通信原理——信源编码技术幻灯片.ppt
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1、通信原理通信原理信信源编码技术源编码技术第1页,共93页,编辑于2022年,星期三2023/1/1515 一月 2023数字通信原理数字通信原理第一讲第一讲 绪论绪论第二讲第二讲 信息论基础和信号分析信息论基础和信号分析第三讲第三讲 模拟调制技术模拟调制技术第四讲第四讲 信源编码技术信源编码技术第五讲第五讲 数字基带传输数字基带传输第六讲第六讲 数字调制技术数字调制技术第七讲第七讲 差错控制编码差错控制编码目目 录录第2页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理第四讲第四讲 信源编码技术信源编码技术4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 抽样定理抽样定理
2、4.3 4.3 脉冲振幅调制(脉冲振幅调制(PAMPAM)4.4 4.4 模拟信号的量化模拟信号的量化4.5 4.5 脉冲编码调制(脉冲编码调制(PCMPCM)4.6 DPCM4.6 DPCM和和DMDM4.7 PCM4.7 PCM通信系统及多路复用技术通信系统及多路复用技术第3页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理4.1 4.1 概述概述一、信源编码的主要目的一、信源编码的主要目的 1 1 1 1、将信号变换为适合于数字通信系统处理和传送的数字信号形式将信号变换为适合于数字通信系统处理和传送的数字信号形式A/DA/DA/DA/D转换转换转换转换;2
3、 2 2 2、提高通信的有效性,尽可能地减少原信息中的冗余度,使提高通信的有效性,尽可能地减少原信息中的冗余度,使单位时间或单位系统频带上所传的信息量最大单位时间或单位系统频带上所传的信息量最大压缩编码压缩编码压缩编码压缩编码;二、编码方式二、编码方式 1 1、离散无记忆信源编码、离散无记忆信源编码DMSDMS 包括有包括有HuffmanHuffman编码和等长编码编码和等长编码 2 2、脉冲编码调制和增量编码调制、脉冲编码调制和增量编码调制PCM/DMPCM/DM 3 3、线性预测编码、线性预测编码LPCLPC 将信源等效地视为在一个适当输入信号激励下的线性系统输将信源等效地视为在一个适当输
4、入信号激励下的线性系统输出。用线性系统的参数及伴随的输入激励信号进行编码。出。用线性系统的参数及伴随的输入激励信号进行编码。第4页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理 给每个符号赋予一定长度的代码表示。给每个符号赋予一定长度的代码表示。设:信源的输出来自一个由有限个符号设:信源的输出来自一个由有限个符号 组成的集合,组成的集合,表示符号出现的概率,则:表示符号出现的概率,则:即:即:在赋予一定长度的代码时,每个符号的二进制在赋予一定长度的代码时,每个符号的二进制代码平均长度最短不应小于信源的熵。代码平均长度最短不应小于信源的熵。三、三、DMSDMS编
5、码编码第5页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理1 1、等长编码、等长编码 又称为又称为均匀编码均匀编码,即不管符号出现的,即不管符号出现的概率如何,每个符号都用概率如何,每个符号都用N N位二进制代位二进制代码表示。码表示。则则码长码长为:为:编码效率编码效率为:为:即:即:每位二进制码所代表的信源的信息量。每位二进制码所代表的信源的信息量。第6页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理特点:特点:v当当L L为为2 2的整数次幂且等概出现时,编码效率为的整数次幂且等概出现时,编码效率为100%100%;v当
6、符号等概出现,但当符号等概出现,但L L不是不是2 2的整数次幂时,编码效率下降,的整数次幂时,编码效率下降,符号平均信息量与码长符号平均信息量与码长N N之间最多可相差之间最多可相差1 1比特;比特;vL L较小时,编码效率较低,因此,可以采用扩展编码的方法,即将较小时,编码效率较低,因此,可以采用扩展编码的方法,即将连续连续J J个符号进行统一编码,则:个符号进行统一编码,则:即:即:也就是说,每个符号所增加的也就是说,每个符号所增加的1 1比特下降到比特下降到1/J1/J比特,编码效率增加。比特,编码效率增加。第7页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字
