通信與信息專業(yè)概論第3章-通信與信息的基本概念課件

第3章通信與信息的基本概念3.1通信與信息常用名詞 3.2通信系統(tǒng)分類及通信方式3.3通信系統(tǒng)的組成3.4通信網(wǎng)絡(luò)概述 3.5通信系統(tǒng)中的基礎(chǔ)理論 通信的根本任務(wù)

人類的社會生活不可能離開相互之間的交流，而交流的過程就是把含有信息的消息從一處傳向另一處，這個傳遞消息的過程就是通信。由此看來，通信的根本目的就是發(fā)出信息，傳遞信息，接受信息，達(dá)到相互交流。一方面信息通信中，如何做到最快，首先就是要求帶寬足夠?qū)挕Ｋ^帶寬，是指信道中能傳輸?shù)男盘柕念l率范圍，通俗的講，就是在輸送信息的過程中，信息所走過的路的寬度。另一方面是可靠性，也就是傳遞信息要正確無誤。如同我們郵寄包裹一樣，我們不僅希望投遞包裹的速度要快，而且希望能夠準(zhǔn)確無誤的投遞到該去的地方，而不要投遞錯誤。在通信中，可靠性也極其重要。通信的根本任務(wù)：快速、可靠地傳遞信息。

通信就是消息的傳遞和交換。我們通常把從一個地方向另一個地方進(jìn)行消息的有效傳遞與交換稱為通信。若從更廣義上說，無論采用何種方法，使用何種傳輸媒質(zhì)，只要將信息從一個地傳送到另一個地，均可稱為通信。要認(rèn)識通信，首先要認(rèn)識信息以及通信的有關(guān)基本概念。通信的基本術(shù)語通信—只要將信息從一個地傳送到另一個地，均可稱為通信。3.1通信與信息常用名詞消息：常常指對語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等的統(tǒng)稱。信息：對受信者來說，預(yù)先不知道的消息。信號：消息的表現(xiàn)形式，如電、光、聲等。噪聲：通信中的各種干擾的統(tǒng)稱。媒質(zhì)：是指能傳輸信號的物質(zhì)。信源：能產(chǎn)生消息的源。信源可以是人、機(jī)器或其他事物。信道：信號傳輸?shù)耐ǖ?。信宿：即消息傳送的對象。信宿也可以是人、機(jī)器或其他事物。模擬信號：幅度變化是連續(xù)的，可取無限個值。如電話信號波形。數(shù)字信號：主要特征是離散的，其幅度只有0和1兩個數(shù)值。比特：bit/s，每秒傳送二進(jìn)制符號的個數(shù)。波特：baud/s，單位時間內(nèi)傳輸碼元符號的個數(shù)(傳符號率),即單位時間內(nèi)載波參數(shù)變化的次數(shù)。1.常用名詞誤碼率(BER)：又叫誤比特率，是指接收到的錯誤比特數(shù)和總的傳輸比特數(shù)之比，即在傳輸中出現(xiàn)錯誤信息量的概率。帶寬（BandWidth）：在模擬系統(tǒng)又叫頻寬，是指指信道中能傳輸?shù)男盘柕念l率范圍，通常以每秒傳送周期或赫茲（Hz）來表示。在數(shù)字系統(tǒng)中，帶寬指每秒可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，通常以bps（bit/s）表示。信息技術(shù)（InformationTechnology，簡稱IT）：也常被稱為信息和通信技術(shù)（InformationandCommunicationsTechnology，ICT），指用于管理和處理信息所采用的各種技術(shù)的總稱。它主要包括傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)。信息化：通常指現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，如利用信息獲取技術(shù)(傳感技術(shù)、遙測技術(shù))、信息傳輸技術(shù)(光纖技術(shù)、紅外技術(shù)、激光技術(shù))、信息處理技術(shù)(計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、自動化技術(shù))等，以改進(jìn)作業(yè)流程，提高作業(yè)質(zhì)量。信宿——在通信中，從另一部件(信源)接收信息的部件。信宿——通信過程中接收和處理信息的設(shè)備或計算機(jī)。信宿——是傳輸信息的歸宿，其作用是將復(fù)原（解碼）的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。信源、信宿和信道是信息傳播的三大要素。信源是信息的發(fā)源地。信道即傳遞信息帶的通道，是信源和信宿之間聯(lián)系的紐帶。信宿的進(jìn)一步理解：消息——用文字、符號、數(shù)據(jù)、語言、音符、圖片、圖像等能夠被人們感覺器官所感知的形式，把客觀物質(zhì)運(yùn)動和主觀思維活動的狀態(tài)表達(dá)出來就成為消息。構(gòu)成消息的兩個條件：一是能夠被通信雙方所理解；二是可以傳遞。因此，人們從電話、電視等通信系統(tǒng)中得到的是一些描述各種主、客觀事物運(yùn)動狀態(tài)或存在狀態(tài)的具體消息。香農(nóng)將各種通信系統(tǒng)概括成如圖1.1所示的框圖。信息是事物運(yùn)動狀態(tài)或存在方式的不確定性的描述。信息——常常把消息中有意義的內(nèi)容稱為信息。按物理學(xué)的觀念，信息只不過是被一定方式排列起來的信號序列。

