通信原理(樊昌信)第10章 信源编码ppt课件.ppt

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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,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：,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。,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,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：,n=1,n=2,n=3,n=4,n=5,n=6,fs 与 fL 关系,例3-1 对

3、频率范围为30300Hz的模拟信号进行线性PCM编码。（1）求最低抽样频率 ；（2）若量化电平数M=64，求PCM信号的信息速率 。解: （1）由模拟信号的频率范围可知，该信号应作为低通信号处理。故 最低抽样频率为：（2）由量化电平数L可求出其编码位数n，即： 说明每次抽样的值将被编成6位二进制数码，故该PCM信号的信息速率Rb为：,N = log2 M= log264 =6,模拟脉冲调制,10.3,PAM、 PDM、PPM,对比：,-理想抽样,-自然抽样,m(t),实际抽样 自然抽样的PAM,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

4、序列,s(t),恢复：均可用理想低通滤波器取出原信号。,特点：每个样值脉冲的顶部是平坦的。,产生： 抽样 保持,实际抽样 平顶抽样的PAM,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,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,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

5、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 ：,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

6、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,图 有无压扩的比较曲线,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,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。, =0 时无压缩效果,非均匀量化,3 . 压缩律 及其 15 折线,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,Pulse Code Modulatio

7、n, 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,码型选择,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：, 之二，关乎通信质量和设备复杂度,码位的选择与安排,表10-5 段落码,表10-6 段内码,-归一

8、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,(幅值),起始电平和量化间隔,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

9、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,称为非线性 / 对数PCM编码,线性码 均匀量化：,解： 编码过程如下： （1）确定极性码C1： 由于输入信号抽样值Is为正，故极性码C1=1。 （2） 确定段落码C2C3C4： 段落码C2是用来表示输入信号抽样值Is处于13折线8个段落中的前四段还

10、是后四段，故确定C2的标准电流应选为 IW=128第一次比较结果为IsIW， 故C2=1，说明Is处于58段。,C3是用来进一步确定Is处于56段还是78段，故确定C3的标准电流应选为 IW=512第二次比较结果为IsIW， 故C3=1，说明Is处于78段。 同理， 确定C4的标准电流应选为 IW=1024第三次比较结果为IsIW，所以C4=1，说明Is处于第8段。 经过以上三次比较得段落码C2C3C4为“111”，输入信号抽样值Is=1270个量化单位应处于第8段，起始电平为1024。,（3） 确定段内码C5C6C7C8：段内码是在已知输入信号抽样值Is所处段落的基础上，进一步表示Is在该段

11、落的哪一量化间隔。上面已经确定输入信号处于第8段，该段中的16个量化间隔均为64，故确定C5的标准电流应选为 IW=段落起始电平+8(量化级间隔) =1024+864=1536 第四次比较结果为IsIW，故C5=0，它说明输入信号抽样值Is处于前 8 级（07量化级）。,同理， 确定C6的标准电流为 IW=1024+464=1280 第五次比较结果为IsIW，故C6=0，表示Is处于前4级（04量化间隔）。 确定C7的标准电流为 IW=1024+264=1152 第六次比较结果为IsIW，故C7=1，表示Is处于23量化间隔。 最后，确定C8的标准电流为 IW=1024+364=1216,第七

12、次比较结果为IsIw，故C8=1，表示Is处于序号为3的量化间隔。 如此经过7次比较，编出相应的8位码为11110011,它表示的量化值应该在第8段落的第3间隔中间，即等于(1280-1216)/2 = 1248（量化单位）。将此量化值和信号抽样值相比，得知量化误差等于1270 1248 = 22（量化单位）。顺便指出，除极性码外，若用自然二进制码表示此折叠二进制码所代表的量化值（1248），则需要11位二进制数（10011100000）。,（1）极性码： C1 = 1（正）（2）段落码： C2 C3 C4 （3）段内码： C5 C6 C7 C8,PCM码组 C1 C8 1 111 0011,

13、= 111（第段）,= 0011,即,起始 1024 V8 =64,1270,解,1270,由上例可知，编码电平 ：,IC=1216,因此，译码电平：,ID = IC + Vi /2=1216+64/2=1248,编码后误差: ( Is - IC) = 54 ,译码后误差 : | Is- ID | = 22 ,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,PCM 信号的比特率和带宽,10.5.4 PCM系

