第六章圖像信號的傳輸

1、第六章第六章 圖像信號的傳輸圖像信號的傳輸6.1 信道編碼信道編碼 6.2 圖像通信中的常用糾錯碼圖像通信中的常用糾錯碼 6.3 數(shù)字圖像的傳輸數(shù)字圖像的傳輸 6.4 圖像的傳輸方式圖像的傳輸方式 作業(yè)作業(yè)6.1 信道編碼信道編碼降低誤碼率的常用方法：降低誤碼率的常用方法：v 降低數(shù)字信道本身引起的誤碼；降低數(shù)字信道本身引起的誤碼；v在信源進行信道編碼，以實現(xiàn)自動糾錯或者在信源進行信道編碼，以實現(xiàn)自動糾錯或者檢錯的目的。檢錯的目的。 6.1 信道編碼信道編碼信道的定義及分類信道的定義及分類狹義信道狹義信道：僅包括傳輸媒介的信道。：僅包括傳輸媒介的信道。廣義信道廣義信道：除傳輸媒介外，還包括有關(guān)

2、的部件：除傳輸媒介外，還包括有關(guān)的部件和電路，如天線與饋線、功率、放大器、濾波和電路，如天線與饋線、功率、放大器、濾波器、混頻器、調(diào)制器與解調(diào)器等。器、混頻器、調(diào)制器與解調(diào)器等。 6.1 信道編碼信道編碼模擬通信系統(tǒng)中：模擬通信系統(tǒng)中：調(diào)制信道：指從調(diào)制器的輸出端到解調(diào)器的輸調(diào)制信道：指從調(diào)制器的輸出端到解調(diào)器的輸入端。入端。數(shù)字通信系統(tǒng)中：數(shù)字通信系統(tǒng)中：編碼信道：指從編碼器的輸出端到解碼器的輸編碼信道：指從編碼器的輸出端到解碼器的輸入端。入端。調(diào)制信道和編碼信道的劃分調(diào)制信道和編碼信道的劃分6.1 信道編碼信道編碼從造成傳輸誤碼的信道來看，可將信道分成三從造成傳輸誤碼的信道來看，可將信道分

3、成三類類:1、隨機信道（無記憶信道）、隨機信道（無記憶信道） ：具有隨機誤碼：具有隨機誤碼特性的傳輸信道。特性的傳輸信道。（隨機誤碼：數(shù)據(jù)在信道傳輸時受到隨機噪聲（隨機誤碼：數(shù)據(jù)在信道傳輸時受到隨機噪聲的干擾，造成的誤碼之間是統(tǒng)計獨立、互不相的干擾，造成的誤碼之間是統(tǒng)計獨立、互不相關(guān)的。）關(guān)的。）6.1 信道編碼信道編碼2、突發(fā)信道（有記憶信道）：具有突發(fā)誤碼、突發(fā)信道（有記憶信道）：具有突發(fā)誤碼特性的信道。特性的信道。（突發(fā)誤碼：由于信道中瞬間出現(xiàn)的干擾而引（突發(fā)誤碼：由于信道中瞬間出現(xiàn)的干擾而引起一串誤碼，誤碼之間具有一定的相關(guān)性。）起一串誤碼，誤碼之間具有一定的相關(guān)性。）6.1 信道編碼

4、信道編碼3、混合信道（復合信道）：隨機誤碼和突發(fā)、混合信道（復合信道）：隨機誤碼和突發(fā)誤碼特性并存的信道。誤碼特性并存的信道。 實際中需要設計出既有糾正隨機誤碼能力實際中需要設計出既有糾正隨機誤碼能力又有糾正突發(fā)誤碼能力的信道編碼方式。又有糾正突發(fā)誤碼能力的信道編碼方式。 6.1 信道編碼信道編碼信道編碼信道編碼信道編碼（差錯控制編碼）的原理：信道編碼（差錯控制編碼）的原理：為了能判斷發(fā)送的信息是否有誤并加以糾正，為了能判斷發(fā)送的信息是否有誤并加以糾正，可以在發(fā)送時在要傳輸?shù)臄?shù)字碼流中人為加入可以在發(fā)送時在要傳輸?shù)臄?shù)字碼流中人為加入多余的碼元（校驗碼或者監(jiān)督碼元）。當發(fā)生多余的碼元（校驗碼或者

