通信原理第10章信源編碼(7版)

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n為什么要數(shù)字化？ 壓縮編碼； 模/數(shù)轉(zhuǎn)換n信源編碼的作用： 波形編碼和參量編碼nA/D轉(zhuǎn)換（數(shù)字化編碼）的技術(shù)： A/D 數(shù)字方式傳輸 D/An模擬信號數(shù)字化傳輸?shù)娜齻€環(huán)節(jié)： “抽樣、量化 和 編碼”n波形編碼的三個步驟： PCM、DPCM、 Mn波形編碼的常用方法：6、7、8章

2、 模擬信號的抽樣10.2 抽樣定理 - 模擬信號數(shù)字化和時分多路復(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n定理：n證明：設(shè)單位沖激序列： 其周期T = 抽樣間隔Ts( )TntTnt1(1)TnfnTTf( )( )() (ssTsnm ttm nnm tTtT( )( )( )sTM fffM1( )()nssfM ffnT 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/Tsn=0 理想抽樣過程的波形和頻譜： fs 2f

3、H 因此，抽樣速率 必須滿足： fsfH這就從 頻域角度 證明了 低通抽樣定理。若 fs IWi 1 Is IWi 0IW1IW2IW356 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。n 譯 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Vi /2恒流電流，人為地補(bǔ)上半個量化級， 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

4、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,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解解例1270由上例可知，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 n PCM 信號的比特

5、率和帶寬BbsRfNBR傳輸帶寬: 若采用非歸零矩形脈沖傳輸時，譜零點帶寬為例如: 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) 6010.5.4 PCM系統(tǒng)中噪聲的影響PCM 系 統(tǒng) 輸 出：( )( )( )( )qam tm tn tn tn 兩種噪聲：產(chǎn)生機(jī)理不同相互獨立+ 信號成分( So ) 加性噪聲( Sa ) 量化噪聲(Sq)2o2( )( )qqSE m tNE ntn 性能指標(biāo)：2o2aa( )( )SE m tNE nt2o22oa( )( )( )q

6、SE m tNE n tE n t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, 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。H2o22/22( )22( )NqfqBSE m tMNE nt抗量化噪聲性能抗加性噪聲性能222(1)o2aa( )1/2=( )4NeeSE m tMPNE ntPPCM系統(tǒng)最小帶寬HBNf帶寬與信噪比互換22oo222oaa/( )2( )( )1/1 4 2NqNqqeSNSE m tNE n tE n tNNPOO2a,2NqSNNN若則OOa1,4qeSNNNP若則假設(shè)條件：自然碼、均勻量化、輸入信號為均勻

7、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n 問題引出 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。n 解決思路 究其根源：PCM 是對每個樣值獨立地編碼，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) n 方法之一預(yù)測編碼n 線性預(yù)測 利用前面幾個抽樣值的 線性

8、組合 來預(yù)測當(dāng)前時刻的樣值。 若僅用前面 一個抽樣值 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n 線性預(yù)測編碼/譯碼原理框圖表明：預(yù)測值mk 是前面p個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 DPCM p = 1 a1 =110.6.1 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n DPCM原理n DPCM性能DPCM系統(tǒng)的量化誤差（量化噪聲）為： kkkreqDPCM系統(tǒng)的信號量噪比： 2= okS

9、E m為信號平均功率；2= ekSE e為預(yù)測誤差（量化器輸入）的平均功率；/eqSN是把預(yù)測誤差作為輸入信號時量化器的信號量噪比；差分處理增益 約為611dB DPSK22NG ADPCM是為了改善 DPCM 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： 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 。 通過這二點改進(jìn) ，可大大提高輸出信噪比和 編碼動態(tài)范圍 。 n 自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制（ADPCM ，Adaptive DPCM) ADPC

10、M 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 DPCM10.7.1 增量調(diào)制(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 n 增量調(diào)制原理框圖74n 增量調(diào)制波形圖 如何選擇 和 fs max( )sdm tfdtskft（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n譯碼器的最大跟蹤斜率：n不過載條件：ufs 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

11、赫。u 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 ！ssMPCMff時，編碼1010101010時，編碼1010101010= /2u起始編碼電平起始編碼電平 Aminn編碼范圍：( )sinkm tAt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，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)( )coskkAdm ttdtmax( )sdm tf

12、dtksAfu最大編碼電平最大編碼電平 Amaxu 信號最大功率：信號最大功率：由Amax可得n信號量噪比假定不過載，基本量化噪聲為：u 量化噪聲功率：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。 時分復(fù)用

13、(TDM)10.8 Time Division Multiplexing（a ) 時分多路復(fù)用原理m i (t)低通低通1低通低通2低通低通N信道信道低通低通 1低通低通 2 低通低通 N同步旋轉(zhuǎn)開關(guān)同步旋轉(zhuǎn)開關(guān)m1(t)m2(t)m2(t)m1(t)mN(t)mN(t)10.8.1 基本概念實際電路中，用抽樣脈沖取代m1(t)m2(t)1幀Ts/NTs +Ts/N時隙12Ts+Ts/N3Ts+Ts/NTs2Ts3Ts4TsTs2Ts3Ts4Ts（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：對于時分復(fù)用數(shù)字電話通信系統(tǒng)，ITU制定了兩種準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）的建議:10.8.2 準(zhǔn)同步數(shù)字體系 以上兩種體系的層次、路數(shù)和比特率 如表所示：n nE 體系結(jié)構(gòu)圖：偶幀TS0奇幀TS0nPCM一次群的