计算机通信-第1章绪论

1、计算机通信基础计算机通信基础一、信息学科特点一、信息学科特点n 信息学科是当代科学的信息学科是当代科学的前沿学科，前沿学科，对几乎所对几乎所有其他学科都有很强的有其他学科都有很强的渗透性渗透性，生动体现出，生动体现出整个学科在信息时代科技进步中的整个学科在信息时代科技进步中的先导作用先导作用n 从从2020世纪末到世纪末到2121世纪中叶，人类处在一个科世纪中叶，人类处在一个科学高度分化又高度综合的时代。信息科学和学高度分化又高度综合的时代。信息科学和技术在整个科学之中，依然是技术在整个科学之中，依然是发展最迅速发展最迅速的的学科学科1. 1. 通信的过程：通信的过程：n信息的采集信息的采集n

2、信息的加工处理信息的加工处理n信息的传输信息的传输n信息的交换信息的交换n信息的利用信息的利用二、课程的地位与作用二、课程的地位与作用 2. 以人民防空系统为例详解上述过程：以人民防空系统为例详解上述过程：n 雷达获取来犯敌机或导弹信息雷达获取来犯敌机或导弹信息n 对信息进行处理，如编码、经纬度转换等对信息进行处理，如编码、经纬度转换等n 信息从雷达站向上级传送信息从雷达站向上级传送n 信息经逐级交换传送至中央信息经逐级交换传送至中央n 由中央决定对来犯者实施打击或驱逐由中央决定对来犯者实施打击或驱逐三、课程的内容三、课程的内容模拟系统模拟系统线性调制线性调制 AM，DSB，SSB，VSB非线

3、性调制非线性调制 PM，FM数字系统数字系统基带系统基带系统频带系统频带系统模模/数变换：脉冲调制数变换：脉冲调制 PAM，PCM，DPCM多路传输、同步技术多路传输、同步技术最佳接收、纠错编码最佳接收、纠错编码改善性能改善性能ASK，FSK，PSK，DPSK 基本原理、实现基本原理、实现方法、性能分析！方法、性能分析！ 四、四、 现代通信原理现代通信原理章节章节 1.绪论绪论 2.随机信号分析随机信号分析 3. 模拟调制模拟调制* 4. 模拟信号的数字化传输模拟信号的数字化传输 5. 数字基带传输数字基带传输* 6. 数字调制数字调制 7. 数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收* 8. 同步

4、技术同步技术 9. 信道编码信道编码 10. 通信原理实验通信原理实验五、前沿技术五、前沿技术n 物联网技术物联网技术 （EnOceanEnOcean无需电源与布线的新型无线智能控制系统）无需电源与布线的新型无线智能控制系统）n 可见光通信技术可见光通信技术 （无需（无需WiFiWiFi，点盏，点盏LEDLED灯就能上网）灯就能上网）n 移动通信技术移动通信技术 （3G/4G3G/4G，宽带、高速、低碳、智能、可持续发展），宽带、高速、低碳、智能、可持续发展）n 移动互联网技术移动互联网技术 （智能终端（智能终端+ +云计算）云计算） 第一章第一章 绪论绪论 通信发展简史通信发展简史1 通信系

5、统的基本模型通信系统的基本模型 2 通信系统分类和数字通信系统通信系统分类和数字通信系统 3 信息量与香农公式信息量与香农公式4第一章第一章 绪论绪论51.1 通信发展简史n 电通信起源于电通信起源于1818世纪末，用于军事目的是世纪末，用于军事目的是1919世纪初。世纪初。n 18761876年贝尔发明了年贝尔发明了电话电话。n 18951895年马可尼和波波夫同时分别实现了年马可尼和波波夫同时分别实现了无线电通信无线电通信。n 19291929年贝尔实验室第一次进行了年贝尔实验室第一次进行了电视试验电视试验。n 19461946年美国造了第一台电子计算机，到了年美国造了第一台电子计算机，到

6、了2020世纪世纪5050年代末开年代末开始了始了计算机通信计算机通信。n 19561956年美国摩托罗拉公司生产出首个年美国摩托罗拉公司生产出首个无线电寻呼机无线电寻呼机。n 19571957年苏联发射第一颗人造地球卫星，人类开始了年苏联发射第一颗人造地球卫星，人类开始了空间通信空间通信。n 19621962年美国发射第一颗通信卫星，年美国发射第一颗通信卫星，卫星通信卫星通信步入实用阶段。步入实用阶段。n 19661966年美籍华人高锟提出光纤通信设想，十多年后实现了年美籍华人高锟提出光纤通信设想，十多年后实现了光纤光纤通信通信。n 19701970年第一部商用数字时分年第一部商用数字时分程

