第八章數(shù)字電視基礎(chǔ)

1、東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第2頁(yè)頁(yè) 電視視頻電視視頻、音頻信號(hào)的、音頻信號(hào)的PCM數(shù)字化原理數(shù)字化原理 模擬電視機(jī)中的數(shù)字技術(shù)模擬電視機(jī)中的數(shù)字技術(shù) 數(shù)字圖像信號(hào)的壓縮編碼原理及數(shù)字圖像信號(hào)的壓縮編碼原理及MPEG系系 列標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介列標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 數(shù)字音頻信號(hào)的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字音頻信號(hào)的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 信道編碼和調(diào)制信道編碼和調(diào)制本章內(nèi)容簡(jiǎn)介本章內(nèi)容簡(jiǎn)介教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn) 視頻信號(hào)的數(shù)字化技術(shù)，視頻信號(hào)的數(shù)字化技術(shù)，信源和信道編碼技術(shù)信源和信道編碼技術(shù)教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn) 信源和信道編碼技術(shù)信源和信道編碼技術(shù)l模擬電視系統(tǒng)電視信號(hào)在時(shí)間上、幅度上均是

2、連續(xù)變化；采用模擬電路技術(shù) 對(duì)電視信號(hào)進(jìn)行處理、傳送、記錄。l數(shù)字電視系統(tǒng)數(shù)字電視信號(hào)是時(shí)間上、幅度上均為離散值；電視信號(hào)的處理、傳送、記錄等，都是采用數(shù)字電路技術(shù)。從電視信號(hào)的攝取、節(jié)目制作、存儲(chǔ)、發(fā)射、傳輸?shù)叫盘?hào)接收、處理、重現(xiàn)等全過(guò)程完全數(shù)字化的電視系統(tǒng)。它是用數(shù)字技術(shù)來(lái)處理電視信號(hào)的一門高新技術(shù)，是信息技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)等綜合應(yīng)用的結(jié)晶。l數(shù)字電視系統(tǒng)的基本原理框圖東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第3頁(yè)頁(yè)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第4頁(yè)頁(yè)信源模/數(shù)轉(zhuǎn)換壓

3、縮編碼多路復(fù)用糾錯(cuò)編碼數(shù)字調(diào)制信源編碼器模擬電視信號(hào)信道編碼器同步單元信宿模/數(shù)轉(zhuǎn)換解壓縮解復(fù)用糾錯(cuò)解碼解調(diào)信源編碼器還原的模擬電視信號(hào)信道編碼器信道東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第5頁(yè)頁(yè)l信源是產(chǎn)生和輸出電視模擬信號(hào)（包括圖像和伴音）的設(shè)備，如攝像機(jī)、麥克風(fēng)等。l信源編碼器主要包括模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換、壓縮編碼、多路復(fù)用三部分。將信源送出的模擬電視信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，用一定的數(shù)字脈沖組合來(lái)表示信號(hào)的幅度，從而形成數(shù)字信號(hào)。為提高傳輸?shù)挠行?，在保證一定傳輸質(zhì)量的情況下，對(duì)反映信源全部信息的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行變換，用盡量少的數(shù)字脈沖來(lái)表

4、示信源產(chǎn)生的信息，這就是壓縮編碼。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第6頁(yè)頁(yè)l信道編碼器包括糾錯(cuò)編碼和數(shù)字調(diào)制，主要解決數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目煽啃詥?wèn)題，故又稱為抗干擾編碼。經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)編碼的傳輸碼流具有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的能力，其作用是最大限度地減少在信道傳輸中的誤碼率，然后將糾錯(cuò)編碼后的傳輸碼流調(diào)制成適合于在信道上傳輸?shù)牟ㄐ?。l傳輸信道分為地面（無(wú)線發(fā)射）、有線和衛(wèi)星三類，因而，不同的傳輸信道應(yīng)選擇不同的調(diào)制方式。 解碼器與編碼器的功能相反，在接收端將接收到的已調(diào)信號(hào)，經(jīng)解調(diào)、糾錯(cuò)解碼、解復(fù)用、解壓縮、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出原模擬電視信號(hào)。東南大學(xué)移動(dòng)通

5、信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第7頁(yè)頁(yè)世界數(shù)字電視發(fā)展 (1) 20世紀(jì)80年代，德國(guó)的ITT公司推出了世界上第一臺(tái)數(shù)字視頻處理彩色電視機(jī)； (2) 1982年，新一代數(shù)字式電視接收機(jī)由美國(guó)公司率先研制成功，83年正式生產(chǎn)并投放市場(chǎng)； (3) 20世紀(jì)90年代，歐、美、日等國(guó)家制定了現(xiàn)代數(shù)字視 頻壓縮編碼技術(shù)的MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)； (4) 95年9月15日，美國(guó)正式通過(guò)ATSC數(shù)字電視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)； (5) 90年代中期，歐盟制定了DVB數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第8頁(yè)頁(yè) (6) 19

