通信技术基础 第1章 通信与通信系统的基本概念 王钧铭 1.1 通信的概念 1.2 通信系统 1.3 通信方式 1.4 信道和传输介质 第1章 通信与通信系统的基本概念 1.1 通信的概念 1.2 通信系统 1.3 通信方式 1.4 信道和传输介质 1.5 信号与噪声 1.6 信号频谱与信道通频带 通信技术基础 王钧铭

上节内容回顾： 了解本课程在专业培养方案中的地位和作用； 掌握消息、信息、信号的定义； 掌握模拟信号和数字信号的划分标准，并能判断信号的类型； 了解几种常见信道的的应用；

1.2 通信系统（System）与通信网络（Network） 1.2.1 通信系统的组成 定义：用于进行通信的设备硬件（Hardware）、软件（Software）和传输介质（Medium）的集合叫做通信系统。 需要强调的是，过去对通信系统的定义没有软件部分，但随着计算机进入通信系统，通信软件就成为组成通信系统的基本要素，因此我们在定义中加入软件这一模块。

基本通信系统组成

从硬件上看，通信系统主要由以下几部分组成： 信源（Source of Information） 信宿（User of Information） 传输介质（信道 ）（Channel） 收信设备（Receiver） 发信设备（Transmitter） 其中信源、信宿统称为终端设备（Terminal Equipment），收信、发信设备统称为通信设备（Communication Equipment）。

实际系统举例

系统中各部分的功能如下： 信源：作用是将原始信号转换成电信号即基带信号。常见的信源有话筒、摄像机等； 发送与接收设备：对信号进行相应的处理又称为通信设备； 传输介质（信道）：双绞线、同轴电缆、光导纤维、无线信道等； 信宿：与信源相对应对传输过来的电信号进行还原。

发送设备与信源、接收设备与信宿往往合二为一称为终端设备（Terminal Equipment），在双向通信时终端设备中既有信源又有信宿，通信设备中既有发送设备又有接收设备； 双向的传输系统可以实现信号在两个终端设备之间的互连，因此也被称为通信链路（Link）。 双向通信系统

终端（Terminals）举例

收信机 发信机 信道 收信者 噪声源 信息源 信 源 译 码 差错控制 道 解调器 信源 编 调制器 数字通信系统的基本构成

1.2.2 数据通信系统（Data Communication System） 数据通信是在计算机或其他终端之间发生的存储、处理和交换数字化编码的通信技术。 即从信源到信宿以数字信号（或模拟信号）为载体的数据（信息）传输过程。至于传输信道可以是数字信道也可以是模拟信道，比如传输基带（Baseband）数字信号的局域网其信道就是数字的；而以75Ω同轴电缆或通过电话网进行的数据通信采用的就是模拟信道。

另一种定义是：数据通信是以传输数据为业务的一种通信方式，是为了实现计算机与计算机或终端与计算机之间信息交互而产生的一种通信技术，是计算机与通信相结合的产物;若信息源本身发出的就是数字形式的信号(比如电报、数据、指令)，那么不管用数字传输还是用模拟传输方式来传输这个信号的通信方式均称为数据通信。

数据信号（Data Signal）：是指能够由计算机或数字终端设备进行处理并以某种方式编制成二进制码的数字、字母和符号的集合。 数字信号与数据信号的区别： 数据信号（Data Signal）：是指能够由计算机或数字终端设备进行处理并以某种方式编制成二进制码的数字、字母和符号的集合。 数据信号就是携带数据信息（人为的以编码方式赋予的某种信息），具有两个状态（高电平、低电平或正电平、负电平）的电脉冲序列。由于现代意义上的数据通信与计算机的应用密不可分，无论是大型机、中型机、小型机还是PC机，在其内部、或与外部设备的连接，或计算机与计算机之间的连接中都存在着数据通信，因此我们把这些通信统称为计算机通信。通常把计算机通信也称为数据通信。

