通信网络程序设计.pptx

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1、通信网络程序设计,第 1 章 绪 论 本章主要介绍通信的基本概念，使学生对通信的基本概念、术语以及本课程所要研究的主要对象有一个初步了解。本章是通信原理与技术的基础。研究内容：,1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统的组成 1.3 通信系统分类及通信方式 1.4 通信系统的主要性能指标,2023/5/8,2,1.1 通信的基本概念,通信的定义：是指由一地向另一地进行消息的有效传递。通信的目的是传递消息，消息具有不同的形式，例如：语言、文字、数据、图像、符号等等。,2023/5/8,3,要素,消息：有待于传输的语音、图象、符号、数字、图片等概率论意义上的“事件”。消息带有需要送给收信者的信息。

2、消息以信号的形式在系统中进行传输。系统：电子系统、语音系统、声光系统等。通信系统：完成通信这一过程的全部技术设备和传输媒介。通信是信号与系统的集合。,2023/5/8,4,信号：是消息的载荷者，与消息一一对应的东西。在电信系统里，载荷者为“电”，对应消息被载荷在电信号的某参量上，如电压、电流或电波等物理量（进一步还可以是该物理量的幅度、相位或频率等）。此时的信号为电信号，习惯上简称为信号。模拟信号、数字信号。传输电信号的通信系统为电信通信系统，常简称之通信系统。,2023/5/8,5,通信的再定义：利用电子等技术手段，借助电信号（含光信号）实现从一地向另一地进行消息的有效传递称为通信。,202

3、3/5/8,6,1.2 通信系统的组成,图1-1 通信系统的一般模型,信源（信息源，也称发终端）：把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。,1.2.1 通信系统的一般模型,2023/5/8,7,信道：信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。噪声源：是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。非人为加入。接收设备：任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。信宿（受信者、收终端）：将复原的原始电信号转换成相应的消息。,20

4、23/5/8,8,1.2.2 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。可由一般通信系统模型略加改变而成。,1.研究的问题（1）模拟通信系统中两种重要变换：消息原始电信号（基带信号）调制信号（基带信号）已调信号（频带信号）（2）信号受噪声干扰的影响噪声背景下的信号传输。,2023/5/8,9,（2）调制的功用提高频率，便于辐射；频率分配；实现频分复用；改善系统性能。,2023/5/8,10,已调信号有三个基本特性：（1）携带有消息；（2）适合在信道中传输（如辐射：天线尺寸1/10 波长）；（3）频谱具有带通形式，且中心频率远离零频频带信号。如：卫星电视信号（中心频率6/4GHz

5、、带宽36MHz）,相应地，原始电信号的频谱具有低通形式，直流/低频分量丰富基带信号。如：话音信号：3003.4kHz;电视基带信号：08MHz。,2023/5/8,11,1.2.3 数字通信系统（1）定义：信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。（2）基本特征 消息或信号具有“数字”的特性；强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系（模拟：强调变换的线性特性，即强调已调参量与代表消息的基带信号之间的比例特性）。,2023/5/8,12,（3）数字通信的主要特点 抗干扰能力强：抗噪声性能好、消除噪声积累；信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的差错可控：检错、纠错；易加密（进

6、行人为的扰乱）；易于与现代技术相结合（数字终端、计算机等）。（4）数字通信需要解决的问题：差错可控：通过差错控制编码即信道编码实现；加密：通过加密、解密实现；节拍一致：位同步/帧同步。（5）分类 数字基带传输通信系统 数字频带传输通信系统 模拟信号的数字传输,2023/5/8,13,数字频带传输通信系统 数字通信系统的一般模型,数字频带传输通信系统的模型,注：加密/解密、编码/译码不为必须，但一旦存在，必须成对；关键必需含调制/解调器。,2023/5/8,14,注：基带信号形成器：可能包括编码器、加密器以及波形变换等；接收滤波器：可能包括译码器、解密器等。关键：不含调制/解调器。,数字基带传输

