通信原理 第10章ppt课件 信源编码(第7版).pptx

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1、信 源 编 码,第10章,本章内容:,第10章 信源编码,抽样 低通信号和带通信号量化 标量（均匀/非均匀）和矢量脉冲编码调制 PCM、 DPCM 、ADPCM 增量调制 M时分复用 TDM、准同步数字体系（PDH）压缩编码 语音、图像和数字数据,引 言,10.1,引 言,为什么要数字化？,压缩编码； 模/数转换,信源编码的作用：,波形编码和参量编码,A/D转换（数字化编码）的技术：,A/D 数字方式传输 D/A,模拟信号数字化传输的三个环节：,“抽样、量化 和 编码”,波形编码的三个步骤：,PCM、DPCM、 M,波形编码的常用方法：,6、7、8章,模拟信号de抽样,10.2,抽样定理 -

2、模拟信号数字化和时分多路复用的理论基础,最高频率小于 fH 的模拟信号m(t) 可由其等间隔的 抽样值唯一确定，抽样间隔Ts 或 抽样速率 fs 应满足：,10.2.1 低通模拟信号的抽样定理,定理：,证明：,设单位冲激序列：,其周期T = 抽样间隔Ts,抽样过程可看作是 m(t ) 与 T(t) 的相乘。因此 ，理想抽样信号为：,其频谱为：,1/Ts,n=0,理想抽样过程的波形和频谱：,fs 2fH,因此，抽样速率 必须满足：,fs,fH,这就从 频域角度 证明了 低通抽样定理。,若 fs2 fH,此时，不能无失真重建原信号。,混叠失真：,重建原信号 ：,低通滤波器HL( f ),内插公式,

3、欲传 m(t)，只需传 ms(t)，收端根据其抽样值就能无失真地重建原信号 m(t)，条件是：,抽样与恢复原理框图：,10.2.2 带通模拟信号的抽样定理,定理：,fH = nB（n1） fH = 3B(n=3,k=0) fs = 2B,|M(f)|,2fH = 2(3+k)B,fH,fL,-fL,-fH,fH = nB+kB（0k1） fH = 3B+kB 2 fH =3 fs 即2(3+k) B= 3fs,推广： n=任意整数 2(n+k) B= nfs,fs 与 fL 关系,n=1,n=2,n=3,n=4,n=5,n=6,模拟脉冲调制,10.3,PAM、 PDM、PPM,实际抽样 自然抽

4、样的PAM,对比：,-理想抽样,-自然抽样,m(t),自然抽样过程的波形和频谱：,自然抽样与恢复原理框图：,理想抽样：,自然抽样：,理想冲激序列,实际脉冲序列,s(t),恢复：均可用理想低通滤波器取出原信号。,实际抽样 平顶抽样的PAM,特点：每个样值脉冲的顶部是平坦的。,m(t),产生： 抽样 保持,n=0,恢复：修正+低通滤波,模拟信号de量化,10.4,西安电子科技大学 通信工程学院,课件制作：曹丽娜,量化幅度上离散化,量化后的信号多电平数字信号,抽样值,分层电平,10.4. 1 量化原理,量化电平,量化间隔,量化值, 用 有限个 量化电平 表示 无限个 抽样值。,qi=q1qM,mi,

5、抽样值,量化信号值,抽样值,量化值,量化噪声,a,b,设抽样信号的取值范围,量化电平数,M,则量化间隔,量化电平（中点）,分层电平（端点）,10.4. 2 均匀量化,等间隔划分输入信号的取值域,的均方值-量化噪声功率为：,信号量噪比 S/Nq,输入样值信号的概率密度,量化器的性能指标之一,mk = m(kTs ),mq = mq (kTs ),量化噪声,信号mk 的平均功率：,信号量噪比信号功率与量化噪声功率之比 ：,量化噪声功率,解：,平均信号量噪比,含义？,均匀量化的缺点,应用：主要用于概率密度为均匀分布的信号，如遥测遥控信号、图像信号数字化接口中。, 原因： Nq与信号样值大小无关，仅与

