数字通信基础 ch1_计算机通信概述

1、第第1 1章章 通信系统概述通信系统概述 1.1 通信系统术语及概述通信系统术语及概述 1.2 通信与通信系统模型通信与通信系统模型 1.3 通信系统通信系统 1.4 数据通信网数据通信网 1.5 通信技术的应用通信技术的应用 1.6 计算机通信协议标准的拟定组织计算机通信协议标准的拟定组织1.1 通信系统术语及概述通信系统术语及概述 1.1.1 通信术语与概念通信术语与概念 1.1.2 连续时间信号与离散时间信号连续时间信号与离散时间信号 1.1.3 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 1.1.4 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信1.1.1通信术语与概念通信术语与概念 1.1.通信通信

2、（communication)communication)的目的是为了在信源点和的目的是为了在信源点和信宿点之间通过传第消息的形式来交流信息。信宿点之间通过传第消息的形式来交流信息。 2.消息消息（message)是信息的载体；是表达信息的是信息的载体；是表达信息的形式形式;是是通信系统中传输的具体对象通信系统中传输的具体对象。消息的形式。消息的形式是多样的，它包括是多样的，它包括符号，文字，语音，数据，图像，符号，文字，语音，数据，图像，视频视频等。等。通信术语与概念通信术语与概念 3.模拟消息模拟消息（analog message)是指在时间上连续是指在时间上连续变化的消息，例如由人嘴或杨

3、声器发出的声波话音，变化的消息，例如由人嘴或杨声器发出的声波话音，由传感器指示出的温度、湿度等的连续变化，等等。由传感器指示出的温度、湿度等的连续变化，等等。 4.数字消息数字消息（digital message)是指用数码表达的、是指用数码表达的、不连续变化（离散）形式的消息。例如由键盘打出不连续变化（离散）形式的消息。例如由键盘打出来的字母，由文字或数字记录的各种量值和内容，来的字母，由文字或数字记录的各种量值和内容，等等。等等。 同一种信息的内容可用不同形式的消息来表达。例同一种信息的内容可用不同形式的消息来表达。例如天气预报可用文字消息，也可用话音消息来表达。如天气预报可用文字消息，也

4、可用话音消息来表达。通信术语与概念通信术语与概念 5.5.信息信息(information)(information)是消息所包含的内是消息所包含的内容。例如每天的天气预报是一种消息、容。例如每天的天气预报是一种消息、预报中告知某日某时的真实天气情况如预报中告知某日某时的真实天气情况如何，就是该消息所包含的何，就是该消息所包含的“信息信息”，即，即消息的含义。消息的含义。 。通信术语与概念通信术语与概念 消息与信息消息与信息：消息有可能包含甚为丰富消息有可能包含甚为丰富的信息，但也可能信息甚少，若这种信的信息，但也可能信息甚少，若这种信息并未给人们带来新的知识的话，那么息并未给人们带来新的知识

5、的话，那么这种消息所包含的信息实际等于零。所这种消息所包含的信息实际等于零。所以以信息是给人们带来新知识的消息，消信息是给人们带来新知识的消息，消息是外壳，信息是消息的内核。息是外壳，信息是消息的内核。通信术语与概念通信术语与概念 6.数据数据(data)是以是以“数数”（number）来）来表达信息的表达信息的一类消息表示形式一类消息表示形式。即数据。即数据类消息。类消息。 在信息社会的发展过程中，数据的概念在信息社会的发展过程中，数据的概念逐渐从狭义过渡到广义。逐渐从狭义过渡到广义。通信术语与概念通信术语与概念 经考查，经考查，“data”一词是在计算机出现以一词是在计算机出现以后才有的。

6、当时它特指后才有的。当时它特指“计算机数据计算机数据”，也即也即“要经过或已经过计算机处理、或要经过或已经过计算机处理、或由计算机产生的任何东西（由计算机产生的任何东西（any or all facts)”,就称为数据。就称为数据。通信术语与概念通信术语与概念 从广义上说，从广义上说，“数据数据”一般是指传输时一般是指传输时可用离散的数字信号逐一准确表示的文可用离散的数字信号逐一准确表示的文字、符号、数码等。几乎涉及到一切最字、符号、数码等。几乎涉及到一切最终能以离散的数字表示、可被送到计算终能以离散的数字表示、可被送到计算机进行处理的信息。机进行处理的信息。 因此，因此，不管什么消息，只要能

