第1章-物联网通信技术(曾宪武)LXX2014.7讲解

（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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
（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） 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
I［P(x1)P(x2)］…=I［P(x1)］+I［P(x2)］+… 易看出， 若I与P(x)间的关系为
(1.4.2)
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。
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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=I［P（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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
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第1章 通信的基本模型与概 念
1.5 数据通信系统中的主要性能指标
1.5.1
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)。
(1.4.4)
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第1章 通信的基本模型与概 念 对于M>2， 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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
图1.2.3 数字基带通信系统模型
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第1章 通信的基本模型与概 念
1.3
1.3.1
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。
第1章 通信的基本模型与概 念
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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
图1.2.2 数字通信系统模型
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第1章 通信的基本模型与概 念
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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
图1.3.2 半双工通信方式原理
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第1章 通信的基本模型与概 念
（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
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第1章 通信的基本模型与概 念
（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。
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
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第1章 通信的基本模型与概 念
1.1
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。
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)。
(1.4.10)
式中， f（x）为连续消息出现的概率密度。
第1章通信的基本模型与概念第1章通信的基本模型与概念11通信系统模型12模拟通信与数字通信系统模型13通信系统的分类及通信方式1113通信系统的分类及通信方式14信息及信息量15数据通信系统中的主要性能指标本章小结第1章通信的基本模型与概念11通信系统模型通信的任务是完成消息的传递
第1章 通信的基本模型与概 念
第1章 通信的基本模型与概 念 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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
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第1章 通信的基本模型与概 念
1.2
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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
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第1章 通信的基本模型与概 念
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第1章 通信的基本模型与概 念
（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。
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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
图1.1.1 通信系统模型
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第1章 通信的基本模型与概 念
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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
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。
(1.4.8)
式中， M为传送的波形数， P为每一波形出现的概率。
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第1章 通信的基本模型与概 念
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
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第1章 通信的基本模型与概 念
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第1章 通信的基本模型与概 念
另外， 通信所用的波长与频率有如下关系:
式中， λ为工作波长， f为工作频率， c为光速(m/s)。
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第1章 通信的基本模型与概 念
（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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
1.3.2
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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
（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。
图1.3.4 串行通信方式原理
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第1章 通信的基本模型与概 念
（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
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第1章 通信的基本模型与概 念
1.4 信息及信息量
（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。
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第1章 通信的基本模型与概 念
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。
第1章 通信的基本模型与概 念
图1.2.1 模拟通信系统模型
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第1章 通信的基本模型与概 念
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：
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
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第1章 通信的基本模型与概 念 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Hale Waihona Puke ， 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) 或
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第1章 通信的基本模型与概 念
图1.3.1 单工通信方式原理
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第1章 通信的基本模型与概 念
（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。