數(shù)字通信(桑林)

北京郵電大學(xué)出版社 第2章信源編碼 第1章緒論 第3章數(shù)字復(fù)接技術(shù) 第4章數(shù)字傳輸技術(shù) 數(shù)字通信 北京郵電大學(xué)出版社課件系列 第5章同步技術(shù) 第6章多址技術(shù)與蜂窩技術(shù) 走信息路讀北郵書 第7章差錯(cuò)控制編碼 第1章緒論 1 1通信的基本概念一般地說(shuō) 通信 communication 是指由一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞 通信傳輸?shù)南⒕哂胁煌男问?如 符號(hào) 文字 語(yǔ)聲 音樂(lè) 數(shù)據(jù) 圖像等等 根據(jù)消息的不同形式 通信業(yè)務(wù)的不同種類 傳輸所用的不同信道 可將通信分成許多類 較常用的分類方法如下 按傳輸媒質(zhì)分按信道中所傳信號(hào)的不同分按工作頻段分按調(diào)制方式分按業(yè)務(wù)的不同分按收發(fā)者是否運(yùn)動(dòng)分 1 2通信系統(tǒng)的組成 通信的任務(wù)是完成消息的傳遞和交換 以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信為例 可以看出要實(shí)現(xiàn)消息從一端向另一端的傳遞 必須有五部分 信息源 發(fā)送設(shè)備 信道 接收設(shè)備 受信者 通信系統(tǒng)的模型 1 2 1模擬通信系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng)是指信道中傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng)的組成方框圖 通常也稱為模型 模擬通信系統(tǒng) 主要包含了兩種重要變換 一種是把連續(xù)消息變換成電信號(hào) 由發(fā)端信息源完成 及把電信號(hào)恢復(fù)成最初的連續(xù)消息 由收端受信者完成 第二種變換 將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成其頻帶適合信道傳播的信號(hào) 這一變換由調(diào)制器完成 在收端同樣需經(jīng)相反的變換 將信道中傳播的信號(hào)恢復(fù)成最初的連續(xù)信號(hào) 這一過(guò)程由解調(diào)器完成 模擬通信系統(tǒng)的模型 1 2 2數(shù)字通信系統(tǒng) 利用數(shù)字信號(hào)傳輸信息的系統(tǒng) 稱為數(shù)字通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)可進(jìn)一步分為數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng) 數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng) 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)的模型 數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)模型 通常把有調(diào)制器 解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng) 1 2 3數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點(diǎn) 從通信的發(fā)展趨勢(shì)看 現(xiàn)代通信必須以數(shù)字通信為主 數(shù)字通信較之模擬通信有如下特點(diǎn) 抗干擾 抗噪聲性能好差錯(cuò)可控易加密易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合 1 3現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的概況 1 3 1通信發(fā)展簡(jiǎn)史通信的歷史可追溯到17世紀(jì)初期從研究電 磁的現(xiàn)象開(kāi)始 到19世紀(jì)40年代通信理論基礎(chǔ)準(zhǔn)備階段 通信從19世紀(jì)40年代才進(jìn)入實(shí)用階段 1838莫爾斯發(fā)明有線電報(bào)通信1864麥克斯韋爾發(fā)表電磁場(chǎng)理論1876貝爾發(fā)明電話 利用電磁感應(yīng)原理 1887赫茲做電磁輻射實(shí)驗(yàn)成功1896馬可尼實(shí)現(xiàn)橫貫大西洋的無(wú)線電通信1906非雷斯特發(fā)明真空三極管1918調(diào)幅無(wú)線電廣播 超外差接收機(jī)問(wèn)世1925多路通信和載波電話問(wèn)世 1936英國(guó)廣播公司開(kāi)始進(jìn)行商用電視廣播1938發(fā)明脈沖編碼調(diào)制原理1940 1945雷達(dá) 微波通信線路研制成功1948出現(xiàn)了晶體管 仙農(nóng)提出了信息論1950時(shí)分多路通信用于電話1950 1960第一個(gè)通信衛(wèi)星發(fā)射 同時(shí)研制成功激光器1962開(kāi)始了實(shí)用衛(wèi)星通信的時(shí)代1969從月球發(fā)回第一個(gè)話音消息及電視圖像1960 1970出現(xiàn)了電纜電視 激光通信 雷達(dá) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字技術(shù) 光電處理等1970 1980大規(guī)模集成電路 商用衛(wèi)星通信 程控?cái)?shù)字交換機(jī) 光纖通信 微處理機(jī)等迅猛發(fā)展1980 1990超大規(guī)模集成電路 移動(dòng)通信 光纖通信廣泛應(yīng)用 綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)崛起1990 衛(wèi)星通信 移動(dòng)通信 光纖通信進(jìn)一步飛速發(fā)展 高清晰彩色數(shù)字電視技術(shù)不斷成熟 全球定位系統(tǒng) GPS 得到廣泛應(yīng)用 1 3 2通信技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)字化 大容量 遠(yuǎn)距離 高效率 多信源以及保密性 可靠性 智能化等已成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 1 4數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 1 4 1一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面 1 有效性 指信道資源的利用效率 即系統(tǒng)中單位頻帶傳輸消息的 速率 問(wèn)題 2 可靠性 指通信系統(tǒng)傳輸消息的 質(zhì)量 問(wèn)題 即好壞問(wèn)題 3 適應(yīng)性 指通信系統(tǒng)使用時(shí)的環(huán)境條件 4 經(jīng)濟(jì)性 指分?jǐn)偟矫恳粋€(gè)用戶的成本 5 保密性 指系統(tǒng)對(duì)所傳信號(hào)的加密措施 6 標(biāo)準(zhǔn)性 指系統(tǒng)的接口 各種結(jié)構(gòu)及協(xié)議是否合乎國(guó)家 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 7 維護(hù)性 指系統(tǒng)是否維修方便 8 工藝性 指通信系統(tǒng)各種工藝要求 1 4 2數(shù)字通信系統(tǒng)有效性指標(biāo)的具體表述 1 碼元傳輸效率 B Hz 碼元傳輸速率通常又可稱為碼元速率 數(shù)碼率 傳碼率 信號(hào)速率或波形速率 用符號(hào) RB 來(lái)表示 碼元速率是指單位時(shí)間 每秒鐘 內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目 單位為波特 Baud 常用符號(hào) B 表示 注意 不能用小寫 例如 某系統(tǒng)在4s內(nèi)共傳送4800個(gè)碼元 則系統(tǒng)的傳碼率為1200B 數(shù)字信號(hào)一般有二進(jìn)制與多進(jìn)制之分 但碼元速率RB與信號(hào)的進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān) 只與碼元寬度T有關(guān) RB 1 T B 通常在給出系統(tǒng)碼元速率時(shí) 有必要說(shuō)明碼元的進(jìn)制 多進(jìn)制 N 碼元速率RBN與二進(jìn)制碼元速率RB2之間 在保證系統(tǒng)信息速率不變的情況下 