集成電路系統(tǒng)和芯片設計

集成電路系統(tǒng)和芯片設計第1頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮1、概述2、心理聲學模型3、數(shù)字聲音壓縮原理4、快速傅里葉變換FFT

5、動態(tài)比特分配6、音頻壓縮標準2第2頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月胡錦濤給青年提5希望：敢于吃苦不怨天尤人青年要干成一番事業(yè)，就必須不畏艱難、矢志奮斗。廣大青年一定要牢記“憂勞興國、逸豫亡身”的道理，敢于吃苦、勇挑重擔，不怨天尤人、不貪圖安逸，依靠自己的辛勤努力開辟人生和事業(yè)的前進道路；一定要牢記“天下大事、必作于細”的道理，從小事做起、從基礎做起，不沉湎幻想、不好高騖遠，用埋頭苦干的行動創(chuàng)造實實在在的業(yè)績；一定要牢記“艱難困苦、玉汝于成”的道理，迎難而上、百折不撓，不畏懼挫折、不彷徨退縮，在千磨萬擊中歷練人生、收獲成功。3第3頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月三、H264/AVC編碼器4第4頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月四、H264/AVC解碼器5第5頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮1、概述2、心理聲學模型3、數(shù)字聲音壓縮原理4、快速傅里葉變換FFT

5、動態(tài)比特分配6、音頻壓縮標準6第6頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮1、概述

聲音壓縮的可能性編解碼方法

MPEG標準

7第7頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮聲音壓縮的可能性

聲音信號中的“冗余”部分

——幅度非均勻分布，小幅度樣值出現(xiàn)概率高——樣值間的相關性，取樣頻率越高，相關性越大——周期間的相關性，特定瞬間只存在少數(shù)頻率分量聲音信號中的“不相關”部分

——人耳對信號的幅度、頻率、時間具有有限分辨力感知編碼（PerceptualCoding）音頻編碼的主流方向

8第8頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

六、音頻壓縮

編解碼方法

波形編碼子帶編碼變換編碼參數(shù)編碼9第9頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮MPEG標準MPEG1MotionPictureExpertsGroup

——Layer1——Layer2,MUSICAMMaskingPatternadaptedUniversalSubbandIntergratedCodingAndMultiplexing

——Layer3,MP3MPEG2

MPEG2BC:支持多聲道聲音形式;低采樣率擴展

MPEG2AAC

AdvancedAudioCoding

高分辨率濾波器組、預測技術、霍夫曼編碼10第10頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮心理聲學模型頻率掩蔽效應

時間掩蔽效應

——前期掩蔽，同期掩蔽，后期掩蔽子帶編碼

——使各子帶的量化噪聲盡量處于掩蔽閾值以下11第11頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮頻率掩蔽效應12第12頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮臨界頻帶13第13頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮濾波器組的帶寬與臨界頻帶帶寬的比較第14頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮

時間掩蔽效應時間聲壓級前掩蔽同期掩蔽后掩蔽掩蔽音15第15頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮動態(tài)比特分配分配原則：使量化噪聲盡可能處于掩蔽曲線以下16第16頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮快速傅里葉變換FFT將PCM信號通過濾波器組轉換到32個子帶將寬帶時域信號分為512個子帶,補償分析子帶濾波器頻率分辨率不足

既有足夠的時間分辨率,又有足夠的頻率分辨率

足夠高的頻率分辨率可以實現(xiàn)盡可能低的數(shù)據(jù)率足夠高的時間分辨率可以確保在短暫沖擊聲音信號的情況下，編碼的聲音信號也有足夠高的質(zhì)量17第17頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

六、音頻壓縮MUSICAM編碼器原理框圖18第18頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮

心理聲學模型

利用FFT的輸出值，計算出32個子帶的信號-掩蔽比率（SMR），用以比特分配

SMR=子帶聲壓級(dB)-子帶掩蔽域值（dB)

子帶的聲壓級——子帶的最大信強度。

子帶掩蔽域值=絕對掩蔽域值+單獨掩蔽域值

單獨掩蔽域值=有調(diào)掩蔽成份對子帶的掩蔽域值+ 無調(diào)掩蔽成份對子帶的掩蔽域值

有調(diào)掩蔽成份類似正弦波，無調(diào)掩蔽成份類似噪聲19第19頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、音頻壓縮MPEG標準MPEG1MotionPictureExpertsGroup

