通信原理 第六章

2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,1,§6.6.2 差分脉冲编码调制(DPCM) §6.6.3 增量调制( ) TDM（补充） §6.8 数字音频传输和数字音频记录 §6.9 JPEG 图像编码标准,第6章 信源与信源编码,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,2,一、DPCM,PCM系统的问题：在PCM系统中，在对信息信号抽样以后，通过使用标量量化器，分别将每个抽样值独立地量化。这说明,先前的抽样值并不对新抽样值的量化产生影响。 然而，当一个带宽限制随机过程以奈奎斯特速率或更高速率抽样时，抽样值通常是互相关的随机变量，除非随机过程的频谱在带宽范围内是平坦的(如白噪声)。 这表示先前的抽样值含有关于下一个抽样值的信息，而这些信息可以用来提高系统的性能。,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,3,DPCM的基本思想 DPCM：差分脉冲编码调制 DPCM是PCM系统的改进形式。 它对两个相邻抽样值的差值进行量化。由于两个相邻抽样值的互相关性很大，而它们的差值变化很小，因而只需较少的比特数进行量化就可以达到一定程度的性能。,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,4,DPCM系统,Q：均匀量化或非均匀量化 T：延迟器，延迟为一个抽样间隔,发送端,接收端,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,5,基于发送端框图，可得 且 量化器（Q）输入端和输出端之间的量化误差：,即：,+,-,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,6,如果对 和 选择一样的初始条件,即：,在接收端有：,上式表明， 和其量化值之间的量化误差， 和其量化值之间的量化误差相等。 然而， 的变化范围与 的变化范围相比要小得多，因此可以用较少的比特数进行量化。,将该结果代入(B)式，可得：,通过比较(A)式(C)式，所有的n下，有：,+,+,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,7,因为 选择 ，(零初始状态)，可得： 因此，要想得到 和 ，只须计算 的 累加值。 如果使用脉冲代替抽样值，则累加器将变为积 分器。, 简单形式-实现,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,8,简化的DPCM 系统模型为：,+,-,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,9,性能分析,抽样频率 信号频率 量化比特数,在DPCM（话音）传输系统中，通常采用4比特量化。因此： 典型的数据速率（话音）：,对于频率为 的正弦信号，有：,量化信噪比：,取决于,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,10,二、增量调制(M：Delta modulation),增量调制是简单的DPCM方案。 增量调制原理，如下图所示 ：,量化,编码,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,11,M系统,+,-,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,12,在设计增量调制系统时，步长是一个十分重要的参数。如果值很大，则调制器很快适应输入信号的快速变化，但同时在输入信号变化缓慢时会导致过分大的量化噪声。这种情况如下图所示：,量化台阶 ：,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,13,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,14,假定输入的正弦信号为：,故，斜率表示为,为避免（斜率）过载失真，我们选择步长为：,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,15,调制系统的性能,2）不同的信号（频率 fk ）分量性能有差异。,注意：,代价，传输速率（带宽）的增加,1） 系统性能随抽样频率呈3次方关系。,3）DPCM的特例：,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,16,如上所述，过大的步长会导致粒状噪声，而过小的步长则会导致斜率过载失真。,自适应M,自适应M的思想： 根据输入信号的变化（快慢）来改变步长。如果输入信号变化很快，则选择较大的步长，这样输出就能够很快地跟踪输入信号，因此不会导致斜率过载失真。当输入信号比较平坦时(变化较慢)，选择较小的步长值以防止粒状噪声的产生。,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,17,三、时分复用(TDM),时分复用: 多用户在时域上共享信道的通信方式。在TDM系统中，用户需周期性的占用公共信道的一小部分时隙，用来传输信息。如下图所示：,TDM：Time division multiplexing,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,18,N：共享信道的（时分）用户数。 ：每隔时间段 重新分配一个时隙给用户，称为帧周期。 （例，PCM系统的抽样间隔） ：时间槽( )，是一个时隙的时间长度， 即， 在给定的时间槽 处，用户 i 传输它相应的用户信息。,TDM的参数：,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,19,S1(t),S2(t),两路模拟信号的TDM示意图,Tf,tc,注意帧周期Tf： 即为抽样间隔,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,20,采用PCM调制的TDM系统的体系结构， 如下图所示：,目的是进行带宽限制，达到抗混叠滤波(即限制信号的最高频率) ，然后进行抽样。模拟抽样信号经过量化之后以数字方式在电话信道中传播。