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)絡概述 3.5通信系統(tǒng)中的基礎理論 通信的根本任務

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寬。所謂帶寬，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：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。要認識通信，首先要認識信息以及通信的有關基本概念。通信的基本術語通信—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、機器或其他事物。信道：信號傳輸?shù)耐ǖ馈Ｐ潘蓿杭聪魉偷膶ο蟆Ｐ潘抟部梢允侨?、機器或其他事物。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（InformationTechnology，簡稱IT）：也常被稱為信息和通信技術（InformationandCommunicationsTechnology，ICT），指用于管理和處理信息所采用的各種技術的總稱。它主要包括傳感技術、計算機技術和通信技術。信息化：通常指現(xiàn)代信息技術的應用，如利用信息獲取技術(傳感技術、遙測技術)、信息傳輸技術(光纖技術、紅外技術、激光技術)、信息處理技術(計算機技術、控制技術、自動化技術)等，以改進作業(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備或計算機。信宿——是傳輸信息的歸宿，其作用是將復原（解碼）的原始信號轉換成相應的消息。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)運動和主觀思維活動的狀態(tài)表達出來就成為消息。構成消息的兩個條件：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通信就為模擬通信；數(shù)字信號所對應通信就為數(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，對應通信就為有線通信；無線介質(zhì)，如短波，微波，衛(wèi)星等，對應通信就為無線通信。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、IP電話終端、傳真機、無繩電話機、聯(lián)網(wǎng)計算機等電話網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)終端設備的通信。移動通信是指通信雙方至少有一方在運動中進行信息交換的通信。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行收或發(fā)通信，但不能同時進行收和發(fā)的一種通信方式，如：對講機、有的電梯、微信······3.全雙工通信—是指通信雙方同時可進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行收發(fā)信息。例如普通電話，手機就是全雙工方式。單工（Simplex)特點：僅能進行一個方向的數(shù)據(jù)傳送。即單向。

半雙工（HalfDuplex）特點：數(shù)據(jù)可以在兩個方向上進行傳送，但是這種傳送絕不能同時進行。如：對講機全雙工（FullDuplex）特點：能夠在兩個方向同時進行數(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備內(nèi)使用，它需要占用多條通路，優(yōu)點是傳輸時間較短。另外：通信的網(wǎng)絡形式通?？煞譃槿N：點到點直通方式、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。

點到點直通方式：是通信網(wǎng)絡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)過同一信道與轉接站相互連接，此時，終端之間不能直通信息，必須經(jīng)過轉接站轉接。╳

交換方式：是終端之間通過交換設備靈活地進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現(xiàn)消息交換，即通過交換設備先把發(fā)方來的消息存儲起來，然后以控制方式再轉發(fā)至收方。這種消息轉發(fā)可以是實時的，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、設備和傳輸媒質(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備，經(jīng)過接收設備處理后再轉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)送設備，信道以及接收設備，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)字數(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、通信質(zhì)量不受距離影響、適應各種通信業(yè)務要求，便于采用大規(guī)模集成電路、實現(xiàn)保密通信和實現(xiàn)通信網(wǎng)計算機管理等優(yōu)點而成為現(xiàn)代通信網(wǎng)和國家信息基礎設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)。

復用器將來自若干單獨分信道的獨立信號復合起來，在一公共信道的同一方向上進行傳輸?shù)脑O備。

復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（以二進制形式選擇一種數(shù)據(jù)輸入）。復用器有一個單獨的輸出，與選擇的數(shù)據(jù)輸入值相同。復用技術可能遵循以下原則之一，如：TDM、FDM、CDM或WDM（波分復用）。復用技術也應用于軟件操作上，如：同時將多線程信息流傳送到設備或程序中。（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為信源編碼狀態(tài)，信源譯碼是把信號恢復為信源狀態(tài)送給信宿。3.4通信網(wǎng)絡概述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，就形成了一個網(wǎng)狀的結構，這種由多用戶構成的通信系統(tǒng)體系就稱為通信網(wǎng)。2.通信網(wǎng)的要素：從硬件結構看，通信網(wǎng)由終端節(jié)點、交換節(jié)點、業(yè)務節(jié)點、傳輸系統(tǒng)構成。其功能是完成接入交換網(wǎng)控制、管理、運營和維護。從軟件結構看，它們有信令，協(xié)議，控制，管理，計費等。其功能是完成通信協(xié)議以及網(wǎng)絡管理來實現(xiàn)相互間的協(xié)調(diào)通信。3.通信網(wǎng)的機制：通過保持幀同步和位同步，遵守相同的傳輸體制實現(xiàn)。4.現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要特點：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，就形成了一個網(wǎng)狀的結構，這就是通信網(wǎng)。這種由多用戶構成的通信系統(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)絡的廣播風暴的產(chǎn)生,當線路出現(xiàn)故障，斷開的接口被激活，恢復通信，起備份線路的作用。

在如上所示的網(wǎng)絡環(huán)境中，不難看出，當所有主機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備與鏈路，就不可能存在環(huán)路。交換機就當相于Hub一樣連接了多臺主機，而這樣的網(wǎng)絡結構，被稱為hub-spoke網(wǎng)絡結構，只要主機與Hub是連通的，那么就表示主機之間是連通的。基于此原因，STP借助了hub-spoke網(wǎng)絡結構無環(huán)的網(wǎng)絡思想，將一個擁有多臺交換機通過多條鏈路相連的網(wǎng)絡，通過Block掉任意兩點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)絡環(huán)境，創(chuàng)造一個無環(huán)的交換網(wǎng)絡。HUB是一個多端口的轉發(fā)器，block語氣強烈，指有效堵住了通道，使人或物無法通過。

hub-spoke—軸輻網(wǎng)絡模式(1)

通信網(wǎng)實質(zhì)上由用戶終端設備、傳輸設備、交換設備三大部分構成。2.通信網(wǎng)的三大組成

通信網(wǎng)實質(zhì)上由用戶終端設備、傳輸設備、交換設備三大部分構成。移動交換中心BSBSBSA地B地信道信道光纜傳輸系統(tǒng)設備；微波傳輸系統(tǒng)設備；衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)設備。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)學家，美國科學院院士，信息論的創(chuàng)始人，20世紀最偉大的科學家之一,他是影響了整個數(shù)字通信時代的偉大人物。他在通信技術與工程方面的創(chuàng)造性工作，為計算機與遠程通信奠定了堅實的理論基礎，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》上發(fā)表了“通信的數(shù)學理論”，香農(nóng)把通信的數(shù)學理論建立在概率論的基礎上，把通信的基本問題歸結為通信的一方能以一定的概率復現(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)容按照一種標準轉換為一種標準格式，編碼的目的是為了符合傳輸?shù)囊?。以語音通信為例，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)絡進行傳輸，必須先將模擬信號轉換為數(shù)字信號，這個過程就稱為編碼。通過數(shù)字網(wǎng)絡接收到經(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準將編碼內(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。當然，信源編碼不是簡單的A/D、D/A變換，而還要進行壓縮。為通信傳輸而進行信源編碼，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：一是實現(xiàn)模數(shù)轉換，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。

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

A/D轉換器和D/A轉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，從而達到在接收端進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：①編碼效率高，抗干擾能力強；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，以便接收端準確地解