5、監(jiān)督碼元）。當發(fā)生誤碼，可以利用信息碼元與多余碼元之間的特誤碼，可以利用信息碼元與多余碼元之間的特定關(guān)系實現(xiàn)誤碼檢出和誤碼糾正。定關(guān)系實現(xiàn)誤碼檢出和誤碼糾正。6.1 信道編碼信道編碼信道編碼的要求：信道編碼的要求：v編碼效率高，抗干擾能力強；編碼效率高，抗干擾能力強；v對數(shù)字信號有良好的透明性；對數(shù)字信號有良好的透明性；v傳輸信號的頻譜特性與信道的通頻帶有最佳匹配傳輸信號的頻譜特性與信道的通頻帶有最佳匹配性；性；v編碼信號內(nèi)包含正確的數(shù)據(jù)定時信息和幀同步信編碼信號內(nèi)包含正確的數(shù)據(jù)定時信息和幀同步信息，以便接收端準確解碼；息，以便接收端準確解碼；v編碼的數(shù)字信號具有適當?shù)碾娖剑痪幋a的數(shù)字信號具有

6、適當?shù)碾娖?；v發(fā)生誤碼時，誤碼的擴散蔓延小。發(fā)生誤碼時，誤碼的擴散蔓延小。6.1 信道編碼信道編碼1.差錯控制的方式差錯控制的方式 在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，常用的差錯控制方式在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，常用的差錯控制方式有四種：前向糾錯有四種：前向糾錯FEC(Front-Error Control)、反饋重發(fā)反饋重發(fā)ARQ(Automatic Repeat Request)、混合差錯控制混合差錯控制HEC(Hybrid Error Control)和信和信息反饋息反饋(IRQ，Information Repeat Request)。差錯控制方式差錯控制方式發(fā)發(fā)收收FECARQHECIRQ能能夠夠糾糾正正錯錯誤

7、誤的的碼碼能能夠夠發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)錯錯誤誤的的碼碼應應答答信信號號能能夠夠發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)和和糾糾正正錯錯誤誤的的碼碼應應答答信信號號信信息息信信號號信信息息信信號號6.1 信道編碼信道編碼v前向糾錯方式：發(fā)送具有糾錯能力的碼，前向糾錯方式：發(fā)送具有糾錯能力的碼，接收端自動糾正錯誤。接收端自動糾正錯誤。特點：特點：(1) 只適用于正向信道只適用于正向信道 (2) 發(fā)送端必須發(fā)出有糾錯能力的碼流發(fā)送端必須發(fā)出有糾錯能力的碼流 (3) 不要求能檢錯重發(fā)不要求能檢錯重發(fā) 6.1 信道編碼信道編碼v反饋重發(fā)（自動重發(fā)請求）方式：發(fā)送具反饋重發(fā)（自動重發(fā)請求）方式：發(fā)送具有一定檢錯能力的碼，通過反饋重發(fā)進行有一定檢錯能

8、力的碼，通過反饋重發(fā)進行糾錯。糾錯。v混合糾錯方式：是前兩種方式的結(jié)合。發(fā)混合糾錯方式：是前兩種方式的結(jié)合。發(fā)送具有一定糾錯檢錯能力的碼元，誤碼在送具有一定糾錯檢錯能力的碼元，誤碼在糾錯能力之內(nèi)進行糾錯；超過能力之外進糾錯能力之內(nèi)進行糾錯；超過能力之外進行重發(fā)糾錯。行重發(fā)糾錯。6.1 信道編碼信道編碼v信息反饋方式：接收端把收到的數(shù)據(jù)反饋信息反饋方式：接收端把收到的數(shù)據(jù)反饋回發(fā)送端，由發(fā)送端將出錯的數(shù)據(jù)糾錯后回發(fā)送端，由發(fā)送端將出錯的數(shù)據(jù)糾錯后重新發(fā)送。重新發(fā)送。優(yōu)點：不需要糾錯、檢錯電路，控制設備和檢優(yōu)點：不需要糾錯、檢錯電路，控制設備和檢錯設備簡單。錯設備簡單。缺點：整個通信系統(tǒng)的傳信率很

