2023/2/41通信導論張冬梅(zhangdm@)北京郵電大學計算機科學與技術學院2023/2/42第四章信號的數字化處理技術2023/2/43主要內容4.1模擬信號的數字化4.2多路復用技術2023/2/444.1模擬信號的數字化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、量化后的信號轉換為數字編碼脈沖2023/2/46x(n)的二進制數nt0xa(t)00011011000110110011100101100100110010010抽樣量化nx(n)73.2脈沖編碼調制(PCM)脈沖編碼調制(pulsecodemodulation，PCM)是概念上最簡單、理論上最完善的編碼系統，是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統，但也是數據量最大的編碼系統。

8點位圖用像素點描述的自然影像9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制位數,像素深度決定了彩色圖像的每個像素可能的顏色數，或者灰度圖像的每個像素可能的灰度級數。10分類靜止圖像與運動圖像幀：一個完整且獨立的窗口視圖幀速率：每秒播放的幀數視頻(運動圖像)：捕捉運動視頻與合成運動視頻動畫(運動圖形)：存儲對象及其時空關系灰度圖與彩色圖11彩色圖可以按照顏色的數目來劃分：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，最后再恢復成原來的模擬信號。t2023/2/4134.2多路復用技術4.2.0基本概念4.2.1頻分復用4.2.2時分復用4.2.3碼分復用4.2.3波分復用2023/2/4144.2.0多路復用技術概述(1)背景傳輸介質帶寬是固定的用戶終端對介質帶寬的需求是變化的兩種情況物理介質帶寬大于用戶需求（傳輸介質資源浪費）物理介質帶寬小于用戶需求（無法正常通信）2023/2/4154.2.0多路復用技術概述(2)問題的提出如何高效率地利用寬帶介質？如何在低速物理介質上傳輸高速信號？2023/2/4164.2.0多路復用技術概述(3)解決方案：采用復用技術多路復用的定義：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2023/2/4174.2.0多路復用技術概述(4)基本模型基本過程復用：復用器傳輸：n個獨立的信道解復用：分用器MUXDEMUX1條物理鏈路，n個邏輯信道n個輸入n個輸出復用模型2023/2/4184.2.0多路復用技術概述(5)復用技術的特點提高資源利用率對管理與控制系統的要求更高多個信號之間仍可能存在干擾2023/2/4194.2.1頻分復用FDM（1）適用情況傳輸介質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不同的頻帶，信號同時被運載；將每個信號調制到不同的載波頻率上2023/2/4204.2.1頻分復用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），相鄰信道之間設置防護頻帶；每路信號經過調制后搬移到適當的頻帶上；各路調制后的信號同時被傳輸；接收端采用適當的帶通濾波器將多路信號分開；解調，恢復原始基帶信號。2023/2/421利用調制手段和濾波技術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User1User2User3Frequency4.2.1頻分復用FDM（3）2023/2/422頻分復用利用調制手段和濾波技術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帶寬復用信號f復用器2023/2/4234.2.1頻分復用FDM（4）缺點：很難進行動態分配頻率適用環境：模擬鏈路環境、粗粒度的復用（劃分上下行頻帶）典型實例有線電視（CATV）無線電廣播模擬移動通信非對稱數字用戶線路（ADSL）2023/2/4244.2.1頻分復用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電纜上被頻分復用；接收端采用適當的帶通濾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)發送器fcmb(t)s(t)FDM系統－－發送器復合基帶信號FDM信號2023/2/426解調器f1解調器f2解調器fnm1(t)m2(t)mn(t)s1(t)s2(t)sn(t)接收器mb(t)s(t)FDM系統－－接收器帶通濾波器f1帶通濾波器f2帶通濾波器fn復合基帶信號FDM信號2023/2/427舉例2：ADSL接入DSLAMSWITCHTELEPHONYSPLITTERSWITCHTELEPHONYATMBeforeAfterSPLITTER2023/2/428在家庭用戶一側，POTS分線器(POTSSplitter)用于電話和計算機信號的合成/分離，POTS是PlainOldTelephoneService的縮寫；ADSLModem用于計算機信號與模擬信號之間的調制/解調。NSP(網絡服務提供商)一側的核心部分是DSLAM(數字用戶線接入復用設備)，它實現網絡交換機/電話交換機與多條ADSL線路之間的互連，邏輯上由多個POTS分線器和ADSLModem組成。2023/2/4293.2.2時分復用原理利用各信號在時間上的不相互重疊達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獨占信道進行數據傳輸

