通信導(dǎo)論第四章信號的數(shù)字化處理應(yīng)用技術(shù)

1、2022/7/241通 信 導(dǎo) 論第四章信號的數(shù)字化處理應(yīng)用技術(shù)2022/7/242主要內(nèi)容4.1 模擬信號的數(shù)字化4.2 多路復(fù)用技術(shù)2022/7/2434.1 模擬信號的數(shù)字化4.1.1 A/D變換4.1.2 D/A變換2022/7/2444.1.1 A/D變換模擬信號的數(shù)字化過程包括抽樣：在時間上將模擬信號離散化；量化：在幅度上將模擬信號離散化；編碼：將抽樣、量化后的信號轉(zhuǎn)換 為數(shù)字編碼脈沖2022/7/245x(n)的二進(jìn)制數(shù)nt0 xa(t)00011011000110110011100101100100110010010抽樣量化nx(n)63.2 脈沖編碼調(diào)制(PCM)脈沖編碼調(diào)制

2、(pulse code modulation，PCM)是概念上最簡單、理論上最完善的編碼系統(tǒng)，是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統(tǒng)，但也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。 7點位圖用像素點描述的自然影像8位圖是指由像素點陣組成的畫面位圖的屬性分辨率顯示分辨率：顯示屏能夠顯示出的像素數(shù)目圖像分辨率：指圖像的像素密度像素深度：指存儲每個像素所用的二進(jìn)制位數(shù),像素深度決定了彩色圖像的每個像素可能的顏色數(shù)，或者灰度圖像的每個像素可能的灰度級數(shù)。9分類靜止圖像與運(yùn)動圖像幀：一個完整且獨立的窗口視圖幀速率：每秒播放的幀數(shù)視頻(運(yùn)動圖像)：捕捉運(yùn)動視頻與合成運(yùn)動視頻動畫(運(yùn)動圖形)：存儲對象及其時空關(guān)系灰度圖與彩色

3、圖10彩色圖可以按照顏色的數(shù)目來劃分：256色圖像和真彩色（224=16777216種顏色），彩色圖像的每個像素的R、G和B值用一個字節(jié)來表示一幅640*480的真彩色圖像需要的空間是 640*480*3=900KB許多24位彩色圖像用32位存儲，附加的8位叫做通道，值叫做值，用來表示該像素如何產(chǎn)生特技效果。2022/7/24114.1.2 D/A變換與A/D變換過程相反首先經(jīng)過解碼過程，所收到的信息重新組成原來的樣值，最后再恢復(fù)成原來的模擬信號。t2022/7/24124.2 多路復(fù)用技術(shù)4.2.0 基本概念4.2.1 頻分復(fù)用4.2.2 時分復(fù)用4.2.3 碼分復(fù)用4.2.3 波分復(fù)用20

4、22/7/24134.2.0 多路復(fù)用技術(shù)概述(1)背景傳輸介質(zhì)帶寬是固定的用戶終端對介質(zhì)帶寬的需求是變化的兩種情況物理介質(zhì)帶寬大于用戶需求（傳輸介質(zhì)資源浪費）物理介質(zhì)帶寬小于用戶需求（無法正常通信）2022/7/24144.2.0 多路復(fù)用技術(shù)概述(2)問題的提出如何高效率地利用寬帶介質(zhì)？如何在低速物理介質(zhì)上傳輸高速信號？2022/7/24154.2.0 多路復(fù)用技術(shù)概述(3)解決方案：采用復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用的定義：為提高信道利用率，使多個信號在同一信道傳輸而不互相干擾2022/7/24164.2.0 多路復(fù)用技術(shù)概述(4)基本模型基本過程復(fù)用：復(fù)用器傳輸：n個獨立的信道解復(fù)用：分用器MUXD

5、EMUX1條物理鏈路，n個邏輯信道n個輸入n個輸出復(fù)用模型2022/7/24174.2.0 多路復(fù)用技術(shù)概述(5)復(fù)用技術(shù)的特點提高資源利用率對管理與控制系統(tǒng)的要求更高多個信號之間仍可能存在干擾2022/7/24184.2.1 頻分復(fù)用FDM（1）適用情況傳輸介質(zhì)的有效帶寬超出了被傳輸信號所要求的帶寬思路多路信號占據(jù)不同的頻帶，信號同時被運(yùn)載；將每個信號調(diào)制到不同的載波頻率上2022/7/24194.2.1 頻分復(fù)用FDM（2）具體方法信道的帶寬被分成若干相互不重疊的頻段（即信道），相鄰信道之間設(shè)置防護(hù)頻帶；每路信號經(jīng)過調(diào)制后搬移到適當(dāng)?shù)念l帶上；各路調(diào)制后的信號同時被傳輸；接收端采用適當(dāng)?shù)膸?/p>

