數(shù)字通信(桑林)

北京郵電大學出版社 第2章信源編碼 第1章緒論 第3章數(shù)字復接技術(shù) 第4章數(shù)字傳輸技術(shù) 數(shù)字通信 北京郵電大學出版社課件系列 第5章同步技術(shù) 第6章多址技術(shù)與蜂窩技術(shù) 走信息路讀北郵書 第7章差錯控制編碼 第1章緒論 1 1通信的基本概念一般地說 通信 communication 是指由一地向另一地進行消息的有效傳遞 通信傳輸?shù)南⒕哂胁煌男问?如 符號 文字 語聲 音樂 數(shù)據(jù) 圖像等等 根據(jù)消息的不同形式 通信業(yè)務的不同種類 傳輸所用的不同信道 可將通信分成許多類 較常用的分類方法如下 按傳輸媒質(zhì)分按信道中所傳信號的不同分按工作頻段分按調(diào)制方式分按業(yè)務的不同分按收發(fā)者是否運動分 1 2通信系統(tǒng)的組成 通信的任務是完成消息的傳遞和交換 以點對點通信為例 可以看出要實現(xiàn)消息從一端向另一端的傳遞 必須有五部分 信息源 發(fā)送設(shè)備 信道 接收設(shè)備 受信者 通信系統(tǒng)的模型 1 2 1模擬通信系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng)是指信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng)的組成方框圖 通常也稱為模型 模擬通信系統(tǒng) 主要包含了兩種重要變換 一種是把連續(xù)消息變換成電信號 由發(fā)端信息源完成 及把電信號恢復成最初的連續(xù)消息 由收端受信者完成 第二種變換 將基帶信號轉(zhuǎn)換成其頻帶適合信道傳播的信號 這一變換由調(diào)制器完成 在收端同樣需經(jīng)相反的變換 將信道中傳播的信號恢復成最初的連續(xù)信號 這一過程由解調(diào)器完成 模擬通信系統(tǒng)的模型 1 2 2數(shù)字通信系統(tǒng) 利用數(shù)字信號傳輸信息的系統(tǒng) 稱為數(shù)字通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)可進一步分為數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng) 數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng) 模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)的模型 數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)模型 通常把有調(diào)制器 解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng) 1 2 3數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點 從通信的發(fā)展趨勢看 現(xiàn)代通信必須以數(shù)字通信為主 數(shù)字通信較之模擬通信有如下特點 抗干擾 抗噪聲性能好差錯可控易加密易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合 1 3現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的概況 1 3 1通信發(fā)展簡史通信的歷史可追溯到17世紀初期從研究電 磁的現(xiàn)象開始 到19世紀40年代通信理論基礎(chǔ)準備階段 通信從19世紀40年代才進入實用階段 1838莫爾斯發(fā)明有線電報通信1864麥克斯韋爾發(fā)表電磁場理論1876貝爾發(fā)明電話 利用電磁感應原理 1887赫茲做電磁輻射實驗成功1896馬可尼實現(xiàn)橫貫大西洋的無線電通信1906非雷斯特發(fā)明真空三極管1918調(diào)幅無線電廣播 超外差接收機問世1925多路通信和載波電話問世 1936英國廣播公司開始進行商用電視廣播1938發(fā)明脈沖編碼調(diào)制原理1940 1945雷達 微波通信線路研制成功1948出現(xiàn)了晶體管 仙農(nóng)提出了信息論1950時分多路通信用于電話1950 1960第一個通信衛(wèi)星發(fā)射 同時研制成功激光器1962開始了實用衛(wèi)星通信的時代1969從月球發(fā)回第一個話音消息及電視圖像1960 1970出現(xiàn)了電纜電視 激光通信 雷達 計算機網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字技術(shù) 光電處理等1970 1980大規(guī)模集成電路 商用衛(wèi)星通信 程控數(shù)字交換機 光纖通信 微處理機等迅猛發(fā)展1980 1990超大規(guī)模集成電路 移動通信 光纖通信廣泛應用 綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)崛起1990 衛(wèi)星通信 移動通信 光纖通信進一步飛速發(fā)展 高清晰彩色數(shù)字電視技術(shù)不斷成熟 全球定位系統(tǒng) GPS 得到廣泛應用 1 3 2通信技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 數(shù)字化 大容量 遠距離 高效率 多信源以及保密性 可靠性 智能化等已成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的主要特點 1 4數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標 1 4 1一般通信系統(tǒng)的性能指標一般通信系統(tǒng)的性能指標歸納起來有以下幾個方面 1 有效性 指信道資源的利用效率 即系統(tǒng)中單位頻帶傳輸消息的 速率 問題 2 可靠性 指通信系統(tǒng)傳輸消息的 質(zhì)量 問題 即好壞問題 3 適應性 指通信系統(tǒng)使用時的環(huán)境條件 4 經(jīng)濟性 指分攤到每一個用戶的成本 5 保密性 指系統(tǒng)對所傳信號的加密措施 6 標準性 指系統(tǒng)的接口 各種結(jié)構(gòu)及協(xié)議是否合乎國家 國際標準 7 維護性 指系統(tǒng)是否維修方便 8 工藝性 指通信系統(tǒng)各種工藝要求 