信息是物質(zhì)存在的一種方式、形態(tài)或運(yùn)動形態(tài)，也是事物的一種普遍屬性，一般指數(shù)據(jù)、消息中所包含的意義，人們從接收到的E_Mail、電話、廣播和電視的消息中能獲得各種信息，信息與消息有著密切的聯(lián)系。在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖歉鞣N各樣的消息，而這些被傳送的消息有著各種不同的形式。例如：文字、符號、數(shù)據(jù)、語言、音符、圖片、圖像等等3.2通信系統(tǒng)分類及通信方式3.2.1通信系統(tǒng)分類

⑴按信號形式分模擬信號所對應(yīng)通信就為模擬通信；數(shù)字信號所對應(yīng)通信就為數(shù)字通信；⑵按媒質(zhì)分有線介質(zhì)分，如雙絞線，架空明線，同軸電纜，光纖等，對應(yīng)通信就為有線通信；無線介質(zhì)，如短波，微波，衛(wèi)星等，對應(yīng)通信就為無線通信。⑶按頻段分可以分為長波通信、中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信、衛(wèi)星通信、光通信等。⑷按業(yè)務(wù)與內(nèi)容分，分為語音通信（電話）、數(shù)據(jù)通信、圖像通信、多媒體通信、無線尋呼、電報等。⑸按移動和固定方式分，分為固定方式通信：利用普通電話機(jī)、IP電話終端、傳真機(jī)、無繩電話機(jī)、聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)等電話網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)終端設(shè)備的通信。移動通信是指通信雙方至少有一方在運(yùn)動中進(jìn)行信息交換的通信。3.2.2通信方式

通信工作方式從不同角度來劃分，常有以下幾種:⑴按消息傳送的方向與時間分類；

⑵按數(shù)字信號排序方式分類。（1）按消息傳送方式分

可以分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。1.單工通信—是指消息在任意時刻只能單方向進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信方式。例如我們常見的廣播和遙控等就屬于單工通信。2.半雙工通信—是指通信雙方都能進(jìn)行收或發(fā)通信，但不能同時進(jìn)行收和發(fā)的一種通信方式，如：對講機(jī)、有的電梯、微信······3.全雙工通信—是指通信雙方同時可進(jìn)行雙向傳輸消息的一種通信方式。也就是說，通信的雙方可同時進(jìn)行收發(fā)信息。例如普通電話，手機(jī)就是全雙工方式。單工（Simplex)特點(diǎn)：僅能進(jìn)行一個方向的數(shù)據(jù)傳送。即單向。

半雙工（HalfDuplex）特點(diǎn)：數(shù)據(jù)可以在兩個方向上進(jìn)行傳送，但是這種傳送絕不能同時進(jìn)行。如：對講機(jī)全雙工（FullDuplex）特點(diǎn)：能夠在兩個方向同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。即同時雙向。（2）按數(shù)字信號分可分為串行（串序傳輸）和并行傳輸（并序傳輸）。

串行傳輸—是指將代表信息的數(shù)字信號序列按時間順序一個接一個地在信道中傳輸?shù)姆绞?。一般的?shù)字通信方式大都采用串行傳輸，這種方式只需占用一條通路，可以節(jié)省大量的投資，缺點(diǎn)是傳輸時間相對于并行傳輸較長。并行傳輸—是指將代表信息的數(shù)字信號序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號序列同時在信道上傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健２⑿袀鬏敺绞皆谠O(shè)備內(nèi)使用，它需要占用多條通路，優(yōu)點(diǎn)是傳輸時間較短。另外：通信的網(wǎng)絡(luò)形式通常可分為三種：點(diǎn)到點(diǎn)直通方式、分支方式和交換方式。

