1、第 2 章 通信系统的技术基础 主讲：王立 湖南文理学院电气与信息学院本章主要内容：本章主要内容：l信源编码技术l调制技术l信道复用技术l交换技术l同步技术l差错控制技术2.1 2.1 信源编码技术信源编码技术l信源编码的作用和理论基础信源编码的作用和理论基础l语音编码技术语音编码技术l图象编码技术图象编码技术（一）信源编码的作用（一）信源编码的作用l完成模拟信号向数字信号的变换和反变换l为了提高信道利用率，实现数字信息的压缩编码理论基础采样定理（模数转换）tf(t)0tf(t)0tf(t)0时间离散、参量连续时间连续、参量连续时间离散、参量离散抽抽样样量量化化压缩编码l音频/视频数据压缩的必
2、要性 音频/视频数据数字化后数据速率很大，如双声道立体声信号数字化后数据速率为176Kbit/s存储1分钟需1.323MB;数字视频信号速率高达216Mb/sl音频/视频数据压缩的可行性 存在信息冗余压缩编码l音频/视频数据压缩的方法无损压缩无损压缩:解码后的信息量与原信息量严格相同有损压缩有损压缩:解码后的信息量比原信息量少,有失真,但一般不影响效果.压缩比大.l主要指标压缩比压缩比失真失真运算速度运算速度数字音频基础l一、声音的基本概念l 声音是通过一定介质传播的一种连续波。振幅振幅：音量的大小：音量的大小周期周期：重复出现的时间间隔：重复出现的时间间隔频率频率：指信号每秒钟变化的次数：指
3、信号每秒钟变化的次数t振幅周期A 数字音频基础l 声音按频率分类：次声波次声波可听声波可听声波超声波超声波20Hz20kHzf(Hz)人类说话声音频率范围：人类说话声音频率范围：300Hz-3kHz300Hz-3kHz声音质量的频率范围：声音质量的频率范围：10 20 50 200 3.4k 7k 15k 20kCD-DAFM广播广播AM广播广播电话电话f(Hz)数字音频基础l声音数字化三要素采样频率量化位数声道数每秒钟抽取声波幅度样本的次数每个采样点用多少二进制位表示数据范围使用声音通道的个数采样频率越高声音质量越好数据量也越大量化位数越多音质越好数据量也越大立体声比单声道的表现力丰富，但数
4、据量翻倍11.025kHz22.05 kHz44.1 kHz 8位256 个值16位65536个值单声道立体声l 数据量采样频率量化位数 声道数/8(字节/秒)采样频率(kHz)量化位数(bit)数据量(KB/s)单声道立体声11.025810.7721.531621.5343.0722.05821.5343.071643.0786.1344.1843.0786.131686.13172.27声音数字化计算公式（二）语音编码技术l什么是语音压缩编码？什么是语音压缩编码？把数码率低于把数码率低于64Kbit/s64Kbit/s的的语音编码方法称为语音压语音编码方法称为语音压缩编码技术缩编码技术数
5、字音频的文件格式1.WAV文件 WAV是Microsoft/IBM共同开发的PC波形文件。因未经压缩，文件数据量很大。特点：声音层次丰富，还原音质好2.MP3文件 MP3(MPEG Audio layer 3)是一种按MPEG标准的音频压缩技术制作的音频文件。特点：高压缩比(11:1)，优美音质数字音频的文件格式 3.WMA文件 WMA(Windows Media Audio)是Windows Media格式中的一个子集(音频格式)。特点：压缩到MP3一半 4.MIDI文件 MIDI(乐器数字接口)是由一组声音或乐器符号的集合。只能表现音符与和弦，不能表现歌词。特点：数据量很小，缺乏重现自然音
6、（三）图象编码技术l静止图象压缩标准l视频压缩标准n二值静态图像编码标准n1980:ITU-T T.4:G3 FAX for PSTN 改进的Huffman（MH）和 改进的 READ码（MR）n1984:ITU-T T.6:G4 FAX for ISDNn1993:JBIG(ISO 11544,ITU-T T.82):用于二值图像编码，是对T.4 and T.6的提高n彩色静态图像编码标准n1992:JPEG(ISO 10918,ITU-T T.81):n最近:JPEG-LS,JBIG2,JPEG2000,etc静态图像压缩标准JPEG简介l由ISO/IEC和ITU-T在1988-1992共