7、控电话交换机程控电话交换机在法国投入使用。在法国投入使用。n 19781978年美国贝尔实验室研制成功年美国贝尔实验室研制成功模拟蜂窝移动电话系统模拟蜂窝移动电话系统。n 19851985年英国电信公司开设了年英国电信公司开设了综合业务数字网综合业务数字网。n 19861986年欧洲推出泛欧年欧洲推出泛欧数字移动通信网数字移动通信网(GSM)(GSM)并于并于19911991年在欧洲开年在欧洲开始商用。始商用。通信发展简史（续）n 19891989年美国科克姆公司开始年美国科克姆公司开始码分多址码分多址数字蜂窝通信试验，数字蜂窝通信试验，9393年生产出第一批双模式移动台，此后年生产出第一批双

8、模式移动台，此后CDMACDMA席卷世界。席卷世界。n 19911991年美国国防部年美国国防部“易通话易通话”计划提出计划提出软件无线电软件无线电概念，概念，9494年年1010月完成第一阶段计划并进行演示。月完成第一阶段计划并进行演示。n 19941994年国际最大的年国际最大的计算机互联网络计算机互联网络( (英特网英特网) )商业化，实现了商业化，实现了世界范围的网络资源共享。世界范围的网络资源共享。n 20002000年国际电信联盟年国际电信联盟(ITU)(ITU)确定确定W-CDMAW-CDMA，CDMA-2000CDMA-2000和和TD-TD-SCDMASCDMA三大主流无线接

9、口标准写入三大主流无线接口标准写入第三代移动通信系统第三代移动通信系统(3G)(3G)技术指导性文件。技术指导性文件。n 20062006年后年后3G3G，4G4G技术的发展。技术的发展。通信发展简史（续）n 以光纤为骨干，辅以微波、卫是信道的以光纤为骨干，辅以微波、卫是信道的“八纵八横八纵八横”高速高速传输系统覆盖全国。传输系统覆盖全国。n 将农信工程、共信工程、安信工程、家信工程、城信工程将农信工程、共信工程、安信工程、家信工程、城信工程和和RFIDRFID工程列为六大专项工程。工程列为六大专项工程。n 至至20142014年年1010月，我国固定电话达月，我国固定电话达2.2.5252亿

10、户，手机用户达亿户，手机用户达12.7712.77亿部。我国固定电话网和移动电话网均为世界第一大亿部。我国固定电话网和移动电话网均为世界第一大网。网。( 2013/( 2013/2012/2012/2011/20102011/2010年年1010月月 2.69/2.82.69/2.8/ /2.9/3.012.9/3.01， 12.16/10.0712.16/10.07/ /9.2/8.39.2/8.3）n 20152015年，全球手机用户量将首次超过全球人口总数。全球年，全球手机用户量将首次超过全球人口总数。全球人口总数将超过人口总数将超过7474亿，而手机用户总数将略高于亿，而手机用户总数将

11、略高于7575亿。亿。 我国通信事业的发展信源和输入变换信道输出变换和信宿发送设备接收设备噪声源消息传输的目的地消息传输的目的地产生需传输的消息产生需传输的消息存在于发信机、信道、收信存在于发信机、信道、收信机机, ,通常用等效噪声源来表示通常用等效噪声源来表示发送设备：加工信号发送设备：加工信号将消息转换为合适在将消息转换为合适在信道传输的信号信道传输的信号接收设备：减小噪声接收设备：减小噪声及干扰的影响，把信及干扰的影响，把信号转换为信宿能接收号转换为信宿能接收的信号的信号信道：传输信道：传输媒介媒介( (有线信有线信道道& &无线信道无线信道1.2 通信系统的基本模型 1

12、.3 通信系统分类和数字通信系统1. 1. 通信系统分类：通信系统分类：n 按收、发两地有没有线路连接分为：按收、发两地有没有线路连接分为： 有线通信和无线通信有线通信和无线通信n 按消息的形式（通信业务的种类）分为：按消息的形式（通信业务的种类）分为： 电话、传真、电视电话、传真、电视n 按信号的性质分为：按信号的性质分为： 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信n 模拟通信与数字通信：模拟通信与数字通信： 信道上传输的是信道上传输的是模拟信号模拟信号称为模拟通信。称为模拟通信。 信道上传输的是信道上传输的是数字信号数字信号称为数字通信。称为数字通信。n 模拟信号与数字信号：模拟信号与数字信号