6、量化间隔 V 有关 。,解决方案：非均匀量化,10.4.3 非均匀量化, 量化间隔不相等的量化方法,压大补小,y= f (x) 对数特性,提高小信号的量噪比,-压缩输出,-扩张输入,在接收端，需要采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复信号。,入,出,压缩特性,扩张特性,压缩-扩张特性：,均匀量化,压缩特性,ITU的两种建议：,非均匀量化,x 归一化输入电压y 归一化输出电压,1 . A 压缩律,2. A 律 13 折 线,图10-14 对称输入13折线压缩特性,A律和 律不易用 电子线路准确实现， 实用中分别采用 13折线和15折线。,3 . 压缩律 及其 15 折线, =0 时无压缩效果,非均

7、匀量化,15 折 线,K1 =32,大信号的量化性能比 A律 稍差。,小信号的量噪比是 A律 的 2 倍。,脉 冲 编 码 调 制,10.5,西安电子科技大学 通信工程学院,课件制作：曹丽娜,Pulse Code Modulation, PCM, 模拟信号数字化方式之一,10.5.1 PCM的基本原理,PCM系统原理框图,模拟信号数字化过程 -“抽样、量化和编码”,具有镜像特性,简化编码过程,误码对小电压的影响小,表10 4 自然二进码和折叠二进码,10.5.2 常用二进制码, 编码考虑的问题之一,极性码：表示样值的极性。正编“1”，负编“0”段落码：表示样值的幅度所处的段落段内码：16种可能

8、状态对应代表各段内的16个量化级,在A律13折线 PCM编码中，共计：, 需将每个样值脉冲（Is ）编成 8位 二进制码：,码位的选择与安排, 之二，关乎通信质量和设备复杂度,表10-5 段落码,表10-6 段内码,-归一化输入电压的最小量化单位,之三，确定样值所在的段落和量化级,起始电平和量化间隔,(幅值),C5的权值 8 Vi C6的权值 4 Vi C7的权值 2 Vi C8的权值 1 Vi,段内码的权值：,Vi 第 i 段的量化间隔 。 不同段落， Vi 不同 。前两段相同,11110011,每来一个样值脉冲,就送出一个PCM码组,10.5.3 电话信号的编译码器, 编码的实现,任务 把

9、每个样值脉冲编出相应的 8 位二进码。,极性判决：确定样值信号的极性，编出极性码：整流器：双单（样值 的幅度大小）。保持电路：使每个样值的幅度在 7 次比较编码过程中保持不变。比较器（核心）：将样值电流 Is与标准电流 Iw 进行逐次比较， 使Iw向Is逐步逼近，从而实现对信号抽样值的非均匀量化和编码。 若 IsIw，输出“1”码 若 IsIw，输出“0”码记忆电路：寄存前面编出的码，以便确定下一次的标准电流 值 Iw。7/11变换：将 7 位非线性码转换成 11位线性码，以便恒流源产生所需的标准电流 Iw。,各部件的功能：,PAM信号,类似天平称物过程,只需 7 位（非线性）编码,以 对13

10、折线正极性的8个段落进行均匀量化，则量化级数：,非线性码 非均匀量化：,需要11位（线性）编码,非线性码与线性码（7/11）：,称为线性PCM编码,对应,称为非线性 / 对数PCM编码,线性码 均匀量化：,对应,（1）极性码： IS= +1270 0，C1 = 1（正）（2）段落码： C2 C3 C4,解,起始 1024 V8 =64,1270,Iw1128， Is Iw1 ， c21 Iw2512， Is Iw2 ， c31 Iw31024， Is Iw3 ，c41c2 c3 c4111 （第段）,（3）段内码：,Iw4 =1024+864=1536，IsIw6 ， C7=1Iw7 =102