7、同制定的用于静态图像压缩的国际标准(ISO/IEC IS 10918)lJPEG:Joint Photographic Experts Groupl主要用于彩色Fax,数码相机,彩色打印机及其它计算机应用等.l包括Lossless/Lossy 模式,Baseline/Extended 模式,Progressive/Sequential 模式.l技术:DPCM+DCT+Q+RLE+Huffman/Arithmetic码l运动JPEG 可被用于压缩运动图像.lJPEG 是一个非常成功的标准 Encoded Bitrate:1.0(bpp)Mean Square Error:10.7 Signal-
8、to-Noise Ratio:23.3(dB)PSNR:37.8(dB)Number of Bit Errors due to Channel Corruption:0Encoded Bitrate:0.2(bpp)Mean Square Error:120.2Signal-to-Noise Ratio:12.8(dB)PSNR:27.3(dB)Number of Bit Errors due toChannel Corruption:0JPEG压缩的例子JPEG 2000JPEG 2000 有以下特点:基于DWT而非DCT,嵌入式编码-充分考虑了网络应用的需要/渐进传输 ROI编码方式-给不
9、同的部分不同的质量可随机访问图像的不同部分压缩比可达几百:1JPEG2000 Encoder:Target file size:52424 bits Generated file size:52376 bitsJPEG2000 DECODING RESULTS:Decoded#bits:52376 Decoded bitrate:0.20(bpp)Number of tiles decoded:1 Mean Square Error:32.7 Signal-to-Noise Ratio:18.5(dB)PSNR:33.0(dB)JPEG2000 Encoder:Target file size
10、:13104 bits Generated file size:13000 bitsJPEG2000 DECODING RESULTS:Decoded#bits:13000 Decoded bitrate:0.05(bpp)Number of tiles decoded:1 Mean Square Error:120.8 Signal-to-Noise Ratio:12.8(dB)PSNR:27.3(dB)JPEG2000压缩的例子视频比特率的计算width pixels(160,320,640,720,1280,1920,)height pixels(120,240,480,485,720,
11、1080,)depth bits (1,4,8,15,16,24,)fps frames per second(5,15,20,24,30,)压缩比(1,6,24,)width*height*depth*fps压缩比=bits/sec视频编码国际标准lMPEG-1 (1992)-Coding of video and audio for storage media(CD-ROM,1.5Mbps)-VCD,MP3lMPEG-2 (1994)-Coding of video and audio for transport and storage(480Mbps)-Digital TV(HDTV)a
12、nd DVDlMPEG-4 (v1:1999,v2:2000,v3:2001)-主要用于可视电话和可视邮箱的视频编码主要用于可视电话和可视邮箱的视频编码 (4.8-.4Kbps)2.2 调制技术l在通信系统中在通信系统中调制与解调调制与解调是一种基本的技术。是一种基本的技术。l调制调制是指用一个信号去控制另一个信号的某一是指用一个信号去控制另一个信号的某一个参量的过程。个参量的过程。l被控制的信号称为被控制的信号称为载波载波(Carrier）l控制信号称为控制信号称为调制信号调制信号(Modulation Signal)，也称为，也称为基带信号基带信号。调制就是发送端将基带信号的频谱搬移到指定