13、： 凡信号的某一参量可以取凡信号的某一参量可以取无限多个值无限多个值，并且直接与消息对应的信号称，并且直接与消息对应的信号称为模拟信号。为模拟信号。 凡信号的某一参量只能取凡信号的某一参量只能取有限个值有限个值，并且常常不直接或者不准确地与消，并且常常不直接或者不准确地与消息对应的信号称为数字信号。息对应的信号称为数字信号。 模拟与数字信号举例信号举例AMDSBSSBVSBFMPM信源信源信道信道声声噪噪变换器变换器调制器调制器发射机发射机接收机接收机解调器解调器反变换器反变换器受信者受信者解调：从已调解调：从已调信号中还原出信号中还原出被传输的低频被传输的低频信息信号。信息信号。调制：将基带

14、信调制：将基带信号变换成另一信号变换成另一信号，以提高系统号，以提高系统传输信息的效率传输信息的效率和质量。通常做和质量。通常做频率上的变换。频率上的变换。核心部件为核心部件为调制解调器调制解调器 模拟通信系统模型信道信道信源信源基带信号成形基带信号成形信宿信宿噪声噪声同步系统同步系统数字基带传输系统数字基带传输系统接收滤波器接收滤波器数字通信系统模型（基带）数字频带传输系统数字频带传输系统 数字通信系统模型（频带）信息源信息源信道信道声声噪噪信源编码信源编码信道编码信道编码调制器调制器解调器解调器信道译码信道译码信源译码信源译码受信者受信者同步系统同步系统加密加密解密解密交织交织解交织解交织

15、ASKFSKPSKDPSK a a）变换信源信号的表达方式，将模拟信号转变为数字基带）变换信源信号的表达方式，将模拟信号转变为数字基带信号，使其便于传输信号，使其便于传输 b b）压缩信源信号的冗余成分，提高系统的传输效率。）压缩信源信号的冗余成分，提高系统的传输效率。 A/DA/D转换、波形变换、参数编码等转换、波形变换、参数编码等 通过有目的的增加信息的冗余度，使系统具有一定的纠检通过有目的的增加信息的冗余度，使系统具有一定的纠检错能力，提高系统传输信息的质量。错能力，提高系统传输信息的质量。 分组码、卷积码、级联码等分组码、卷积码、级联码等 信源编码与信道编码 ，特别在中继传输时更明显。

16、，特别在中继传输时更明显。 可以进行可以进行，因而提高了信息传输的可靠性。因而提高了信息传输的可靠性。 ，对信号进行处理，存储和变换从，对信号进行处理，存储和变换从而提高信息传输的灵活性。而提高信息传输的灵活性。 ，实现保密信息传输。，实现保密信息传输。 成本低、体积小、可靠性高。成本低、体积小、可靠性高。 ，使通信系统更灵活，通用。，使通信系统更灵活，通用。数字通信系统的优点 占用频带较宽占用频带较宽 系统复杂。系统复杂。 如：模拟电话如：模拟电话 4KHz 传输质量相同的数字电话传输质量相同的数字电话 2060KHz数字通信系统的缺点2 、通信方式按消息传递的方向与时间分按消息传递的方向与

17、时间分 对于点与点之间的通信，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，通信方式可分为通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信单工通信、半双工通信及全双工通信三种。三种。 单工通信单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式，是指消息只能单方向传输的工作方式， 因此只因此只占用一个信道。广播、遥测、遥控、无线寻呼等就是单工通信占用一个信道。广播、遥测、遥控、无线寻呼等就是单工通信方式的例子。方式的例子。 半双工通信半双工通信，是指通信双方都能收发消息，是指通信双方都能收发消息， 但不能同时进但不能同时进行收和发的工作方式。例如，使用同一载频的对讲机，收发

18、报行收和发的工作方式。例如，使用同一载频的对讲机，收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通信都是半双工通信方式。机以及问询、检索、科学计算等数据通信都是半双工通信方式。 半双工通信 全双工通信全双工通信， 是指通信双方可同时进行收发消息的工作是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。普通电话、方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式，手机都是最常见的全双工通信方式， 计算机之间的高速数据计算机之间的高速数据通信也是这种方式。通信也是这种方式。 全双工通信1.4 信息量与香农公式消息、信号与信息的基本概念：消息