9、低。缺點：整個通信系統(tǒng)的傳信率很低。 6.1 信道編碼信道編碼2.糾錯碼的分類糾錯碼的分類v按檢錯糾錯能力的不同，分為：檢錯碼、按檢錯糾錯能力的不同，分為：檢錯碼、糾錯碼和糾刪碼。糾錯碼和糾刪碼。v按誤碼產(chǎn)生原因的不同，分為：糾隨機誤按誤碼產(chǎn)生原因的不同，分為：糾隨機誤碼的糾錯碼和糾突發(fā)誤碼的糾錯碼。碼的糾錯碼和糾突發(fā)誤碼的糾錯碼。v按信息碼元與監(jiān)督碼元之間的檢驗關(guān)系，按信息碼元與監(jiān)督碼元之間的檢驗關(guān)系，分為：線性碼和非線性碼。分為：線性碼和非線性碼。6.1 信道編碼信道編碼v按信息碼元與監(jiān)督碼元之間約束方式的不按信息碼元與監(jiān)督碼元之間約束方式的不同，分為：分組碼和卷積碼。同，分為：分組碼和卷

10、積碼。v按照信道編碼之后信息碼元序列是否保持按照信道編碼之后信息碼元序列是否保持原樣不變，分為：系統(tǒng)碼（組織碼）和非原樣不變，分為：系統(tǒng)碼（組織碼）和非系統(tǒng)碼（非組織碼）。系統(tǒng)碼（非組織碼）。6.1 信道編碼信道編碼3.差錯控制編碼的基本概念差錯控制編碼的基本概念1）信息碼元和監(jiān)督碼元）信息碼元和監(jiān)督碼元信息碼元：又稱為信息序列或信息位，是發(fā)送信息碼元：又稱為信息序列或信息位，是發(fā)送端由信源編碼給出的信息數(shù)據(jù)比特。端由信源編碼給出的信息數(shù)據(jù)比特。監(jiān)督碼元：又稱為監(jiān)督位或校驗碼元，是為了監(jiān)督碼元：又稱為監(jiān)督位或校驗碼元，是為了檢錯糾錯在信道編碼中加入的校驗數(shù)據(jù)。檢錯糾錯在信道編碼中加入的校驗數(shù)據(jù)

11、。6.1 信道編碼信道編碼2）許用碼組和禁用碼組）許用碼組和禁用碼組許用碼組：在信道編碼后可以有許用碼組：在信道編碼后可以有2n個總長個總長n的的不同碼組值，其中可以發(fā)送的信息碼組。不同碼組值，其中可以發(fā)送的信息碼組。禁用碼組：其中不予傳送的信息碼組。禁用碼組：其中不予傳送的信息碼組。6.1 信道編碼信道編碼3）碼重和碼距）碼重和碼距碼重：分組編碼中，每個碼組內(nèi)碼元碼重：分組編碼中，每個碼組內(nèi)碼元“1”的數(shù)的數(shù)目。目。碼距（漢明距離）：每兩個碼組間相應位置上碼距（漢明距離）：每兩個碼組間相應位置上碼元值不相同的個數(shù)。碼元值不相同的個數(shù)。最小碼距：各碼組之間的碼距的最小值。用最小碼距：各碼組之間

12、的碼距的最小值。用d0或者或者dmin表示。表示。6.1 信道編碼信道編碼4）編碼效率）編碼效率 指每個碼組內(nèi)信息碼元數(shù)指每個碼組內(nèi)信息碼元數(shù)k值與總碼元數(shù)值與總碼元數(shù)n值之比。值之比。r ：監(jiān)督碼元數(shù)：監(jiān)督碼元數(shù)rkknk6.1 信道編碼信道編碼5）編碼增益）編碼增益 在誤碼率一定的條件下，非編碼系統(tǒng)需要在誤碼率一定的條件下，非編碼系統(tǒng)需要的輸入信噪比與采用了糾錯編碼的系統(tǒng)所需的的輸入信噪比與采用了糾錯編碼的系統(tǒng)所需的輸入信噪比之間的差值（用輸入信噪比之間的差值（用dB表示）。表示）。6.2 圖像通信中的常用糾錯碼圖像通信中的常用糾錯碼 一、線性分組碼一、線性分組碼1、基本概念、基本概念分組

