現(xiàn)代通信原理6第六章-自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制資料

現(xiàn)代通信(tōngxìn)原理第六章自適應(yīng)(shìyìng)差分脈碼調(diào)制第一頁(yè)，共四十六頁(yè)。1編輯課件單元(dānyuán)概述

差分脈沖編碼調(diào)制由增量調(diào)制演變而來(lái)，它用二進(jìn)制碼組對(duì)信號(hào)的差值進(jìn)行幅度量化和編碼。這里所謂“差分”又稱(chēng)“差值”，是一般意義上的“增量”，即信號(hào)的當(dāng)前抽樣值與預(yù)測(cè)(yùcè)值之差。ADPCM之所以能用較小的碼組編碼，而獲得接近PCM的量化信噪比，其關(guān)鍵在于“預(yù)測(cè)(yùcè)”。“預(yù)測(cè)(yùcè)”得越準(zhǔn)確，“差值”就會(huì)越小，就可以用較少的位數(shù)量化而具有較小的量化噪聲。第二頁(yè)，共四十六頁(yè)。2編輯課件單元(dānyuán)學(xué)習(xí)提綱

（1）差分(chàfēn)脈沖編碼調(diào)制原理和方框圖，差值信號(hào)、預(yù)測(cè)信號(hào)、重建信號(hào)的含義，差分(chàfēn)脈沖編碼調(diào)制的編碼增益；（2）線性預(yù)測(cè)原理，極點(diǎn)預(yù)測(cè)和零點(diǎn)預(yù)測(cè)的基本概念和物理意義；（3）自適應(yīng)預(yù)測(cè)和自適應(yīng)量化的基本概念和物理意義。第三頁(yè)，共四十六頁(yè)。3編輯課件第六章自適應(yīng)(shìyìng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)

6.1概述

8位PCM編碼,對(duì)于語(yǔ)音傳輸,其速率為64K,需要32K的帶寬,多用于有線傳輸.在無(wú)線通信,特別是移動(dòng)通信中,帶寬資源是非常寶貴(bǎoguì),一般要求信號(hào)具有更低的速率以減小傳輸帶寬.數(shù)字化圖像一般有96M的速率,占用48M的帶寬,就更需要重新設(shè)計(jì)信源編碼形式,以降低速率或數(shù)據(jù)量,便于傳輸和存儲(chǔ).這就提出了壓縮的問(wèn)題第四頁(yè)，共四十六頁(yè)。4編輯課件語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)：低于64kb/s數(shù)碼率的語(yǔ)音編碼技術(shù):差分脈碼調(diào)制(DPCM)自適應(yīng)(shìyìng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)子帶編碼(SBC)矢量量化編碼(VQ)第五頁(yè)，共四十六頁(yè)。5編輯課件6．2DPCM的基本原理任何信號(hào),不論語(yǔ)音或圖像,采用直接采樣-量化-編碼的方式進(jìn)行編碼,都會(huì)發(fā)現(xiàn)碼組之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性.由于相關(guān)性的存在(cúnzài),傳輸數(shù)據(jù)中存在(cúnzài)大量不需要傳輸?shù)男畔?稱(chēng)為冗余.DPCM就是通過(guò)預(yù)測(cè)和差分編碼方式來(lái)減少冗余,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的目的.第六頁(yè)，共四十六頁(yè)。6編輯課件什么是預(yù)測(cè):知道(zhīdào)某時(shí)刻以前信號(hào)的表現(xiàn),就可以推斷它以后的數(shù)值.具體到信號(hào)的采樣過(guò)程,就是通過(guò)前幾次的樣值來(lái)預(yù)測(cè)后一次的樣值.第七頁(yè)，共四十六頁(yè)。7編輯課件假如有一個(gè)信號(hào)m(t),用速率1/TS進(jìn)行采樣，那么在時(shí)刻(shíkè)t=nTs，我們可以掌握此前N個(gè)樣值序列

