《现代通信技术基础》第2章-通信网技术基础

现代通信技术基础IntroductiontoModernCommunicationTechnology第二版第2章通信网基础技术本章学习目标理解数字通信系统的基本概念。理解信源编码中的信号处理过程。了解信道编码中多路复用、复接与同步等技术应用。了解数字信号传输的主要内容。了解数字调制技术基本类型及应用。了解差错控制编码技术应用。内容简介2.1概述2.2信源编码2.3信道复用2.4数字信号的基带传输2.5调制技术2.6差错控制技术放映结束内容简介2.1概述2.1.1通信系统研究的主要问题2.1.2数字通信系统的基本概念返回主目录内容简介2.2信源编码2.2.1模拟信号的数字化处理2.2.2语音编码技术2.2.3图像编码技术返回主目录内容简介2.3信道复用2.3.1信道复用概述2.3.2多路复用技术2.3.3同步技术2.3.4数字复接技术2.3.5同步数字系列（SDH）返回主目录内容简介2.4数字信号的基带传输2.4.1数字信号传输的基本概念2.4.2再生中继与均衡技术2.4.3数字传输的常用码型返回主目录内容简介2.5调制技术2.5.1调制的基本概念2.5.2模拟调制技术2.5.3基本数字调制技术2.5.4现代数字调制技术返回主目录内容简介2.6差错控制技术2.6.1差错控制的概念2.6.2差错控制编码返回主目录2.1概述通信系统是构成各种通信网的基础。数字通信已成为现代通信技术的主流。数字通信系统中融合了计算机软硬件技术，是构成现代通信网的基础。按照信道传送信号的不同，通信可以分为模拟通信和数字通信。返回2.1.1通信系统研究的主要问题模拟通信系统研究的主要问题：收发两端的变换过程以及基带信号的特性。调制与解调原理。信道与噪声的特性及其对信号传输的影响。噪声存在条件下的系统性能。通信系统研究的主要问题数字通信系统研究的主要问题：收发信端的变换过程、模拟信号数字化以及数字基带信号的特性。数字调制与解调原理。信道与噪声的特性及其对信号传输的影响。抗干扰编码与解码，即差错控制编码问题。保密通信问题。同步问题。返回2.1.2数字通信系统的基本概念数字通信的特点：传输质量高、抗噪声性能强抗干扰能力强保密性好易于与现代技术相结合数字信号可压缩设备体积小、重量轻数字通信系统的基本概念数字通信系统模型如图2-1所示。信源：把消息转换成电信号的设备。信源编码：基本部分是压缩编码，用以减小数字信号的冗余度，提高数字信号的有效性；部分系统还包含加密功能，即在压缩后再进行保密编码。数字通信系统的基本概念信道编码：在经过信源编码的信号中增加一些多余的字符，以求自动发现或纠正传输中发生的错误，其目的是提高信号传输的可靠性。调制：目的是使经过编码的信号特性与信道的特性相适应，使信号经过调制后能顺利通过信道传输。多路复用：多路信号重复使用一条信道。数字通信系统的基本概念信道与噪声：按信道的传输频带区分，各种信道可归入基带信道和带通信道两类。数字信号经过信道传输时，信道的传输特性以及进入信道的外部加性噪声都将对数字信号加以影响。同步：数字通信系统中发送端和接收端之间需有共同的时间标准，使接收端获知所收数字信号中每个符号（码元）的准确起止时刻，从而同步地进行接收。返回2.2信源编码信源编码：针对信源发送信息所进行的压缩编码。信源编码处理的前提：模拟信号的数字化。压缩编码技术：为提高传输效率，在保证一定信号质量的前提下，尽可能地去除或降低信号中冗余信息，以减小传输所用带宽。返回2.2.1模拟信号的数字化处理对时间连续和取值连续的原始语音和图像等模拟信号，若以数字方式进行传输，在发送端应先进行模／数（A／D）变换，将原始信号转换为时间离散和取值离散的数字信号模拟信号的数字化处理模拟信号数字化过程：①抽样：用时间间隔确定的信号样值序列来代替原在时间上连续的信号，在时间上将模拟信号离散化。