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1、 网络编码 复用和交换技术 第4 1讲 CompanyLogo 2 网络编码 复用和交换技术 2020 5 31 3 一 编码技术 目的各种网络都涉及传输模拟信号或数字信号 不论是模拟信号还是数字信号 在通过传输介质传输时一般都需要进行编码以提高信号传输效率或传输可靠性 2020 5 31 4 1 1 数据编码 数字编码这类编码使用最经常的是BCD BinaryCodedDecimal 码 格雷码和余3码 表1给出了这三种编码 2020 5 31 5 数字编码 表110个十进制数字的三种编码 2020 5 31 6 1 1数据编码 字符编码最常见的信息符号是字符 包括英文字母 阿拉伯数字和专用
2、符号等 为了便于识别和统一使用 国际上对字符符号的代码作了一些标准化的规定 例如ISO InternationalOrganizationforStandardization 码 EBCDIC ExtendedBinaryCodedDecimalInterchangeCode 和ASCII AmericanStandardCodeforInformationInterchange 码等 表2给出了部分字符对应的ASCII码的二进制格式和十六进制格式 例如 字母M的ASCII代码是1001101 用十六进制表示时 其代码为4D 2020 5 31 7 字符编码 表2部分字符的ASCII码 202
3、0 5 31 8 1 2 数字信号编码技术 对于传输数字信号来说 最普通且最容易的方法是用两个不同的电压值来表示两个二进制值 用无电压 或负电压 表示0 而正电压表示1 常用的数字信号编码有 归零码不归零编码 NRZ 如图3曼彻斯特编码 ManchesterCode 如图4差分曼彻斯特编码 DifferentialManchesterEncoding 如图5 2020 5 31 9 1 2 数字信号编码技术 图3NRZ编码 图4曼彻斯特编码 2020 5 31 10 1 2 数字信号编码技术 图5差分曼彻斯特编码 2020 5 31 11 1 3 数据压缩编码 目的为了保证通信的有效性 进行数
4、字通信时必须作压缩处理 一般采用信源压缩编码 去除或减少信源数据中的冗余度 或者把能量集中起来以缩小所占频带 在传输和存储数据量很大的视频 图像 声音 文本等媒体信息时 对存储器存储容量 网络通信信道带宽以及计算机处理速度的需求也会急剧增大 单纯用增加存储器容量和通信信道带宽以及提高计算机的运算速度的办法并不解决问题 2020 5 31 12 1 3 数据压缩编码 分类根据对编码信息的恢复程度 数据压缩编码可分为无损压缩编码 又称可逆压缩编码 无失真压缩编码或冗余压缩编码 有损压缩编码 又称不可逆压缩编码 有失真压缩编码或熵压缩编码 2020 5 31 13 1 3 数据压缩编码 音频编码压缩
5、技术音频压缩编码也分为无损编码 熵编码 和有捐压缩编码两大类 其发展趋势是 在一些应用环境下 追求尽可能低的传输速率 在另一些应用环境下 则追求尽可能高的保真度 话音数据压缩编码标准主要有G 711 G 721 G 728 GSM GTIA和NSA 分别对应64 32 16 138 48和24kb s传输速率 2020 5 31 14 1 3 数据压缩编码 音频编码压缩技术16kb s自适应预测编码 APC 的音质相当于56kb s的PCM 优于16kb s的ADPCM 增量调制 DM 编码是具有二阶量化的特殊DPCM 即PCM退化到lbit量化的极端情形 DM的预测值为lbit 0或1码 在
6、较低调制速率下很难跟上语音波形的快速变化 易出现过载现象 产生过载失真 为了弥补这一不足 自适应增量调制 ADM 采取幅度自适应补偿措施 使解码后的波形尽可能跟上波形的变化 2020 5 31 15 1 3 数据压缩编码 音频编码压缩技术自适应子带编码 SBC 根据语音谱低频能量大 高频能量小的特点 将输入语音频带分成4个或更多个相邻带信息 用不同bit数 低频分配多 高频分配少 分别对这些子带进行DPCM编码 由于各子带的能量大小随时间变化 DPCM编码不能保证SBC有高的信噪比 SNR 按照子带的能量随时调整bit分配 得到自适应bit分配的SBC 可使各子带的量化噪声谱始终与语音谱相匹配