19、、信号与信息的基本概念： 消息消息人或事物情况的报道。人或事物情况的报道。 信号信号消息的载体或消息的携带者消息的载体或消息的携带者( (对电通信，信号是指电对电通信，信号是指电流或电压的幅度、频率、相位；无线电波、光波等等流或电压的幅度、频率、相位；无线电波、光波等等) )。 信息信息对接收者事先不知道的消息对接收者事先不知道的消息( (信息与不确定性紧密相信息与不确定性紧密相关，越出人意料，信息量越大关，越出人意料，信息量越大) )。 1) 1) 信息量的定义：信息量的定义： 假设信源由假设信源由 共共 个离散符号组成，并且每个离散符号组成，并且每个符号独立，其中任一个符号个符号独立，其中

20、任一个符号 si 出现的概率为出现的概率为 则则 si 的的信息量信息量 上述对数以上述对数以2 2为底，为底，则信息量的单位为比特则信息量的单位为比特(bit)(bit)is( )iP s1()()()iiiI slblbP sP s q12,qs ss信息的度量 (a) 等概二元制信源等概二元制信源，每一个符号的信息量为，每一个符号的信息量为1比特。如：比特。如： 并且并且 等概二元制信号，是最简单的信息，每个符号的信息量为等概二元制信号，是最简单的信息，每个符号的信息量为1比特，因此，它作为信息量的单位是非常适合的。比特，因此，它作为信息量的单位是非常适合的。01,s s011()( )

21、2P sP s011( )( )1()1/2I sI slbbit信息量的讨论 (c)信息量用对数表示，能准确地表达信息的本质。信息量用对数表示，能准确地表达信息的本质。 i) 确定符号概率为确定符号概率为1，取对数为，取对数为0，表示信息量为，表示信息量为0。 ii) 多个符号总信息量为各个符号信息量之和。多个符号总信息量为各个符号信息量之和。 如三个等概二元制符号的信息量如三个等概二元制符号的信息量 I(3s)=3I(s)，即三个符号，即三个符号的信息量是单个符号信息量的三倍。的信息量是单个符号信息量的三倍。 因因为为3个二元制符号共有个二元制符号共有8种状态种状态000 、001 、11

22、1,所所以每种状态出现的概率为以每种状态出现的概率为1/8， I(3s)=-lb1/8=3 l(s)=1 所以所以l(3s)=3l(s) iii) 信息量最小为信息量最小为0，不会为负。，不会为负。 因概率在因概率在10之间，取对数则在之间，取对数则在0无穷大之间，它不会为无穷大之间，它不会为负数。负数。因此，对数能准确地表示信息量的意义。因此，对数能准确地表示信息量的意义。信息量的讨论（续）n 定义定义 当信源等概时当信源等概时, , 有最大值。有最大值。( )H S平均信息量(熵)11( )( ) ( )( )( )qiiiqiiiH SP s I sP s lbP s 1)1)熵的物理概

23、念：每个符号的平均信息量，熵的物理概念：每个符号的平均信息量，单位是比特单位是比特/ /符号符号。2)2)熵是非负的，最小为零。熵是非负的，最小为零。3)3)当当信源符号等概信源符号等概时，熵有时，熵有最大值最大值记为记为 q为信源符号个数为信源符号个数4)4)只要信源不等概，则只要信源不等概，则熵有如下性质max( )lbHsqmax( )( )H sHs例1若若A A、B B、C C、D D等概，求平均信息量。等概，求平均信息量。maxmax( )( )( )lblb42/H SHSHSqbit符号例2411( )( )( )111148824882233148821.75/iiiH sP

24、 s lbP slblblblbbit解：符号设设A A、B B、C C、D D四个消息分别以概率四个消息分别以概率1/41/4、1/81/8、1/81/8、1/21/2传送，求传送，求平均信息量。平均信息量。一离散信源由一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的概率分别四个符号组成，它们出现的概率分别为为3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求该信，且每个符号的出现都是独立的。试求该信源的熵。源的熵。 例3用熵的概念来计算：用熵的概念来计算：222233111111loglogloglog88444488H 1.906(/bit符号）lb(1) (bit

25、/s)SCBN香农公式香农公式给出了信道最大的无差错传输速率。香农公式给出了信道最大的无差错传输速率。0lb(1) (bit/s)SCBn B若噪声单边功率谱密度为若噪声单边功率谱密度为n0，噪声功率，噪声功率N=n0B ，则，则a) 增大信号功率增大信号功率S可以增加信道容量可以增加信道容量C。 若信号功率若信号功率S趋于无穷大时，则信道容量趋于无穷大时，则信道容量C也趋于无穷大也趋于无穷大0limlimlb 1SSSCBn B b) 减小噪声功率谱密度减小噪声功率谱密度n0 也可以增加信道容量也可以增加信道容量C。 若若n0趋于零，则趋于零，则C趋于无穷大趋于无穷大关于香农公式的几点讨论（