7、通信原理例例1 1:某一:某一DMSDMS有有5 5种信源符号,每种符号种信源符号,每种符号出现的概率为出现的概率为1/51/5,计算以下固定长度,计算以下固定长度编码的有效性(效率)。编码的有效性(效率)。(1 1)每个符号分别进行等长二进制编码;)每个符号分别进行等长二进制编码;(2 2)每两个符号组合,进行等长二进制)每两个符号组合,进行等长二进制编码;编码;(3 3)每三个符号组合,进行等长二进制)每三个符号组合,进行等长二进制编码;编码;第8页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理2 2、不等长编码、不等长编码 即将出现概率较大的符号用位数较
8、少的码字代即将出现概率较大的符号用位数较少的码字代表,而出现概率较小的符号用较长的码字代表,表,而出现概率较小的符号用较长的码字代表,也称为也称为概率匹配编码概率匹配编码。(1 1)哈夫曼编码哈夫曼编码:单义可译码,平均长度最:单义可译码,平均长度最短的码种;短的码种;n ni i:相应出现概率为:相应出现概率为p p(x xi i)的符号的编码长度。的符号的编码长度。平均码长平均码长为为:第9页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理哈夫曼编码步骤哈夫曼编码步骤:v将所有信源符号按概率分布从大到小顺序排列(对概将所有信源符号按概率分布从大到小顺序排列(
9、对概率相等的概率顺序任意);率相等的概率顺序任意);v将两个概率最小的信源符号合并成一个信源符号,将两个概率最小的信源符号合并成一个信源符号,形成新的概率集合,按前一步骤重新排列。如此重形成新的概率集合,按前一步骤重新排列。如此重复,直至剩下两个概率为止;复,直至剩下两个概率为止;v分配码字。从后向前反向进行,分配分配码字。从后向前反向进行,分配0 0或或1 1;直至将所;直至将所有的符号的哈夫曼编码获得为止。有的符号的哈夫曼编码获得为止。平均编码效率:平均编码效率:第10页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理例例2 2:某一离散无记忆信源某一离散无
10、记忆信源DMSDMS由由8 8个字母个字母组成,每个字母出现的概率分别是组成,每个字母出现的概率分别是0.250.25,0.20.2,0.120.12,0.100.10,0.080.08,0.050.05,0.050.05,求:,求:(1 1)HuffmanHuffman编码所产生的编码所产生的8 8个不等长码个不等长码字;字;(2 2)每个符号平均二进制编码长度;)每个符号平均二进制编码长度;(3 3)信源的熵;)信源的熵;第11页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理注意注意:vHuffmanHuffman编码构造的码字不唯一;编码构造的码字不唯一
11、;vHuffmanHuffman编码是变长编码,硬件实现编码是变长编码,硬件实现比较困难;比较困难;v采用采用HuffmanHuffman编码,要传送编码表,编码,要传送编码表,占用传送时间;占用传送时间;vHuffmanHuffman编码是变长编码,出错时难编码是变长编码,出错时难以识别;以识别;第12页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理 (2 2)香农无干扰编码定理香农无干扰编码定理 即即香农第一编码定理香农第一编码定理,在不等长编码,在不等长编码中,不是对每个符号单独进行编码,而中,不是对每个符号单独进行编码,而是对由是对由J J个符号组成的
12、符号组进行编码,个符号组成的符号组进行编码,平均码长平均码长为:为:说明说明:通过扩展编码可使编码的平均长度:通过扩展编码可使编码的平均长度任意接近信源的熵,从而使编码效率提任意接近信源的熵,从而使编码效率提高。高。第13页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理4.2 4.2 抽样定理抽样定理一、抽样一、抽样 模拟信号数字化的第一步是在时间上对信模拟信号数字化的第一步是在时间上对信号进行离散化处理,即将时间上连续的信号处号进行离散化处理,即将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号,这一过程称之为理成时间上离散的信号,这一过程称之为抽样抽样。每隔一定的时