11、4+364=1216，IsIw7 ， C8=1,PCM码组 C1 C8 1 111 0011,量化值在第8段落的第3间隔，等于1216（量化单位）。编码量化误差：1270 1216 = 54（量化单位）。若用自然二进制码表示此折叠二进制码所代表的量化值（1216），需要11位二进制数（10011000000）。,例：抽样值为-95的PCM编码？,（1）设码组为C1C2C3C4C5C6C7C8 ，Is=-9532 C3=1 Is=9564 C4=1 , 可知抽样值位于第4段。 Iw=64+84=96 IsIw C6=1 Iw=64+64=88 IsIw C7=1 Iw=64+74=92 IsIw

12、 C8=1 (2) Is位于第4段第7个量化区间，即等于 92（量化单位），输出码组：00110111，十一位二进制：1011100。 (3) 编码量化误差：=92-94=2个量化单位。,它与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同，不同的是： 增加了极性控制部分和带有寄存读出的 7/12 位码 变换电路。,译 码, 把 PCM 信号 相应的 PAM 样值信号，即 D/A 变换。,A律13折线译码器原理框图,各部分功能：,7/12变换电路: 将7位非线性码转变为12位线性码。,目的：增加一个Vi /2恒流电流，人为地补上半个量化级， 使最大量化误差不超过Vi /2 , 从而改善量化信噪比。,串/

13、并变换记忆电路 ：将串行 PCM 码变为并行码,并记忆下来。极性控制：根据收到的极性码 C1来控制译码后PAM信号的极性。,编码器中 7/11,寄存读出电路：将输入的串行码在存储器中寄存起来, 待全部接收后再一起读出 , 送入解码网络。实质上是进行 串/并 变换。,12位线性解码电路 ：由恒流源和电阻网络组成,与编码器中解码网络类同。它是在寄存读出电路的控制下,输出相应的 PAM信号。,解,1270,由上例可知，编码电平 ：,IC=1216,因此，译码电平：,ID = IC =1248,编码后误差: ( Is - IC) = 54 ,译码后误差 : | Is- ID | = 22 ,PCM 信

14、号的比特率和带宽,传输带宽: 若采用非归零矩形脉冲传输时，谱零点带宽为,例如: 一路模拟话路带宽为 B=4 kHz,一路数字电话带宽为,问题：PCM信号占用的频带 比 标准话路带宽要 宽很多倍。,B=80008 = 64 kHz,如何解决？详见10.6节,10.5.4 PCM系统中噪声的影响,PCM 系 统 输 出：,两种噪声：,产生机理不同相互独立,+,+, 信号成分( So ), 加性噪声( Sa ), 量化噪声(Sq),性能指标：,抗量化噪声性能,抗加性噪声性能,总输出信噪比,含义：当低通信号最高频率 fH 给定时, PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽 B 按指数规律增长。,抗量化噪

15、声性能,抗加性噪声性能,PCM系统最小带宽,带宽与信噪比互换,假设条件：自然码、均匀量化、输入信号为均匀分布。,总输出信噪比,差分脉冲编码调制,10.6,Differential PCM, DPCM, PCM的改进型，是一种预测编码方法,预测编码简介,问题引出,PCM 需用 64kb/s 的比特率传输 1 路 数字电话信号，这意味 ，其占用频带 比 1路模拟标准话路带宽(4 kHz)要 宽很多倍。,解决思路,究其根源：PCM 是对每个样值独立地编码，与其他样值无关。, 因此，降低 编码信号的比特率、压缩信号的传输频带是 语音编码技术追求的目标 。,信号抽样值的取值范围较大, 从而导致数字化信号

16、的比特率高， 占用带宽大。, 需要较多的编码位数,方法之一,预测编码,线性预测, 利用前面几个抽样值的 线性组合 来预测当前时刻的样值。, 若仅用前面 一个抽样值 预测当前的样值，即为DPCM。,对相邻样值的差值进行编码,线性预测编码/译码原理框图,表明：预测值mk 是前面p个带有量化误差的抽样信号值的加权和。, - 预测阶数 ai - 预测系数,当 时 DPCM,p = 1 a1 =1,10.6.1 差分脉冲编码调制(DPCM)原理与性能,当 p = 1，a1 = 1，则有mk = mk-1* ，,表示只将前 一个抽样值, DPCM：对相邻样值的差值进行编码。,当做预测值。,预测器,预测器,