——Layer1——Layer2,MUSICAMMaskingPatternadaptedUniversalSubbandIntergratedCodingAndMultiplexing

——Layer3,MP3MPEG2

MPEG2BC:支持多聲道聲音形式;低采樣率擴展

MPEG2AAC

AdvancedAudioCoding

高分辨率濾波器組、預測技術、霍夫曼編碼20第20頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月六、

音頻壓縮

AAC編碼

流程

21第21頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

六、音頻壓縮

MPEG標準

MPEG4

最新一代的國際音視頻編碼標準最先進的音視頻壓縮編碼方法，具有高度的靈活性和可擴展性。存儲和廣播等用途為主，MPEG4則增加了通信用途

音頻編碼分為自然音頻編碼和合成音頻編碼兩大類

AAC是構成時/頻編解碼器的一個主要算法22第22頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

六、音頻壓縮

MPEG標準層次規(guī)格MPEG-4AACMain主層次MPEG-4AACLC低復雜度（LowComplexity）MPEG-4AACSSR可變采樣率（ScalableSamplingRate）MPEG-4AACLTP長時預測（LongTermPrediction）MPEG-4AACLD低延遲（LowDelay）MPEG-4HEAAC高效率（HighEfficiency）MPEG-4HEAACV2高效率版本2（HighEfficiencyV2）23第23頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

六、音頻壓縮

MPEG標準

MPEG-4AACLC應用最多降低復雜度，提高了編碼效率，較高的聲音質(zhì)量

MPEG-4HEAAC增加頻帶復制SBR

（SpectralBandReplication）高頻部分則通過高質(zhì)量的變換算法從低頻部分重建

MPEG-4HEAACV2增加了參數(shù)立體聲PS(ParametricStereo)

借助立體聲參數(shù)在單聲道信號上合成重建立體聲信號24第24頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月七、信道編碼與差錯控制1、信道編碼又稱差錯控制編碼2、信源編碼后的信號必需信道編碼后才能傳送3、信道編碼:在信源編碼后的數(shù)據(jù)流中,人為地加進冗余信息,使得接收端可以識別和糾正傳輸差錯25第25頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月七、信道編碼與差錯控制傳輸差錯分類

隨機差錯突發(fā)差錯差錯控制編碼分類檢錯碼--識別和糾正傳輸差錯糾錯碼--糾正傳輸差錯

26第26頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月七、信道編碼與差錯控制

奇偶校驗,CRC,

fireViterbi,RS

LDPC27第27頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月七、信號處理和傳輸糾錯香農(nóng)(Shannon)第二定理當消息傳輸率低于信道容量時，可以通過某種編譯碼方法，使錯誤概率為任意小

信息系統(tǒng)傳輸模型

28第28頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月七、信號處理和傳輸奇偶校驗

奇偶校驗

A.10001101010010B.10001001010011C.10001011010010

29第29頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月CRC校驗CRC校驗的基本思想是利用線形編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要發(fā)送的k位二進制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的監(jiān)督碼（即CRC碼）r位，并附在信息后面，構成一個新的二進制碼序列共（k+r）位，最后發(fā)送出去。在接收端，根據(jù)信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯30第30頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月CRC算法原始數(shù)據(jù)為k位，即信息位k位，M（X）產(chǎn)生的校驗位CRC碼R(X)為r位，則多項式G(X)為r+1位（總是比校驗位多一位）運算采用的是模2相加的方法31第31頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月生成多項式要求1.生成多項式的最高位和最低為必須為12.當信息任何一位發(fā)生錯誤時，被生成多項式模2運算后使余數(shù)不為03.不同位發(fā)生錯誤時，應該使余數(shù)不同4.對余數(shù)繼續(xù)做模2除，應使余數(shù)循環(huán)32第32頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月應用舉例設待發(fā)送的數(shù)據(jù)m（x）為7位的二進制數(shù)據(jù)

1011001；CRC-4的生成多項式為g（x）=x4+x3+1，階數(shù)r為4，即11001首先由發(fā)送端計算出CRC校驗碼，得到所要傳送的碼字，然后在接收端檢測接收到的數(shù)據(jù)是否正確，若有錯誤則根據(jù)出錯位表進行糾錯。33第33頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)送端求解CRC

