网络通信1

计算机网络通信原理——概论第一章绪论1.通信的基本概念2.通信系统的组成与分类3.数据通信涉及的主要技术4.信息及其度量5.通信系统的主要性能指标6.制定数据通信标准的机构计算机网络通信原理——概论通信的基本概念•通信（Communication）是把消息从一地有效地传递到另一地，即消息的时空转移。•古代战场的“点烽火”可能是最原始的通信方式。•手势、旗语、语言、电报、电视、广播、互联网和各种通信网等都是消息传递和信息交流的方式和手段。•在现代通信系统中，通常需要利用电子等技术手段，借助电/光信号实现消息的传递和交换。•无线、全IP和光交换是下一代通信网发展的重点方向。计算机网络通信原理——概论通信技术发展概况•借助电信号实现从一地向另一地进行消息传递的通信（电信）的历史可追溯到17世纪初期。•从1600～1750年研究电磁现象开始到19世纪40年代，为通信理论基础准备阶段。•从19世纪40年代开始通信才进入实用阶段。计算机网络通信原理——概论通信的实用阶段•实用阶段大致可划分为三个阶段：1.通信的初级阶段•从1838年摩尔斯发明有线电报到1948年香农提出信息论，共110年；•主要是有线通信、无线通信、广播电视、雷达和微波通信等方面的发展；•此阶段以模拟通信为主。2.近代通信阶段•从1948年到20世纪80年代光纤通信系统等投入使用，共30多年；•主要是通信统计理论、数字传输理论及技术、彩色电视、卫星通信等方面的发展；•此阶段模拟通信用于普通产品，数字通信用于高端产品。3.现代通信阶段•20世纪80年代，商用通信卫星、程控数字交换机、光纤通信系统等陆续投入使用，至今共20多年；•主要是卫星通信、光纤通信、移动通信、多媒体通信等方面的发展，数字通信进入寻常百姓家庭。•目前通信系统的发展的战略方向是数字化、综合化、宽带化、个人化和智能化。计算机网络通信原理——概论通信技术的发展1.光纤通信•光纤通信具有容量大、成本低等优点，且不怕电磁干扰，与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。•自1977年世界上第一个光纤通信系统在芝加哥投入运行以来，光纤通信发展极为迅速，新器件、新工艺、新技术不断涌现，性能日臻完善。•由于长波长激光器和单模光纤的出现，使每芯光纤通话路数可高达百万路，中继距离将达到100km，市话中继光纤成本也连续大幅度下降。计算机网络通信原理——概论通信技术的发展2.卫星通信•卫星通信的特点是通信距离远，覆盖面积广，不受地理条件限制，可以大容量传输，建设周期短，可靠性高等。•自1960年第一颗卫星发射成功以来，卫星通信发展特别迅猛。目前卫星通信的使用范围已遍及全球，仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路。•卫星通信的广泛应用，使国际间重大活动能及时得以实况转播，它使全世界人与人之间的“距离”缩短。计算机网络通信原理——概论通信技术的发展3.移动通信•移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段，它是随着汽车、飞机、轮船、火车等交通工具的发展而同步发展起来的。•近10年来，在微电子技术和计算机技术的推动下，移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个把有线、无线融为一体，固定、移动相互连通的全国规模，甚至全球范围的通信系统。•移动通信的发展方向是数字化、微型化和标准化。计算机网络通信原理——概论第一章概论1.通信的基本概念2.通信系统的组成与分类3.数据通信涉及的主要技术4.信息及其度量5.数据通信系统的主要性能指标6.制定数据通信标准的机构计算机网络通信原理——概论通信系统的组成•注意：在计算机通信系统中，实际通信过程是双向的。信源发送设备信宿噪声信道接收设备发端收端•把各种消息转换成原始电信号•对原始信号完成某种变换，使之适合在信道中传输•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MODEMMODEMTerminalPSTNHost计算机网络通信原理——概论模拟通信系统•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；同时两种变换在收端都要经过反变换。信源调制器信宿噪声信道解调器发端收端计算机网络通信原理——概论数字通信系统•信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统，分为三类：1.数字频带传输通信系统2.数字基带传输通信系统3.模拟信号数字化传输通信系统信源调制信宿噪声信道解调信道编码信源编码信道译码信源译码•进行模/数转换•数据压缩和加密•进行差错检验和纠错计算机网络通信原理——概论数字通信系统的特点优点：•抗噪声性能好:信号的取值只有两个,容易判别和处理。•差错可控:通信中出现的差错可通过纠错编码技术来控制。•保密性好:与模拟信号相比更容易加密和解密。•易于与现代技术相结合。缺点：•频带利用率不高，数字信号占用的频带宽。•需要严格的同步系统，故设备复杂、成本高、体积较大。计算机网络通信原理——概论通信系统的分类1.按通信业务–电报、电话、传真、可视电话、无线寻呼等。2.按调制方式–基带传输和频带传输。3.按信道中所传信号–数字通信和模拟通信。计算机网络通信原理——概论通信系统的分类4.按传输介质–有线通信和无线通信。5.按工作频段–根据通信设备的工作频率不同，通常可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。6.按信道复用方式–频分复用方式（FDM）、时分复用方式（TDM）和码分复用方式（CDM）等；计算机网络通信原理——概论通信系统的分类7.按通信网络–专线通信和网通信等；8.按收信者是否运动–移动通信和固定通信；9.按通信方式–单工、单双工、双工通信等。计算机网络通信原理——概论第一章概论1.通信的基本概念2.通信系统的组成与分类3.数据通信涉及的主要技术4.信息及其度量5.数据通信系统的主要性能指标6.制定数据通信标准的机构计算机网络通信原理——概论数据通信中的主要技术问题1.–信道和噪声都是通信中必须涉及的基本问题，包括信道的概念、常用信道的特性及对所传信道的影响，克服不良信道特性的办法等。