2024/9/261通 信 导 论张 冬 梅(zhangdmbupt.edu.cn)北京邮电大学计算机科学与技术学院2024/9/262第四章 信号的数字化处理技术2024/9/263主要内容n4.1 模拟信号的数字化n4.2 多路复用技术2024/9/2644.1 模拟信号的数字化n4.1.1 A/D变换n4.1.2 D/A变换2024/9/2654.1.1 A/D变换n模拟信号的数字化过程包括n抽样：在时间上将模拟信号离散化；n量化：在幅度上将模拟信号离散化；n编码：将抽样、量化后的信号转换 为数字编码脉冲2024/9/266x(n)的二进制数nt0xa(t)00011011000110110011100101100100110010010抽样量化nx(n)73.2 脉冲编码调制(PCM)脉冲编码调制(pulse code modulation，PCM)是概念上最简单、理论上最完善的编码系统，是最早研制成功、使用最为广泛的编码系统，但也是数据量最大的编码系统。 8n点位图用像素点描述的自然影像用像素点描述的自然影像9n位图是指由像素点阵组成的画面n位图的属性n分辨率显示分辨率：显示屏能够显示出的像素数目图像分辨率：指图像的像素密度n像素深度：指存储每个像素所用的二进制位数,像素深度决定了彩色图像的每个像素可能的颜色数，或者灰度图像的每个像素可能的灰度级数。10n分类n静止图像与运动图像n帧：一个完整且独立的窗口视图n帧速率：每秒播放的帧数n视频(运动图像)：捕捉运动视频与合成运动视频n动画(运动图形)：存储对象及其时空关系n灰度图与彩色图11彩色图n可以按照颜色的数目来划分：256色图像和真彩色（224=16777216种颜色），彩色图像的每个像素的R、G和B值用一个字节来表示n一幅640*480的真彩色图像需要的空间是 640*480*3=900KBn许多24位彩色图像用32位存储，附加的8位叫做通道，值叫做值，用来表示该像素如何产生特技效果。2024/9/26124.1.2 D/A变换n与A/D变换过程相反n首先经过解码过程，所收到的信息重新组成原来的样值，最后再恢复成原来的模拟信号。t2024/9/26134.2 多路复用技术n4.2.0 基本概念n4.2.1 频分复用n4.2.2 时分复用n4.2.3 码分复用n4.2.3 波分复用2024/9/26144.2.0 多路复用技术概述(1)n背景n传输介质带宽是固定的n用户终端对介质带宽的需求是变化的n两种情况n物理介质带宽大于用户需求（传输介质资源浪费）n物理介质带宽小于用户需求（无法正常通信）2024/9/26154.2.0 多路复用技术概述(2)n问题的提出n如何高效率地利用宽带介质？n如何在低速物理介质上传输高速信号？2024/9/26164.2.0 多路复用技术概述(3)n解决方案：采用复用技术n多路复用的定义：为提高信道利用率，使多个信号在同一信道传输而不互相干扰2024/9/26174.2.0 多路复用技术概述(4)n基本模型n基本过程n复用：复用器n传输：n个独立的信道n解复用：分用器MUXDEMUX1条物理链路，条物理链路，n个逻辑信道个逻辑信道n个输入个输入n个输出个输出复用模型2024/9/26184.2.0 多路复用技术概述(5)n复用技术的特点n提高资源利用率n对管理与控制系统的要求更高n多个信号之间仍可能存在干扰2024/9/26194.2.1 频分复用FDM（1）n适用情况n传输介质的有效带宽超出了被传输信号所要求的带宽n思路n多路信号占据不同的频带，信号同时被运载；n将每个信号调制到不同的载波频率上2024/9/26204.2.1 频分复用FDM（2）n具体方法n信道的带宽被分成若干相互不重叠的频段（即信道），相邻信道之间设置防护频带；n每路信号经过调制后搬移到适当的频带上；n各路调制后的信号同时被传输；n接收端采用适当的带通滤波器将多路信号分开；n解调，恢复原始基带信号。2024/9/2621n利用调制手段和滤波技术使多路信号以频率分割的方式同时在同一条线路上互不干扰地传输User 1User 2User 3Frequency4.2.1 频分复用FDM（3）2024/9/2622频分复用n利用调制手段和滤波技术使多路信号以频率分割的方式同时在同利用调制手段和滤波技术使多路信号以频率分割的方式同时在同一条线路上互不干扰地传输一条线路上互不干扰地传输CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器2024/9/26234.2.1 频分复用FDM（4）n缺点：很难进行动态分配频率n适用环境：模拟链路环境、粗粒度的复用（划分上下行频带）n典型实例n有线电视（CATV）n无线电广播n模拟移动通信n非对称数字用户线路（ADSL）2024/9/26244.2.1 频分复用FDM（5）n举例一：有线电视(CATV)n一路电视信号传输带宽为6MHz;n多路电视信号可以在CATV电缆上被频分复用；n接收端采用适当的带通滤波器将多路信号分开2024/9/2625副载波副载波f1副载波副载波f2副载波副载波fn m1(t)m2(t)mn(t)s1(t)s2(t)sn(t)发送器发送器fcmb(t)s(t)FDM系统发送器系统发送器复合基带信号复合基带信号FDM信号信号2024/9/2626解调器解调器f1解调器解调器f2解调器解调器fn m1(t)m2(t)mn(t)s1(t)s2(t)sn(t)接收器接收器mb(t)s(t)FDM系统接收器系统接收器带通滤波器带通滤波器f1带通滤波器带通滤波器f2带通滤波器带通滤波器fn 复合基带信号复合基带信号FDM信号信号2024/9/2627举例举例2：ADSL接入接入SPLITTER2024/9/2628n在家庭用户一侧，POTS分线器(POTS Splitter)用于电话和计算机信号的合成/分离，POTS是Plain Old Telephone Service的缩写；ADSL Modem用于计算机信号与模拟信号之间的调制/解调。NSP(网络服务提供商)一侧的核心部分是DSLAM(数字用户线接入复用设备)，它实现网络交换机/电话交换机与多条ADSL线路之间的互连，逻辑上由多个POTS分线器和ADSL Modem组成。 