通信原理第10章-信源編碼(7版).ppt

1、課 件,信 源 編 碼,通信原理（第7版）,第10章,樊昌信 曹麗娜 編著,本章內(nèi)容:,第10章 信源編碼,抽樣 低通信號和帶通信號 量化 標(biāo)量（均勻/非均勻）和矢量 脈沖編碼調(diào)制 PCM、 DPCM 、ADPCM 增量調(diào)制 M 時(shí)分復(fù)用 TDM、準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH） 壓縮編碼 語音、圖像和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),引 言,10.1,引 言,為什么要數(shù)字化？,壓縮編碼； 模/數(shù)轉(zhuǎn)換,信源編碼的作用：,波形編碼和參量編碼,A/D轉(zhuǎn)換（數(shù)字化編碼）的技術(shù)：,A/D 數(shù)字方式傳輸 D/A,模擬信號數(shù)字化傳輸?shù)娜齻€(gè)環(huán)節(jié)：,“抽樣、量化 和 編碼”,波形編碼的三個(gè)步驟：,PCM、DPCM、 M,波形編碼的常用方法：

2、,6、7、8章,模擬信號的抽樣,10.2,抽樣定理 - 模擬信號數(shù)字化和時(shí)分多路復(fù)用的理論基礎(chǔ),最高頻率小于 fH 的模擬信號m(t) 可由其等間隔的 抽樣值唯一確定，抽樣間隔Ts 或 抽樣速率 fs 應(yīng)滿足：,10.2.1 低通模擬信號的抽樣定理,定理：,證明：,設(shè)單位沖激序列：,其周期T = 抽樣間隔Ts,抽樣過程可看作是 m(t ) 與 T(t) 的相乘。因此 ，理想抽樣信號為：,其頻譜為：,1/Ts,n=0,理想抽樣過程的波形和頻譜：,fs 2fH,因此，抽樣速率 必須滿足：,fs,fH,這就從 頻域角度 證明了 低通抽樣定理。,若 fs2 fH,此時(shí)，不能無失真重建原信號。,混疊失真

3、：,重建原信號 ：,低通濾波器HL( f ),內(nèi)插公式,欲傳 m(t)，只需傳 ms(t)，收端根據(jù)其抽樣值就能無失真地重建原信號 m(t)，條件是：,抽樣與恢復(fù)原理框圖：,10.2.2 帶通模擬信號的抽樣定理,定理：,fH = nB fH = 3B fs = 2B,|M(f)|,2fH = 2(3+k)B,fH,fL,-fL,-fH,fH = nB+kB fH = 3B+kB 2(3+k) B= 3fs,推廣： n=任意整數(shù) 2(n+k) B= nfs,fs 與 fL 關(guān)系,n=1,n=2,n=3,n=4,n=5,n=6,模擬脈沖調(diào)制,10.3,PAM、 PDM、PPM,實(shí)際抽樣 自然抽樣的

4、PAM,對比：,-理想抽樣,-自然抽樣,m(t),自然抽樣過程的波形和頻譜：,自然抽樣與恢復(fù)原理框圖：,理想抽樣：,自然抽樣：,理想沖激序列,實(shí)際脈沖序列,s(t),恢復(fù)：均可用理想低通濾波器取出原信號。,實(shí)際抽樣 平頂抽樣的PAM,特點(diǎn)：每個(gè)樣值脈沖的頂部是平坦的。,產(chǎn)生： 抽樣 保持,n=0,恢復(fù)：修正+低通濾波,模擬信號de量化,10.4,量化幅度上離散化,量化后的信號多電平數(shù)字信號,抽樣值,分層 電平,10.4. 1 量化原理,量化 電平,量化 間隔,量化值, 用 有限個(gè) 量化電平 表示 無限個(gè) 抽樣值。,qi=q1qM,mi,抽樣值,量化信號值,抽樣值,量化值,量化噪聲,a,b,設(shè)抽

5、樣信號 的取值范圍,量化電平數(shù),M,則量化間隔,量化電平（中點(diǎn)）,分層電平（端點(diǎn)）,10.4. 2 均勻量化,等間隔劃分輸入信號的取值域,的均方值-量化噪聲功率為：,信號量噪比 S/Nq,輸入樣值信號 的概率密度,量化器的性能指標(biāo)之一,mk = m(kTs ),mq = mq (kTs ),量化噪聲,信號mk 的平均功率：,信號量噪比信號功率與量化噪聲功率之比 ：,量化噪聲功率,解：,平均信號量噪比,含義？,均勻量化的缺點(diǎn),應(yīng)用：主要用于概率密度為均勻分布的信號，如遙測遙控信號、圖像信號數(shù)字化接口中。, 原因： Nq與信號樣值大小無關(guān)，僅與量化間隔 V 有關(guān) 。,解決方案：非均勻量化,10.4