数字信号（Digital Signal）：自变量取离散值，参量取有限个经过量化的离散值的信号。

数字通信和数据通信： 数字通信比数据通信的概念更为宽泛。 由于数据信号所携带的信息不唯一，它可以由纯数据、符号、文字等离散信息或数字信息编码而成，因此，作为信息的载体——数字信号就具有多义性，同一个数字信号可以代表不同的信息，比如，一个8位数据信号10110010，它可以是一个十进制数，也可以代表一个字母或文字等等，或者说，数据通信的信息和信号可以分离。因此，数据通信系统仅仅完成信号的传输还不够，还必须完成信息的传输。

一个数据通信系统可以由7个部分构成，它们是： 数据通信系统的组成 一个数据通信系统可以由7个部分构成，它们是： 信源数据终端设备(DTE，Data Terminal Equipment）； 信源数据终端设备和数据通信设备之间的接口（Interface）； 信源的数据通信设备(DCE，Data Communication Equipment）； 信源与信宿之间的传输信道（狭义信道）； 信宿的数据通信设备DCE； 信宿数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口； 信宿数据终端设备（DTE）。

数据通信系统

在上述数据电路中： DTE可以是计算机或其它终端设备，DCE可以是显示器、电传打字机、个人计算机、打印机、主机的前端处理机或者能发送和接收数据的其它设备。 DCE对于模拟信道可以是调制解调器，对于数据信可以是数据服务单元(DSU，Data Service Unit）； 传输信道（传输介质）可以是电缆、双绞线或光纤等。 接口由DTE和DCE内部的输入输出电路以及连接它们的连接器和电缆组成，从功能上看，接口还应包含相应的协议标准。比如RS―232C接口除了计算机内部的输入输出电路、D形插头/插座和电缆之外，还有相应的RS―232C接口标准。

1.2.3通信网络拓扑结构（Topological Structure） 通信网是指由一定数量的节点(包括终端设备和交换设备)和连接节点的传输链路相互有机地组合在一起，以实现两个或多个规定点之间信息传输的通信体系。 通信网由传输、交换、终端三大部分组成。 其中传输部分为网络的链路（Link），交换部分为网络的节点（Node），终端（Terminal）是信息的发送者和接收者（或说是信息的用户）。

所谓拓扑结构是指通信网络中的各节点设备（包括计算机及有关通信设备等）与通信链路相互连接而构成的不同物理几何结构。 通信网拓扑结构： 所谓拓扑结构是指通信网络中的各节点设备（包括计算机及有关通信设备等）与通信链路相互连接而构成的不同物理几何结构。 网络拓扑结构是决定通信网络性质的关键因素之一。 根据各节点在网络中的连接形式，通信网络拓扑结构常分为总线型、环型、星型、树型、网状型(或网孔型)和复合型6种结构。

（1）网型（Mesh）网 网型网有如下特点： 各个用户终端之间直接以通信链路连接； 通信建立过程中不需要任何形式的转接； 接续质量高，网络的稳定性好； 需要有很多的通信链路。 线路数:N=½n(n-1) DTE/DCE 网型网

（2）星型(Star)网 星型网有如下特点： 各用户终端都通过转接中心进行连接； 与网型网相比节省许多通信链路； 需要有转接设备，转接设备故障可能会造成全网通信瘫痪； 星型网可以是多层次的，有时也称为树型结构。 交换机 星型网

（3）环型(Ring)网 环型网有如下特点： 环型网的拓扑结构为一封闭环形，传输线路短； 初始安装比较容易； 故障的诊断比较准确，适于用光纤系统； 可靠性、可扩展性和灵活性较其它网络差。 DCE DTE 环型网

（4）总线型(Bus)网 总线型网有如下特性： 总线型网采用公共总线作为传输介质，信号沿介质进行广播式传送； 有智能入网结点； 安装容易，可靠性高，新增终端方便； 由于采用分布式控制，不易管理，故障诊断和隔离比较困难。 总线型网

（5）复合（Compound）网 复合网的特点如下： 由两种以上网络复合; 适用于大型网络。 交换机 网型网 星型网 复合网

（6）树型（Street）网 树型网络的结构特点是网络中各节点设备采用分级结构彼此连接而形成的一个倒树状结构（又被称为分级的集中式网络），网络中每一节点都是通过它的根节点（或父节点）与它的本级的其它节点或上级节点进行信息传输的，与它下级节点的信息交换则是通过它的子节点实现完成的，如图所示。因此，除了“叶子”节点（末端）外，树型网络中的所有根节点和子节点都是转接节点。 树型网

