第1章-物联网通信技术

第1章通信的基本模型与概念,1.1通信系统模型1.2模拟通信与数字通信系统模型1.3通信系统的分类及通信方式1.4信息及信息量1.5数据通信系统中的主要性能指标本章小结,1.1通信系统模型通信的任务是完成消息的传递。消息具有不同的形式，如符号、文字、语音、数据、图像等，为了将消息传递到目的地，须经过若干个环节构成的“通信系统”来完成，将这些环节抽象为一般的模型，即形成了通信系统的模型。完成某一通信任务的过程可以抽象为将一个消息从消息的源头传递到消息的目的地，为了实现这一过程，要经过发送设备、传输媒质（信道）和接收设备环节，如图1.1.1所示。,图1.1.1通信系统模型,在图1.1.1中，发送端(信息源)的作用是把各种可能的消息转换成原始电信号。为了使该信号适合在信道中传输，需由发送设备对其进行某种处理或变化，然后再传送到信道中进行传输。信道是指信号传输的通道。在接收端，接收设备的作用与发送设备相反，即从接收信号中尽可能地恢复出原始电信号，而受信者（也称信宿）是将复原的原始信号转换成相应的消息。噪声源是信道中的噪声及分布在通信系统其他各处的噪声的集中表示。,1.2模拟通信与数字通信系统模型通信中所传输的消息是多种多样的，符号、文字、语音、图形图像等都是消息多样的表现。消息可分为两种类型，第一类称为离散消息，另一类称为连续消息。离散消息是指消息的状态是可数的或离散的，也称为数字消息，例如数据、符号等。连续消息是指其状态是连续变化的，也称为模拟消息，如连续变化的语言、图像等。,为了能传递消息，各种消息需转换为电信号，即消息与电信号之间必须有一一对应的关系。通常，消息被承载在电信号的某一参量上，如果电信号的参量承载的是离散消息，则该参量必须是离散值，这种信号称为数字信号。如果电信号的参量是连续值，则这样的信号称为模拟信号。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为模拟通信系统和数字通信系统。,原始电信号由于它的成分中含有不适合信道传输的低频分量，因此，模拟通信往往需要将原始电信号变换成适合于信道传输的信号，并在接收端进行反变换，这种变换和反变换称为调制和解调。经过调制后的信号称为已调信号，它应具有两个基本特征，一是携带消息，二是适合信道的传输。,通常，我们将发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号，因此，原始信号又称为基带信号，而已调信号则称为频带信号。一般的模拟通信系统模型可由图1.2.1表示。图1.2.1与图1.1.1的不同之处是将发送设备、接收设备分别用调制器和解调器来代替。,图1.2.1模拟通信系统模型,数字通信的基本特征是其传输离散或数字信号。在模拟通信中通过调制与解调对基带信号进行变换和反变换，要求变换（或反变换）应具有成比例的线性关系；而在数字通信中，则要求已变换的参量与基带信号之间呈一一对应的关系。除上述外，数字通信还应解决以下关键问题：（1）数字信号在传输时，信道噪声或干扰所造成的差错需要通过差错控制编码等手段来解决。为此，在发送端需要增加一个编码器，而接收端需要一个解码器。,（2）当需要保密时，可以有效对基带信号进行人为的加密，此时，需要在收发两端分别增加加密器和解密器。（3）由于数字信号的传输是按照节拍传送数字信号单元（即码元）的，因此接收端必须按与发送端相同的节拍接收，否则会出现“张冠李戴”的混乱结果。（4）为了表述消息的内容，基带信号都是按消息内容编组的，各组之间用某码组表示间隔和停顿。,鉴于上述四项要解决的关键问题，数字通信系统的模型可表述为图1.2.2所示。,图1.2.2数字通信系统模型,实际上，在数字通信系统中，各个环节并非一定要采用图1.2.2所示的形式，而应依据具体的要求来设计。如对于一个数字基带传输系统（见图1.2.3），就不采用频带调制和解调环节。另外，当数字通信系统要传输模拟消息时，还可在发送端前、接收端后分别增加模/数变换(A/D变换)器和数/模变换(D/A变换)器。,图1.2.3数字基带通信系统模型,1.3通信系统的分类及通信方式1.3.1通信系统分类通信系统有许多不同的分类方法，这里我们从通信系统的模型出发对通信系统进行分类。