现代通信技术

现代通信技术第一页，共三十八页，2022年，8月28日现代通信网的垂直分层结构上层：各种信息应用和服务种类中层：支持各种信息服务的手段和装备下层：支持业务网的各种接入、传输手段和基础设施第二页，共三十八页，2022年，8月28日一、模拟与数字视音频业务第2章通信业务二、数据通信业务第三页，共三十八页，2022年，8月28日一、模拟与数字视音频业务（一）视音频信息基本概念当前主要的通信业务（四）视音频业务种类（三）视音频压缩编码概述（二）视音频信息数字化第四页，共三十八页，2022年，8月28日（一）视音频信息基本概念听觉特性与音频信号（1）人的听觉特性

对声音强弱的感觉：对数对声音频率的感觉：指数听觉的频响特性：“可闻声”20Hz~20KHz>20KHz:“超声”<20Hz：“次声”听觉的掩蔽效应：第五页，共三十八页，2022年，8月28日（2）音频信号特性电话通信：300Hz~3.4KHz（国标）

(大部能量、可懂度、声色平衡)

歌唱（发声）：男低音基频82.407Hz

女高音十次谐波10.456KHz

乐器:下限20~40Hz上限16~20Hz声音信号强度的动态范围：语音信号：20~40dB

交响乐、戏剧等：60~80dB第六页，共三十八页，2022年，8月28日2.视频技术基础（光电/电光变换）（1）视频信号与图像扫描

每幅图像至少有几十万以上的像素,每一个像素均有其光学特性和空间位置,且视频信号随时间变化。电视系统：由扫描系统完成图像像素的分解、合成，以及图像的时空转换。第七页，共三十八页，2022年，8月28日第八页，共三十八页，2022年，8月28日为获得连续、无跳跃感的活动图像

国际帧频制式：25帧/秒30帧/秒

另：采用隔行扫描方式，解决图像连续感、闪烁感和电视信号带宽的矛盾。

复合电视信号（全电视信号）

图像信号、同步信号和消隐信号（VSB调幅），以及伴音信号（FM）第九页，共三十八页，2022年，8月28日（2）彩色电视系统三基色原理（R、G、B）摄像机：三个摄像管分别获取R、G、B

分量接收机：三个电子枪轰击相应颜色的荧光粉点（很小，一定距离时为均匀混合色）为兼容黑白电视机，模拟彩色电视信号：亮度信号：Y=0.299R+0.587G+0.114B蓝色差信号：U=k1(B-Y)红色差信号：V=k2(R-Y)第十页，共三十八页，2022年，8月28日

对于这三个信号的不同传输方案，形成国际上的三种模拟彩电制式：

PAL制 中国、西欧

NTSC制美、日

SECAN制俄、东欧

PAL制：亮度Y带宽6MHzU和V带宽1.3MHz第十一页，共三十八页，2022年，8月28日（二）视音频信息数字化音频信息时间上、图像信息空间位置的离散化音频信息电平值、图像灰度电平值的离散化音频信号：

采样：音频信息时间上的离散化（采样频率：8kHz~48kHz）量化、编码：音频信息电平值的离散化（量化编码：8~20bit/256~1048576阶）根据用户质量需求，选用尽可能低的采样率和量化编码位数，以降低数据速率。第十二页，共三十八页，2022年，8月28日奈奎斯特低通抽样定理演示：

设：音频信号最高频率为

fmax

采样频率为

fs

要求满足：fs

≥2fmax例:fs

=5MHz

演示1:fsmin=2fmax=10MHz

演示2:

fs

>2fmax=10MHz

（过采样）

演示3:

fs

<

2fmax =10MHz

（欠采样）第十三页，共三十八页，2022年，8月28日（二）视音频信息数字化音频信息时间上、图像信息空间位置的离散化音频信息电平值、图像灰度电平值的离散化音频信号：

采样：图像信息空间位置的离散化量化、编码：图像灰度电平值的离散化（量化编码：6~10bit/64~1024阶）根据用户质量需求，选用尽可能低的采样率和量化编码位数，以降低数据速率。第十四页，共三十八页，2022年，8月28日第十五页，共三十八页，2022年，8月28日（三）视音频压缩编码（数字域）必要性:例1：一分钟数字化激光唱盘CD双声道信号

fs=44.1kHz,16bit量化数据速率=44.1×16×2=1411.2kbit/s

存储容量=1411.2×60÷8=10.548MB

例2：一小时分量编码的数字视频信号数据速率=216Mbit/s

存储容量=216×3600÷8×0.8=77.76GB第十六页，共三十八页，2022年，8月28日1.数据压缩的理论依据（Shannon/香农信息论）

（1）信息量I定义设：符号S取自有限符号集(数字化信息源),概率为P(S),则其所携带的信息量I I=log2(1/p)=-log2(p)bit（2）平均信息量(信息熵)定义设：信息源输出的符号相互独立(离散无记忆)离散无记忆信源中一个符号的平均信息量H

信息熵是对离散无记忆信道编码的极限第十七页，共三十八页，2022年，8月28日例：一个图像像元有M个灰度等级xi(i=1,2,…,M)每个灰度等级xi出现的概率为p(xi)，该像元的熵为讨论：