2023/2/430時分復用時分復用技術的特點是時隙事先規劃分配好且固定不變，所以有時也叫同步時分復用

A2A1A3原始信號D2D1D3數字化信號MUX復用后的數據流時隙號1231D3D2D1時間片12時間片2D1時隙D2復用器2023/2/431時分復用優點是時隙分配固定，便于調節控制，適于數字信息的傳輸；缺點是當某信號源沒有數據傳輸時，它所對應的信道會出現空閑，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適用環境 時分復用技術與頻分復用技術一樣，有著非常廣泛的應用，電話就是其中最經典的例子，此外時分復用技術在廣電也同樣取得了廣泛地應用，如SDH，ATM，IP網絡通信都是利用了時分復用的技術。2023/2/432

時分復用同步時分復用TDM 由于每路數據總是使用每個時間片的固定時隙，所以這種時分復用也稱為同步時分復用用于電路交換位置化信道：依據數字信號在時間軸上的位置區別各路信號PSTN統計時分復用STDMTDM的缺點：某用戶無數據發送，其他用戶也不能占用該時隙，將會造成帶寬浪費。改進：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數據放入。用于分組交換和ATM交換標志化信道：每個分組前附加標志碼，標示輸出端。各個分組使用不同的時隙2023/2/433ABCD待發數據t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2時間片1時間片2同步TDM帶寬浪費A1B1B2時間片1時間片2統計TDM可用帶寬C22023/2/434時分復用例時分復用的典型例子：PCM信號的傳輸把多個話路的PCM話音數據用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發送每個時隙承載一路PCM信號2023/2/435E1-幀格式E1線路也可以用于計算機通信0121631時間片125ms=32時隙=2.048Mbps幀同步信令30路話音數據(PCM數據)+2路控制用戶話路用戶話路2023/2/4364.2.3碼分復用碼分多址接入（CDMA—CodeDivisionMultiplexingAccess）是與頻分復用（FDM）和時分復用（TDM）極不相同的另一類多路信號共享信道的復用技術。頻分復用以及波分復用（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分各路信號的；時分復用正好相反，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的，因此它靠不同的時隙來區分各路信號；而碼分復用允許多路信號在信道的整個頻帶上同時進行傳輸，各路信號在時域上和頻域上都是重疊的，那么，它是靠什么來區分各路信號的呢？2023/2/437碼分復用CDMA的多路同時傳輸利用編碼原理進行區分各路信號采用經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系統的用戶/信道之間保持正交;每一用戶數據流均有一個唯一的正交擴頻碼。2023/2/439碼分復用調制原理

碼分多址系統為每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系統的地址碼相互具有準正交性，以區別地址，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，所以稱為準正交，由于有地址碼區分用戶，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行相關檢測。其他使用不同碼型的信號因為和接收機本地產生的碼型不同而不能被解調2023/2/440碼分復用適用環境：頻率資源有限的環境典型實例WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA2023/2/441波分復用WDM又叫波分復用技術是新一代的超高速的光纜技術，所謂波分復用技術，就是在單一光纖內同步傳輸多個不同波長的光波，讓數據傳輸速度和容量獲得倍增充分利用單模光纖的低損耗區的巨大帶寬資源，采用合波器，在發送端將不同規定波長的光載波進行合并，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用方式，由于不同波長的載波是相互獨立的，所以雙向傳輸問題，迎刃