被除數(shù)：數(shù)據(jù)左移4位即：10110010000

除數(shù)：生成多項式所對應的二進制數(shù)即：11001

求解過程：除法求余數(shù)，即模2加（邏輯異或）

10110010000除法次數(shù)

1100111111010000110012111100001100131110001100141010

由以上計算得該數(shù)據(jù)的4位CRC校驗位為：1010

所以發(fā)送端發(fā)送該數(shù)據(jù)時的碼字為：10110011010

34第34頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月接收端檢測收到的數(shù)據(jù)

被除數(shù)：接收端收到的數(shù)據(jù)為：10110011010

除數(shù)：生成多項式所對應的二進制數(shù)即：11001

檢測過程：除法運算

10110011010除法次數(shù)

1100111111011010110012111110101100131100101100140

接收到的數(shù)據(jù)能夠被生成多項式整除，說明所接收到的數(shù)據(jù)是正確的。35第35頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月接收數(shù)據(jù)錯誤進行糾錯

如果接收到數(shù)據(jù)為：10110111010

檢測過程：

1011011101011001111111101011001110110101100110010110011011

接收到的數(shù)據(jù)不能被生成多項式整除，說明所接收到的數(shù)據(jù)是錯誤的根據(jù)所得余數(shù)1011查生成多項式11001出錯位表便可以知道是第6位出錯了，只要將該出錯位取反便可以得到正確數(shù)據(jù)：1011001101036第36頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

生成多項式11001出錯位表

余數(shù)出錯位余數(shù)出錯位

1第一位10第二位

100第三位1000第四位

1001第五位1011第六位

1111第七位111第八位

1110第九位101第十位

1010第十一位11第一、二位

37第37頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月國際標準化的四種CRC碼CRC碼生成多項式CRC-12CRC-16CRC-CITTCRC-3238第38頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月CRC的應用限制性多位出錯的檢測限制糾錯的限制CRC檢錯不糾錯39第39頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月其它糾錯碼ViterbiFireRS40第40頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月七、信道編碼與差錯控制低密度奇偶校驗（LDPC）碼性能最優(yōu)，接近于很多信道的香農(nóng)極限，具有低復雜度的解碼算法，具有并行的解碼結構適合于硬件現(xiàn)交織技術頻率交織時間交織41第41頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月關于糾錯碼的學習糾錯碼的基本思想

Whyandhow糾錯的基本過程

工程應用,not數(shù)學研究相關標準的定義和限制42第42頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月八、信號傳輸1、傳輸方式:

有線,網(wǎng)絡,介質(zhì),無線,廣播2、無線傳輸

調(diào)制和數(shù)字調(diào)制3、數(shù)字調(diào)制的基本方法43第43頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字調(diào)制概述調(diào)制：通過調(diào)制信號來影響(控制)載波信號的參數(shù)(振幅/頻率或相位)；借助載波信號將基帶信號攜帶到高頻范圍；數(shù)字調(diào)制:就是將數(shù)字符號轉換為與信道特性相匹配的波形的過程;

調(diào)制信號是由0和1組成的數(shù)字的比特序列形式;

載波使用相應頻率的正弦波

1.容易產(chǎn)生;2.可經(jīng)濟的進行傳輸;數(shù)字調(diào)制的基本方法:1.幅移鍵控(ASK)2.頻移鍵控(FSK)---3.相移鍵控(PSK)---

有恒定的包絡波形,

不易受到幅度的非線性干擾；44第44頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月二進制數(shù)字調(diào)制原理二進制數(shù)字調(diào)制特點：調(diào)制信號是二進制數(shù)，模擬載波信號的參數(shù)(幅度/頻率或相位)只有兩種變化狀態(tài)；2ASK:‘0’---幅度為0；‘1’---幅度為1；2FSK:載波頻率隨調(diào)制信號變化;‘0’---頻率為ω1;‘1’---頻率為ω2;

實際上相當于兩個不同載波頻率的2ASK信號所組成；2PSK(絕對相移鍵控):以載波的不同相位直接表示相應的數(shù)字信號;如:用‘0’和‘π’分別表示‘0’和‘1’(2PSK的時間函數(shù))；

由于實際通信時參考基準相位可能發(fā)生隨機跳變，恢復出的載波會存在0,π的相位模糊度，解調(diào)的信號極性會完全相反，發(fā)生0和1相互倒置的錯碼。－>實際采用二相差分相移鍵控(2DPSK)

2DPSK(相對相移鍵控):利用前后相鄰碼元的相對載波相位值表示相應的數(shù)字信號。45第45頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月2PSK的時間函數(shù)46第46頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月二相差分相移鍵控差分相移鍵控：相對調(diào)相(DPSK).