1 4 2數(shù)字通信系統(tǒng)有效性指標的具體表述 1 碼元傳輸效率 B Hz 碼元傳輸速率通常又可稱為碼元速率 數(shù)碼率 傳碼率 信號速率或波形速率 用符號 RB 來表示 碼元速率是指單位時間 每秒鐘 內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目 單位為波特 Baud 常用符號 B 表示 注意 不能用小寫 例如 某系統(tǒng)在4s內(nèi)共傳送4800個碼元 則系統(tǒng)的傳碼率為1200B 數(shù)字信號一般有二進制與多進制之分 但碼元速率RB與信號的進制數(shù)無關(guān) 只與碼元寬度T有關(guān) RB 1 T B 通常在給出系統(tǒng)碼元速率時 有必要說明碼元的進制 多進制 N 碼元速率RBN與二進制碼元速率RB2之間 在保證系統(tǒng)信息速率不變的情況下 相互可轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換關(guān)系式為RB2 RBNlog2N B N應為2k k 2 3 4 2 信息傳輸效率 bit Hz s 信息傳輸速率簡稱信息速率 又可稱為傳信率 比特率等 信息傳輸速率用符號Rb表示 Rb是指單位時間 每秒鐘 內(nèi)傳送的信息量 單位為bit s 比特 秒 簡記為b s或bps 碼元傳輸速率和信息傳輸速率具有不同的定義 不能混淆 對二進制來說 每個碼元含有的信息量為1bit 因此 二進制的碼元傳輸速率和信息傳輸速率在數(shù)值上是相等的 但單位不同 對于N進制來說 每一碼元所含的信息量為log2Nbit 如果碼元傳輸速率為RBNB 則對應的信息傳輸速率Rb為Rb RBNlog2N bit s 碼元傳輸速率與信息傳輸速率之間有確定的關(guān)系 由上式給出 同理 信息傳輸效率用單位頻帶內(nèi)系統(tǒng)允許的最大傳信率來衡量 即信息傳輸速率 系統(tǒng)頻帶寬度 bit Hz s 3 消息傳輸速率單位時間內(nèi)從信源發(fā)出的消息數(shù)稱為消息傳輸速率 又稱消息率 用符號Rm表示 單位是比特 秒 bit s 因消息的衡量單位不同 所以有各種不同的含義 例如 當消息的單位是碼字 字節(jié) 時 其單位是碼字 秒或字節(jié) 秒 消息傳輸速率與信息傳輸速率的關(guān)系是 Rm aRb bit s 1 4 3數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性指標的具體表述 1 碼元差錯率碼元差錯率用符號Pe表示 簡稱誤碼率 它是指接收錯誤的碼元數(shù)在傳送總碼元數(shù)中所占的比例 更確切地說 誤碼率是指碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率 碼元差錯率用表達式可表示成Pe lim接收的錯誤碼元數(shù)nN 接收的總碼元數(shù)N 2 比特差錯率比特差錯率用符號Peb表示 簡稱誤比特率 或誤信率 它是指接收錯誤的信息量在傳送信息總量中所占的比例 確切地說 它是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率 比特差錯率用表達式可表示成Peb lim系統(tǒng)傳輸中出錯 丟失 的比特數(shù) 信息量 nN 系統(tǒng)傳輸?shù)目偙忍財?shù) 總信息量 N3 碼組差錯率碼組差錯率用符號PW表示 它是指在傳輸?shù)拇a組 碼字 中發(fā)生差錯的碼組的概率 簡稱誤組率 上述指標中 誤比特率是最常用的指標 在數(shù)字電話傳輸系統(tǒng)中一般要求不大于10 5 而傳送計算機數(shù)據(jù)時 一般要求不大于10 9 第2章信源編碼 2 1模擬信號的數(shù)字化 模擬信號的數(shù)字化過程可以分為抽樣 量化和編碼三個階段 數(shù)字化的第一步是在時間上對信號進行離散處理 即將時間上連續(xù)的信號變換成時間上離散的信號 這一過程稱之為抽樣 抽樣后的信號序列幅度仍然是連續(xù)變化的 通過量化可以將幅度連續(xù)的信號轉(zhuǎn)換成幅度離散的信號 即用某個特定的量化電平值代替原始信號幅度 編碼則是用一組特定的代碼來代表每個量化電平值 2 1 1抽樣 1 抽樣的定義和實現(xiàn)連續(xù)信號f t 在時間上離散化的抽樣過程如圖所示 如果通過某種處理 只取出信號f t 在各離散時刻t0 t1 t2 tn對應的數(shù)值f t0 f t1 f t2 f tn 就得到了時間離散信號fs t 這個由信號f t 轉(zhuǎn)換成信號fs t 的過程就是抽樣 下圖所示的一個相乘器模型來代表這種抽樣處理過程 輸出的樣值信號fs t 可以表示為原始信號f t 和一個周期性的抽樣脈沖STs t 相乘之積 即fs t f t STs t 2 抽樣定理抽樣定理的具體描述如下 設(shè)時間連續(xù)的低通信號f t 的最高截止頻率為fm 如果用時間間隔為Ts 1 2fm 的開關(guān)信號對f t 進行抽樣 則f t 可被樣值序列fs t 唯一地表示 或者說 要從樣值序列fs t 中無失真地恢復原時間連續(xù)信號 其抽樣頻率應滿足fs 1 Ts 2fm抽樣定理的數(shù)學表達式為 2 1 2量化理論 1 標量量化對每個離散時間樣值分別進行量化的處理過程稱為標量量化 或一維量化 量化的方法是將樣值的最大變化范圍劃分成若干個相鄰的段落 當樣值落在某一段落內(nèi)時 其輸出值就用該段落所對應的某一固定值來表示 從數(shù)學角度看 這實際上是把一個取連續(xù)值的無限集合 x 通過變換Q映射到一個只有L個離散值的集合上 其中k 1 1 L 如圖所示 當量化器Q的輸入x屬于區(qū)間 xk xk 1 時 量化器的輸出為yk 即其中 xk稱為量化區(qū)間的分層電平 稱為量化間隔 yk稱為量化電平 L為量化級數(shù) 每個樣值量化所需的比特數(shù)為 標量量化器 量化后的離散信號與原始模擬信號之間的差別用量化誤差或量化噪聲表示 它是量化器最重要的物理量之一 其定義為對于確定的輸入信號x 量化噪聲q也是一個確定的函數(shù) 但是對于語音 圖像之類的非確定隨機信號源 q是一個隨機變量 我們只能描述出它的統(tǒng)計特性 如果設(shè)輸入信號x的概率密度函數(shù)為p x 可求出量化噪聲的方差 即功率為如果整個積分區(qū)域被劃分成L個量化間隔 上式變?yōu)?