7、够最终用不管什么消息，只要能够最终用数字系列来表示而作为计算机的处理对数字系列来表示而作为计算机的处理对象的，都可说是象的，都可说是“数据数据”。通信术语与概念通信术语与概念 随着计算机应用范围的不断扩大，随着计算机应用范围的不断扩大，发展到今天的发展到今天的“多媒体多媒体”时代，数时代，数据的概念就非常广义了，从声音、据的概念就非常广义了，从声音、图像到文字、图片，甚至由光、电图像到文字、图片，甚至由光、电磁、温度、湿度等传感而来的量值磁、温度、湿度等传感而来的量值（经过数值化处理），都可以成为（经过数值化处理），都可以成为数据。数据。通信术语与概念通信术语与概念 8.电信号电信号一般是指随

8、时间变化的电流或电压，一般是指随时间变化的电流或电压，也可以是电容的电荷，线圈的磁通以及空间的也可以是电容的电荷，线圈的磁通以及空间的电磁波等。电磁波等。 7.信号信号(signal)是为消息的传播而用来表达消息是为消息的传播而用来表达消息的一种载体（例如一种随时间变化的波形）。的一种载体（例如一种随时间变化的波形）。电（光、声）通信中，消息的自然形式必须将电（光、声）通信中，消息的自然形式必须将它转换成电（光、声）信号形式以后才能进行它转换成电（光、声）信号形式以后才能进行传递和识别。传递和识别。1.1.2 连续时间信号与离散时间信号连续时间信号与离散时间信号 描述信号的基本方法是写出它的数

9、学表描述信号的基本方法是写出它的数学表达式，此表达式是时间的函数，绘出函达式，此表达式是时间的函数，绘出函数的图像称为信号的波形。数的图像称为信号的波形。 按照时间函数取值的连续性与离散性可按照时间函数取值的连续性与离散性可将信号划分为将信号划分为连续时间信号与与离散时间信号（简称连续信号与离散信号）。（简称连续信号与离散信号）。1.连续时间信号连续时间信号 如果在讨论的时间间隔内，除若干不连如果在讨论的时间间隔内，除若干不连续点之外，对于任意时间值都可以给出续点之外，对于任意时间值都可以给出确定的函数值，此信号就称为确定的函数值，此信号就称为连续信号。如正弦波或图如正弦波或图1-1所示矩形脉

10、冲。所示矩形脉冲。Ot1F(t)图1-1矩形脉冲连续信号连续信号f(t)0t0tf(t)f0f1f2图1-2 连续信号2.离散时间信号离散时间信号 与连续信号对应的是离散信号。与连续信号对应的是离散信号。离散信号在在时间上是离散的，代表离散信号的时间函数时间上是离散的，代表离散信号的时间函数只在某些不连续的时间值上给定函数值，在只在某些不连续的时间值上给定函数值，在其他时间没有定义。如图其他时间没有定义。如图1-3。离散时间信号离散时间信号01234-1tf(tk)(3)(2)(4.5)(1.5)(6)(-1)t图1-3 离散信号（抽样信号）1.1.3 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 时

11、间和幅值都为连续的信号又称为时间和幅值都为连续的信号又称为模拟信号。在。在实际应用，模拟信号与连续信号两名词往往不予实际应用，模拟信号与连续信号两名词往往不予区分。区分。 如果离散信号的幅值是连续的，则又可取名为如果离散信号的幅值是连续的，则又可取名为抽样信号。另一种情况是离散信号的幅值也被。另一种情况是离散信号的幅值也被 限限定为某些离散值，这种时间与幅度取值都具有离定为某些离散值，这种时间与幅度取值都具有离散性的信号散性的信号数字信号。模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 x(nT)(b) 数字信号(a) 模拟信号 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 f(t) tnT图1-4模拟信号和

12、数字信号1.1.4 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信 模拟通信模拟通信是指用模拟信号来表示和传递消息的通是指用模拟信号来表示和传递消息的通信方式。信方式。 数字通信数字通信是指用数字信号来表示和传递消息的通是指用数字信号来表示和传递消息的通信方式。信方式。 注意：这一对通信技术的概念只是在消息载体注意：这一对通信技术的概念只是在消息载体（信号）形式上的区分，与被传递的消息是数据（信号）形式上的区分，与被传递的消息是数据类还是话音类，毫无关系。类还是话音类，毫无关系。数据通信数据通信 数据通信数据通信就是以传送数据为业务的通信。就是以传送数据为业务的通信。即是说，通信系统所操纵的对象是数据而