6、.3 非均勻量化, 量化間隔不相等的量化方法,壓大補(bǔ)小,y= f (x) 對數(shù)特性,提高小信號的量噪比,32,-壓縮輸出,-擴(kuò)張輸入,在接收端，需要采用一個(gè)與壓縮特性相反的擴(kuò)張器來恢復(fù)信號。,入,出,壓縮 特性,擴(kuò)張 特性,壓縮-擴(kuò)張?zhí)匦裕?均勻 量化,壓縮 特性,ITU的兩種建議：,非均勻量化,x 歸一化輸入電壓 y 歸一化輸出電壓,1 . A 壓縮律,2. A 律 13 折 線,圖10-14 對稱輸入13折線壓縮特性,A律和 律不易用 電子線路準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)， 實(shí)用中分別采用 13折線和15折線。,3 . 壓縮律 及其 15 折線, =0 時(shí)無壓縮效果,非均勻量化,15 折 線,K1 =32,大

7、信號的量化性能比 A律 稍差。,小信號的量噪比是 A律 的 2 倍。,脈 沖 編 碼 調(diào) 制,10.5,Pulse Code Modulation, PCM, 模擬信號數(shù)字化方式之一,10.5.1 PCM的基本原理,PCM系統(tǒng)原理框圖,模擬信號數(shù)字化過程 -“抽樣、量化和編碼”,具有鏡像特性,簡化編碼過程,誤碼對小電壓的影響小,表 10 4 自 然 二 進(jìn) 碼 和 折 疊 二 進(jìn) 碼,10.5.2 常用二進(jìn)制碼, 編碼考慮的問題之一,極性碼：表示樣值的極性。正編“1”，負(fù)編“0” 段落碼：表示樣值的幅度所處的段落 段內(nèi)碼：16種可能狀態(tài)對應(yīng)代表各段內(nèi)的16個(gè)量化級,在A律13折線 PCM編碼中

8、，共計(jì)：, 需將每個(gè)樣值脈沖（Is ）編成 8位 二進(jìn)制碼：,碼位的選擇與安排, 之二，關(guān)乎通信質(zhì)量和設(shè)備復(fù)雜度,表10-5 段落碼,表10-6 段內(nèi)碼,-歸一化輸入電壓的最小量化單位,之三，確定樣值所在的段落和量化級,起始電平和量化間隔,(幅值),50,C5的權(quán)值 8 Vi C6的權(quán)值 4 Vi C7的權(quán)值 2 Vi C8的權(quán)值 1 Vi,段內(nèi)碼的權(quán)值：,Vi 第 i 段的量化間隔 。 不同段落， Vi 不同 。前兩段相同,11110011,每來 一個(gè) 樣值 脈沖,就送出一個(gè)PCM 碼組,10.5.3 電話信號的編譯碼器, 編碼的實(shí)現(xiàn),任務(wù) 把每個(gè)樣值脈沖編出相應(yīng)的 8 位二進(jìn)碼。,極性判決

9、：確定樣值信號的極性，編出極性碼： 整流器：雙單（樣值 的幅度大?。?保持電路：使每個(gè)樣值的幅度在 7 次比較編碼過程中保持不變。 比較器（核心）：將樣值電流 Is與標(biāo)準(zhǔn)電流 Iw 進(jìn)行逐次比較， 使Iw向Is逐步逼近，從而實(shí)現(xiàn)對信號抽樣值的非均勻量化和編碼。 若 IsIw，輸出“1”碼 若 IsIw，輸出“0”碼 記憶電路：寄存前面編出的碼，以便確定下一次的標(biāo)準(zhǔn)電流 值 Iw。 7/11變換：將 7 位非線性碼轉(zhuǎn)換成 11位線性碼，以便恒流源產(chǎn)生所需的標(biāo)準(zhǔn)電流 Iw。,各部件的功能：,PAM信號,類似天平稱物過程,53,只需 7 位（非線性）編碼,以 對13折線正極性的8個(gè)段落進(jìn)行均勻量化