衡量量化器輸入輸出信號近似程度的性能指標是量化信噪比 即量化器的輸出信號功率與量化噪聲功率之比 1 均勻量化器均勻量化也稱線性量化 即整個量化區(qū)域上的各個量化間隔均相等 設(shè)量化器的量化范圍為 v v 在均勻量化情況下 量化級數(shù)與量化間隔的關(guān)系為 2 最佳量化器實際信源的概率密度特性通常都是非均勻分布的 采用均勻量化器往往得不到理想的量化效果 采用量化特性與信源的概率密度函數(shù)相匹配的非均勻量化器 可降低量化噪聲 原則上來說 就是在信源概率密度p x 相對較高的區(qū)域選擇較小的量化間隔 而在p x 相對較低的區(qū)域選擇較大的量化間隔 以降低總的噪聲水平 在給定信源的概率密度分布條件下 根據(jù)使式 2 1 8 給出的最小的條件可以推出均方誤差最小意義下的最佳分層電平 xk 和量化電平 yk 上式表明 最佳分層電平應為兩個相鄰量化電平的中點 而最佳量化電平位于對應量化間隔的概率質(zhì)心上 3 對數(shù)量化器對數(shù)量化也是一種非均勻量化 采用近似對數(shù)函數(shù)的壓縮特性 與均勻量化相比 它能改善小信號時的量化信噪比 因此適合于信源動態(tài)范圍大 而且小信號出現(xiàn)概率很高的情況 在實現(xiàn)上 對數(shù)量化通常采用如下圖所示的結(jié)構(gòu) 發(fā)送端先根據(jù)非線性的壓縮特性c x 對信號x進行壓縮 再對壓縮后的信號進行均勻量化 接收端則采用特性為c 1 x 的擴張器來恢復原信號 理想的對數(shù)量化特性為 4 自適應量化器在自適應量化中 量化間隔不再是固定的 而要根據(jù)輸入信號的短時方差進行調(diào)整 使量化間隔的大小和輸入信號電平相匹配 以進一步改善量化效果 因此 實現(xiàn)自適應量化時首先需要對輸入信號的方差進行估值 根據(jù)估值采用的方法 自適應量化分成兩類 即前向自適應量化 AQF 與后向自適應量化 AQB 前者根據(jù)量化前的信號求方差 為前向估值 后者利用量化后的信號求方差 為后向估值 兩種量化器的原理框圖分別如圖所示 兩種自適應量化器 5 差分量化器對于語音信號來說 相鄰樣值之間存在非常強的相關(guān)性 因而是可預測的 去除語音信號的這種相關(guān)性可以減小量化時信號的動態(tài)范圍 差分量化器正是基于這一思想提出的 它在量化之前對信號進行預處理 然后對預測后的殘差信號進行量化 由于量化的范圍減小 因此可提高量化精度或減少編碼比特數(shù) 在差分量化器中被量化的信號 即殘差信號e n 是輸入信號樣值x n 和預測值之間的誤差 預測誤差的均方值定義為 下圖是用橫截濾波器實現(xiàn)式 2 1 18 所給預測值的原理框圖 如圖所示 在每個抽樣時刻 n 1 Ts到來時 濾波器輸出將會給出對下一個樣值的預測值 實現(xiàn)預測的橫截濾波器 2 矢量量化矢量量化 VectorQuantation 是一種高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù) 它將若干個時間離散幅度連續(xù)的抽樣值分為一組 形成多維空間的一個矢量 再對該矢量進行量化處理 從而提高量化效率 簡單的矢量量化器結(jié)構(gòu)如圖所示 矢量量化示意圖 矢量量化器的任務就是要在給定比特率的條件下 使得量化噪聲的統(tǒng)計平均值最小 其關(guān)鍵在于碼本的設(shè)計 即如何劃分N維矢量空間內(nèi)M個區(qū)域的邊界 通常的方法是將大量預處理的信號矢量通過統(tǒng)計實驗的方法劃分區(qū)域 然后再確定各區(qū)域的中心矢量 從而獲得碼本 現(xiàn)在已有許多這方面的算法 例如LBG迭代算法 以均方誤差準則衡量量化信號的畸變度時 LBG算法的迭代過程大致如下 1 設(shè)定M個碼字的初始值以及畸變的容限 2 根據(jù)最近鄰準則將輸入矢量X的集合A分成M個子集即當時 下式成立 3 計算總畸變 4 計算畸變改進量的相對值 5 若容限符合要求 停止計算 否則按下式計算新碼字并返回步驟 2 2 1 3編碼 編碼是把模擬信號樣值轉(zhuǎn)換成一組二進制代碼的過程 也就是通常所說的模 數(shù) A D 變換 其中也包含了量化的實現(xiàn) 由二進制數(shù)字碼的定義可知 每一位二進制數(shù)字碼只能表示兩種狀態(tài)之一 以數(shù)字表示就是1或0 n位二進制碼則可能有2n種組合 其中每種組合稱為一個碼組 共能表示2n個不同的數(shù)值 目前主要使用的二進制碼型有3種 自然二進碼 循環(huán)二進碼和折疊二進碼 與均勻量化特性對應的編碼叫做線性編碼 碼組中各碼位的權(quán)值是固定的 不隨輸入信號的幅度變化 與之對應 具有非均勻量化特性的編碼叫做非線性編碼 碼組中各碼位的權(quán)值不固定 而是隨著輸入信號的幅度變化 2 2語音編碼技術(shù) 2 2 1語音編碼概述1 語音編碼的性能指標衡量一種語音編碼方法的好壞 一般要考慮四個方面 即語音質(zhì)量 編碼速率 信號延時和算法復雜度 語音編碼研究的基本目標就是在給定編碼速率的條件下 用盡量小的編解碼延時和算法復雜度 得到盡可能好的重建語音質(zhì)量 不過在不同的應用場合 對性能要求的側(cè)重點會有所區(qū)別 2 語音編碼方法的分類根據(jù)編碼器的實現(xiàn)機理 語音編碼方法大致可以分為三類 波形編碼 參數(shù)編碼 模型編碼 混合編碼 3 語音編碼標準ITU T 國際電信聯(lián)盟 電信標準化部門 InternationalTelecommunicationUnion TelecommunicationStandardlzationSector 即1993年以前的CCITT 是負責制定長途電話標準的國際標準化組織 它所制定的技術(shù)規(guī)范往往以建議的名稱頒布 實際上是公認的標準 到目前為止 該組織已經(jīng)制定了若干個語音編碼標準 如表所示 表中的MIPS代表每秒百萬次運算 用于反映算法的復雜度 ITU T CCITT 制定的語音編碼標準 數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的語音編碼標準 2 2 2語音信號的波形編碼 1 脈沖編碼調(diào)制 PCM 脈沖編碼調(diào)制 PCM 實際上就是實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的一個完整過程 首先對模擬信號波形進行時間離散化 再對每個樣值幅度獨立進行量化和編碼 接收端則做完全相反的處理 脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)中的信號變換和處理過程如圖所示 1 