粟向军通信原理课件——第6章_信源编码

第6章 信源编码 学习要点： 语音波形编码中的PCM、DPCM、增 量调制等的基本原理与性能比较 图像编码的基本方法,时分复用技术和 数字复接技术等 清华大学出版社 第6章 信源编码 第6章 信源编码 6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 语音的波形编码语音的波形编码 6.3 6.3 图像编码图像编码 6.4 6.4 时分复用时分复用TDMTDM和数字复接和数字复接 清华大学出版社 第6章 信源编码 6.1 6.1 概述概述 6.1.1 6.1.1 信源编码的基本概念信源编码的基本概念 6.1.2 6.1.2 信源编码的技术类型信源编码的技术类型 清华大学出版社 第6章 信源编码 6.1 6.1 概述概述 6.1.1 6.1.1 信源编码的基本概念信源编码的基本概念 6.1.2 6.1.2 信源编码的技术类型信源编码的技术类型 清华大学出版社 第6章 信源编码 清华大学出版社 第6章 信源编码 1.含义： 对模拟信源输出的模拟信号进行数字化即A/D转换， 对数字信源输出数据进行压缩以减少数字信息中的冗余度即去冗余度。 2.作用： 设法减少码元数目和降低码元速率，即通常把说的数据压缩 将信源的模拟信号转化成数字信号，实现模拟信号的数字化传输。 3.基本途径： 使序列中的各个符号尽可能地互相独立-解除相关性 使序列中各个符号的出现概率尽可能地相等-概率均匀化 6.1.1信源编码的基本概念 4.分类： (1) 二元码 若码符号集为X0，1，所得码字都是二元序列。 (2) 等长码(或称固定长度码) 若一组码中所有码字的码长都相同，即li=l(i1，2，q) (3) 变长码 若一组码中所有码字的码长各不相同， 即任意码字由不同长度li的码符号序列组成 (4) 非奇异码 若一组码中所有码字都不相同， 即所有信源符号映射到不同的码符号序列 第6章 信源编码 清华大学出版社 (5) 奇异码 若一组码中有相同的码字，则称码为奇异码。 (6) 同价码 码符号集X:x1, x2,xr中每个码符号xi所占的传输时间都相同 (7) 码的N次扩展码 假定某码C，它把信源S中的符号si一一变换成码C中的码字Wi， 则码C的N次扩展码是所有N个码字组成的码字序列的集合。 (8) 惟一可译码 码的任意一串有限长的码符号序列只能被惟一地译成所对应的信源符号序列 否则，就称为非惟一可译码或非单义可译码。 第6章 信源编码 清华大学出版社 第6章 信源编码 清华大学出版社 6.1.2 6.1.2 信源编码的技术类型信源编码的技术类型 1.统计编码 2.预测编码 3.变换编码 4.识别编码 6.2 6.2 语音的波形编码语音的波形编码 6.2.1 6.2.1 脉冲编码调制脉冲编码调制PCMPCM 6.2.2 6.2.2 差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制DPCMDPCM 6.2.3 6.2.3 增量调制增量调制 第6章 信源编码 清华大学出版社 6.2.1 6.2.1 脉冲编码调制脉冲编码调制PCMPCM 第6章 信源编码 清华大学出版社 一、抽样 1低通抽样定理 定义： 在一个频带限制在(0，fm)内的时间连续信号f(t)，如果以 1/2fm的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能 完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号f(t)的频谱中 最高频率不超过fm，当抽样频率fs2fm时，抽样后的信号就 包含原连续的全部信息。 第6章 信源编码 清华大学出版社 证明： 第6章 信源编码 清华大学出版社 第6章 信源编码 清华大学出版社 ， 则 该式表明： 任何一个有限频带的信号可以展开成以抽样函数为基本信号的无穷级数， 级数中各分量的相应系数就是原信号在相应抽样时刻的抽样值， 也就是说，任何一个带限的连续信号完全可以用其抽样值来表示。 第6章 信源编码 清华大学出版社 第6章 信源编码 清华大学出版社 【例6-1】 在语音信号的数字化过程中，抽样速率应选多大为合适？ 解： 一般语音信号的最高频率为3400HZ，按抽样定理可知： 抽样速率应选取为 最高频率的两倍即2*3400HZ=6800Hz 而实际当中我们会选取略大于2倍的频率， 所以在PCM系统中，我们选取的抽样频率为8000Hz。 第6章 信源编码 清华大学出版社 2脉冲振幅调制PAM 第6章 信源编码 清华大学出版社 二、量化 量化是指幅度的离散化 利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程就称为量化 。即用一组规定的电平值，将瞬时抽样值用最接近的电平值来表 示。 第6章 信源编码 清华大学出版社 量化前后模拟信号电平会有误差，而接收端解码后只能还原出量化值， 即等于在原模拟信号上叠加一个误差，这误差是随机的， 对信号的影响就相当于噪声，就称为量化噪声。 即取样值与量化电平的差称为量化误差， 由量化误差所引起的噪声称为量化噪声 第6章 信源编码 清华大学出版社 1均匀量化 均匀量化指量化间隔相等的量化。它把量化区等分成L个区间。设量化间隔等于 ， 在分层电平数 L远大于1情况下，最佳的量化电平为分层电平的中点。 因此，量化误差e(t)分布在 之间 第6章 信源编码 清华大学出版社 【例6-2】 设m(t)为一正弦信号m(t)= 试求其经过量化器后的信噪比。 