7、 16kb s子带编码速率的音质优于改进型ADPCM的音质 2020 5 31 16 1 3 数据压缩编码 音频编码压缩技术线性预测编码 LPC 是语音信号的混合编码方式之一 它以线性预测技术构成的声音模型为基础 LPC不同于PCM等波形编码方法 它根据人发声机理的数字模型 通过线性预测算法 从语音波形中提取特征参数 LPC传输的是参数的编码信息 不是波形本身 解码时 根据同一数字模型 由解码所得的这些参数加上增益系数 音调信息和噪音判决信息 一起合成语音 从波形上看 恢复后的语音与原始波形完全不一样 只是在语音谱上接近原始语音 2020 5 31 17 1 3 数据压缩编码 视频编码压缩技术
8、目前 视频 图像 压缩编码技术已基本成熟 ISO和CCITT分别制定了JPEG MPEG和H 26I压缩标准 JPEG是静态图像压缩标准 包括编码器 解码器和数据格式 采用帧内压缩 压缩比为20 1 MPEG是适用活动视频的压缩标准 采用帧间压缩 压缩比为100 1 其中MPEGl的数据速率为1 5Mb s 适用于ISDN LAN等 MPEG2的数据速率为4 8Mb s 适用于包括宽影屏和HDTV在内的高质量电视广播 H 261则是专门用于ISDN线路传输的视频压缩标准 2020 5 31 18 1 3 数据压缩编码 视频编码压缩技术预测编码通常采用线性预测法 对采样值 像素 进行预测 为了提
9、高预测精度 可利用相邻几个像素存在的相关性 对于静止图像 只作帧内预测处理 对于活动图像 还需要采用运动补偿预测 即帧间预测 等措施 实际上 运动补偿是对活动图像进行动态跟踪 去除视频图像帧间相关性的有效措施 预测编码是图像的基本编码技术 广泛用于电视图像和动画的压缩编码 2020 5 31 19 1 3 数据压缩编码 视频编码压缩技术MPEG4为新一代多媒体标准 提供了一整套能同时满足制作者 服务商和终端用户需求的编解码技术 它主要包括视频 音频和系统三部分 其中 音视频已不是MPEG1和MPEG2中音频或视频帧的概念 而是一个个AV audiovisual 场景 这些AV场景由不同的AV对
10、象 听觉 视觉或视听内容的表示单元 组成 MPEG4标准就是围绕如何对AV对象有效编码 如何有效组织传输AV对象而制定的 MPEG4被称为面向对象的编码技术 在未来网络和多媒体通信系统中具有广阔的应用前景 2020 5 31 20 差错控制编码概述 目的差错控制编码是差错控制技术的基础 目的是为了发现网络通信过程中的差错并采取措施予以纠正 从而提高数据传输的可靠性 基本实现方法在发送端将被传输的信息附上一些监督码元 这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联 约束 接收端按照既定的规则检验信息码元与监督码元之间的关系 一旦传输发生差错 则会破坏信息码元与监督码元的关系 从而使接收端可
11、以发现错误乃至纠正错误 2020 5 31 21 差错控制方式 混合纠错方式 HEC 差错控制方式 检错重发 ARQ 前向纠错 FEC 2020 5 31 22 差错控制方式 检错重发 ARQ 在接收端根据编码规则进行检查 如果发现规则被破坏 则通过反向信道要求发送端重新发送 直到接收端检查无误为止 由于反馈重发的次数与信道的干扰情况有关 若信道的干扰很频繁 则系统就会经常处于重发信息的状况 因此 这种方式传送信息的连贯性较差 电路也较复杂 由于这种方式仅要求发送具有检错能力的编码 接收端只要检查有无错误即可 故译码设备相对简单 自动重发请求 AutomaticRepeatreQuest AR
