系统及其应用管理
通信是一门历史悠久而又不断发展的学科，自从有了人类社会以来就有了通信，而且它至今仍在迅速地发展着。简单地说，通信就是有需要的双方交换情报、互通消息。如今，通信在社会的各个方面都起着十分重要的作用。
在物业设备自动化系统中，通信网络系统能够保证建筑物内外语音、数据、图像的传输，为设备自动化系统提供有效的信息联络和传输服务，发挥着不可替代的重要作用。
第一节通信基础知识
一、通信系统概述
(一)通信系统模型
通信的目的就是为了传递、交换信息，也就是把消息从一点传送到另一点。例如，从上海传送消息到北京，那么就把上海称为发信端，把北京称为接收端。再比如面对面交谈是一种最简单的通信方式，说话者是消息的来源，称为信源；话音通过空气传到对方的耳中，把空气即传递消息的媒质称为信道；听话者听到后获得消息，是消息的归宿，称为信宿。
对现代的电通信而言，通信的内容为电信号，诸如语音、报文、图像等一类原始消息首先要转变成电量，因此在发信端要加入输入变换器；在发信端还必须有发送设备，使得变换器产生的电量能够适合信道传送的要求。在接收端要完成相反的过程，因此接收设备和输出变换器是必不可少的。另外，发送设备、接收设备和信道不可避免地要引入噪声。
实际通信系统形式虽然很多，但一般包括这6个部分。下面对通信系统模型中的每个方框进行说明。
1.信源和输入变换器
信源是消息的来源。如果需要传送的消息不是电信号，那么必须把来自信源的消息转变成随时间变化的电量，比如电压信号、电磁信号等，这个过程是由输入变换器完成的。常见的输入变换器有送话器、电视摄像机、光电输入机等。
2.发送设备
发送设备的作用是把输入信号输送到信道中。发送设备通常需要加工电信号，例如，放大、滤波和调制等，使得信号满足信道传送的各项要求。在这些加工中最重要的工作是调制，通过信号调制，使得被传送信号的特性与信道的要求相匹配。
3.信道
信道即信号的通道。信源与信宿一般是分开的，信道就提供了信源与信宿之间的联系。
信道具有许多不同的形式，例如，双导线、短波无线电信道、电缆或光纤、卫星或微波接力等等，都是常见的信道。
4.接收设备
接收设备的作用是从来自信道的包含噪声的各种输入信号中选择、提取所需要的消息。
与发送设备的调制过程相反，接收设备主要是通过解调过程来完成这个功能。接收设备除了完成解调任务之外，还将对信号进行放大和滤波。
5.输出变换器和信宿
信宿是信息的归宿，也就是消息的接收者。输出变换器是把接收设备复制的电信号变换成接收者能接受的消息。比如传送的是语音消息，接收者是用耳朵听，人耳接收的是声波的振动，因此需要把电信号变成语音振动。输出变换器有许多种，如耳机、扬声器、电视屏幕、打印机等，都是典型的输出变换器。
6.噪声源
噪声源并不是人们加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中固有的，是人们不希望出现但又避免不了的。在通信系统中，有些噪声比较微弱，与信号相比可以忽略，可以不考虑噪声的影响；但有些噪声与信号功率相当，甚至噪声超过正常的消息信号，这样噪声将严重地干扰消息传输，降低通信质量，因此是需要克服的。
(二)通信系统的分类
随着通信技术的发展，通信的内容和形式不断丰富，通信的种类十分多样化，常见的分类法如下所述。
①按消息的形式分，传送的消息是语音则称为电话；传送的消息是文字、符号则为电报；传送的是固定图像为传真；传送的是活动图像为电视。
②按收发两地是否有物理线路相连接来区分，通信分为有线通信和无线通信。例如，电缆、波导管和光缆等作为线路连接的均属有线通信，而中、长、短波通信、微波接力通信、卫星通信等均为无线通信。
③按信号性质分，传送模拟信号的通信为模拟通信，传送数字信号的通信为数字通信。
模拟信号即时间和信号值都是连续变化的信号，如电压信号、温度信号、语音信号等；数字信号则其时间离散，信号值被量化，即信号值只由0、1两个数字来表示。