7、系统模型,2.数字基带传输通信系统,2023/5/8,15,3.模拟信号数字化传输通信系统 解决问题：模拟信源、数字通信系统。,模拟信号数字化传输系统模型,关键：模拟信号数字化及其反之。A/D转换器组成：抽样、量化、编码。发端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；接收端需进行相反的转换，即D/A转换。,2023/5/8,16,1.2.4 数字通信的主要特点 1.数字通信的主要优点（1）抗干扰能力强；（2）差错可控；（3）易加密；（4）易于与现代技术相结合。2.亟待解决的问题（1）提高频带利用率；（2）简化系统设备结构。,2023/5/8,17,1.3 通信系统分类及通信方式,1.3.1 通信的分

8、类1.按传输媒质分：有线通信和无线通信；有线通信是指传输媒质为架空明线、电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。无线通信是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质（如电磁波）的一种通信形式。有线通信可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信、红外通信等，其形式较多。,2023/5/8,18,2.按信道中所传信号特征分：模拟通信系统与数字通信系统；3.按工作频段分：长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。地波、天波、反射波、视距波 4.按调制方式分：基带传输和频带传输（AM、SSB、DSB、

9、VSB；ASK、FSK、PSK、DPSK；PAM、PCM、M等）；5.按业务的不同分：话务通信和非话务通信；电话业务在电信领域中一直占主导地位，它属于人与人之间的通信。非话务通信主要包括数据传输、计算机通信、电子信箱、电报、传真、可视图文及会议电视、图像通信等。电话通信最为发达，其它通信常借助于公共的电话通信系统进行。未来的综合业务数字通信网中，各种用途的消息都能在一个统一的通信网中传输。另:从广义的角度来看，广播、电视、雷达、导航、遥控、遥测等也应列入通信的范畴。但已从通信中派生出来，形成了独立的学科。,2023/5/8,19,6.按收信者是否运动分：移动通信和固定通信。另外，通信还有其它一

10、些分类方法，如按多地址方式可分为频分多址通信（FDMA）、时分多址通信（TDMA）、码分多址（CDMA）、空分多址（SDMA）通信等；按用户类型可分为公用通信和专用通信等。,2023/5/8,20,1.3.2 通信方式 1.按消息传送的方向与时间分 通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。,2023/5/8,21,2.按数字信号排序分 可将通信方式分为串序传输和并序传输。,2023/5/8,22,3.按通信网络形式分 通信的网络形式通常可分为三种：两点间直通方式、分支方式和交换方式。,图1-8 按网络形式划分的通信方式（a）两点间直通方式；（b）分支方式；（c）交换方式,2023/

11、5/8,23,注：分支方式及交换方式均属网通信的范畴。与点与点直通方式相比，有其特殊的一面。例：通信网中有一套具体的线路交换与消息交换的规定、协议等；通信网中既有信息控制问题，也有网同步问题等。网通信的基础仍是点与点之间的通信。本课程只研究：点对点通信，而不涉及通信网的其它问题（移动通信、计算机通信、程控交换等）。,2023/5/8,24,1.4 通信系统的主要性能指标,1.4.1 一般通信系统的性能指标 一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面:（1）有效性：通信系统传输消息的“速率”问题，即快慢问题。（2）可靠性：通信系统传输消息的“质量”问题，即好坏问题。（3）适应性：通信系统对环境

12、条件的适应性。（4）经济性：系统的成本问题。（5）保密性：系统对所传信号的加密措施。对军用系统尤为重要。（6）标准性：系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准。（7）维修性：系统是否维修方便。（8）工艺性：通信系统各种工艺要求。通信的任务是快速、准确地传递信息，从研究消息传输的角度来说，有效性和可靠性是评价通信系统优劣的主要性能指标。,2023/5/8,25,对于模拟通信来说，系统的有效性和可靠性具体可用系统频带利用率和输出信噪比（或均方误差）来衡量。对于数字通信系统而言，系统的可靠性和有效性具体可用误码率和传输速率来衡量。,2023/5/8,26,1.4.2 信息及其度量（1）信息