6、濾波器將多路信號分開；解調(diào)，恢復(fù)原始基帶信號。2022/7/2420利用調(diào)制手段和濾波技術(shù)使多路信號以頻率分割的方式同時在同一條線路上互不干擾地傳輸U(kuò)ser 1User 2User 3Frequency4.2.1 頻分復(fù)用FDM（3）2022/7/2421頻分復(fù)用利用調(diào)制手段和濾波技術(shù)使多路信號以頻率分割的方式同時在同一條線路上互不干擾地傳輸CH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復(fù)用信號f復(fù)用器2022/7/24224.2.1 頻分復(fù)用FDM（4）缺點：很難進(jìn)行動態(tài)分配頻率適用環(huán)境：模擬鏈路環(huán)境、粗粒度的復(fù)用（劃分上下行頻帶）典型實例有線電視（CATV

7、）無線電廣播模擬移動通信非對稱數(shù)字用戶線路（ADSL）2022/7/24234.2.1 頻分復(fù)用FDM（5）舉例一：有線電視(CATV)一路電視信號傳輸帶寬為6MHz;多路電視信號可以在CATV電纜上被頻分復(fù)用；接收端采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號分開2022/7/2424副載波f1副載波f2副載波fn m1(t)m2(t)mn(t)s1(t)s2(t)sn(t)發(fā)送器fcmb(t)s(t)FDM系統(tǒng)發(fā)送器復(fù)合基帶信號FDM信號2022/7/2425解調(diào)器f1解調(diào)器f2解調(diào)器fn m1(t)m2(t)mn(t)s1(t)s2(t)sn(t)接收器mb(t)s(t)FDM系統(tǒng)接收器帶通濾波器f1

8、帶通濾波器f2帶通濾波器fn 復(fù)合基帶信號FDM信號2022/7/2426舉例2：ADSL接入DSLAMSWITCHTELEPHONYSPLITTERSWITCHTELEPHONYATMBeforeAfterSPLITTER2022/7/2427在家庭用戶一側(cè)，POTS分線器(POTS Splitter)用于 和計算機(jī)信號的合成/分離，POTS是Plain Old Telephone Service的縮寫；ADSL Modem用于計算機(jī)信號與模擬信號之間的調(diào)制/解調(diào)。NSP(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商)一側(cè)的核心部分是DSLAM(數(shù)字用戶線接入復(fù)用設(shè)備)，它實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)/ 交換機(jī)與多條ADSL線路之間的

9、互連，邏輯上由多個POTS分線器和ADSL Modem組成。 2022/7/24283.2.2 時分復(fù)用原理利用各信號在時間上的不相互重疊達(dá)到在同一信道上傳輸多路信號；將整個信道傳輸信息的時間劃分為若干時間片（時隙），不同時隙分給不同的用戶；每路用戶在自己的時隙內(nèi)獨占信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸2022/7/2429時分復(fù)用時分復(fù)用技術(shù)的特點是時隙事先規(guī)劃分配好且固定不變，所以有時也叫同步時分復(fù)用 A2A1A3原始信號D2D1D3數(shù)字化信號MUX復(fù)用后的數(shù)據(jù)流時隙號1231D3D2D1時間片12時間片2D1時隙D2復(fù)用器2022/7/2430時分復(fù)用優(yōu)點是時隙分配固定，便于調(diào)節(jié)控制，適于數(shù)字信息的傳輸；缺

10、點是當(dāng)某信號源沒有數(shù)據(jù)傳輸時，它所對應(yīng)的信道會出現(xiàn)空閑，而其他繁忙的信道無法占用這個空閑的信道，因此會降低線路的利用率。需要精度較高的同步系統(tǒng)適用環(huán)境時分復(fù)用技術(shù)與頻分復(fù)用技術(shù)一樣，有著非常廣泛的應(yīng)用， 就是其中最經(jīng)典的例子，此外時分復(fù)用技術(shù)在廣電也同樣取得了廣泛地應(yīng)用，如SDH，ATM，IP網(wǎng)絡(luò)通信都是利用了時分復(fù)用的技術(shù)。 2022/7/2431 時分復(fù)用同步時分復(fù)用TDM由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個時間片的固定時隙，所以這種時分復(fù)用也稱為同步時分復(fù)用用于電路交換位置化信道：依據(jù)數(shù)字信號在時間軸上的位置區(qū)別各路信號PSTN 統(tǒng)計時分復(fù)用STDMTDM的缺點：某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用

