数字图像处理与图像通信第13章图像的网络传输ppt课件

1、 朱秀昌朱秀昌 v13.1 13.1 通讯网根底通讯网根底v13.2 13.2 通讯网接口通讯网接口v13.3 13.3 模拟基带信号和模拟调模拟基带信号和模拟调v13.4 13.4 数字基带信号和数字调制数字基带信号和数字调制v 13.1.1 13.1.1 网络的拓扑构造网络的拓扑构造v通讯网定义：多用户互连的通讯体系。通讯网定义：多用户互连的通讯体系。v按通讯网络链路的拓扑外形来分类，主要有：按通讯网络链路的拓扑外形来分类，主要有：v 网状网，星形网，树状网，环形网，网状网，星形网，树状网，环形网，总线网等。总线网等。网状网网状网 星状网星状网 树状网树状网 环状网环状网 总线网总线网通讯

2、节点通讯节点通讯线路通讯线路图图 13.1 13.1 网络的拓扑分类网络的拓扑分类v13.1.2 网络的效力质量网络的效力质量vQoS：Quality of ServicevQoS参数的设置采用分层方式，不同层参数有不参数的设置采用分层方式，不同层参数有不同表现方式。同表现方式。v举例：举例：v 用户层：针对音频、视频信息的采集和重现，用户层：针对音频、视频信息的采集和重现，QoS参数表现为采参数表现为采 v 样率和每秒帧数；样率和每秒帧数；v 网络层：网络层：QoS表现为传输码率、传输延迟等表现为传输码率、传输延迟等参数。参数。 电路交换电路交换通讯网上信息交换方式通讯网上信息交换方式 报文

3、交换报文交换 分组交换分组交换1. 电路交换电路交换 建立一条实践的公用的物理电路，供通讯双方进展信息交换，建立一条实践的公用的物理电路，供通讯双方进展信息交换，并在整个通讯过程中不断维持不变。并在整个通讯过程中不断维持不变。 电路交换通讯过程的三个步骤电路交换通讯过程的三个步骤 建立线路建立线路 信息交换信息交换 线路撤除线路撤除 电路交换的两种方式电路交换的两种方式 空分方式：不同的通讯信道占用空间不同的电路空分方式：不同的通讯信道占用空间不同的电路 时分方式：一条线路按时间划分成假设干片段。时分方式：一条线路按时间划分成假设干片段。 每个片段也称时隙可分配给一个用户。每个片段也称时隙可分

4、配给一个用户。 电路交换的优缺陷：电路交换的优缺陷： 优点：优点： 时延小，能为用户提供可靠的贷款保证时延小，能为用户提供可靠的贷款保证 缺陷：缺陷： 交换效率低，利用率低。交换效率低，利用率低。 建立和撤除通讯耗时，网络资源利用率低。建立和撤除通讯耗时，网络资源利用率低。2. 报文交换报文交换 每个报文如电报、文件作为一个独立传输每个报文如电报、文件作为一个独立传输信息实体。存储转发信息实体。存储转发方式，不需求在两站之间建立一条公用线路。方式，不需求在两站之间建立一条公用线路。 运用：如运用：如 报文交换过程：报文交换过程： 报文前加报头如目的地址、源地址等报文前加报头如目的地址、源地址等

5、 发送存储在交换节点的缓存区内发送存储在交换节点的缓存区内 有空闲线路，再将其发送出去。有空闲线路，再将其发送出去。 报文交换优缺陷：报文交换优缺陷： a.线路利用率高线路利用率高. 优点优点 b.可平滑线路业务量的峰值，可平滑线路业务量的峰值， c.可将一份报文复制并多地报递，可将一份报文复制并多地报递， d.报文交换系统有传输过失控制，可靠性高。报文交换系统有传输过失控制，可靠性高。 a.延时相对较长，并且延迟的长短变化较大。延时相对较长，并且延迟的长短变化较大。 缺陷缺陷 b.各节点存储容量要求较高。各节点存储容量要求较高。3 3分组交换分组交换分组交换和报文交换一样，也叫分组交换和报文