13、间间隔每隔一定的时间间隔T,抽取模拟信号的,抽取模拟信号的一个瞬时幅度值,所形成的一串在时间上离散一个瞬时幅度值,所形成的一串在时间上离散的样值称为的样值称为样值序列样值序列或或样值信号样值信号,或叫,或叫脉幅调脉幅调制信号制信号(PAM信号)。信号)。第14页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理二、低通信号的抽样定理二、低通信号的抽样定理 Nyquist Nyquist抽样定理(均匀采样定理)抽样定理(均匀采样定理)一个带限于(一个带限于(0 0,f fm m)HzHz内的连续时间信号内的连续时间信号f f(t t),如果以,如果以T Ts s1/
14、21/2f fm m秒的时间间隔进行抽秒的时间间隔进行抽样,则样,则f f(t t)将由得到的抽样值将由得到的抽样值f f(kTkTt t)完全确定。完全确定。NyquistNyquist抽样速率:抽样速率:NyquistNyquist最大时间间隔:最大时间间隔:第15页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理第16页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理三个三个前提条件前提条件v信号是严格带限的,频率是在一定的信号是严格带限的,频率是在一定的f fm m以下;以下;v取样是用理想的冲激序列;取样是用理想的冲激序
15、列;v采用理想的低通滤波器来恢复原信号,以减少误差;采用理想的低通滤波器来恢复原信号,以减少误差;否则,将产生否则,将产生三种噪声三种噪声vv折叠噪声折叠噪声折叠噪声折叠噪声,由折叠误差所产生的噪声;,由折叠误差所产生的噪声;vv孔径效应孔径效应孔径效应孔径效应,取样不是理想的冲激序列,通过理想低,取样不是理想的冲激序列,通过理想低通滤波器时,不能完全恢复原信号;通滤波器时,不能完全恢复原信号;vv内插噪声内插噪声内插噪声内插噪声,由非理想低通滤波器所产生的误差;,由非理想低通滤波器所产生的误差;第17页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理语声信号的
16、最高频率限制在语声信号的最高频率限制在3400Hz3400Hz,这时满足抽样定理的最低抽样频率应这时满足抽样定理的最低抽样频率应为为f fsmmsmm=6800Hz,=6800Hz,为了留有一定的防卫带,为了留有一定的防卫带,原原CCITTCCITT规定语音信号的抽样频率为规定语音信号的抽样频率为f fs s=8000Hz=8000Hz,这样,就留出,这样,就留出8000-6800=8000-6800=1200Hz1200Hz作为滤波器的防卫带。作为滤波器的防卫带。第18页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理例例3 3:已知一基带信号:已知一基带信号
17、 对其进行抽样,为了在接收端能不失对其进行抽样,为了在接收端能不失真地从已取样信号中恢复原信号,试真地从已取样信号中恢复原信号,试问取样间隔应为多少?问取样间隔应为多少?第19页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理三、带通信号的抽样三、带通信号的抽样1 1、带通信号、带通信号 频带限制于(频带限制于(f fL L ,f fm m)HzHz之间的连续时间之间的连续时间信号称为带通信号;信号称为带通信号;带通信号如果还采用低通信号抽样定理带通信号如果还采用低通信号抽样定理进行取样,则将造成频谱空隙的浪费,致使进行取样,则将造成频谱空隙的浪费,致使信道利用
18、率不高。信道利用率不高。第20页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理2 2、带通信号的取样定理、带通信号的取样定理(1 1)如果模拟信号频带限制于(如果模拟信号频带限制于(f fL L ,f fm m)HzHz之之间,且当间,且当f fL Lf fm m-f fL L=W=W时,则所必须的最低取样速时,则所必须的最低取样速率为:率为:(2 2)一般情况下,取样速率应满足:一般情况下,取样速率应满足:这样不会发生频谱重叠。这样不会发生频谱重叠。第21页,共93页,编辑于2022年,星期三15 一月 2023数字通信原理数字通信原理(3 3)如果要求原始
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