以上说明了模拟信号及数字信号，通常把模拟信号作为载体传送消息的通信系统称为模拟通信系统，把数字信号作为载体传送消息的通信系统称为数字通信系统。与模拟通信系统相比，数字通信系统有如下优点。
①传输质量好：数字传输的抗噪声(或抗干扰)的能力强，尤其在中继时，数字信号还可以再生而消除噪声的积累。
②可靠性高：数字信息易于加密，保密性强。
③灵活性强：便于同计算机连接，采用现代计算机技术对数字信息进行处理，以便实现通信现代化、自动化。
④容易大规模集成：由于数字集成电路，持别是大、中规模集成电路技术日益成熟，数字通信设备越来越易于制造，成本低、体积小、可靠性高。
由于数字通信具有诸多的优点，因此目前物业设备自动化系统中使用的通信网络系统主要是数字通信系统。
(三)对通信系统的要求
通信的基本目的就是传输信息。因此，人们对通信提出两个基本要求，即通信的有效性和通信的可靠性。通信的有效性即要求通信系统传输信息的速率愈大愈好，也就是要求单位时间内传输的信息量愈多愈好，即提高通信的效率。通信的可靠性即要求在传输过程中受到干扰和噪声的影响使信号产生的畸变和错误愈少愈好，也就是要求通信系统有抗干扰的能力，以保证正确无误地传输信息。
二、信息量、带宽和数据传输速率
(一)信息量
本课程的学习中经常会遇到消息、信号、信息等概念，从字面解释，消息是指反映人或事物情况的内容；信号则是消息的载体，也就是消息的携带者。通信就是利用电流、电压、无线电波、光波等信号作为载体携带消息，实现消息的传递；信息是指对于接收者来说事先不知道的消息。因此消息与信息是不同的。
在通信中，接收者是不知道发送者要发送多少信息的，接收者获得信息之后才知道信息的多少，那么接收者从不知到知，从而获得信息，信息的多少是有量值的，用信息量来衡量。信息量的定义如下：
假设信源是由q个离散符号S1，S2，…，Si，…，Sq所组成的符号集合，集合中的每个符号是独立的，其中任一符号Si对应出现的概率为P(Si)，并且0≤P(Si)≤1，ΣP(Si)=1。那么符号Si含有的信息量记为I(Si)，则I(Si)=lb1P(Si)=-lbP(Si)(6-1)
上述的对数底为2，则信息量I(Si)的单位为比特(bit)。
一般来说，信源里各符号出现的概率并不相等，根据式(6-1)定义的各符号所含信息量各不相同。
H(S)称为该信源的熵，根据式(6-2)，熵有如下性质。
①熵的物理概念是信源每个符号的平均信息量，单位是比特/符号。
②熵是非负的，最小为零。
③当信源符号等概时，熵有最大值，记为Hmax(S)=lbq，其中q为信源符号个数。
④只要信源各符号不等概，则H(S) 信源发出的信息是以信号的形式通过信道进行传送的，单位时间通过信道的平均信息量称为信息速率，记为Rb=H(S)TB
其中，TB是每个符号持续的时间。
当信源的熵取最大值时，信息速率也达到最大，即Rb，max=Hmax(S)TB
其中，Rb，max也称为信道容量，它是信道最大无误信息速率。
(二)带宽
带宽(BandWidth)又叫频宽，是指通信系统的频带宽度，即在固定的时间可传输的信息数量，亦即在传输管道中可以传递数据的能力。
在模拟通信系统中，带宽通常以所能通过信号的最高频率与最低频率之差表示，即一个频率范围，用Hz来表示。例如，一个模拟通信系统能通过信号的最高频率为6500Hz，信号的最低频率为500Hz，则该系统的带宽为6000Hz。在数字通信系统中，带宽通常以每秒可传输的信息量的位数表示，单位是bps。例如，一个数字通信系统每秒可以传送信息为1024位，则该系统的带宽为1024bps。
通信系统的带宽越宽，传送数据的速度就越快，也就是说在更短的时间内可以传送更多的数据，所以带宽是衡量通信系统传输质量的一个重要因素。
(三)数据传输速率
数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一。数据传输速率有两种度量单位：比特率和波特率。
1.比特率