相互可轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換關(guān)系式為RB2 RBNlog2N B N應(yīng)為2k k 2 3 4 2 信息傳輸效率 bit Hz s 信息傳輸速率簡(jiǎn)稱信息速率 又可稱為傳信率 比特率等 信息傳輸速率用符號(hào)Rb表示 Rb是指單位時(shí)間 每秒鐘 內(nèi)傳送的信息量 單位為bit s 比特 秒 簡(jiǎn)記為b s或bps 碼元傳輸速率和信息傳輸速率具有不同的定義 不能混淆 對(duì)二進(jìn)制來(lái)說(shuō) 每個(gè)碼元含有的信息量為1bit 因此 二進(jìn)制的碼元傳輸速率和信息傳輸速率在數(shù)值上是相等的 但單位不同 對(duì)于N進(jìn)制來(lái)說(shuō) 每一碼元所含的信息量為log2Nbit 如果碼元傳輸速率為RBNB 則對(duì)應(yīng)的信息傳輸速率Rb為Rb RBNlog2N bit s 碼元傳輸速率與信息傳輸速率之間有確定的關(guān)系 由上式給出 同理 信息傳輸效率用單位頻帶內(nèi)系統(tǒng)允許的最大傳信率來(lái)衡量 即信息傳輸速率 系統(tǒng)頻帶寬度 bit Hz s 3 消息傳輸速率單位時(shí)間內(nèi)從信源發(fā)出的消息數(shù)稱為消息傳輸速率 又稱消息率 用符號(hào)Rm表示 單位是比特 秒 bit s 因消息的衡量單位不同 所以有各種不同的含義 例如 當(dāng)消息的單位是碼字 字節(jié) 時(shí) 其單位是碼字 秒或字節(jié) 秒 消息傳輸速率與信息傳輸速率的關(guān)系是 Rm aRb bit s 1 4 3數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的具體表述 1 碼元差錯(cuò)率碼元差錯(cuò)率用符號(hào)Pe表示 簡(jiǎn)稱誤碼率 它是指接收錯(cuò)誤的碼元數(shù)在傳送總碼元數(shù)中所占的比例 更確切地說(shuō) 誤碼率是指碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率 碼元差錯(cuò)率用表達(dá)式可表示成Pe lim接收的錯(cuò)誤碼元數(shù)nN 接收的總碼元數(shù)N 2 比特差錯(cuò)率比特差錯(cuò)率用符號(hào)Peb表示 簡(jiǎn)稱誤比特率 或誤信率 它是指接收錯(cuò)誤的信息量在傳送信息總量中所占的比例 確切地說(shuō) 它是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率 比特差錯(cuò)率用表達(dá)式可表示成Peb lim系統(tǒng)傳輸中出錯(cuò) 丟失 的比特?cái)?shù) 信息量 nN 系統(tǒng)傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù) 總信息量 N3 碼組差錯(cuò)率碼組差錯(cuò)率用符號(hào)PW表示 它是指在傳輸?shù)拇a組 碼字 中發(fā)生差錯(cuò)的碼組的概率 簡(jiǎn)稱誤組率 上述指標(biāo)中 誤比特率是最常用的指標(biāo) 在數(shù)字電話傳輸系統(tǒng)中一般要求不大于10 5 而傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí) 一般要求不大于10 9 第2章信源編碼 2 1模擬信號(hào)的數(shù)字化 模擬信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程可以分為抽樣 量化和編碼三個(gè)階段 數(shù)字化的第一步是在時(shí)間上對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散處理 即將時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變換成時(shí)間上離散的信號(hào) 這一過(guò)程稱之為抽樣 抽樣后的信號(hào)序列幅度仍然是連續(xù)變化的 通過(guò)量化可以將幅度連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度離散的信號(hào) 即用某個(gè)特定的量化電平值代替原始信號(hào)幅度 編碼則是用一組特定的代碼來(lái)代表每個(gè)量化電平值 2 1 1抽樣 1 抽樣的定義和實(shí)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)f t 在時(shí)間上離散化的抽樣過(guò)程如圖所示 如果通過(guò)某種處理 只取出信號(hào)f t 在各離散時(shí)刻t0 t1 t2 tn對(duì)應(yīng)的數(shù)值f t0 f t1 f t2 f tn 就得到了時(shí)間離散信號(hào)fs t 這個(gè)由信號(hào)f t 轉(zhuǎn)換成信號(hào)fs t 的過(guò)程就是抽樣 下圖所示的一個(gè)相乘器模型來(lái)代表這種抽樣處理過(guò)程 輸出的樣值信號(hào)fs t 可以表示為原始信號(hào)f t 和一個(gè)周期性的抽樣脈沖STs t 相乘之積 即fs t f t STs t 2 抽樣定理抽樣定理的具體描述如下 設(shè)時(shí)間連續(xù)的低通信號(hào)f t 的最高截止頻率為fm 如果用時(shí)間間隔為Ts 1 2fm 的開(kāi)關(guān)信號(hào)對(duì)f t 進(jìn)行抽樣 則f t 可被樣值序列fs t 唯一地表示 或者說(shuō) 要從樣值序列fs t 中無(wú)失真地恢復(fù)原時(shí)間連續(xù)信號(hào) 其抽樣頻率應(yīng)滿足fs 1 Ts 2fm抽樣定理的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 2 1 2量化理論 1 標(biāo)量量化對(duì)每個(gè)離散時(shí)間樣值分別進(jìn)行量化的處理過(guò)程稱為標(biāo)量量化 或一維量化 量化的方法是將樣值的最大變化范圍劃分成若干個(gè)相鄰的段落 當(dāng)樣值落在某一段落內(nèi)時(shí) 其輸出值就用該段落所對(duì)應(yīng)的某一固定值來(lái)表示 從數(shù)學(xué)角度看 這實(shí)際上是把一個(gè)取連續(xù)值的無(wú)限集合 x 通過(guò)變換Q映射到一個(gè)只有L個(gè)離散值的集合上 其中k 1 1 L 如圖所示 當(dāng)量化器Q的輸入x屬于區(qū)間 xk xk 1 時(shí) 量化器的輸出為yk 即其中 xk稱為量化區(qū)間的分層電平 稱為量化間隔 yk稱為量化電平 L為量化級(jí)數(shù) 每個(gè)樣值量化所需的比特?cái)?shù)為 標(biāo)量量化器 量化后的離散信號(hào)與原始模擬信號(hào)之間的差別用量化誤差或量化噪聲表示 它是量化器最重要的物理量之一 其定義為對(duì)于確定的輸入信號(hào)x 量化噪聲q也是一個(gè)確定的函數(shù) 但是對(duì)于語(yǔ)音 圖像之類的非確定隨機(jī)信號(hào)源 q是一個(gè)隨機(jī)變量 我們只能描述出它的統(tǒng)計(jì)特性 如果設(shè)輸入信號(hào)x的概率密度函數(shù)為p x 可求出量化噪聲的方差 即功率為如果整個(gè)積分區(qū)域被劃分成L個(gè)量化間隔 上式變?yōu)?衡量量化器輸入輸出信號(hào)近似程度的性能指標(biāo)是量化信噪比 即量化器的輸出信號(hào)功率與量化噪聲功率之比 1 均勻量化器均勻量化也稱線性量化 即整個(gè)量化區(qū)域上的各個(gè)量化間隔均相等 設(shè)量化器的量化范圍為 v v 在均勻量化情況下 量化級(jí)數(shù)與量化間隔的關(guān)系為 2 最佳量化器實(shí)際信源的概率密度特性通常都是非均勻分布的 采用均勻量化器往往得不到理想的量化效果 采用量化特性與信源的概率密度函數(shù)相匹配的非均勻量化器 可降低量化噪聲 原則上來(lái)說(shuō) 就是在信源概率密度p x 相對(duì)較高的區(qū)域選擇較小的量化間隔 而在p x 相對(duì)較低的區(qū)域選擇較大的量化間隔 以降低總的噪聲水平 在給定信源的概率密度分布條件下 根據(jù)使式 2 1 8 給出的最小的條件可以推出均方誤差最小意義下的最佳分層電平 xk 和量化電平 yk 上式表明 最佳分層電平應(yīng)為兩個(gè)相鄰量化電平的中點(diǎn) 而最佳量化電平位于對(duì)應(yīng)量化間隔的概率質(zhì)心上 3 對(duì)數(shù)量化器對(duì)數(shù)量化也是一種非均勻量化 采用近似對(duì)數(shù)函數(shù)的壓縮特性 與均勻量化相比 它能改善小信號(hào)時(shí)的量化信噪比 因此適合于信源動(dòng)態(tài)范圍大 