通信是在源点与终点之间传递消息或者信息。
信息和消息有着不同的概念。
消息是指能向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、数据、语音和图像等。它有两个特点:
信息是指包含在消息中对通信者有意义的那部分内容。
消息是信息的载体,消息中可能含有信息
一条消息包含信息的多少称为信息量,信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关。
事件的不确定程度,可以用其出现的概率来描述,也就是说,事件出现的可能性越小,则概率越小;反之,则概率就越大。消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。消息出现的概率越小,则消息中包含的信息量就越大。如果事件是必然的(概率为1),那么它传递的信息量就应该为零。如果事件是不可能的(概率为0),那么它有无穷的信息量。
香农规定,一条消息所荷载的信息量等于它所表示的事件发生的概率P的倒数的对数。
通常用比特作为信息量的单位
对于一条含有m个符号的消息,每个符号出现的概率不同。当m很大,若第i个符号出现的概率为Pi,共出现了n次,则它具有的信息量是
整条消息所具有的信息量是所有这样的信息量在不同的 i 值时之总和
每个符号包含的平均信息量是
平均信息量是每个符号所含信息量的统计平均值,其单位为比特/符号。平均信息量又称为熵。
在通信系统中,消息是通过电信号来传递的,信号是消息的载体。
信号的分类
连续信号与离散信号
随机信号与确知信号
确知信号还可分为周期信号与非周期信号。
信号的特性
信号的特性表现在时间特性和频率特性两个方面。
在分析通信系统时,把输入信号称为激励,输出信号称为响应。
信号分析的两种方法:
信号的带宽
在通信领域中,信号的带宽最为常用的有以下两种定义。
绝对带宽B——指信号频谱正频谱非零部分所对应的频率范围。
半功率带宽——信号频谱在f0处为最大值而f0属于(f1,f2)区间内,且P(f1)= P(f2)=0.5P(f0),定义f1到f2的频率范围为半功率带宽。
注意:信号的带宽与传输系统的带宽是两个概念。传输系统的带宽通常是指系统的频率响应曲线保持在中心处取值的0.707倍以内的频率区间。
数据是使用特定方式表示的信息,通常是有意义的符号序列。它是消息的一种表现形式,是传达某种信息的实体。
当信息被表示为数据时,数据中就包含了信息。因此,信息可以通过解释数据来产生。
信息强调“处理”和“使用”两个方面,尤其是“使用”。一份资料在使用之前其中的内容隶属于数据范畴,仅当它被使用之后才转化为信息。
通信系统中的电信号有模拟信号和数字信号,而数据又分为模拟数据和数字数据。
无论是模拟数据还是数字数据都能编码成模拟信号或数字信号。选择何种编码方式取决于需满足的要求和可能提供的传输媒体和通信设施。
数据和信号的四种组合:
基带传输和频带传输
按照传输系统在传输数据信号过程中是否搬移其频谱,传输方式可分两类:
串行传输和并行传输
按照传输数据的时空顺序,传输方式可分为两类:
异步传输和同步传输
在串行传输时,每一个字符是按位串行地传送的,接收端要能准确地接收所传输的信息,必须知道:
同步是使接收方按照发送方发送的每个位的起止时刻和速率来接收数据。通常采用异步传输或同步传输对信号进行同步处理。
异步传输 被传送的每一个字符一般都附加有1个起始位和1个停止位,起始位与停止位的极性不同。为了保证正确接收,利用一个频率为传输比特率的n(=16)倍的时钟,在每一个比特周期的中心采样
同步传输 通常不是独立地发送每个字符(每个字符都有自己的开始位和停止位),而是把它们组合起来称为数据帧(简称帧)进行传送
单工、半双工和全双工
按照数据信号在信道上的传送方向与时间的关系,传输方式可分为三类:
传输速率指单位时间内传送的信息量,是衡量数据通信系统传输能力的一个重要指标。
常用的传输速率有两种:
调制速率(或波特率、码元速率)指单位时间内调制信号波形的变换次数。其单位是波特。
数据信号速率(或传信率、比特率)指单位时间内通过信道的信息量。其单位是比特/秒。
n 为并行传输的通路数;Ti为第 i 路单位调制信号波的时间长度(秒);Mi为第 i 路调制信号波的状态数。
频带利用率 指单位传输带宽所能实现的传输速率。
频带利用率是描述数据传输速率与带宽之间关系的一个指标。在衡量数据通信系统的效率时,既要考虑到传输速率,又要考虑到传输信号所占用频带宽度。因此,真正衡量数据传输系统信息传输效率的是频带利用率。
频带利用率通常与采用的调制及编码方式有关
数据信号在数据通信系统的端到端连接的每个环节都可能受到伤害,ITU称之为传输损伤。并推荐用误码、抖动、漂移、滑动和时延来表示。
传输损伤的成因:
- 源于外界环境干扰(温、湿度,电气和机械突发干扰)和设备内部的技术缺陷(时钟提取、复接等,设备反常和调节不佳等)。
- 来自传输损伤之间的相互影响或转化
衰减:当信号沿传输媒体传播时,其部分能量转换成热能或被传输媒体所吸收,而导致信号强度不断减弱的现象。
注意:
失真:信号通过传输系统时,其波形可能发生畸变的现象称为失真。
上述失真对数据传输的主要影响是使得码元信号波形展宽,从而引起码间串扰现象。
畸变:衰减和失真是引起信号波形畸变的主因。
数据信号畸变有两种:规则畸变和不规则畸变。
规则畸变 信号波形按一定的法则有规律地发生代码畸变。
偏畸变
- 正偏—使“1”时间伸长,而“0”时间缩短。
- 负偏—使“1”时间缩短,而“0”时间伸长。
特性畸变
- 正特性畸变—使短“1”和短“0”两者都伸长。
- 负特性畸变—使短“1”和短“0”两者都缩短。
不规则畸变 信号波形无规律地发生代码畸变。
噪声在数据信号的传输过程中,所引入的一些额外的非期望信号。
噪声有四种类型:
若认为噪声与频率无关,在系统带宽(Hz)内,热噪声功率可表示为
数字信号通过实际信道的情况
有失真,但可识别
失真大,无法识别
干扰
信噪比
信噪比SNR 指信号通路某一点上的信号功率Ps与混在信号中的噪声功率PN之比值(常用对数表示)。SNR用来描述信号在传输过程中受到噪声影响的度量。
此式也可以换算成电压幅值的关系,即20lg(Vs/Vn),其中Vs和Vn分别代表信号和噪声电压的“有效值”。
信噪比一般是在接收端测量。
误码率
平均误码率指单位时间内接收到的出错码元数占总码元数的比例。
平均误码率与所选择的测量时间的分布和长短有关。在日常维护测试中,ITU规定测试时间为15min。
对于二进制传输而言,因码元与比特等价,所以误码率又称误比特率。但多进制传输时,两者不等
误码秒平均时间百分数 ITU-T建议用一个相当长的时间(TL)内确定的平均误码率超过某一误码阈值(BERth)和各个时间间隔(T0) 的平均百分数来度量误码损伤的严重程度。其中,TL的建议值为一个月。
通信编码 指数据通信系统的内部信息(二进制数)与各种图形字符、操作控制字符以及识别报文组成和格式控制字符等的外部信息之间的对应关系所作的统一规定。