移动通信系统的基本处理技术(多址技术和信源编码).ppt

移动通信系统 第三章移动通信系统的基本处理技术 第三章移动通信系统的基本处理技术 主要内容 3 1多址技术3 2信源编码与数据压缩 在移动通信中两个最核心的问题是如何克服信道与用户带来的两重动态特性 上一章着重分析了信道的动态性 这一章将讨论用户动态性及其带来的一系列问题 移动通信与固定式有线通信的最大差异在于固定通信是静态的 而移动通信是动态的 为了满足多个移动用户同时进行通信 必须解决以下两个问题 首先是动态寻址 其次是对多个地址的动态划分与识别 这就是所谓多址技术 在多址技术中重点研究的是利用扩频技术来实现码分多址CDMA 3 1多址技术 多址技术的基本概念 3 1多址技术 所谓多址技术就是使多个用户接入并共享同一个无线通信信道 以提高频谱利用率的技术 即把同一个无线信道按照时间 频率等进行分割 使不同的用户都能够在不同的分割段中使用这一信道 而又不会明显地感觉到他人的存在 就好像自己在专用这一信道一样 占用不同的分割段就像是拥有了不同的地址 使用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地址 这就是多址技术 亦称多址接入技术 在蜂窝移动通信系统中 多个移动用户要同时通过一个基站和其他移动用户进行通信 就必须对基站和不同的移动用户发出的信号赋予不同的特征 使基站能从众多移动用户的信号中区分出是哪一个移动用户发来的信号 同时各个移动用户又能够识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的 3 1 1多址接入基本原理 多址划分从原理上看与固定通信中的信号多路复用是一样的 实质上都属于信号的正交划分与设计技术 不同点是多路复用的目的是区别多个通路 通常是在基带和中频上实现 而多址划分是区分不同的用户地址 通常需要利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态的用户地址 同时为了实现多址信号之间互不干扰 信号之间必须满足正交特性 3 1多址技术 FDMA 称为频分多址 即每个用户占用一个频道其原理图如下 理论上划分 实际上的划分 图 频分多址原理图在移动通信中最典型的频分多址方式有 北美 800MHz的AMPS体制 欧洲与我国 900MHz的TACS体制 3 1多址技术 TDMA 当时 称为时分多址TDMA 其原理图如下 从理论上划分 实际上划分 图 时分多址原理图在移动通信中最典型的时分多址方式有 北美 D AMPS 欧洲与我国 GSM 900 DCS 1800 日本 PDC 3 1多址技术 CDMA 当时 称为时分多址CDMA 它有两种主要形式 直扩码分DS CDMA 多用于商用系统 其原理图如下 直扩码分原理图CDMA与FDMA TDMA划分形式不一样 FDMA与TDMA属于一维 频域或时域 划分 CDMA则属于二维 时 频域 划分 CDMA中所有用户占有同一时隙 同一频段 区分用户的特征是用户地址码的相关特性 FDMA TDMA的地址划分是基于简单的非此即彼 非共享型 即两个以上用户不可能同时占有同一频段 或时隙 CDMA的地址划分是基于特征 是相容的 即两个以上用户可以同时占有同一频段 同一时隙 是共享型的 其条件是只要它们具有可分离的各自特征 码的相关特性 即可 3 1多址技术 在移动通信中最典型的码分多址方式有 第二代的窄带CDMA系统 IS 95体制 第三代的CDMA2000体制 第三代的WCDMA体制 3 1多址技术 SDMA 当时 称它为空分多址SDMA 其原理图如下 图3 6空分多址原理图空分地址的实现是利用无线的方向性波束 将服务区 小区内 划分为不同的子空间进行空间正交隔离 移动通信中的扇区天线可以看作是SDMA的一种基本实现方式 智能式自适应天线是将来移动通信中准备采用的一项新的关键技术 是典型的空分方式 3 