信源编码解析课件.ppt

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1、第四章第四章信源编码信源编码信源编码:研究信源产生的消息的编码，即数字化序言采用ASCII码（己成熟）1)信源字符（数据）语音图像（视频）方式多样（另有课程）本章研究的重点2)源编码是实现信数字通信的第一步，一切电子系统几乎都实现了数字化！数字通信的优点：容量大、传输效率高，设备可靠，调整方便数字通信无缺点！3)信源编码的主要研究方向：在一定质量要求下,尽可能用最低的比特速率传送信源编码、信源解码在通信系统中的位置：(见图)4.1 字符编码与码元一、字符编码 了解 ASCII码 p.14 题1.1表二、码元的概念 二进制码元 M=2=，有两个符号：1、0 四进制码元 M=4=，有四个符号，每个

2、符号表示二位二进码 11100100M进制码元 M=,有M个符号，每个符号表示n位二进码元数字通信就是用M个电平，或M个频率，或M个信号相位来表示M个符号，每个符号代表n位二进码。4.2 抽样定理先行课己讲述，请复习教材内容！抽样频率 ，信号频谱中的最高频率分量。语音频谱控制在3003400HZ，因此选 =4000HZ，有：=8000HZ =1/=125 微秒t0S(t)0t抽样定理将连续波形离散化4.3 波形的量化波形量化步骤：1）抽样；2）将抽样值量化；3）将量化电平编为二进码。A/D 变换器是实现波形量化的专用器件！一、量化特性 图4.3.1 均匀量化输入-输出分层特性曲线4.3.1 均

3、匀量化二，量化噪声量化噪声功率：量化噪声电压：小结：（1）小，即分层电平数M 多，则量化噪声功率小；当量化噪声与外来噪声大小相近时，量化不会到信号质量产生影响；（2）任何仪器与测量都有一定精度，因而允许量化有误差，当 M=256,n=8 ，即每个采样值用8 bit 表示 M=512，n=9，即每个采样值用9 bit 表示 M=8192，n=13，即每个采样值用13 bit 表示等，这时在很多情况下，量化精度己足够高了。（3）M选多少？视具体要求而定。均匀量化的缺点：均匀量化只适用于信号电平为均匀分布的情况，当信号幅度的概率密度函数为非均匀分布时，均匀量化将不适用！（如语音，小信号概率高，大信号

4、概率小。）应采用非均匀量化:小信号分层密，大信号分层稀！4.3 波形的量化4.3.2 非均匀量化一、非均匀量化特性图 4.3.3 语音非均匀量化特性图 4.3.4 非均丹量化波形示意语音概率密度函数特点：1)最早一篇关于语音概率密度函数的论文发表于1952年；2)语音概率密度函数类似于负指数分布，但无法用简单的负指数系数表示；3)不同说话人，不同的语言会稍有不同，因而只能统计平均。0tp(x)语音概率密度函数近似曲线小结：1）语音的量化应小信号量化分层密，大信号稀，即非均匀量化；2）非均匀量化特性取决于选取的 能否使 最小。4.3.2 非均匀量化（PCM方案）三、语音非均匀量化的实现(1)律压

5、扩(2)A律压扩图 4.3.5图 4.3.6小信号扩张，大信号压缩后 再均匀量化=非均匀量化！4.3.2 非均匀量化（PCM方案）三、语音非均匀量化的实现(续）压扩特性的数学表达式：(1)律压扩(2)A律压扩 =ysgnx=+1 ,-1,符号函数四、A律、律的数字实现13折线 实现A律；15 折线 实现 律！1)图 4.3.8 13折线A律图 4.3.9 15折线 律四、A律、律的数字实现 以A律为例说明5位A/D6位A/D7位A/D11位A/D图4.3.8A=87.6每区间量化16层（4bit A/D)11位A/D只量化了一半（正区间），考虑负区间-12位A/D2)12bit A/D 实现1

6、3折线,13bit A/D 实现15折线四、A律、律的数字实现编码逻辑要求：12位A/D，每采样值量化为12位数码，采样频率8KHZ（数码率96Kb/s），要求数码率仍保持8位A/D时的值，即64Kb/s编码逻辑:12345678区位码：4位表示正、负16个区位各区位电平码：4位表示每区位的16个电平等效于改变12位A/D的精度：小信号区12位，大信号区6位!3)四、A律、律的数字实现 固定电话交换机PCM产品-12位可变精度A/D图 4.4.3实现可变精度A/D（见附录D)4)4.4.1 脉冲编码调制(PCM)4.4 语音的波形编码1)码速率15 1111 1111 14 1110 1110

7、13 1101 110112 1100 110011 1011 101110 1010 1010 9 1001 1001 8 1000 1000 7 0111 0000 6 0110 0001 5 0101 0010 4 0100 0011 3 0011 0100 2 0010 0101 1 0001 0110 0 0000 0111 一、PCM标准采样频率：8KHZ；A律或 律压扩（我国与欧洲采用A律），码速率 64Kb/s2）码型-折叠码将负半边的码翻转：电平序号自然二进码折叠码折叠码优点：比特发生错误引起解码后量化电平的平均跳变较自然二进码小！3）误码对语音质量的影响精确计算困难（见书）

