数字图像处理与图像通信第13章图像的网络传输VIP

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：QualityofServiceQoS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/MegacoSIP协议BICC协议SIGTRAN协议H.323协议,15,13.1.7软交换软交换（SoftSwitch）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（AttachmentUnitInterface）3）SC(SecondaryControl)接口4）ISDN基本速率接口（BRI）5）BNC（BayonetNutConnector）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)，,33,13.4.2mPSK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。,35,13.4.3mQAM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。,38,13.4.4TCM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。,40,13.4.5OFDM调制,什么是OFDM？正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)，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