特點：載波的相位狀態(tài)不直接與傳送每個數(shù)字比特相對應，不是以固定的未調(diào)載波的相位為基準，而是以相鄰的前一比特所對應的載波相位為基準，來確定現(xiàn)實比特所對應的載波相位的取值，即利用前后兩個相鄰比特所對應的載波相位差來傳送信息。bk：絕對二進制序列；dk：相對二進制序列；

2DPSK可以看作差分編碼后的2PSK；2DPSK是利用前后碼元的相對載波相位值(即相位偏差)表示數(shù)字信息；47第47頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月二相差分相移鍵控載波現(xiàn)實相位狀態(tài)Φk，前一符號期的載波相位狀態(tài)Φk-1;△Φk=Φk-Φk-1;△Φk＝0，傳送‘0’；

△Φk＝π，傳送‘1’bk:(參考)00111001Φk:(參考)00πππ00πdk：000101110dk=bkxordk-1

△Φk:000π0πππ0△Φk-1:000π0πππ0解調(diào)：不需要恢復本地載波，只要將2DPSK信號延遲一個碼元周期，與原信號相乘，相乘結果反映了前后碼元的相對相位關系。經(jīng)低通濾波后可直接進行抽樣判決，從而恢復原始數(shù)字信息，不需再進行差分解碼；判決依據(jù)：若前一比特與當前比特相同，輸出為‘+’，判決數(shù)據(jù)為‘0’;若相位相反，輸出為‘－’，判決數(shù)據(jù)為‘1’48第48頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月二相差分相移鍵控

dk初始值為1載波現(xiàn)實相位狀態(tài)Φk，前一符號期的載波相位狀態(tài)Φk-1;△Φk=Φk-Φk-1;△Φk＝0，傳送‘0’；

△Φk＝π，傳送‘1’bk:(參考)00111001Φk:(參考)00πππ00πdk：111010001dk=bkxordk-1

△Φk:πππ0π000π△Φk-1:πππ0π000π解調(diào)：判決依據(jù)：若前一比特與當前比特相同，輸出為‘+’，判決數(shù)據(jù)為‘0’;若相位相反，輸出為‘－’，判決數(shù)據(jù)為‘1’dk初始值為1與dk初始值為0，結果一樣。49第49頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較頻帶寬度(頻帶利用率)誤碼率(相同信噪比)最佳判決門限對信道特性變化的敏感度設備復雜程度速度發(fā)射端接收端2ASK2fs高與接收機輸入信號幅度有關相近簡單－2FSK|f2-f1|+2fs最不可取較低直接比較兩路解調(diào)輸出的大小來作出判決，不需設定判決門限較復雜中，低速2PSK(DPSK)2fs低判決器最佳判決門限為0，與接收機輸入信號幅度無關，不隨信道特性變化復雜高速50第50頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)利用多進制數(shù)字基帶信號去調(diào)制載波的參數(shù)與二進制數(shù)字調(diào)制相比的特點：

?相同碼元傳輸率下，信息傳輸速率高；

?相同信息傳輸率下，可降低碼元速率，碼元持續(xù)時間長，即增大碼元寬度。這樣就會增加碼元的能量，并減小由于信道特性引起的碼間干擾的影響。51第51頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月四相絕對相移鍵控2PSK：每個符號為1比特，載波共有兩種相位狀態(tài)，分別對應‘0’和‘1’；4PSK：每個符號為2比特，載波共有四種相位狀態(tài)，分別對應‘00’，‘01’,‘10’,‘11’；4PSK可以通過載波成正交關系(載波相位相差90度)的2個2PSK信號的疊加而形成。串/并變換(數(shù)據(jù)分離):input:01001011---Re:0011;Im---100152第52頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月四相絕對相移鍵控π/2-4PSK系統(tǒng)(四種相位0，π/2，π，3π/2)π/4-4PSK系統(tǒng)(四種相位π/4，3π/4，5π/4，7π/4)正交解調(diào)53第53頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月四相差分相移鍵控(DQPSK)DQPSK利用前后碼元之間的相對相位變化來表示數(shù)字信息。54第54頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月四相差分相移鍵控(DQPSK)舉例解碼邏輯:

雙比特具有相同極性(Ck-1,Dk-1都為0/1):Ak=CkxorCk-1,Bk=DkxorDk-1

雙比特具有不同極性:Ak=DkxorDk-1,Bk=CkxorCk-1;二進制序列(參考)0010011110絕對碼Ak01011Bk00110絕對相位03π/2π/2π3π/2相對相位003π/20ππ/2相對碼Ck001010Dk000011相對碼Ck-1001010Dk-100001155第55頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月四相差分相移鍵控(DQPSK)舉例

相對相位初始值為π解碼邏輯:

雙比特具有相同極性(Ck-1,Dk-1都為0/1):Ak=CkxorCk-1,Bk=DkxorDk-1,雙比特具有不同極性:Ak=DkxorDk-1,Bk=CkxorCk-1;

相對相位初始值為π與初始值為0，結果一樣。二進制序列(參考)0010011110絕對碼Ak01011Bk00110絕對相位03π/2π/2π3π/2相對相位πππ/2π03π/2相對碼Ck110101Dk111100相對碼Ck-1110101Dk-111110056第56頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月DAB中使用的π/4-shift4DPSK

－－－－－一種特殊的四相差分相移鍵控符號變換：bk=[(1-2aI)+j(1-2aQ)]差分編碼：Zk=bk*Zk-1第1個符號是相位基準符號，基準相位直接與Z1有對應關系；從第2個符號起，4DPSK的載波相位直接與Zk有確定的對應關系；而△Φk直接與bk對應57第57頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月π/4-shift4DPSK舉例

符號變換bk=[(1-2aI)+j(1-2aQ)]/√2符號反變換aI=(1-√2A)/2,aQ=(1-√2B)/2

差分編碼Zk=bk·Zk-1(l≥2)差分解碼bk=Zk·Zk-1*

二進制序列(相位基準信號Z1)0010011110絕對碼aI01011aQ00110符號變換bkA1/√2－1/√21/√2－1/√2－1/√2B1/√21/√2－1/√2－1/√21/√2絕對相位0π/43π/47π/45π/43π/4相對相位0π/4π3π/403π/4差分編碼ZkEk11/√2－1－1/√21－1/√2Fk01/√201/√201/√2相對碼Ek-111/√2－1－1/√21Fk-101/√201/√2058第58頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月π/4-shift4DPSK舉例基準相位Z1為π

符號變換bk=[(1-2aI)+j(1-2aQ)]/√2符號反變換aI=(1-√2A)/2,aQ=(1-√2B)/2

差分編碼Zk=bk·Zk-1(l≥2)差分解碼bk=Zk·Zk-1*

二進制序列(相位基準信號Z1)0010011110絕對碼aI01011aQ00110符號變換bkA1/√2－1/√21/√2－1/√2－1/√2B1/√21/√2－1/√2－1/√21/√2絕對相位0π/43π/47π/45π/43π/4相對相位π5π/407π/4π7π/4差分編碼ZkEk－1-1/√211/√2－11/√2Fk0-1/√20－1/√20－1/√2相對碼Ek-1－1-1/√211/√2－1Fk-10-1/√20－1/√2059第59頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月DAB中使用的π/4-shift4DPSK

－－－－－一種特殊的四相差分相移鍵控時而π/4系統(tǒng)，時而π/2系統(tǒng)，是交替變換的。總體上看，有8種相位狀態(tài)，稱為‘偽八相’。但是，不管處于何種相位狀態(tài)，由一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，相位變化只能是π/4的奇數(shù)倍。π/4-shift4DPSK系統(tǒng)是一種總是以前一符號期載波的相位為基準的π/4-shift4DPSK，即基準相位總在變換的π/4-shift4DPSK優(yōu)點：與普通的4DPSK相比，π/4-shift4DPSK系統(tǒng)的相位跳躍只有±π/4