13、即是说，通信系统所操纵的对象是数据而不是别的。不是别的。 “数据通信数据通信”一词是在远程联机系统出现一词是在远程联机系统出现的时候才开始使用的，所以最早也是最准的时候才开始使用的，所以最早也是最准确的定义就应该是：确的定义就应该是：数据通信数据通信 数据通信是指计算机终端与计算机主机之间进行是指计算机终端与计算机主机之间进行交换数据过程的通信。发展到今天，数据通信的交换数据过程的通信。发展到今天，数据通信的概念已经扩展到计算机与计算机、终端与终端之概念已经扩展到计算机与计算机、终端与终端之间进行交换数据过程的通信。间进行交换数据过程的通信。 数据的传送载体既可使用模拟信号，亦可使用数数据的传

14、送载体既可使用模拟信号，亦可使用数字信号，所以数据通信可分为：字信号，所以数据通信可分为：模拟数据通信和和数字数据通信。1.2 通信与通信系统模型通信与通信系统模型 通信通信：信息的传递和交换信息的传递和交换 ，即将消息从一，即将消息从一个地方传递到另一个地方，其方式多种多个地方传递到另一个地方，其方式多种多样：样：烽火台烽火台鸡毛信鸡毛信信鸽信鸽电报电报电话电话传真传真Mobile Telephone Email 本书主要研究利用本书主要研究利用“电电”来传递来传递“信息信息”的方式称为电通信简称通信。的方式称为电通信简称通信。 通信与通信系统模型通信与通信系统模型 通信系统通信系统：完成通

15、信过程的全部设备和传输介质：完成通信过程的全部设备和传输介质的总和。通信系统的形式也是多种多样，例如在的总和。通信系统的形式也是多种多样，例如在我国我国 TelephonePSTN（Public-Service Telephone Network）中国电信）中国电信/网通网通/铁通铁通/联联通通 Mobile Telephone GSM/GPRS 中国移动中国移动 GSM/CDMA 中国联通中国联通 Email/ftp/telnet/www 计算机网络（因特网）计算机网络（因特网）/教育网（教育网（.edu）/科研网（科研网（.ac）通信系统模型通信系统模型 通信系统基本模型通信系统基本模型：

16、尽管各种通信系统：尽管各种通信系统具体设备和业务功能各不相同，但经过抽象具体设备和业务功能各不相同，但经过抽象和概括可描述为：和概括可描述为：信源信宿发信机收信机信道噪声源消息消息信号信号图1-5通信系统基本模型通信系统模型通信系统模型 信源信源：产生产生/形成消息，消息的形式有多种。形成消息，消息的形式有多种。 如：符号、文字、语音、数据、图像、视频等，如：符号、文字、语音、数据、图像、视频等， 发信机发信机：将消息转换成为适合在信道中传：将消息转换成为适合在信道中传输的信号（又分为模拟信号和数字信号）；输的信号（又分为模拟信号和数字信号）；如电压、电流等信号；如电压、电流等信号；通信系统模

17、型通信系统模型 消息转换消息转换一般经历二个步骤：信源编码和信道一般经历二个步骤：信源编码和信道编码。编码。信源编码信源编码：将原始的消息形式转换成用代码表：将原始的消息形式转换成用代码表示的过程。示的过程。信道编码信道编码：完成数据的信源编码（或原始存在：完成数据的信源编码（或原始存在的数字形式）变换到某一种适合于信道传输的的数字形式）变换到某一种适合于信道传输的信号形式的过程。信号形式的过程。通信系统模型通信系统模型 信道信道（channel)：信号的传输媒介：信号的传输媒介/通道，通道，将信号由发信机传输到收信机，它的传输将信号由发信机传输到收信机，它的传输特性对通信质量有着直接影响。特

18、性对通信质量有着直接影响。 举例举例Mobile Telephone System： 信信 源：源： 发信机：发信机： 信信 道：道： 收信机：收信机： 信信 宿：宿：打电话的人（消息：人的语言）Mobile Tel 中送话和无线发射系统（microphone：电信号声信号）传输媒介即大气（无线信道）其间通过若干移动通信台或中转站对方Mobile Tel 中无线接收机和扬声器（电信号声信号）接电话的人Email Communication System : 信源：信源：用户用户/计算机计算机/邮件程序（消息：邮邮件程序（消息：邮件数据字符）（件数据字符）（webmail, pop3等）等） 发

19、信机：发信机：计算机网络适配器（计算机网络适配器（Internet Adapter）/Modem（PSTN）中调制器）中调制器 信道：信道：计算机通信网络计算机通信网络Internet/PSTN 收信机：收信机：对方计算机网络适配器对方计算机网络适配器/Modem 信宿：信宿：邮件程序邮件程序/计算机计算机/用户用户1.3 通信系统通信系统 1.3.1 模拟通信系统模拟通信系统 1.3.2 数字通信系统数字通信系统 1.3.3 计算机通信（计算机通信（c&c)1.3 通信系统通信系统 1.3.1 1.3.1 模拟通信系统模拟通信系统 通信根据研究的对象和关心的内容不同，又分为：通信根据