A律13折線壓擴假設(shè)信號在量化之前已經(jīng)過歸一化處理 即動態(tài)范圍統(tǒng)一為 1 1 A律13折線的畫法是 先在0至1之間分別把y軸均勻地分為8段 在x軸上 采用對折法把0至1之間的線段分別分為8個不均勻段 各段分界點為 從原點出發(fā) 把各段對應的分界點 x y 連接成折線 如圖所示 折線共16段 正負方向各8段 由于正負方向I II段斜率相同 可視為1條直線段 故稱為13折線 下表是A 87 56對數(shù)壓擴特性函數(shù)與13折線各分界點坐標的比較結(jié)果 在每段折線內(nèi) 再進行16級均勻量化 因此總的量化級數(shù)為 對應的編碼位數(shù)是8位 顯然不同段落上的量化間隔不同 最小量化間隔位于第I II段 此時 我們把稱為一個量化單位 因此正負信號區(qū)間 0 1 和 1 0 內(nèi)各包括2048個量化單位 2 律15折線壓擴當 255時 律壓擴特性函數(shù)將變?yōu)?當y分別取 時 對應的x值見下表 律15折線壓擴特性曲線 2 自適應差分脈沖編碼調(diào)制 ADPCM 自適應差分脈沖編碼調(diào)制 ADPCM 是語音壓縮中復雜度較低的一種方法 它利用語音信號之間的相關(guān)特性降低速率 可以在32Kb s的速率上達到64Kb sPCM的語音質(zhì)量 G 72132Kb sADPCM編譯碼器的工作原理如圖所示 由于該系統(tǒng)主要用來對現(xiàn)有PCM信道擴容 即把兩個2048Kb s30路PCM基群信號轉(zhuǎn)換成一個2048Kb s60路ADPCM信號 因此ADPCM編碼器的輸入與譯碼器的輸出都采用標準A律或律PCM碼流 3 子帶編碼 SBC 子帶編碼 SBC 是首先用帶通濾波器將語音信號分割成幾個不同的頻帶分量 子帶 再分別對每個子帶進行抽樣和編碼 編碼后的碼流通過復接器復接 送到信道上傳輸 接收端再將它們分接 譯碼 并組合起來重建原始的輸入信號 下圖就是子帶編碼的原理方框圖 在子帶編碼器的設(shè)計中 必須考慮子帶數(shù)目 子帶劃分 編碼的參數(shù) 子帶中的比特分配以及帶寬等主要參數(shù) 設(shè)一個子帶編碼系統(tǒng)包括m個子帶 各子帶帶寬為Bk k 1 m 每個子帶信號經(jīng)過頻率為fsk 2Bk的抽樣后 使用bk個比特來進行量化和編碼 那么該系統(tǒng)總的編碼速率R應為 在語音信號的子帶劃分上 應考慮到各頻段對主觀聽覺貢獻相等的原則做合理的分配 使低頻段的子帶寬度較窄 高頻段的子帶寬度較寬 通常語音信號經(jīng)帶通濾波器組濾波后分成4 6個子帶 子帶之間允許有小的間隙 如圖所示 以16 24 32Kb s電話語音子帶編碼系統(tǒng)為例 將4KHz帶寬的語音信號分成5個子帶 如下表所示 其中16和24Kb s系統(tǒng)中只用4個子帶 而丟棄3000 4000Hz的子帶 32Kb s系統(tǒng)使用全部5個子帶 語音信號經(jīng)過子帶分割后 抽樣頻率從8KHz分別降到1KHz和2KHz 這時樣值之間的相關(guān)性減弱了許多 如果采用差分脈沖編碼 DPCM 性能會有一定改善 但已不明顯 為了簡化系統(tǒng) 一般都采用PCM編碼 比特分配也根據(jù)長時譜的統(tǒng)計特性使用固定比特分配方式 計算機模擬和主觀測試表明 僅采用PCM編碼時 32Kb s子帶編碼器的編碼質(zhì)量相當于64Kb sPCM 16Kb s子帶編碼器的編碼質(zhì)量相當于26 5Kb sADPCM 2 2 3語音信號的參數(shù)編碼 語音參數(shù)編碼的原理和設(shè)計思想完全不同于波形編碼 它根據(jù)對語音信號形成機理的分析 著眼于構(gòu)造語音生成模型 編碼器發(fā)送的主要信息就是該模型的參數(shù) 相當于語音信號的主要特征 而并非具體的語音波形幅值 由于模型參數(shù)的更新頻率較低 而且可以利用樣值間一定程度的相關(guān)性 因此能有效降低編碼速率 1 語音信號的基本特性語音信號是一個非穩(wěn)態(tài)過程 它的特性隨著時間而變化 但在一個很短的時間段內(nèi) 可以認為具有相對穩(wěn)定的特性 故稱為準平穩(wěn)信號 這個時間段約為5 50ms 語音信號的統(tǒng)計特性和頻譜特性都是針對短時段而言的 2 語音信號的線性預測模型一個最有效的語音分析模型是線性預測編碼 LPC 模型 它利用了語音信號具有很強的短時相關(guān)性這一特點 將語音信號樣值之間的短時相關(guān)模型化 并結(jié)合語音產(chǎn)生機理用一個短時濾波器集中地表征出來 從而構(gòu)成簡化的語音信號發(fā)生模型 如圖所示 圖中周期性脈沖序列表示濁音激勵源 隨機噪聲信號源表示清音激勵 根據(jù)語音信號的種類 由清 濁音判決開關(guān)決定接入哪一種激勵源 G代表語音的強度 聲道特性用一個時變線性短時濾波器表征 模型中的參數(shù)包括線性時變?yōu)V波器系數(shù) 基音周期 清濁音判決信息以及增益G 輸出語音信號s n 與激勵信號x n 之間的時域關(guān)系為 這種分析方法稱為LPC方法 相應的模型稱為LPC模型 因而 LPC分析問題可以表述為 給定信號s n 求參數(shù) ai i 1 m 用求出的結(jié)果作為模型的傳遞函數(shù)參數(shù) 如果用表示對參數(shù)的估計 則誤差信號可以表示為采用最小均方誤差準則進行估計 即設(shè)式 2 2 8 對的偏導數(shù)為零 得對于i 1 2 m e n 與s n i 是正交的 上式可以簡化為其中 3 線性預測 LPC 聲碼器根據(jù)語音信號的線性預測模型 描述語音的特征參數(shù)是線性時變?yōu)V波器參數(shù) ai i 1 m 基音周期 清濁音判決信息U V以及增益G 因此在LPC聲碼器中 當線性時變?yōu)V波器的階數(shù)為M 語音幀寬度為N時 完全能用上述M 3個特征參數(shù)來代表一幀內(nèi)的N個原始語音抽樣 之后 再對這些參數(shù)進行量化和編碼 采用這種編碼方式進行語音信號傳輸?shù)南到y(tǒng)稱為線性預測編碼 LPC 其實現(xiàn)方框圖如圖所示 4 多帶激勵 MBE 和混合激勵線性預測 MELP 編碼 1 多帶激勵 MBE 編碼在MBE模型中 整個語音頻帶被劃分為若干子頻帶 它們分別以各基音諧波為中心 以基音頻率為帶寬 在每個子頻帶上根據(jù)頻譜特征進行清濁音判決 就形成所謂的多帶激勵譜 整個激勵譜由基音頻譜和它的諧波以及一組清濁音判決信息表示 能較好地反映語音特征 與傳統(tǒng)聲碼器一樣 