,输入低通滤波器(LPF),2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,21,轮换器(commutator)有两个双重功能： 以帧速率（1/Tf)N个输入信号进行持续抽样 在抽样时间间隔内等间隔的插入N个抽样值。 脉冲编码调制：在发端和收端都有，用于在电话线上传送数字 信息。 接收低通滤波器：用于信号重建的，即数字到模拟转化。 带宽扩展：,为单个用户的带宽,问题：BW1=？,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,22,TDM实际应用：,1）收发必须保证（时隙/帧）同步 需：统一的时钟信号,2）调制/解调器：任意数字调制方式,3）可与其他信道复用方式（如FDM）并用,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,23,四、数字音频传输和数字音频记录,电话传输系统中的数字音频信号 目前在电话信道中，几乎所有的语音信号传输都是数字的。且，基本上已经完成了由模拟传输向数字传输的转变。,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,24,模拟传输向数字传输的转换 语音信号：3003400 Hz 抽样速率： 典型比特速率为：64 kps （PCM ），32 kbps（DPCM）,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,25,公用电话系统的TDM 体系结构 通过PCM在电话线上传送数字语音，已经建立了一种适用于多用户的标准TDM体系结构。TDM体系的各级如下所示：,：24路数字用户经过时分复用形成一个1.544 Mb/s (24×64 kb/s 和一些用于控制的额外比特)的高速数据流。 ：4路DS-1信道复用成比特速率为6.312Mb/sec的DS-2信道。 ：7路DS-2信道组合成比特速率为=44.736 Mbps ：6路 DS-3信道组合成比特速率为=274.176 Mbps ：2 路DS-2信道组合成比特速率为=570.10 Mbps,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,26,DS-1 复用器,DS-2 复用器,DS-3 复用器,DS-4 复用器,DS-5 复用器,64 kbps /每路,1.544 Mbps /每路,6.312Mbps /每路,44.736 Mbps /每路,274.176 Mbps /每路,570.16 Mbps,其它DS-1,其它DS-2,其它DS-3,其它DS-4,单用户,单元楼,片区,街区,城区,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,27,数字音频录制,压缩磁盘 (CD)系统（1982年）： 20 Hz20 kHz 抽样频率44.1 kHz (2×20 kHz 保护间隔) L(左) R（右）信号：均匀 PCM量化抽样， 16 比特/抽样值 SQNR90 dB 信道编/译码：为防止信道误码 数字信号通过调制/解调器,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,28,A/D 转换,数字录音,信道编码,调制器,D/A 转换,抽样/内插,信道译码,解调器,L,R,L,R,复制,母盘,复制CD,激光刻录,“1”- 发激光 “0”- 不发激光,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,29,五、JPEG 图像编码标准,JPEG 是一种广泛应用于静态图像有损压缩的标准。 JPEG属于变换编码技术类，即，不是直接压缩信号(这里是图像)，而是压缩其变换后的信号的编码技术。,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,30,DCT Discrete Cosine Transform,对于N×N像素的图像，其像素（原始信号）排列为： 0m，nN-1， 该图像经DCT转换为：,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,31,高度的能量压缩特性。DCT的能量压缩特性使得只有一小部分变换系数是有意义的值，因而几乎所有的能量都包含于那些特殊的分量中。 变换快速算法的可实现性。,DCT的优点：,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,32,JPEG 编解码,DCT 转换 m×n 8×8 的子阵列 量化 尽管所有分量都采用均匀量化（且有相同的量化区间数256）方案进行量化。但是不同的均匀量化方案采用不同的步长（见表6.5）。量化过程后，量化过的DCT系数通过Z形抽样排列成一个矢量（见图6.38）。 熵编码 霍夫曼编码，是建立在对不同幅度指定不同码字的表上。,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,33,表 6.5 基于JPEG的（DCT下）图像压缩 （量化）的例子,（数据块 8×8=64 像数下，DCT变换后的量化步长分布图）,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,34,图 6.38 DCT变换后的图像（像素）的 Z-字形提取顺序示意图,DC,AC1,AC35,AC28,AC64,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,35,原始图像,FDCT,量化器,熵编码,压缩了的图像数据,重构的原始图像,熵译码,解量化器,IDCT,压缩了的图像数据,基于DCT的编码器,基于DCT的译码器,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,36,JPEG中的压缩和图像质量,上等偏上的图像质量： 0.2 0.5 比特/像素 高质量的图像： 0.5 0.75比特/像素 生成的图像几乎和原始图像没差别： 0.75 1.5比特/像素,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,37,掌握：,DPCM 系统的原理，性能 M系统的原理，过载失真的概念，性能 自适应 M系统的原理 TDM 概念 实用系统中的信源编码,2019/11/2,山东大学 曹叶文 教授,38,作业： 6.59,