通俗地講，并行傳輸猶如一條多車道的寬闊大道上有多輛車并排而行，而串行傳輸則如僅能一列火車通過的鐵路上有一列火車在行駛。

點(diǎn)到點(diǎn)直通方式：是通信網(wǎng)絡(luò)中最為簡單的一種形式，終端A與終端B之間的線路是專用的；

分支式通信方式：它的每一個終端（A、B、C、…、N）經(jīng)過同一信道與轉(zhuǎn)接站相互連接，此時，終端之間不能直通信息，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)接站轉(zhuǎn)接。╳

交換方式：是終端之間通過交換設(shè)備靈活地進(jìn)行線路交換的一種方式，即要求通信的兩終端之間的線路接通（自動接通），或者通過程序控制實(shí)現(xiàn)消息交換，即通過交換設(shè)備先把發(fā)方來的消息存儲起來，然后以控制方式再轉(zhuǎn)發(fā)至收方。這種消息轉(zhuǎn)發(fā)可以是實(shí)時的，也可以是延時的。3.3通信的基本模型和組成

簡單的說通信系統(tǒng)就是通信中的一切技術(shù)、設(shè)備和傳輸媒質(zhì)。我們?nèi)粘Ｉ钪腥伺c人之間面對面的交談就是一種最常見的通信，發(fā)話的人是消息的來源，我們稱為信源；話音通過空氣傳播到了對方，空氣這種媒質(zhì)稱為信道；聽話者聽到了傳過來的消息，是消息的歸宿，我們稱為信宿。這樣一個過程就完成了消息的傳遞。如果我們將這一過程抽象化，就得到一個最基本的通信模型。最常見的通信1.基本模型

打電話需要把說話人的語音信息轉(zhuǎn)換成電信號，然后送入傳輸介質(zhì)中，即為信道，經(jīng)過信道的傳輸，電信號被送到接收端的接收設(shè)備，經(jīng)過接收設(shè)備處理后再轉(zhuǎn)換成原來的語音信息送給消息的接收者，也就是信宿，于是，電話線另一端的人就接收到了對方的信息。信道信宿信源信道

在以上通信過程中所涉及的說話人就是信源，接聽人就是信宿，加上發(fā)送設(shè)備，信道以及接收設(shè)備，就組成了通信系統(tǒng)的基本模型。通信系統(tǒng)的基本模型

所謂模擬通信系統(tǒng)，就是通過在信道中傳輸模擬信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，普通的電話、廣播、電視等都屬于模擬通信。2.模擬通信

在模擬通信系統(tǒng)中需要兩種變換。一種是要將發(fā)送端的連續(xù)消息變換成原始的電信號，這個變換由信源來完成。由于這種原始電信號通常具有頻率很低的頻譜分量，一般不宜直接傳輸，因此，運(yùn)用而生的第二種變換就是將原始電信號變換成其頻帶適合信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號，這種變換就稱為調(diào)制，此變換由調(diào)制器來完成。調(diào)頻、條幅解密器3.數(shù)字通信

數(shù)字通信系統(tǒng)，就是通過在信道中傳輸數(shù)字信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)。數(shù)字通信可以傳輸電報、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)等數(shù)字信號，也可以傳輸經(jīng)過數(shù)字化處理的語音和圖像等模擬信號。數(shù)字通信具有抗干擾能力強(qiáng)、通信質(zhì)量不受距離影響、適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)要求，便于采用大規(guī)模集成電路、實(shí)現(xiàn)保密通信和實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)計算機(jī)管理等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代通信網(wǎng)和國家信息基礎(chǔ)設(shè)施主要的傳輸信息的通信方式。（1）數(shù)字通信組成模塊

