通信原理(樊昌信)第10章信源编码课件.ppt

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1、 信 源 编 码第10章 本章内容:第第1010章章 信源编码信源编码 抽样 低通信号和带通信号量化 标量（均匀/非均匀）和矢量脉冲编码调制 PCM、DPCM、ADPCM 增量调制 M时分复用 TDM、准同步数字体系（PDH）压缩编码 语音、图像和数字数据 引引 言言10.1 引引 言言n为什么要数字化？压缩编码；模/数转换n信源编码的作用：波形编码和参量编码 nA/D转换（数字化编码）的技术：A/D 数字方式传输 D/An模拟信号数字化传输的三个环节：“抽样、量化 和 编码”n波形编码的三个步骤：PCM、DPCM、M n波形编码的常用方法：6 6、7 7、8 8章章 模拟信号模拟信号dede

2、抽样抽样10.2 抽样定理抽样定理 -模拟信号数字化和时分多路复用的理论基础10.2.1 低通模拟信号的抽样定理n定理：n证明：设单位冲激序列：其周期T=抽样间隔Ts 抽样过程可看作是 m(t)与 T(t)的相乘。因此，理想抽样信号为：其频谱为：1/Tsn=0 理想抽样过程的波形波形和频谱频谱：因此，抽样速率 必须满足：fsfH这就从 频域角度 证明了 低通抽样定理。此时，不能无失真重建原信号。混叠失真：重建原信号重建原信号:低通滤波器HL(f)内插公式抽样抽样与恢复恢复原理框图原理框图：10.2.2 带通模拟信号的抽样定理定理：定理：n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6fs 与 f

3、L 关系关系例例3-1 3-1 对频率范围为对频率范围为30300Hz30300Hz的模拟信号进行线性的模拟信号进行线性PCMPCM编码。编码。（1 1）求最低抽样频率）求最低抽样频率 ；（2 2）若量化电平数）若量化电平数M=64M=64，求，求PCMPCM信号的信息速率信号的信息速率 。解解:（1 1）由模拟信号的频率范围可知，该信号应作为低通信号）由模拟信号的频率范围可知，该信号应作为低通信号处理。故处理。故 最低抽样频率为：最低抽样频率为：（2 2）由量化电平数）由量化电平数L L可求出其编码位数可求出其编码位数n n，即：，即：说明每次抽样的值将被编成说明每次抽样的值将被编成6 6位

4、二进制数码，故该位二进制数码，故该PCMPCM信号信号的信息速率的信息速率R Rb b为：为：N=log2 M=log264=6 模拟脉冲调制模拟脉冲调制10.3 n PAM、PDM、PPM对比：-理想抽样-自然抽样m(t)实际抽样实际抽样 自然抽样自然抽样的的PAM 自然抽样过程的波形波形和频谱频谱：自然抽样与恢复原理框图原理框图：理想抽样：理想抽样：自然抽样自然抽样：理想冲激序列实际脉冲序列 s(t)恢复：均可用理想低通滤波器取出原信号。特点：每个样值脉冲的顶部是平坦的。m(t)产生：抽样 保持实际抽样 平顶抽样平顶抽样的PAMn=0 恢复：修正+低通滤波 模拟信号模拟信号dede量化量化

5、10.4 西安电子科技大学西安电子科技大学 通信工程学院通信工程学院 量化量化幅度上离散化幅度上离散化 量化后的信号量化后的信号多电平数字信号多电平数字信号抽样值分层电平10.4.1 量化原理量化电平量化间隔量化值 用 有限个 量化电平 表示 无限个 抽样值。qi=q1qMmi抽样值量化信号值抽样值量化值量化噪声a,b设抽样信号的取值范围量化电平数M则量化间隔量化电平（中点）分层电平（端点）10.4.2 均匀量化 等间隔划分输入信号的取值域的均方值-量化噪声功率为：n 信号量噪比 S/Nq输入样值信号的概率密度量化器的性能指标之一mk=m(kTs)mq=mq(kTs)量化噪声 信号mk 的平均

6、功率：信号量噪比信号功率与量化噪声功率之比：n 均匀量化的缺点应用：主要用于概率密度为均匀分布的信号，如遥测遥控信号、图像信号数字化接口中。原因：Nq与信号样值大小无关，仅与量化间隔 V 有关。解决方案：非均匀量化10.4.3 非均匀量化 量化间隔不相等的量化方法压大补小压大补小y=y=f f(x)(x)对数特性对数特性提高小信号的量噪比提高小信号的量噪比-压缩输压缩输出出-扩张输扩张输入入在接收端，需要采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复信号。入出压缩压缩特性特性扩张扩张特性特性压缩压缩-扩张特性扩张特性：均匀均匀量化量化压缩压缩特性特性图图 有无压扩的比较曲线有无压扩的比较曲线ITU的两种

