通信和网络基础知识(陈柏年)

1通信和网络基础知识陈柏年2广播网与交换网的比较•广播网–通信方式：定点发送，群点接收；共享信道，单向传送–设备配置：相对简单，按共享信道配置设备•交换网–通信方式：多点发送，多点接收；独享信道，双向传送–设备配置：相对复杂，按独享信道（用户数量）配置设备3网络的复杂性表现1.来源于不同技术和不同网络2.多种连接方式3.没有形成单一的理论4.采用不同术语5.新颖模式和协议层出不穷4网络发展趋势•“三网”：电信网，广电网，计算机网•发展趋势–宽带化：高速率、支持高速视频流通信–多媒体化：支持声音、图像和数据综合–低成本普及化：综合造价低、运行成本省5通信网络的构成要素•终端设备：信源和信宿。将用户所传送信息转换成传输设备上传输的电（光）信号或反之。•交换设备：对含有信息的电（光）信号转接交换和交叉连接。•传输设备：将通信网内节点（交换设备）连接起来，构成传输电（光）信号的通道。6网络的分类（1）一、按主要性能：1、最大覆盖范围：LAN、MAN、WAN2、通信种类：计算机网、电信网、广电网二、按技术特征：1、拓扑结构：星型、环型、总线型、树型、网状型2、MAC子层特征：复接方式：时分、频分、空分、码分交换方式：电路交换、分组交换、混合交换三、按技术体制：1、准同步数字系列PDH2、同步数字系列SDH7网络的分类（2）四、按通信功能：1、信息网：直接为用户服务的网络2、支撑网：信令网、同步网、管理网3、接入网：有线接入网、无线接入网五、按使用协议：1、同步数字系列SDH2、异步转送模式ATM3、因特网网际协议IP4、综合业务数字网ISDN5、以太网Ethernet等8主要的宽带网络技术1.SDH（同步数字系列）2.WDM（波分复用）3.HFC（光纤同轴电缆混合网）4.ATM（B-ISDN）（异步转送模式）5.IP（网间协议）9覆盖范围不同的计算机网络（计算机网络角度）•按覆盖范围和地域划分•局域网LAN（特征、以太网MAC，CSMA/CD）•城域网MAN（基本特征，与LAN的区别）•广域网WAN（子网，主机，路由器）•互联网internet（WAN连接的LAN的集合）•因特网Internet（特指使用TCP/IP协议的国际互联网）•网络互连和网络互联的概念不同10网络互连和网络互联1、网络互连（interconnection）：用线路和互连设备连接不同低层（网络层以下）协议的网络，强调的是物理连接。2、网络互联（internetworking）：用应用程序网关实现采用不同高层（传输层以上）协议的网络，强调的是逻辑连接。11通信的有关基本概念1、数据(data)：事物（实体）的表达形式，信息的记录，可识别的符号。2、信息(information)：数据的内容和解释。给予收信者新知识、有意义的消息。消息中包含的有意义的内容。3、通信(Communication)：一切将消息从发送者有效传递至接收者过程。12消息（Message）•消息（Message）：用来传送一定信息量的符号、序列（文字、数字等）或连续函数（声音、图像、音乐等）。与记录不同，消息意味着经通信传输。–离散消息：指状态是可数的或离散型的消息。比如符号、文字和数据等，也称为数字消息。–连续消息：指状态连续变化的消息，如连续变化的语音、图像等，也称为模拟消息。13信号（Signal）•信号(signal)：用某种物理量来代表某种信息的形式和符号，也即数据的电磁或电子编码。•为了传递消息，各种消息需要转换成电（光）信号。通常消息载荷在电（光）信号的某一参量上。–如果电（光）信号的该参量携带着离散消息，则该参量必将是离散取值的。这样的信号就称为数字信号。–如果电（光）信号的该参量连续取值，则称这样的信号为模拟信号。•按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分成两类：模拟通信系统和数字通信系统。14数据和信号的关系•数据就是把事物的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述，例如十进制数、二进制数、字符等。