6、交换一样，也叫“存储转发方式。存储转发方式。与报文交换不同的是，它把数据分解称假设干个较与报文交换不同的是，它把数据分解称假设干个较短的信息单位，这些信息单位就称为分组或信息包。短的信息单位，这些信息单位就称为分组或信息包。对每个分组附加上地址信息，传输控制信息、校验对每个分组附加上地址信息，传输控制信息、校验信息及表示各分组头尾的标志信息。信息及表示各分组头尾的标志信息。先存储，再转发。每个信息包的传输可以分别进展先存储，再转发。每个信息包的传输可以分别进展不同的时间，不同的线路，到达目的地后，再不同的时间，不同的线路，到达目的地后，再按顺序组装。按顺序组装。 分组交换优缺陷：分组交换优缺陷

7、： a.节省缓存容量，提高了缓存利用率，降低了交换费用，缩节省缓存容量，提高了缓存利用率，降低了交换费用，缩 短处置了时间短处置了时间 优点：优点： b.线路利用率高多用户共享，统计时分复用线路利用率高多用户共享，统计时分复用 c.每个信息包可自顺应选择路由每个信息包可自顺应选择路由 d.为不同种类的中断相互通讯提供方便为不同种类的中断相互通讯提供方便 缺陷：实时性仍不是很好。缺陷：实时性仍不是很好。 图像通讯时常遇到的几种通讯网：图像通讯时常遇到的几种通讯网： 1. 公用网公用网PSTN 2. 数字数据网数字数据网DDN 3. 综合业务数字网综合业务数字网ISDN 4. ATM网网 5. 计

8、算机通讯网计算机通讯网 (1) 局域网局域网LAN (2) 城域网城域网MAN和宽带城域网和宽带城域网 (3) 广域网广域网WAN 6. 甚小天线地面站甚小天线地面站VSAT和无线网和无线网 (1)甚小天线地面站甚小天线地面站 (2)无线网无线网 在通讯中，目前最常用的信息传输方式有以下几种：在通讯中，目前最常用的信息传输方式有以下几种： 1. 普通导线传输普通导线传输 2. 微波传输微波传输 3. 卫星传输卫星传输 (1) 频分多址频分多址FDMA (2) 时分多址时分多址TDMA (3) 码分多址码分多址CDMA 4. 同轴和同轴和HFC传输传输 5. 无线传输无线传输 6. 光纤传输光纤

9、传输v 13.1.6 下一代网络下一代网络NGNv 2019年国际电联为年国际电联为NGN作了定义：作了定义：vNGN是基于分组的网络，可以提供电信业务；是基于分组的网络，可以提供电信业务；v采用多种宽带才干和采用多种宽带才干和QoS保证的传送技术；保证的传送技术；v其业务相关功能与其传送技术相独立；其业务相关功能与其传送技术相独立；vNGN运用户可以自在接入到不同的业务提供商；运用户可以自在接入到不同的业务提供商；vNGN支持通用挪动性。支持通用挪动性。v 简言之，简言之，NGN是可以提供包括语音、数据、是可以提供包括语音、数据、多媒体等各种业务的综多媒体等各种业务的综v合、开放、分层的网络

10、构架。合、开放、分层的网络构架。 1NGN的网络和业务特征：的网络和业务特征： 开放式网络构造开放式网络构造 高速分组的中心网高速分组的中心网 独立的网络控制层独立的网络控制层 利用网关实现网络互通利用网关实现网络互通 平安和平安和QoS保证保证 2NGN和现有网络的互通和现有网络的互通 3NGN现阶段的主要协议现阶段的主要协议 MGCP、H.248/Megaco SIP协议协议 BICC协议协议 SIGTRAN协议协议 H.323协议协议v13.1.7 软交换软交换v软交换软交换Soft Switch是近年开展起来的一种呼是近年开展起来的一种呼叫控制技术；叫控制技术；v它是下一代网络它是下一