7、建议的两种建议：非均匀量化x 归一化输入电压y 归一化输出电压1.A 压缩律y11 2.A 律 13 折 线对称输入对称输入1313折线压缩特性折线压缩特性 A律和律和 律不易用律不易用 电子线路准确实现，电子线路准确实现，实用中分别采用实用中分别采用 13折线折线和和15折线折线。=0 时无压缩效果时无压缩效果非均匀量化3 3.压缩律压缩律 及其 15 折线折线 15 折 线K1=32 大大信号的量化性能比 A律 稍差。小小信号的量噪比是 A律 的 2 倍。脉脉 冲冲 编编 码码 调调 制制10.5 西安电子科技大学西安电子科技大学 通信工程学院通信工程学院 Pulse Code Modul

8、ation,PCM 模拟信号数字化方式之一 10.5.1 PCM的基本原理 nPCM系统原理框图n模拟信号数字化过程-“抽样、量化和编码”具有镜像特性特点：简化编码过程优点：误码对小电压的影响小表1010 4 4 自然二进码和折叠二进码10.5.2 常用二进制码 编码考虑的问题之一问题之一码型选择码型选择qq极性码极性码：表示样值的极性。正编“1”，负编“0”qq段落码段落码：表示样值的幅度所处的段落qq段内码段内码：16种可能状态对应代表各段内的16个量化级 在A律13折线 PCM编码中，共计：需将每个样值脉冲（Is）编成 8位 二进制码：之二之二，关乎通信质量和设备复杂度码位的选择与安排码

9、位的选择与安排表表10-5 段段落落码码表表10-6 段段内内码码段落序号段落序号段落码段落码M2M3M4量化级量化级段内码段内码M5M6M7M8876543211 1 11 1 01 0 11 0 00 1 10 1 00 0 10 0 015141312111098765432101 1 1 11 1 1 01 1 0 11 1 0 01 0 1 11 0 1 0 1 0 0 11 0 0 00 1 1 10 1 1 00 1 0 10 1 0 00 0 1 10 0 1 00 0 0 10 0 0 0-归一化输入电压的最小量化单位之三之三，确定样值所在的段落和量化级(幅值)各折线段落各折

10、线段落12345678各段落长度各段落长度()161632641282565121024各段落起点电平各段落起点电平()01632641282565121024各段内均匀量化各段内均匀量化级长级长()11248163264斜率斜率161684211/21/4起始电平起始电平和量化间隔量化间隔每来每来一个一个样值样值脉冲脉冲就送出就送出一个一个PCMPCM码组码组10.5.3 电话信号的编译码器 编码的实现任务 把每个样值脉冲编出相应的 8 位二进码。极性判决：确定样值信号的极性，编出极性码：整流器：双单（样值 的幅度大小）。保持电路：使每个样值的幅度在 7 次比较编码过程中保持不变。比较器（核

11、心）：将样值电流 Is与标准电流 Iw 进行逐次比较，使Iw向Is逐步逼近，从而实现对信号抽样值的非均匀量化和编码。若 IsIw，输出“1”码 若 IsIw，输出“0”码记忆电路：寄存前面编出的码，以便确定下一次的标准电流值 Iw。7/11变换：将 7 位非线性非线性码转换成 11位线性线性码，以便恒流源产生所需的标准电流 Iw。n 各部件的功能：PAM信号类似天平称物过程只需 7 位（非线性）编码 以 对13折线正极性的8个段落进行均匀量化，则量化级数：非线性码非线性码 非均匀量化：非均匀量化：需要11位（线性）编码n 非线性码与线性码（7/11）：称为线性PCM编码对应称为非线性/对数PC

12、M编码线性码线性码 均匀量化：均匀量化：对应 解：解：编码过程如下：编码过程如下：（1）确定极性码）确定极性码C1：由于输入信号抽样值由于输入信号抽样值Is为正，故极性码为正，故极性码C1=1。（2）确定段落码确定段落码C2C3C4：段段落落码码C2是是用用来来表表示示输输入入信信号号抽抽样样值值Is处处于于13折折线线8个个段段落中的前四段还是后四段，故确定落中的前四段还是后四段，故确定C2的标准电流应选为的标准电流应选为 IW=128第一次比较结果为第一次比较结果为IsIW，故故C2=1，说明，说明Is处于处于58段。段。例 C3是是用用来来进进一一步步确确定定Is处处于于56段段还还是是

