第2章數(shù)據(jù)通信的基本知識(shí)

2.1通信系統(tǒng)模型2.2模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)2.3模擬通信和數(shù)字通信2.4傳輸代碼2.5數(shù)據(jù)傳輸模式2.6數(shù)據(jù)傳輸速率2.7頻譜習(xí)題2.1通信系統(tǒng)模型 2.1.1通信系統(tǒng)模型 通信的目的是傳遞消息，消息具有不同的形式，例如符號(hào)、文字、語(yǔ)言、音樂(lè)、圖片、數(shù)據(jù)等。通常把從一個(gè)地方向另一個(gè)地方進(jìn)行消息的有效傳遞與交換稱(chēng)為通信。 各種通信系統(tǒng)可由圖2-1中模型概括。圖2-1通信系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是通信系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)中經(jīng)常用到的一種通信系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如圖2-2所示。圖2-2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型 2.1.2通信系統(tǒng)分類(lèi) 通信的分類(lèi)形式多種多樣，按照不同的分類(lèi)形式有不同的分類(lèi)方法。具體如下：

(1)按信號(hào)的特征分為：模擬通信、數(shù)字通信。

(2)按具體業(yè)務(wù)與內(nèi)容分為：語(yǔ)音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信、多媒體通信。

(3)按傳輸媒介分為：有線(xiàn)通信、無(wú)線(xiàn)通信。

(4)按信號(hào)復(fù)用方式分為：時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用、碼分復(fù)用、波分復(fù)用。

(5)按信道的使用方式分為：專(zhuān)線(xiàn)通信、網(wǎng)絡(luò)通信。2.2模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) 2.2.1模擬信號(hào) 信號(hào)通常分為兩類(lèi)：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是指隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)，圖2-3描繪了常見(jiàn)的模擬信號(hào)。圖2-3模擬信號(hào) 2.2.2數(shù)字信號(hào) 數(shù)字信號(hào)是指不隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)，圖2-4描繪了常見(jiàn)的數(shù)字信號(hào)。圖2-4數(shù)字信號(hào)2.3模擬通信和數(shù)字通信 2.3.1模擬通信 模擬通信系統(tǒng)如圖2-5所示。圖2-5模擬通信系統(tǒng)框圖

通信系統(tǒng)中，特別是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，無(wú)論是模擬通信系統(tǒng)還是數(shù)字通信系統(tǒng)，在發(fā)送端一般都有一個(gè)調(diào)制的問(wèn)題。模擬通信系統(tǒng)是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，數(shù)字通信系統(tǒng)是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。在接收端還需進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)，那是什么原因呢？采用調(diào)制發(fā)射方式的原因是多方面的，但主要原因有兩個(gè)：

(1)與無(wú)線(xiàn)電波有效輻射條件有關(guān)；

(2)為了滿(mǎn)足“多路復(fù)用”的需要。

無(wú)線(xiàn)電波有效輻射的條件是指無(wú)線(xiàn)電信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)有效地輻射出去所必須具備的條件，即天線(xiàn)的幾何尺寸應(yīng)與欲發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)波長(zhǎng)相比擬。信號(hào)波長(zhǎng)λ與頻率f的關(guān)系是

其中c為無(wú)線(xiàn)電波在空間的傳播速度，其值為30萬(wàn)千米/秒。

采用調(diào)制方式還與實(shí)現(xiàn)“多路復(fù)用”有關(guān)，例如，有一組音樂(lè)信號(hào)和一組語(yǔ)言信號(hào)要同時(shí)播出，若將這兩組信號(hào)不經(jīng)調(diào)制直接向空間輻射，那么，這兩組信號(hào)的頻譜就會(huì)發(fā)生混疊，在解調(diào)端無(wú)法將這兩組信號(hào)區(qū)分開(kāi)，所以也需要進(jìn)行調(diào)制。 所謂調(diào)制，直觀(guān)地講，就是將頻率較低、不宜在信道中直接進(jìn)行傳輸?shù)脑茧娦盘?hào)加到高頻載波(一般為頻率很高的正弦波)上，用信號(hào)的變化規(guī)律去改變載波的某些參數(shù)的過(guò)程。調(diào)制前的信號(hào)稱(chēng)為基帶信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)。