而且小信號(hào)出現(xiàn)概率很高的情況 在實(shí)現(xiàn)上 對(duì)數(shù)量化通常采用如下圖所示的結(jié)構(gòu) 發(fā)送端先根據(jù)非線性的壓縮特性c x 對(duì)信號(hào)x進(jìn)行壓縮 再對(duì)壓縮后的信號(hào)進(jìn)行均勻量化 接收端則采用特性為c 1 x 的擴(kuò)張器來(lái)恢復(fù)原信號(hào) 理想的對(duì)數(shù)量化特性為 4 自適應(yīng)量化器在自適應(yīng)量化中 量化間隔不再是固定的 而要根據(jù)輸入信號(hào)的短時(shí)方差進(jìn)行調(diào)整 使量化間隔的大小和輸入信號(hào)電平相匹配 以進(jìn)一步改善量化效果 因此 實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)量化時(shí)首先需要對(duì)輸入信號(hào)的方差進(jìn)行估值 根據(jù)估值采用的方法 自適應(yīng)量化分成兩類 即前向自適應(yīng)量化 AQF 與后向自適應(yīng)量化 AQB 前者根據(jù)量化前的信號(hào)求方差 為前向估值 后者利用量化后的信號(hào)求方差 為后向估值 兩種量化器的原理框圖分別如圖所示 兩種自適應(yīng)量化器 5 差分量化器對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)來(lái)說(shuō) 相鄰樣值之間存在非常強(qiáng)的相關(guān)性 因而是可預(yù)測(cè)的 去除語(yǔ)音信號(hào)的這種相關(guān)性可以減小量化時(shí)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍 差分量化器正是基于這一思想提出的 它在量化之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理 然后對(duì)預(yù)測(cè)后的殘差信號(hào)進(jìn)行量化 由于量化的范圍減小 因此可提高量化精度或減少編碼比特?cái)?shù) 在差分量化器中被量化的信號(hào) 即殘差信號(hào)e n 是輸入信號(hào)樣值x n 和預(yù)測(cè)值之間的誤差 預(yù)測(cè)誤差的均方值定義為 下圖是用橫截濾波器實(shí)現(xiàn)式 2 1 18 所給預(yù)測(cè)值的原理框圖 如圖所示 在每個(gè)抽樣時(shí)刻 n 1 Ts到來(lái)時(shí) 濾波器輸出將會(huì)給出對(duì)下一個(gè)樣值的預(yù)測(cè)值 實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的橫截濾波器 2 矢量量化矢量量化 VectorQuantation 是一種高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù) 它將若干個(gè)時(shí)間離散幅度連續(xù)的抽樣值分為一組 形成多維空間的一個(gè)矢量 再對(duì)該矢量進(jìn)行量化處理 從而提高量化效率 簡(jiǎn)單的矢量量化器結(jié)構(gòu)如圖所示 矢量量化示意圖 矢量量化器的任務(wù)就是要在給定比特率的條件下 使得量化噪聲的統(tǒng)計(jì)平均值最小 其關(guān)鍵在于碼本的設(shè)計(jì) 即如何劃分N維矢量空間內(nèi)M個(gè)區(qū)域的邊界 通常的方法是將大量預(yù)處理的信號(hào)矢量通過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法劃分區(qū)域 然后再確定各區(qū)域的中心矢量 從而獲得碼本 現(xiàn)在已有許多這方面的算法 例如LBG迭代算法 以均方誤差準(zhǔn)則衡量量化信號(hào)的畸變度時(shí) LBG算法的迭代過(guò)程大致如下 1 設(shè)定M個(gè)碼字的初始值以及畸變的容限 2 根據(jù)最近鄰準(zhǔn)則將輸入矢量X的集合A分成M個(gè)子集即當(dāng)時(shí) 下式成立 3 計(jì)算總畸變 4 計(jì)算畸變改進(jìn)量的相對(duì)值 5 若容限符合要求 停止計(jì)算 否則按下式計(jì)算新碼字并返回步驟 2 2 1 3編碼 編碼是把模擬信號(hào)樣值轉(zhuǎn)換成一組二進(jìn)制代碼的過(guò)程 也就是通常所說(shuō)的模 數(shù) A D 變換 其中也包含了量化的實(shí)現(xiàn) 由二進(jìn)制數(shù)字碼的定義可知 每一位二進(jìn)制數(shù)字碼只能表示兩種狀態(tài)之一 以數(shù)字表示就是1或0 n位二進(jìn)制碼則可能有2n種組合 其中每種組合稱為一個(gè)碼組 共能表示2n個(gè)不同的數(shù)值 目前主要使用的二進(jìn)制碼型有3種 自然二進(jìn)碼 循環(huán)二進(jìn)碼和折疊二進(jìn)碼 與均勻量化特性對(duì)應(yīng)的編碼叫做線性編碼 碼組中各碼位的權(quán)值是固定的 不隨輸入信號(hào)的幅度變化 與之對(duì)應(yīng) 具有非均勻量化特性的編碼叫做非線性編碼 碼組中各碼位的權(quán)值不固定 而是隨著輸入信號(hào)的幅度變化 2 2語(yǔ)音編碼技術(shù) 2 2 1語(yǔ)音編碼概述1 語(yǔ)音編碼的性能指標(biāo)衡量一種語(yǔ)音編碼方法的好壞 一般要考慮四個(gè)方面 即語(yǔ)音質(zhì)量 編碼速率 信號(hào)延時(shí)和算法復(fù)雜度 語(yǔ)音編碼研究的基本目標(biāo)就是在給定編碼速率的條件下 用盡量小的編解碼延時(shí)和算法復(fù)雜度 得到盡可能好的重建語(yǔ)音質(zhì)量 不過(guò)在不同的應(yīng)用場(chǎng)合 對(duì)性能要求的側(cè)重點(diǎn)會(huì)有所區(qū)別 2 語(yǔ)音編碼方法的分類根據(jù)編碼器的實(shí)現(xiàn)機(jī)理 語(yǔ)音編碼方法大致可以分為三類 波形編碼 參數(shù)編碼 模型編碼 混合編碼 3 語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)ITU T 國(guó)際電信聯(lián)盟 電信標(biāo)準(zhǔn)化部門 InternationalTelecommunicationUnion TelecommunicationStandardlzationSector 即1993年以前的CCITT 是負(fù)責(zé)制定長(zhǎng)途電話標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 它所制定的技術(shù)規(guī)范往往以建議的名稱頒布 實(shí)際上是公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn) 到目前為止 該組織已經(jīng)制定了若干個(gè)語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn) 如表所示 表中的MIPS代表每秒百萬(wàn)次運(yùn)算 用于反映算法的復(fù)雜度 ITU T CCITT 制定的語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn) 2 2 2語(yǔ)音信號(hào)的波形編碼 1 脈沖編碼調(diào)制 PCM 脈沖編碼調(diào)制 PCM 實(shí)際上就是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)字化的一個(gè)完整過(guò)程 首先對(duì)模擬信號(hào)波形進(jìn)行時(shí)間離散化 再對(duì)每個(gè)樣值幅度獨(dú)立進(jìn)行量化和編碼 接收端則做完全相反的處理 脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)中的信號(hào)變換和處理過(guò)程如圖所示 1 A律13折線壓擴(kuò)假設(shè)信號(hào)在量化之前已經(jīng)過(guò)歸一化處理 即動(dòng)態(tài)范圍統(tǒng)一為 1 1 A律13折線的畫法是 先在0至1之間分別把y軸均勻地分為8段 在x軸上 采用對(duì)折法把0至1之間的線段分別分為8個(gè)不均勻段 各段分界點(diǎn)為 從原點(diǎn)出發(fā) 把各段對(duì)應(yīng)的分界點(diǎn) x y 連接成折線 如圖所示 折線共16段 正負(fù)方向各8段 由于正負(fù)方向I II段斜率相同 可視為1條直線段 故稱為13折線 下表是A 87 56對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性函數(shù)與13折線各分界點(diǎn)坐標(biāo)的比較結(jié)果 在每段折線內(nèi) 再進(jìn)行16級(jí)均勻量化 因此總的量化級(jí)數(shù)為 對(duì)應(yīng)的編碼位數(shù)是8位 顯然不同段落上的量化間隔不同 最小量化間隔位于第I II段 此時(shí) 我們把稱為一個(gè)量化單位 因此正負(fù)信號(hào)區(qū)間 0 1 和 1 0 內(nèi)各包括2048個(gè)量化單位 2 律15折線壓擴(kuò)當(dāng) 255時(shí) 律壓擴(kuò)特性函數(shù)將變?yōu)?