6、96年4月，法國(guó)第一個(gè)開始數(shù)字電視商業(yè)廣播； (7) 1998年，美國(guó)開始了數(shù)字電視廣播；(8) 1999年，日本推出了ISDB數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)； 我國(guó)數(shù)字電視發(fā)展及規(guī)劃 (1) 20世紀(jì)90年代初，我國(guó)開始數(shù)字電視技術(shù)的研究，計(jì)劃在MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)上制定自己的數(shù)字電視系列標(biāo)準(zhǔn)； (2)1998年9月，中國(guó)的數(shù)字電視廣播HDTV-T在中央電視塔上廣播試驗(yàn)成功； (3)1999年國(guó)慶閱兵進(jìn)行了HDTV直播，通過(guò)衛(wèi)星向全國(guó)傳送8套全數(shù)字壓縮的數(shù)字電視節(jié)目；東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第9頁(yè)頁(yè) (4)“數(shù)字電視地面?zhèn)鬏攪?guó)家標(biāo)準(zhǔn)”于2006年8月

7、18日正式批準(zhǔn)成為強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2007年8月1日起實(shí)施 。(5)我國(guó)數(shù)字電視發(fā)展規(guī)劃： 第一階段：到2005年實(shí)現(xiàn)普通電視的數(shù)字化； 第二階段：到2010年全部設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化； 第三階段：到2015年，圖象質(zhì)量達(dá)到35mm電影膠片質(zhì)量，并徹底停止模擬電視廣播。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第10頁(yè)頁(yè)數(shù)字電視的分類數(shù)字電視接收設(shè)備數(shù)字電視顯示設(shè)備按用途分類地面無(wú)線傳輸衛(wèi)星傳輸按信號(hào)傳輸方式分類有線傳輸（a）（b）數(shù)字電視顯示器一體化數(shù)字電視接收機(jī)按產(chǎn)品類型方式分類數(shù)字電視機(jī)頂盒（c）東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)

8、實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第11頁(yè)頁(yè)低清晰度數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視按清晰度方式分類高清晰度數(shù)字電視43數(shù)字電視顯示設(shè)備169數(shù)字電視顯示設(shè)備按信號(hào)圖像幅型比方式分類（d）（e）LDTVSDTVHDTV東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第12頁(yè)頁(yè)l對(duì)標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視，其圖像和伴音質(zhì)量比模擬電視有所提高，并且頻道利用率高，在目前模擬電視的一個(gè)頻道內(nèi)可以播4套（或更多）數(shù)字電視節(jié)目。對(duì)高清晰度電視，其畫面可提供相當(dāng)于SDTV畫面5倍多的信息量，因此，HDTV具有更高的圖像分辨率，它的清晰度是目前模擬電視畫面清晰度的23倍。l在電視伴音方面，目前模

9、擬電視只有一路伴音，經(jīng)過(guò)電路處理后可轉(zhuǎn)換成立體聲；SDTV有兩路數(shù)字伴音，具有CD級(jí)的音質(zhì)；HDTV則有多路數(shù)字伴音（杜比5.1聲道），除了音質(zhì)好之外，還具有真正的環(huán)繞立體聲效果。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第13頁(yè)頁(yè)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第14頁(yè)頁(yè) 與模擬電視相比較，數(shù)字電視具有以下特點(diǎn)及先進(jìn)性： （1）數(shù)字電視抗干擾能力強(qiáng)； （2）頻帶利用率提高，可實(shí)現(xiàn)信道多工復(fù)用； （3）信號(hào)發(fā)射功率降低，便于實(shí)現(xiàn)加解密、加解擾； （4）易存儲(chǔ)，易實(shí)現(xiàn)數(shù)字特技，提高圖象質(zhì)量； （5）采用

10、VLSI技術(shù)(超大規(guī)模集成技術(shù)) ，可增強(qiáng)系統(tǒng)功能、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性； （6）輸出信號(hào)具有擴(kuò)展性，可分級(jí)性、和互操作性。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第15頁(yè)頁(yè)l實(shí)施數(shù)字電視傳輸?shù)闹饕y點(diǎn)信息量大：比傳輸一路模擬電視信號(hào) 要大10倍左右對(duì)軟、硬件設(shè)備要求高：高速率的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器高速率超大規(guī)模實(shí)時(shí)信號(hào)處理芯片l關(guān)鍵技術(shù)有效的 數(shù)字電視壓縮編碼 和高效數(shù)字調(diào)制技術(shù)200 Mb/s - 20 Mb/s光纖等寬帶傳輸信道超高速、超大規(guī)模數(shù)字集成電路技術(shù)降成本，普及東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（N

11、CRLSEU） 第第16頁(yè)頁(yè) 取樣：電視信號(hào)的數(shù)字化信源編碼（1）取樣過(guò)程：t0A （b） 將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的模擬量的過(guò)程。A t（a）0A t（c）0東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第17頁(yè)頁(yè)0fmaxf（x）0f（y）2fsfs0f（z）2fsfs（2）模擬信號(hào)取樣前后波形與頻譜的變化：A t（a）0tA （b）0A t（c）0東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第18頁(yè)頁(yè)離散信號(hào)要不失真地重現(xiàn)原模擬信號(hào)，必須滿足連續(xù)信號(hào)f(t)的最高頻率fmax的2倍小于或等于