2024/9/26293.2.2 时分复用n原理n利用各信号在时间上的不相互重叠达到在同一信道上传输多路信号；n将整个信道传输信息的时间划分为若干时间片（时隙），不同时隙分给不同的用户；n每路用户在自己的时隙内独占信道进行数据传输 2024/9/2630时分复用n时分复用技术的特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也叫同步时分复用 A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流时隙号时隙号1231D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用器复用器2024/9/2631时分复用n优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。需要精度较高的同步系统n适用环境时分复用技术与频分复用技术一样，有着非常广泛的应用，电话就是其中最经典的例子，此外时分复用技术在广电也同样取得了广泛地应用，如SDH，ATM，IP网络通信都是利用了时分复用的技术。 2024/9/2632 时分复用n同步时分复用同步时分复用TDM由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为用也称为同步时分复用同步时分复用n用于电路交换用于电路交换n位置化信道：位置化信道：依据数字信号在时间轴上的位置区别各路信号nPSTN n统计时分复用统计时分复用STDMnTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。隙，将会造成带宽浪费。n改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。n用于分组交换和用于分组交换和ATM交换交换n标志化信道：每个分组前附加标志码，标示输出端。各个分标志化信道：每个分组前附加标志码，标示输出端。各个分组使用不同的时隙组使用不同的时隙2024/9/2633ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片时间片1时间片时间片2同步同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片时间片1时间片时间片2统计统计TDM可用带宽C22024/9/2634 时分复用例时分复用例 时分复用的典型例子：时分复用的典型例子：PCM信号的传输信号的传输把多个话路的把多个话路的PCM话音数据用话音数据用TDM的方的方法装成帧法装成帧(帧中还包括了帧同步信息和信帧中还包括了帧同步信息和信令信息令信息)每帧在一个时间片内发送每个时每帧在一个时间片内发送每个时隙承载一路隙承载一路PCM信号信号2024/9/2635E1-帧格式nE1线路也可以用于计算机通信线路也可以用于计算机通信0121631时间片时间片时间片时间片125 125 m m m ms = 32 s = 32 时隙时隙时隙时隙 = 2.048 Mbps= 2.048 Mbps帧同步帧同步信令信令30 路话音数据路话音数据(PCM数据数据) + 2 路控制路控制用户话路用户话路用户话路用户话路2024/9/26364.2.3 码分复用n码分多址接入（CDMACode Division Multiplexing Access）是与频分复用（FDM）和时分复用（TDM）极不相同的另一类多路信号共享信道的复用技术。n频分复用以及波分复用（WDM）的各路信号在频域上是各自分离的，在时域上则是重叠的，因此它们是靠不同的频率来区分各路信号的；n时分复用正好相反，各路信号在在频域上则可能是重叠的，在时域上则是分离的且交织轮转的，因此它靠不同的时隙来区分各路信号；n而码分复用允许多路信号在信道的整个频带上同时进行传输，各路信号在时域上和频域上都是重叠的，那么，它是靠什么来区分各路信号的呢？2024/9/2637码分复用nCDMA的多路同时传输利用编码原理进行区分n各路信号采用经过特殊挑选的不同码型，通过对不同的码型识别来消除各路信号间的干扰。 2024/9/2638码分复用解释码分复用解释 CDMA酒会你听到什么你听到什么.如果你只懂中文如果你只懂中文?如果你只懂俄语如果你只懂俄语?如果你只懂英语如果你只懂英语?“码码”的使用可使的使用可使cdmacdma系统的用户系统的用户/ /信道之间保持正交信道之间保持正交; ;每一用户数据流均有一个唯一的正交扩频码每一用户数据流均有一个唯一的正交扩频码。2024/9/2639码分复用n调制原理码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。CDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。也就是说，每一个用户有自己的地址码，这个地址码用于区别每一个用户，地址码彼此之间是互相独立的，也就是互相不影响的，但是由于技术等种种原因，我们采用的地址码不可能做到完全正交，即完全独立，相互不影响，所以称为准正交，由于有地址码区分用户，所以我们对频率、时间和空间没有限制，在这些方面他们可以重叠。系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，用来对接收的信号进行相关检测。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调2024/9/2640码分复用n适用环境：频率资源有限的环境n典型实例 WCDMA、CDMA2000、 TD-SCDMA 2024/9/2641波分复用nWDM又叫波分复用技术是新一代的超高速的光缆技术，所谓波分复用技术，就是在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增n充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源，采用合波器，在发送端将不同规定波长的光载波进行合并，然后传人单模光纤。n在接收部分将再由分波器将不同波长的光载分开的复用方式，由于不同波长的载波是相互独立的，所以双向传输问题，迎刃而解。2024/9/2642WDM技术nWDM技术是在一根光纤上承载多个波长（信道）系统，将一根光纤转换为多条虚拟纤，每条虚拟纤独立工作在不同波长上。每个信道运行速度高达10Gbps。nWDM技术作为一种系统概念，可以追溯到1970年初，在当时仅用两个波长，在1300nm窗口一个波长、在1500nm窗口一个波长，利用WDM技术实现单纤全双工传输。初期的WDM网络主要致力于点对点系统的研究2024/9/2643波分多路复用基本原理波分多路复用基本原理 波分多路复用原理示意图波分多路复用原理示意图2024/9/2644谢 谢！