12、Q 系统具有各种不同的重发机制 如停止等候重发 X 25协议的滑动窗口选择重发等 ARQ系统需要反馈信道 效率较低 但是能达到很好的性能 2020 5 31 23 差错控制方式 前向纠错 FEC 前向纠错方式中 接收端收到信息序列后 纠错译码器不仅能自动检测传输中的错误 而且能自动纠正传输中的错误 把正确信息送给接收器 这种方式的优点是信息不需存储 不需反馈信道 能用于单向通信 适合用于不允许有延迟的实时通信系统中 其缺点是 所选择纠错码必须与信道的噪声干扰情况紧密对应 为了纠正较多的差错 要求附加的监督码元较多 传输效率低 解码设备很复杂 不过随着编码理论和大规模集成电路技术的发展 解码设备
13、有可能做得越来越经济 加之这种方式具有能够实时单向通信且控制电路简单的优点 因而实际应用越来越广 2020 5 31 24 差错控制方式 混合纠错方式 HEC 混合纠错方式 HEC 结合了ARQ和前向纠错机制 它是一种折中的方案 发送端发送的编码不仅能发现差错 而且还具有一定的纠错能力 接收端接收后首先检查差错情况 如果差错在编码的纠错能力以内 则自动进行纠错 如果错误较多 超出了编码的纠错能力 但能检测出来 这时接收端可通过反馈信道要求发送端重传有错的信息 2020 5 31 25 二 复用技术 所谓复用 Multiplexing 就是把低等级速率信号通过某种方式调制成一个高等级速率 也可以
14、看作在同一介质上同时传输多个有限带宽信号的方法 所以又称为多路复用 当通信线路能够提供的传输能力比一路信息所需的传输需求高时 可以利用复用方式来共享线路以提高线路的利用率 2020 5 31 26 二 复用技术 分类频分复用时分复用统计时分复用其他复用技术波分复用码分复用空分复用字节间插复用极化波复用 2020 5 31 27 二 复用技术 频分复用在介质的有效带宽超过要传输的信号所需带宽时 可采用频分多路复用技术 频分多路复用是利用频率变换或调制的方法 将若干路信号搬移到频谱的不同位置 相邻两路的频谱之间留有一定的频率间隔 这样排列起来的信号就形成一个频分多路复用信号 发送设备将复用信号发送
15、出去 传输到接收端以后 接收方利用滤波器再把各路信号区分开来 2020 5 31 28 二 复用技术 频分复用以电话系统为例来说明频分多路复用的原理一路电话的标准频带是0 3KHz至3 4KHz 若在一对导线上传输若干路这样的电话信号 接收端将无法把它们分开 采用调制技术就可以把各个相同频带的话路信号搬移到信道的不同频段上传输 在接收端 借助适当的带通滤波器进行分路解调 就可以分别接到各处的电话而互不干扰 图6给出了一个利用频分复用来传输三路电话信号的示例 2020 5 31 29 二 复用技术 图4 5利用频分复用传输电话信号 图6利用频分复用传输电话信号 2020 5 31 30 二 复用
16、技术 频分复用除传统意义上的频分复用 FDM 外 还有一种是正交频分复用 OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing OFDM OFDM实际上是一种多载波数字调制技术 全部载波频率有相等的频率间隔 并且各个载波的信号频谱是正交的 由于OFDM使用无干扰正交载波技术 单个载波间无需保护频带 这使得可用频谱的使用效率很高 另外 OFDM技术可动态分配子信道中的数据 为提高数据吞吐量 多载波调制器可以分配更多的数据到噪声小的子信道上 2020 5 31 31 二 复用技术 时分复用时分复用就是将提供给整个信道的传输时间划分成若干时间片 简称时隙 并将这些时隙分配给每一个信号源使用 每一路信号在自己的时隙内独占信道传输数据 帧由时间片构成 将时隙的一个完整循环称为帧 时分复用可以采用两种方式实现 同步时分复用和异步时分复用 2020 5 31 32 二 复用技术 时分复用同步时分复用中时隙事先规划分配好且固定不变 优点是时隙分配固定 便于调节控制 缺点是当某信号源没有数据传输时 它所对应的信道会出现空闲 而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道 因此信道利用率
