通信原理(樊昌信)第10章信源编码课件.ppt

信 源 编 码第第1010章章 本章内容: 第第1010章章 信源编码信源编码 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 引引 言言n为什么要数字化？ 压缩编码； 模/数转换n信源编码的作用：波形编码和参量编码 nA/D转换（数字化编码）的技术： A/D 数字方式传输 D/An模拟信号数字化传输的三个环节： “抽样、量化 和 编码” n波形编码的三个步骤： PCM、DPCM、 M n波形编码的常用方法：6 6、7 7、8 8章章 模拟信号de抽样10.2 抽样定理抽样定理 - - 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n定理：n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/Tsn=0 理想抽样过程的波形波形和频谱频谱： 因此，抽样速率 必须满足： fsfH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=6fs 与 fL 关系例例3-1 3-1 对频率范围为对频率范围为30300Hz30300Hz的模拟信号进行线性的模拟信号进行线性PCMPCM编码1 1）求最低抽样频率）求最低抽样频率 ；（2 2）若量化电平数）若量化电平数M=64M=64，求，求PCMPCM信号的信息速率信号的信息速率 解解: : （1 1）由模拟信号的频率范围可知，该信号应作为低通信号）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：最低抽样频率为：（2 2）由量化电平数）由量化电平数L L可求出其编码位数可求出其编码位数n n，即：，即： 说明每次抽样的值将被编成说明每次抽样的值将被编成6 6位二进制数码，故该位二进制数码，故该PCMPCM信号信号的信息速率的信息速率R Rb b为：为： N = log2 M= log264 =6 模拟脉冲调制10.3 n 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波形和频谱频谱： 自然抽样与恢复原理框图原理框图：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。

特点：每个样值脉冲的顶部是平坦的m(t) 产生： 抽样 保持实际抽样 平顶抽样的PAMn=0 恢复：修正+低通滤波 模拟信号de量化10.4 西安电子科技大学西安电子科技大学 通信工程学院通信工程学院 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=q1qMmi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：n 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 ： n 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压大补小y= y= f f (x) (x) 对数特性对数特性提高小信号的量噪比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 1 . A 压缩律y11 2 2. . A 律 13 折 线对称输入对称输入1313折线压缩特性折线压缩特性 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 3 . 压缩律 及其 15 折线 15 折 线K1 =32 大大信号的量化性能比 A律 稍差小小信号的量噪比是 A律 的 2 倍 脉 冲 编 码 调 制10.5 西安电子科技大学西安电子科技大学 通信工程学院通信工程学院 Pulse Code Modulation, PCM 模拟信号数字化方式之一 10.5.1 PCM的基本原理 nPCM系统原理框图n模拟信号数字化过程 -“抽样、量化和编码”具有镜像特性特点：简化编码过程优点：误码对小电压的影响小表1010 4 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问题之一码型选择极性码极性码：表示样值的极性正编“1”，负编“0”段落码段落码：表示样值的幅度所处的段落段内码段内码：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 段内码段落序号段落码M2M3M4量化级段内码M5M6M7M8876543211 1 11 1 01 0 11 0 00 1 10 1 00 0 10 0 015141312111098765432101 1 1 11 1 1 01 1 0 11 1 0 01 0 1 11 0 1 0 1 0 0 11 0 0 00 1 1 10 1 1 00 1 0 10 1 0 00 0 1 10 0 1 00 0 0 10 0 0 0-归一化输入电压的最小量化单位之三之三，确定样值所在的段落和量化级(幅值)各折线段落12345678各段落长度()161632641282565121024各段落起点电平()01632641282565121024各段内均匀量化级长()11248163264斜率161684211/21/4起始电平和量化间隔每来一个样值脉冲就送出一个PCM码组10.5.3 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，以便确定下一次的标准电流值 Iw7/11变换：将 7 位非线性非线性码转换成 11位线性线性码，以便恒流源产生所需的标准电流 Iwn 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n 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 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。

例 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= 111（第段）= 0011即IW4IW5IW6IW7起始 1024 V8 =641270解例1270由上例可知，编码电平 ：IC=1216因此，译码电平：I ID D = 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？详见详见1010.6.6节节 nPCM 信号的比特率和带宽10.5.4 PCM系统中噪声的影响PCM 系 统 输 出：n 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)n 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n 问题引出 PCM 需用 64kb/s 的比特率传输 1 路 数字信号，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n 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 n 方法之一 预测编码n 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。