11、代网络NGN的中心模块；的中心模块；v具有分层体系架构、基于分组传输、提供多种接具有分层体系架构、基于分组传输、提供多种接入方式等特点；入方式等特点；v能综合提供语音、数据、多媒体业务。能综合提供语音、数据、多媒体业务。 1软交换网络的层次构造软交换网络的层次构造 软交换系统由多种设备组成，主要包括软交换设备、中继网关、信令软交换系统由多种设备组成，主要包括软交换设备、中继网关、信令网关、接入网关、媒体效力器、运用效力器等网络侧设备以及网关、接入网关、媒体效力器、运用效力器等网络侧设备以及IAD、SIP终端等终端侧设备。终端等终端侧设备。 软交换系统的主要功能包括媒体网关接入、呼叫控制和业务提

12、供；对软交换系统的主要功能包括媒体网关接入、呼叫控制和业务提供；对用户的认证、授权、计费；对通讯资源控制和用户的认证、授权、计费；对通讯资源控制和QoS管理等。管理等。网络效力层网络效力层控制层控制层媒体层媒体层接入接入/ /传输层传输层图图13.3 13.3 软交换网络分层构造图软交换网络分层构造图 2软交换网络的特点软交换网络的特点 软交换网络体系采用开放的分层构造软交换网络体系采用开放的分层构造 软交换网络可以接入多种用户软交换网络可以接入多种用户 软交换网络是业务驱动的网络软交换网络是业务驱动的网络 软交换网络是基于一致协议的分组网络软交换网络是基于一致协议的分组网络 3IP多媒体子系

13、统多媒体子系统IMS IP多媒体子系统主要运用多媒体子系统主要运用3GPP的的IMS的中心网络作为中心控制系的中心网络作为中心控制系统，并在统，并在3GPP规范根底上对规范根底上对IMS系统进展扩展。系统进展扩展。 4网的演进网的演进 实际证明软交换曾经具备替代电路交换设备的才干。实际证明软交换曾经具备替代电路交换设备的才干。 什么是物理层接口协议？什么是物理层接口协议？ 实践上是实践上是DTE和和DCE或其他通讯设备之间的一组商定，或其他通讯设备之间的一组商定， 主要处理网络节点和物理信道如何衔接的问题。主要处理网络节点和物理信道如何衔接的问题。 物理层协议：物理层协议： 规定了规范接口的机

14、械衔接特性、电气信号特性、规定了规范接口的机械衔接特性、电气信号特性、 信号功能特性和交换电路的规程特性。信号功能特性和交换电路的规程特性。 目的：目的： 为了便于不同的制造厂商根据公认的规范各自独立地制造设备，为了便于不同的制造厂商根据公认的规范各自独立地制造设备， 使各厂商的产品相互兼容。使各厂商的产品相互兼容。 1.网的用户数据接入网的用户数据接入 1V.34调制解调器调制解调器 2高速数字用户线高速数字用户线HDSL 3不对称数字用户线不对称数字用户线ADSL 2.ISDN的用户的用户-网络接口网络接口 速率低于速率低于2Mb/s的的ISDN称为窄带综合业务数字网称为窄带综合业务数字网

15、(N-ISDN)，简称简称ISDN，它支持以及非话业务。，它支持以及非话业务。 3.光纤宽带接入光纤宽带接入 在光纤宽带接入中，由于光纤到达位置的不同，有在光纤宽带接入中，由于光纤到达位置的不同，有FTTB、FTTC、FTTCab 和和 FTTH 等等4种效力形状，统称种效力形状，统称FTTx。 4. 局域网接入局域网接入 1RJ-45接口接口 2AUI接口接口Attachment Unit Interface 3SC(Secondary Control)接口接口 4ISDN 根本速率接口根本速率接口BRI 5BNC Bayonet Nut Connector接口接口 5. 宽带无线接入宽带无