12、取樣信號(hào)的頻率fs的條件，即 2fmaxfs這就是著名的奈奎斯特（Nyquist）取樣定理。數(shù)字電視取樣頻率：l 分量編碼中： 亮度信號(hào)的取樣率為13.5MHz； 色差信號(hào)的取樣頻率均為6.75MHz； 伴音通道取樣頻率一般為36KHz或48KHz。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第19頁(yè)頁(yè)l 復(fù)合編碼中： 通常對(duì)復(fù)合視頻信號(hào)編碼僅需一個(gè)取樣頻率。 NTSC取為12.7MHz或10.7MHz； PAL為13.3MHz或17.7MHz。取樣后的信號(hào)只是在時(shí)間性上實(shí)現(xiàn)了離散化，而幅度取值仍是連續(xù)的。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信

13、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第20頁(yè)頁(yè) （1）量化過(guò)程（見右圖）012345678vt2TT3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T478765421 將采樣后時(shí)間上離散的模擬量轉(zhuǎn)換成某個(gè)確定的最小單位的整數(shù)倍的過(guò)程稱為量化。 （2)數(shù)字電視信號(hào)量化準(zhǔn)則（分量編碼方式）： 伴音：14bit量化； 亮度：8bit量化； 色度：6bit量化。2. 量化：東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第21頁(yè)頁(yè)時(shí)刻 輸入信號(hào) 二進(jìn)制編碼 T 4 0100 2T 7 0111 3T 8 1000 4T 7 0111 5T 6 0110 6T 5 0101

14、7T 4 0100 8T 2 0010 9T 1 0001（1）編碼過(guò)程：012345678vt2TT3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T478765421將量化后的電視信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼的過(guò)程。 （2） 數(shù)字電視編碼：3.編碼：東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第22頁(yè)頁(yè) 伴音信號(hào)：用14bit偏移二進(jìn)碼，分辨率約80dB； 亮度信號(hào)：用8bit自然二進(jìn)碼或格雷碼，分辨率約40dB； 色度信號(hào)：用6bit偏移二進(jìn)碼，分辨率約20dB。 4、編碼方式 （1） 復(fù)合編碼方式： 指直接針對(duì)復(fù)合視頻信號(hào)進(jìn)行取樣、量化、編碼。復(fù)合編碼框圖（見

15、下圖）低通濾波取樣器量化器編碼器 復(fù)合編碼方式特點(diǎn)：碼率低、設(shè)備簡(jiǎn)單、圖象質(zhì)量較差。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第23頁(yè)頁(yè)（2）分量編碼方式 分量編碼是對(duì)亮度信號(hào)、兩個(gè)色差信號(hào)分別進(jìn)行取樣、量化、編碼、時(shí)分復(fù)接和傳輸。分量編碼框圖（見下圖）全電視信號(hào)輸出取樣器低通濾波量化器編碼器取樣器低通濾波量化器編碼器取樣器低通濾波量化器編碼器亮色分離數(shù)字全電視信號(hào)編碼EY EB-YER-Y 分量編碼方式特點(diǎn)：圖象質(zhì)量好，但設(shè)備造價(jià)高昂。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第24頁(yè)頁(yè) 活動(dòng)的電視圖像信號(hào)是

16、非常復(fù)雜的多維時(shí)空函數(shù)，其數(shù)字化過(guò)程如按一般PCM技術(shù)，以PAL制電視信號(hào)為例，未經(jīng)壓縮的全數(shù)字電視信號(hào)的總數(shù)碼率將達(dá)216Mb/s（216106b/s），則一張640MB（640106字節(jié)，8比特為1個(gè)字節(jié)）容量的光盤儲(chǔ)存的視頻數(shù)據(jù)只夠播放20s左右；若按PCM二進(jìn)制傳輸信道，每1Hz帶寬傳輸?shù)淖罡邤?shù)碼率是2b/s計(jì)算，則其信號(hào)需要帶寬108MHz，這是現(xiàn)有模擬電視帶寬的10倍以上。結(jié)論： 數(shù)字視頻信號(hào)必須經(jīng)過(guò)壓縮編碼后才能送入現(xiàn)有信道傳輸。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第25頁(yè)頁(yè)視頻信號(hào)壓縮編碼可行性分析；（1） 視頻圖象壓縮編碼機(jī)理通

17、常利用兩個(gè)基本原理： 利用圖象信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性； 利用人眼視覺的視覺特性。（2）壓縮算法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 壓縮比未經(jīng)壓縮所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量 與經(jīng)過(guò)壓縮所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量 的比值。 圖像質(zhì)量人的視覺效果：人在2米內(nèi)觀察所作的評(píng)價(jià)，是一個(gè)主觀標(biāo)準(zhǔn)；信噪比：通過(guò)儀器測(cè)量，客觀標(biāo)準(zhǔn)。 軟、硬件開銷 東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第26頁(yè)頁(yè)l無(wú)損壓縮利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)冗余進(jìn)行壓縮，可完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)；受到統(tǒng)計(jì)冗余度 的限制，壓縮率一般比較低（例如 2:1）；例：Huffman編碼、算術(shù)編碼、游程編碼。l有損壓縮允許在壓縮過(guò)程中 損失一定的信息，但損失的信息影響??；壓縮比