17、DPCM原理,假定量化误差为零，ek = rk ，,DPCM性能,DPCM系统的量化误差（量化噪声）为：,DPCM系统的信号量噪比：,为信号平均功率；,为预测误差（量化器输入）的平均功率；,是把预测误差作为输入信号时量化器的信号量噪比；,差分处理增益 约为611dB,ADPCM是为了改善 DPCM 的性能，而将自适应技术引入到量化和预测过程。其主要特点： 用自适应量化取代固定量化。自适应量化 指量化台阶随信号的变化而变化 ，使量化误差减小。 用自适应预测取代固定预测。自适应预测 指预测系数可随信号的统计特性而自适应调整 ，提高预测信号的精度 。 通过这二点改进 ，可大大提高输出信噪比和 编码动

18、态范围 。,自适应差分脉码调制（ADPCM ，Adaptive DPCM),ADPCM 能以32 kb/s的比特率达到 64 kb/s 的 PCM 数字电话质量。极大地节省了传输带宽，使经济性和有效性显著提高。,增量调制(M&DM),10.7, 一种最简单的 DPCM,10.7.1 增量调制(M) 原理,引言,即对预测误差进行1位编码,量化电平数取 2,增量调制原理框图,增量调制波形图,如何选择 和 fs,（2）过载量化噪声,（1）一般量化噪声,10.7.2 增量调制系统中的量化噪声,很大,译码器的最大跟踪斜率：,不过载条件：,fs 选大：对减小过载噪声和一般量化噪声都有利。因此，对于语音信号

19、而言， M 的抽样频率在几十千赫 百余千赫。, 选大 ： 有利于减小过载噪声 ，但一般量化噪声增大。 原因：简单 M 的量化台阶是固定的，难以使两者都不超过要求。 解决：采用自适应 M，使量化台阶随信号的变化而变化。,为了避免过载 和 增大编码范围，应合理选择 和 fs ！,时，编码1010101010,时，编码1010101010,= /2,起始编码电平 Amin,编码范围：,最大编码电平（临界过载振幅）为：,其斜率,若不过载，应要求：,可见，当跟踪斜率一定时，允许的信号幅度随信号频率k的增加而减小，这将导致语音高频段的信号量噪比下降。,即,设,最大编码电平 Amax,信号最大功率：,由Am

20、ax可得,信号量噪比,假定不过载，基本量化噪声为：,量化噪声功率：,e(t) = m (t) - m(t),e(t),e(t) 是低通滤波前的量化噪声，,m (t) 是译码积分器输出波形；,变化区间为(-, +) 。,设e(t)随时间在此区间内均匀分布，其概率分布密度：,e(t)的平均功率：,假设该功率的频谱均匀分布在从0到 fs 之间，即其功率谱密度P(f)近似为：,则基本量化噪声通过截止频率为fm 的低通滤波器后，其功率为：,可见，此量化噪声功率 Nq 只与量化台阶 及 fm / fs 有关，而 与输入信号大小无关。,可见，最大信号量噪比与抽样频率fs 的3次方成正比，而与信号频率fk 的

21、平方成反比。提高fs 能显著增大M 的量噪比。,增量调制系统用于对语音编码时，要求抽样频率达到几十kb/s以上，语音质量不如PCM系统。为了提高增量调制的质量和降低编码速率，出现一些改进方案，例如“增量总和(-)”调制、压扩式自适应增量调制等。,时分复用 (TDM),10.8,西安电子科技大学 通信工程学院,课件制作：曹丽娜, Time Division Multiplexing,（a ) 时分多路复用原理,10.8.1 基本概念,实际电路中，用抽样脉冲取代,（b）信号m1(t) 的采样,（c）信号m2(t) 的采样,（d）旋转开关采样到的信号,TDM的主要优点：,对于时分复用数字电话通信系统