M(nTs),m(nTs-Ts),m(nTs-2Ts),……m(nTs-NTs)根據(jù)(gēnjù)前N個(gè)樣值對(duì)m(nTs)進(jìn)行預(yù)測(cè),定義為:------m(nTs)的預(yù)測(cè)值。Wi----------加權(quán)常數(shù)(chángshù)第八頁(yè)，共四十六頁(yè)。8編輯課件預(yù)測(cè)過(guò)程(guòchéng)可以用以下抽頭延時(shí)濾波器實(shí)現(xiàn)第九頁(yè)，共四十六頁(yè)。9編輯課件DPCM系統(tǒng)(xìtǒng)原理框圖

第十頁(yè)，共四十六頁(yè)。10編輯課件差分脈碼調(diào)制：對(duì)信號(hào)采樣(cǎiyànɡ)值和預(yù)測(cè)值的差值進(jìn)行量化編碼并傳輸.接收端將接收到的差值和恢復(fù)的預(yù)測(cè)值相加得到此次采樣值.由于只傳輸動(dòng)態(tài)范圍較小的差值,所以編碼的碼組不需太長(zhǎng),在DPCM中,一般采用4位.第十一頁(yè)，共四十六頁(yè)。11編輯課件發(fā)送端：差值信號(hào)(xìnhào)d(k)=s(k)-se(k)，量化后得到的dq(k)一方面送入編碼器，另一方面送入本地解碼器產(chǎn)生斜變信號(hào)se(k)

。接收端：先經(jīng)過(guò)(jīngguò)PCM解碼恢復(fù)dq(k)，在經(jīng)過(guò)積分器和LPF即恢復(fù)出模擬信號(hào)sr(k)。第十二頁(yè)，共四十六頁(yè)。12編輯課件DPCM的系統(tǒng)(xìtǒng)總量化誤差：總量化誤差(wùchā)只和差值信號(hào)的量化誤差(wùchā)有關(guān).第十三頁(yè)，共四十六頁(yè)。13編輯課件系統(tǒng)總的量化信噪比等于預(yù)測(cè)增益(zēngyì)與差值量化信噪比的乘積第十四頁(yè)，共四十六頁(yè)。14編輯課件預(yù)測(cè)(yùcè)增益：差值信號(hào)(xìnhào)量化信噪比：