1多址技术 除了上述基于物理层的时分 频分 码分与空分多址接入方式以外 还有一种基于网络层的网络协议的分组无线电 PR ALOHA随机多址接入协议方式 ALOHA多址接入不同于前面介绍的时分 频分与码分的多址接入方式 它实际上是一种自由竞争式的随机接入方式 是以网络协议的形式来实现的 ALOHA原本是夏威夷俚语 用于对人到达或离开时致意的问候语 1968年夏威夷大学将解决夏威夷群岛之间数据通信的一项研究计划命名为ALOHA 3 1多址技术 3 1 2移动通信中的典型多址接入方式 1 FDMA第一代移动通信是模拟式移动通信 都采用频分多址FDMA方式 最典型的有北美的AMPS和欧洲及我国的TACS体制 下面以TACS为例讨论FDMA方式 TACS多址划分 3 1多址技术 TACS的总可用频段 与GSM频段相同 上行 890 915MHz 占用25MHz 下行 935 960MHz 占用25MHz TACS采用频率双向双工FDD方式 收 发频段间距为45MHz 以防止发送的强信号对接收的弱信号的影响 每个话音信道占用25KHz频带 采用窄带调频方式 TACS系统可以支持的信道数为 其中 为TACS的可用频段带宽 为信道 话音 带宽 3 1多址技术 FDMA的主要特点 比较简单 容易实现 适用于模拟和数字是以频率复用为基础的蜂窝结构 以频带划分各种小区需要周密的频率规划 是一个频道受限和干扰受限系统以频道分离用户地址 每一频道传输一个模拟 数字话路对功控要求不严 硬件设备取决于频率规划和频道设置基站是多部不同载波频率发射机同时工作不宜在大容量的系统中使用 3 1多址技术 互调干扰概念 指系统内由于非线性器件 功率放大器 产生的各种组合频率成分落入本频道接收机通带内造成对有用信号的干扰 解决办法 减小产生互调干扰的条件 尽可能提高系统的线性程度 并选用无互调的频率集 频率规划 邻信道干扰概念 指相邻信道信号中存在的寄生辐射落入本频道带内造成对有用信号的干扰原因 带外抑制不够 非线性器件产生寄生辐射解决方法 规定收发信机的技术指标 即规定发射机的寄生辐射和接收机的中频选择性 还可采用加大频道间的隔离度 3 1多址技术 2 TDMA 第二代移动通信是数字式移动通信 它主要采用两类多址方式 一类是欧洲大多数国家采用的时分多址TDMA方式 另一类是北美等采用的码分多址CDMA方式 我国两类方式都有 这里先介绍最典型的TDMA方式GSM体制 3 1多址技术 在GSM中最多可以八个用户共享一个载波 而用户之间则采用不同时隙来传送自己的信号 GSM一个TDMA帧的结构图如下所示 GSM系统一个TDMA帧的结构 3 1多址技术 GSM系统的时隙结构可划分为四种类型 常规突发序列 频率校正突发序列 同步突发序列 接入突发序列 GSM采用频率双向双工FDD方式 上 下行频段 发 收 间隔为45MHz 每个话音信道占用200kHz 采用GMSK调制 GSM系统总共可提供频点数为 而每个频点提供8个时隙 因此GSM总共可提供的时分信道数为 3 1多址技术 TDMA的主要技术特点 每载波8个时隙信道 每个信道可提供一个数字话音用户 因此每个载波最多可提供8个用户 突发脉冲序列传输 每个移动台发射是不连续的 只是在规定的时隙内才发送脉冲序列 传输开销大 GSM的TDMA帧层次结构如图3 9所示 共分为五个层次 时隙 TDMA帧 复帧 超帧 超高帧 每个层次都需占用一些非信息位的开销 这样总的开销就比较大 以致影响整体传输效率 3 1多址技术 3 1多址技术 图 GSM五层次帧结构 GSM每个信道比TACS宽8倍 传输速率达270 8Kbps 在这个速率上就不能不考虑多径传输时延扩展的影响 因为GSM的码元周期为3 7us 而繁华城区的多径时延扩展可达3us左右 已完全可以比拟 为了克服多径时延扩展 GSM采用了自适应均衡技术 增加了设备的复杂性 GSM中由于每个载波可提供8个用户 这8个用户由于时分特性可以共用一套收 发设备 