18、較高；例：預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、空域方法l標(biāo)準(zhǔn)通常將兩者聯(lián)合使用 混合編碼：JPEG, MPEG, H.261, H.264東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第27頁(yè)頁(yè)四種數(shù)據(jù)壓縮編碼方法： 利用空間冗余度的編碼方式：DCT編碼、差分編碼DPCM（一維預(yù)測(cè)編碼）、幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼（二維預(yù)測(cè)編碼）、行游程編碼（對(duì)量化后的DCT系數(shù)編碼）； 利用時(shí)間冗余度的編碼方式：差分編碼DPCM、預(yù)測(cè)編碼（主要是幀間預(yù)測(cè)編碼）； 利用視覺冗余度的編碼方式：離散余弦變換編碼DCT； 利用統(tǒng)計(jì)冗余度的編碼方式：可變字長(zhǎng)編碼VLC，即霍夫曼編碼。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)

19、驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第28頁(yè)頁(yè)視頻信號(hào)壓縮編碼基本原理（1）圖象預(yù)測(cè)編碼： 圖象預(yù)測(cè)壓縮編碼的思想： 絕大多數(shù)圖象在局部空間和時(shí)間上具有連續(xù)變化性，即原始圖象數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因而可以通過(guò)對(duì)一個(gè)或多個(gè)像素的觀測(cè)，預(yù)測(cè)出未來(lái)相鄰像素的估計(jì)值，這就是預(yù)測(cè)編碼的思想。 圖象預(yù)測(cè)編碼的原理： 是用已傳輸?shù)南袼刂祵?duì)當(dāng)前像素值進(jìn)行預(yù)測(cè)，再對(duì)當(dāng)前像素的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之差值（預(yù)測(cè)誤差）進(jìn)行編碼傳輸，東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第29頁(yè)頁(yè)在接收端，對(duì)收到的預(yù)測(cè)誤差的碼字解碼后再與預(yù)測(cè)值相加，便可得到當(dāng)前像素值。xn

20、xn量化器編碼器解碼器預(yù)測(cè)器預(yù)測(cè)器信道enxnenxnenxn線性預(yù)測(cè)壓縮編碼（DPCM）系統(tǒng)（見下圖）： （2）Huffman編碼（可變字長(zhǎng)編碼VLC）： Huffman碼編碼原理：東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第30頁(yè)頁(yè) 采用可變字長(zhǎng)碼，對(duì)于數(shù)據(jù)符號(hào)出現(xiàn)概率大的，配置字長(zhǎng)短的碼字，反之則反之。編碼后，平均碼長(zhǎng)減小，碼率降低。例題：信源數(shù)據(jù)xi： x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8出現(xiàn)概率： 0.18 0.20 0.19 0.005 0.17 0.15 0.10 0.005Huffman碼01 x200 x3111 x1110

21、 x5 101 x61001 x7 10001 x8 10000 x4x1 0.18x2 0.20 x3 0.19x5 0.17x6 0.15x7 0.10 x8 0.005x4 0.005數(shù)據(jù)符號(hào) 出現(xiàn)概率1011010100001110.010.110.260.610.350.39東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第31頁(yè)頁(yè) （3）離散余弦編碼DCT： DCT變換是無(wú)損編碼，本身不能壓縮數(shù)據(jù)，但原始圖像數(shù)據(jù)完成DCT變換，可方便粗量化處理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。DCT編解碼系統(tǒng)（如下圖示） 8X8子塊碼子輸出f（x.y）F（u.v）Q（u.v）原始圖

22、象數(shù)據(jù)DCT變換量化器編碼器輸入碼子輸入f（x.y）F（u.v）Q（u.v）8X8子塊重建圖象數(shù)據(jù)逆量化解碼器IDCT反變換輸出傳輸信道lJPEG, Joint Photographic Experts Group, 聯(lián)合照片專家組l1991年3月, ISO CD10918號(hào)建議草案 “多灰度靜止圖像的數(shù)字壓縮編碼”l適用于 彩色、和單色多灰度、以及連續(xù)色調(diào) 靜止 數(shù)字圖像 的壓縮標(biāo)準(zhǔn)l主要技術(shù)：離散余弦變換、Huffman編碼、Zig-zag掃描變換東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第32頁(yè)頁(yè)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)

23、家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第33頁(yè)頁(yè)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第34頁(yè)頁(yè)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第35頁(yè)頁(yè)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第36頁(yè)頁(yè)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第37頁(yè)頁(yè)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第38頁(yè)頁(yè)lMPEG, Moving Picture Coding Experts Group,