16、线接入 1无线局域网接入无线局域网接入 2UWB 接入接入 3蓝牙和蓝牙和ZigBee接入接入 4卫星通讯卫星通讯 6 . 挪动通讯网接入挪动通讯网接入 1GSM接入接入 2CDMA接入接入 3GPRS接入接入 4EDGE接入接入 53G接入接入v13.3.1 噪声影响噪声影响v 所谓基带信号普通是指未调制的信号，即亮所谓基带信号普通是指未调制的信号，即亮度信号度信号Y(t)和色度信号和色度信号U(t)、V(t)。v 将经过正交平衡调制的色度信号将经过正交平衡调制的色度信号c(t)和亮度信和亮度信号号Y(t)合并在一同包括同步信号所构成的复合并在一同包括同步信号所构成的复合视频信号称为模拟基带

17、信号。合视频信号称为模拟基带信号。v 模拟图像传输中，对图像质量影响较大几模拟图像传输中，对图像质量影响较大几种噪声种噪声:v 1. 随机噪声随机噪声v 2. 脉冲性噪声脉冲性噪声 v 3. 周期噪声周期噪声v 4. 重影性噪声重影性噪声v13.3.2 线性失真v 线性失真是指传输网络的传输参数幅度增益G 和相位 随输入信号的频率变化的不均匀性，它包括振幅频特性失真和相位频率特性失真，它与信号的输入幅度无关。v1.高频失真v2.中频波形失真 v3.低频波形失真 非线性失真主要包括振幅非线性失真和相位非线性失真。非线性失真主要包括振幅非线性失真和相位非线性失真。1. 微分增益微分增益DG 图图1

18、3.7表示电压传输特性、微分表示电压传输特性、微分 特性特性D(x)及微分增益及微分增益 DG(x)的曲线。的曲线。220123320011123123D Daa xa xaaDDGxxDDaaa DG0 0yxD图图 13.7 13.7 微分特性微分特性 2. 微分相位微分相位DP 微分特性微分特性D是一个复数，除了幅度外还有相角。是一个复数，除了幅度外还有相角。思索相角以后，思索相角以后， 把微分相位把微分相位DP定义为：定义为： 假设假设DP(x)曲线不平直，就阐明有相位非线性曲线不平直，就阐明有相位非线性失真或失真或DP失真。失真。 相位非线性失真会引起色同步和色副载波之间的相位非线性

19、失真会引起色同步和色副载波之间的相移的变化，使画面上亮的部分和暗的部分颜色相移的变化，使画面上亮的部分和暗的部分颜色不同。不同。000,jjDDeDD e0( )( )( )DP xxx 衡量图像质量高低的一个重要参数就是图像的明晰度。衡量图像质量高低的一个重要参数就是图像的明晰度。 图像的明晰度往往可以用程度明晰度和垂直明晰度来表示。图像的明晰度往往可以用程度明晰度和垂直明晰度来表示。 垂直明晰度根本上是由视频信号的每帧扫描线数来确定的。垂直明晰度根本上是由视频信号的每帧扫描线数来确定的。 程度明晰度那么是由视频基带信号的带宽所决议。程度明晰度那么是由视频基带信号的带宽所决议。v13.3.5

20、 13.3.5 残留边带调幅残留边带调幅v典型的模拟调制方法有调幅典型的模拟调制方法有调幅(AM)(AM)，调频，调频(FM)(FM)和调和调相相(PM)(PM)三种。三种。v在模拟图像调制中用得较多是调频和残留边带调在模拟图像调制中用得较多是调频和残留边带调幅。幅。vVSBVSB调制方式具有双边带和单边带调幅的特点。调制方式具有双边带和单边带调幅的特点。v它除去了下边带中相当大的一部分，而把其残留它除去了下边带中相当大的一部分，而把其残留的部分与上边带大部分同时传输，上边带中对应的部分与上边带大部分同时传输，上边带中对应残留边带部分低频分量不传送。残留边带部分低频分量不传送。v在接纳端可以用