當(dāng)y分別取 時(shí) 對(duì)應(yīng)的x值見(jiàn)下表 律15折線壓擴(kuò)特性曲線 2 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 ADPCM 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 ADPCM 是語(yǔ)音壓縮中復(fù)雜度較低的一種方法 它利用語(yǔ)音信號(hào)之間的相關(guān)特性降低速率 可以在32Kb s的速率上達(dá)到64Kb sPCM的語(yǔ)音質(zhì)量 G 72132Kb sADPCM編譯碼器的工作原理如圖所示 由于該系統(tǒng)主要用來(lái)對(duì)現(xiàn)有PCM信道擴(kuò)容 即把兩個(gè)2048Kb s30路PCM基群信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)2048Kb s60路ADPCM信號(hào) 因此ADPCM編碼器的輸入與譯碼器的輸出都采用標(biāo)準(zhǔn)A律或律PCM碼流 3 子帶編碼 SBC 子帶編碼 SBC 是首先用帶通濾波器將語(yǔ)音信號(hào)分割成幾個(gè)不同的頻帶分量 子帶 再分別對(duì)每個(gè)子帶進(jìn)行抽樣和編碼 編碼后的碼流通過(guò)復(fù)接器復(fù)接 送到信道上傳輸 接收端再將它們分接 譯碼 并組合起來(lái)重建原始的輸入信號(hào) 下圖就是子帶編碼的原理方框圖 在子帶編碼器的設(shè)計(jì)中 必須考慮子帶數(shù)目 子帶劃分 編碼的參數(shù) 子帶中的比特分配以及帶寬等主要參數(shù) 設(shè)一個(gè)子帶編碼系統(tǒng)包括m個(gè)子帶 各子帶帶寬為Bk k 1 m 每個(gè)子帶信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率為fsk 2Bk的抽樣后 使用bk個(gè)比特來(lái)進(jìn)行量化和編碼 那么該系統(tǒng)總的編碼速率R應(yīng)為 在語(yǔ)音信號(hào)的子帶劃分上 應(yīng)考慮到各頻段對(duì)主觀聽(tīng)覺(jué)貢獻(xiàn)相等的原則做合理的分配 使低頻段的子帶寬度較窄 高頻段的子帶寬度較寬 通常語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)帶通濾波器組濾波后分成4 6個(gè)子帶 子帶之間允許有小的間隙 如圖所示 以16 24 32Kb s電話語(yǔ)音子帶編碼系統(tǒng)為例 將4KHz帶寬的語(yǔ)音信號(hào)分成5個(gè)子帶 如下表所示 其中16和24Kb s系統(tǒng)中只用4個(gè)子帶 而丟棄3000 4000Hz的子帶 32Kb s系統(tǒng)使用全部5個(gè)子帶 語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)子帶分割后 抽樣頻率從8KHz分別降到1KHz和2KHz 這時(shí)樣值之間的相關(guān)性減弱了許多 如果采用差分脈沖編碼 DPCM 性能會(huì)有一定改善 但已不明顯 為了簡(jiǎn)化系統(tǒng) 一般都采用PCM編碼 比特分配也根據(jù)長(zhǎng)時(shí)譜的統(tǒng)計(jì)特性使用固定比特分配方式 計(jì)算機(jī)模擬和主觀測(cè)試表明 僅采用PCM編碼時(shí) 32Kb s子帶編碼器的編碼質(zhì)量相當(dāng)于64Kb sPCM 16Kb s子帶編碼器的編碼質(zhì)量相當(dāng)于26 5Kb sADPCM 2 2 3語(yǔ)音信號(hào)的參數(shù)編碼 語(yǔ)音參數(shù)編碼的原理和設(shè)計(jì)思想完全不同于波形編碼 它根據(jù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)形成機(jī)理的分析 著眼于構(gòu)造語(yǔ)音生成模型 編碼器發(fā)送的主要信息就是該模型的參數(shù) 相當(dāng)于語(yǔ)音信號(hào)的主要特征 而并非具體的語(yǔ)音波形幅值 由于模型參數(shù)的更新頻率較低 而且可以利用樣值間一定程度的相關(guān)性 因此能有效降低編碼速率 1 語(yǔ)音信號(hào)的基本特性語(yǔ)音信號(hào)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程 它的特性隨著時(shí)間而變化 但在一個(gè)很短的時(shí)間段內(nèi) 可以認(rèn)為具有相對(duì)穩(wěn)定的特性 故稱為準(zhǔn)平穩(wěn)信號(hào) 這個(gè)時(shí)間段約為5 50ms 語(yǔ)音信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性和頻譜特性都是針對(duì)短時(shí)段而言的 2 語(yǔ)音信號(hào)的線性預(yù)測(cè)模型一個(gè)最有效的語(yǔ)音分析模型是線性預(yù)測(cè)編碼 LPC 模型 它利用了語(yǔ)音信號(hào)具有很強(qiáng)的短時(shí)相關(guān)性這一特點(diǎn) 將語(yǔ)音信號(hào)樣值之間的短時(shí)相關(guān)模型化 并結(jié)合語(yǔ)音產(chǎn)生機(jī)理用一個(gè)短時(shí)濾波器集中地表征出來(lái) 從而構(gòu)成簡(jiǎn)化的語(yǔ)音信號(hào)發(fā)生模型 如圖所示 圖中周期性脈沖序列表示濁音激勵(lì)源 隨機(jī)噪聲信號(hào)源表示清音激勵(lì) 根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的種類 由清 濁音判決開(kāi)關(guān)決定接入哪一種激勵(lì)源 G代表語(yǔ)音的強(qiáng)度 聲道特性用一個(gè)時(shí)變線性短時(shí)濾波器表征 模型中的參數(shù)包括線性時(shí)變?yōu)V波器系數(shù) 基音周期 清濁音判決信息以及增益G 輸出語(yǔ)音信號(hào)s n 與激勵(lì)信號(hào)x n 之間的時(shí)域關(guān)系為 這種分析方法稱為L(zhǎng)PC方法 相應(yīng)的模型稱為L(zhǎng)PC模型 因而 LPC分析問(wèn)題可以表述為 給定信號(hào)s n 求參數(shù) ai i 1 m 用求出的結(jié)果作為模型的傳遞函數(shù)參數(shù) 如果用表示對(duì)參數(shù)的估計(jì) 則誤差信號(hào)可以表示為采用最小均方誤差準(zhǔn)則進(jìn)行估計(jì) 即設(shè)式 2 2 8 對(duì)的偏導(dǎo)數(shù)為零 得對(duì)于i 1 2 m e n 與s n i 是正交的 上式可以簡(jiǎn)化為其中 3 線性預(yù)測(cè) LPC 聲碼器根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的線性預(yù)測(cè)模型 描述語(yǔ)音的特征參數(shù)是線性時(shí)變?yōu)V波器參數(shù) ai i 1 m 基音周期 清濁音判決信息U V以及增益G 因此在LPC聲碼器中 當(dāng)線性時(shí)變?yōu)V波器的階數(shù)為M 語(yǔ)音幀寬度為N時(shí) 完全能用上述M 3個(gè)特征參數(shù)來(lái)代表一幀內(nèi)的N個(gè)原始語(yǔ)音抽樣 之后 再對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行量化和編碼 采用這種編碼方式進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)傳輸?shù)南到y(tǒng)稱為線性預(yù)測(cè)編碼 LPC 其實(shí)現(xiàn)方框圖如圖所示 4 多帶激勵(lì) MBE 和混合激勵(lì)線性預(yù)測(cè) MELP 編碼 1 多帶激勵(lì) MBE 編碼在MBE模型中 整個(gè)語(yǔ)音頻帶被劃分為若干子頻帶 它們分別以各基音諧波為中心 以基音頻率為帶寬 在每個(gè)子頻帶上根據(jù)頻譜特征進(jìn)行清濁音判決 就形成所謂的多帶激勵(lì)譜 整個(gè)激勵(lì)譜由基音頻譜和它的諧波以及一組清濁音判決信息表示 能較好地反映語(yǔ)音特征 