模擬通信是指信源和信道上傳輸?shù)氖悄M信號(hào)的通信方式?；鶐盘?hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后轉(zhuǎn)變成高頻已調(diào)波向外輻射。調(diào)制的方式通常分為：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。 調(diào)幅過(guò)程如圖2-6所示，基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)變換(與載波信號(hào)相乘后濾波)得到振幅隨基帶信號(hào)作相應(yīng)變化的高頻調(diào)幅波，此過(guò)程稱(chēng)為調(diào)幅。此調(diào)幅波傳輸出去后，也就是將基帶信號(hào)所攜帶的信息進(jìn)行了傳送，實(shí)現(xiàn)了通信。圖2-6調(diào)幅示意圖 2.3.2數(shù)字通信 數(shù)字通信系統(tǒng)如圖2-7所示。圖2-7數(shù)字通信系統(tǒng)框圖 2.3.3數(shù)字通信的主要特點(diǎn) 與模擬通信相比，數(shù)字通信有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)抗干擾能力強(qiáng)。

(2)保密性強(qiáng)。

(3)適合計(jì)算機(jī)處理。

(4)靈活性高，適合于各種綜合業(yè)務(wù)要求。

(5)易于集成，可靠性好。2.4傳輸代碼 2.4.1ASCII碼 最廣為流行的編碼是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼ASCII碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)。它是一種7位編碼(見(jiàn)附錄A)，為每一個(gè)鍵盤(pán)字符和特殊功能字符分配一個(gè)惟一的組合，大多數(shù)計(jì)算機(jī)都使用這種編碼方式。 2.4.2EBCDIC碼 擴(kuò)展的二-十進(jìn)制交換碼EBCDIC(ExtendedBinaryCodedDecimalInterchangeCode)碼，它是IBM公司開(kāi)發(fā)的8比特代碼，可以表示256個(gè)不同字符。主要用于IBM大型機(jī)和外圍設(shè)備。EBCDIC碼目前只定義了143種，剩余113個(gè)，這對(duì)需要自定義的字符非常有利。EBCDIC編碼表(見(jiàn)附錄B)。

2.4.3國(guó)際電報(bào)2號(hào)碼 國(guó)際電報(bào)2號(hào)碼是一種5位代碼，廣泛應(yīng)用于電報(bào)通信中。是電傳電報(bào)中的標(biāo)準(zhǔn)用碼，低速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中常使用這種碼。5位碼加上轉(zhuǎn)移控制碼(“數(shù)字/字母”可改變代碼意義)，共有64種表示，實(shí)際中應(yīng)用了58個(gè)。國(guó)際電報(bào)2號(hào)碼編碼(見(jiàn)附錄C)。2.5數(shù)據(jù)傳輸模式 2.5.1并行傳輸和串行傳輸

1．并行傳輸 并行傳輸是將數(shù)據(jù)以成組的方式在兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸，如圖2-8(a)所示。圖2-8并行與串行傳輸(a)并行傳輸；(b)串行傳輸 2．串行傳輸 串行傳輸是數(shù)據(jù)碼流排成一行，一個(gè)接一個(gè)地在一條信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，如圖2-8(b)所示。 串行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，成本低，在長(zhǎng)距離連接中比較可靠；缺點(diǎn)是需外加同步措施解決收、發(fā)雙方碼組或字符的同步，且單位時(shí)間內(nèi)只傳送1個(gè)比特位，速度較慢。一般較長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸均采用串行傳輸，同步問(wèn)題是其必須解決的問(wèn)題。 2.5.2同步傳輸與異步傳輸