13、碼：將信源編碼輸出的信息碼元序列以分組碼：將信源編碼輸出的信息碼元序列以k個個碼元為一組，對每組信息碼元按一定規(guī)律附加碼元為一組，對每組信息碼元按一定規(guī)律附加上上r個監(jiān)督碼元，輸出碼長為個監(jiān)督碼元，輸出碼長為nk+r個碼元的一個碼元的一組碼。組碼。通常用通常用(n,k)表示。表示。6.2 圖像通信中的常用糾錯碼圖像通信中的常用糾錯碼 線性分組碼線性分組碼：如果在某一種分組碼中，監(jiān)督碼：如果在某一種分組碼中，監(jiān)督碼元和信息碼元之間的關(guān)系是用線性方程式聯(lián)系元和信息碼元之間的關(guān)系是用線性方程式聯(lián)系起來的，或者說它們之間滿足線性變換關(guān)系。起來的，或者說它們之間滿足線性變換關(guān)系。具體例子：具體例子：奇偶

14、校驗碼：通過增加冗余位使得碼字中奇偶校驗碼：通過增加冗余位使得碼字中“1”的的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)的編碼方法。個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)的編碼方法。6.2 圖像通信中的常用糾錯碼圖像通信中的常用糾錯碼 偶校驗的監(jiān)督方程式：偶校驗的監(jiān)督方程式：其中其中an-1 到到a1 為信息碼元，為信息碼元， a0為監(jiān)督碼元。為監(jiān)督碼元。接收端的檢錯：接收端的檢錯：s稱為校驗子或校正子。稱為校驗子或校正子。0021aaann021aaasnn6.2 圖像通信中的常用糾錯碼圖像通信中的常用糾錯碼 如果如果s0，表示無誤碼或者有偶數(shù)個誤碼；，表示無誤碼或者有偶數(shù)個誤碼；如果如果s1，表示有誤碼。，表示有誤碼。簡單的奇偶校驗碼中

15、，只有一個監(jiān)督方程式，簡單的奇偶校驗碼中，只有一個監(jiān)督方程式，只能檢錯不能糾錯。只能檢錯不能糾錯?？偨Y(jié)：一般若有總結(jié)：一般若有r個監(jiān)督碼元，就有個監(jiān)督碼元，就有r個監(jiān)督方個監(jiān)督方程式和程式和r個校驗子個校驗子s1，s2，sr，可給出，可給出2r種種狀態(tài)，其中狀態(tài)，其中2r-1種狀態(tài)可指明種狀態(tài)可指明2r-1個誤碼位置。個誤碼位置。6.2 圖像通信中的常用糾錯碼圖像通信中的常用糾錯碼 2、漢明碼、漢明碼是一種高效的能糾單個錯誤的線性分組碼。是一種高效的能糾單個錯誤的線性分組碼。特點：在糾正單個錯誤時，漢明碼用的監(jiān)督碼特點：在糾正單個錯誤時，漢明碼用的監(jiān)督碼元最少。元最少。6.2 圖像通信中的常用

16、糾錯碼圖像通信中的常用糾錯碼 3、RS碼碼是一種適合于多進制的、具有強糾錯能力的是一種適合于多進制的、具有強糾錯能力的BCH碼。碼。BCH碼：一種能夠糾正多個隨機錯誤的循環(huán)碼：一種能夠糾正多個隨機錯誤的循環(huán)碼，具有循環(huán)性。碼，具有循環(huán)性。循環(huán)性：指循環(huán)碼中任一許用碼字經(jīng)過循環(huán)位循環(huán)性：指循環(huán)碼中任一許用碼字經(jīng)過循環(huán)位移后所得到的碼字（碼組）仍然為一組許用碼移后所得到的碼字（碼組）仍然為一組許用碼字。字。6.2 圖像通信中的常用糾錯碼圖像通信中的常用糾錯碼 RS碼：是一類非二元碼：是一類非二元BCH碼。碼。在（在（n，k）碼組的）碼組的RS碼中，輸入數(shù)據(jù)流劃分為碼中，輸入數(shù)據(jù)流劃分為km比特一組