10、，則量化級數(shù)：,非線性碼 非均勻量化：,需要11位（線性）編碼,非線性碼與線性碼（7/11）：,稱為線性PCM編碼,對應(yīng),稱為非線性 / 對數(shù)PCM編碼,線性碼 均勻量化：,對應(yīng),（1）極性碼： C1 = 1（正） （2）段落碼： C2 C3 C4 （3）段內(nèi)碼： C5 C6 C7 C8,PCM碼組 C1 C8 1 111 0011,= 111（第段）,= 0011,解,起始 1024 V8 =64,1270,IS= +1270,Is IWi 1 Is IWi 0,56,它與逐次比較型編碼器中的本地譯碼器基本相同，不同的是： 增加了極性控制部分和帶有寄存讀出的 7/12 位碼 變換電路。,譯

11、碼, 把 PCM 信號 相應(yīng)的 PAM 樣值信號，即 D/A 變換。,A律13折線譯碼器原理框圖,各部分功能：,7/12變換電路: 將7位非線性碼轉(zhuǎn)變?yōu)?2位線性碼。,目的：增加一個(gè)Vi /2恒流電流，人為地補(bǔ)上半個(gè)量化級， 使最大量化誤差不超過Vi /2 , 從而改善量化信噪比。,串/并變換記憶電路 ：將串行 PCM 碼變?yōu)椴⑿写a,并記憶下來。 極性控制：根據(jù)收到的極性碼 C1來控制譯碼后PAM信號的極性。,編碼器中 7/11,寄存讀出電路：將輸入的串行碼在存儲器中寄存起來, 待全部接收后再一起讀出 , 送入解碼網(wǎng)絡(luò)。實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行 串/并 變換。,12位線性解碼電路 ：由恒流源和電阻網(wǎng)絡(luò)組成

12、,與編碼器中解碼網(wǎng)絡(luò)類同。它是在寄存讀出電路的控制下,輸出相應(yīng)的 PAM信號。,58,解,1270,由上例可知，編碼電平 ：,IC=1216,因此，譯碼電平：,ID = IC + Vi /2=1216+64/2=1248,編碼后誤差: ( Is - IC) = 54 ,譯碼后誤差 : | Is- ID | = 22 ,PCM 信號的比特率和帶寬,傳輸帶寬: 若采用非歸零矩形脈沖傳輸時(shí)，譜零點(diǎn)帶寬為,例如: 一路模擬話路帶寬為 B=4 kHz,一路數(shù)字電話帶寬為,問題：PCM信號占用的頻帶 比 標(biāo)準(zhǔn)話路帶寬要 寬很多倍。,B=80008 = 64 kHz,如何解決？ 詳見10.6節(jié),60,10.

13、5.4 PCM系統(tǒng)中噪聲的影響,PCM 系 統(tǒng) 輸 出：,兩種噪聲：,產(chǎn)生機(jī)理不同 相互獨(dú)立,+,+, 信號成分( So ), 加性噪聲( Sa ), 量化噪聲(Sq),性能指標(biāo)：,抗量化噪聲性能,抗加性噪聲性能,總輸出信噪比,含義：當(dāng)?shù)屯ㄐ盘栕罡哳l率 fH 給定時(shí), PCM系統(tǒng)的輸出信號量噪比隨系統(tǒng)的帶寬 B 按指數(shù)規(guī)律增長。,抗量化噪聲性能,抗加性噪聲性能,PCM系統(tǒng)最小帶寬,帶寬與信噪比互換,假設(shè)條件：自然碼、均勻量化、輸入信號為均勻分布。,總輸出信噪比,差分脈沖編碼調(diào)制,10.6,Differential PCM, DPCM, PCM的改進(jìn)型，是一種預(yù)測編碼方法,預(yù)測編碼簡介,問題引出

14、,PCM 需用 64kb/s 的比特率傳輸 1 路 數(shù)字電話信號，這意味 ，其占用頻帶 比 1路模擬標(biāo)準(zhǔn)話路帶寬(4 kHz)要 寬很多倍。,解決思路,究其根源：PCM 是對每個(gè)樣值獨(dú)立地編碼，與其他樣值無關(guān)。, 因此，降低 編碼信號的比特率、壓縮信號的傳輸頻帶是 語音編碼技術(shù)追求的目標(biāo) 。,信號抽樣值的取值范圍較大, 從而導(dǎo)致數(shù)字化信號的比特率高， 占用帶寬大。, 需要較多的編碼位數(shù),方法之一,預(yù)測編碼,線性預(yù)測, 利用前面幾個(gè)抽樣值的 線性組合 來預(yù)測當(dāng)前時(shí)刻的樣值。, 若僅用前面 一個(gè)抽樣值 預(yù)測當(dāng)前的樣值，即為DPCM。,對相鄰樣值的差值進(jìn)行編碼,線性預(yù)測編碼/譯碼原理框圖,表明：預(yù)測

