数字图像处理与图像通信第13章图像的网络传输ppt课件.ppt

1,数字图像处理与图像通信朱秀昌,2,第13章 图像的网络传输,13.1 通信网基础13.2 通信网接口13.3 模拟基带信号和模拟调13.4 数字基带信号和数字调制,3,13.1 通信网基础,13.1.1 网络的拓扑结构通信网定义：多用户互连的通信体系。按通信网络链路的拓扑形状来分类，主要有：网状网，星形网，树状网，环形网，总线网等。,图 13.1 网络的拓扑分类,4,13.1.2 网络的服务质量QoS：Quality of ServiceQoS参数的设置采用分层方式，不同层参数有不同表现形式。举例：用户层：针对音频、视频信息的采集和重现，QoS参数表现为采 样率和每秒帧数；网络层：QoS表现为传输码率、传输延迟等参数。,5,13.1.3 信息交换,电路交换通信网上信息交换方式 报文交换 分组交换1.电路交换 建立一条实际的专用的物理电路，供通信双方进行信息交换，并在整个通信过程中一直维持不变。电路交换通信过程的三个步骤 建立线路 信息交换 线路拆除,6,电路交换的两种方式 空分方式：不同的通信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若干片段。每个片段（也称时隙）可分配给一个用户。电路交换的优缺点：优点：时延小，能为用户提供可靠的贷款保证 缺点：交换效率低，利用率低。建立和拆除通信耗时，网络资源利用率低。,7,2.报文交换 每个报文（如电报、文件）作为一个独立传输信息实体。存储转发方式，不需要在两站之间建立一条专用线路。应用：如 email 报文交换过程：报文前加报头（如目的地址、源地址等）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。,8,报文交换优缺点：a.线路利用率高.优点 b.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，d.报文交换系统有传输差错控制，可靠性高。a.延时相对较长，并且延迟的长短变化较大。缺点 b.各节点存储容量要求较高。,9,3分组交换分组交换和报文交换一样，也叫“存储转发”方式。与报文交换不同的是，它把数据分解称若干个较短的信息单位，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行（不同的时间，不同的线路），到达目的地后，再按顺序组装。,10,分组交换优缺点：a.节省缓存容量，提高了缓存利用率，降低了交换费用，缩 短处理了时间 优点：b.线路利用率高（多用户共享，统计时分复用）c.每个信息包可自适应选择路由 d.为不同种类的中断相互通信提供方便 缺点：实时性仍不是很好。,11,13.1.4 通信网的种类,图像通信时常遇到的几种通信网：1.公用电话网（PSTN）2.数字数据网（DDN）3.综合业务数字网（ISDN）4.ATM网 5.计算机通信网(1)局域网（LAN）(2)城域网（MAN）和宽带城域网(3)广域网（WAN）6.甚小天线地面站（VSAT）和无线网(1)甚小天线地面站(2)无线网,12,13.1.5 信息传输方式,在通信中，目前最常用的信息传输方式有以下几种：1.普通导线传输 2.微波传输 3.卫星传输(1)频分多址（FDMA）(2)时分多址（TDMA）(3)码分多址（CDMA）4.同轴和HFC传输 5.无线传输 6.光纤传输,13,13.1.6 下一代网络（NGN）2005年国际电联为NGN作了定义：NGN是基于分组的网络，能够提供电信业务；采用多种宽带能力和QoS保证的传送技术；其业务相关功能与其传送技术相独立；NGN使用户可以自由接入到不同的业务提供商；NGN支持通用移动性。简言之，NGN是能够提供包括语音、数据、多媒体等各种业务的综合、开放、分层的网络构架。,14,1）NGN的网络和业务特征：开放式网络结构 高速分组的核心网 独立的网络控制层 利用网关实现网络互通 安全和QoS保证2）NGN和现有网络的互通3）NGN现阶段的主要协议 MGCP、H.248/Megaco SIP协议 BICC协议 SIGTRAN协议 H.323协议,15,13.1.7 软交换软交换（Soft Switch）是近年发展起来的一种呼叫控制技术；它是下一代网络（NGN）的核心模块；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；能综合提供语音、数据、多媒体业务。