一個數(shù)字通信系統(tǒng)主要由8部分組成：信源、編碼器、調(diào)制器、信道、解調(diào)器、譯碼器、信宿和定時同步系統(tǒng)。

復(fù)用器將來自若干單獨(dú)分信道的獨(dú)立信號復(fù)合起來，在一公共信道的同一方向上進(jìn)行傳輸?shù)脑O(shè)備。

復(fù)用器是一種綜合系統(tǒng)，通常包含一定數(shù)目的數(shù)據(jù)輸入，n個地址輸入（以二進(jìn)制形式選擇一種數(shù)據(jù)輸入）。復(fù)用器有一個單獨(dú)的輸出，與選擇的數(shù)據(jù)輸入值相同。復(fù)用技術(shù)可能遵循以下原則之一，如：TDM、FDM、CDM或WDM（波分復(fù)用）。復(fù)用技術(shù)也應(yīng)用于軟件操作上，如：同時將多線程信息流傳送到設(shè)備或程序中。（2）編碼器

所謂編碼，就是把消息變換成信號的措施，其目的是使信號適合于信道傳輸。編碼可分為兩種，即信源編碼和信道編碼。（3）譯碼器

譯碼是編碼的反變換，也稱解碼，分為兩種，信道譯碼和信源譯碼。信道譯碼是把接收到的信號恢復(fù)為信源編碼狀態(tài)，信源譯碼是把信號恢復(fù)為信源狀態(tài)送給信宿。3.4通信網(wǎng)絡(luò)概述3.4.1通信網(wǎng)的基本概念1.通信網(wǎng)(CommunicationNetwork）：將分布在全球各個地方的任意兩個用戶通過傳輸線連接起來，在這些縱橫交錯的傳輸線加上交換節(jié)點(diǎn)，就形成了一個網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，這種由多用戶構(gòu)成的通信系統(tǒng)體系就稱為通信網(wǎng)。2.通信網(wǎng)的要素：從硬件結(jié)構(gòu)看，通信網(wǎng)由終端節(jié)點(diǎn)、交換節(jié)點(diǎn)、業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)、傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。其功能是完成接入交換網(wǎng)控制、管理、運(yùn)營和維護(hù)。從軟件結(jié)構(gòu)看，它們有信令，協(xié)議，控制，管理，計費(fèi)等。其功能是完成通信協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)管理來實(shí)現(xiàn)相互間的協(xié)調(diào)通信。3.通信網(wǎng)的機(jī)制：通過保持幀同步和位同步，遵守相同的傳輸體制實(shí)現(xiàn)。4.現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要特點(diǎn)：使用方便、安全可靠、靈活多樣、覆蓋范圍廣。3.4.3

通信網(wǎng)的基本組成通信網(wǎng)組成的原則：解決通信遠(yuǎn)距離的有效和可靠傳輸之后，還需要解決互通信息的任意性，以及通信區(qū)域的廣域性，需要將通信系統(tǒng)覆蓋到全球的各個地方，讓我們能在全球的任意地方都能進(jìn)行方便的通信。

將分布在全球各個地方的任意兩個用戶通過傳輸線連接起來，在這些縱橫交錯的傳輸線加上交換節(jié)點(diǎn)，就形成了一個網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，這就是通信網(wǎng)。這種由多用戶構(gòu)成的通信系統(tǒng)體系就稱為通信網(wǎng)。1.通信網(wǎng)STP－SpanningTreeProtocol（生成樹協(xié)議）邏輯上斷開環(huán)路，防止二層網(wǎng)絡(luò)的廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生,當(dāng)線路出現(xiàn)故障，斷開的接口被激活，恢復(fù)通信，起備份線路的作用。

在如上所示的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，不難看出，當(dāng)所有主機(jī)都使用單條鏈路與一臺核心相連時，只要不再增加其它額外設(shè)備與鏈路，就不可能存在環(huán)路。交換機(jī)就當(dāng)相于Hub一樣連接了多臺主機(jī)，而這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，被稱為hub-spoke網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只要主機(jī)與Hub是連通的，那么就表示主機(jī)之間是連通的?；诖嗽?，STP借助了hub-spoke網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無環(huán)的網(wǎng)絡(luò)思想，將一個擁有多臺交換機(jī)通過多條鏈路相連的網(wǎng)絡(luò)，通過Block掉任意兩點(diǎn)之間多余的鏈路而只留下單條鏈路，最終修整出一個hub-spoke的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，創(chuàng)造一個無環(huán)的交換網(wǎng)絡(luò)。HUB是一個多端口的轉(zhuǎn)發(fā)器，block語氣強(qiáng)烈，指有效堵住了通道，使人或物無法通過。

hub-spoke—軸輻網(wǎng)絡(luò)模式(1)

