计算机通信-第1章绪论.

《计算机通信基础》主讲教师：宋晓勤电子信息工程学院一、信息学科特点信息学科是当代科学的前沿学科，对几乎所有其他学科都有很强的渗透性，生动体现出整个学科在信息时代科技进步中的先导作用从20世纪末到21世纪中叶，人类处在一个科学高度分化又高度综合的时代。信息科学和技术在整个科学之中，依然是发展最迅速的学科1.通信的过程：信息的采集信息的加工处理信息的传输信息的交换信息的利用二、课程的地位与作用2.以人民防空系统为例详解上述过程：雷达获取来犯敌机或导弹信息对信息进行处理，如编码、经纬度转换等信息从雷达站向上级传送信息经逐级交换传送至中央由中央决定对来犯者实施打击或驱逐三、课程的内容模拟系统线性调制AM，DSB，SSB，VSB非线性调制PM，FM数字系统基带系统频带系统模/数变换：脉冲调制PAM，PCM，DPCM多路传输、同步技术最佳接收、纠错编码改善性能ASK，FSK，PSK，DPSK基本原理、实现方法、性能分析！四、《现代通信原理》章节1.绪论2.随机信号分析3.模拟调制*4.模拟信号的数字化传输5.数字基带传输*6.数字调制7.数字信号的最佳接收*8.同步技术9.信道编码10.通信原理实验五、前沿技术物联网技术（EnOcean无需电源与布线的新型无线智能控制系统）可见光通信技术（无需WiFi，点盏LED灯就能上网）移动通信技术（3G/4G，宽带、高速、低碳、智能、可持续发展）移动互联网技术（智能终端+云计算）……第一章绪论通信发展简史1通信系统的基本模型2通信系统分类和数字通信系统3信息量与香农公式4第一章绪论5数字通信系统的主要性能指标1.1通信发展简史电通信起源于18世纪末，用于军事目的是19世纪初。1876年贝尔发明了电话。1895年马可尼和波波夫同时分别实现了无线电通信。1929年贝尔实验室第一次进行了电视试验。1946年美国造了第一台电子计算机，到了20世纪50年代末开始了计算机通信。1956年美国摩托罗拉公司生产出首个无线电寻呼机。1957年苏联发射第一颗人造地球卫星，人类开始了空间通信。1962年美国发射第一颗通信卫星，卫星通信步入实用阶段。1966年美籍华人高锟提出光纤通信设想，十多年后实现了光纤通信。1970年第一部商用数字时分程控电话交换机在法国投入使用。1978年美国贝尔实验室研制成功模拟蜂窝移动电话系统。1985年英国电信公司开设了综合业务数字网。1986年欧洲推出泛欧数字移动通信网(GSM)并于1991年在欧洲开始商用。通信发展简史（续）1989年美国科克姆公司开始码分多址数字蜂窝通信试验，93年生产出第一批双模式移动台，此后CDMA席卷世界。1991年美国国防部“易通话”计划提出软件无线电概念，94年10月完成第一阶段计划并进行演示。1994年国际最大的计算机互联网络(英特网)商业化，实现了世界范围的网络资源共享。2000年国际电信联盟(ITU)确定W-CDMA，CDMA-2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准写入第三代移动通信系统(3G)技术指导性文件。2006年后3G，4G技术的发展。通信发展简史（续）以光纤为骨干，辅以微波、卫是信道的“八纵八横”高速传输系统覆盖全国。将农信工程、共信工程、安信工程、家信工程、城信工程和RFID工程列为六大专项工程。至2014年10月，我国固定电话达2.52亿户，手机用户达12.77亿部。我国固定电话网和移动电话网均为世界第一大网。(2013/2012/2011/2010年10月2.69/2.8/2.9/3.01，12.16/10.07/9.2/8.3）2015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74亿，而手机用户总数将略高于75亿。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产生需传输的消息存在于发信机、信道、收信机,通常用等效噪声源来表示发送设备：加工信号将消息转换为合适在信道传输的信号接收设备：减小噪声及干扰的影响，把信号转换为信宿能接收的信号信道：传输媒介(有线信道&无线信道1.2通信系统的基本模型1.3通信系统分类和数字通信系统1.通信系统分类：按收、发两地有没有线路连接分为：有线通信和无线通信按消息的形式（通信业务的种类）分为：电话、传真、电视按信号的性质分为：模拟通信和数字通信模拟通信与数字通信：信道上传输的是模拟信号称为模拟通信。信道上传输的是数字信号称为数字通信。模拟信号与数字信号：凡信号的某一参量可以取无限多个值，并且直接与消息对应的信号称为模拟信号。凡信号的某一参量只能取有限个值，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。模拟与数字信号举例信号举例AMDSBSSBVSBFMPM信源信道声噪变换器调制器发射机接收机解调器反变换器受信者解调：从已调信号中还原出被传输的低频信息信号。调制：将基带信号变换成另一信号，以提高系统传输信息的效率和质量。通常做频率上的变换。核心部件为调制解调器模拟通信系统模型信道信源基带信号成形信宿噪声同步系统数字基带传输系统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通信系统模型（频带）信息源信道声噪信源编码信道编码调制器解调器信道译码信源译码受信者同步系统加密解密交织解交织ASKFSKPSKDPSK信源编（译）码a）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b）压缩信源信号的冗余成分，提高系统的传输效率。A/D转换、波形变换、参数编码等信道编（译）码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。分组码、卷积码、级联码等信源编码与信道编码1.抗干扰能力强，特别在中继传输时更明显。2.可以进行差错控制，因而提高了信息传输的可靠性。3.便于使用现代计算机技术，对信号进行处理，存储和变换从而提高信息传输的灵活性。4.便于加密，实现保密信息传输。