13、78段段，故故确确定定C3的的标准电流应选为标准电流应选为 IW=512第二次比较结果为第二次比较结果为IsIW，故故C3=1，说明，说明Is处于处于78段。段。同理，同理，确定确定C4的标准电流应选为的标准电流应选为 IW=1024第三次比较结果为第三次比较结果为IsIW，所以，所以C4=1，说明，说明Is处于第处于第8段。段。经经过过以以上上三三次次比比较较得得段段落落码码C2C3C4为为“111”，输输入入信信号号抽样值抽样值Is=1270个量化单位应处于第个量化单位应处于第8段，起始电平为段，起始电平为1024。（3）确确定定段段内内码码C5C6C7C8：段段内内码码是是在在已已知知输

14、输入入信信号号抽抽样样值值Is所所处处段段落落的的基基础础上上，进进一一步步表表示示Is在在该该段段落落的的哪哪一一量量化化间间隔隔。上上面面已已经经确确定定输输入入信信号号处处于于第第8段段，该该段段中中的的16个个量量化化间隔均为间隔均为64，故确定，故确定C5的标准电流应选为的标准电流应选为 IW=段落起始电平段落起始电平+8(量化级间隔量化级间隔)=1024+864=1536 第第四四次次比比较较结结果果为为IsIW，故故C5=0，它它说说明明输输入入信信号号抽抽样样值值Is处于前处于前 8 级（级（07量化级）。量化级）。同理，同理，确定确定C6的标准电流为的标准电流为 IW=102

15、4+464=1280 第第五五次次比比较较结结果果为为IsIW，故故C6=0，表表示示Is处处于于前前4级级（04量化间隔）。量化间隔）。确定确定C7的标准电流为的标准电流为 IW=1024+264=1152 第第六六次次比比较较结结果果为为IsIW，故故C7=1，表表示示Is处处于于23量量化化间隔。间隔。最后，确定最后，确定C8的标准电流为的标准电流为 IW=1024+364=1216 第第七七次次比比较较结结果果为为IsIw，故故C8=1，表表示示Is处处于于序序号号为为3的的量化间隔。量化间隔。如此经过如此经过7次比较，编出相应的次比较，编出相应的8位码为位码为11110011,它表示

16、它表示的量化值应该在第的量化值应该在第8段落的第段落的第3间隔中间，即等于间隔中间，即等于(1280-1216)/2=1248（量化单位）。将此量化值和信号抽样值相比，得知量（量化单位）。将此量化值和信号抽样值相比，得知量化误差等于化误差等于1270 1248=22（量化单位）。顺便指出，除极（量化单位）。顺便指出，除极性码外，若用自然二进制码表示此折叠二进制码所代表的量性码外，若用自然二进制码表示此折叠二进制码所代表的量化值（化值（1248），则需要），则需要11位二进制数（位二进制数（10011100000）。）。（1）极性码：C1=1（正）（2）段落码：C2 C3 C4（3）段内码：C5

17、 C6 C7 C8 PCM码组 C1 C8 1 111 0011=111（第段）=0011即即IW4IW5IW6IW7起始 1024 V8=641270解解例1270由上例可知，由上例可知，编码电平：IC=1216 因此，译码电平：I ID D=IC+Vi/2=1216+64/2=1248 编码后误差:(Is-IC)=54 译码后误差:|Is-ID|=22 传输带宽:若采用非归零矩形脉冲传输时，谱零点带宽为例如:一路模拟话路带宽为 B=4 kHz一路数字电话带宽为问题：PCM信号占用的频带 比 标准话路带宽要 宽很多倍。B=80008=64 kHz如何解决？详见详见1010.6.6节节 nPC

18、M 信号的比特率和带宽信号的比特率和带宽10.5.4 PCM系统中噪声的影响PCM 系 统 输 出：n 两种噪声：产生机理不同 相互独立+信号成分(So)加性噪声(Na)量化噪声(Nq)n 性能指标：抗量化噪声性能抗加性噪声性能总输出信噪比含义：当低通信号最高频率 fH 给定时,PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽 B 按指数规律增长。抗量化噪声性能抗加性噪声性能PCM系统最小带宽带宽与信噪比互换假设条件：自然码、均匀量化、输入信号为均匀分布。总输出信噪比 差分差分脉冲编码调制脉冲编码调制10.6 Differential PCM,DPCM PCM的改进型，是一种预测编码方法的改进型，是一种