,16,（1）软交换网络的层次结构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、媒体服务器、应用服务器等网络侧设备以及IAD、SIP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、呼叫控制和业务提供；对用户的认证、授权、计费；对通信资源控制和QoS管理等。,17,（2）软交换网络的特点软交换网络体系采用开放的分层结构 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 软交换网络是基于统一协议的分组网络（3）IP多媒体子系统（IMS）IP多媒体子系统主要使用3GPP的IMS的核心网络作为核心控制系统，并在3GPP规范基础上对IMS系统进行扩展。（4）电话网的演进 实践证明软交换已经具备替代电路交换设备的能力。,18,13.2 通信网接入技术,什么是物理层接口协议？实际上是DTE和DCE或其他通讯设备之间的一组约定，主要解决网络节点和物理信道如何连接的问题。物理层协议：规定了标准接口的机械（连接）特性、电气信号特性、信号功能特性和交换电路的规程特性。目的：为了便于不同的制造厂商根据公认的标准各自独立地制造设备，使各厂商的产品互相兼容。,19,常见的接入方式（1）：,1.电话网的用户数据接入1）V.34调制解调器2）高速数字用户线（HDSL）3）不对称数字用户线（ADSL）2.ISDN的用户-网络接口 速率低于2Mb/s的ISDN称为窄带综合业务数字网(N-ISDN)，简称ISDN，它支持电话以及非话业务。3.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FTTB、FTTC、FTTCab 和 FTTH 等4种服务形态，统称FTTx。,20,常见的接入方式（2）：,4.局域网接入1）RJ-45接口2）AUI接口（Attachment Unit Interface）3）SC(Secondary Control)接口4）ISDN 基本速率接口（BRI）5）BNC（Bayonet Nut Connector）接口5.宽带无线接入1）无线局域网接入 2）UWB 接入3）蓝牙和ZigBee接入4）卫星通信,21,常见的接入方式（3）：,6.移动通信网接入1）GSM接入2）CDMA接入3）GPRS接入4）EDGE接入5）3G接入,22,13.3 模拟基带信号和模拟调制,13.3.1 噪声影响 所谓基带信号一般是指未调制的信号，即亮度信号Y(t)和色度信号U(t)、V(t)。将经过正交平衡调制的色度信号c(t)和亮度信号Y(t)合并在一起（包括同步信号）所形成的复合视频信号称为（模拟）基带信号。模拟图像传输中，对图像质量影响较大几种噪声:1.随机噪声 2.脉冲性噪声 3.周期噪声 4.重影性噪声,23,13.3.2 线性失真 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。1.高频失真2.中频波形失真 3.低频波形失真,24,13.3.3 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DG 图13.7表示电压传输特性、微分 特性D(x)及微分增益 DG(x)的曲线。,25,2.微分相位DP 微分特性D是一个复数，除了幅度外还有相角。考虑相角以后，把微分相位DP定义为：如果DP(x)曲线不平直，就说明有相位非线性失真或DP失真。相位非线性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色调不同。,26,13.3.4 清晰度和信号带宽,衡量图像质量高低的一个重要参数就是图像的清晰度。图像的清晰度往往可以用水平清晰度和垂直清晰度来表示。垂直清晰度基本上是由视频信号的每帧扫描线数来确定的。水平清晰度则是由视频基带信号的带宽所决定。,27,13.3.5 残留边带调幅典型的模拟调制方法有调幅(AM)，调频(FM)和调相(PM)三种。在模拟图像调制中用得较多是调频和残留边带调幅。VSB调制方式具有双边带和单边带调幅的特点。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，上边带中对应残留边带部分低频分量不传送。在接收端可以用残留边带分量弥补上边带中未传送的低频部分。