现代通信技术24975499

第2章通信业务第二篇信息应用技术第3章通信终端直接面向用户的各种业务现代通信网的垂直分层结构上层：各种信息应用和服务种类中层：支持各种信息服务的手段和装备下层：支持业务网的各种接入、传输手段和基础设施一、模拟与数字视音频业务第2章通信业务二、数据通信业务一、模拟与数字视音频业务（一）视音频信息基本概念当前主要的通信业务（四）视音频业务种类（三）视音频压缩编码概述（二）视音频信息数字化（一）视音频信息基本概念1.听觉特性与音频信号（1）人的听觉特性对声音强弱的感觉：对数对声音频率的感觉：指数听觉的频响特性：“可闻声”20Hz~20KHz20KHz:“超声”20Hz：“次声”听觉的掩蔽效应：（2）音频信号特性电话通信：300Hz~3.4KHz（国标）(大部能量、可懂度、声色平衡)歌唱（发声）：男低音基频82.407Hz女高音十次谐波10.456KHz乐器:下限20~40Hz上限16~20Hz声音信号强度的动态范围：语音信号：20~40dB交响乐、戏剧等：60~80dB2.视频技术基础（光电/电光变换）（1）视频信号与图像扫描每幅图像至少有几十万以上的像素,每一个像素均有其光学特性和空间位置,且视频信号随时间变化。电视系统：由扫描系统完成图像像素的分解、合成，以及图像的时空转换。为获得连续、无跳跃感的活动图像国际帧频制式：25帧/秒30帧/秒另：采用隔行扫描方式，解决图像连续感、闪烁感和电视信号带宽的矛盾。复合电视信号（全电视信号）图像信号、同步信号和消隐信号（VSB调幅），以及伴音信号（FM）（2）彩色电视系统三基色原理（R、G、B）摄像机：三个摄像管分别获取R、G、B分量接收机：三个电子枪轰击相应颜色的荧光粉点（很小，一定距离时为均匀混合色）为兼容黑白电视机，模拟彩色电视信号：亮度信号：Y=0.299R+0.587G+0.114B蓝色差信号：U=k1(B-Y)红色差信号：V=k2(R-Y)对于这三个信号的不同传输方案，形成国际上的三种模拟彩电制式：PAL制中国、西欧NTSC制美、日SECAN制俄、东欧PAL制：亮度Y带宽6MHzU和V带宽1.3MHz（二）视音频信息数字化音频信息时间上、图像信息空间位置的离散化音频信息电平值、图像灰度电平值的离散化音频信号：采样：音频信息时间上的离散化（采样频率：8kHz~48kHz）量化、编码：音频信息电平值的离散化（量化编码：8~20bit/256~1048576阶）根据用户质量需求，选用尽可能低的采样率和量化编码位数，以降低数据速率。奈奎斯特低通抽样定理演示：设：音频信号最高频率为fmax采样频率为fs要求满足：fs≥2fmax例:fs=5MHz演示1:fsmin=2fmax=10MHz演示2:fs2fmax=10MHz（过采样）演示3:fs2fmax=10MHz（欠采样）（二）视音频信息数字化音频信息时间上、图像信息空间位置的离散化音频信息电平值、图像灰度电平值的离散化音频信号：采样：图像信息空间位置的离散化量化、编码：图像灰度电平值的离散化（量化编码：6~10bit/64~1024阶）根据用户质量需求，选用尽可能低的采样率和量化编码位数，以降低数据速率。（三）视音频压缩编码（数字域）必要性:例1：一分钟数字化激光唱盘CD双声道信号fs=44.1kHz,16bit量化数据速率=44.1×16×2=1411.2kbit/s存储容量=1411.2×60÷8=10.548MB例2：一小时分量编码的数字视频信号数据速率=216Mbit/s存储容量=216×3600÷8×0.8=77.76GB1.数据压缩的理论依据（Shannon/香农信息论）（1）信息量I定义设：符号S取自有限符号集(数字化信息源),概率为P(S),则其所携带的信息量II=log2(1/p)=-log2(p)bit（2）平均信息量(信息熵)定义设：信息源输出的符号相互独立(离散无记忆)离散无记忆信源中一个符号的平均信息量H信息熵是对离散无记忆信道编码的极限bitspspHiii)(log)(2例：一个图像像元有M个灰度等级xi(i=1,2,…,M)每个灰度等级xi出现的概率为p(xi)，该像元的熵为)(log)(21iMiixpxpH讨论：1.当某一灰度等级xi出现的概率为1时，其他灰度等级出现的概率为0，其熵为0(最小)。2.当像元各灰度等级出现的概率项等时，即p(xi)=1/M，H(x)=log2M,其熵为最大。结论：1.若离散无记忆信源概率分布不均匀就存在信息冗余，存在信息压缩的可能性(信源压缩编码的基本途径之一)。2.信源一般是无记忆的,前后的信源符号间有一定的相关性,相关性越大冗余也越大(信源压缩编码的基本途径之二)2.限失真压缩编码依据结论1，在给定信号允许失真度条件下，尽量减小传输信号的方差(即相对提高信源分布的均匀性)，以减少信号传输的比特率，达到压缩编码的目的。即允许失真度越大，方差减小的越多，所需传输的信号比特率越低。如：预测编码和变换编码等结论1.若离散无记忆信源概率分布不均匀就存在信息冗余，存在信息压缩的可能性(信源压缩编码的基本途径之一)。3.