13、调制就是发送端将基带信号的频谱搬移到指定频段上而成为频带信号的过程。频段上而成为频带信号的过程。l解调：解调：调制的逆过程(把从信道上接受到的信号还原成原来的信号)。l调制后的信号叫已调信号，它包含了调制信号的所有信息。2.2 调制技术调制技术l在通信系统中广泛采用调制技术是因为在通信系统中广泛采用调制技术是因为:1.有利于通信系统的频率分配有利于通信系统的频率分配;2.能够实现信道的频分多路复用；能够实现信道的频分多路复用；3.便于信号的有效辐射便于信号的有效辐射 若信号以电磁波形式发送到若信号以电磁波形式发送到信道，当发射天线的尺寸大约为信号波长的信道，当发射天线的尺寸大约为信号波长的1/
14、10或更或更大一些时，天线的辐射效率最高。大一些时，天线的辐射效率最高。4.可以减少噪声和干扰的影响可以减少噪声和干扰的影响 不同的调制方式具有不同的调制方式具有不同的抗噪声能力不同的抗噪声能力;5.可以降低技术实现的难度可以降低技术实现的难度 利用调制将信号的频谱变利用调制将信号的频谱变换到容易满足信号处理的频率上来换到容易满足信号处理的频率上来l通常采用的调制方式有三种：1）幅度调制AM(或幅移键控ASK)2）频率调制FM(或频移键控FSK)3）相位调制PM(或相移键控PSK)l设载波信号为正弦交流信号f(t)Asin(t+)。此处A是幅度，是角频率，是相位。ASK基带脉冲载波载波信号、基
15、带脉冲及载波信号、基带脉冲及ASK调制波形调制波形FSK基带脉冲载波101 1 0 010载波信号、基带脉冲及频率调制波形载波信号、基带脉冲及频率调制波形2PSK基带脉冲载波101 1 0 010载波信号、基带脉冲及相位调制波形载波信号、基带脉冲及相位调制波形2DPSK基本二进制键控方式的比较l频带宽度 ASK、PSK近似为2fB，FSK宽一些，因此FSK频带利用率最差l抗噪声性能 优劣排序为2PSK、2DPSK、2FSK、2ASKl对信道特性的敏感性 2ASK最敏感，2PSK最不敏感l设备复杂程度 由繁到简的顺序为2FSK、2DPSK、2ASKl抗多径时延性能 2PSK对多径干扰最敏感，2F
16、SK较为优越 2.3.2.3.多路复用技术多路复用技术l多路复用：多路复用：利用一条物理信道同时传输多路信息的过程。这是共享信道共享信道的应用。l多路复用技术能把多个信源信号组合在一条物理信道上传输，使多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道的利用率。l多路复用技术应用在共享式信道上。l多路复用技术多路复用技术通常有频分多路复用、时分多频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用路复用、波分多路复用和码分多路复用码分多路复用等。(1)频分多路复用频分多路复用(FDM)l频分多路复用：频分多路复用：就是将具有一定带宽的信道分割为若干个有较小频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。这样在信道中就可同
17、时传送多个不同频率的信号。l频分多路复用实现的条件频分多路复用实现的条件是信道的带宽远远大于每个子信道的带宽l采用频分多路复用时数据在各子信道上是并行传输并行传输的。由于各子信道相互独立，故一个信道发生故障时不会影响其他信道。ft.子信道n fn子信道3 f3子信道2 f2子信道1 f1警戒频带信道带宽频分多路复用频分多路复用l时分多路复用：时分多路复用：是将一条物理信道的传输时间分成若干个时隙，把这些时隙轮流地给多个信号源使用，每个时隙被复用的一路信号占用。这样，当多路信号准备传输时，一个信道就能在不同的时隙传输多路信号。(2)时分多路复用时分多路复用(TDM)A B C D A B C D
18、 A BC D A B C D ft子 信 道 A 的 间 隙信道带宽时分多路复用时分多路复用l时分多路复用实现的条件时分多路复用实现的条件是信道能达到的最高传输速率超过待传输的各路信号的传输速率之和。(3)码分多路复用码分多路复用(CDM)l码分多路复用：码分多路复用：是一种用于移动通信、无线计算机网络以及移动性计算机联网的复用技术。笔记本电脑、掌上电脑、手机等移动性设备的通信将会大量使用码分多路复用技术。lCDM的复用原理是基于码型分割信道基于码型分割信道。每个用户分配有一个地址码，而这些码型互不重叠，以区分每个用户。信道的频率和时间资源均为各用户共享。因此，在频率和时间资源紧缺的情况下，