我們?nèi)匀话颜Z音信號視作激勵信號經(jīng)過聲道作用后的產(chǎn)物 從信號與系統(tǒng)的角度來看 語音信號的短時譜可以用激勵頻譜與聲道響應 或頻譜包絡(luò) 的乘積表示 即 其中 頻譜包絡(luò)可以用線性預測系數(shù) 共振峰頻率和帶寬 原始頻譜抽樣等多種形式表示 在MBE模型中 采用的是原始頻譜在基音諧波處的抽樣值 如圖所示 MBE分析算法的處理過程為 首先進行基音粗略估計和基音跟蹤 得到初選基音 然后在被選基音附近進行精細的譜匹配 尋找最佳基音Tp和濁音帶的諧波幅度Am 最后判決清濁音U Vm 決定清音帶的平均幅度Am 2 混合激勵線性預測 MELP 編碼混合激勵線性預測 MELP 編碼的基本特點在于它采用了混合激勵的形式代替基本LPC模型的二元激勵形式 將周期脈沖激勵源和白噪聲源混合作為激勵信號 這種方式解決了二元激勵模式不能準確描述過渡幀和弱濁音幀的問題 使合成激勵信號譜與殘差信號譜更加匹配 改善了合成語音的自然度 同時提高了參數(shù)模型的魯棒性 MELP算法對語音的模式進行兩級分類 首先將語音分為 清 和 濁 兩大類 這里的清音是指不具有周期成分的強清音 其余的均劃為濁音 用總的清 濁音判決表示 其次 把濁音再分為濁音和抖動濁音 用非周期位表示 在對濁音和抖動濁音的處理上 MELP算法利用了MBE算法的分帶思想 在各子帶上對混合比例進行控制 這種方法簡單有效 使用的比特數(shù)也不多 如果使用1比特對每個子帶的混合比例參數(shù)進行編碼 該參數(shù)也就簡化為每個子帶的清 濁音判決信息 另外 在周期脈沖信號源的合成上 MELP算法要對LPC分析的殘差信號進行傅里葉變換 提取諧波分量 量化后傳到接收端 用于合成周期脈沖激勵 這種方法提高了激勵信號與原始殘差的匹配程度 MELP算法的分析 合成框圖 MELP算法具有良好的合成語音質(zhì)量和較強的抗噪聲性能 是一種較為理想的低速率語音編碼算法 AbS LPC編碼 譯碼器的基本結(jié)構(gòu)如圖2 2 14所示 激勵信號是AbS LPC模型的輸入 也是編碼器輸出的主要部分 它包含不能由時變?yōu)V波器譜模型表征的所有殘差結(jié)構(gòu) 這些殘差結(jié)構(gòu)中包括長時預測沒有包含的長時相關(guān)結(jié)構(gòu)或基音結(jié)構(gòu) 也包括不能用確定方法有效表征的隨機結(jié)構(gòu) 所以 激勵信號可能在周期脈沖到隨機噪聲之間變化 常用的激勵信號類型如圖所示 不同的激勵方式也就對應著以下不同的AbS LPC編碼算法 多脈沖激勵線性預測編碼 MPLPC 規(guī)則脈沖激勵線性預測編碼 RPELPC 碼本激勵線性預測編碼 CELP 2 3圖像編碼技術(shù) 2 3 1圖像信號及其數(shù)字化一幅平面運動圖像所包括的信息首先表現(xiàn)為光的強度或灰度 它隨空間坐標 光的波長和時間而變化 因此圖像函數(shù)可以表示成根據(jù)具體情況不同 可以把圖像分為各種不同的類型 如果只考慮光的能量而不考慮光的波長 在視覺效果上只有黑白深淺之分 而無色彩變化 此時的圖像稱為黑白活動圖像 可表示為對于彩色活動圖像 就要考慮光的波長 根據(jù)三基色原理 任何一種彩色都可以分解成紅 綠 藍三種基色 此時圖像函數(shù)可表示為 當圖像內(nèi)容不隨時間變化時 我們稱之為靜止圖像 因此 黑白靜止圖像函數(shù)可簡化為圖像信號的數(shù)字化主要包括兩個處理 抽樣和量化 1 圖像信號的抽樣圖像在空間上的離散化稱為抽樣 即將空間上連續(xù)變化的圖像離散化 2 圖像信號的量化抽樣只是完成了圖像空間位置的離散化 這時所得的信號還不是數(shù)字信號 還需要用離散的量化值代替連續(xù)變化的樣點灰度值 圖像量化的基本要求是在量化噪聲對圖像質(zhì)量的影響可以忽略的前提下 用最少的量化電平進行量化 常用的量化方式是均勻量化 設(shè)連續(xù)圖像f x y 經(jīng)過等間隔抽樣和量化之后 排成的數(shù)字點陣fm n 如下式所示 該陣列是對原圖像函數(shù)f x y 的數(shù)字化近似表示 圖像陣列中的每一個元素取值都是離散的 稱為圖像元素 簡稱像素 pixel 每個元素對應的x y坐標決定了像素在圖像中的位置 通常用行增加的方向作為x軸的正方向 列增加的方向作為y軸的正方向 數(shù)字圖像具有以下特點 數(shù)據(jù)量大 占用頻帶較寬 數(shù)字圖像中的各個像素不是獨立的 彼此之間的相關(guān)性很大 不同的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)其組成可能各不相同 但它們均對圖像的質(zhì)量有一定的要求 必須考慮圖像質(zhì)量的評價問題 圖像質(zhì)量的含義包括兩個方面 一個是圖像的逼真度 另一個是圖像的可懂度 圖像的逼真度用來描述被評價圖像與標準圖像的偏離程度 圖像的可懂度則表示圖像能向人或機器提供信息的能力 例如一幅被傳送的文字圖像中 能被讀懂的文字數(shù)所占比例的大小 就是對可懂度的表示 多年以來 人們總是希望能夠找到對圖像逼真度和可懂度進行定量描述的方法 而且希望這些定量描述與人的主觀感覺相吻合 以作為評價圖像和設(shè)計圖像系統(tǒng)的依據(jù) 2 3 2數(shù)字圖像壓縮編碼 1 圖像壓縮編碼原理及分類雖然圖像包含有大量的數(shù)據(jù) 但圖像數(shù)據(jù)是高度相關(guān)的 一幅圖像內(nèi)部以及視頻序列中相鄰圖像之間存在大量的冗余信息 如果能夠去掉這些冗余信息 就可以實現(xiàn)圖像的壓縮 常見的冗余信息類型包括 空間冗余時間冗余信息熵冗余知識冗余視覺冗余結(jié)構(gòu)冗余圖像中存在信息冗余是可以對其進行壓縮的前提條件 圖像壓縮編碼就是要盡可能地消除這些冗余 使用盡量少的比特數(shù)來表示和重建圖像 實現(xiàn)圖像壓縮的方法很多 對這些方法的分類也有多種 根據(jù)恢復圖像的準確度可以將圖像壓縮編碼方法分為三類 信息保持編碼 保真度編碼和特征提取 從實現(xiàn)方式上來看 圖像壓縮編碼可以分為概率匹配編碼 變換編碼和識別編碼三大類 一些新的方法也不斷出現(xiàn) 例如分形編碼 模型基編碼 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及小波變換等 有些已應用到實際系統(tǒng)中 為了獲得最佳的壓縮編碼效果 往往多種方法兼用 或以某種方法為主而融入其他方法 所謂最佳的壓縮編碼效果 主要指以下幾個方面 一是壓縮效率 或稱壓縮比 即壓縮前后編碼速率的比值 二是壓縮質(zhì)量 