因此与FDMA比较 减少了七倍的用户设备 降低了成本 GSM是数字式移动通信 它对新技术是开放的 这里的开放是指对新技术适应性比模拟的FDMA强 GSM的时隙结构灵活 不仅可以适应不同数据速率 一般指单个信道速率低于8倍的整数倍 的数据传送 还可以利用时隙的空闲省去双工器 利用时隙间切换 3 1多址技术 3 CDMA 它是第二代移动通信中的两种主要多址方式中除TDMA以外的另一种形式 最典型的是IS 95 在第三代移动通信中 五种体制中最主要的三种也是采用CDMA 它们是FDD的CDMA2000 FDD的WCDMA 与TDD的TD SCDMA 3 1多址技术 我们以IS 95体制中的码分多址方式来说明 在IS 95中 一个基站共有64个信道 采用正交的Walsh函数来划分信道 在完全同步的情况下 64个Walsh函数是完全正交的 下行 前向 信道配置如下图所示 IS 95下行 前向 信道配置64个信道中一个导频信道 一个同步信道 七个寻呼信道 其余五十五个为业务信道 3 1多址技术 上行 反向 信道配置如下图所示 IS 95下行 前向 信道配置其中 即接入信道最多为32个 业务信道最多为64个 3 1多址技术 IS 95采用频率双向双工FDD方式 与AMPS相同 下行 824 849MHz 占用25MHz 上行 869 894MHz 占用25MHz 上 下行频段间隔 即FDD间隔 为45MHz IS 95最大能提供的码分信道数 一个基站可提供业务信道 一个频段1 25MHz提供最大基站数 不含导频相位规划 IS 95总占用25MHz 所能提供最多的频段数为 IS 95总共能提供最多码分多址业务用户数 不含导频相位规划 为 3 1多址技术 IS 95中的CDMA的主要技术特点 CDMA系统中所有用户共享同一时隙 同一频隙 CDMA采用扩频通信 其信道占用1 25MHz 属于宽带通信系统 它具有扩频通信的一系列优点比如抗干扰性强 低功率谱密度等 宽带信号有利于采用Rake接收机抗频率选择性衰落 CDMA是一个干扰受限或者认为是信噪比受限系统 其容量不同于FDMA TDMA中的硬容量 它是软容量 CDMA中的多个地址间的干扰由于选码不理想 将是系统中最主要干扰 且随用户数增多而增大 3 1多址技术 CDMA系统主要特点 每个基站只需一个射频系统小区内以CDMA建立信道连接每个码传输一路数字信号各用户共享频率和时间是一个多址干扰受限系统需要相当严格的功率控制需要定时同步具有软容量具有软切换能力语音激活技术可扩大系统容量抗衰落 抗多径能力强 3 1多址技术 CDMA地址码分类与设计要求 在CDMA中地址码主要可以划分为三类 1 用户地址码 用于区分不同移动用户 2 信道地址码 用于区分每个小区 或扇区 内的不同信道 它又可分为 单业务 单速率信道地址码 主要用于第二代移动通信IS 95 多业务 多速率的信道地址码 主要用于第三代移动通信WCDMA与CDMA2000 3 基站地址码 在移动蜂窝网中用于区分不同的基站小区 或扇区 3 1多址技术 4 OFDMA OFDMA是第四代移动通信的核心技术 典型代表是LTE WiMax等移动通信体制 学术界与工业界主流观点认为 只有OFDMA才能够满足ITU第四代移动通信标准 IMT Advanced的技术要求 OFDMA系统中 整个信道带宽被划分为多个正交的子载波 每个用户分配不同的子载波组用于承载业务数据 一般的 OFDMA的子载波映射方式有三种 集中映射 分布映射与随机映射 3 1多址技术 分布式映射将子载波划分为多组 每组子载波分别映射为不同用户 因此每个用户的子载波均匀分布在整个信号带宽中 集中映射则将一组连续子载波分配给同一个用户 因此每个用户的信号在整个带宽中集中分布 随机映射按照某种随机规则 在系统可用子载波集合中 对用户的子载波进行随机分配 因此用户信号随机分布在整个带宽中 3 1多址技术 这三种映射方式中 随机映射和分布式映射由于用户信号分布于整个系统带宽 