不同拓扑结构的网络特点

1.2.4通信网络的转接方式 按转接方式分： 广播网络：一个终端设备发送的信号自动地被所有其他终端设备接收，典型例子是有线电视网。 交换网络：信号要通过中间网点才能通信典型例子是公共交换电话网。 混合终端网络：由以上两种类型的网络混合构成。

1.2.5 信号交换 定义：通信网络上的各个用户之间进行通信，由网上的设备根据用户要求选择通信对象，这就是信号的交换。 分类：线路交换、报文交换和分组交换。

信号交换 线路交换 报文交换 分组交换 虚拟线路 数据报 程控交换 人工交换 信号交换分类

线路交换（电路交换，Circuit Switching ） 在信息（数据）的发送端和接收端之间，直接建立一条临时通路，供通信双方专用，其它用户不能再占用，直到双方通信完毕才能拆除。 优点： 直接由物理链路连通； 没有其它用户干扰、没有非传输时延； 缺点： 通路建立时间较长； 线路利用率不高。 该方式适合大数据量的信息传输。

报文交换（Message Switching） 原理：信源将欲传输的信息组成一个数据包，我们称作报文。该报文上写有信宿的地址。这样的数据包送上网络后，每个接收到的节点都先将它存在该节点处，然后按信宿的地址，根据网络的具体传输情况，寻找合适的通路将报文转发到下一个节点。经过这样的多次存储—转发，直至信宿，完成一次数据传输，这种节点存储—转发数据的方式称为报文交换。 报文交换不像线路交换那样需要建立专用通道。

分组交换（Packet Switching） 分组交换是数据量有限的报文交换，即把一个大数据包分成若干个小数据包（俗称打包），每个小数据包的长度是固定的然后再按报文交换的方式进行数据交换。 在报文交换中，我们对一个数据包的大小没有限制，比如你要传输一篇文章，不管这篇文章有多长，它就是一个数据包，报文交换把它一次性传送出去（可见报文交换要求每个节点必须具有足够大的存储空间）。而在分组交换中，要限制一个数据包的大小。为区分这两种交换方式，把小数据包（即分组交换中的数据传输单位）称为分组（Packet）。

数据分组在网络中有两种传输方式：数据报（Datagram）和虚电路（Virtual Circuit）。 数据报：该方式非常像报文交换，是一种无连接型的服务。每个分组在网络中的传输路径与时间完全由网络的具体情况而随机确定。因此，会出现信宿收到的分组顺序与信源发送时的不一样，先发的可能后到，而后发的却有可能先到。这就要求信宿有对分组重新排序的能力，具有这种功能的设备叫分组拆装设备(PAD，Packet Assemblyand Disassembly Device），通信双方各有一个。数据报要求每个数据分组都包含终点地址信息以便于分组交换机为各个数据分组独立寻找路径。

虚电路：类似于传统的线路交换。首先由源发出一个呼叫请求包到第一个节点A，节点A继续把它传送到第二个节点B，最后传到目的地。目的地将呼叫应答包发送回源。因此，通过这一阶段，在数据传送之前建立起一条虚拟的线路，但这条线路仅仅是一种逻辑上的连接，路径并非只确定给这个连接，其它用户的分组数据也可以通过这个路径传输，而且每一个分组仍要被存储于各个节点。

异步转移模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode ） ATM交换方式属于快速分组交换，但它不仅仅是简化了控制，提高了速率的分组交换，同时为了满足实时业务的要求，还使用了一些电路交换中的方法。ATM改进了电路交换的功能，使其能灵活地适配不同速率的业务；ATM改进了分组交换功能，满足实时性业务的要求。所以ATM交换方式又可以看作是电路交换方式和分组交换方式的结合。 电路交换方式适用于电话业务； 分组交换适用于数据业务；而ATM既适用于电话业务，又适用于数据业务，并且还能适用于其他业务 。