指恢復圖像的質(zhì)量 三是編解碼算法的復雜度 四是針對實時系統(tǒng)提出的編解碼延時 下圖是典型的圖像壓縮編碼系統(tǒng)的原理框圖 信源輸出的可以是各種模擬圖像信號 經(jīng)過PCM編碼器后變?yōu)閿?shù)字圖像信號 壓縮編碼器對數(shù)字圖像信號進行各種目的的壓縮編碼處理 如果不需通過信道傳輸 就是一般的數(shù)字圖像處理系統(tǒng) 如果再經(jīng)過信道編碼后在信道上傳輸 則為數(shù)字圖像通信 2 概率匹配編碼 1 霍夫曼編碼霍夫曼于1952年提出了一種編碼方法 它的基本原理是對那些出現(xiàn)概率較大的信源符號編以較短的代碼 而對那些出現(xiàn)概率較小的信源符號編以較長的代碼 對于這種變字長編碼 碼字的平均長度為其中 p aj 為第j個信源符號出現(xiàn)的概率 Lj為第j個信源符號對應的碼字長度 下圖是霍夫曼編碼的一個實例 7個信源符號的出現(xiàn)概率分別為0 20 0 19 0 18 0 17 0 15 0 10和0 01 可以看出 這個編碼過程實際上是構(gòu)成一個二叉樹的過程 碼字都是從根出發(fā)排列的 通過計算可知 信源熵為2 61比特 編碼后的平均碼字長度為2 72 已經(jīng)非常接近 屬于最佳編碼 3 預測變換編碼預測變換編碼 簡稱預測編碼 在圖像編碼研究中已有很長的歷史 它是統(tǒng)計冗余數(shù)據(jù)壓縮理論的三個重要分支之一 預測編碼的基本思想是利用圖像信號的空間和時間冗余特性 用相鄰的已知像素 或圖像塊 來預測當前像素的值 再對預測誤差進行量化 編碼和傳輸 預測編碼的關(guān)鍵在于預測算法的選取 這與圖像信號的概率分布很有關(guān)系 預測編碼又分為幀內(nèi)預測編碼和幀間預測編碼 前者在一幅圖像內(nèi)進行預測 以消除圖像在空間域的相關(guān)性 后者在多幅圖像之間進行預測 以消除圖像在時間域上的相關(guān)性 幀內(nèi)預測編碼系統(tǒng)的原理框圖如圖所示 4 函數(shù)變換編碼函數(shù)變換編碼 簡稱變換編碼 是指將通常在空間域表示的信號變換到其他正交矢量構(gòu)成的一個變換域中表示 并對變換后的信號進行壓縮編碼 下圖是圖像變換編碼的原理圖 其中 G 表示輸入的二進制圖像 經(jīng)過二維正交變換 U 后產(chǎn)生變換域中的變換系數(shù) A A 經(jīng)過量化后得到 A A 經(jīng)過編碼器再壓縮后送入傳輸信道 在接收端經(jīng)過譯碼器和逆變換后獲得復原圖像 G 上述過程屬于信息非保持圖像編碼 如果沒有量化這一環(huán)節(jié) 則屬于信息保持圖像編碼 1 圖像的二維傅里葉變換二維傅里葉變換的定義為 其中 為 的輸入圖像信號矩陣 為 傅里葉矩陣 矩陣中的第i行k列元素為 2 離散余弦變換離散余弦變換 DCT 屬于實數(shù)域的正交變換 它克服了DFT具有復雜的復數(shù)運算的缺點 經(jīng)DCT處理后 圖像能量集中在少數(shù)系數(shù)上 其余大部分系數(shù)都為零 DCT提出的各種快速算法往往具有規(guī)律性的結(jié)構(gòu)或易于并行處理 比較容易實現(xiàn) 因此奠定了DCT目前在圖像編碼中的重要地位 成為H 261 JPEG MPEG等國際標準的主要環(huán)節(jié) N階一維DCT的定義如下 設(shè)為N個信號樣點 為其變換值 則有 離散余弦反變換 IDCT 為由于DCT的變換核構(gòu)成的基向量與圖像內(nèi)容無關(guān) 且變換核是可分離的 因此可以通過兩次一維DCT變換實現(xiàn)一個二維DCT變換 具體步驟為 3 小波變換小波變換 WT 又稱為子波變換 是由法國地理學家Morlet和數(shù)學家Growwmann提出的 它的出現(xiàn) 是信號分析理論發(fā)展史上的一個里程碑 這種變換方法具有良好的時域局域性與全局變換性 在相當程度上克服了傳統(tǒng)變換編碼方法的許多不足 使圖像壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展邁上了一個新的臺階 在數(shù)學上 h t 函數(shù)經(jīng)伸縮和平移后可得到一個函數(shù)族該函數(shù)族稱為小波函數(shù)族 函數(shù)h t 稱為基本小波 式中的參數(shù)a為伸縮因子 b為平移因子 對于給定的信號f t 定義小波變換為 2 3 3圖像壓縮編碼標準 1 H 261建議H 261建議 又稱為 視聽業(yè)務的視頻編碼解碼器 具有覆蓋整個ISDN基群信道的功能 它的應用目標是可視電話和會議電視 一般說來 當p 1 2時適用于面對面可視電話業(yè)務 當p再增加時 6 可用于會議電視 1 視頻格式世界上的彩色電視有PAL NTSC和SECAM三種不同的制式 為了方便不同制式電視之間的互連 H 261提出采用公共中間格式CIF commonintermediateformat 和1 4CIF QCIF 作為可視電話 會議電視的視頻格式 編碼時 首先將PAL制 NTSC制或SECAM制的視頻信號轉(zhuǎn)化成CIF 譯碼時 將CIF轉(zhuǎn)化為PAL制 NTSC制或SECAM制視頻信號 這樣就解決了國際間互通時因不同電視制式引起的矛盾 CIF和QCIF的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為四個層次 即圖像層 P 由圖像頭和塊組數(shù)據(jù)組成 圖像頭包括一個20位的圖像起始碼以及視頻格式 時間參數(shù) 幀數(shù) 等標志信息 塊組層 GOB 由塊組頭和宏塊數(shù)據(jù)組成 塊組頭包括一個16位的塊組起始碼 塊組編號 量化器信息等 宏塊層 MB 由宏塊頭和塊數(shù)據(jù)組成 宏塊頭包括宏塊地址 宏塊類型等 塊層 B 由DCT變換系數(shù)和塊結(jié)束符組成 以CIF格式為例 每個P由12個GOB組成 每個GOB由個3 11個MB組成 每個MB由4個8 8的亮度塊 Cr Cb 和2個的色差塊 組成 各層之間的關(guān)系如圖所示 QCIF和CIF的主要參數(shù)如表所示 2 視頻編碼H 261圖像編碼器采用的是混合編碼方式 即幀內(nèi)變換和幀間預測相結(jié)合 其基本原理如圖所示 若前后兩幀很相似 采用幀間方式 即進行幀間預測 并對預測誤差進行二維DCT處理 否則采用幀內(nèi)方式 即對每一幀進行幀內(nèi)DCT處理 圖像塊尺寸為8 8 但第一幀總是采用幀內(nèi)方式 2 H 263建議ITU T的H 263建議最開始是作為研究MPEG 