21、残留边带分量弥补上边带中未传在接纳端可以用残留边带分量弥补上边带中未传送的低频部分。送的低频部分。 设基带信号为设基带信号为m(t)，载频信号为，载频信号为 ，假设使载，假设使载频信的振幅随基带信号而变，那么双边带调制信号频信的振幅随基带信号而变，那么双边带调制信号M(t)为：为： 那么经双边带调幅波信号那么经双边带调幅波信号M(t)经残留边带滤波器滤波后得：经残留边带滤波器滤波后得：cosccA( )1cos()cos()1cos()cos()()21cos()()2ppcccccpcpcpcpM tAKttAtKAtKAt111( )cos()cos()21cos()2cccucpucpG

22、 tA AtAA KtAAKt fc-fv fc fc+f v f 1 1 c c u u fcw f 相位相位幅度幅度0 00.50.51.01.0 图图 13.8 13.8 滤波器的幅度和相位特性滤波器的幅度和相位特性经三角运算后为：经三角运算后为： 在接纳端，用本地载波在接纳端，用本地载波 和和 G(t)相乘，那么得解调输出：相乘，那么得解调输出：1111( )cos()cos()cos()2211sin()sin()sin()22ccclpcupuccclpcupucG tAtAKAtKAtAtKAtKAtcos()cBt111( )()cos()cos()41()sin()sin()

23、4upcupcm tKAB AAtKAB AAt 假设使本地载波的相位和发端载波的相位相等，那么可消除正交假设使本地载波的相位和发端载波的相位相等，那么可消除正交分量，使解调信号输出无失真。在理想情况下结果为：分量，使解调信号输出无失真。在理想情况下结果为： 设滤波器具有线性相位，那么设滤波器具有线性相位，那么 可见，解调输出只比原调制信号延迟了可见，解调输出只比原调制信号延迟了时间，而没有失真。时间，而没有失真。 111( )()cos()cos()44uppm tKAB AAtKABt111( )()cos()cos()44upppm tKAB AAtKABtv13.4.1 数字基带信号数

24、字基带信号v模拟图像信号经数字化以后就构成模拟图像信号经数字化以后就构成PCM信号，称信号，称作数字基带信号。作数字基带信号。v数字基带信号可以直接进展传输，但传输间隔有限。数字基带信号可以直接进展传输，但传输间隔有限。v要进展长间隔传输，可以将要进展长间隔传输，可以将PCM信号进展数字调信号进展数字调制通常是采用延续波作为载波，然后再将经调制通常是采用延续波作为载波，然后再将经调制后的信号送到信道上去传输。制后的信号送到信道上去传输。v这种数字调制称为延续波数字调制，包括：这种数字调制称为延续波数字调制，包括：v 幅移键控幅移键控(ASK)， 频移键控频移键控(FSK)， 相相移键控移键控(

25、PSK)，v 多相相移键控多相相移键控(mPSK)， 多电平正交调幅多电平正交调幅(mQAM)，网格编码调制，网格编码调制(TCM)，v正交频分复用调制正交频分复用调制OFDM，数字残留边带调制，数字残留边带调制(VSB)， 由数字通讯中的多相位调制原理可知，由数字通讯中的多相位调制原理可知，mPSK调制信号为调制信号为s(t)： 式中式中g(t)是脉宽不超越是脉宽不超越Ts的单个基带脉冲，的单个基带脉冲，0为载波频率，为载波频率，n为受调相位，共有为受调相位，共有m个取值。个取值。 令：令： ， ， 那么有：那么有：)cos()()(0nsntnTtgtsnnxcosnnysin0000(

26、)cos()cossin()sin()cos()sinsnsnnnnsnsnns ttg tnTtg tnTx g tnTty g tnTt 以以4PSK为例，可利用两个平衡调幅器分别对同相与正交载波进为例，可利用两个平衡调幅器分别对同相与正交载波进行调制，然后相加，就得行调制，然后相加，就得4PSK信号，如图信号，如图13.9所示。所示。(a)(a)4PSK4PSK0,0,coscos0t0tynxn 0,- -sinsin0t0t判决判决coscos0t0t判决判决-sin-sin0t0t4PSK4PSK(b)(b)(10)01(01)(11)01(00)ynxn(c)(c) 图图 13.