要使信號(hào)總信噪比大,就要使預(yù)測(cè)增益大,也就是增加預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,同時(shí)還要求降低量化噪聲.DPCM就是研究(yánjiū)如何使這兩個(gè)參數(shù)最大,提出了ADPCM(自適應(yīng)差分量化編碼)的思想.第十五頁(yè)，共四十六頁(yè)。15編輯課件線性預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)可分為極點(diǎn)預(yù)測(cè)器和零點(diǎn)預(yù)測(cè)器兩種1.極點(diǎn)預(yù)測(cè)器第十六頁(yè)，共四十六頁(yè)。16編輯課件設(shè)發(fā)送(fāsònɡ)系統(tǒng)預(yù)測(cè)量化器傳遞函數(shù)為D(Z)式中ai是一組預(yù)測(cè)(yùcè)系數(shù)。第十七頁(yè)，共四十六頁(yè)。17編輯課件接收系統(tǒng)(xìtǒng)重建濾波器傳遞函數(shù)H(Z)由于重建濾波器傳遞函數(shù)只有(zhǐyǒu)極點(diǎn)沒(méi)有零點(diǎn),故稱(chēng)為全極點(diǎn)預(yù)測(cè)器.第十八頁(yè)，共四十六頁(yè)。18編輯課件第十九頁(yè)，共四十六頁(yè)。19編輯課件2.零點(diǎn)(línɡdiǎn)預(yù)測(cè)器第二十頁(yè)，共四十六頁(yè)。20編輯課件若預(yù)測(cè)(yùcè)信號(hào)為：Bi是一組預(yù)測(cè)系數(shù)。則重建(zhònɡjiàn)信號(hào)為：第二十一頁(yè)，共四十六頁(yè)。21編輯課件重建濾波器的傳遞函數(shù)只有零點(diǎn)沒(méi)有(méiyǒu)極點(diǎn)，稱(chēng)為全零點(diǎn)預(yù)測(cè)器。第二十二頁(yè)，共四十六頁(yè)。22編輯課件3.極零點(diǎn)(línɡdiǎn)預(yù)測(cè)器第二十三頁(yè)，共四十六頁(yè)。23編輯課件從發(fā)送(fāsònɡ)端從接收端傳遞函數(shù)有零點(diǎn)(línɡdiǎn)有極點(diǎn),稱(chēng)為極零點(diǎn)預(yù)測(cè)器第二十四頁(yè)，共四十六頁(yè)。24編輯課件4.最佳線性預(yù)測(cè)器預(yù)測(cè)器具有一組預(yù)測(cè)系數(shù)ai,bi,怎樣選擇這一組數(shù)據(jù)，使預(yù)測(cè)值更接近實(shí)際值，實(shí)現(xiàn)GP和SNR的最大，是最佳預(yù)測(cè)器所要解決的問(wèn)題。怎樣選擇一組系數(shù)ai，bi，使差值功率(gōnglǜ)E[d2]最小，可以通過(guò)求極限。第二十五頁(yè)，共四十六頁(yè)。25編輯課件對(duì)于(duìyú)一極點(diǎn)預(yù)測(cè)器求偏微分，并令為零。第二十六頁(yè)，共四十六頁(yè)。26編輯課件所以(suǒyǐ)得到一組線性方程第二十七頁(yè)，共四十六頁(yè)。27編輯課件差值信號(hào)在預(yù)測(cè)(yùcè)系數(shù)取最佳值時(shí)最小，有第二十八頁(yè)，共四十六頁(yè)。28編輯課件并假設(shè)信號(hào)(xìnhào)與噪聲無(wú)關(guān)，最佳預(yù)測(cè)(yùcè)增益第二十九頁(yè)，共四十六頁(yè)。29編輯課件5.GP與預(yù)測(cè)階數(shù)的關(guān)系預(yù)測(cè)通常(tōngcháng)要選用前多少次的樣值來(lái)參與，見(jiàn)下圖當(dāng)階數(shù)大于2時(shí)，最佳預(yù)測(cè)增益(zēngyì)就趨于飽和，飽和值一般為6-12dB第三十頁(yè)，共四十六頁(yè)。30編輯課件6.3自適應(yīng)(shìyìng)預(yù)測(cè)

為了獲得最大的預(yù)測(cè)增益,通常采用自適應(yīng)預(yù)測(cè)方式,預(yù)測(cè)系數(shù)(xìshù)在預(yù)測(cè)過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整.

1.前向自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法如前所述,根據(jù)短時(shí)間的相關(guān)特性R(i),求短時(shí)的最佳預(yù)測(cè)系數(shù)，運(yùn)算量大，延遲時(shí)間大，不能用于高速系統(tǒng)。第三十一頁(yè)，共四十六頁(yè)。31編輯課件2.后向序貫自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法在dq(k)最小的情況下,找出最佳預(yù)測(cè)系數(shù),采用不斷修正預(yù)測(cè)系數(shù){ai(k)}的方法來(lái)減小瞬時(shí)(shùnshí)平方差dq2(k),使{ai(k)}不斷接近{aiopt(k)}.