无失真压缩编码（统计编码/熵编码）依据结论2，基于信源的统计特性，去除各信源符号间的相关性，使编码后的数据接近其信息熵而尽量不产生失真。如：Huffman编码，算术编码和基于信号样值相关性的游程编码等结论2.信源一般是无记忆的,前后的信源符号间有一定的相关性,相关性越大冗余也越大(信源压缩编码的基本途径之二)（四）视音频业务种类1.普通电话和智能网业务（1）普通电话点对点语音通信；增值功能：来电显示、三方通信、转移呼叫、会议电话等接入功能：互联网接入、传真等（2）智能网业务在普通电话网设置的附加网络，将呼叫处理与业务处理分开，网络节点连智能网集中设置的业务控制点，向用户提供智能服务。2.IP电话俗称Internet电话或网络电话特点：（1）数字化，很大压缩(8~10kbir/s)，语音质量较差；（2）采用“存储-转发”方式传送数据包，不独占电路，且网络分组交换的计费与距离无关长途通信费用低。3.广播电视信号格式：图像信号-VSB，伴音信号-FM（1）无线广播发射48~958MHz的频率范围内：Ⅰ频段：广播电视1~5频道Ⅱ频段：调频广播和通信专用Ⅲ频段：广播电视6~12频道Ⅳ频段：广播电视13~24频道Ⅴ频段：广播电视25~68频道1~12频道：甚高频段（VHF）13~68频道：特高频段（UHF）（2）有线电视独立、封闭系统，可以占用Ⅱ频段（增补频道）4.数字视频广播（1）采用压缩和信道调制技术，现一路模拟电视信号占用的带宽，可传输4~6路数字压缩电视节目（图像质量高），可提高信道利用率，降低每路节目的传输费用。（2）对各种传输媒体（卫星、有线电缆与光缆等）的通用性强。5.视频点播业务（VOD）（1）主动性：用户可根据需要点播节目；（2）选择性：选择服务方式和种类。二、数据通信业务（一）数据通信的基本概念（二）数据通信业务（三）多媒体通信业务（一）数据通信的基本概念数据通信与数字通信的共同点：传输编码、差错控制、同步和复用等而数字通信的信息服务内容比数据通信更广泛数据通信的特点：1.数据业务有更为复杂、严格的通信规程或协议；2.实时性要求较低，可采用存储转发交换方式；3.差错率要求较高，采用严格的差错控制方式；4.数据通信是进程间的通信，可自动完成通信过程。（二）数据通信业务（1）DDN（数字数据网）业务永久性连接：建立固定连接、传输速率不变独占带宽的专网(金融、海关、外贸等)半永久性连接：用户申请目的地、传输速率业务：数字化传真、电话、图像信号等结构：数十万光缆网络，带宽资源丰富、传输速率高、网络延时小、流量大等。（2）帧中继（FR）在光缆传输网络中应用分组交换技术，完成OSI物理层和链路核心层功能，用于WAN(广域网)。业务：LAN互连、远程计算机辅助设计、图像监测、会议电视等（3）ISDN（综合业务数据网）业务数字多路复用、网络接入窄带ISDN（N-ISDN）基本接口2B+D/128kbit带宽宽带ISDN（B-ISDN）2016路/155.52Mbit带宽(同步复接)（4）ATM（异步转移模式）业务面向连接的快速分组交换技术提供光接口和电接口标准接入速率：155Mbit/s622Mbit/s(异步复接)（三）多媒体通信业务1.多媒体通信业务及其特点多媒体通信类型（1）分配型业务（2）交互型业务会话型、消息型、检索型多媒体通信业务对网络的要求（1）足够的带宽，充分的信息压缩（2）实时性要求（3）支持点-点、点-多点和广播式通信（4）支持对称和不对称连接方式2.多媒体通信技术规范与标准（1）MPEG-1标准（MPEG/运动图像专家组）1.5~2.0Mbit/s数字存储媒体音频：32~384kbit/s单声道/双声道MPEG码流的产生（2）MPEG-2标准包头含:指示ID、清除/加密、密钥、连续计数器等视频码率：4~10Mbit/s（3）MPEG-4标准MPEG-4是完全基于对象的一种编码方式3个最重要的特点:基于内容的压缩、更高的压缩比、时空可伸缩性MPEG-4标准与MPEG-2标准的基点不同，MPEG-4不再将图像看成是一个矩形像素阵列的序列，把音频看成是一个多声道或单声道的声音，而是深入到组成一个场景的视频、音频对象的语义中去，对不同的主体采用不同的编码方式，例如把一幅图像中活泼的白猫和毛线团以及背景中的房间分别进行编码。第2章通信业务小结•模拟与数字视音频业务•视音频信息基本概念•视音频信息数字化•视音频压缩编码概述•视音频业务种类•数据通信业务•数据通信的基本概念•数据通信业务•多媒体通信业务END习题（2）1.设英文字母中a、b、c、d出现的概率各为0.023、0.105、0.001、0.002，分别求出它们的信息量Ia、Ib、Ic、Id（单位为bit）。2.设某信源产生e、f、g、h四个符号，若各符号的出现是相互独立的，且出现的概率分别为1/2、1/4、1/8、1/8，求该信源的平均信息量(信息熵)H(bit)。若四个符号出现的概率相等，再求H(bit)。讨论上述两个结果的含义。3.人对音调高低的感觉与声音频率的感觉是什么关系？人对声音频率的响应大致是什么范围？人对那些频率最敏感？4.在我国的模拟电视制式中，视频信号的频谱是什么结构？彩色信号的频谱是如何分布的?