27、9 4PSK13.9 4PSK调制与矢量图调制与矢量图 假设将二电平振幅键控进一步开展为多电平例如，4、8、16电平正交振幅调制mQAM，显然可以获得更高的频谱利用率。 普通说来，L个电平的QAM，在二维信号平面上产生 个形状。 mQAM 中的m是指定总信号形状数。 本质上是利用相位和幅度来结合调制，进一步添加信号调制的频带利用率。Lm2 其调制信号普通表达式为：其调制信号普通表达式为： 式中式中g(t)是脉宽不超越是脉宽不超越Ts的单个基带脉冲，的单个基带脉冲，0为载波频率，为载波频率，n为不为不同的相位，同的相位，An为不同的幅度，上式还可以写成：为不同的幅度，上式还可以写成： 令令 ：

28、， ，那么：，那么：)cos()()(ncsnntnTtgAtsnnnAxcosnnnAysintnTtgytnTtgxtscsnncsnnsin)(cos)()(tnTtgAtnTtgAtscnsnncnsnnsinsin)(coscos)()( 用用xn 和和yn 表示调制信号在矢量平面上的位置，称之为表示调制信号在矢量平面上的位置，称之为“星座。星座。 对于对于16QAM，其星座图如，其星座图如13.10(a)所示，不同的所示，不同的xn 和和yn 构成构成16种形状，种形状，对应星座图中的对应星座图中的16个点。个点。 16电平正交幅度键控可以用电平正交幅度键控可以用2个个4PSK组合

29、而成，它们之间幅度比值为组合而成，它们之间幅度比值为2:1，其原理框图如图，其原理框图如图13.10(b所示。所示。 4PSK 2放大器放大器a2b24PSK 1放大器放大器a1b1 图图13.10 16QAM13.10 16QAM调制与实例图调制与实例图16QAM (a) 16QAM (a) 16QAM 星座图星座图 (b) 16QAM (b) 16QAM 实现方法实现方法ynxn 什么是什么是TCM？ 将卷积码和将卷积码和mQAM或或mPSK组合起来，组合起来， 将编码器和调制器当作一个整体来进展设计。将编码器和调制器当作一个整体来进展设计。 TCM特点：特点： 在信号空间中所用信号点的数

30、目比无编码调制情况下要多，这些附在信号空间中所用信号点的数目比无编码调制情况下要多，这些附加的信号点为纠错编码提供了冗余度，而没有添加传输带宽；加的信号点为纠错编码提供了冗余度，而没有添加传输带宽； 采用卷积编码规那么，使相继信号点间引入某种依赖关系，仅某些采用卷积编码规那么，使相继信号点间引入某种依赖关系，仅某些信号点序列允许运用，并可将这些信号序列模型化为网格形状。信号点序列允许运用，并可将这些信号序列模型化为网格形状。 图图13.12采用了效率为采用了效率为1/2的卷积码编码器；的卷积码编码器； 该构造有四个形状，码字中最有效的比特是未编码的；该构造有四个形状，码字中最有效的比特是未编码

31、的； 格状码中每一个形状对应于具有两个信号点的子集间隔为格状码中每一个形状对应于具有两个信号点的子集间隔为d2的四个的四个子集；或者说，每个形状对应于子集；或者说，每个形状对应于8PSK调制器输出两种不同的信号。调制器输出两种不同的信号。0 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 1 1 1 10 1 0 1 0 1 0 10 1 0 1 0 1 0 10 0 1 1 0 0 1 10 0 1 1 0 0 1 10 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7D2D1 +输出输出输输入入图图13.12 8PSK13.12 8PSK的的TCMTCM编码方案编码方案在在 4 4 个 子 集个 子 集中选择一个中选择一个 什么是什么是OFDM？ 正交频分复用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)， 简称简称OFDM 将总的信号带宽被划分为将总的信号带宽被划分为N个互不重叠的子通道个互不重叠的子通道 N个子通道进