與傳統(tǒng)聲碼器一樣 我們?nèi)匀话颜Z(yǔ)音信號(hào)視作激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)聲道作用后的產(chǎn)物 從信號(hào)與系統(tǒng)的角度來(lái)看 語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)譜可以用激勵(lì)頻譜與聲道響應(yīng) 或頻譜包絡(luò) 的乘積表示 即 其中 頻譜包絡(luò)可以用線性預(yù)測(cè)系數(shù) 共振峰頻率和帶寬 原始頻譜抽樣等多種形式表示 在MBE模型中 采用的是原始頻譜在基音諧波處的抽樣值 如圖所示 MBE分析算法的處理過(guò)程為 首先進(jìn)行基音粗略估計(jì)和基音跟蹤 得到初選基音 然后在被選基音附近進(jìn)行精細(xì)的譜匹配 尋找最佳基音Tp和濁音帶的諧波幅度Am 最后判決清濁音U Vm 決定清音帶的平均幅度Am 2 混合激勵(lì)線性預(yù)測(cè) MELP 編碼混合激勵(lì)線性預(yù)測(cè) MELP 編碼的基本特點(diǎn)在于它采用了混合激勵(lì)的形式代替基本LPC模型的二元激勵(lì)形式 將周期脈沖激勵(lì)源和白噪聲源混合作為激勵(lì)信號(hào) 這種方式解決了二元激勵(lì)模式不能準(zhǔn)確描述過(guò)渡幀和弱濁音幀的問(wèn)題 使合成激勵(lì)信號(hào)譜與殘差信號(hào)譜更加匹配 改善了合成語(yǔ)音的自然度 同時(shí)提高了參數(shù)模型的魯棒性 MELP算法對(duì)語(yǔ)音的模式進(jìn)行兩級(jí)分類 首先將語(yǔ)音分為 清 和 濁 兩大類 這里的清音是指不具有周期成分的強(qiáng)清音 其余的均劃為濁音 用總的清 濁音判決表示 其次 把濁音再分為濁音和抖動(dòng)濁音 用非周期位表示 在對(duì)濁音和抖動(dòng)濁音的處理上 MELP算法利用了MBE算法的分帶思想 在各子帶上對(duì)混合比例進(jìn)行控制 這種方法簡(jiǎn)單有效 使用的比特?cái)?shù)也不多 如果使用1比特對(duì)每個(gè)子帶的混合比例參數(shù)進(jìn)行編碼 該參數(shù)也就簡(jiǎn)化為每個(gè)子帶的清 濁音判決信息 另外 在周期脈沖信號(hào)源的合成上 MELP算法要對(duì)LPC分析的殘差信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換 提取諧波分量 量化后傳到接收端 用于合成周期脈沖激勵(lì) 這種方法提高了激勵(lì)信號(hào)與原始?xì)埐畹钠ヅ涑潭?MELP算法的分析 合成框圖 MELP算法具有良好的合成語(yǔ)音質(zhì)量和較強(qiáng)的抗噪聲性能 是一種較為理想的低速率語(yǔ)音編碼算法 AbS LPC編碼 譯碼器的基本結(jié)構(gòu)如圖2 2 14所示 激勵(lì)信號(hào)是AbS LPC模型的輸入 也是編碼器輸出的主要部分 它包含不能由時(shí)變?yōu)V波器譜模型表征的所有殘差結(jié)構(gòu) 這些殘差結(jié)構(gòu)中包括長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)沒(méi)有包含的長(zhǎng)時(shí)相關(guān)結(jié)構(gòu)或基音結(jié)構(gòu) 也包括不能用確定方法有效表征的隨機(jī)結(jié)構(gòu) 所以 激勵(lì)信號(hào)可能在周期脈沖到隨機(jī)噪聲之間變化 常用的激勵(lì)信號(hào)類型如圖所示 不同的激勵(lì)方式也就對(duì)應(yīng)著以下不同的AbS LPC編碼算法 多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼 MPLPC 規(guī)則脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼 RPELPC 碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼 CELP 2 3圖像編碼技術(shù) 2 3 1圖像信號(hào)及其數(shù)字化一幅平面運(yùn)動(dòng)圖像所包括的信息首先表現(xiàn)為光的強(qiáng)度或灰度 它隨空間坐標(biāo) 光的波長(zhǎng)和時(shí)間而變化 因此圖像函數(shù)可以表示成根據(jù)具體情況不同 可以把圖像分為各種不同的類型 如果只考慮光的能量而不考慮光的波長(zhǎng) 在視覺(jué)效果上只有黑白深淺之分 而無(wú)色彩變化 此時(shí)的圖像稱為黑白活動(dòng)圖像 可表示為對(duì)于彩色活動(dòng)圖像 就要考慮光的波長(zhǎng) 根據(jù)三基色原理 任何一種彩色都可以分解成紅 綠 藍(lán)三種基色 此時(shí)圖像函數(shù)可表示為 當(dāng)圖像內(nèi)容不隨時(shí)間變化時(shí) 我們稱之為靜止圖像 因此 黑白靜止圖像函數(shù)可簡(jiǎn)化為圖像信號(hào)的數(shù)字化主要包括兩個(gè)處理 抽樣和量化 1 圖像信號(hào)的抽樣圖像在空間上的離散化稱為抽樣 即將空間上連續(xù)變化的圖像離散化 2 圖像信號(hào)的量化抽樣只是完成了圖像空間位置的離散化 這時(shí)所得的信號(hào)還不是數(shù)字信號(hào) 還需要用離散的量化值代替連續(xù)變化的樣點(diǎn)灰度值 圖像量化的基本要求是在量化噪聲對(duì)圖像質(zhì)量的影響可以忽略的前提下 用最少的量化電平進(jìn)行量化 常用的量化方式是均勻量化 設(shè)連續(xù)圖像f x y 經(jīng)過(guò)等間隔抽樣和量化之后 排成的數(shù)字點(diǎn)陣fm n 如下式所示 該陣列是對(duì)原圖像函數(shù)f x y 的數(shù)字化近似表示 圖像陣列中的每一個(gè)元素取值都是離散的 稱為圖像元素 簡(jiǎn)稱像素 pixel 每個(gè)元素對(duì)應(yīng)的x y坐標(biāo)決定了像素在圖像中的位置 通常用行增加的方向作為x軸的正方向 列增加的方向作為y軸的正方向 數(shù)字圖像具有以下特點(diǎn) 數(shù)據(jù)量大 占用頻帶較寬 數(shù)字圖像中的各個(gè)像素不是獨(dú)立的 彼此之間的相關(guān)性很大 不同的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)其組成可能各不相同 但它們均對(duì)圖像的質(zhì)量有一定的要求 必須考慮圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)問(wèn)題 圖像質(zhì)量的含義包括兩個(gè)方面 一個(gè)是圖像的逼真度 另一個(gè)是圖像的可懂度 圖像的逼真度用來(lái)描述被評(píng)價(jià)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的偏離程度 圖像的可懂度則表示圖像能向人或機(jī)器提供信息的能力 例如一幅被傳送的文字圖像中 能被讀懂的文字?jǐn)?shù)所占比例的大小 就是對(duì)可懂度的表示 多年以來(lái) 人們總是希望能夠找到對(duì)圖像逼真度和可懂度進(jìn)行定量描述的方法 而且希望這些定量描述與人的主觀感覺(jué)相吻合 以作為評(píng)價(jià)圖像和設(shè)計(jì)圖像系統(tǒng)的依據(jù) 2 3 2數(shù)字圖像壓縮編碼 1 圖像壓縮編碼原理及分類雖然圖像包含有大量的數(shù)據(jù) 但圖像數(shù)據(jù)是高度相關(guān)的 一幅圖像內(nèi)部以及視頻序列中相鄰圖像之間存在大量的冗余信息 如果能夠去掉這些冗余信息 就可以實(shí)現(xiàn)圖像的壓縮 常見(jiàn)的冗余信息類型包括 空間冗余時(shí)間冗余信息熵冗余知識(shí)冗余視覺(jué)冗余結(jié)構(gòu)冗余圖像中存在信息冗余是可以對(duì)其進(jìn)行壓縮的前提條件 圖像壓縮編碼就是要盡可能地消除這些冗余 使用盡量少的比特?cái)?shù)來(lái)表示和重建圖像 實(shí)現(xiàn)圖像壓縮的方法很多 對(duì)這些方法的分類也有多種 根據(jù)恢復(fù)圖像的準(zhǔn)確度可以將圖像壓縮編碼方法分為三類 信息保持編碼 保真度編碼和特征提取 從實(shí)現(xiàn)方式上來(lái)看 圖像壓縮編碼可以分為概率匹配編碼 變換編碼和識(shí)別編碼三大類 一些新的方法也不斷出現(xiàn) 例如分形編碼 模型基編碼 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及小波變換等 有些已應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中 為了獲得最佳的壓縮編碼效果 