22、，ITU制定了两种准同步数字体系（PDH）的建议:,10.8.2 准同步数字体系,以上两种体系的层次、路数和比特率 如表所示：,E 体系结构图：,偶帧TS0,奇帧TS0,PCM一次群的帧结构：,随路信令 :,每路PCM语音信号的抽样频率：,采样周期：,fs = 8000 Hz,- 帧时间,一帧共含 比特,， PCM一次群的比特率：,Ts = 125 s,比特率,作业,矢量量化,10.9,矢量量化,n个抽样值被成组量化,每个抽样值被逐个量化,标量量化,1 维 - 标量信号m(kTS ),n 维 - 矢量信号x = (x1, x2, , xn),a,b划分成 量化区间 Vi,Rn 划分成 量化区域

23、 Ri,量化电平 qi,量化矢量 qi = (qi1, qi2, , qin),Rn n 维欧几里得空间,若对这些量化矢量qi 进行 编号，则用 log2 K 比特 就足以表示这 K个量化矢量的编号。,即传输n个抽样值需要log2 K 比特，故定义编码速率等于：,R = (log2 K) / n 比特/抽样值,设有一个矢量量化器对语音信号抽样值量化。语音信号的抽样速率fs=8 kb/s，量化器将量化空间划分为k=256个量化区域，用n=8维矢量对抽样量化。求该矢量量化器的码率和编码信号传输速率。,解,码率 R = (log2 K) / n=（log2 256）/ 8 = 1 比特/抽样值,传输

24、速率 = fs R = 8000 1 = 8000 比特/秒,全部量化矢量 qi 的集合称为码片。,量化矢量 qi = (qi1, qi2, , qin) 通常称为码字 或 码矢。,设计原则：按照使量化误差最小的原则， 划分区域Ri和选择量化值qi。,矢量量化器的最佳设计,非均匀划分,有利于减小量化误差统计平均值 。,常用失真测度d 的统计平均值D 衡量：,D = E d (x, qi),矢量量化器的量化误差,常用的失真测度准则：,1)平方失真测度：,2)绝对误差失真测度：,设计矢量量化器de关键是设计使失真测度统计平均值D 最小的码书。,矢量量化系统原理方框图,在编码端，n维输入信号矢量 x

25、与码书中的各个码字比较，找到失真最 小的码字qi；然后将其编号i（经过编码）传输到译码端。在译码端，收到i（的编码）后，经过译码得到 i 的值，再从码书中寻 找到 x 的量化矢量qi。,显然，矢量量化是一种有损压缩编码，但它的压缩性能比标量量化的好。,语音压缩编码,10.10,波形编码,参量编码,混合编码,分类,要求,保持语音波形不变，或使波形失真尽量小,保持语音的可懂度和清晰度尽量高,保持语音的可懂度和清晰度尽量高,-均属于有损压缩编码,波,参,混,1 语音参量编码, 将语音的主要参量提取出来编码。,发音器官和发音原理,次声门系统,声门,声道,发音器官,包括肺/支气管/气管，是产生语音的能量

26、来源。,包括咽腔/鼻腔/口腔及其附属器官（舌/唇/齿等）。,指喉部两侧的声带及声带间的区域。,从次声门送来的气流，在经过声门时，若声带振动，则产生浊音；若声带不振动，则产生清音。,浊音具有周期性：,周期决定于声带的振动。声带振动的频谱中包含：,清音仅是次声门产生的准平稳气流声，它的波形很像随机起伏的噪声，如图,基音 最低的频率成分。,基音频率决定了声音的音调（或称音高）,基音的谐波,与声音的音色有关。,从声门来的气流，通过声道从口和鼻送出。声道相当一个空腔，类似电路中的滤波器，它使声音通过时波形和强度都受到影响。,人在发声时，声道在变化，所以声道相当一个时变线性滤波器。,语音参量及其提取方法,

