北邮通信原理课件a-10信源编码

第十章 信源编编 码码 抽样样 量化 脉冲编码调编码调 制（PCM） 增量调调制 时时分复用TDM *语语音和图图象的压缩编压缩编 码码 *数字数据压缩编码压缩编码 引言 信源编 码 模拟信号数字化 抽样量化编码 信源压缩 无损压缩 通过编码 改变符号出现的概率和减 少相关性 有损压缩 目标 以最少的码元传输（存贮）信源中的信息量，并 保证失真在允许范围内 模拟拟信号的数字传传 输输 抽样信 号 抽样信号 量化信号 011011011100100100100 编码 信 号 模 拟 源 m(t) sk 抽 样 量化 编 码 数字编 码信 道 sk 译 码 滤 波 m(t) 低通 3.74 3.33 抽样间样间 隔 ？ 量化规则规则 ？ 编码编码 位数 ？ 10.1 抽 样样 一、理想抽样样 二、自然抽样样（曲顶顶抽样样，脉冲振幅调调 制 PAM） 三、平顶顶抽样样（瞬时时抽样样）四、实际实际抽样样 模型 一、理想抽 样样 1. 低通抽样样定理 一个频频带带限制在（0，fH）Hz内的时时间连间连 续续的 信号m(t)，如果以1/2fH 秒的间间隔对对它进进行等间间 隔抽样样，则则m(t)将被所得到的抽样值样值 完全确定 。 模拟信 号 s(t) 模拟信号的抽 样 理想抽样样(续续 ) 2.意义义 连续连续 信号的无限样值样值 可以由有限个样值样值 确定， 并 能精确恢复，以便实现实现 数字化传输传输 和时时分复用 最低抽样样速率2fH称为为奈奎斯特速率。与此相 应应的抽样样时时间间间间隔称为为奈奎斯特间间隔。 模拟信号 s(t) 模拟信号的抽 样 理想抽样样(续续 ) 3.证证 明 T(t) ms (t) m(t) T (t) m(t)ms(t) LPF H() m(t) (| w | wH ) H (w) T TT M (w)* w ss sssws 1 22 1 (w 2 ) M (w nw ) (w nw ) M (w) 1 M (w)*(w) n n m'(t) m(t) M '(w) Ms (w)H (w) M (w), 理想抽样样(续续 ) m(t) t M( ) T (t) t T ( ) 2 t s m (t) (a) H O H (b) (c) T (d) Ms( ) (e) 抽样过程的时间函数及对应频谱 图 H O H 2 T (f ) 理想抽样样(续续 ) m(t)m(t)的抽 样 (n 2T) s (n 1T) s nTs(n 1T) s t 信号重建 M '(w) Ms (w)H (w) M (w) m'(t) ms (t)*h(t) ms (t)* Sa(wH t) n n s m (t) m (t nT ) n m'(t) mn Sa(wH t n ) 理想抽样样(续续 ) O Ms() 2 T 当fs 2fH时时，用一个截止频频率为为fH的理想低 通滤滤波器能够够从抽样样信号中分离出原信号。 否则则混叠失真 理想抽样样(续续 ) 4.带带通抽样样定 理 带带通型信号m(t)，频带频带 范围围 fL , fH，带宽带宽 B = fH fL ，设设fH = (n + k)B (0kB时时，fs 2B。 fs最小抽样样频频率，并不意味着用任何大于该值该值 的 频频率抽样样都能保证证频谱频谱 不混叠 一般，当 fL B时时，被看作为为低通信号，例如模拟拟 话话音信号（3003400Hz） f 0-fH-fLfLfH 例题 60路载波信号，频带 范围为312552KHz ，求最低抽样速率，并画出抽样信号的频 谱示意图。 解： 利用fH = (n + k)B ，得到n=2, k=0.3 fs = (1 + k/n ) 2B=552KHz 理想抽样样(续续 ) 5.条件 定理条件 条件不满满足时时 的 问题问题 解决办办 法 m(t) 严严格限 制频带频带 混叠失真先限带带，再抽 样样 理想低通接收内插噪声 以小于1/2fH 秒的间间 隔抽样样 理想冲激串抽 样样 难实难实 现现 窄脉冲抽 样样 t ms(t) Ms() HO H 2 T 二、自然抽样样（曲顶顶抽样样，脉冲振幅调调 制 PAM） 1.图图解 m(t)ms(t) LPF H() m(t) (| w | wH ) H (w) T A ) 2 M (w nws )Sa( n 1n ws A M s (w) 2 M (w) S(w) T s(t) ms (t) m(t) s(t) 自然抽样样(续续 ) 自然抽样的PAM波形及频 谱 t (a) -HO H M() m(t) s(t) A Tt (b) |S()| 2 - 2 t ms(t) 2 - 2 (c) 2 O 2- - TT |Ms()| TT (d) - 2 O- 2 自然抽样样(续续 ) n ) 2 M (w nws )Sa( 1n ws A M s (w) 2 M (w) S(w) T 曲顶顶，不利于编码编码 ，要求平顶顶 窄脉冲时时，衰减大，抗噪性能差，要求 脉冲加宽宽 t 2.问题问题 ms(t) |Ms()| 2 - 2 - 2 O- 2 TT 三、平顶顶抽样样（瞬时时抽样样 ） n sH n ss T M (w nw )H (w) M (w) 1 M (w nw ) 1 T M (w) m(t)Ms() 脉冲加宽 H() T(t) MH(w)均衡 1/H() Ms() LPF M() 由于脉冲加宽，造成MH(w)谱块失真，称孔径效应应 。