8、4.4 语音的波形编码4.4.2 脉冲差分编码调制（DPCM)一、PCM的缺点-数码率高tPCM 是将各抽样值.，独立量化，数据量必然大。由于相邻采样值之间有很强相关性，由前一采样值可以预恻下一采样值的增量，因而无需传送采样值本身，只需传送差值。DPCM思想4.4.2 脉冲差分编码调制（DPCM)二、DPCM原理假设 与 之前k 次采样有关，有：,=+与真值 之差为 ，有：t =-=为一组系数原理：DPCM传送差值 ，由 求得 ；由于 小，所以DPCM的数码率低。4.4.2 脉冲差分编码调制（DPCM)三、DPCM的实现1）求系数 ,=1,2,ki 取决于信号x(t)的相关特性，符合x(t)相

9、关特性的一组系数 应使 最小，即 最小。(4.3.13)如信源广义平稳，则R(0)、R(i)、R(i-j)存在，由上述线性方程组在 最小约束条件下，系数 ,i=1,2,.k 可求（见附录A)由系数 唯一地确定了DPCM系统！4.4.2 脉冲差分编码调制（DPCM)三、DPCM的实现2)DPCM 系统方案量化值预测值图 4.4.4 DPCM 原理图预测器由 ,i=1,2.k 组成实现如下计算：发端：收端：实际参数：k=12，4比特（16电平）量化差值，码速率32Kb/s。加入平滑4.4.2 脉冲差分编码调制（DPCM)四、ADPCM 编码-DPCM的改进改进一、语音非广义平稳，男音、女音不同，英

10、语、日语不同，因而要适应不同说话人，自适应地更换不同说话人时的预测系数，称之为ADPCM。改进二、对差值 平滑后再编码，可明显提高语音质量。小结：1）DPCM、ADPCM技术成熟，成功将语音速率由64Kb/s降至32Kb/s，且语音质量不变，但由于光纤的普及，使得带宽矛盾趋缓，因而在骨干网上采用ADPCM不迫切，而影响了ADPCM的推广应用；2）DPCM技术在语音的参量编码和图像编码中应用十分广泛，对信源编码技术发展有重要价值。4.4.3 增量调制()4.4 语音的波形编码一、原理预测器一阶DPCM量化用1、0二电平图 4.4.6 实现框图4.4 语音的波形编码4.4.3 增量调制()二、波形

11、图 4.4.7信号变化加快，上升斜率增大，阶梯波跟不上，产生斜率失真。解决办法：提高码速率！的码速率约32Kb/s 时，语音质量和PCM类似。4.4 语音的波形编码4.4.4 波形编码的极限问题 PCM 64Kb/s DPCM ：32Kb/s 32Kb/s 量化信噪比 26dB 速率 波形编码三种体制：在量化SNR一定条件下，速率能降到何程度？信息论中的率失真函数回答了这一问题。对于无记忆信源：对于有记忆信源：0,(D ),信号功率量化噪声两采样值之间的相关系数在失真D条件下每采样值所需的bit数假设p=0.96,采样频率仍为8KHZ，求得 =1822KHZ!由此可知，走波形编码的道路，要想使

12、语音数据率压缩到18KHZ以下是不可能的！4.5.1 参量编码原理第四章 信源编码4.5 语音的参量编码一、参量描述消息的通适性消息参量文字汉字五笔；英语26个字母等语音元音、辅音；音调、清音、浊音；波形参数（如基音周期、预测系数）等图像横线、竖线、角度、灰度、边沿等不传消息的时间函数波形，而传消息参量！4.5 语音的参量编码4.5.1 参量编码原理二、发声模型气流声带声门口腔鼻腔咽腔鼻音鼻音口音发音模型简图：气流通过声带、声门，由咽腔、口腔和鼻腔等共同控制而发音。可等效为N段等长级联无损声管，并可用如下传递函数拟合：气流通过级联声管发音注：参见数字语音处理启示：噪声源通过数字滤波器应能能合成

13、语音！4.5 语音的参量编码4.5.1 参量编码原理三、语音参量编码的可能速率#语音参数一般有128256个，假设为256个，用8bit/参数 表示；假设发音速率是10参数/秒，=8bit/参数10参数/秒=80 bit/s#当前语音参量编码（混合）达到的速率：CDMA移动通信系统（IS-95)：1.2Kb/s 实验室达到的速率：低于800 bit/s4.5 语音的参量编码4.5.2 语音参量编码的实现一、参量空间分析一段语音，提取一组参量：这组参量代表了这段语音，是一个整体，因而对参量的处理必须是对这一整体进行处理，并把这组参量视为n维空间的一点。由某类消息参量组成的多维空间，称之为参量空间