往往多種方法兼用 或以某種方法為主而融入其他方法 所謂最佳的壓縮編碼效果 主要指以下幾個(gè)方面 一是壓縮效率 或稱壓縮比 即壓縮前后編碼速率的比值 二是壓縮質(zhì)量 指恢復(fù)圖像的質(zhì)量 三是編解碼算法的復(fù)雜度 四是針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)提出的編解碼延時(shí) 下圖是典型的圖像壓縮編碼系統(tǒng)的原理框圖 信源輸出的可以是各種模擬圖像信號(hào) 經(jīng)過(guò)PCM編碼器后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào) 壓縮編碼器對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行各種目的的壓縮編碼處理 如果不需通過(guò)信道傳輸 就是一般的數(shù)字圖像處理系統(tǒng) 如果再經(jīng)過(guò)信道編碼后在信道上傳輸 則為數(shù)字圖像通信 2 概率匹配編碼 1 霍夫曼編碼霍夫曼于1952年提出了一種編碼方法 它的基本原理是對(duì)那些出現(xiàn)概率較大的信源符號(hào)編以較短的代碼 而對(duì)那些出現(xiàn)概率較小的信源符號(hào)編以較長(zhǎng)的代碼 對(duì)于這種變字長(zhǎng)編碼 碼字的平均長(zhǎng)度為其中 p aj 為第j個(gè)信源符號(hào)出現(xiàn)的概率 Lj為第j個(gè)信源符號(hào)對(duì)應(yīng)的碼字長(zhǎng)度 下圖是霍夫曼編碼的一個(gè)實(shí)例 7個(gè)信源符號(hào)的出現(xiàn)概率分別為0 20 0 19 0 18 0 17 0 15 0 10和0 01 可以看出 這個(gè)編碼過(guò)程實(shí)際上是構(gòu)成一個(gè)二叉樹的過(guò)程 碼字都是從根出發(fā)排列的 通過(guò)計(jì)算可知 信源熵為2 61比特 編碼后的平均碼字長(zhǎng)度為2 72 已經(jīng)非常接近 屬于最佳編碼 3 預(yù)測(cè)變換編碼預(yù)測(cè)變換編碼 簡(jiǎn)稱預(yù)測(cè)編碼 在圖像編碼研究中已有很長(zhǎng)的歷史 它是統(tǒng)計(jì)冗余數(shù)據(jù)壓縮理論的三個(gè)重要分支之一 預(yù)測(cè)編碼的基本思想是利用圖像信號(hào)的空間和時(shí)間冗余特性 用相鄰的已知像素 或圖像塊 來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前像素的值 再對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化 編碼和傳輸 預(yù)測(cè)編碼的關(guān)鍵在于預(yù)測(cè)算法的選取 這與圖像信號(hào)的概率分布很有關(guān)系 預(yù)測(cè)編碼又分為幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼和幀間預(yù)測(cè)編碼 前者在一幅圖像內(nèi)進(jìn)行預(yù)測(cè) 以消除圖像在空間域的相關(guān)性 后者在多幅圖像之間進(jìn)行預(yù)測(cè) 以消除圖像在時(shí)間域上的相關(guān)性 幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)的原理框圖如圖所示 4 函數(shù)變換編碼函數(shù)變換編碼 簡(jiǎn)稱變換編碼 是指將通常在空間域表示的信號(hào)變換到其他正交矢量構(gòu)成的一個(gè)變換域中表示 并對(duì)變換后的信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼 下圖是圖像變換編碼的原理圖 其中 G 表示輸入的二進(jìn)制圖像 經(jīng)過(guò)二維正交變換 U 后產(chǎn)生變換域中的變換系數(shù) A A 經(jīng)過(guò)量化后得到 A A 經(jīng)過(guò)編碼器再壓縮后送入傳輸信道 在接收端經(jīng)過(guò)譯碼器和逆變換后獲得復(fù)原圖像 G 上述過(guò)程屬于信息非保持圖像編碼 如果沒(méi)有量化這一環(huán)節(jié) 則屬于信息保持圖像編碼 1 圖像的二維傅里葉變換二維傅里葉變換的定義為 其中 為 的輸入圖像信號(hào)矩陣 為 傅里葉矩陣 矩陣中的第i行k列元素為 2 離散余弦變換離散余弦變換 DCT 屬于實(shí)數(shù)域的正交變換 它克服了DFT具有復(fù)雜的復(fù)數(shù)運(yùn)算的缺點(diǎn) 經(jīng)DCT處理后 圖像能量集中在少數(shù)系數(shù)上 其余大部分系數(shù)都為零 DCT提出的各種快速算法往往具有規(guī)律性的結(jié)構(gòu)或易于并行處理 比較容易實(shí)現(xiàn) 因此奠定了DCT目前在圖像編碼中的重要地位 成為H 261 JPEG MPEG等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的主要環(huán)節(jié) N階一維DCT的定義如下 設(shè)為N個(gè)信號(hào)樣點(diǎn) 為其變換值 則有 離散余弦反變換 IDCT 為由于DCT的變換核構(gòu)成的基向量與圖像內(nèi)容無(wú)關(guān) 且變換核是可分離的 因此可以通過(guò)兩次一維DCT變換實(shí)現(xiàn)一個(gè)二維DCT變換 具體步驟為 3 小波變換小波變換 WT 又稱為子波變換 是由法國(guó)地理學(xué)家Morlet和數(shù)學(xué)家Growwmann提出的 它的出現(xiàn) 是信號(hào)分析理論發(fā)展史上的一個(gè)里程碑 這種變換方法具有良好的時(shí)域局域性與全局變換性 在相當(dāng)程度上克服了傳統(tǒng)變換編碼方法的許多不足 使圖像壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展邁上了一個(gè)新的臺(tái)階 在數(shù)學(xué)上 h t 函數(shù)經(jīng)伸縮和平移后可得到一個(gè)函數(shù)族該函數(shù)族稱為小波函數(shù)族 函數(shù)h t 稱為基本小波 式中的參數(shù)a為伸縮因子 b為平移因子 對(duì)于給定的信號(hào)f t 定義小波變換為 2 3 3圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 1 H 261建議H 261建議 又稱為 視聽(tīng)業(yè)務(wù)的視頻編碼解碼器 具有覆蓋整個(gè)ISDN基群信道的功能 它的應(yīng)用目標(biāo)是可視電話和會(huì)議電視 一般說(shuō)來(lái) 當(dāng)p 1 2時(shí)適用于面對(duì)面可視電話業(yè)務(wù) 當(dāng)p再增加時(shí) 6 可用于會(huì)議電視 1 視頻格式世界上的彩色電視有PAL NTSC和SECAM三種不同的制式 為了方便不同制式電視之間的互連 H 261提出采用公共中間格式CIF commonintermediateformat 和1 4CIF QCIF 作為可視電話 會(huì)議電視的視頻格式 編碼時(shí) 首先將PAL制 NTSC制或SECAM制的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成CIF 譯碼時(shí) 將CIF轉(zhuǎn)化為PAL制 NTSC制或SECAM制視頻信號(hào) 這樣就解決了國(guó)際間互通時(shí)因不同電視制式引起的矛盾 CIF和QCIF的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為四個(gè)層次 即圖像層 P 由圖像頭和塊組數(shù)據(jù)組成 圖像頭包括一個(gè)20位的圖像起始碼以及視頻格式 時(shí)間參數(shù) 幀數(shù) 等標(biāo)志信息 塊組層 GOB 由塊組頭和宏塊數(shù)據(jù)組成 塊組頭包括一個(gè)16位的塊組起始碼 塊組編號(hào) 量化器信息等 宏塊層 MB 由宏塊頭和塊數(shù)據(jù)組成 宏塊頭包括宏塊地址 宏塊類型等 塊層 B 由DCT變換系數(shù)和塊結(jié)束符組成 以CIF格式為例 每個(gè)P由12個(gè)GOB組成 每個(gè)GOB由個(gè)3 11個(gè)MB組成 每個(gè)MB由4個(gè)8 8的亮度塊 Cr Cb 和2個(gè)的色差塊 組成 各層之間的關(guān)系如圖所示 QCIF和CIF的主要參數(shù)如表所示 2 視頻編碼H 261圖像編碼器采用的是混合編碼方式 即幀內(nèi)變換和幀間預(yù)測(cè)相結(jié)合 其基本原理如圖所示 若前后兩幀很相似 采用幀間方式 即進(jìn)行幀間預(yù)測(cè) 