解：信号平均功率 量化噪声的平均功率 第6章 信源编码 清华大学出版社 可以看出： 对给定输入电平，编码比特数n每增加1位，信噪比增加6dB； 对给定的n,在输入信号不过载的情况下，无论信号大小，可知 ，噪声功率都是一样的，而大信号的信号功率大，则信噪比大，小 信号的信号功率小，则信噪比低。 量化器的动态范围： 的取值范围， 即达到一定信噪比要求时允许的输入信号的变化范围 第6章 信源编码 清华大学出版社 【例6-3】 电话传输标准中要求在信号动态范围大于40dB的条件下信噪比不 低于26dB，若要达到这一要求，对编码的位数有何要求？ 解： 即最少需要编11位码。 可以看出：越宽的动态范围，要求编码位数越多，也就是编码速率越 高，结果导致信号带宽的增加 第6章 信源编码 清华大学出版社 2非均匀量化 量化间隔不相等的量化称为非均匀量化 第6章 信源编码 清华大学出版社 (1) A律压缩特性 (2) (2) 律压缩特性 第6章 信源编码 清华大学出版社 第6章 信源编码 清华大学出版社 (3) 数字压扩技术 第6章 信源编码 清华大学出版社 A折 线段 12345678 斜 率 161684211/21/4 X0 1/12 8 1/641/321/161/81/41/21 Y01/82/83/84/85/86/87/81 F(x)01/8 1 91/8 2 92/8 3 94/8 4 94/8 5 97/8 6 97/8 1 第6章 信源编码 清华大学出版社 三、编码和译码 1. 编码 极性码 段落码 段内码 (1) 信号样值的正负极性用一位码表示，即 ，通常正极性用1表示，负极 性用0表示。所以称为极性码。 (3) 对每一段我们(2) A律13折线将X轴正半部分分成了8段，第1到第8段 分别为：(0，1/128)，(1/128，1/64)，(1/64，1/32)，(1/32，1/16)， (1/16，1/8)，(1/8，1/4)，(1/4，1/2)，(1/2，1)各段长度不同，第1、 2段最短，只有1/128，第8段最长，为1/2。 又进行了16等分，即把8段的每一段又分成了16小段，为了表示抽样值 落在这16小段中的哪一小段,需要有4位编码来表示 第6章 信源编码 清华大学出版社 每一段16等分后，不同段的每一小段的量化间隔是不相同的，如第一 段和第二段长度为1/128，则16等分后，量化间隔为 第8段长度为1/2，则16等分后，其量化间隔为1/32，显然，第一、二 段的量化间隔是最小的，我们以这最小的量化间隔1/2048作为一个最 小的均匀量化级，用 来表示，则在1-8段落内的每一小段的量化间 隔应为1 、1 、2 、4 、8 、16 、32 、64 ， 、 第6章 信源编码 清华大学出版社 【例6-4】 设输入信号为5V，现有样点值3.6V，采用13折线量化，以 为单位 求其量化电平？ 。 解：首先求其归一化值：3.6/5=0.75 归一化值0.75对应0.75*2048 =1585 则显然应落入第八段，第八段起始电平1024 ，量化间隔64 。 则1585 应落入的小段数为： 即落入第9小段 所以对应的量化电平应为： 量化误差为 第6章 信源编码 清华大学出版社 【例6-5】 设码组的8位码为了11100100，求该码组对应的量化电平 是多少？ 解：极性码 =1， =1， 则样值为正极性 段落码 = =110 落在第七段 起始电平为 512 = =0100则落在第五小段， 小段量化间隔为32 小段内起始电平 所以量化电平应为 。 第6章 信源编码 清华大学出版社 逐次比较型编码器： 第6章 信源编码 清华大学出版社 【例6-6】 设有归一化样值 =+364求对其编码后的码字 解：编码过程如下： (1) 极性码编码 因为极性为正，所以 (2) 段落码编码 第一次比较第一次比较 =128 ,因为 =+364 >128 ,所以比较器输出 样值落在8段落中的后4段即5、6、7、8段。第二次比较时 应为该4段的中 间值即第7段的超始电平 =512 ，此时 =+364 256 ，比较器输出 于是得到段落码 =101，可知落在第六段 = ， ， 。 第6章 信源编码 清华大学出版社 (3) 段内码编码 同上方法确定样值落在第六段的哪一个量化间隔，第六段量化 间隔16 ,经过四次比较即段内码第一位码的编码，此时本地译 码器输出参考电平等于段落中间电平 第5次比较参考电平为前半段的中间电平 第6次比较，参考电平为 第7次比较，参考电平为 段内码为：0111。 最后得到输出码字为11010111。 第6章 信源编码 清华大学出版社 2译码 加权网络型译码器 第6章 信源编码 清华大学出版社 6.2.2 差分脉冲编码调制DPCM 1DPCM基本原理 第6章 信源编码 清华大学出版社 2自适应差分脉冲编码调制ADPCM 自适应量化取代固定量化：利用自适应的思想改变量化阶的大小 ，即使用小的量化阶(step-size)去编码小的差值，使用大的量化阶 去编码大的差值, 适应预测取代固定预测：即预测系数ai 可以随着信号的统计特性 而进行自适应的调整，提高了预测信号的精度。 第6章 信源编码 清华大学出版社 6.2.3 增量调制( ) ) 1. 增量调制原理 第6章 信源编码 清华大学出版社 第6章 信源编码 清华大学出版社 2. 量化噪声 在增量调制中量化误差产生的噪声主要有两种：一般量化噪声(颗粒 噪声)和斜率过载噪声。 第6章 信源编码 清华大学出版社 斜率过载:增量调制系统的质量主要取决于所选的两个参数 和 Ts ，当 较大或者Ts 比较小，阶梯波的变化速度跟不上信号的变化 时，就会偏离模拟信号，这样的失真称为斜率过载 此时会产生比较大的噪声称为过载噪声 避免产生过载的条件:最大斜率满足: 设输入正弦信号，m(t)=Asin t 它的最大斜率为A 则不发生斜率过载的条件为 则不