb與與RB之間的互換之間的互換：多進制中，RBN與RbN之間數(shù)值不同，單位亦不同。它們之間在數(shù)值上有如下關(guān)系式RbN=RBNlog2N有效性指標n頻帶利用率在比較不同通信系統(tǒng)的效率時，只看它們的傳輸速率是不夠的，還應看在這樣傳輸速率下所占的信道的頻帶寬度。因為傳輸

35、速率越高，所占用的信道頻帶越寬。因此，能夠真正體現(xiàn)出信息的傳輸效率的指標應該是頻帶利用率（），即單位頻帶內(nèi)的傳輸速率。=RB/B（Baud/Hz）可靠性指標n碼元差錯率Pe單位時間內(nèi)錯誤接受的碼元數(shù)單位時間內(nèi)系統(tǒng)傳輸?shù)目偞a元數(shù)可靠性指標n信息差錯率Pb單位時間錯誤接受的比特數(shù)單位時間內(nèi)系統(tǒng)傳輸?shù)目偙忍財?shù)信道n傳輸信道：為信號傳輸提供了通路，是溝通通信雙方的橋梁。n從兩個角度理解傳輸信道：廣義信道：包含傳輸媒體和完成各種形式的信號變換功能的設備。如：調(diào)制信道、編碼信道。狹義信道：僅指傳輸媒體本身，能夠傳輸信號的任何抽象的或具體的通路，如：明線、電纜、光纖、微波、短波等。信道分類n模擬信道和數(shù)字信

36、道：按照允許的信號的類型分類模擬信道只允許傳輸波形連續(xù)變化的模擬信號，通信質(zhì)量可用失真和輸出信噪比來衡量數(shù)字信道只允許傳輸離散的數(shù)字信號，數(shù)字信道的特性可用差錯率及差錯序列的統(tǒng)計特性來描述n單工、半雙工、全雙工信道：按照信道上的信號的傳輸方向分類單工信道是只能沿一個方向傳送信號的信道半雙工信道是可沿兩個方向傳送信號，但同一時間只能沿一個方向傳送信號的信道全雙工信道是可同時沿兩個方向傳送信號的信道信道分類n專用（租用）信道和公共交換信道：按信道的使用方法分類專用信道是指連接兩點或多點的固定線路公共交換信道是一種通過交換機轉(zhuǎn)接可為大量用戶服務的信道n有線信道和無線信道：按照信道采用的傳輸介質(zhì)分類信

37、道的容量n定義：在傳輸差錯率任意趨近于零的情況下，單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)男畔⒘考葱诺涝趩挝粫r間里所能傳輸信息的最大速率。單位：比特/秒有擾模擬信道的信道容量n香農(nóng)定律：在信號平均功率受限的高斯白噪聲信道中，信道容量C=Blog2(1+S/N) b/s 其中：C：信道容量，B：信道帶寬，S/N：平均信號噪聲功率比。有擾模擬信道的信道容量n由以上公式可得出以下結(jié)論：任何一個信道，都有它的信道容量。如果信息源的信息傳輸速率R小于等于信道容量C，則在理論上存在一種方法，使得信息源輸出能以任意小的差錯率通過信道進行傳輸；如果RC，那么無差錯傳輸在理論上是不可能的。信道容量C與帶寬B和信噪比S/N有關(guān)。若C

38、固定，則B與S/N可互為替換，寬帶系統(tǒng)呈現(xiàn)出較好的抗干擾能力考慮信道容量C=I/T，則I=TBlog2（1+S/N），其中，I：傳輸?shù)男畔⒘浚琓：傳輸時間。此式表明：當S/N一定時，B和T之間存在某種轉(zhuǎn)換關(guān)系。有擾數(shù)字信道的信道容量n典型數(shù)字信道：平穩(wěn)、無記憶、對稱、離散，可為二進制或多進制。對稱：指任何數(shù)碼正確傳輸和錯誤傳輸?shù)母怕逝c其他數(shù)碼一樣；無記憶：接收到的第i個碼元僅與發(fā)送的第i個碼元有關(guān)，與前面的其他碼元無關(guān)；平穩(wěn)：對任何碼元來說，正確或錯誤傳輸?shù)母怕逝c發(fā)生時間無關(guān)。有擾數(shù)字信道的信道容量n以滿足上述條件的二進制信道為例：發(fā)送“1”和“0”的概率均為1/2時，收到一個符號，所能得到的