19、预测编码方法 预测编码简介n 问题引出 PCM 需用 64kb/s 的比特率传输 1 路 数字电话信号，这意味，其占用频带 比 1路模拟标准话路带宽(4 kHz)要 宽很多倍。n 解决思路 究其根源：PCM 是对每个样值独立地编码，与其他样值无关。因此，降低 编码信号的比特率、压缩信号的传输频带是 语音编码技术追求的目标。信号抽样值的取值范围较大 从而导致数字化信号的比特率高，占用带宽大。需要较多的编码位数 n 方法之一 预测编码n 线性预测 利用前面几个抽样值的 线性组合 来预测当前时刻的样值。若仅用前面 一个抽样值 预测当前的样值，即为DPCM。对相邻样值的差值进行编码n 线性预测编码/译

20、码原理框图表明：预测值mk 是前面p个带有量化误差的抽样信号值的加权和。p-预测阶数 ai-预测系数当 时 PCM p=1 a1=110.6.1 差分脉冲编码调制(DPCM)原理与性能当 p=1，a1=1，则有，则有mk =mk-1*，表示只将前 一个抽样值 DPCM：对相邻样值的差值进行编码。当做预测值。预测器预测器n DPCM原理抽样积分保持编码量化 是xi的量化值。模拟信号波形 取样幅度及差值 n DPCM性能DPCM系统的量化误差（量化噪声）为：DPCM系统的信号量噪比：为信号平均功率；为预测误差（量化器输入）的平均功率；是把预测误差作为输入信号时量化器量化器的信号量噪比；差分处理增益

21、 约为611dB ADPCM是为了改善 DPCM 的性能，而将自适应技术引入到量化和预测过程。其主要特点：用自适应量化取代固定量化。自适应量化 指量化台阶随信号的变化而变化 ，使量化误差减小。用自适应预测取代固定预测。自适应预测 指预测系数可随信号的统计特性而自适应调整 ，提高预测信号的精度。通过这二点改进，可大大提高输出信噪比和 编码动态范围。n 自适应差分脉码调制（ADPCM，Adaptive DPCM)ADPCM 能以32 kb/s的比特率达到 64 kb/s 的 PCM 数字电话质量。极大地节省了传输带宽，使经济性和有效性显著提高。增量调制增量调制(MM&DMDM)10.7 一种最简单

22、的 DPCM10.7.1 增量调制(M)原理引言量化电平数取量化电平数取 2即对预测误差进行即对预测误差进行1位位编码编码n 增量调制原理框图编码规则为：编码规则为：则判决输出则判决输出“0”码码 则判决输出则判决输出“1”码码 相减器相减器本地本地译码器译码器判决器判决器脉冲源脉冲源图 M的编码器 n 增量调制波形图如何选择 和 fs （2 2）过载量化噪声）过载量化噪声（1 1）一般量化噪声）一般量化噪声10.7.2 增量调制系统中的量化噪声很大很大 n译码器的最大跟踪斜率：n不过载条件：ufs 选大选大：对减小过载噪声和一般量化噪声都有利。因此，对于语音信号而言，M M 的抽样频率在几十

23、千赫几十千赫 百余千赫百余千赫。u 选大选大 ：有利于减小过载噪声过载噪声 ，但一般量化噪声量化噪声增大。原因：简单简单 M 的量化台阶是固定的，难以使两者都不超过要求。解决：采用自适应自适应 M，使量化台阶随信号的变化而变化。为了避免过载避免过载 和 增大编码范围增大编码范围，应合理选择 和 fs！时分复用时分复用 (TDMTDM)10.8 Time Division Multiplexing（a)a)时分多路复用原理时分多路复用原理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同步旋转开关同步旋转开关m1(t)m2(t)m2(t)m1(t)mN(t

24、)mN(t)10.8.1 基本概念实际电路中，用抽样脉冲取代实际电路中，用抽样脉冲取代m1(t)m2(t)1 1帧帧Ts/NTs+Ts/N时隙12Ts+Ts/N3Ts+Ts/NTs2Ts3Ts4TsTs2Ts3Ts4Ts（b b）信号）信号m1(t)的采样的采样（c c）信号）信号m2(t)的采样的采样（d d）旋转开关采样到的信号）旋转开关采样到的信号帧帧TS：同一信号相邻两抽样脉冲的时间间隔。：同一信号相邻两抽样脉冲的时间间隔。时隙时隙T：一帧中，相邻两抽样脉冲之间的时间间隔。：一帧中，相邻两抽样脉冲之间的时间间隔。TS=T1+T2+TNlTDM类型型l 同步同步时分多路复用，分多路复用，