因此能够获得频率分集增益 性能要优于集中映射 但后者实现简单 并且通过上层调度 可以弥补分集增益的损失 因此实际的LTE WiMax系统中 主要采用集中映射方式 3 1多址技术 3 1多址技术 OFDMA系统的主要干扰是相邻小区的同频干扰 共道干扰 为了抑制同频干扰 小区间干扰协调是OFDMA系统的关键技术之一 另外 同步技术 峰平比抑制技术 分组调度以及信道估计等 也都是OFDMA的核心技术 尤其是MIMO技术与OFDMA技术的组合 已经成为第四代移动通信体制的基石 3 1多址技术 OFDMA系统的容量既不同于CDMA的软容量 也不同于传统的FDMA TDMA的硬容量 可以称之为动态容量 由于现代信号处理与跨层优化技术的应用 物理层的链路自适应与MAC层的分组调度技术相结合 能够根据信道状态为OFDMA用户动态分配无线资源 自适应调整链路速率 从而有效提高了系统容量 3 1多址技术 本节讨论在物理层决定有效性的最主要因素 信源编码和数据压缩技术 信源编码是主要利用信源的统计特性 解除信源相关性 去掉信源冗余信息 从而达到压缩信源输出的信息率 提高系统有效性的目的 第二代移动通信主要是语音业务 所以信源编码主要指语音压缩编码 第三代移动通信中的信源编码将不仅包含语音压缩编码 还包含各类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面内容 3 2信源编码与数据压缩 移动通信信源编码基本概念 3 2信源编码与数据压缩 数据压缩基本概念 3 2信源编码与数据压缩 3 2 1语音压缩编码 在本部分 我们将讨论语音压缩编码的基本原理与方法 以及在移动通信中的语音编码 主要要求如下 熟悉语音编码技术和语音评价了解波形编码的原理 优点 缺点 常用编码方式了解CDMA CDMA2000 WCDMA的语音编码技术了解GSM IS 95 CDMA2000 WCDMA的语音编码速率 3 2信源编码与数据压缩 语音编码技术概述 语音编码 移动通信数字化的基础 第1 2代蜂窝系统的根本区别语音编码的意义 提高通话质量 数字化 信道编码纠错 提高频谱利用率 低码率编码 提高系统容量 低码率 语音激活技术 移动通信对语音编码的要求 编码速率低 语音质量好有较强的抗噪声干扰和抗误码的性能编译码延时小 总延时在65ms以内编译码器复杂度低 便于大规模集成化功耗小 便于应用于手持机 3 2信源编码与数据压缩 语音压缩编码分类 3 2信源编码与数据压缩 自适应预测编码 CVSDM 频谱分析 语音压缩编码分类 3 2信源编码与数据压缩 波形编码 将时域模拟话音的波形信号经过采样 量化和编码 形成数字语音信号编码速率较高16k 64k包括PCM ADPCM M CVSDM APC 自适应变换编码ATC等语音质量最高 占用较高带宽 适合有线参量编码 基于人类语音的产生机理建立数学模型 根据输入语音得出模型参数并传输 在收端恢复 编码速率较低 1 2 4 8kbps包括各种线性预测编码 LPC 方法和余弦声码器语音质量较差 不满足商用要求 较适用于军事和保密通信混合编码 波形编码 参量编码 LPAS 包括GSM的RPE LPC编码和VSELP编码语音质量介于以上两者之间 主要用于移动通信 移动通信中的语音编码 3 2信源编码与数据压缩 混合编码是优选方向移动通信频谱资源有限 低码率 高压缩比至关重要 加入公用网信噪比又不能太低 决定混合编码的4个主要参量 数据比特率 话音质量 算法复杂度和处理时延 数据比特率 度量信源压缩率和通信系统性能的主要指标 话音质量 国际流行的MOS法 5级评分制 算法复杂度 指完成语音编码所需的加法 乘法的运算次数 一般可用MIPS表示 处理时延 复杂度高 处理时延大 数据比特率 bps 数据比特率越低压缩倍数就越大 可通信的话路数也就越多 移动通信系统也就越有效 数据比特率降低 语音质量也随之相应降低 为了补偿质量的下降 