24、 活動(dòng)圖像專家組l成立于1988年1月, 致力于研究、開發(fā) 數(shù)字壓縮標(biāo)準(zhǔn)l所開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)已被批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，形成MPEG系列MPEG-1MPEG-4MPEG-7東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第39頁(yè)頁(yè) （1） MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)：1992年11月推出 主要內(nèi)容包括： 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)：描述了數(shù)字音、視頻和輔助數(shù)據(jù)流等復(fù)用和同步的方法； 視頻標(biāo)準(zhǔn)：描述了數(shù)字視頻數(shù)據(jù)壓縮編碼方法，壓縮比可達(dá)200:1 ； 音頻標(biāo)準(zhǔn)：描述了數(shù)字音頻數(shù)據(jù)壓縮編碼方法，壓縮比可達(dá)10:1 。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第4

25、0頁(yè)頁(yè) （2）MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)：于1994年11月推出 主要內(nèi)容包括： 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)：描述關(guān)于多路視、音頻、數(shù)據(jù)和節(jié)目碼流的復(fù)用方式和同步的方法； 視頻標(biāo)準(zhǔn)：描述了視頻數(shù)字壓縮編、解碼的方法； 音頻標(biāo)準(zhǔn)：描述了音頻數(shù)字的編碼與解碼，并擴(kuò)展了MPEG-1的音頻標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到環(huán)繞聲5.1聲道標(biāo)準(zhǔn)； 一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：描述測(cè)試碼流是否符合MPEG-2碼流的方法；東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第41頁(yè)頁(yè) 軟件仿真標(biāo)準(zhǔn)：描述了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的以上3部分的軟件實(shí)現(xiàn)方法。 （3） MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)采用幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼技術(shù)，進(jìn)一步去除時(shí)間冗余。為了區(qū)分幀內(nèi)與幀間編

26、碼，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)定義了三種編碼圖像： 幀內(nèi)編碼圖像（ I幀）：I幀圖像的壓縮比約為（25）:1。 場(chǎng)景變換后的第一幀畫面，是一個(gè)獨(dú)立的可作參照的畫面，這個(gè)畫面的數(shù)據(jù)要求全面記錄，保存與傳輸。畫面數(shù)據(jù)代表活動(dòng)圖像的主體內(nèi)容和背景信息，它是產(chǎn)生P幀和B幀的基礎(chǔ)。通常，每12幀到15幀，一個(gè)圖像組有一個(gè)I幀信息。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第42頁(yè)頁(yè) 雙向預(yù)測(cè)編碼圖像（B幀），以 I 幀和P幀為參考幀，進(jìn)行雙向預(yù)測(cè)編碼，預(yù)測(cè)精度很高，壓縮比為（2030）:1。傳送了I和P幀畫面間之間的主體變化情況，它的數(shù)據(jù)是參考前后幀得到的。在一個(gè)圖像幀組

27、的各個(gè)畫面，通常背景是相同的，主體發(fā)生了位置和內(nèi)容的變化。通過(guò)兩幀圖像的比較得到一個(gè)最佳的移動(dòng)矢量，然后將這個(gè)移動(dòng)矢量方向與距離進(jìn)行傳輸。移動(dòng)后和移動(dòng)前的畫面進(jìn)行插值。 前向預(yù)測(cè)編碼圖像（P幀）：根據(jù)前面最靠近的 I 幀或P幀作為參考幀進(jìn)行前向預(yù)測(cè)編碼的圖像，壓縮比（510）:1；只傳送此幀與參考幀在主體內(nèi)容上的變化差異，不傳送圖像的背景信息。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第43頁(yè)頁(yè)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第44頁(yè)頁(yè) 實(shí)驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析已經(jīng)證明，音頻信號(hào)中存在多種冗余，主要是時(shí)域冗余、

28、頻域冗余和聽覺冗余等。這些冗余的存在，使音頻數(shù)字信號(hào)的壓縮得以實(shí)現(xiàn)。1. 音頻數(shù)據(jù)壓縮編碼的可能性 （1）時(shí)域冗余：幅度分布的非均勻性，樣值間的相關(guān)性，信號(hào)周期之間的相關(guān)性，長(zhǎng)時(shí)自相關(guān)，靜音、語(yǔ)音之間的停頓間歇都是冗余量。 （2）頻域冗余：長(zhǎng)時(shí)間隔功率譜密度具有非均勻性以及語(yǔ)音信號(hào)具有短時(shí)功率譜密度，具有相關(guān)性。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第45頁(yè)頁(yè) （3）聽覺冗余：聽覺頻率范圍、人耳對(duì)聲音響度的響應(yīng)呈對(duì)數(shù)關(guān)系、人耳具有聽覺閾特性、人耳具有掩蔽閾效應(yīng)。頻譜掩蔽效應(yīng)：在安靜的環(huán)境中人耳剛剛能感覺到的最小聲音強(qiáng)度稱為靜掩蔽門限，其與頻率變化的