②量化：用有限个幅度值来近似原连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量且有一定间隔的散值。③编码：按一定规律，把量化后的信号编码形成一个二进制数字码组输出。模拟信号的数字化处理1.抽样抽样过程：将时间和幅度上都是连续的模拟信号在时间上离散化。抽样目的：实现信号的时分多路复用。如图2-2所示。模拟信号的数字化处理2.量化量化过程：抽样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍是连续的，还需进行离散化处理（即对幅值进行化零取整的处理），才能最终用数字来表示。量化方法：把样值的最大变化范围划分成若干个相邻的间隔。当某样值落在某一间隔内，其输出数值就用此间隔内的某一固定值来表示。模拟信号的数字化处理（1）均匀量化采用相等的量化间隔对采样得到的信号作量化。实际信号可看成量化输出信号与量化误差之和，量化失真率与最小量化间隔的平方成正比。量化失真在信号中的表现类似于噪声，也有很宽的频谱，被称为量化噪声，并用信噪比来衡量。均匀量化方式会造成大信号时的信噪比有余而小信号时的信噪比不足，且编码位数多（语音信号需编11位码），加大了编码的复杂性，并对传输信道有更高的要求。模拟信号的数字化处理（2）非均匀量化实现：采用压缩、扩张的方法，即在发送端对输入信号先进行压缩，再均匀量化；在接收端则进行相应的扩张处理。原理：量化级间隔随信号幅度的大小自动调整。在不增大量化级数的条件下，非均匀量化能使信号在较宽动态范围内的信噪比达到要求。标准化的非均匀量化特性：A律13折线压缩特性（我国采用，如图2-3所示）和μ律15折线压缩特性。模拟信号的数字化处理3.编码编码：将抽样、量化后的信号转换成数字编码脉冲的过程。解码：编码的逆过程，将数字信号变为模拟信号（即把一个8位码字恢复为一个样值信号）的过程。模拟信号的数字化处理编码的基本形式：线性编码：与均匀量化特性对应的编码码组中各码位的权值固定，不随输入信号的幅度变化。非线性编码：具有非均匀量化特性的编码码组中各码位的权值随着输入信号的幅度变化。模拟信号的数字化处理4.脉冲编码调制（PCM）模拟信号经过抽样、量化、编码完成A/D变换，称为脉冲编码调制（PCM）。标准化的PCM码组（电话语音）由8位码组代表一个抽样值。语音模拟信号在发送端经过抽样、量化和编码后得到PCM信号，并经过数字信道传输。在接收端，将收到的PCM码（二进制码组）通过滤波器滤去大量的高频分量，还原成模拟语音信号。PCM原理如图2-4所示。返回2.2.2语音编码技术信源编码:将信号源中的多余信息去除，形成适合传输的信号，以提高数字通信传输的有效性。语音编码:在保持一定算法复杂度和通信延时的前提下，利用尽可能少的信道容量，传送质量尽可能高的话音。方法的优化：在算法复杂度和时延之间找到平衡点，并向更低比特率方移动该平衡点。语音编码技术语音编码的性能指标：语音质量编码速率信号延时算法复杂度语音编码技术语音编码方法：（1）波形编码从语音信号波形出发，对波形的采样值、预测值或预测误差值进行编码。以重建语音波形为目的，尽可能使重建波形接近原信号波形适应能力强，重建语音质量好，但对编码速率要求较高。能在64kbit/s至16kbit/s的速率上获得较为满意的语音质量。语音编码技术①脉冲编码调制（PCM）PCM是固定电话、长途中继和光纤传输的标准码型，速率为64kbit/s，采用压扩技术，即非均匀量化。②增量调制（DM）用一位编码反映信号的增量是正或负的一种脉冲编码调制，并出现了总和增量调制、数字音节压扩增量调制和差分脉码调制等改进方法。语音编码技术③自适应差分编码调制（ADPCM）综合脉冲编码调制和增量调制的特点，依据相邻样值的差值编码的方式，有效地消除了语音信号中的冗余度，提高了编码的有效性，速率为32kbit/s。④子带编码（SBC）对输入模拟信号进行频域分割的一种编码方式，其优点是各子带可选择不同的量化参数以分别控制它们的量化噪声。