5.便于系统集成。成本低、体积小、可靠性高。6.可传输种类更多的消息，使通信系统更灵活，通用。数字通信系统的优点1.占用频带较宽2.系统复杂。如：模拟电话4KHz传输质量相同的数字电话20～60KHz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，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式，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方式的例子。半双工通信，是指通信双方都能收发消息，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。半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，计算机之间的高速数据通信也是这种方式。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—人或事物情况的报道。信号—消息的载体或消息的携带者(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)。信息—对接收者事先不知道的消息(信息与不确定性紧密相关，越出人意料，信息量越大)。1)信息量的定义：假设信源由共个离散符号组成，并且每个符号独立，其中任一个符号si出现的概率为则si的信息量上述对数以2为底，则信息量的单位为比特(bit)is()iPs1()()()iiiIslblbPsPsq12,,qsss信息的度量(a)等概二元制信源，每一个符号的信息量为1比特。如：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1比特，因此，它作为信息量的单位是非常适合的。01,ss011()()2PsPs011()()1()1/2IsIslbbit(b)信息量的概念与概率联系在一起，概率越小信息量越大，符合人们对信息的理解。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。i)确定符号概率为1，取对数为0，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。如三个等概二元制符号的信息量I(3s)=3I(s)，即三个符号的信息量是单个符号信息量的三倍。因为3个二元制符号共有8种状态000、001、……111,所以每种状态出现的概率为1/8，I(3s)=-lb1/8=3l(s)=1所以l(3s)=3l(s)iii)信息量最小为0，不会为负。因概率在1~0之间，取对数则在0~无穷大之间，它不会为负数。因此，对数能准确地表示信息量的意义。信息量的讨论（续）定义当信源等概时,有最大值。()HS平均信息量(熵)11()()()()()qiiiqiiiHSPsIsPslbPs1)熵的物理概念：每个符号的平均信息量，单位是比特/符号。2)熵是非负的，最小为零。3)当信源符号等概时，熵有最大值记为q为信源符号个数4)只要信源不等概，则熵有如下性质max()lbHsqmax()()HsHs例1若A、B、C、D等概，求平均信息量。maxmax()()()lblb42/HSHSHSqbit符号例2411()()()111148824882233148821.75/iiiHsPslbPslblblblbbit解：符号设A、B、C、D四个消息分别以概率1/4、1/8、1/8、1/2传送，求平均信息量。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。试求该信源的熵。例3用熵的概念来计算：222233111111loglogloglog88444488H1.906(/bit符号）lb(1)(bit/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。香农公式的另一形式：0lb(1)(bit/s)SCBnB若噪声单边功率谱密度为n0，噪声功率N=n0B，则a)增大信号功率S可以增加信道容量C。若信号功率S趋于无穷大时，则信道容量C也趋于无穷大0limlimlb1SSSCBnBb)减小噪声功率谱密度n0也可以增加信道容量C。若n0趋于零，则C趋于无穷大关于香农公式的几点讨论（1）在给定B、S/N的情况下，信道的极限传输能力为C，而且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:00000limlimlb1nnSCBnB当信道带宽B趋于无穷大时，信道容量C的极限值为0limlimlb1BBSCBnB000limlb1BnBSSnSnB00lb1.44SSennc)增大信道带宽B可以增加信道容量C，但不能使信道容量C无限制地增大。关于香农公式的几点讨论（续）（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。若增加信道带宽，可以适当降低信噪比，反之亦然。当信道容量C给定时，B1，S1/N1和B2，S2/N2分别表示互换前后的带宽和信噪比，则有121212lb1lb1SSBBNN（4）当信道传输的信息量不变时，信道带宽B、信噪比S/N是可以互换的。（5）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.概述有效性、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。其中最重要的是有效性与可靠性。有效性——快可靠性——正确有效性：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Ｂ来衡量可靠性：与原信号的相似程度。用均方误差或信噪比表征222,21lim[()()]{[()()]}TTTxtxtdtTExtxtSN，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：用码元速