并對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行二維DCT處理 否則采用幀內(nèi)方式 即對(duì)每一幀進(jìn)行幀內(nèi)DCT處理 圖像塊尺寸為8 8 但第一幀總是采用幀內(nèi)方式 2 H 263建議ITU T的H 263建議最開(kāi)始是作為研究MPEG 4而提出的一種甚低碼率編碼方法 現(xiàn)已成為一種獨(dú)立的壓縮編碼方法 其傳輸碼率低于64Kb s 適用于在低比特率條件下對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行壓縮編碼 它對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的壓縮比可以達(dá)到300 3 靜止圖像壓縮編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JPEGJPEG JointPhotographicExpertsGroup 是由ISO和CCITT共同組成的聯(lián)合圖片專家小組的英文縮寫 1991年3月提出10918號(hào)標(biāo)準(zhǔn) 連續(xù)色調(diào)靜止圖像的數(shù)字壓縮編碼 該方法又稱為JPEG算法 并被確定為第一個(gè)有關(guān)彩色灰度靜止圖像的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) JPEG算法是一個(gè)適用范圍非常廣泛的通用標(biāo)準(zhǔn) 它不僅適用于靜止圖像的壓縮 電視圖像序列的幀內(nèi)圖像壓縮編碼也常采用JPEG標(biāo)準(zhǔn) 它的壓縮比大約為20 30 JPEG標(biāo)準(zhǔn)提供了一種無(wú)損編碼模式和4種有損編碼模式 無(wú)損模式 基于DCT的順序模式 基準(zhǔn)模式 基于DCT的遞進(jìn)模式 層次模式 4 MPEG標(biāo)準(zhǔn)MPEG MovingPictureExPertsGrouP 是ISO組織下屬的運(yùn)動(dòng)圖像專家小組的英文縮寫 成立于1988年 該小組主要研究多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)圖像壓縮編碼技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn) 1991年11月該小組提出用于數(shù)字存儲(chǔ)媒介 比特率約為1 5Mb s的運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音的壓縮編碼方案 作為ISO IEC11172號(hào)建議 于1992年正式通過(guò) 通常稱為MPEG標(biāo)準(zhǔn) 后命名為MPEG l標(biāo)準(zhǔn) MPEG標(biāo)準(zhǔn)包括MPEG視頻 MPEG音頻和MPEG系統(tǒng)3大部分 這里主要介紹視頻部分 MPEG系統(tǒng)由系統(tǒng)層和壓縮層組成 系統(tǒng)層起控制作用 由定時(shí)信號(hào) 聲像數(shù)據(jù)流多路分解標(biāo)志 音頻 視頻同步信號(hào)3個(gè)部分組成 壓縮層為數(shù)據(jù)部分 由壓縮后的音頻和視頻數(shù)據(jù)流組成 其中視頻部分的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與H 261一樣分為四個(gè)層次 即圖像層 塊組層 宏塊層和塊層 MPEG視頻壓縮是針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的壓縮技術(shù) MPEG是一個(gè)不對(duì)稱的壓縮算法 第3章數(shù)字復(fù)接技術(shù) 3 1數(shù)字信號(hào)的復(fù)接 1 數(shù)字復(fù)接的概念及設(shè)備的組成 數(shù)字復(fù)接設(shè)備包括數(shù)字復(fù)接器和數(shù)字分接器 其簡(jiǎn)單組成方框圖如圖所示 數(shù)字復(fù)接器由定時(shí) 調(diào)整和復(fù)接單元組成 數(shù)字分接器由同步 定時(shí) 分接和恢復(fù)單元組成 2 數(shù)字復(fù)接系列 數(shù)字復(fù)接是從低速到高速按照一定的規(guī)定速率分級(jí)進(jìn)行的 其中某一級(jí)的復(fù)接是把一定數(shù)目的具有較低規(guī)定速率的數(shù)字信號(hào)合并成為一個(gè)具有較高規(guī)定速率的數(shù)字信號(hào) 這個(gè)數(shù)字信號(hào)在更高一級(jí)的數(shù)字復(fù)接中 與具有同樣速率的其他數(shù)字信號(hào)一起作進(jìn)一步的合并 成為更高規(guī)定速率的數(shù)字信號(hào) 3 數(shù)字復(fù)接方法 根據(jù)復(fù)接器輸入端各支路信號(hào)與本機(jī)定時(shí)信號(hào)的關(guān)系 數(shù)字復(fù)接方法分為兩類 即同步復(fù)接與異步復(fù)接 3 1 1數(shù)字信號(hào)的復(fù)接方式 1 按位復(fù)接 按位復(fù)接 也稱 比特單位復(fù)接 這種方法每次復(fù)接一位碼 如圖所示 如果要復(fù)接四個(gè)基群信號(hào) 則第一次取第一基群的第一位碼 然后取第二基群的第一位碼 再取第三基群 第四基群的第一位碼 接下去取第一基群的第二位碼 第二基群的第二位碼 依此類推 循環(huán)往復(fù) 復(fù)接后每位碼寬度只有原來(lái)的四分之一 2 按字復(fù)接 按字復(fù)接就是每次復(fù)接取一個(gè)支路的8位碼 各個(gè)支路的碼輪流被復(fù)接 在其他三個(gè)支路復(fù)接期間 必須把另一個(gè)支路的8位碼存儲(chǔ)起來(lái) 因此這種方法需要容量較大的緩沖存儲(chǔ)器 但它有利于多路合成處理和交換 因而將會(huì)有更多的應(yīng)用 3 按幀復(fù)接 按幀復(fù)接就是以幀為單位進(jìn)行復(fù)接 即依次復(fù)接每個(gè)基群的一幀碼 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不破壞原來(lái)各個(gè)基群的幀結(jié)構(gòu) 有利于交換 但是 與第二種方法有同樣的原因 它需要容量更大的緩沖存儲(chǔ)器 目前尚無(wú)實(shí)際應(yīng)用 3 1 2同步復(fù)接與異步復(fù)接 1 同步復(fù)接 同步復(fù)接的框圖如圖所示 它由時(shí)序產(chǎn)生器 各支路緩沖存儲(chǔ)器 合路移位寄存器組成 采用比特復(fù)接時(shí) 同步復(fù)接 分接原理如圖 a 所示 相應(yīng)的時(shí)間波形見(jiàn)圖 b 2 異步復(fù)接 異步復(fù)接允許參與復(fù)接的各支路具有標(biāo)稱速率相同 速率的變化限制在規(guī)定范圍內(nèi)的獨(dú)立時(shí)鐘信號(hào) 因此在遠(yuǎn)程傳輸數(shù)字通信網(wǎng)中 特別是在高次群復(fù)接中 異步復(fù)接得到廣泛應(yīng)用 異步復(fù)接設(shè)備原理方框圖如圖所示 在異步復(fù)接中 關(guān)鍵就是碼速調(diào)整 經(jīng)碼速調(diào)整后的復(fù)接就變?yōu)橥綇?fù)接了 而將非同步信碼變?yōu)橥酱a流的簡(jiǎn)單有效方法是 正碼速調(diào)整技術(shù) 也叫脈沖插入法 這種方法就是人為地在各個(gè)待復(fù)接的支路信號(hào)中插入一些脈沖 譬如在瞬時(shí)數(shù)碼率低的支路信號(hào)中多插入一些脈沖 在瞬時(shí)數(shù)碼率高的支路信號(hào)中少插入或不插入脈沖 從而使這些支路信號(hào)在分別插入適當(dāng)?shù)拿}沖之后 變?yōu)樗矔r(shí)數(shù)碼率完全一致的信號(hào) 碼速調(diào)整除正碼速調(diào)整外 還有正 負(fù)碼速調(diào)整 正 0 負(fù)碼速調(diào)整 其中正碼速調(diào)整由于它的原理和設(shè)備簡(jiǎn)單 技術(shù)比較完善 因此應(yīng)用最為廣泛 3 1 3數(shù)字復(fù)接的碼速調(diào)整 1 正碼速調(diào)整 1 基本原理 所謂正碼速調(diào)整就是將被復(fù)接的低次群的碼速率都調(diào)高 使其同步到某一規(guī)定的較高的碼速上 例如基群的碼速由2048kbit s調(diào)到2112kbit s 正碼速調(diào)整的原理可用下圖來(lái)說(shuō)明 圖 a 是原理方框圖 圖 b 是時(shí)間動(dòng)作關(guān)系 2 正碼速調(diào)整的幀結(jié)構(gòu) 1幀中的內(nèi)容有 幀碼 幀定位信號(hào) 它是正確分接的標(biāo)志 