通过均衡接收解决，均衡器与LPF可以合并。 mq(t) O T t 四、实实际际抽样样模 型 T( t) m(t)Ms()脉冲加宽 H() MH(w)均衡低通滤波 T/H() LPF M() 1.对对原始信号低通限 带带 2.平顶顶抽样样 3.均衡滤滤波接收 随机信号抽 样样 对于宽平稳的随机信号，当信号功率谱 密度的频带 限于fH内时，以不大于1/2 fH 的间隔均匀抽样，可得到随机样值 序列 。 该随机样值 序列通过一个截止频率为fH 的低通滤波器，输出的随机信号与原随 机信号的均方差在统计 平均意义下为0。 即：抽样定理也适用于随机信号 10.2 量化 一、量化器模型 二、均匀量化三 、非均匀量化 抽 样 m(t) 量化编 码 信道 译 码 低通 滤 波 ms(t) A / D变化 m q(t) m(t) q m (t) 干 扰 量化编编码码过过 程 7 5 3 1 0 2.22 4.385.24 2.91 量化电 平数 M 8 Ts t 2.224.385.242.91 2453 精确抽样值 量化值 O 010100101011 t t O PCM 码组 单 极性传输 码 双极性传输 码 时 隙 量化 量化利用预预先规规定的有限个电电平 来表示模拟拟抽样样值值的过过程。 将抽样值样值 的取值值离散化，便于利用数 字传传输输系统传统传 输输，消减加性噪声的影 响。 量化噪声量化过过程中的近似，也会 带带来误误差，称量化误误差或量化噪声 一、量化器模型 m 量 化 器 m q 量化范围围 a , b 量化电电平数（量化级级） Mi = 1, 2, , M量化区间终间终点 mi 量化电电平 qi量化阶阶矩 i样样 值值序列 m 量化序列 mq 量化误误差序列 eq，eq = m - mq 量化器模型（续续 ） 信号的实际值 信号的量化值 m6 q6 m5 q5 m4 q4 m3 q3 m2 q2 Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts mq(t) 量化误差 m(t) mq(6Ts) m(6Ts) t m1 q1 a b q7 量化范围围 a , b 量化电电平数 （量化级级）M量 化区间终间终 点 mi i = 1, 2, , M 量化电电平 qi量化阶阶 矩 i样值样值 序列 m 量化序列 mq 量化误误差序列 eq， eq = m - mq 量化器模型（续续 ） m 量化器 q m 信号量噪比 qq Ee2 Em2 N S o 设m(t)为均值为0，概率密度函数为f(m)的平稳 随机过程，则 m i b a qq b a o i N S 2 2 mi 1 M (m q ) 2 f (m)dm i 1 (m m)f (m)dm m f (m)dm 二、均匀量化 M i1.所有量化阶阶矩都相同。 b a 2.各个量化电电平值值取各量化区间间的中点 。 2 m ) / 2 a i q (m ii 1 i 3.误误差 eq 分布在 (-/2 , /2 ) 之间间 ，一般为为均匀分布。 0 其他 2 q eq 1 f (e ) 12 2 2 qq N Ee 均匀量化（续续 ） 信号的实际值 信号的量化值 量化误 差 m6 q6 m5 q5 m4 q4 m3 q3 m2 q2 Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts mq(t) m(t) mq(6Ts) m(6Ts) t m1 q1 a b q7 均匀量化(续续 ) 均匀量化特性及 量化误误差曲 线线 mq 3.5 2.5 1.5 0.5 1.5 2.5 3.5 m 4 3 2 1 1234 (a) 0.5 0.5 q m 量化区 (b) 0 0.5 过载 区 过载 区 均匀量化(续续 ) N dB q ( S o N q S o 3122a 1 M 2 a 2 2 ) 20 log M 6n 2 2n M 2 So Em mdm 22 例1：输输入信号 m(t) 在(-a, a)间间均匀分布 ，采用n位二进进制编码编码 。求信号量噪比。 a a 结论 ： 每增加一位编码，信噪比提高6dB 。 均匀量化(续续 ) 例2：输输入信号 m(t) = Amcosmt ，量化范围围 -V , +V （AmIw时时，输输出“1； Is=2fH, 4fs=RB, fH 量化误误差(续续 ) 2.过载过载 失真 当信号变变化很快，量化阶阶矩的大小 跟不上信号的变变化时时，会形成失真 较较大的m (t) ，同时时，量化误误差也很大 。 为为防止过载过载 失真，要求信号m(t)的最 大 斜率 一般，M的抽样样速率要比PCM的抽 样样速率高许许多.典型值值为为16kHz或 32kHz s dt f max dm(t) 量化误误差(续续 ) (a) 一般量化误差； (b) 过载量化误 差 m(t) m(t) eq(t) (a) m(t) m(t) t t (b) eq(t) 三、抗噪性能 1.量化信噪比 2.误码误码 信噪比 一比特误码误码 造成的误误差为为 2 s q f m N 3f 2 四、自适应应增量调调 制 根据信号变变化情况，自动动调调节节值值。连连码码 较较多时时，加大值值；连连码码