（1）按消息的物理特征分类。依据消息的物理特征不同，通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统和多媒体通信系统等。,（2）按调制方式分类。根据是否采用调制环节，可将通信系统分为基带传输通信系统和频带（调制）传输通信系统。基带传输系统中，原始消息信号未经频带调制而直接传输。频带传输通信系统是对各种信号调制后传输的总称，调制方式很多，常见的一些调制方式如表1.3.1所示。,（3）按信号特征分类。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为模拟通信系统与数字通信系统。（4）按传输媒质分类。按照传输媒质，通信系统可分为有线和无线两大类。表1.3.2为通信系统使用的频段、常用的媒质和主要用途。,另外，通信所用的波长与频率有如下关系:,式中，为工作波长，f为工作频率，c为光速(m/s)。,（5）按信号复用方式分类。传输多路信号可用三种复用方式，即频分复用、时分复用和码分复用。频分复用是用频带的搬移方式使不同的信号占据不同的频段，不同信号所占据的频段不重叠交叉；时分复用是用抽样或脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间；码分复用是用一组正交的码组携带多路信号。,1.3.2通信方式对于典型的点对点通信，按照消息传递的方向与时间的关系，通信方式可分为单工、半双工和全双工三种。在数字通信中，按照码元排列方式的不同，通信方式可分为串行通信与并行通信两种。（1）单工通信方式。单工通信方式是指消息只能按单一方向传输，物联网中感知控制层的感知信息采集传输、控制就采用单工通信方式。单工通信方式的原理如图1.3.1所示。,图1.3.1单工通信方式原理,（2）半双工通信方式。半双工通信是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发工作，须分开进行消息收发，发送端在发送消息时，接收端只能接收消息；同理，接收端发送消息时，发送端也只能接收消息。对讲机就是典型的半双工通信方式。半双工通信方式的原理如图1.3.2所示。,图1.3.2半双工通信方式原理,（3）全双工通信方式。全双工通信方式是指通信双方均能同时收发消息，其通信的原理如图1.3.3所示。,图1.3.3全双工通信方式原理,（4）串行通信方式。串行通信方式是指将数字信号的码元按时间顺序一个接一个地在信道中传输，其通信的原理如图1.3.4所示。,图1.3.4串行通信方式原理,（5）并行通信方式。将数字码元分成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在多路信道中传输，该方式称为并行通信。其通信的原理如图1.3.5所示。,图1.3.5并行通信方式原理,1.4信息及信息量为了计算信息量，消息中所含的信息量I与消息x出现的概率P(x)间的关系有如下的规律：（1）消息中所含的信息量I是出现该消息的概率P(x)的函数，即I=IP（x）(1.4.1)（2）消息出现的概率越小，它所含的信息量越大；反之越小，且当P(x)=1时，I=0。,（3）若干个相互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总和，即IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+(1.4.2)易看出，若I与P(x)间的关系为,就可满足信息量的度量要求，上述定义的式(1.4.1)式(1.4.3)即为消息x所含的信息量I。,信息量的单位取决于上述公式中对数的底数a，如果a=2，则信息量的单位为比特(bit)；如果a=e，则信息量的单位为奈特(nit)；若a=10，则信息量的单位称为十进制单位，或叫哈特莱（Hart）。通常广泛使用的单位是比特。,以下先介绍等概率出现的离散消息的度量情况。若需要传递的离散消息是在M个消息之中独立地选择其一，且认为每个消息的发生是等概率的。显然，为了传递一个消息，只需采用一个M进制的波形来传递。也就是说，传送M个消息之一这样一个事件与传送M进制波形之一是完全等价的。