20、研究的对象和关心的内容不同，又分为： 模拟通信系统模拟通信系统 数字通信系统数字通信系统 模拟通信系统模拟通信系统 模拟通信系统:是指利用模拟信号传递是指利用模拟信号传递消息的系统消息的系统信源发出的是模拟信号信源发出的是模拟信号信道上传输的也是模拟信号信道上传输的也是模拟信号信宿收到的仍然是模拟信号信宿收到的仍然是模拟信号模拟通信系统模拟通信系统 信源：产生状态连续的模拟消息信源：产生状态连续的模拟消息 发信机：发信机： 非电非电/电变换器：电变换器：Sensor/transformer 非电信号非电信号原始的基带电信号原始的基带电信号 如：电如：电话信号话信号 f4KHz模拟通信系统模拟通

21、信系统调制器调制器(Modulator )： 将基带信号将基带信号已调已调信号（频带信号）信号（频带信号）调制：为让模拟信号与模拟信道匹配，通调制：为让模拟信号与模拟信道匹配，通常采用调制的方法常采用调制的方法 时域上表现为模拟信号与载波信号相乘时域上表现为模拟信号与载波信号相乘 频域上是把模拟信号在频谱上进行搬移，以频域上是把模拟信号在频谱上进行搬移，以适应信道的频谱特性适应信道的频谱特性模拟通信系统模拟通信系统 收信机：收信机：解调器：解调器：Demodulator 将已调信号将已调信号基基带信号带信号,与调制器作用相反与调制器作用相反电电/非电变换器：基带信号非电变换器：基带信号非电信号

22、非电信号模拟通信系统模拟通信系统 模拟通信系统优缺点：模拟通信系统优缺点：信号频谱较窄，信道利用率高信号频谱较窄，信道利用率高信号连续混入噪声后不易清除信号连续混入噪声后不易清除 即：抗干即：抗干扰能力差；不宜保密；扰能力差；不宜保密；设备不易大规模集成化；不适应飞速发展设备不易大规模集成化；不适应飞速发展的计算机通信要求的计算机通信要求 1.3.2 数字通信系统数字通信系统 数字通信系统数字通信系统:传输和处理数字信号的通信传输和处理数字信号的通信系统。系统。 其基本模型为：其基本模型为：数字通信系统数字通信系统图1-6 数字通信系统模型数字通信系统可以采用数字通信系统可以采用基带传输方式基

23、带传输方式，也可，也可采用数字调制技术进行采用数字调制技术进行频带传输。频带传输。1. 1. 数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统 图 1-7 数字频带传输通信系统模型 信息源噪声源加密器编码器调制器信道解调器译码器解密器受信者数字通信系统数字通信系统2. 数字基带传输通信系统数字基带传输通信系统 图 1-8 数字基带传输通信系统模型 信息源信道接收滤波器取样判决受信者噪声源cp基形带成信器号数字通信系统数字通信系统3. 模拟信号数字化传输通信系统模拟信号数字化传输通信系统 图 1-9 模拟信号数字化传输通信系统模型 模 拟信息源 由抽样、量化、 编码组成的模 数转换器数字通信系统数 模转

24、换器受信者数字通信系统数字通信系统数字通信系统数字通信系统 数字通信系统的优缺点：数字通信系统的优缺点：数字通信干扰能力强，可靠性高；数字通信干扰能力强，可靠性高；信号传输一般采用二进制编码易于使用计信号传输一般采用二进制编码易于使用计算机处理（因而易于构建计算机通信系算机处理（因而易于构建计算机通信系统）；统）；能传输各种信号（能传输各种信号（A/D），系统灵活性高，），系统灵活性高，能够进行加密处理，数字通信保密强；能够进行加密处理，数字通信保密强；同时系统设备易于集成；但是数字通信系同时系统设备易于集成；但是数字通信系统成本较高。统成本较高。1.3.3 1.3.3 计算机通信（计算机通信

25、（c&c) 计算机通信系统是经典的数字通信系统，计算机通信系统是经典的数字通信系统，它是计算机技术和通信技术结合的产物，它是计算机技术和通信技术结合的产物，一方面通信网络为计算机之间的数据传递一方面通信网络为计算机之间的数据传递和交换提供必要的设施和手段；另一方面，和交换提供必要的设施和手段；另一方面，数字计算机技术的发展渗透到通信技术中，数字计算机技术的发展渗透到通信技术中，又提高了通信网络的各种性能，二者相互又提高了通信网络的各种性能，二者相互渗透、互相促进、共同发展。渗透、互相促进、共同发展。 1.1.计算机通信技术的特点计算机通信技术的特点 数据处理和通信融为一体，没有本质区别