14、。二、矢量量化4.5.2 语音参量编码的实现4.5 语音的参量编码对矢量的量化，在物理上是对多维空间的量化！（A/D是对一维参数进行量化）1）矢量量化定义：假设某一 n 维矢量：其中每一分量都是实的，连续的取值，矢量X 被量化为另一矢量 ，用Q()表示量化，有：称 是输入矢量 X 量化输出矢量，有：=Q(X)二、矢量量化(续）2）矢量量化的物理函义：假设某二维矢量：0对X 的量化，即是将落在小面积 中的所有连续的取值，以小面积中心点的那一矢量取值所取代，即 X 量化后的矢量有：这与A/D 对一维矢量量化的概念完全相同！二、矢量量化(续）2）矢量量化的物理函义：(续）对于三维矢量，则小面积应是一

15、个立方体，对于 n 维矢量，则小面积变成了一个超几何体，称这一超几何体为包元（cell）。n 维矢量：n维量化矢量：小结：矢量量化的物理意义是将落入超几何体包元内的连续变化的矢量值，用其中一个点的矢量值所取代。通常选这一点为包元的质心。即：是各质心矢量的有限个矢量值。3）矢量量化的包元划分算法二、矢量量化(续）#失真D的大小与包元的划分有关；#完成了包元的分割，即求得了L 个包元的质心矢量 ,k=1,2,.,L ;这样连续信源矢量X的取值就被L 个量化矢量的取值所取代。标量量化是 最小，概率密度大时量化精细。矢量量化算法与这一思想完全一致。不同的仅仅是从一维空间移到了n维空间。算法：假设有 ，

16、矢量量化引起的误差定义为 ，则矢量量化引起的平均失真为：k=1,2,.L,表示在n维空间为进行矢量量化而划分出的L个包元矢量落在包元 内的概率。平均误差上式进一步写为：二、矢量量化(续）4）矢量量化的编码算法#己知p(x)，给定数码率要求，即给定包元L的值，通常利用叠代法划分包元，直至失真满足要求（请了解性自学教材）。#不知道p(x)，则需先采集训练序列 ，要求 ML，再利用K分割法（见书）小结：a）矢量量化算法是在某失真测度下 在n维空间 寻求划分出L个包元，以包元质心 的L个离散 矢量取代 连续矢量，而使平 均失真D最小 的 包元划分算法；b)L与n无关，L由给定的量化精度要求决 定；c）

17、包元为一超几何体，二维空间应 为一六 边形，见图；d）失真度函数通常选为二阶矩，表示误差 功率，这时函数有如下形式：质心二、矢量量化(续）例 4.5.1 说明标量量化矢量中各元素和矢量量化它们之间数据率的差异。C标量量化-用长度 分别量化 、，码率为：矢量量化-用小面积 量化C，得码率：标量量化比矢量量化多用的码率是：从而说明矢量量化在数据压缩方面的优越性！4.5 语音的参量编码4.5.3 低速率语音编码器（速率低于16Kb/s的声码器）一、IS-95(CDMA移动通信）手机中的语音编码器 QCELP-Qualcomn code excited linear prediction(码激励线性预

18、测）速率：1.2Kb/s,2.4Kb/s,4.8Kb/s,9.6Kb/s ：参量：16个（音强G，清、浊音t，升调L，降调b，+12个线性预测系数（）：方案：图 4.5.5 发端发端编码方案：13位A/D,8KHZ采样；20ms(160个样点）一个窗口；分析窗口内的一段语音，提取出16个参数，矢量量化编码传送。收端方案：语音数码经信道编码后传送到接收端，还原出16个参量，进行语音合成，输出语音。图 4.5.6 收端16个参量消除窗口效应，完成窗口之间平滑。1）语音波形编码，传送时间信号波形，己发展到十分完美。其主要技术与应用：a)固定电话：PCM方案（非均匀量化、A律压扩，8KHZ采样，)64

19、Kb/s速率）DPCM（ADPCM）（8 KHZ采样，预测差值、均匀量化，32 Kb/s速率。增量调制 32Kb/s 速率。b)VCD/DVD 伴音-16KHZ采样，14位A/D均匀量化（CD音质)c)高保真音乐-48KHZ采样，16位A/D均匀量化。4.6 语音编码小结：2）语音参量编码，不传送波形，传送语音参量。主要应用：a）移动通信：GSM 13Kb/s CDMA 1.2Kb/s，2.4Kb/s，4.8Kb/s，9.6Kb/s；b）IP电话：速率5.6Kb/s左右。语音参量编码技术还在向前发展！4.7 图像编码(将有专门课程论述，本节仅概略介绍）图像编码静止图像编码活动图像编码有失真编码、限失真编码无失真编码Mpeg-1 (VCD)Mpeg-2 (DVD、HDTV)H.261、H.263Mpeg-4、H.264 (网络视频）第一代第二代第二代图像编码采用了与语音参量编码相似的编码方法，将图像分割成“对象”进行编码。目前300Kb/s左右的速率己可达到DVD的图像质量，而最低速率在28Kb/s 时己可接近VCD的图像质量了！第四章 信源编码结束习题：4.1,4.4,4.13,4.14,4.17,4.18,4.19,4.20