39、最大信息量為： 1+e*log2e+(1-e)*log2(1-e) (比特/符號) 后兩項是傳輸差錯引起的信息量損失,e表示碼元錯誤傳輸?shù)母怕省?信道容量為C=1+e*log2e+(1-e)*log2(1-e)*r（b/s） r-發(fā)送端每秒發(fā)送的符號數(shù)有線信道n特點：傳輸性能穩(wěn)定可靠、噪聲電平低、保密性能較好。n傳輸媒體對稱電纜:由裝載同一保護套內(nèi)的許多對互相獨立的二線線對構(gòu)成。不加感對稱電纜帶寬為100250kHz同軸電纜:是一種對地不對稱的同軸管，該同軸管由一個金屬圓管及一根位于金屬圓管中心的導線所構(gòu)成。n基帶同軸電纜分為細纜和粗纜兩種。n寬帶同軸電纜適用于高頻傳輸。雙絞線雙絞線Pin#8

40、Pin#1下面是 PC 機不經(jīng)過 HUB 直接通過網(wǎng)線相連的參考圖橘白綠白藍藍白綠褐白褐RJ-45 色序圖3 類 UTP 線同軸電纜10BaseX系列電纜光纖信道n光通信分為無線光通信和有線光通信無線光通信：在可視距離范圍內(nèi)發(fā)收兩端之間所進行的光通信。有線光通信：發(fā)、收兩端分別設置半導體光源和光檢測器，傳輸媒體是光纖或光纜，傳輸途徑中間設置中繼站。光纖通信優(yōu)點n可供利用的頻帶很寬，能容納的通信量大。n損耗小，可以大大增加無中繼傳輸距離， 有利于長途干線通信。n在很寬的運用頻帶內(nèi)，光纖的衰減與頻率基本上無關(guān)。n很難被竊聽，保密性好，同一光纜中各相鄰光纖之間幾乎沒有串擾。n光纖上光波沿單一方向傳播

41、，沒有大地回路，不會受大地電流影響。n光纖對電磁是絕緣體，不受電磁干擾、靜電干擾、人為干擾等影響。n光纖通信不存在發(fā)生電火花的危險。n制造光纖的材料是石英，用料省，自然資源豐富。n尺寸小，重量輕。光纖有待改進、提高之處n光纖制造工藝較復雜，生產(chǎn)成本高；n光纖連接、耦合需要精密的工藝；n由于數(shù)字光信號的單極性，要求對光纖線路編碼進行特別的設計；n光器件、單模光纖和無源器件的研制，及相應理論問題尚有待更深入地進行探討；n光纖通信的發(fā)展及應用 。光纖中繼信道的組成電電端端機機調(diào)調(diào)制制光光檢檢測測 判判決決再再生生光光檢檢測測放放大大電電端端機機中繼機中繼機光纖光纖光光纖纖光發(fā)光發(fā)射射機機光接收機光接

42、收機光光源源光光源源光纖中繼信道的組成n光纖系統(tǒng)的五個部分光發(fā)信機：由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器光收信機：由光檢測器和放大電路光纖或光纜中繼機：補償光信號的衰減；對波形失真的脈沖進行整形光纖連接器、耦合器等無源器件光纖的結(jié)構(gòu)四芯光纖的結(jié)構(gòu)光纖的種類n按制作材料劃分：石英光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖、氟化物光纖n按傳輸模式劃分：單模光纖、多模光纖n按折射率分布劃分：突變型光纖、漸變型光纖、三角形光纖、W型光纖n按工作波段不同劃分：短波長光纖、長波長光纖、超長波長光纖光纖的種類n實際應用較多的三種光纖：突變光纖中光線的傳播n軸芯光線：這種光線沿著光纖的軸心線一直向前傳播n子午光線：這種光線僅在一個包含