26、数据处理和通信融为一体，没有本质区别 data Audio Video & Imagedata Audio Video & Image等信息之间没有本等信息之间没有本质区别，在计算机看来都是质区别，在计算机看来都是二进制信息二进制信息 计算机网络的出现使计算机技术与通信技术结计算机网络的出现使计算机技术与通信技术结合得更加紧密，合得更加紧密，SunSun说：说：“网络就是计算机网络就是计算机(Internet is computer)” (Internet is computer)” 2.2.计算机通信技术的发展方向计算机通信技术的发展方向 由过去的单组（集团）通信向个人通信发

27、展：满足人们由过去的单组（集团）通信向个人通信发展：满足人们个性化的需求，个性化的需求，5W Whoever、Whenever、Wherever、Whomever、Whatever 计算机通信网络由专业网络向公用网络发展，又向互联计算机通信网络由专业网络向公用网络发展，又向互联网进步网进步 信息交换形式：电路交换信息交换形式：电路交换报文交换报文交换分组交换分组交换（Datagram虚电路）虚电路）计算机通信技术的发展方向计算机通信技术的发展方向 军用网军用网 广播网广播网 计算机网计算机网 / 电话网电话网 电视网电视网 即单网即单网 ISDN ADSL宽带网宽带网 网络的主体系结构：对等通

28、信（网络的主体系结构：对等通信（Person t o P e r s o n ） C / S B / S （Browser/server）1.4 1.4 数据通信网数据通信网 1.4.1 数据通信网数据通信网 1.4.2 计算通信网计算通信网1.4 1.4 数据通信网数据通信网 数据通信网：数据通信网：由分布各处的数据传输、交换由分布各处的数据传输、交换设备以及通信线路组成的网络系统，其功能设备以及通信线路组成的网络系统，其功能是完成网络内部各设备之间的数据是完成网络内部各设备之间的数据/信息的信息的通通信信，其结构如图通通信信，其结构如图1-6（P7）所示）所示1.4.1 数据通信网数据通信

29、网 硬件组成：硬件组成：结点：数据处理和交换功能；结点：数据处理和交换功能；链路：指多种传输媒质链路：指多种传输媒质,提供传输数据的提供传输数据的通道路；通道路； 网络结构：网络结构：硬件：设备（数据传输设备、数据交换设硬件：设备（数据传输设备、数据交换设备及通信线路等）；备及通信线路等）；软件：支持上述设备而配置的网络协议；软件：支持上述设备而配置的网络协议； 数据通信网数据通信网 分类：分类：按通信网络拓扑结构（网络中结点间相按通信网络拓扑结构（网络中结点间相互的连接方法和形式）分为星形、树形互的连接方法和形式）分为星形、树形（等级形）、网状形、环形、总线形（等级形）、网状形、环形、总线形

30、（格形）；（格形）；数据通信网数据通信网星形：任意结点都和中心结点相连。星形：任意结点都和中心结点相连。环形：所有节点链接成环状环形：所有节点链接成环状网状形：网内任意两个节点都直接互相网状形：网内任意两个节点都直接互相连接，对连接，对n个节点的网络需个节点的网络需Cn2=n(n-1)/2条条连接线路。（有向图）连接线路。（有向图）数据通信网数据通信网总线形：网内任意两个节点都相互连接但不总线形：网内任意两个节点都相互连接但不直接相连，节省成本。（有向无环图）直接相连，节省成本。（有向无环图）树形：全部结点形成多个等级，每一节点属树形：全部结点形成多个等级，每一节点属于某一等级，低等级结点与管接它的高一级结于某一等级，低等级结点与管接它的高一级结点相连，从而形成多级汇接辐射结构（电话点相连，从而形成多级汇接辐射结构（电话网）。（树）网）。（树）1.4.2 计算通信网计算通信网 在数据通信网基础上再加上计算机资源处在数据通信网基础上再加上计算机资源处理设备就构成了理设备就构成了计算机通信网，即：用数，即：用数据通信网将分布在不同位置，具备独立功据通信网将分布在不同位置，具备独立功能的多台计算机、终端及其附属设备（能的多台计算机、终端及其附属设备（I/O设备）连接起来，并实现资源共享的计算设备）连接起来，并实现资