•信号是数据的具体的物理表现，具有确定的物理描述，例如电压、磁场强度等。•用数据传递信息总是依赖于一定的物理信号，例如用嘴发出的声音其实是用声波信号传递信息，用笔写出字符其实是用文字来传递信息。当数据在计算机通信网络中传输时，通信线路上实际上传输的是一个二值（对应二进制数据）的电压序列信号。15比特bit•来源：“比特”是英语bit一词的音译。bit一词是由binary（二进制的）和digit（数字）两个词压缩而成的，所以bit即“二进制数字”，亦即０和１。•定义：表示实体的一种存在的状态（开或关，真或伪，上或下，入或出，黑或白）。出于实用的目的，我们把比特想成１或０。•比特（位）通常用于数据在网络上传输的情况下。16字节（Byte）•定义：字节（Byte）是一种比“比特”更抽象或是高级的度量单位，一般来说，一个字节有8位，即8个比特。•字节通常用在数据的存储系统中。•四个缩写：“K”、“M”、“G”和“T”。–1K＝1024=210，“千”；–1M＝1024×1K=220，“兆”；–1G＝1024×1M=230，“千兆”或者“吉”；–1T=1024×1G=240，“太”17数字信号和数据信号•数字信号–驮载消息信号的参量的改变在时间上和取值上都是离散的信号。–函数的取值为有限多个，信号的定义域和值域都是离散的。–待传递的信息包含在码元的组合之中（对应关系）。•数据信号–特指用共128个8bit二进制码组代表的52个字母、10个数字、32个字符和34个符号的信号。–编码规则采用美国信息交换标准编码ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）•两种信号不同点–1、基本概念不同，2、传送通道不同，3、响应设备不同18数据通信•数据通信(DataCommunication)：一种通过计算机或其它数据装置和通信线路，完成数据编码信号的传输、转接、存储和处理的通信技术。数据通信系统的构成数据源数据宿信号变换信号变换传输信道19数据通信的关键组成部分（1）信源-产生待发数据；（2）发送器-编码并形成适应传输的信号；（3）传输系统-连接信源和信宿之间的传输介质或复杂网络；（4）接收器-接收来自传输系统的信号，并转换成信宿可处理的信号；（5）信宿-接收来接收器的信号，并还原成原始数据。20单工半双工双工A信道BA信道BA信道BA通信的工作方式1.单工通信：消息只能单向传输，如遥测、遥控等。2.半双工通信：指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发的方式，如使用同一载频工作的无线电机。3.全双工通信：指通信双方可同时进行收发消息的工作方式，如普通电话。21信息量•信息量I与消息出现的概率P(x)间的关系式有如下规律：–消息中所含的信息量I是出现该消息的概率P(x)的函数。–消息的出现概率越小，它所含的信息量愈大；反之信息量愈小。–若干个相互独立事件构成的消息，所含的信息量等于各独立事件信息量的和。•I与P(x)间的关系式为：I=loga1/p(x)=-logap(x)信息量的单位的确定取决于上式中对数底a的确定：a值2e10单位比特(bit)奈特(nat)笛特（Dat）/哈特莱（Hartley）22模拟信号Analogsignal1、模拟信号的定义：用信号的某一参量（连续波的振幅、频率、相位，脉冲波的振幅、宽度、位置等）的连续变化来表示消息、且直接与消息相对应的信号。2、模拟信号的特点：（1）函数的取值为无限多个，信号的定义域和值域都是连续的。（2）待传递的信息包含在信号的波形之中（比例关系）。23数字信号Digitalsignal1、数字信号的定义：信号的某一参量只能取有限个数值，且常常不直接与消息相对应的信号。即指当驮载荷消息的参量(如电信号的幅度、频率、相位等)的改变在时间上和取值上都是离散的信号。2、数字信号的特点：（1）函数的取值为有限多个，信号的定义域和值域都是离散的。