19、CDM技术的优势突现，CDM已受到人们的普遍关注。l码分多路复用技术具有抗干扰能力强和通信隐蔽性好等优点。l抗干扰能力强：抗干扰能力强：l隐蔽性好：隐蔽性好：信号频带变宽，单位频带内的信号功率变小，隐藏或淹没在噪声中，通信隐蔽。(4)波分多路复用波分多路复用(WDM)l波分多路复用：波分多路复用：是在一根光纤上能同时传送多个波长不同的光载波信号的复用技术。通过WDM，将光纤信道分为多个波段，每个波段传输一种波长的光信号，这样在一根光纤上可同时传输多个不同波长的光信号。多路复用的类型多路复用的类型频分多路复用频分多路复用时分多路复用时分多路复用波分多路复用波分多路复用码分多路复用码分多路复用多路
20、复用多路复用2.4 2.4 同步技术同步技术l同步：同步：统一收发两端动作、保持收发步调一致的过程。接收方按照发送方发送信息的重复频率和起止时间来接受数据。l通信系统能否可靠而有效地工作，在很大程度上依赖于是否能很好实现同步。常用的数据传输的同步方式有异步式同步和同步式同步。两者的区别在于发送端和接收段的时钟是独立的还是同步的。l异步传输异步传输是指同一个字符内相邻两位的间隔是固定的，而两个字符间的间隔是不固定的，即所谓字符内同步，字符间异步。l异步传输是面向字符的，每个字符独立传输。异步式同步方式又称起止式同步。l异步传输不需在发收两端间传输时钟信号，实现简单，但传输效率较低。0 1 0 0
21、 0 0 0 1 0起始位校验位停止位一个字符七位信息位 异步方式的同步过程异步方式的同步过程字符1字符2字符3字符4字符间隔l同步传输同步传输可以面向字符，也可以面向比特。l面向字符时数据以字符为单位传输，多个字符构成一个字符组(串)，由一个或几个同步字符(如SYN)为组头和组尾做同步标识；接收方识别出SYN后，即可接收数据组，直至组尾。l面向比特时，数据由任意比特组成数据块(帧)，在每个数据块的前后加上起始和结束标志序列(0111110)，以固定时钟节拍串行发送数据。接收端要建立与发送端一样的时钟，才可便于实现同步。l同步传输时，发送端以固定的时钟信号频率串行发送数据，每比特与时钟严格对应
22、；因接收端有与之一样的时钟，接收端可从接收的数据中区分出每个比特，达到同步目的。l远距离传输时，接收端可从数据流中提取同步时钟，从而实现位同步，这就是内同步或自同步。标志位标志位任意组合的比特流 01111110 正 文 01111110 S S 字 字 字 S Y Y 符 符 符 Y N N 1 2 N N (a)字符同步 (b)帧同步同步传输同步传输一组（串）字符l异步传输方式异步传输方式不需要在发送端和接收端之间传输时钟信号，而是靠它的起始位和停止位来确定的。因此实现简单，控制容易，如果出现错误，只需重发一个字符即可，但传输效率较低，开销大。适于低速率场合。l同步传输方式同步传输方式的传
23、输效率高，开销小，但收发双方需建立同步时钟，实现和控制比较复杂；在传输的数据中有一位出错，就必须重新传输整个数据块。同步传输方式适合于高速场合。l按交换原理区分，数据交换有电路交换电路交换、存储交换存储交换和混合交换混合交换。l而具体实现的交换技术有：电路交换电路交换、报报文交换文交换、报文分组交换报文分组交换、ATMATM交换交换、帧中帧中继交换继交换等。2.5 2.5 交换交换技术技术电路交换电路交换l电路交换电路交换是数据通信领域最早使用的交换方式,多用于电话网络交换。电路交换就是要通过中间交换节点在两个站点之间建立一条专用的通信线路。l利用线路交换进行通信包括建立线路建立线路、传传输数
24、据和拆除线路输数据和拆除线路三个阶段。BC通信双方物理信道的建立通信双方物理信道的建立H1H2ADl电路交换方式的特点：电路交换方式的特点：用户就可以固定的速率传输数据，中间节点也不对数据进行其他缓冲和处理，数据不丢失、不乱序，传输可靠，传输实时性好，透明性好。但该方式线路建立时间延迟较大，传输效率较低；线路建立后即为专用线路，线路利用率低；不具备数据存储和差错控制能力。存储交换存储交换l存储交换存储交换的过程(原理)是：交换节点将输入的信息先在存储区暂存，并对存储的信息进行处理，待指定输出线空闲时，再分别将信息转发出去。交换设备可控制输入信息存入缓冲区等待出口的空闲，接通输出并传送信息。输出