1．同步傳輸 同步傳輸是指收發(fā)雙方采用統(tǒng)一的時(shí)鐘節(jié)拍來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳送。數(shù)據(jù)的發(fā)送一般以幀(群)為單位，其比特分組很大，一幀包含許多個(gè)字符，每個(gè)字符沒(méi)有自己的起始位和停止位，而是將它們組合起來(lái)以數(shù)據(jù)幀的格式一起發(fā)送，在每幀的開(kāi)始和結(jié)束都必須加上預(yù)先規(guī)定好的碼元序列作為標(biāo)記。同步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式如圖2-9所示。圖2-9同步傳輸數(shù)據(jù)格式 2．異步傳輸 異步傳輸是指收發(fā)兩端各自有相互獨(dú)立的碼元定時(shí)時(shí)鐘，數(shù)據(jù)率是雙方約定的，接收端利用數(shù)據(jù)本身來(lái)進(jìn)行同步的傳輸方式。它是在每一個(gè)字符的二進(jìn)制碼的前后分別加上起始位和停止位，以表示一個(gè)字符的開(kāi)始和結(jié)束。異步傳輸數(shù)據(jù)格式如圖2-10所示。圖2-10異步傳輸數(shù)據(jù)格式2.6數(shù)據(jù)傳輸速率 2.6.1比特率與波特率

1．碼元傳輸速率(RB)

碼元傳輸速率，又稱(chēng)碼元速率或傳碼率。它被定義為單位時(shí)間(秒)內(nèi)傳送碼元的數(shù)目，單位為“波特”，常用符號(hào)“B”表示。例如，若某系統(tǒng)在2秒內(nèi)共傳送4800個(gè)碼元，則其系統(tǒng)的碼元速率為2400波特或2400B。

但要特別注意的是，碼元速率僅僅表征單位時(shí)間內(nèi)傳送碼元的數(shù)目，并沒(méi)有限定這時(shí)的碼元是何種進(jìn)制，它可以是二進(jìn)制、八進(jìn)制或其它進(jìn)制。碼元速率只與碼元的寬度(即傳輸一個(gè)碼元所需的時(shí)間)有關(guān)，若碼元的寬度為T(mén)b，則RB與Tb互為倒數(shù)關(guān)系，即

若Tb的單位為秒(s)，則RB的單位為波特(B)。 2．信息傳輸速率 信息傳輸速率，又稱(chēng)信息速率或傳信率。它被定義為每秒中傳遞的信息量，單位為比特/秒，或記為b/s(或?qū)懗蒪ps)。例如，若某信息源每秒中傳送1200個(gè)符號(hào)，而每一個(gè)符號(hào)的平均信息量為1比特，則該信息源的信息速率為1200b/s或1200bps。

2.6.2香農(nóng)定律

1．信息及其度量 前面我們已經(jīng)提到，信息是對(duì)事物不確定性的一種描述，那么信息的多少用什么來(lái)衡量呢？香農(nóng)提出了“信息量”的概念，香農(nóng)指出，消息中所含的信息量I是該消息的概率p(x)的函數(shù)，即

下面我們來(lái)討論等概率出現(xiàn)的離散信息的度量。因?yàn)槲覀兲幚淼拇蟛糠謹(jǐn)?shù)字信息，無(wú)論是二進(jìn)制還是多進(jìn)制，在大信息量傳輸時(shí)都屬于這種情況。若傳遞的離散消息有M種，每個(gè)消息都獨(dú)立出現(xiàn)且概率相同，顯然，這M種消息就對(duì)應(yīng)著M進(jìn)制的波形，傳輸M種消息就等價(jià)于傳輸M進(jìn)制的波形。M進(jìn)制中最簡(jiǎn)單的情況是M=2，即二進(jìn)制，而且，任意一個(gè)M進(jìn)制的波形總可以用若干個(gè)二進(jìn)制波形來(lái)表示。因此我們常用M=2，二進(jìn)制來(lái)定義信息量。我們定義傳輸兩個(gè)等概率的二進(jìn)制波形之一的信息量為1，單位為“比特”，即

若對(duì)于M進(jìn)制，同理可得

若M是2的整數(shù)次冪，例如八進(jìn)制、十六進(jìn)制等，M=2K

(K=1，2，…)，則

現(xiàn)在我們來(lái)考察由N個(gè)符號(hào)組成的離散信息源，在非等概條件下，其信息量應(yīng)該是每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值，即平均信息量為