17、，每組內(nèi)包括比特一組，每組內(nèi)包括k個符號，每個符個符號，每個符號由號由m個比特組成。個比特組成。6.2 圖像通信中的常用糾錯碼圖像通信中的常用糾錯碼 二、交織碼二、交織碼用于糾正突發(fā)性錯誤。用于糾正突發(fā)性錯誤。交織技術(shù)的基本思想：將已經(jīng)經(jīng)過糾錯編碼的交織技術(shù)的基本思想：將已經(jīng)經(jīng)過糾錯編碼的碼元次序按事先所作的規(guī)定進行置換，被置換碼元次序按事先所作的規(guī)定進行置換，被置換的過程稱為交織編碼。的過程稱為交織編碼。若出現(xiàn)誤碼，可通過交織反變換將集中誤碼分若出現(xiàn)誤碼，可通過交織反變換將集中誤碼分散開，再利用糾錯技術(shù)將誤碼糾正過來。散開，再利用糾錯技術(shù)將誤碼糾正過來。6.2 圖像通信中的常用糾錯碼圖像通信

18、中的常用糾錯碼 1、塊交織（矩陣交織）、塊交織（矩陣交織）工作過程：在發(fā)送端，編碼序列送入一個交織工作過程：在發(fā)送端，編碼序列送入一個交織寄存器矩陣（寄存器矩陣（BN），將輸入序列按列寫入，），將輸入序列按列寫入，讀取時按行讀出，再送入信道；接收端將序列讀取時按行讀出，再送入信道；接收端將序列存入一個交織寄存器矩陣，但按行寫入，按列存入一個交織寄存器矩陣，但按行寫入，按列讀出。讀出。塊交織舉例塊交織舉例01234567891011121314151617181920212223242526276.2 圖像通信中的常用糾錯碼圖像通信中的常用糾錯碼 2、卷積交織、卷積交織BN卷積交織器：卷積交織器

19、：6.2 圖像通信中的常用糾錯碼圖像通信中的常用糾錯碼 待交織的符號分別進入待交織的符號分別進入N條支路延遲器，每一路延條支路延遲器，每一路延遲不同的符號周期，第一路無延遲，第二路延遲遲不同的符號周期，第一路無延遲，第二路延遲B個個符號周期，第符號周期，第N路延遲路延遲(N-1)B個符號周期，其中個符號周期，其中B=B/N。 接收端的解交織器的各支路延遲時間與交織器相接收端的解交織器的各支路延遲時間與交織器相反，第一路延遲反，第一路延遲(N-1)B個符號周期，第二路個符號周期，第二路(N-2)B個符號周期，依次類推，第個符號周期，依次類推，第N路無延遲。路無延遲。6.2 圖像通信中的常用糾錯碼

20、圖像通信中的常用糾錯碼 三、卷積碼三、卷積碼將將k個信息碼元編碼成個信息碼元編碼成n(nr)比特的碼組，碼比特的碼組，碼組值不僅與當前碼組中的組值不僅與當前碼組中的k個信息碼元有關(guān)，而個信息碼元有關(guān)，而且與其前面且與其前面N-1個碼組中的個碼組中的(N-1)k個信息碼元有個信息碼元有關(guān)。關(guān)。表示為（表示為（n,k,N-1)。6.3 數(shù)字圖像的傳輸數(shù)字圖像的傳輸 圖像信息傳輸?shù)膬煞N方式：圖像信息傳輸?shù)膬煞N方式：v模擬方式模擬方式v數(shù)字方式數(shù)字方式數(shù)字方式是圖像傳輸?shù)闹饕绞健?shù)字方式是圖像傳輸?shù)闹饕绞健?6.3 數(shù)字圖像的傳輸數(shù)字圖像的傳輸 一、數(shù)字圖像的基帶傳輸一、數(shù)字圖像的基帶傳輸模擬圖像