1.当某一灰度等级xi出现的概率为1时，其他灰度等级出现的概率为0，其熵为0(最小)。

2.当像元各灰度等级出现的概率项等时，即

p(xi)=1/M，

H(x)=log2

M,其熵为最大。结论：

1.若离散无记忆信源概率分布不均匀就存在信息冗余，存在信息压缩的可能性(信源压缩编码的基本途径之一)。

2.信源一般是无记忆的,前后的信源符号间有一定的相关性,相关性越大冗余也越大(信源压缩编码的基本途径之二)第十八页，共三十八页，2022年，8月28日2.限失真压缩编码

依据结论1，在给定信号允许失真度条件下，尽量减小传输信号的方差(即相对提高信源分布的均匀性)，以减少信号传输的比特率，达到压缩编码的目的。即允许失真度越大，方差减小的越多，所需传输的信号比特率越低。

如：预测编码和变换编码等结论1.若离散无记忆信源概率分布不均匀就存在信息冗余，存在信息压缩的可能性(信源压缩编码的基本途径之一)。第十九页，共三十八页，2022年，8月28日3.无失真压缩编码（统计编码/熵编码）

依据结论2，基于信源的统计特性，去除各信源符号间的相关性，使编码后的数据接近其信息熵而尽量不产生失真。

如：Huffman编码，算术编码和基于信号样值相关性的游程编码等结论2.信源一般是无记忆的,前后的信源符号间有一定的相关性,相关性越大冗余也越大(信源压缩编码的基本途径之二)第二十页，共三十八页，2022年，8月28日（四）视音频业务种类1.普通电话和智能网业务（1）普通电话

点对点语音通信；增值功能：来电显示、三方通信、转移呼叫、会议电话等接入功能：互联网接入、传真等（2）智能网业务

在普通电话网设置的附加网络，将呼叫处理与业务处理分开，网络节点连智能网集中设置的业务控制点，向用户提供智能服务。第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日2.IP电话

俗称Internet电话或网络电话

特点：

（1）数字化，很大压缩(8~10kbir/s)，语音质量较差；（2）采用“存储-转发”方式传送数据包，不独占电路，且网络分组交换的计费与距离无关长途通信费用低。第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日3.广播电视信号格式：图像信号-VSB，伴音信号-FM（1）无线广播发射

48~958MHz的频率范围内：

Ⅰ频段：广播电视1~5频道

Ⅱ频段：调频广播和通信专用

Ⅲ频段：广播电视6~12频道

Ⅳ频段：广播电视13~24频道

Ⅴ频段：广播电视25~68频道

1~12频道：甚高频段（VHF）

13~68频道：特高频段（UHF）（2）有线电视

独立、封闭系统，可以占用Ⅱ频段（增补频道）第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日4.数字视频广播

（1）采用压缩和信道调制技术，现一路模拟电视信号占用的带宽，可传输4~6路数字压缩电视节目（图像质量高），可提高信道利用率，降低每路节目的传输费用。

（2）对各种传输媒体（卫星、有线电缆与光缆等）的通用性强。5.视频点播业务（VOD）

（1）主动性：用户可根据需要点播节目；（2）选择性：选择服务方式和种类。第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日二、数据通信业务（一）数据通信的基本概念（二）数据通信业务（三）多媒体通信业务第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日（一）数据通信的基本概念数据通信与数字通信的共同点：传输编码、差错控制、同步和复用等而数字通信的信息服务内容比数据通信更广泛

数据通信的特点：1.数据业务有更为复杂、严格的通信规程或协议；2.实时性要求较低，可采用存储转发交换方式；3.差错率要求较高，采用严格的差错控制方式；4.数据通信是进程间的通信，可自动完成通信过程。第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日（二）数据通信业务（1）DDN（数字数据网）业务

永久性连接：建立固定连接、传输速率不变独占带宽的专网

(金融、海关、外贸等)

半永久性连接：用户申请目的地、传输速率

业务：数字化传真、电话、图像信号等

结构：数十万光缆网络，带宽资源丰富、传输速率高、网络延时小、流量大等。（2）帧中继（FR）在光缆传输网络中应用分组交换技术，完成OSI物理层和链路核心层功能，用于WAN(广域网)。

业务：LAN互连、远程计算机辅助设计、图像监测、会议电视等第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日（3）ISDN（综合业务数据网）业务

数字多路复用、网络接入

窄带ISDN（N-ISDN）基本接口2B+D/128kbit带宽宽带ISDN（B-ISDN）2016路/155.52Mbit带宽(同步复接)（4）ATM（异步转移模式）业务

面向连接的快速分组交换技术提供光接口和电接口标准接入速率：155Mbit/s622Mbit/s(异步复接)

第三十页，共三十八页，2022年，8月28日（三）多媒体通信业务1.多媒体通信业务及其特点多媒体通信类型（1）分配型业务（2）交互型业务会话型、消息型、检索型多媒体通信业务对网络的要求（1）足够的带宽，充分的信息压缩（2）实时性要求（3）支持点-点、点-多点和广播式通信（4）支持对称和不对称连接方式第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日2.多媒体通信技术规范与标准（1）MPEG-1标准（MPEG/运动图像专家组）

1.5~2.0Mbit/s数字存储媒体音频：32~384kbit/s单声道/双声道

MPEG码流的产生

第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日（2）MPEG-2标准包头含:指示ID、清除/加密、密钥、连续计数器等视频码率：4~10Mbit/s第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日（3）MPEG-4标准

MPEG-4是完全基于对象的一种编码方式

3个最重要的特点:

基于内容的压缩、更高的压缩比、时空可伸缩性

MPEG-4标准与MPEG-2标准的基点不同，MPEG-4不再将图像看成是一个矩形