29、曲線如圖所示。 聲級(jí)/dB不可聽區(qū)可聽區(qū)靜掩蔽門限0.2 0.512520f/kHz0東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第46頁(yè)頁(yè)當(dāng)有一個(gè)強(qiáng)度為70dB、頻率為1kHz的純音出現(xiàn)時(shí)，與靜掩蔽門限曲線混合，形成新的同掩蔽門限曲線聲級(jí) / dB不可聽區(qū)可聽區(qū)同掩蔽門限0.2 0.512520f/kHz070東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第47頁(yè)頁(yè)2. 常用音頻數(shù)字信號(hào)的壓縮編碼 感知編碼、波形編碼、參數(shù)編碼、混合編碼 （1）感知編碼 感知編碼是利用人耳的掩蔽效應(yīng)和其它冗余，在維 持取樣頻率不變和

30、保證音頻信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的情況下，通過(guò)減少數(shù)字信號(hào)的字長(zhǎng)來(lái)降低總碼率。 感知編碼的基本工作原理為：對(duì)輸入音頻信號(hào)的頻率和幅度進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與人的聽覺模型相比較，東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第48頁(yè)頁(yè)凡符合模型的信息（人耳能夠感覺到的）保留下來(lái)，對(duì)聽覺不能感覺到的內(nèi)容丟棄，從而降低了碼率。 （2）波形編碼 波形編碼是指直接對(duì)時(shí)域或頻域中的音頻信號(hào)波形進(jìn)行取樣編碼。它主是利用音頻取樣值在時(shí)域或頻域中存在的某些冗余進(jìn)行壓縮，力求使還原后的音頻信號(hào)波形與原音頻信號(hào)波形保持一致。 常見的波形編碼方法主要有： 子帶編碼 自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制東南大學(xué)

31、移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第49頁(yè)頁(yè) （3）參數(shù)編碼 根據(jù)對(duì)聲音形成要素的分析和人耳的聽覺分辨力，建立產(chǎn)生語(yǔ)音信號(hào)的模型，再在聲音信號(hào)中提取代表語(yǔ)音信號(hào)特征的參數(shù)進(jìn)行編碼。 （4）混合編碼 結(jié)合兩種或兩種以上的壓縮編碼方法，利用各自的長(zhǎng)處進(jìn)行混合編碼，實(shí)現(xiàn)在較低的數(shù)碼率上獲得較高的音質(zhì)。 自適應(yīng)變換編碼等。 該編碼技術(shù)壓縮比高，重建音頻信號(hào)的質(zhì)量較差，不適合用于保真度高的場(chǎng)合，一般多用于語(yǔ)音信號(hào)的壓縮編碼。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第50頁(yè)頁(yè)3 .音頻壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 常用音頻數(shù)字信號(hào)壓

32、縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有： MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、杜比AC-3等 （1）MPEG-2音頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 在MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種音頻數(shù)據(jù)壓縮編碼算法，其一是向下兼容多聲道音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱MPEG-2 BC，即它與MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)是兼容的；其二是高級(jí)音頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱MPEG-2 ACC。它們的特點(diǎn)分別如下： MPEG-2 BC的主要特點(diǎn)：它與MPEG-1相比，主要做了兩個(gè)方面的重大改進(jìn)。一是增加聲道數(shù)，支持5.1和7.1聲東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第51頁(yè)頁(yè)道的環(huán)繞聲；二是為某些低碼率應(yīng)用場(chǎng)合增加了三種較低的取樣頻

33、率（16kHz、22.05kHz和24kHz）。 MPEG-2 ACC的主要特點(diǎn)：它是一種非常靈活的聲音感知編碼標(biāo)準(zhǔn)，在編碼原理上主要利用了聽覺系統(tǒng)的掩蔽特性來(lái)壓縮音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量，并把量化噪聲分散到各個(gè)子帶之中，再用全局信號(hào)把噪聲掩蔽掉。因而，可達(dá)到用較低的比特率實(shí)現(xiàn)高音質(zhì)。同時(shí)，MPEG-2 ACC提高了壓縮比，擴(kuò)展了使用范圍，具體指標(biāo)為： 壓縮比為11:1。 支持的取樣頻率可從8kHz到96kHz。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第52頁(yè)頁(yè) 支持48個(gè)主聲道、16個(gè)低頻增強(qiáng)聲道、16個(gè)配音聲道（或稱多語(yǔ)言聲道）和16個(gè)數(shù)據(jù)流等。 （2）

34、杜比AC-3音頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 杜比AC-3標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)杜比實(shí)驗(yàn)室與日本先鋒公司合作開發(fā)，于1994年12月研制成功。主要優(yōu)點(diǎn)有： 真正的立體環(huán)繞聲：杜比AC-3系統(tǒng)分別向左、右環(huán)繞音箱饋送信號(hào)，使環(huán)繞聲道成為立體聲聲道，可實(shí)現(xiàn)聲音定位到后方的某一點(diǎn)。 音頻范圍寬頻帶：杜比AC-3五個(gè)聲道的頻響均為20Hz20kHz，超低音聲道為20Hz120Hz，音場(chǎng)更加擴(kuò)大東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第53頁(yè)頁(yè)，方向感增強(qiáng)。動(dòng)態(tài)范圍極其寬廣且可控： 各個(gè)通道完全隔離：東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第5