27、语音输出,浊音或清音(U/V)判决、浊音的基音周期(Tp)、声门输出的强度(U(z)、音量(G)、和声道参量(滤波器传输函数H(z)等五个参量。,从上述发音原理可以构造出语音产生模型：,由于人的说话速率不高，可假设在很短的(如20 ms)时间间隔内，上述五个参量参量都是不变的。,在发送端，在每一短时间间隔（如20 ms）内，从语音中提取出上述五个参量加以编码，然后传输。,在接收端，对接收信号解码后，用这五个参量就可以按照上图的模型恢复原语音信号。,按照这一原理对语音信号编码，由于利用了语音产生模型慢变化的特性，使编码速率可以大大降低。典型的编码速率可以达到2.4 kb/s。这种参量编码器通常称

28、为声码器。,综上所述，参量编码的基本原理是首先分析语音的短时频谱特性，提取出语音的频谱参量，然后再用这些参量合成语音波形。所以这种压缩编码方法是一种合成/分析编码方法。,参量编码缺点,声音质量较差，通常不能满足公用通信网的要求。原因主要是送入时变线性滤波器的激励过于简单化：简单地将语音分为浊、清两类，忽略了浊音和清音之间的过渡音（见图）；以及浊音时在20ms内的激励脉冲波形和周期不变，清音时的随机噪声也不变。,主要是改进线性滤波器的激励。,2 语音混合编码,既采用了语音参量又包括了部分语音波形信息的编码。,改进途径,混合编码除了采用时变线性滤波器作为其核心外，还在激励源中加入了语音波形的某种信

29、息，从而改进其合成语音的质量。,混合编码方案,在海事卫星系统中采用的9.6 kb/s编码速率的多脉冲激励线性预测编码(MPE-LPC)；在第二代蜂窝网GSM标准中采用的13 kb/s编码速率的规则脉冲激励-长时预测-线性预测编码 (RPE-LTP-LPC)；在美国联邦标准FS1016中采用的4.8 kb/s编码速率的码激励线性预测(CELP)；在ITU-T标准G.728中采用的16 kb/s编码速率的低时延码激励线性预测(LD-CELP)；在ITU-T标准G723.1中和第三代移动通信系统TD-SCDMA中采用的代数码书激励线性预测(ACELP)等等。,图像压缩编码,10.11,有损压缩,无损

30、压缩,分类1,静止图像压缩,动态图像压缩,分类2,10.11.1 静止图像压缩编码,静止图像压缩利用了邻近像素之间的相关性，并且常常在变换域中进行有损压缩。最广泛应用的静止图像压缩国际标准是JPEG。,10.11.2 动态图像压缩编码,动态图像压缩利用了邻近帧的像素之间的相关性，在静止图像压缩的基础上再设法减小邻帧像素间的相关性。最广泛应用的动态图像压缩国际标准是MPEG。,数字数据压缩编码,10.12,10.12.1 基本原理,数据压缩不允许有任何损失，因此只能采用无损压缩方法。,这就需要选用一种高效的编码表示信源数据，以减小信源数据的冗余度，,由于有限离散信源中各字符的信息含量不同，为了压

31、缩，通常采用变长码。,为了确定变长码每个字符的分界，需要采用唯一可译码。,即时可译码（又称无前缀码）,非即时可译码,霍夫曼码是一种常用的无前缀变长码，它在最小码长意义上是最佳码。,10.12.2 霍夫曼码,霍夫曼码的编码过程,下面，以有8个字符的信源字符表来说明霍夫曼码的编码步骤：,第1步：减少信源字符的数量,第2步：为字符分配码字,压缩编码性能指标,1）压缩比,压缩前（采用等长码）每个字符的平均码长与压缩后每个字符的平均码长之比。,当采用二进制码字表示信源中的字符时，若字符xi的二进制码长等于ni，则信源字符表X(N)的二进制码字的平均码长等于,平均码长：,比特/字符,式中：P(xi)为 xi 出现的概率。,在上例中，压缩比 = 3 /2.75 =1.09,2）编码效率,编码后的字符平均信息量（熵）与编码平均码长之比。,当字符表中字符数目较少和出现概率差别不很大时，为了提高编码效果，可以采用扩展字符表的方法，提高编码效率。,在上例中，编码后的字符平均信息量(熵)等于：,它和编码平均码长相等。所以编码效率 = 100%,