通信網(wǎng)實(shí)質(zhì)上由用戶終端設(shè)備、傳輸設(shè)備、交換設(shè)備三大部分構(gòu)成。2.通信網(wǎng)的三大組成

通信網(wǎng)實(shí)質(zhì)上由用戶終端設(shè)備、傳輸設(shè)備、交換設(shè)備三大部分構(gòu)成。移動交換中心BSBSBSA地B地信道信道光纜傳輸系統(tǒng)設(shè)備；微波傳輸系統(tǒng)設(shè)備；衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)設(shè)備。移動交換中心BSBSBS市話交換長途交換長途交換市話交換長途交換車載臺3.5通信系統(tǒng)基本理論

香農(nóng)（Shannon），美國數(shù)學(xué)家，美國科學(xué)院院士，信息論的創(chuàng)始人，20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一,他是影響了整個數(shù)字通信時代的偉大人物。他在通信技術(shù)與工程方面的創(chuàng)造性工作，為計算機(jī)與遠(yuǎn)程通信奠定了堅實(shí)的理論基礎(chǔ)，是信息論及數(shù)字通信時代的奠基人。1.香農(nóng)理論1948年6月和10月，香農(nóng)在《貝爾系統(tǒng)技術(shù)》上發(fā)表了“通信的數(shù)學(xué)理論”，香農(nóng)把通信的數(shù)學(xué)理論建立在概率論的基礎(chǔ)上，把通信的基本問題歸結(jié)為通信的一方能以一定的概率復(fù)現(xiàn)另一方發(fā)出的消息，并針對這一基本問題對信息作了定量描述。精確地定義了信源、編碼、信道、譯碼、信宿等概念,建立了通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這就是著名的香農(nóng)模型，并得出了信源編碼定理和信道編碼定理等重要結(jié)果。2.信源編碼與信道編碼

編碼是將源對象內(nèi)容按照一種標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為一種標(biāo)準(zhǔn)格式，編碼的目的是為了符合傳輸?shù)囊蟆Ｒ哉Z音通信為例，我們發(fā)出的聲音是模擬信號，現(xiàn)在的傳輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)，為了通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，必須先將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這個過程就稱為編碼。通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)接收到經(jīng)過編碼的信號后，又必須還原為模擬信號才能播放出來，這個過程稱為解碼。解碼是和編碼對應(yīng)的，解碼是為了還原成我們能識別的信息，它使用和編碼相同的標(biāo)準(zhǔn)將編碼內(nèi)容還原為最初的對象內(nèi)容。編碼分為信源編碼和信道編碼。

即A/D。當(dāng)然，信源編碼不是簡單的A/D、D/A變換，而還要進(jìn)行壓縮。為通信傳輸而進(jìn)行信源編碼，主要就是壓縮編碼。（1）信源編碼信源編碼—在通信中，將模擬信號按壓縮編碼法則變?yōu)閿?shù)字信號序列的變換叫～。取樣量化編碼信源編碼器主要作用：一是實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，把信源發(fā)出的連續(xù)信號變換為數(shù)字序列；二是降低信號的數(shù)碼率。常見的脈碼調(diào)制、聲碼器、信號的數(shù)據(jù)率壓縮都屬于信源編碼。

將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC,AnalogtoDigitalConverter）；將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC,DigitaltoAnalogConverter）；

A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器已成為信息系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。

信道編碼的基本方法是在信息碼中增加一定數(shù)量的多余碼元（稱為監(jiān)督碼元），使它們滿足一定的約束關(guān)系，這樣由信息碼元和監(jiān)督碼元共同組成一個信道傳輸?shù)拇a字，從而達(dá)到在接收端進(jìn)行判錯和糾錯的目的，但信道編碼會使有用的信息數(shù)據(jù)傳輸減少。對信道編碼的要求主要有以下幾點(diǎn)：①編碼效率高，抗干擾能力強(qiáng)；②對信號有良好的透明性，傳輸通道對于傳輸?shù)男盘杻?nèi)容不加限制；③傳輸信號的頻譜特性與傳輸信道的通頻帶有最佳的匹配性；④編碼信號包含有數(shù)據(jù)定時和幀同步信息，以便接收端準(zhǔn)確地解