35、4頁(yè)頁(yè)1.信道編碼的必要性 數(shù)字電視信號(hào)在傳輸過(guò)程中將受到信道加性噪聲、乘性噪聲以及多徑衰落等干擾因素的影響，使得信息有可能失真，并出現(xiàn)誤碼（其中數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敃r(shí)干擾尤為嚴(yán)重），使得接收端無(wú)法正確解調(diào)，因此必須進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，進(jìn)一步提高傳輸系統(tǒng)的可靠性。信道編碼必要性、目的及編碼框圖2.信道編碼的目的 信道編碼又叫糾錯(cuò)編碼，是將數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行編碼,以東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第55頁(yè)頁(yè)使編碼后的傳送碼流與信道傳輸特性匹配，根本目的是提高信息傳輸?shù)目煽啃?，即提高?shù)字電視系統(tǒng)的抗干擾性。3.信道編碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 信道編碼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由復(fù)用與

36、匹配能量擴(kuò)散、外碼編碼、交織、內(nèi)碼編碼、基帶形成和信道調(diào)制等組成。多路視頻音頻數(shù)據(jù)節(jié)目復(fù)用復(fù)用匹配能量擴(kuò)散外碼編碼數(shù)據(jù)交織內(nèi)碼編碼基帶形成信道調(diào)制音頻視頻數(shù)據(jù)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第56頁(yè)頁(yè)4.信道編碼的特性：l對(duì)所傳信息的內(nèi)容不加任何限制；l具有與信道相適應(yīng)的頻譜，要求編碼器輸出 碼流的頻譜特性適應(yīng)信道的頻譜特性，從而使傳輸過(guò)程中能量損失最小，提高信道能量與噪聲能量的比例，減少發(fā)生差錯(cuò)的可能性；l有糾錯(cuò)能力，效率高；l具有定時(shí)信息，需要加同步信息，幅度識(shí)別信息和時(shí)鐘信息。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

37、室（NCRLSEU） 第第57頁(yè)頁(yè)糾錯(cuò)原理 1.差錯(cuò)控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)有兩種功能：即差錯(cuò)控制編碼與差錯(cuò)控制解碼。差錯(cuò)控制編碼子系統(tǒng)差錯(cuò)控制解碼子系統(tǒng)信道 （1）差錯(cuò)控制編碼 指在信源編碼數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加一些冗余碼元（監(jiān)督碼元），使監(jiān)督碼元與信元之間建立一種確定關(guān)系。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第58頁(yè)頁(yè)2. 差錯(cuò)控制的基本方式 （1）前向糾錯(cuò)（FEC） 信息在發(fā)信端經(jīng)糾錯(cuò)編碼后送入信道，接收端通過(guò)糾錯(cuò)解碼自動(dòng)檢錯(cuò)、糾錯(cuò)，稱之為前向糾錯(cuò)。前向糾錯(cuò)不需要反復(fù)重發(fā)而延誤傳輸時(shí)間，對(duì)實(shí)時(shí)傳輸有利，但是糾錯(cuò)設(shè)備比較復(fù)雜，特別是糾錯(cuò)能力有限。 前向糾錯(cuò)

38、（FEC）基本原理框圖及基本結(jié)構(gòu)框圖 （2）差錯(cuò)控制解碼 指在接收端，根據(jù)監(jiān)督碼元與信元之間已知的特定關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)、糾錯(cuò)。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第59頁(yè)頁(yè)發(fā)送端接收端能夠糾正錯(cuò)誤 前向糾錯(cuò)基本原理編碼器前向信道解碼器 前向糾錯(cuò)基本結(jié)構(gòu) （2）反饋重發(fā)（ARQ） 發(fā)送端發(fā)送檢錯(cuò)碼，接收端通過(guò)解碼器檢測(cè)接受碼組是否符合編碼規(guī)律，從而判決該碼是否為誤碼，若是誤碼則向發(fā)送端請(qǐng)求重發(fā)，直到接收端確認(rèn)接收正確為止，稱之為反饋重發(fā)。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第60頁(yè)頁(yè) 反饋重發(fā)（ARQ）

39、基本原理框圖及基本結(jié)構(gòu)框圖 編碼器緩沖控制前向信道解碼器反向信道緩沖控制反饋重發(fā)ARQ基本結(jié)構(gòu)發(fā)送端接收端能夠發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤反饋重發(fā)ARQ基本原理應(yīng)答信號(hào) ARQ系統(tǒng)有兩類： 等待式:發(fā)端每發(fā)一個(gè)碼字或一幀就等待受端回音,發(fā)送端收到回音ACK表示發(fā)送無(wú)誤，收到NCK表示請(qǐng)求重發(fā)。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第61頁(yè)頁(yè) 連續(xù)式:對(duì)碼字或幀編號(hào)后連續(xù)發(fā)送，接收端收到有誤的編號(hào)碼字或幀就請(qǐng)求重發(fā)，直到無(wú)誤。 （3）混合糾錯(cuò)（HEC） 混合糾錯(cuò)：“混合糾錯(cuò)”是“前向糾錯(cuò)”及“反饋糾錯(cuò)”兩種方式的混合。其方法是：少量糾錯(cuò)在接收端自動(dòng)糾正，差錯(cuò)較嚴(yán)重，超出