4而提出的一種甚低碼率編碼方法 現(xiàn)已成為一種獨立的壓縮編碼方法 其傳輸碼率低于64Kb s 適用于在低比特率條件下對運動圖像進行壓縮編碼 它對運動圖像的壓縮比可以達到300 3 靜止圖像壓縮編碼技術(shù)標準JPEGJPEG JointPhotographicExpertsGroup 是由ISO和CCITT共同組成的聯(lián)合圖片專家小組的英文縮寫 1991年3月提出10918號標準 連續(xù)色調(diào)靜止圖像的數(shù)字壓縮編碼 該方法又稱為JPEG算法 并被確定為第一個有關(guān)彩色灰度靜止圖像的國際標準 JPEG算法是一個適用范圍非常廣泛的通用標準 它不僅適用于靜止圖像的壓縮 電視圖像序列的幀內(nèi)圖像壓縮編碼也常采用JPEG標準 它的壓縮比大約為20 30 JPEG標準提供了一種無損編碼模式和4種有損編碼模式 無損模式 基于DCT的順序模式 基準模式 基于DCT的遞進模式 層次模式 4 MPEG標準MPEG MovingPictureExPertsGrouP 是ISO組織下屬的運動圖像專家小組的英文縮寫 成立于1988年 該小組主要研究多媒體計算機系統(tǒng)中運動圖像壓縮編碼技術(shù)的標準 1991年11月該小組提出用于數(shù)字存儲媒介 比特率約為1 5Mb s的運動圖像及其伴音的壓縮編碼方案 作為ISO IEC11172號建議 于1992年正式通過 通常稱為MPEG標準 后命名為MPEG l標準 MPEG標準包括MPEG視頻 MPEG音頻和MPEG系統(tǒng)3大部分 這里主要介紹視頻部分 MPEG系統(tǒng)由系統(tǒng)層和壓縮層組成 系統(tǒng)層起控制作用 由定時信號 聲像數(shù)據(jù)流多路分解標志 音頻 視頻同步信號3個部分組成 壓縮層為數(shù)據(jù)部分 由壓縮后的音頻和視頻數(shù)據(jù)流組成 其中視頻部分的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與H 261一樣分為四個層次 即圖像層 塊組層 宏塊層和塊層 MPEG視頻壓縮是針對運動圖像的壓縮技術(shù) MPEG是一個不對稱的壓縮算法 第3章數(shù)字復接技術(shù) 3 1數(shù)字信號的復接 1 數(shù)字復接的概念及設(shè)備的組成 數(shù)字復接設(shè)備包括數(shù)字復接器和數(shù)字分接器 其簡單組成方框圖如圖所示 數(shù)字復接器由定時 調(diào)整和復接單元組成 數(shù)字分接器由同步 定時 分接和恢復單元組成 2 數(shù)字復接系列 數(shù)字復接是從低速到高速按照一定的規(guī)定速率分級進行的 其中某一級的復接是把一定數(shù)目的具有較低規(guī)定速率的數(shù)字信號合并成為一個具有較高規(guī)定速率的數(shù)字信號 這個數(shù)字信號在更高一級的數(shù)字復接中 與具有同樣速率的其他數(shù)字信號一起作進一步的合并 成為更高規(guī)定速率的數(shù)字信號 3 數(shù)字復接方法 根據(jù)復接器輸入端各支路信號與本機定時信號的關(guān)系 數(shù)字復接方法分為兩類 即同步復接與異步復接 3 1 1數(shù)字信號的復接方式 1 按位復接 按位復接 也稱 比特單位復接 這種方法每次復接一位碼 如圖所示 如果要復接四個基群信號 則第一次取第一基群的第一位碼 然后取第二基群的第一位碼 再取第三基群 第四基群的第一位碼 接下去取第一基群的第二位碼 第二基群的第二位碼 依此類推 循環(huán)往復 復接后每位碼寬度只有原來的四分之一 2 按字復接 按字復接就是每次復接取一個支路的8位碼 各個支路的碼輪流被復接 在其他三個支路復接期間 必須把另一個支路的8位碼存儲起來 因此這種方法需要容量較大的緩沖存儲器 但它有利于多路合成處理和交換 因而將會有更多的應用 3 按幀復接 按幀復接就是以幀為單位進行復接 即依次復接每個基群的一幀碼 這種方法的優(yōu)點是不破壞原來各個基群的幀結(jié)構(gòu) 有利于交換 但是 與第二種方法有同樣的原因 它需要容量更大的緩沖存儲器 目前尚無實際應用 3 1 2同步復接與異步復接 1 同步復接 同步復接的框圖如圖所示 它由時序產(chǎn)生器 各支路緩沖存儲器 合路移位寄存器組成 采用比特復接時 同步復接 分接原理如圖 a 所示 相應的時間波形見圖 b 2 異步復接 異步復接允許參與復接的各支路具有標稱速率相同 速率的變化限制在規(guī)定范圍內(nèi)的獨立時鐘信號 因此在遠程傳輸數(shù)字通信網(wǎng)中 特別是在高次群復接中 異步復接得到廣泛應用 異步復接設(shè)備原理方框圖如圖所示 在異步復接中 關(guān)鍵就是碼速調(diào)整 經(jīng)碼速調(diào)整后的復接就變?yōu)橥綇徒恿?而將非同步信碼變?yōu)橥酱a流的簡單有效方法是 正碼速調(diào)整技術(shù) 也叫脈沖插入法 這種方法就是人為地在各個待復接的支路信號中插入一些脈沖 譬如在瞬時數(shù)碼率低的支路信號中多插入一些脈沖 在瞬時數(shù)碼率高的支路信號中少插入或不插入脈沖 從而使這些支路信號在分別插入適當?shù)拿}沖之后 變?yōu)樗矔r數(shù)碼率完全一致的信號 碼速調(diào)整除正碼速調(diào)整外 還有正 負碼速調(diào)整 正 0 負碼速調(diào)整 其中正碼速調(diào)整由于它的原理和設(shè)備簡單 技術(shù)比較完善 因此應用最為廣泛 3 1 3數(shù)字復接的碼速調(diào)整 1 正碼速調(diào)整 1 基本原理 所謂正碼速調(diào)整就是將被復接的低次群的碼速率都調(diào)高 使其同步到某一規(guī)定的較高的碼速上 例如基群的碼速由2048kbit s調(diào)到2112kbit s 正碼速調(diào)整的原理可用下圖來說明 圖 a 是原理方框圖 圖 b 是時間動作關(guān)系 2 正碼速調(diào)整的幀結(jié)構(gòu) 1幀中的內(nèi)容有 幀碼 幀定位信號 它是正確分接的標志 勤務信號 用于告警 碼速調(diào)整控制等 信息位 包括復接支路中的全部內(nèi)容 信碼 同步碼和信令碼等 由幀結(jié)構(gòu)也可以看出 碼速調(diào)整過程中的相位比較是在幀結(jié)構(gòu)中的第 組末進行判決的 若判決結(jié)果需要調(diào)整 則在其后各組中的C比特置1 V空閑 無需調(diào)整 則C比特置0 相應地V仍傳信碼 顯然 