M进制中最简单的情况是二进制，即M=2，在等概率时，式(1.4.3)成为,(1.4.4),对于M2，则传送每一波形的信息量为,(1.4.5),若M是2的整幂次的数，如M=2K（K=1，2，），则式(1.4.5)可为I=lb2K=K（bit）(1.4.6)式(1.4.6)表明，M（M=2K）进制的每一波形包含的信息量，恰好是二进制每一波形包含信息量的K倍。,由于K就是每个M进制波形用二进制波形表示时所需要的波形数目，所以传送每个M（M=2K）进制波形的信息量就等于用二进制波形表示该波形所需要的波形数目K。总之，只要在接收者看来每一传送波形是独立且等概率出现的，一个波形所能传递的信息量就为,(1.4.7),(1.4.8),或,式中，M为传送的波形数，P为每一波形出现的概率。,下面我们介绍非等概率的情况。设离散信息源是一个由n个符号组成的集合，称符号集。符号集中的每一个符号xi在消息中是按照一定的概率P(xi)独立出现的，又设符号集中各符号出现的概率为,且有,则x1，x2，xn所包含的信息量分别为lbP（x1），lbP(x2),，lbP（xn）。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为,由于H同热力学中的熵的形式相似，所以通常又称其为信息熵，单位为bit/符号。,另外，不同的离散信息源可能有不同的信息熵，信息的熵值越大越好。可以证明，在式(1.4.9)成立的条件下，信息源的最大熵发生在每个符号等概率出现时，即P(xi)=1/n,i=1,2,n，而最大信息熵的值等于lbn(bit/符号)。,式中，f（x）为连续消息出现的概率密度。,(1.4.10),1.5数据通信系统中的主要性能指标1.5.1传输速率传输速率有两种度量方式，一种是码元传输速率(RB)，另一种是信息传输速率(Rb)。码元传输速率又称为传码率，是单位时间（每秒）内传送码元的数目，单位为波特(Baud)。为了适应线路传输，一般要将数字脉冲信息转换为某个频率的模拟信号传输，用单位时间波形来代替数字信号的“1”或“0”。,单位时间内信号波形变化的次数简称为波特率，单位为波特(Baud)，即,(1.5.1),式中，T是码元的宽度。例如系统在每秒钟内传输了4800个码元，则这个系统的码元传输速率为4800波特(Baud)。,例1.5.1码元“1”或“0”是等宽度的,其宽度为417106s，试求码元速率。解根据公式,信息传输速率(Rb)又称为传信率，是单位时间（每秒）内传送的信息量，单位为比特/秒(b/s)。码元传输速率(RB)和信息传输速率(Rb)统称为传输速率。,在二进制码元的传输中，每个码元代表一个比特的信息量，此时码元传输速率和信息传输速率在数值上是相等的，即RB=Rb，差别仅是单位不同。在多进制脉冲传输中，码元传输速率和信息传输速率是不相同的。如在M进制中，每个码元脉冲代表了lbM个比特的信息量，此时传码率和传信率的关系是Rb=RBlbM。,例1.5.2码元速率为2400b/s，采用八进制(M=8)时，信息速率为多少？当采用二进制(M=2)时，信息速率为多少？解M=8时，Rb=RBlbM=2400lb8=7200b/sM=2时，Rb=RBlbM=2400lb2=2400b/s可见，二进制的码元速率和信息速率在数值上是相等的。,1.5.2差错率误码率(Pe)是指通信过程中系统传输出的错码元数目与所传输的总的码元数目的比，也可以认为是传输出错码元的概率，即,(1.5.2),误比特率(Pb)又称为误信率，是指传输出错信息的比特数目与所传输的总信息比特数之比，即,(1.5.),1.5.3信噪比信噪比是用来衡量通信系统抗干扰能力的一个重要指标。信噪比是指信号与噪声的平均功率之比，用S/N表示，单位为dB。信噪比越高，说明通信系统的抗干扰能力越强。它通常是指通信系统某一点上的信号功率与噪声功率的比，即,(1.5.4),式中，S/N是信噪比，PS是信号的平均功率，PN是噪声的平均功率。为了使用方便，一般采用分贝(dB)来表示，换算公式为,(1.5.5),本章小结本章从通信系统的模型出发，介绍了模拟通信及数字通信系统的模型，并按照消息的物理特征、调制方式、信号特征、传输媒质以及信号复用方式对通信系统进行了分类。对于典型的点对