语音编码技术⑤自适应变换编码（ATC）将语音在时间上分段，每段取样后经数字正交变换转至频域（时域－频域变换），取相应各组频域系数，然后对系数进行量化、编码和传输；对接收端则进行相反处理，以恢复时域信号，再将各时段信号连成语音，速率为12~16kbit/s。语音编码技术（2）参量编码在语音信号某特征空间抽取特征参量，构造语音信号模型，利用参量量化过程生成码字进行传输，在接收端利用码字重建语音信号一种编码方式。根据从语音段中提取的参数，在接收端合成一个新的声音相似（但波形不尽相同）的语音信号，实现该过程的系统称声码器。语音编码技术参量编码应用于利用无线信道的移动通信等设备：①RPE-LTP（规则脉冲激励长时预测编码）---用于GSM移动通信②CELP（码本激励线性预测编码）---用于CDMA（IS-95）移动通信返回2.2.3图像编码技术图像通信的特点:通信效率高形象逼真便于记录功能齐全信息量大，占用频带宽图像编码技术图像信息量大而所需传输带宽和存储空间多，压缩数字图像信号编码速率为图像处理首要任务。模拟方式下传输一路电话信号，需一条带宽为4kHz的模拟话路；而一路标准电视信号的带宽是6MHz，需要1000条以上的模拟话路。数字方式下传输一路电话信号，只需一条64kbit/s的数字话路，而采用8位线性码的一路数字电视信号的编码速率为2×6×106×8=96Mbit/s，需要1000条以上的数字话路。图像编码技术模拟图像通信的特点：占用的频带宽。需采用相位均衡器解决模拟信道中传输时线性相位特性问题图像信号在相邻帧的对应位置间及在同一帧的相邻位置间，具有很强的相关性。图像信息量大，而模拟信号压缩方法的压缩率很小，且对图像质量的影响较大。模拟图像信号传输时有噪声积累效应，使图像传输劣化。图像编码技术数字图像通信的特点：可多次中继而不致引起噪声严重积累：适于多次中继的远距离图像通信，也适于在存储中的多次复制。有利于采用压缩编码技术：在一定的信道频带条件下可获得比模拟传输更高的通信质量；可采用抗干扰编码技术，提高抗干扰性能；易于实现保密通信。体积小、功耗低。易与联网，便于综合业务的应用。占用信道频带较宽等缺点。图像编码技术图像信号及其数字化：平面运动图像信息首先表现为光的强度或灰度，其随着平面坐标、光的波长和时间而变化。若只考虑光的能量而不考虑光的波长，在视觉效果上只有黑白深浅之分而无色彩变化，该图像称黑白图像；对于彩色图像，任一彩色可分解成红、绿、蓝3种基色。图像编码技术在处理图像前，需先将代表图像的连续信号转变为离散信号，该过程称为图像信号的数字化。图像信号数字化处理过程：①抽样②量化图像编码技术图像压缩编码原理：图像中存在信息冗余，是可以对其进行压缩的前提条件；图像虽含有大量的数据，但这些数据是高度相关的。大量的冗余信息（空间冗余、时间冗余、结构冗余、编码冗余等）存在于一幅图像内部以及视频序列中，为图像压缩编码提供了依据。图像编码技术若能够去除这些冗余信息，使用尽量少的比特数来表示和重建图像，就可实现图像的压缩。图像压缩原理如图2-5所示。图像编码技术图像压缩编码的核心思想：①消除像素点间数据的相关性。②利用人眼的视觉生理特征和图像的概率统计模型进行自适应量化编码。图像编码技术数字图像压缩编码的主要国际标准：静止图像编码标准：JPEG、JPEG-2000等；活动图像编码标准：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7多媒体会议标准：H.261、H.263等；返回2.3信道复用信道复用：多个用户同时使用同一信道进行通信。为区分在一条链路上的多个用户的信号，理论上可采用正交划分的方法，即凡是在理论上正交的多个信号，在同一条链路上传输到接收端后，都可能利用其正交性完全区分开。返回2.3.1信道复用概述1.多路复用频分复用（FDM）时分复用（TDM）码分复用