25、简称称STDM。如果各路信号在每如果各路信号在每一一帧中所占中所占时隙的位置是隙的位置是预先指定且固定不先指定且固定不变的。的。l 统计时分多路复用，分多路复用，简称称ATDM，也叫异步也叫异步时分多路分多路复用或智能复用或智能时分多路复用。分多路复用。统计时分多路复用是通分多路复用是通过动态地分配地分配时隙来隙来进行数据行数据传输的，即的，即对传送信息量大的某路送信息量大的某路信号分配信号分配时隙多，少的隙多，少的则分配分配时隙少。当然，此隙少。当然，此时发送端送端需要同需要同时发送地址送地址码，而接收端，而接收端则通通过各路信号的不同地各路信号的不同地址址码来来进行行识别、分离。、分离。1

26、.TDM的带宽的带宽Bn Bn=Nfm fm单路信号的带宽单路信号的带宽 N复用路数复用路数 PCM的的TDM的码率的码率fcp fcp=fsNn 抽样频率抽样频率 复用路数复用路数 编码位数编码位数例：例：A律律PCM30/32路的码率为多少？路的码率为多少？解：解：fcp=fsNn =8000328 =2048bpsTDM的主要优点：准同步数字系列和同步数字系列准同步数字系列和同步数字系列 把低速数字信号把低速数字信号(低次群低次群)按照时隙叠加的办法合成一个按照时隙叠加的办法合成一个高速数字信号高速数字信号(高次群高次群)的过程叫数字复接，它是一种常用的的过程叫数字复接，它是一种常用的干

27、线大容量时分复用数字传输方法。由于复接的方式不同，干线大容量时分复用数字传输方法。由于复接的方式不同，出现了准同步数字复接系列（出现了准同步数字复接系列（PDHPDH）和同步数字复接系列）和同步数字复接系列（SDHSDH）。）。一一PDHPDH概念概念 ITUITU提出的两个建议：提出的两个建议：E E体系体系 我国大陆、欧洲及国际间连接采用我国大陆、欧洲及国际间连接采用T T体系体系 北美、日本和其他少数国家和地区采用。北美、日本和其他少数国家和地区采用。T T体系采用体系采用2424路系统，即以路系统，即以1.544Mbit/s1.544Mbit/s作为一次群（基群）的作为一次群（基群）的

28、数字速率系列；数字速率系列；E E体系采用体系采用30/3230/32路系统，即以路系统，即以2.048Mbit/s2.048Mbit/s作为一次群的数字速率系列。作为一次群的数字速率系列。1010.8.2 .8.2 准同步数字体系n n lE 体系结构图：偶帧TS0奇帧TS0lPCM一次群的帧结构：每路每路PCM语音信号的抽样频率抽样频率：采样周期采样周期：fs=8000 Hz-帧时间帧时间一帧一帧共含 比特，PCM一次群的比特率：Ts=125 s比特率二SDH概念 原CCITT G.707的建议中，对同步转移模式STM-1155.5201Mbit/s以上（从STM-1至STM-4至STM-

29、16）的更高速率都采用高一级的速率正好等于低一级的4倍，即即 STM-1STM-1为为155.5201Mbit/s155.5201Mbit/s；STM-4STM-4为为622.0804itMb/s622.0804itMb/s；STM-16STM-16为为2488.3216Mbit/s2488.3216Mbit/s。这样的复接系列称为这样的复接系列称为SDHSDH。同步数字系列同步数字系列 1.SDH的优点（1）使 1.5Mbit/s 和 2Mbit/s 两大数字体系的标准在STM-1等级上获得了统一。实现了数字传输体制上的世界性标准。（2）有了统一的标准光接口，允许不同厂家的设备在光路上互通。

30、（3）SDH采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构，各种不同等级的码流在帧结构净负荷内的排列是有规律的，而净负荷与网络是同步的。（4）SDH帧结构中安排了丰富的开销比特，使网络的运行、网络管理和维护能力都大大加强了。（5）SDH具有完全的后向兼容性和前向兼容性。2.SDH复用的三个步骤 各种业务信号复用进STM-N帧的过程都要经历映射(相当于信号打包)、定位（相当于指针调整）和复用（相当于字节间插复用）三个步骤。3.SDH的速率等级等级比特率(Mb/s)STM-1 155.52STM-4 622.08STM-162488.32STM-649953.28 我国的光同步持输网技术体制规定了以2Mbits信号为基础的PDH系列作为SDH的有效负荷，并选用AU-4的复用路线，其结构如图所示。图图 我国的基本复用映射结构我国的基本复用映射结构 由图可见：我国的SDH复用映射结构规范可有3个PDH支路信号输入口。一个139.264Mb/s可被复用成一个STM-1（155.520Mbps）；63个2.048Mbs可被复用成一个STM-1；3个34.368Mbs也能复用成一个STM-1。谢谢！