2.–发端、收端对信号进行处理过程中所涉及的技术：–模拟信号数字化问题中的信源编码/译码；–数据压缩处理，语音压缩编码技术；–数字复接技术等。计算机网络通信原理——概论数据通信中的主要技术问题3.–信号传输码型–码间串扰问题–实现无码间串扰传输的理想条件及减少码间串扰的部分响应系统和均衡技术。4.–数字频带传输技术主要是指数字通信系统的核心技术之一——数字调制/解调技术，是将输入的数字信号（基带数字信号）变换为适合于信道传输的频带信号。计算机网络通信原理——概论数据通信中的主要技术问题5.–同步就是使系统的收发两端在时间上保持步调一致。–同步的主要内容有载波同步、位同步、帧同步以及网同步。6.–差错控制编码/译码，属信道编码之范畴。–信道编码技术主要研究检错、纠错码概念及基本实现方法。计算机网络通信原理——概论数据通信中的主要技术问题7.信道复用技术–复用是将多个信源的彼此无关的信号，组合在一条物理信道上进行传送的技术。–高速的公共信道应同时为多对用户提供数据传输服务，以提高线路的利用率。8.数据交换技术–数据交换又叫数据转接。–转接技术直接影响了通信质量和线路利用率。它与信道共享问题密切相关。计算机网络通信原理——概论第一章概论1.通信的基本概念2.通信系统的组成与分类3.数据通信涉及的主要技术4.信息与度量5.数据通信系统的主要性能指标6.制定数据通信标准的机构计算机网络通信原理——概论信息的概念•信息是消息中包含的有意义的内容。•通信就是在信源和信宿之间传递消息。•消息中可以包含信息，但消息不等于信息。•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。•消息的传递过程，对接收者来说，是一个从不知到知的过程，或者说是一个从不确定到确定的过程。•信息论的主要奠基人香农认为：信息是不确定性的减少或消除。•消息是由符号、文字、数字、语音或图像组成的数据序列；•收到一则消息后，所得的信息量，在数量上等于获得消息前后“不确定性”的消除量。计算机网络通信原理——概论信息熵•“熵”的概念起源于物理学中的热力学，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度。它描述了某一种状态自发变化的方向。•“熵”是无序性的定量量度：把有规则排列的状态称为“低熵”，而混乱的状态对应于“高熵”。•信息熵的定义与熵的定义相似，它描述的是信息源的不确定性。•信息熵大表示信息源的不确定程度较大，同样是一种无序性。计算机网络通信原理——概论信息的度量•把传输信息的多少用“信息量”进行衡量。则信息量是对消息中事件不确定性的度量。•事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。因此，信息量是概率的函数。•假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉的信息量。•则I=I［P(x)］计算机网络通信原理——概论信息的度量•消息描述的事件出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。且：–概率P(x)→0时(不可能事件)，信息量I→∞；–概率P(x)→1时(必然事件)，信息量I→0。•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之和，即I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…计算机网络通信原理——概论信息的度量•根据香农理论：I=loga(1/P(x))=-logaP(x)•信息量的单位–如果对数以2为底，单位为比特（bit）–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）•目前广泛使用的单位为比特。计算机网络通信原理——概论平均信息量•设离散信源是一个由n个符号Si(i=1,2,3,…,n)组成的符号集，其中每个符号出现的概率为P(Si)，•当符号数目n的值很大时，Si将出现nP(Si)次，Si的信息量为-nP(Si)logaP(Si)•于是，每个符号的平均信息量为H=-P(S1)logaP(S1)+[-P(S2)logaP(S2)]+…+[-P(Sn)logaP(Si)]•对于二进制信息有：H=-∑(P(Si)log2P(Si))信息源的熵，单位为bit/符号计算机网络通信原理——概论【例2-1】•一信息源由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cabacabdacbdaabcadcbabaadcbabaacdbacaacabadbcadcbaabcacba的信息量。计算机网络通信原理——概论【例2-1】解1•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个字符。•则根据频度计算：–出现a的信息量为23log2(57/23)≈30.11(bit)–出现b的信息量为14log2(57/14)≈28.35(bit)–出现c的信息量为13log2(57/13)≈27.72(bit)–出现d的信息量为7log2(57/7)≈21.28(bit)•平均信息量为–(30.11+28.35+27.72+21.28)/57=107.36/57≈1.86计算机网络通信原理——概论【例2-1】解2•信源输出的信息序列中Pa=3/8,Pb=1/4,Pc=1/4，Pd=1/8。•则根据公式计算：–出现a的信息量为0.375log2(8/3)–出现b的信息量为0.25log2(4)–出现c的信息量为0.25log2(4)–出现d的信息量为0.125log2(8)–平均信息量为H≈1.906计算机网络通信原理——概论【例2-2】•设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为:•P=1/4的信息量为2比特•P=1/8的信息量为3比特•P=1/M的信息量为log2M(bit)•若M是2的整幂次，M=2K•则I=-log2P(x)=-log2M=K22211(0)(1)logloglog211()2IIpx=====计算机网络通信原理——概论数据与信号•数据是信息