通信系统的质量指标 为了衡量通信系统的质量优劣，必须使用通信系统的质量指标。通信系统的质量指标是一个时分复杂的问题，涉及到通信的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性以及维护使用等。但从研究信息的传输来说，通信的有效性和可靠性是最终要的指标。 有效性（Validity）指的是传输一定的信息量所消耗的信道资源数（带宽或时间）； 可靠性（Reliability）指的是接收信息的准确程度。这两项指标体现了对通信系统最基本的要求。

模拟通信系统的有效性用有效传输带宽来度量。同样的消息采用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。 模拟通信系统的可靠性用接收端最终的输出信噪比来度量。信噪比越大，通信质量越高。

数字通信系统的有效性用传输速率来衡量，可靠性用差错率来衡量。 定义单位时间传输的码元数为码元速率 ，单位为码元/s，又称波特（Baud），简记为B。所以码元速率也称为波特率。 定义单位时间传输的信息量为信息速率 ，单位为bit/s，所以信息速率又称比特率。

码元速率和信息速率之间的关系为： 二进制的码元速率和信息速率在数值上是相等的，有时简称它们为数码率。

2. 差错率 定义误比特率为： 定义误码元率为： 有时误比特率称为误信率，误码元率称为误符号率，也称为误码率。差错率越小，通信的可靠性越高。

1.3 协议与标准（Protocol & Standard） 1.3.1 协议与标准 协议是管理数据通信所有各方面的一系列规则,协议的核心内容是语法、语义及定时 语法 (Syntax) 是指数据的结构或格式，反映数据的顺序。 语义（Semantics）是指比特流每一部分的含义。 定时（Timing）表达两个特征，数据发送的时间和速度。

数据通信标准有: 基于规则：标准是指已被官方认可的各种标准。 基于事实：虽未被官方承认，但已被普遍采用的称为基于事实标准。 基于事实的标准: 无权标准 授权标准

1.3.2 标准化组织 国际电信联盟：国际电信联盟（ITU）是联合国负责电信业务的专门机构。ITU的起源可以追溯到1865年.它的成员是各国政府，目前共有181个成员国(从1993年起)。有组织的私人机构如AT&T，科学和工业组织如IBM，以及国际组织如ISO，都可以参加技术委员会。ITU的总部设在日内瓦，它包括几个常设机构：秘书长、国际电报电话咨询委员会（CCITT）和国际无线电咨询委员会（CCIR） CCIR的活动主要集中于无线电通信（频谱利用、卫星、微波、移动业务）和电视业务（包括HDTV）。 ITU-T的管辖范围还包括有关电信的其它方面，它进行研究，发表技术、业务方面的建议，提出与公共电信业务有关的业务问题，而不是那些直接与无线电通信相联系的业务问题。研究的结果以建议的形式出版。采用一项新的建议通常要用四年的时间，如果加快速度的话也需要两年的时间。

国际标准组织（ISO）：成立于1946年，是自发组织起来的一个非官方的机构。来自生产商、消费者、政府部门和民间团体的专家，由各成员国向ISO推荐，作为本国的代表。尽管ISO是一个非官方的组织，但有70%以上的ISO成员都是根据法律程序组成的政府的标准化机构或组织。其中美国的代表是美国国家标准学会（ANSI）。从1988年起，ISO有73个来自各国的国家标准化组织的全职成员。全职成员有资格参加并在任一技术委员会上投票表决，他们还能参加ISO的管理。ISO还有14个来自新闻团体的成员，他们不参加技术工作，也没有表决权。

美国国家标准学会（ANSI）：成立于1918年，是一个非盈利性组织。其主要目标是协调美国国内各自发形成的标准。它的成员包括工业公司、专业团体、商业协会、消费者团体和政府的管理机构。目前所涉及的领域主要有互联网计划与工程、ISDN业务、信令与结构、光序列（SONET）等。

电子工业协会（EIA）：是一个非盈利性组织，致力于促进电子制造业，它的活动不仅有标准开发，而且还包括公共普及教育。EIA在信息技术领域作出了重要的贡献，它为数据通信的物理连接接口和电信号指标作了定义。特殊地，EIA-232-D，EIA-530定义了两个数字设备之间的串行传输。

本章知识总结： 信号与信道的概念、分类及应用； 通信系统的组成； 通信网络的结构； 信号交换方式； 通信网络的性能指标； 标准与标准化组织。