勤務(wù)信號(hào) 用于告警 碼速調(diào)整控制等 信息位 包括復(fù)接支路中的全部?jī)?nèi)容 信碼 同步碼和信令碼等 由幀結(jié)構(gòu)也可以看出 碼速調(diào)整過(guò)程中的相位比較是在幀結(jié)構(gòu)中的第 組末進(jìn)行判決的 若判決結(jié)果需要調(diào)整 則在其后各組中的C比特置1 V空閑 無(wú)需調(diào)整 則C比特置0 相應(yīng)地V仍傳信碼 顯然 利用固定時(shí)隙位置作為碼速調(diào)整控制比特和碼速調(diào)整比特 可以簡(jiǎn)化復(fù)接設(shè)備 3 正碼速調(diào)整基本關(guān)系式 設(shè)標(biāo)稱復(fù)接比特速率為 fh 標(biāo)稱支路比特速率為 fl 支路數(shù)為 m 每幀中對(duì)應(yīng)每個(gè)支路的非信息比特?cái)?shù)為 K 每幀中每個(gè)支路的信碼數(shù)為 Q 則有幀長(zhǎng) LF m Q K bit 定義如下參數(shù) 幀頻 每單位時(shí)間內(nèi)的幀數(shù) Fs fh LF 同步復(fù)接支路速率 同步復(fù)接器為每個(gè)同步復(fù)接支路準(zhǔn)備的最大可能的復(fù)接速率 fm Q LF fh上述式中 Q LF為每個(gè)復(fù)接幀中支路占有的比特?cái)?shù)比值 復(fù)接是對(duì)各支路信碼復(fù)接 K 是插入碼 標(biāo)稱碼速調(diào)整速率 當(dāng)支路速率與復(fù)接速率二者都等于其標(biāo)稱值時(shí) 插入或刪除調(diào)整數(shù)字的速率 fs fm fl 最大碼速調(diào)整率 可能插入或刪除調(diào)整數(shù)字的最大速率 通常規(guī)定在每一個(gè)復(fù)接幀中只留一個(gè)調(diào)整位置 所以 fsmax Fs 調(diào)整比率 實(shí)際調(diào)整速率與最大調(diào)整速率之比 也稱塞入比率 S fs fsmax 即Q flLF fh 4 正碼速調(diào)整的時(shí)間特性 緩沖存儲(chǔ)器正常工作的前提條件是先寫入信息比特 后讀出信息比特 我們把寫入時(shí)刻相對(duì)于讀出時(shí)刻超前量稱為讀寫時(shí)差 由于 fl與 fm不同 所以讀寫時(shí)差總是隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化 2 正 負(fù)碼速調(diào)整 正 負(fù)碼速調(diào)整與正碼速調(diào)整的基本原理是一樣的 不同點(diǎn)僅為同步復(fù)接時(shí)鐘 fm 取值不同 在正 負(fù)碼速調(diào)整中 取同步復(fù)接時(shí)鐘的標(biāo)稱值 f m等于支路時(shí)鐘的標(biāo)稱值 fl 這時(shí) 由于 fm和 fl都會(huì)在各自的容差域內(nèi)變動(dòng) 它們的瞬時(shí)值之間就可能出現(xiàn)三種情況 fm fl 這就是前述的正碼速調(diào)整的情況 fm fl 這時(shí)不需要調(diào)整就可以保持正常的同步復(fù)接 fm fl 這種情況是寫入速率大于讀出速率 如果不采取措施 緩沖器中存儲(chǔ)的信息將越來(lái)越多 最后導(dǎo)致發(fā)生 溢出 現(xiàn)象 從而丟失信息 為保證正常傳輸 就必須提供額外的通道把多余的信息送到接收端 也即要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候多讀一位 這與正碼速調(diào)整剛好相反 稱為負(fù)碼速調(diào)整 正 負(fù)調(diào)整幀結(jié)構(gòu) 3 正 0 負(fù)碼速調(diào)整 正 0 負(fù)碼速調(diào)整過(guò)程中 同步復(fù)接時(shí)鐘 fm取值與正 負(fù)碼速調(diào)整一樣 與后者不同的是 fm與 fl間的三種情況對(duì)應(yīng)著真正的三種調(diào)整情況 即正調(diào)整 不調(diào)整 負(fù)調(diào)整 并且用三種調(diào)整指令通知碼速恢復(fù)端 調(diào)整過(guò)程與前述的兩種碼速調(diào)整過(guò)程完全類似 正調(diào)整就是在指定位置 V 插入一個(gè)調(diào)整比特 非信碼 負(fù)調(diào)整就是在指定位置 V 傳送一比特額外的信碼 不調(diào)整就是按標(biāo)稱值正常傳輸 在接收端也按調(diào)整指令實(shí)施恢復(fù)控制 但在恢復(fù)端 支路時(shí)鐘提取方法與前述兩種碼速調(diào)整不同 在正 0 負(fù)碼速調(diào)整中 恢復(fù)端設(shè)置了支路時(shí)鐘產(chǎn)生器 它產(chǎn)生三種時(shí)鐘 頻率分別為 fl fl Fms fl Fms 其中 fl為支路標(biāo)稱頻率 寫入時(shí)鐘為 fm 緩存器容量為 N 讀出時(shí)鐘在上列三種時(shí)鐘里選取 其中 Fms 為調(diào)整幀頻 3 2時(shí)分多路復(fù)用原理和典型終端設(shè)備 3 2 1時(shí)分多路復(fù)用原理 多路復(fù)用是從提高信道利用率的角度提出來(lái)的 平常說(shuō)的一個(gè)信道可以同時(shí)傳輸百個(gè) 千個(gè)甚至萬(wàn)個(gè)話路 就是指的這種情況 目前應(yīng)用最廣泛的方法是頻分多路復(fù)用 FDM 和時(shí)分多路復(fù)用 TDM 時(shí)分多路復(fù)用的波形變換示意圖如下 時(shí)分多路復(fù)用方框圖 3 2 2PCM30 32路系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1 幀結(jié)構(gòu) 下圖 a 是用于市話中繼的30 32路脈碼調(diào)制端機(jī)的方框圖 3 2 3時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中的同步技術(shù) 1 幀同步碼型與插入方式 幀同步碼的插入方式有兩種 分散式和集中式 PCM24路制式 日本 北美等國(guó)家采用 采用分散式 如圖 a 所示 它是插在每一幀的最后一個(gè)位碼 第193 bit 上 采用1 0交替的同步碼型 PCM30 32系統(tǒng) 我國(guó) 歐洲國(guó)家采用 采用集中插入方式 它是在每偶幀TS 0的第2 8位插入0011011幀同步碼 如圖 b 所示 很明顯 在選擇幀同步碼組的結(jié)構(gòu)時(shí) 一定要考慮到信息碼中產(chǎn)生相同結(jié)構(gòu)碼組的可能性要小 也即產(chǎn)生偽同步碼的可能性要小 同步碼組長(zhǎng)一些 出現(xiàn)偽同步碼的可能性也小 而且也可加快捕捉過(guò)程 即失步后重新獲得同步的時(shí)間也短 缺點(diǎn)是占用了較多的信道容量 集中式插入的捕捉時(shí)間比分散式要快 所以PCM30 32路制式可以將一些話路作為數(shù)據(jù)傳輸用 但集中式插入往往要占用話路 因而降低了傳輸效率 2 對(duì)同步系統(tǒng)的要求與保護(hù)措施 對(duì)幀同步系統(tǒng)的要求主要有兩點(diǎn) 一是同步建立 或恢復(fù) 時(shí)間要短 二是穩(wěn)定性要好 要求同步性能穩(wěn)定 主要辦法是設(shè)置保護(hù)電路 即前方保護(hù)和后方保護(hù)兩種 前方保護(hù)是為了防止假失步 3 3同步數(shù)字系列 3 3 1同步數(shù)字系列的基本概念及特點(diǎn) 1 同步數(shù)字系列的產(chǎn)生 2 SDH的基本概念和特點(diǎn) SDH是由SDH網(wǎng)絡(luò)單元 包括終端復(fù)用器 TM 分插復(fù)用器 ADM 再生中繼器 REG 和SDH數(shù)字交叉連接設(shè)備 SDXC 等 組成 在信道上進(jìn)行同步信息傳輸 復(fù)用和交叉連接的系統(tǒng) 1 SDH網(wǎng)絡(luò)單元 終端復(fù)用器 TM SDH數(shù)字交叉連接設(shè)備 SDXC 分插復(fù)用器 ADM 2 SDH的特點(diǎn) SDH系統(tǒng) 3 3 2同步數(shù)字系列的結(jié)構(gòu) 1 SDH的速率 SDH信號(hào)以同步傳輸模塊 STM 的形式傳送 SDH信號(hào)最基本的同步傳輸模塊是STM l 其速率為155 520 Mbit s 更高等級(jí)的STM N 信號(hào)是將STM l按同步復(fù)用 經(jīng)字節(jié)間插得到的 其中 N是正整數(shù) 目前SDH僅支持 N 1 4 16 64 CCITT建議G 707所規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)速率值為 STM l l55 520Mbit s STM 4 622 080Mbit s ST