15、值mk 是前面p個(gè)帶有量化誤差的抽樣信號值的加權(quán)和。,p - 預(yù)測階數(shù) ai - 預(yù)測系數(shù),當(dāng) 時(shí) DPCM,p = 1 a1 =1,10.6.1 差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)原理與性能,當(dāng) p = 1，a1 = 1，則有mk = mk-1* ，,表示只將前 一個(gè)抽樣值, DPCM：對相鄰樣值的差值進(jìn)行編碼。,當(dāng)做預(yù)測值。,預(yù)測器,預(yù)測器,DPCM原理,DPCM性能,DPCM系統(tǒng)的量化誤差（量化噪聲）為：,DPCM系統(tǒng)的信號量噪比：,為信號平均功率；,為預(yù)測誤差（量化器輸入）的平均功率；,是把預(yù)測誤差作為輸入信號時(shí)量化器的信號量噪比；,差分處理增益 約為611dB,ADPCM是為了改善 DPC

16、M 的性能，而將自適應(yīng)技術(shù)引入到量化 和預(yù)測過程。其主要特點(diǎn)： 用自適應(yīng)量化取代固定量化。自適應(yīng)量化 指量化臺階隨信號的變化而變化 ，使量化誤差減小。 用自適應(yīng)預(yù)測取代固定預(yù)測。自適應(yīng)預(yù)測 指預(yù)測系數(shù)可隨信號的統(tǒng)計(jì)特性而自適應(yīng)調(diào)整 ，提高預(yù)測信號的精度 。 通過這二點(diǎn)改進(jìn) ，可大大提高輸出信噪比和 編碼動態(tài)范圍 。,自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制（ADPCM ，Adaptive DPCM),ADPCM 能以32 kb/s的比特率達(dá)到 64 kb/s 的 PCM 數(shù)字電話質(zhì)量。極大地節(jié)省了傳輸帶寬，使經(jīng)濟(jì)性和有效性顯著提高。,增量調(diào)制(M&DM),10.7, 一種最簡單的 DPCM,10.7.1 增量調(diào)制(

17、M) 原理,引言,即對預(yù)測誤差進(jìn)行1位編碼,量化電平數(shù)取 2,增量調(diào)制原理框圖,74,增量調(diào)制波形圖,如何選擇 和 fs,（2）過載量化噪聲,（1）一般量化噪聲,10.7.2 增量調(diào)制系統(tǒng)中的量化噪聲,很大,譯碼器的最大跟蹤斜率：,不過載條件：,fs 選大：對減小過載噪聲和一般量化噪聲都有利。因此，對于語音信號而言， M 的抽樣頻率在幾十千赫 百余千赫。, 選大 ： 有利于減小過載噪聲 ，但一般量化噪聲增大。 原因：簡單 M 的量化臺階是固定的，難以使兩者都不超過要求。 解決：采用自適應(yīng) M，使量化臺階隨信號的變化而變化。,為了避免過載 和 增大編碼范圍，應(yīng)合理選擇 和 fs ！,時(shí)，編碼10

18、10101010,時(shí)，編碼1010101010,= /2,起始編碼電平 Amin,編碼范圍：,最大編碼電平（臨界過載振幅）為：,其斜率,若不過載，應(yīng)要求：,可見，當(dāng)跟蹤斜率一定時(shí)，允許的信號幅度隨信號頻率k的增加而減小，這將導(dǎo)致語音高頻段的信號量噪比下降。,即,設(shè),最大編碼電平 Amax,信號最大功率：,由Amax可得,信號量噪比,假定不過載，基本量化噪聲為：,量化噪聲功率：,e(t) = m (t) - m(t),e(t),e(t) 是低通濾波前的量化噪聲，,m (t) 是譯碼積分器輸出波形；,變化區(qū)間為(-, +) 。,則基本量化噪聲通過截止頻率為fm 的低通濾波器后，其功率為：,可見，此量化噪聲功率 Nq 只與量化臺階 及 fm / fs 有關(guān)，而 與輸入信號大小無關(guān)。,可見，最大信號量噪比與抽樣頻率fs 的3次方成正比，而與信號頻率fk 的平方成反比。因此，提高fs 能顯著增大M 的量噪比。,時(shí)分復(fù)用 (TDM),10.8, Time Division Multiplexing,（a ) 時(shí)分多路復(fù)用原理,10.8.1 基本概念,實(shí)際電路中，用抽樣脈沖取代,（b）信號m1(t) 的采樣,（c）信號m2(t) 的采樣,（d）旋轉(zhuǎn)開關(guān)采樣到的信號,TDM的主要優(yōu)點(diǎn)：,對于時(shí)分復(fù)用數(shù)字電