11、該時隙，將會造成帶寬浪費。改進(jìn)：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數(shù)據(jù)放入。用于分組交換和ATM交換標(biāo)志化信道：每個分組前附加標(biāo)志碼，標(biāo)示輸出端。各個分組使用不同的時隙2022/7/2432ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2時間片1時間片2同步TDM帶寬浪費A1B1B2時間片1時間片2統(tǒng)計TDM可用帶寬C22022/7/2433 時分復(fù)用例 時分復(fù)用的典型例子：PCM信號的傳輸把多個話路的PCM話音數(shù)據(jù)用TDM的方法裝成幀(幀中還包括了幀同步信息和信令信息)每幀在一個時間片內(nèi)發(fā)送每個時隙承載一路PCM信號2022/7/2434E1-幀格式E1線路也可以用于計算機(jī)

12、通信0121631時間片125 ms = 32 時隙 = 2.048 Mbps幀同步信令30 路話音數(shù)據(jù)(PCM數(shù)據(jù)) + 2 路控制用戶話路用戶話路2022/7/24354.2.3 碼分復(fù)用碼分多址接入（CDMACode Division Multiplexing Access）是與頻分復(fù)用（FDM）和時分復(fù)用（TDM）極不相同的另一類多路信號共享信道的復(fù)用技術(shù)。頻分復(fù)用以及波分復(fù)用（WDM）的各路信號在頻域上是各自分離的，在時域上則是重疊的，因此它們是靠不同的頻率來區(qū)分各路信號的；時分復(fù)用正好相反，各路信號在在頻域上則可能是重疊的，在時域上則是分離的且交織輪轉(zhuǎn)的，因此它靠不同的時隙來區(qū)分各

13、路信號；而碼分復(fù)用允許多路信號在信道的整個頻帶上同時進(jìn)行傳輸，各路信號在時域上和頻域上都是重疊的，那么，它是靠什么來區(qū)分各路信號的呢？2022/7/2436碼分復(fù)用CDMA的多路同時傳輸利用編碼原理進(jìn)行區(qū)分各路信號采用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，通過對不同的碼型識別來消除各路信號間的干擾。 2022/7/2437碼分復(fù)用解釋 CDMA酒會RussianChineseEnglishItalian你聽到什么.如果你只懂中文?如果你只懂俄語?如果你只懂英語?“碼”的使用可使cdma系統(tǒng)的用戶/信道之間保持正交;每一用戶數(shù)據(jù)流均有一個唯一的正交擴(kuò)頻碼。2022/7/2438碼分復(fù)用調(diào)制原理碼分多址系統(tǒng)為每

14、個用戶分配了各自特定的地址碼，利用公共信道來傳輸信息。CDMA系統(tǒng)的地址碼相互具有準(zhǔn)正交性，以區(qū)別地址，而在頻率、時間和空間上都可能重疊。也就是說，每一個用戶有自己的地址碼，這個地址碼用于區(qū)別每一個用戶，地址碼彼此之間是互相獨立的，也就是互相不影響的，但是由于技術(shù)等種種原因，我們采用的地址碼不可能做到完全正交，即完全獨立，相互不影響，所以稱為準(zhǔn)正交，由于有地址碼區(qū)分用戶，所以我們對頻率、時間和空間沒有限制，在這些方面他們可以重疊。系統(tǒng)的接收端必須有完全一致的本地地址碼，用來對接收的信號進(jìn)行相關(guān)檢測。其他使用不同碼型的信號因為和接收機(jī)本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)2022/7/2439碼分復(fù)用適用環(huán)境：頻率資源有限的環(huán)境典型實例 WCDMA、CDMA2000、 TD-SCDMA 2022/7/2440波分復(fù)用WDM又叫波分復(fù)用技術(shù)是新一代的超高速的光纜技術(shù)，所謂波分復(fù)用技術(shù)，就是在單一光纖內(nèi)同步傳輸多個不同波長的光波，讓數(shù)據(jù)傳輸速度和容量獲得倍增充分利用單模光纖的低損耗區(qū)的巨大帶寬資源，采用合波器，在發(fā)送端將不同規(guī)定波長的光載波進(jìn)行合并，然后傳人單模光纖。在接收部分將再由分波器將不同波長的光載分開的復(fù)用方式，由于不同波長的載波是相互獨立的，所以雙向