例2-1

一個(gè)信息源由4個(gè)符號(hào)0、1、2、3組成，它們出現(xiàn)的概率分別為0.375，0.25，0.25，0.125，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)是獨(dú)立的，試求此信息源的信息量。 解根據(jù)平均信息量的計(jì)算公式，可得

H=?0.375lb0.375?0.25lb0.25?0.25lb0.25?0.125lb0.125=1.906bit/符號(hào) 若信息源的每個(gè)符號(hào)等概出現(xiàn)，均為0.25，則其最大的平均信息量為

Hmax=?0.25lb0.25?0.25lb0.25?0.25lb0.25?0.25lb0.25=2bit/符號(hào) 2．香農(nóng)定律 某一信息源，知道了每一消息所含的平均信息量H和每秒內(nèi)產(chǎn)生消息的速率r，則信息源發(fā)出的信息速率R為

由上式知道，給定了r和H，我們就得到了信息源的信息速率R，那么能否在信道中以信息速率R值進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸呢？這一問(wèn)題由信息論中的基本定理——香農(nóng)定理給出了解答。香農(nóng)定理指出，在加性高斯白噪聲信道中(絕大部分信道為此信道)，傳輸功率受限的信號(hào)，信道的極限傳輸速率(信道容量)C為

式中，B為信道的頻帶寬度，基本單位為Hz；S/N為平均信號(hào)噪聲功率比(簡(jiǎn)稱(chēng)信噪比)，此公式通常稱(chēng)為香農(nóng)定律，亦稱(chēng)香農(nóng)信道容量公式。 2.6.3奈奎斯特定律 香農(nóng)定律主要是針對(duì)有噪聲的模擬或數(shù)字信道而言的，對(duì)于無(wú)噪聲的數(shù)字信道，我們用奈奎斯特定律指明其信道容量。 奈奎斯特定律：頻帶寬度為B(Hz)的無(wú)噪聲數(shù)字信道，其所能傳輸?shù)男盘?hào)的最高碼元速率為2B波特，則最大信息速率(信道容量)C為

式中，N為碼元所能取的離散值的個(gè)數(shù)。

首先我們可以得到每個(gè)像素所含的信息量，每個(gè)像素等概率地取10個(gè)亮度電平，則每個(gè)像素的信息量I=lb10=3.32bit。每幀圖像的信息量為300000×3.32=996000bit。由于每秒發(fā)送30幀，所以每秒內(nèi)傳送的信息量為996000×30=2.99×107b/s，即為需要傳送的信息速率。為了實(shí)現(xiàn)此信號(hào)的傳輸，信道容量C必須大于或等于2.99×107b/s，根據(jù)香農(nóng)公式，已知條件S/N為1000，則

即所要求的帶寬約為3MHz。2.7頻譜

對(duì)于信號(hào)，從抽象意義上講，它就是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)，因而也同樣可以用傅立葉級(jí)數(shù)來(lái)表示，通常有兩種表示方法：時(shí)域法和頻域法。 圖2-11就是一個(gè)最常見(jiàn)的時(shí)域法表示的正弦波，它表示了信號(hào)的幅度隨時(shí)間的變化情況。 圖2-12就是一個(gè)頻率為f的正弦波信號(hào)的頻譜表示。圖2-11正弦信號(hào)的時(shí)域表示圖圖2-12正弦信號(hào)的頻域表示圖

實(shí)際的信號(hào)不會(huì)是單一的正弦波，它往往是由無(wú)數(shù)個(gè)正弦波疊加而成的，因而其頻譜也是由無(wú)數(shù)個(gè)頻率分量合成的，示意圖如圖2-13所示。圖2-13信號(hào)的頻譜示意圖習(xí)題 1．簡(jiǎn)述常見(jiàn)通信系統(tǒng)的模型。

2．模擬通信中信號(hào)的調(diào)制方式有哪幾種？

3．?dāng)?shù)字通信的特點(diǎn)是什么？

4．簡(jiǎn)述數(shù)據(jù)傳輸方式的常見(jiàn)分類(lèi)和使用范圍