Widrow提出的LMS算法第三十二頁(yè)，共四十六頁(yè)。32編輯課件梯度(tīdù)符號(hào)算法以下來(lái)(xiàlái)說(shuō)明:差值信號(hào)=實(shí)際信號(hào)-預(yù)測(cè)信號(hào),表達(dá)式為:第三十三頁(yè)，共四十六頁(yè)。33編輯課件預(yù)測(cè)過(guò)程(guòchéng)如上圖所示,此次預(yù)測(cè)系數(shù)ai越大,此次的預(yù)測(cè)值Sr(k)就越大.第三十四頁(yè)，共四十六頁(yè)。34編輯課件1.若預(yù)測(cè)信號(hào)Sr(k)>0,差值dq(k)>0,在正信號(hào)情況下預(yù)測(cè)值小于實(shí)際(shíjì)值，應(yīng)增加下一次的預(yù)測(cè)系數(shù)使預(yù)測(cè)值增加。第三十五頁(yè)，共四十六頁(yè)。35編輯課件2.若預(yù)測(cè)信號(hào)Sr(k)>0,差值dq(k)<0,在正信號(hào)情況(qíngkuàng)下預(yù)測(cè)值大于實(shí)際值，應(yīng)減小下一次的預(yù)測(cè)系數(shù)使預(yù)測(cè)值減小。第三十六頁(yè)，共四十六頁(yè)。36編輯課件3.若預(yù)測(cè)(yùcè)信號(hào)Sr(k)<0,差值dq(k)>0,在負(fù)信號(hào)情況下預(yù)測(cè)值大于實(shí)際值，應(yīng)減小下一次的預(yù)測(cè)系數(shù)使預(yù)測(cè)值減小。第三十七頁(yè)，共四十六頁(yè)。37編輯課件4.若預(yù)測(cè)信號(hào)(xìnhào)Sr(k)<0,差值dq(k)<0,在負(fù)信號(hào)情況下預(yù)測(cè)值小于實(shí)際值，應(yīng)增加下一次的預(yù)測(cè)系數(shù)使預(yù)測(cè)值增加。第三十八頁(yè)，共四十六頁(yè)。38編輯課件6.4自適應(yīng)(shìyìng)量化自適應(yīng)預(yù)測(cè)解決了預(yù)測(cè)增益最大的問(wèn)題，自適應(yīng)量化主要解決量化信噪比最大的問(wèn)題，這里的量化是指對(duì)差值信號(hào)的量化。功率變化大（動(dòng)態(tài)范圍大）的信號(hào)，量化器參數(shù)(cānshù)（量化電平{dqn}、分層電平{dn}、量階）應(yīng)能跟上輸入信號(hào)方差的變化。第三十九頁(yè)，共四十六頁(yè)。39編輯課件介紹以下兩種方式：

1、前向自適應(yīng)量化：按輸入信號(hào)的方差來(lái)調(diào)整量化電平{dqn}和分層電平值{dn}.d2大，用大量階；d2小，用小量階。

這種方法(fāngfǎ)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)不易實(shí)現(xiàn)。第四十頁(yè)，共四十六頁(yè)。40編輯課件2、后向自適應(yīng)量化根據(jù)前一時(shí)刻的輸出(shūchū)數(shù)字碼I(k-1)或量化器輸出值{dqn(k-1)}來(lái)確定本次{dn(k)}與{dqn(k)}。是目前常用的方法。Jayant提出的后向自適應(yīng)算法：本次量化間隔=前一次量化間隔*量化調(diào)整因子第四十一頁(yè)，共四十六頁(yè)。41編輯課件上式算法在有傳輸誤碼情況下,會(huì)產(chǎn)生誤碼擴(kuò)散問(wèn)題(wèntí),因此采用修正式:-抗誤碼因子M[|I(K)|]-量化間隔(jiàngé)調(diào)整因子第四十二頁(yè)，共四十六頁(yè)。42編輯課件對(duì)于L=16的DPCM（DPCM通常采用4位編碼，L=16），此表是絕對(duì)值，共8組值，正負(fù)(zhènɡfù)信號(hào)剛好表示16個(gè)值。Jayant等人根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)確定了不同(bùtónɡ)量化電平L時(shí)DPCM量化器的M值見(jiàn)下表第四十三頁(yè)，共四十六頁(yè)。43編輯課件注意：

1、對(duì)于非均勻量化，不能直接使用6-26式。2、6-26式是一種快速瞬時(shí)自適應(yīng)，適用(shìyòng)于語(yǔ)音等電平變化快的信號(hào)。3、對(duì)于MODEM或信令等變化慢的信號(hào)，表6-26要重新定義，M值基本都接近1，只有M[|I(8)|]才略大于1，約為1.024。第四十四頁(yè)，共四十六頁(yè)。44編輯課件自測(cè)題

（1）差分(chàfēn)