比特率在数值上等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒(bit/s)，记作bps。在现代网络技术中，人们总是以“带宽”来表示信道的数据传输速率，“带宽”与“比特率”几乎成了同义词。对于二进制数据，数据传输速率为S=(1/T)lbn(6-3)
其中，T为一个脉冲波形的周期，n为一个脉冲表示的有效状态(为2的整数倍)。
2.波特率
波特率即调制速率，指的是信号被调制以后在单位时间内传送的波特数，即单位时间内载波参数变化的次数。它是对信号传输速率的一种度量，通常以“波特每秒”(Baud/s)，记作Bps为单位。
B=1/T(Bps)(6-4)
其中，T为一个脉冲波形的周期。
波特率有时候会同比特率混淆，实际上后者是对信息传输速率(传信率)的度量。波特率可以被理解为单位时间内传输码元符号的个数(传符号率)，通过不同的调制方法可以在一个码元上负载多个比特信息。
通过以上两个式子，可得比特率和波特率的关系为S=Blbn
三、信道及其容量
(一)信道的分类
按传输媒体信道可分为有线信道和无线信道，有线信道包括明线、电缆、光缆等；无线信道主要包括地面微波、卫星等。
信道从概念上可分为广义信道和狭义信道。狭义信道是指传输信号的具体的传输物理媒介，如光缆、电缆、微波、短波等传输线路；广义信道是指相对某类传输信号的广义上的信号传输通路，通常将狭义的信道与相应的信号输入、输出转换设备一起看作是信道，如调制信道、编码信道等。
按信息复用形式信道可分为时分制信道和频分制信道，前者主要包括时分基带信道、时分短波信道、时分微波信道、时分卫星信道等，后者主要有载波信道频分短波信道、频分微波信道、频分卫星信道等。
(二)信道的参量
1.模拟信道的基本参量
模拟信道就是指传输模拟信号的信道。它主要有如下3个基本参量。
(1)带宽(F)
在无线电通信中，其带宽主要由收、发信机的带宽和收发天线的带宽决定。在有线信道中，主要由导体的结构和线路放大器及其他传输网络的带宽决定。
(2)可用时间(T)
信道的可用时间指设备可用时间的长短，一般与通信设备的故障率有关。在短波通信中，还与电离层的状态密切相关。
(3)最大允许功率范围(H)
从实际出发，信道的最大允许功率范围可分为平均功率和峰值功率两种。峰值功率超过容限会导致电信设备的电击穿，平均功率超过容限会导致电信设备过热而烧毁。
2.数字信道的基本参量
数字信道，就是指传输数字信号的信道。它主要有如下3个基本参量。
(1)符号率
符号率是指该信道内每秒内能够传送最大符号数目，单位是波特(Baud)。它相当于模拟信道的带宽。由于数字信道与模拟信道不同，所以参量的名称也不相同。
(2)差错率
信道的差错率表示由于干扰的作用符号被传错的程度，是衡量传输质量的重要指标之一。
(3)可靠性
信道的可靠性是衡量传输系统质量的一个重要指标。传输系统的可靠性常用可靠度与中断率来衡量。
3.信道容量
信源输出的信息总是要通过信道传送给接收端的收信者，因此，需要评价信道传输信息的能力，一般用信道容量来衡量。信道容量就是单位时间内该信道所能传输的最大信息量(比特数)。如果实际传输的信息量小于信道容量，就会使信道出现空闲，造成浪费，使信道的有效性变差；反之，如果实际传输的信息量大于信道容量，就会使信道溢出，造成信息失真或丢失，使通信的可靠性变坏。可见，信道容量是信道的一个重要指标。
四、信道的复用
信道复用，就是一条信道同时传送多路信号，复用就是多用的意思。其中信号的复合与分离是信道复用的核心问题。一般来说，复合的基础是基于各个信号之间的共性，而分离的基础则是基于各个信号之间的个性。这就意味着信号必须满足一定的条件，才能实现它们的复合与分离，在理想情况下，达到Si(t)=S′i(t)。
信道复用技术主要有两种：频分多路复用(Frequency Division Multiplexing，FDM)和时分多路复用(Time Division Multiplexing，TDM)。
(一)频分多路复用
频分多路复用就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号。</hmax(s)。