43、光纖軸心線的平面內(nèi)不斷反射向前傳播n斜射光線：這種光線在向前反射傳播過程中，不與軸心線相交，而是饒著它反射前進。突變光纖中光線的傳播多模光纖n射到光纖表面的光線的入射角大于某一臨界角度，就可以產(chǎn)生全反射，并且可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸，這種光纖就稱為多模光纖（Multimode Fiber）。 （a）折射角大于入射角）折射角大于入射角 （b）光波在纖芯中傳播）光波在纖芯中傳播 （c）62.5/125m漸變漸變增強型多模光纖增強型多模光纖 光纖的傳輸特性n光纖的損耗特性:表示光能在光纖中傳輸所受到的衰減程度。 定義：a()=（10/L）lg(P1/P2) (dB/km) L

44、為光纖的長度，P1為光纖輸入端的功率，P2為光纖輸出端的功率n光纖損耗的因素吸收損耗：光波通過光纖材料時，有一部分光能變成熱能，造成光功率損失，和光纖材料有關(guān)。散射損耗：指光通過密度或折射率不均勻的物體時，除了光的傳播方向以外，在其它方向也可以看到光這種現(xiàn)象稱為光的散射。輻射損耗：光纖應用時彎曲，使光纖內(nèi)導波模式變?yōu)檩椛淠Ｊ剿录t外線和激光n紅外線通信和激光通信就是把要傳輸?shù)男盘柗謩e轉(zhuǎn)換成紅外光信號和激光信號直接在自由空間沿直線進行傳播，它比微波通信具有更強的方向性，難以竊聽、插入數(shù)據(jù)和進行干擾，但紅外線和激光對雨霧等環(huán)境干擾特別敏感。 地面微波通信n微波通信：利用微波波段的電磁波在對流層的視

45、距離范圍內(nèi)進行信息傳輸?shù)囊环N通信方式。n采用多路復用的工作方式；工作于射頻的微波頻段；中繼通信。地面微波通信的優(yōu)缺點n與其它波長的無線電通信比較，有如下優(yōu)點：工作頻帶寬、通信容量大受外界干擾小通信效果較好具有較大的靈活性投資省、見效快n微波通訊中存在的主要問題：中繼站定點復雜（在山上，難施工、難維護）保密性差地面微波中繼信道的組成終端站結(jié)構(gòu)框圖模擬微波、數(shù)字微波n微波信道分兩種：模擬微波、數(shù)字微波模擬微波傳輸模擬信號主要采用頻分復用；模擬微波(FDM-FM) 數(shù)字微波傳輸數(shù)字信號主要采用時分復用；數(shù)字微波(TDM-PCM-DPSK)n一路PCM信號的速率為64kb/sn一次基群（30路PCM信

46、號）的速率2.048Mb/sn二次基群的速率為8.448Mb/sn三次基群的速率為34.368Mb/s衛(wèi)星信道n衛(wèi)星通信定義:是利用人造衛(wèi)星作為中繼站的一種通信方式衛(wèi)星通信屬于宇宙通信衛(wèi)星信道是微波通信的一種特殊形式衛(wèi)星信道的特點n覆蓋地區(qū)大、通信距離遠n具有多址連接能力n頻帶寬、容量大n通信機動靈活n通信穩(wěn)定可靠n建站費用與距離無關(guān)衛(wèi)星中繼信道的組成衛(wèi)星中繼信道的組成n通信衛(wèi)星（靜止衛(wèi)星）主要任務是實現(xiàn)中繼轉(zhuǎn)接，即接受地球站發(fā)來的無線電信號，經(jīng)變頻放大處理后，再轉(zhuǎn)發(fā)出去。n地球站是衛(wèi)星中繼通信雙方的收、發(fā)信臺站。衛(wèi)星通信的電波傳播n衛(wèi)星通信的工作頻段C頻段 上行 下行 商用頻段Ku頻段 上行 下行Ka頻段 上行 下行n衛(wèi)星通信的電波