25、输入缓 冲存储信 息处 理和转 发 交换节点存储交换原理图交换节点存储交换原理图l存储交换方式：存储交换方式：具有均衡负荷、不需建立线路、线路利用率高、差错控制、速率匹配、灵活性好等优点。但其实时性不好，网络传输延迟大。适用于对一些实时性要求不高(如计算机数据处理)的场合。混合交换混合交换l近几年出现了综合电路交换和分组交换的高速交换方式，也叫混合交换。l混合交换混合交换采用动态时分复用技术，将一部分带宽分配给电路交换用，而将另一部分带宽分配给分组交换用。这两种交换所占的带宽比例也是动态可调的，以便使这两种交换都能得到充分利用，提供多媒体传输服务。l典型的ATM(异步传输模式)交换、DQDB(
26、分布式队列双总线)交换等均属混合交换，帧中继帧中继(FR)交换也是近年来发展起来的高速交换技术。报文交换报文交换l报文交换过程：报文交换过程：发方把待传送的正文信息再加上相应的控制信息形成一份份报文；再以报文为单位送到各节点；交换节点在接收报文后进行缓存和必要的处理；待指定输出端线路和下一节点空闲时，再将报文转发出去，直到目的节点；目的节点将收到的各份报文中的正文信息交付给收端DTE。报文分组交换报文分组交换l报文分组交换报文分组交换简称分组交换(包交换)。报文分组交换方式是把信息正文再分成若干个正文组，每个组再加上相应的头部和尾部控制信息，就形成了报文分组，在线路和节点上是以报文分组为单位进
27、行存储、处理和转发的。l与报文交换相比，报文分组交换报文分组交换有如下特点：利用节点主存进行存储转发，不需访问外存，处理速度加快，降低了传输延迟；较短的信息分组，其下一节点和线路的响应时间也较短，可提高传输速率；短信息传输中出错的概率小，即使有差错重发的也只是一个分组，提高了传输效率；分组交换的数据报形式可使多个分组在网络的不同链路上并发传送，提高传输效率和线路利用率；可大大降低对节点存储容量的要求。分组交换要进行组包、拆包和重装过程，增加了报文的加工处理时间。数据交换类型数据交换类型电路交换电路交换存储交换存储交换混合交换混合交换报文交换报文交换报文分组交换报文分组交换ATMATM交换交换D
28、QDBDQDB交换交换 数据交换数据交换数据报分组数据报分组虚电路分组虚电路分组2 26 6 差错控制差错控制 1.1.差错及差错控制概念差错及差错控制概念l差错：差错：就是在通信接收端收到的数据与发送端实际发出的数据不一致的现象。l差错产生的原因：差错产生的原因：信道频率特性不理想形成的码间串扰-乘性干扰和系统中各种噪声引起的误码-加性干扰。l为了保证通信系统的传输质量，降低误码率，要采取差错控制措施。l差错控制：差错控制：为防止由于各种因素引起的信息传输错误或将错误限制在所允许的范围内而采取的措施。2.2.差错控制方法差错控制方法(1)检错重发方法检错重发方法反馈信道前向信道检错码编码器信
29、源发送器接收器检错码译码器信宿噪声源 ARQ方法原理图方法原理图重发控制反馈控制(2)前向纠错方法：前向纠错方法：前向信道纠错码编码器信源发送器接收器纠错码译码器信宿噪声源FEC方法原理图方法原理图(3)反馈检错方法：反馈检错方法：接收端将收到的信息码原封不动地发回发送端，与发送端中的原发信息码相比较，如果有不一致，发送端重发。(4)混合纠错方法：混合纠错方法：将反馈重发检错和前向纠错两种方法结合结合在一起可进行混合纠错。几种差错控制方法的特点几种差错控制方法的特点lARQ方法：方法：容易实现，设备简单，但要有反馈信道，信道质量差时反馈次数增多，影响传输效率和信息的连续性。lFEC方法：方法：
30、优点是发送时不需存储，不要反馈信道，缺点是译码设备复杂，纠错码与信道干扰情况相关。l混合纠错方法：混合纠错方法：介于ARQ和FEC之间。l反馈检错方法：反馈检错方法：方法、原理和设备均简单，但要有双向信道，且每个信息码均要至少发送两次，传输效率低。l实际中使用最多的还是ARQ方法。作业1、信源编码的作用和必要性2、数据压缩方法有那些？有哪些主要指标？3、说明声音数字化的三要素，并说出它们与数据量有什么关系？4、调制的实质是什么？试比较几种基本二进制数字调制方式的优缺点。5、复用是为了解决什么问题？有哪些复用方式？6、试说明同步传输和异步传输的特点。7、说明现代通信系统中有哪些交换方式，各有什么特点？8、在通信系统中，差错控制编码的目的是什么？常用的差错控制方式有哪些？