21、信號經(jīng)數(shù)字化后形成模擬圖像信號經(jīng)數(shù)字化后形成PCM信號，再經(jīng)信號，再經(jīng)過信源編碼數(shù)據(jù)壓縮和信道編碼差錯控制后得過信源編碼數(shù)據(jù)壓縮和信道編碼差錯控制后得到的數(shù)字信號，這種信號所占據(jù)的頻帶通常是到的數(shù)字信號，這種信號所占據(jù)的頻帶通常是從直流和低頻開始，稱為從直流和低頻開始，稱為數(shù)字基帶信號數(shù)字基帶信號。 6.3 數(shù)字圖像的傳輸數(shù)字圖像的傳輸 數(shù)字信號的基帶傳輸：數(shù)字信號的基帶傳輸：在某些有線信道中，數(shù)字基帶信號可以直接傳在某些有線信道中，數(shù)字基帶信號可以直接傳送。送。數(shù)字信號的調(diào)制傳輸：數(shù)字信號的調(diào)制傳輸：在無線信道和光信道中，數(shù)字基帶信號必須經(jīng)在無線信道和光信道中，數(shù)字基帶信號必須經(jīng)過調(diào)制，將信

22、號頻譜搬移到高頻處才能在信道過調(diào)制，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。中傳輸。 6.3 數(shù)字圖像的傳輸數(shù)字圖像的傳輸 1、數(shù)字基帶信號的碼型選擇、數(shù)字基帶信號的碼型選擇選擇的原則：選擇的原則：碼型的頻譜中直流、低頻和高頻分量應盡量少；碼型的頻譜中直流、低頻和高頻分量應盡量少；應包含定時信息；應包含定時信息；碼型變換設備要簡單可靠；碼型變換設備要簡單可靠；碼型具有一定的檢錯能力；碼型具有一定的檢錯能力；發(fā)生誤碼時要求碼型不至造成誤碼擴散；發(fā)生誤碼時要求碼型不至造成誤碼擴散；碼型變換過程不受信源統(tǒng)計特性的影響碼型變換過程不受信源統(tǒng)計特性的影響。6.3 數(shù)字圖像的傳輸數(shù)字圖像的傳輸 2、常用的

23、數(shù)字基帶信號的碼型、常用的數(shù)字基帶信號的碼型1）單極性碼）單極性碼 碼型簡單，但存在直流分量且信號能量大碼型簡單，但存在直流分量且信號能量大部分集中于低頻部分，主要用于設備內(nèi)部的傳部分集中于低頻部分，主要用于設備內(nèi)部的傳輸，較少用在信道傳輸。輸，較少用在信道傳輸。6.3 數(shù)字圖像的傳輸數(shù)字圖像的傳輸 2）雙極性半占空碼）雙極性半占空碼“1”碼的極性是交替反轉(zhuǎn)的，稱為碼的極性是交替反轉(zhuǎn)的，稱為AMI碼。碼。編碼方法：編碼方法：“0”仍為仍為“0”，“1”交替編碼為交替編碼為“+1”和和”-1。特點：無直流分量，低頻、高頻分量較少，節(jié)特點：無直流分量，低頻、高頻分量較少，節(jié)省信號頻帶，碼型具有一定

24、檢錯能力，無時鐘省信號頻帶，碼型具有一定檢錯能力，無時鐘信息。信息。6.3 數(shù)字圖像的傳輸數(shù)字圖像的傳輸 3）三階高密度雙極性碼）三階高密度雙極性碼HDB3是雙極性碼的變形，用來避免序列中連續(xù)出現(xiàn)是雙極性碼的變形，用來避免序列中連續(xù)出現(xiàn)n個以上連個以上連0” 的情況。的情況。特點：克服了由于連特點：克服了由于連“0”碼過多，而影響定時碼過多，而影響定時信信息的提取。息的提取。6.3 數(shù)字圖像的傳輸數(shù)字圖像的傳輸 二二數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制技術(shù)調(diào)制信號為離散數(shù)字型的正弦波調(diào)制。調(diào)制信號為離散數(shù)字型的正弦波調(diào)制。一般常用的是鍵控載波的調(diào)制方法（幅度鍵控一般常用的是鍵控載波的調(diào)制方法（幅度鍵控ASK、移頻鍵控、移頻鍵控FSK、移相鍵控、移相鍵控PSK）以及正）以及正交幅度調(diào)制交幅度調(diào)制QAM方法。方法。6.4 圖像的傳輸方式圖像的傳輸方式 微波傳輸微波傳輸 微 波 是 一 種 具 有 極 高 頻 率 （ 通 常 為微 波 是 一 種