第四講信號的數(shù)字化處理技術(shù)-刪節(jié)版

2023/2/41通信導(dǎo)論張冬梅(zhangdm@)北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2023/2/42第四章信號的數(shù)字化處理技術(shù)2023/2/43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)2023/2/444.1模擬信號的數(shù)字化4.1.1A/D變換4.1.2D/A變換2023/2/454.1.1A/D變換模擬信號的數(shù)字化過程包括抽樣：在時(shí)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2023/2/46x(n)的二進(jìn)制數(shù)nt0xa(t)00011011000110110011100101100100110010010抽樣量化nx(n)73.2脈沖編碼調(diào)制(PCM)脈沖編碼調(diào)制(pulsecodemodulation，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)。

8點(diǎn)位圖用像素點(diǎn)描述的自然影像9位圖是指由像素點(diǎn)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?cái)?shù)目圖像分辨率：指圖像的像素密度像素深度：指存儲每個(gè)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(gè)像素可能的顏色數(shù)，或者灰度圖像的每個(gè)像素可能的灰度級數(shù)。10分類靜止圖像與運(yùn)動圖像幀：一個(gè)完整且獨(dú)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(shí)空關(guān)系灰度圖與彩色圖11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(gè)像素的R、G和B值用一個(gè)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α通道，值叫做α值，用來表示該像素如何產(chǎn)生特技效果。2023/2/4124.1.2D/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。t2023/2/4134.2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(shí)分復(fù)用4.2.3碼分復(fù)用4.2.3波分復(fù)用2023/2/4144.2.0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(fèi)）物理介質(zhì)帶寬小于用戶需求（無法正常通信）2023/2/4154.2.0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？2023/2/4164.2.0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(gè)信號在同一信道傳輸而不互相干擾2023/2/4174.2.0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(gè)獨(dú)立的信道解復(fù)用：分用器MUXDEMUX1條物理鏈路，n個(gè)邏輯信道n個(gè)輸入n個(gè)輸出復(fù)用模型2023/2/4184.2.0多路復(fù)用技術(shù)概述(5)復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)提高資源利用率對管理與控制系統(tǒng)的要求更高多個(gè)信號之間仍可能存在干擾2023/2/4194.2.1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(shí)被運(yùn)載；將每個(gè)信號調(diào)制到不同的載波頻率上2023/2/4204.2.1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(shí)被傳輸；接收端采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號分開；解調(diào)，恢復(fù)原始基帶信號。2023/2/421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(shí)在同一條線路上互不干擾地傳輸U(kuò)ser1User2User3Frequency4.2.1頻分復(fù)用FDM（3）2023/2/422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(shí)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2023/2/4234.2.1頻分復(fù)用FDM（4）缺點(diǎn)：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(shí)例有線電視（CATV）無線電廣播模擬移動通信非對稱數(shù)字用戶線路（ADSL）2023/2/4244.2.1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2023/2/425副載波f1副載波f2副載波fnm1(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2023/2/426解調(diào)器f1解調(diào)器f2解調(diào)器fnm1(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帶通濾波器f2帶通濾波器fn復(fù)合基帶信號FDM信號2023/2/427舉例2：ADSL接入DSLAMSWITCHTELEPHONYSPLITTERSWITCHTELEPHONYATMBeforeAfterSPLITTER2023/2/428在家庭用戶一側(cè)，POTS分線器(POTSSplitter)用于電話和計(jì)算機(jī)信號的合成/分離，POTS是PlainOldTelephoneService的縮寫；ADSLModem用于計(jì)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)/電話交換機(jī)與多條ADSL線路之間的互連，邏輯上由多個(gè)POTS分線器和ADSLModem組成。2023/2/4293.2.2時(shí)分復(fù)用原理利用各信號在時(shí)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(gè)信道傳輸信息的時(shí)間劃分為若干時(shí)間片（時(shí)隙），不同時(shí)隙分給不同的用戶；每路用戶在自己的時(shí)隙內(nèi)獨(dú)占信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

2023/2/430時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)是時(shí)隙事先規(guī)劃分配好且固定不變，所以有時(shí)也叫同步時(shí)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(shí)隙號1231D3D2D1時(shí)間片12時(shí)間片2D1時(shí)隙D2復(fù)用器2023/2/431時(shí)分復(fù)用優(yōu)點(diǎn)是時(shí)隙分配固定，便于調(diào)節(jié)控制，適于數(shù)字信息的傳輸；缺點(diǎn)是當(dāng)某信號源沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，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(gè)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(shí)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，電話就是其中最經(jīng)典的例子，此外時(shí)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(shí)分復(fù)用的技術(shù)。2023/2/432

時(shí)分復(fù)用同步時(shí)分復(fù)用TDM 由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個(gè)時(shí)間片的固定時(shí)隙，所以這種時(shí)分復(fù)用也稱為同步時(shí)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(shí)間軸上的位置區(qū)別各路信號PSTN統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDMTDM的缺點(diǎn)：某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該時(shí)隙，將會造成帶寬浪費(fèi)。改進(jìn)：用戶不固定占用某個(gè)時(shí)隙，有空時(shí)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(gè)分組前附加標(biāo)志碼，標(biāo)示輸出端。各個(gè)分組使用不同的時(shí)隙2023/2/433ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2時(shí)間片1時(shí)間片2同步TDM帶寬浪費(fèi)A1B1B2時(shí)間片1時(shí)間片2統(tǒng)計(jì)TDM可用帶寬C22023/2/434時(shí)分復(fù)用例時(shí)分復(fù)用的典型例子：PCM信號的傳輸把多個(gè)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(gè)時(shí)間片內(nèi)發(fā)送每個(gè)時(shí)隙承載一路PCM信號2023/2/435E1-幀格式E1線路也可以用于計(jì)算機(jī)通信0121631時(shí)間片125ms=32時(shí)隙=2.048Mbps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2023/2/4364.2.3碼分復(fù)用碼分多址接入（CDMA—CodeDivisionMultiplexingAccess）是與頻分復(fù)用（FDM）和時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)域上則是分離的且交織輪轉(zhuǎn)的，因此它靠不同的時(shí)隙來區(qū)分各路信號；而碼分復(fù)用允許多路信號在信道的整個(gè)頻帶上同時(shí)進(jìn)行傳輸，各路信號在時(shí)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？2023/2/437碼分復(fù)用CDMA的多路同時(shí)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。2023/2/438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(gè)唯一的正交擴(kuò)頻碼。2023/2/439碼分復(fù)用調(diào)制原理

碼分多址系統(tǒng)為每個(gè)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(shí)間和空間上都可能重疊。也就是說，每一個(gè)用戶有自己的地址碼，這個(gè)地址碼用于區(qū)別每一個(gè)用戶，地址碼彼此之間是互相獨(dú)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(dú)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(shí)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?yàn)楹徒邮諜C(jī)本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)2023/2/440碼分復(fù)用適用環(huán)境：頻率資源有限的環(huán)境典型實(shí)例WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA2023/2/441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(gè)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(dú)立的，所以雙向傳輸問題，迎刃