（2）待传递的信息包含在码元的不同组合之中（对应关系）。24模拟信号与数字信号的不同101101101模拟信号是恶化，数字信号是出错25模拟数据和数字数据1、模拟数据AnalogData：用连续的物理变量（如电流、电压、转角、长度）表示的数据。2、数字数据DigitalData：用不连续的形式（通常是0、1或-1、1）表示的数据。两种数据的传输方式1、模拟式数据传输；2、数字式数据传输。四种数据的调制方式1、数字数据、模拟信号传输（ASK、FSK、PSK）；2、数字数据、数字信号传输（NRZ、RZ、双相位码、双极性码、延迟调制码）；3、模拟数据、数字信号传输（PCM、增量调制、参量调制）；4、模拟数据、模拟信号传输（AM、FM、PM）。26信源调制器信道信宿解调器噪声源这是一种“模拟信源数据、模拟信号”传输方式。实质性的两种变换是调制和解调，还可有其它的过程。需要研究的问题：1）基带信号的特性2）调制与解调原理3）已调信号的特性4）在有噪声的情况下系统的性能。模拟通信系统（信道中传输模拟信号的通信系统）27调制•调制的定义：把输入信号变换为适合于通过信道传输的波形的变换过程。•调制的作用：实现信源的频谱与信道的频带匹配。•调制中的三种信号：1.调制信号（基带信号）：原始信号2.载波信号：被调制的高频周期性脉冲起运载原始信号的作用。3.已调信号：调制后的信号28调制方法分类•1、按信号m(t)的不同分：–模拟调制：m(t)是连续信号。–数字调制：m(t)是数字信号。•2、按载波信号c(t)不同分：–连续波调制：c(t)连续；–脉冲调制：c(t)为脉冲。•3、按调制器功能的功能分：–幅度调制：用:m(t)改变c(t)的幅度（AM，DSB，SSB，VSB）。–频率调制：用:m(t)改变c(t)的频率，如FM。–相位调制，用:m(t)改变c(t)的相位，如PM。•4、按调制器传输函数来分：–线性调制：调制前、后的频谱呈线性搬移关系。–非线性调制：调制前、后的频谱不呈线性搬移关系，且调制后产生许多新成份。29模拟通信系统•模拟通信的主要特点：1、抗干扰能力差2、不易于保密通信3、设备不易于大规模集成4、不适应飞速发展的计算机通信的要求5、简单、易于实现。•已调信号的基本特点：–携带传送消息–适合在信道中传送–具有较高频率成分30信源加密器信道信宿解调器噪声源译码器调制器解密器编码器数字频带传输通信系统（有调制器/解调器的数字通信系统）•这是一种“数字信源数据、模拟信号”传输方式。•频带传输：对各种信号调制后再传输的总称。•数字通信的突出问题：强调已调参量之间的一一对应关系。•编码分为信源编码和信道编码。•由于同步环节位置不固定，图中未示出。31信源脉冲形成器信道信宿取样判决器噪声源接收滤波器CP定时脉冲发送滤波器同步提取电路码元再生器数字基带传输通信系统（没有调制器/解调器的数字通信系统）•这是一种“数字信源数据、数字信号”传输方式，信源输出的信号只经过简单的频谱变换（如形成升余弦、去除直流分量等），不经过频谱搬移进行传输，没有调制解调器的数字通信系统。•基带传输：信号在其原始的频带内进行传输。•基带信号形成器中可能包含有编码器、加密器、波形变换器等。•接收滤波器中可能包含有译码器、解密器等。32数字通信系统构成要素•信源（信宿）：提供待传递的语声、图像或数据信号；•信源编码方法：PCM、ADPAM、DM、SBC等；•信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等；•加密器：对数字信号进行逻辑运算加密处理；•复用：PDH、SDH理论；•调制：基带调制（如AMI、HDB3、CMI等线路编码）、频带调制；•再生中继器：如光通信中的光再生中继器、微波通信中的中继站、卫星通信中卫星上的转发器等；•信道：电缆、光缆、无线短波、微波、卫星等。33数字通信系统研究问题•1）数字基带信号的特性（A/D变换）；•2）数字调制与解调原理；•3）已调信号的特性；•4）数字通信系统的抗干扰性能；•5）信道编码、译码（差错控制）；•6）加密；•7）同步。