利用固定時隙位置作為碼速調(diào)整控制比特和碼速調(diào)整比特 可以簡化復接設(shè)備 3 正碼速調(diào)整基本關(guān)系式 設(shè)標稱復接比特速率為 fh 標稱支路比特速率為 fl 支路數(shù)為 m 每幀中對應每個支路的非信息比特數(shù)為 K 每幀中每個支路的信碼數(shù)為 Q 則有幀長 LF m Q K bit 定義如下參數(shù) 幀頻 每單位時間內(nèi)的幀數(shù) Fs fh LF 同步復接支路速率 同步復接器為每個同步復接支路準備的最大可能的復接速率 fm Q LF fh上述式中 Q LF為每個復接幀中支路占有的比特數(shù)比值 復接是對各支路信碼復接 K 是插入碼 標稱碼速調(diào)整速率 當支路速率與復接速率二者都等于其標稱值時 插入或刪除調(diào)整數(shù)字的速率 fs fm fl 最大碼速調(diào)整率 可能插入或刪除調(diào)整數(shù)字的最大速率 通常規(guī)定在每一個復接幀中只留一個調(diào)整位置 所以 fsmax Fs 調(diào)整比率 實際調(diào)整速率與最大調(diào)整速率之比 也稱塞入比率 S fs fsmax 即Q flLF fh 4 正碼速調(diào)整的時間特性 緩沖存儲器正常工作的前提條件是先寫入信息比特 后讀出信息比特 我們把寫入時刻相對于讀出時刻超前量稱為讀寫時差 由于 fl與 fm不同 所以讀寫時差總是隨著時間的推移而發(fā)生變化 2 正 負碼速調(diào)整 正 負碼速調(diào)整與正碼速調(diào)整的基本原理是一樣的 不同點僅為同步復接時鐘 fm 取值不同 在正 負碼速調(diào)整中 取同步復接時鐘的標稱值 f m等于支路時鐘的標稱值 fl 這時 由于 fm和 fl都會在各自的容差域內(nèi)變動 它們的瞬時值之間就可能出現(xiàn)三種情況 fm fl 這就是前述的正碼速調(diào)整的情況 fm fl 這時不需要調(diào)整就可以保持正常的同步復接 fm fl 這種情況是寫入速率大于讀出速率 如果不采取措施 緩沖器中存儲的信息將越來越多 最后導致發(fā)生 溢出 現(xiàn)象 從而丟失信息 為保證正常傳輸 就必須提供額外的通道把多余的信息送到接收端 也即要在適當?shù)臅r候多讀一位 這與正碼速調(diào)整剛好相反 稱為負碼速調(diào)整 正 負調(diào)整幀結(jié)構(gòu) 3 正 0 負碼速調(diào)整 正 0 負碼速調(diào)整過程中 同步復接時鐘 fm取值與正 負碼速調(diào)整一樣 與后者不同的是 fm與 fl間的三種情況對應著真正的三種調(diào)整情況 即正調(diào)整 不調(diào)整 負調(diào)整 并且用三種調(diào)整指令通知碼速恢復端 調(diào)整過程與前述的兩種碼速調(diào)整過程完全類似 正調(diào)整就是在指定位置 V 插入一個調(diào)整比特 非信碼 負調(diào)整就是在指定位置 V 傳送一比特額外的信碼 不調(diào)整就是按標稱值正常傳輸 在接收端也按調(diào)整指令實施恢復控制 但在恢復端 支路時鐘提取方法與前述兩種碼速調(diào)整不同 在正 0 負碼速調(diào)整中 恢復端設(shè)置了支路時鐘產(chǎn)生器 它產(chǎn)生三種時鐘 頻率分別為 fl fl Fms fl Fms 其中 fl為支路標稱頻率 寫入時鐘為 fm 緩存器容量為 N 讀出時鐘在上列三種時鐘里選取 其中 Fms 為調(diào)整幀頻 3 2時分多路復用原理和典型終端設(shè)備 3 2 1時分多路復用原理 多路復用是從提高信道利用率的角度提出來的 平常說的一個信道可以同時傳輸百個 千個甚至萬個話路 就是指的這種情況 目前應用最廣泛的方法是頻分多路復用 FDM 和時分多路復用 TDM 時分多路復用的波形變換示意圖如下 時分多路復用方框圖 3 2 2PCM30 32路系統(tǒng)簡介 1 幀結(jié)構(gòu) 下圖 a 是用于市話中繼的30 32路脈碼調(diào)制端機的方框圖 3 2 3時分復用系統(tǒng)中的同步技術(shù) 1 幀同步碼型與插入方式 幀同步碼的插入方式有兩種 分散式和集中式 PCM24路制式 日本 北美等國家采用 采用分散式 如圖 a 所示 它是插在每一幀的最后一個位碼 第193 bit 上 采用1 0交替的同步碼型 PCM30 32系統(tǒng) 我國 歐洲國家采用 采用集中插入方式 它是在每偶幀TS 0的第2 8位插入0011011幀同步碼 如圖 b 所示 很明顯 在選擇幀同步碼組的結(jié)構(gòu)時 一定要考慮到信息碼中產(chǎn)生相同結(jié)構(gòu)碼組的可能性要小 也即產(chǎn)生偽同步碼的可能性要小 同步碼組長一些 出現(xiàn)偽同步碼的可能性也小 而且也可加快捕捉過程 即失步后重新獲得同步的時間也短 缺點是占用了較多的信道容量 集中式插入的捕捉時間比分散式要快 所以PCM30 32路制式可以將一些話路作為數(shù)據(jù)傳輸用 但集中式插入往往要占用話路 因而降低了傳輸效率 2 對同步系統(tǒng)的要求與保護措施 對幀同步系統(tǒng)的要求主要有兩點 一是同步建立 或恢復 時間要短 二是穩(wěn)定性要好 要求同步性能穩(wěn)定 主要辦法是設(shè)置保護電路 即前方保護和后方保護兩種 前方保護是為了防止假失步 3 3同步數(shù)字系列 3 3 1同步數(shù)字系列的基本概念及特點 1 同步數(shù)字系列的產(chǎn)生 2 SDH的基本概念和特點 SDH是由SDH網(wǎng)絡(luò)單元 包括終端復用器 TM 分插復用器 ADM 再生中繼器 REG 和SDH數(shù)字交叉連接設(shè)備 SDXC 等 組成 在信道上進行同步信息傳輸 復用和交叉連接的系統(tǒng) 1 SDH網(wǎng)絡(luò)單元 終端復用器 TM SDH數(shù)字交叉連接設(shè)備 SDXC 分插復用器 ADM 2 SDH的特點 SDH系統(tǒng) 3 3 2同步數(shù)字系列的結(jié)構(gòu) 1 SDH的速率 SDH信號以同步傳輸模塊 STM 的形式傳送 SDH信號最基本的同步傳輸模塊是STM l 其速率為155 520 Mbit s 更高等級的STM N 信號是將STM l按同步復用 經(jīng)字節(jié)間插得到的 其中 N是正整數(shù) 目前SDH僅支持 N 1 4 16 64 CCITT建議G 707所規(guī)范的標準速率值為 STM l l55 520Mbit s STM 4 622 080Mbit s ST