26、1）在给定）在给定B、S/N的情况下，的情况下，信道的极限传输能力信道的极限传输能力为为C，而且，而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。（2）提高信道容量的方法）提高信道容量的方法:00000limlimlb 1nnSCBn B 当信道当信道带宽带宽B趋于无穷大时，信道容量趋于无穷大时，信道容量C的的极限值极限值为为0limlimlb 1BBSCBn B000limlb 1Bn BSSnSn B00lb1.44SSennc) 增大信道带宽增大信道带宽B可以增加信道容量可以增加信道容量C，但不能使信道容量，但不能使信道容量C无限制地增大。无限制地增大

27、。关于香农公式的几点讨论（续）（3 3）信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。）信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。 若若增加信道带宽增加信道带宽，可以适当降低信噪比，反之亦然。，可以适当降低信噪比，反之亦然。当信道容量当信道容量C给定时，给定时，B1，S1/N1和和B2，S2/N2分别表示互换前后分别表示互换前后的带宽和信噪比，则有的带宽和信噪比，则有121212lb 1lb 1SSBBNN（4 4）当信道传输的）当信道传输的信息量不变信息量不变时，时，信道带宽信道带宽 B B、信噪比、信噪比S/NS/N是可以互换的。是可以互换的。 （5 5）香农公式并没有给出带宽

28、与信噪比互换的具体方法。）香农公式并没有给出带宽与信噪比互换的具体方法。关于香农公式的几点讨论（续）1.5 数字通信系统的主要性能指标1. 1. 概述概述 有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性、及美观大有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性、及美观大方，便于维修等等都是通信系统的性能指标。方，便于维修等等都是通信系统的性能指标。 其中最重要的是其中最重要的是有效性有效性与与可靠性可靠性。 有效性有效性快快 可靠性可靠性正确正确有效性有效性：取决于消息所含的信息量及对消息的处理。：取决于消息所含的信息量及对消息的处理。 通过有效传输带宽来衡量通过有效传输带宽来衡量可靠性可靠性：与原信号的相似程

29、度。：与原信号的相似程度。 用均方误差或信噪比表征用均方误差或信噪比表征222,21lim ( )( )( )( ) TTTx tx tdtTEx tx tSN，均方误差： 时间平均统计平均信号平均功率信噪比：常用对数表示噪声平均功率2. 模拟通信系统的有效性与可靠性 (1)有效性：用有效性：用码元速率码元速率(传码率传码率)及及信息速率信息速率(传信率传信率)来表征。来表征。 码元速率码元速率：每秒钟传送码元的个数，用：每秒钟传送码元的个数，用 表示，单位为波特，表示，单位为波特，记为记为B。仅有码元速率表示有效性是不够的，如对八种天气进行天气预报仅有码元速率表示有效性是不够的，如对八种天气

30、进行天气预报 晴晴 云云 阴阴 雨雨 雪雪 雾雾 霜霜 雹雹八进制八进制 0 1 2 3 4 5 6 7 二进制二进制 000 001 010 011 100 101 110 111若每秒钟报告一次，则八进制码元速率为若每秒钟报告一次，则八进制码元速率为1B，则二进制码元速率，则二进制码元速率为为3B，是否二元制系统有效性高呢？，是否二元制系统有效性高呢？结论是否定的，因为两个系统完成的工作是一样的，都是进行天结论是否定的，因为两个系统完成的工作是一样的，都是进行天气预报。气预报。八种天气，每秒钟报告一次。因此，有效性仅用码元速率来衡量八种天气，每秒钟报告一次。因此，有效性仅用码元速率来衡量有失公允。有失公允。 BR3. 数字通信系统的有效性与可靠性 每秒钟传送的信息量，用每秒钟传送的信息量，用 表示表示 ，单位为比特，单位为比特/ /秒，简记秒，简记为为b/sb/s。 二进制系统二进制系统，码元速率与信息速率之间关系，码元速率与信息速率之间关系( (仅仅数值相等，仅仅数值相等，单位并不相同单位并不相同) )： 多进制系统多进制系统，码元速率与信息速率之间关系，码元速率与信息速率之间关系( (仅仅数值相等，仅仅数值相