40、自行糾正能力時(shí)，就向發(fā)信端發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)，要求重發(fā)。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第62頁(yè)頁(yè) 混合糾錯(cuò)（HEC）基本原理框圖及基本結(jié)構(gòu)框圖 發(fā)送端接收端能夠發(fā)現(xiàn)并糾正誤碼 混合糾錯(cuò)HEC基本原理應(yīng)答信號(hào)編碼器緩沖控制前向信道解碼器反向信道緩沖控制 混合糾錯(cuò)HEC基本結(jié)構(gòu)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第63頁(yè)頁(yè)3. 糾錯(cuò)碼基本理論 （1）糾錯(cuò)碼相關(guān)知識(shí) 信息碼元與監(jiān)督碼元 信息碼元:是發(fā)送端有信源編碼給出的信息數(shù)據(jù)比特，以k個(gè)碼元為一個(gè)碼組時(shí)，在二進(jìn)制情況下，總共有2k種不同的信息碼組。 監(jiān)

41、督碼元:又稱校驗(yàn)碼元，是為了檢錯(cuò)、糾錯(cuò)而在信道中附加的校驗(yàn)數(shù)據(jù)。通常k個(gè)信息碼元的碼組附加r個(gè)監(jiān)督碼元，組成總碼元數(shù)為n=k+r的碼組。 許用碼組與禁用碼組 東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第64頁(yè)頁(yè) 許用碼組:信道編碼后總碼長(zhǎng)為n的碼組有2n個(gè)， 許用碼組有2k個(gè)，為發(fā)送的信息碼組； 禁用碼組:禁用碼組為：2n- 2k，糾錯(cuò)編碼的作用就是從2n個(gè)碼組中按照規(guī)律選擇出2k個(gè)許用碼組。 糾錯(cuò)編碼的作用就是從2n個(gè)碼組中按照規(guī)律選擇出2k個(gè)許用碼組。 編碼效率 每個(gè)碼組中信息碼元數(shù)k與總碼元數(shù)的比值稱為編碼效率東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南

42、大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第65頁(yè)頁(yè),通常監(jiān)督碼元越多，糾錯(cuò)檢錯(cuò)能力越強(qiáng)，但編碼效率越低。 碼重與碼距 碼重:是指每個(gè)碼組內(nèi)碼元1的數(shù)量。 碼距d:是指沒(méi)兩個(gè)碼組之間的距離。例如：000與101之間的碼距為2；000與111之間的碼距為3。 最小碼距d0:指對(duì)于（n,k）分碼組，許用碼組為2k個(gè)，各碼組之間碼距最小值稱為最小碼距。 最小碼距d0與檢錯(cuò)、糾錯(cuò)能力之間的關(guān)系： 在一個(gè)碼組內(nèi)為了檢知e個(gè)誤碼，應(yīng)滿足關(guān)系式： d0e+1 東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第66頁(yè)頁(yè) 在一個(gè)碼組內(nèi)為了糾正t個(gè)誤碼，應(yīng)滿足關(guān)系式： d

43、02t+1 在一個(gè)碼組內(nèi)為了檢知e個(gè)誤碼并糾正t個(gè)誤碼（et），應(yīng)滿足關(guān)系式： d0re+t+1 （2）糾錯(cuò)碼分類(根據(jù)信道干擾的性質(zhì)) 隨機(jī)錯(cuò)誤:又信道的隨機(jī)噪聲干擾引起，誤碼相對(duì)獨(dú)立，不會(huì)連片出現(xiàn)； 突發(fā)錯(cuò)誤:又突發(fā)噪聲干擾引起，差錯(cuò)成群出現(xiàn)； 混合錯(cuò)誤:既有隨機(jī)錯(cuò)又有誤突發(fā)錯(cuò)誤。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第67頁(yè)頁(yè)糾錯(cuò)碼隨機(jī)誤碼糾錯(cuò)碼突發(fā)誤碼糾錯(cuò)碼分組碼卷積碼交織碼分組碼 線性碼 非線性碼 系統(tǒng)卷積碼 非系統(tǒng)卷積碼 循環(huán)碼 非循環(huán)碼 BCH碼 RS碼 奇偶校驗(yàn)碼 漢明碼 比特交織碼 字節(jié)交織碼 糾錯(cuò)碼分類系統(tǒng)框圖見下圖演演 示示東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLSEU） 第第68頁(yè)頁(yè) 傳輸通道頻帶有上下限，信號(hào)頻率超過(guò)此限，信號(hào)能量就會(huì)在傳輸中很快衰減，信噪比下降，誤碼率增加，且給鄰近信道帶來(lái)很強(qiáng)的干擾。故在傳輸前要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，減少數(shù)字信號(hào)中的高、低頻分量，使能量集中在較窄的頻帶上，再通過(guò)某種調(diào)制進(jìn)行頻譜的搬移，使信號(hào)的頻譜特性與信道的頻譜特性相匹配。 1.數(shù)字信號(hào)載波調(diào)制的必要性與目的 (1)數(shù)字信號(hào)載波調(diào)制的必要性：東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NCRLS