,28,设基带信号为m(t)，载频信号为，如果使载频信的振幅随基带信号而变，则双边带调制信号M(t)为：则经双边带调幅波信号M(t)经残留边带滤波器滤波后得：,29,30,经三角运算后为：在接收端，用本地载波 和 G(t)相乘，则得解调输出：,31,如果使本地载波的相位和发端载波的相位相等，则可消除正交分量，使解调信号输出无失真。在理想情况下结果为：设滤波器具有线性相位，则 可见，解调输出只比原调制信号延迟了时间，而没有失真。,32,13.4 数字基带信号和数字调制,13.4.1 数字基带信号模拟图像信号经数字化以后就形成PCM信号，称作数字基带信号。数字基带信号可以直接进行传输，但传输距离有限。要进行长距离传输，可以将PCM信号进行数字调制（通常是采用连续波作为载波），然后再将经调制后的信号送到信道上去传输。这种数字调制称为连续波数字调制，包括：幅移键控(ASK)，频移键控(FSK)，相移键控(PSK)，多相相移键控(mPSK)，多电平正交调幅(mQAM)，网格编码调制(TCM)，正交频分复用调制（OFDM），数字残留边带调制(VSB)，,33,13.4.2 mPSK调制,由数字通信中的多相位调制原理可知，mPSK调制信号为s(t)：式中g(t)是脉宽不超过Ts的单个基带脉冲，0为载波频率，n为受调相位，共有m个取值。令：，则有：,34,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行调制，然后相加，就得4PSK信号，如图13.9所示。,35,13.4.3 mQAM调制,如果将二电平振幅键控进一步发展为多电平（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。一般说来，L个电平的QAM，在二维信号平面上产生 个状态。mQAM 中的m是指定总信号状态数。实质上是利用相位和幅度来联合调制，进一步增加信号调制的频带利用率。,36,其调制信号一般表达式为：式中g(t)是脉宽不超过Ts的单个基带脉冲，0为载波频率，n为不同的相位，An为不同的幅度，上式还可以写成：令：，则：,37,用xn 和yn 表示调制信号在矢量平面上的位置，称之为“星座”。对于16QAM，其星座图如13.10(a)所示，不同的xn 和yn 形成16种状态，对应星座图中的16个点。16电平正交幅度键控可以用2个4PSK组合而成，它们之间幅度比值为2:1，其原理框图如图13.10(b）所示。,38,13.4.4 TCM调制,什么是TCM？将卷积码和mQAM或mPSK组合起来，将编码器和调制器当作一个整体来进行设计。TCM特点：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，而没有增加传输带宽；采用卷积编码规则，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使用，并可将这些信号序列模型化为网格状态。,39,图13.12采用了效率为1/2的卷积码编码器；该结构有四个状态，码字中最有效的比特是未编码的；格状码中每一个状态对应于具有两个信号点的子集（距离为d2的四个子集）；或者说，每个状态对应于8PSK调制器输出两种不同的信号。,40,13.4.5 OFDM调制,什么是OFDM？正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，简称OFDM将总的信号带宽被划分为N个互不重叠的子通道N个子通道进行正交频分多重调制OFDM作用：可克服单载波串行数据系统的缺陷。,41,在OFDM调制中，设 是一组载波，各频率的关系为 设第k个载波为：其频谱如图13.14所示。,42,设一个周期0,T内传输N个符号为（d0,d1,。dN-1），dk为复数。调制N个载波，用N个调制器进行频分复用，则传输波形为：利用离散傅立叶变换及其反变换实现OFDM调制或解调。,43,13.4.6 VSB调制,其输出是一种使用单个载波、采用幅度调制的、抑制载波的残留边带信号。提供一系列调制等级，如2-VSB、4-VSB、8-VSB、16-VSB等。这一系列VSB可以用相同导频(pilot frequency)、符号率、数据帧结构、交织过程、R-S编码及同步脉冲。,44,图13.17是已调VSB信号的频谱图，可以看出，除了增加了一个导频以外，VSB的频谱范围是和现行的广播电视的频谱一致的。,