13、定义：消息中包含的有意义的内容。“信息”一词在概念上与消息的意义相似，但它的含义却更具普遍性、抽象性。消息可以有各种各样的形式，但消息的内容可统一用信息来表述。（2）信息量 传输信息的多少可直观地使用“信息量”进行衡量。在一切有意义的通信中，虽然消息的传递意味着信息的传递，但对接收者而言，某些消息比另外一些消息的传递具有更多的信息。例:非常可能发生的事情：“今年秋季比去年秋季冷”。极不可能发生的事情：“今年秋季比去年冬季冷”。事件愈不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，信息量就愈大。,2023/5/8,27,（2）信息量 事件愈不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，信息量就愈大。度量消息中所含的信

14、息量的方法，必须能够用来估计任何消息的信息量，且与消息种类无关。消息中所含信息的多少也应和消息的重要程度无关。另：由概率论可知，事件的不确定程度，可用事件出现的概率来描述：事件出现（发生）的可能性愈小，则概率愈小；反之，概率愈大。基于这种认识，得：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。且概率为零时（不可能事件）信息量为无穷大；概率为1时（必然事件）信息量为0。,2023/5/8,28,综上：信息量与消息出现的概率有关，具体可以描述为如下规律：（1）消息中所含信息量是消息出现概率的函数：,（2）消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小

15、，且：,（3）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。,2023/5/8,29,信息量 I 和消息出现概率P(x)的关系为：,信息量的单位取决于对数底数a的取值：a=2 单位为比特（bit，简写为b）；a=e 单位为奈特（nat，简写为n）；a=10 单位为哈特莱。,2023/5/8,30,例1.1 设二进制离散信源，数字0或1以相等的概率出现，试计算每个符号的信息量。解:二进制等概率时,有,即二进制等概时，每个符号的信息量相等，为1bit。,2023/5/8,31,式中，P=1/M 为每一个符号出现的概率。一般情况下M=2K，则上式可改写成,例：对于M进制离散信

16、源，若M个符号等概率出现，且每一个符号的出现是独立的，即信源是无记忆的，则每个符号的信息量相等，为,结论：独立等概情况下M进制的每一符号包含的信息量，是二进制每一符号包含信息量的K倍（K是每一个M进制符号用二进制符号表示时所需的符号数目）。,2023/5/8,32,（3）平均信息量 当各个符号出现的概率不相等时，计算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。平均信息量定义：每个符号所含信息的平均值。用符号 表示。多进制时，设各符号出现的概率为：,则平均信息量（信息源的熵）为：,2023/5/8,33,显然，当信源中每个符号独立等概出现时，式（1.4-6）即成为（1.4-4）。可以证明，此时信息源的

17、熵为最大值。,信息源的熵：,2023/5/8,34,1.4.3 有效性指标的具体表述 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，系统的有效性越好。有效性通常有两种表示方法。1.码元传输速率RB（数码率、传码率、码率、信号速率或波形速率）定义：单位时间内传输码元的数目；单位：波特（Baud），用符号“B”表示；数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率与信号的进制数无关，只与码元宽度有关：,其中：Tb为码元宽度。,2023/5/8,35,2.信息传输速率Rb（传信率、比特率）定义：单位时间内传输的信息量；单位：比特/秒（bit/s），简记为b/s或bps；因为信息量与信号进制数N有

18、关，因此，也与N有关。3.Rb与RB之间的关系 它们之间在数值上有如下关系：,2023/5/8,36,4.多进制与二进制传输速率之间的关系（1）码元速率不变，二进制信息速率与多进制信息速率之间的关系：,（2）系统信息速率不变，多进制码元速率与二进制码元速率之间的关系：,结论：,2023/5/8,37,1.4.4 可靠性指标的具体表述 数字通信系统可靠性的指标是利用差错率来衡量。差错率通常有两种表示方法。1.码元差错率（误码率）发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，也就是说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率。,2023/5/8,38,2.信息差错率（误信率）发生差错的信息量在信息传输总量中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。,2023/5/8,39,例1.2 已知某八进制数字通信系统的信息速率为3000b/s，在收端10分钟内共测得出现了18个错误码元，试求系统的误码率。解 依题意,注意:一定要把码元速率RB和信息速率Rb的条件搞清楚，如不细心，此题容易误算出Pe=10-5的结果。,由式（1-16），得系统误码率,2023/5/8,40,