14、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( Na ), 量化噪声(Nq),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 6

15、4kb/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

16、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 PCM,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,DPCM原理,是xi的量化值。,模拟信号波形,取样幅度及差值,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,A

17、DPCM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,

18、10.7.1 增量调制(M) 原理,引言,量化电平数取 2即对预测误差进行1位编码,增量调制原理框图,编码规则为： 则判决输出“0”码 则判决输出“1”码,图 M的编码器,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

19、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 ！,时分复用 (TDM),10.8, 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,帧TS：同一信号相邻两抽样脉冲的时间间隔。时隙T：一帧中，相邻两抽样脉冲之间的时间间隔。 TS= T1+ T2+ TN,TDM类型 同步时分多路复用，简称STDM。如果各路信号在每一帧中所占时隙的位置是预先指定且固定不变的。 统计时分多路复用，简称ATDM，也叫异步时分

20、多路复用或智能时分多路复用。统计时分多路复用是通过动态地分配时隙来进行数据传输的，即对传送信息量大的某路信号分配时隙多，少的则分配时隙少。当然，此时发送端需要同时发送地址码，而接收端则通过各路信号的不同地址码来进行识别、分离。,TDM的带宽Bn Bn =Nfm fm单路信号的带宽 N复用路数 PCM的TDM的码率fcp fcp=fsNn 抽样频率 复用路数 编码位数,例：A律PCM30/32路的码率为多少？解： fcp=fsNn =8000328 =2048bps,TDM的主要优点：,准同步数字系列和同步数字系列 把低速数字信号(低次群)按照时隙叠加的办法合成一个高速数字信号(高次群)的过程叫

21、数字复接，它是一种常用的干线大容量时分复用数字传输方法。由于复接的方式不同，出现了准同步数字复接系列（PDH）和同步数字复接系列（SDH）。,一PDH概念 ITU提出的两个建议：E体系 我国大陆、欧洲及国际间连接采用T体系 北美、日本和其他少数国家和地区采用。 T体系采用24路系统，即以1.544Mbit/s作为一次群（基群）的数字速率系列； E体系采用30/32路系统，即以2.048Mbit/s作为一次群的数字速率系列。,10.8.2 准同步数字体系,E 体系结构图：,偶帧TS0,奇帧TS0,PCM一次群的帧结构：,每路PCM语音信号的抽样频率：,采样周期：,fs = 8000 Hz,- 帧

22、时间,一帧共含 比特,， PCM一次群的比特率：,Ts = 125 s,比特率,二SDH概念 原CCITT G.707的建议中，对同步转移模式STM-1155.5201Mbit/s以上（从STM-1至STM-4至STM-16）的更高速率都采用高一级的速率正好等于低一级的4倍，即 STM-1为155.5201Mbit/s； STM-4为622.0804itMb/s； STM-16为2488.3216Mbit/s。 这样的复接系列称为SDH。,同步数字系列,1.SDH的优点（1）使 1.5Mbit/s 和 2Mbit/s 两大数字体系的标准在STM-1等级上获得了统一。实现了数字传输体制上的世界性

23、标准。（2）有了统一的标准光接口，允许不同厂家的设备在光路上互通。（3）SDH采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构，各种不同等级的码流在帧结构净负荷内的排列是有规律的，而净负荷与网络是同步的。 （4）SDH帧结构中安排了丰富的开销比特，使网络的运行、网络管理和维护能力都大大加强了。（5）SDH具有完全的后向兼容性和前向兼容性。,2.SDH复用的三个步骤 各种业务信号复用进STM-N帧的过程都要经历映射(相当于信号打包)、定位（相当于指针调整）和复用（相当于字节间插复用）三个步骤。3.SDH的速率等级,我国的光同步持输网技术体制规定了以2Mbits信号为基础的PDH系列作为SDH的有效负荷，并选用AU-4的复用路线，其结构如图所示。,图 我国的基本复用映射结构,由图可见：我国的SDH复用映射结构规范可有3个PDH支路信号输入口。一个139.264Mb/s可被复用成一个STM-1（155.520Mbps）；63个2.048Mbs可被复用成一个STM-1；3个34.368Mbs也能复用成一个STM-1。,谢谢！,