可采用提高设备硬件复杂度和算法软件复杂度的办法 降低比特速率另一种有效方法是采用可变速率的自适应传输 它可以大大降低语音的平均传送率 还可以进一步采用语音激活技术 充分利用至少3 8的有效空隙 可获得大致约2 67dB的有效增益 3 2信源编码与数据压缩 度量方法不外乎客观与主观两个角度 客观度量可以采用信噪比 误码率 误帧率 相对而言简单 可行 主观度量是由人耳主观特性来判断 比客观度量复杂 目前国际上常采用的主观评判方法称为MOS方法 话音质量 3 2信源编码与数据压缩 语音编码硬件复杂度取决于DSP处理能力 而软件复杂度则主要体现在算法复杂度上 算法复杂度增大 也会带来更长的运算时间和更大的处理时延 如右所示 我们给出几种已知低数据比特率语音编码的上述四个参数与性能比较表格 复杂度与处理时延 3 2信源编码与数据压缩 移动通信中常用的语音编码方式 3 2信源编码与数据压缩 语音编码的发展 3 2信源编码与数据压缩 极低速率语音编码 600bps高保真语音编码自适应多速率语音编码 AMR 新的编码分析技术 非线性预测多精度时频分析技术 子波分析技术 高阶统计分析技术 3 2 2移动通信中的语音编码 本节将结合第二代 2G 的GSM与IS 95系统以及第三代 3G 的WCDMA和CDMA2000等不同系统所采用的语音编码具体方案 着重从原理上来阐述移动通信中的语音编码 3 2信源编码与数据压缩 1 GSM系统的RPE LTP声码器原理 RPE LTP声码器采用等间隔 相位与幅度优化的规则脉冲作为激励源 以便使合成后的波形更接近原始信号 该方案结合长期预测以消除信号的冗余度 降低编码速率 同时其算法较简单 计算量适中且易于硬件实现 3 2信源编码与数据压缩 GSM系统的RPE LTP声码器原理 REP LTP编码器包括下列五个部分 预处理 线性预测分析 短时分析滤波 长时预测以及规则脉冲激励编码 其编码器原理如上图所示 3 2信源编码与数据压缩 RPE LTP语音编码框图 3 2信源编码与数据压缩 RPE LTP语音解码框图 3 2信源编码与数据压缩 算法 规则脉冲激励长期预测LPC RPE LTP 组成 预处理 LPC分析 短时分析 长时预测 规则脉冲激励编码 LPC LTP参数 3 6kbit s 短时和长时预测参数 即声道参数 RPE参数 9 4kbit s 规则脉冲编码 残差信号 特点 13kbit s 语音质量3 6 抗误码性能好 解码时延30ms RPE LTP主要特点 3 2信源编码与数据压缩 2 IS 95系统的QCELP声码器 QCELP声码器是Qualcomm公司提出的用于IS 95系统的语音编码标准 即码激励线性预测的可变速率混合编码算法 QCELP方案的编码原理如下图所示 3 2信源编码与数据压缩 TIA EIAIS 95的QCELP语音编译码系统如下图所示 3 2信源编码与数据压缩 QCELP语音编码的主要特点如下 基于线性预测编码 使用矢量码表替代简单线性预测中产生浊音准周期脉冲的脉冲位置和幅度 使用码表矢量量化差值信号 可变速率 采用话音激活检测 VAD 技术 在话音间隙期 根据不同的信噪比背景分别选择9 6kbps 4 8kbps 2 4kbps 1 2kbps4个档次 1 1 2 1 4 1 8 的传输速率 使平均速率比最高速率下降两倍以上 参量编码的主要参量分为三类 码表对数子帧 音调特性参数子帧 线性预测滤波器参数子帧 且每帧不断更新 主要参量信息15个 其中滤波参量12个 分别为a1 a2 a12 音调参数L和b 增益参数G 码表参数T 3 2信源编码与数据压缩 3 CDMA2000系统的EVRC声码器 EVRC EnhancedVariableRateCodec 即增强型可变速率语音编码器 是由美国电信工业协会TIA EIA于1996年提出的CDMA2000系统的语音编码方案 EVRC编码器基于码激励线性预测 与传统CELP算法主要区别为 它能基于语音能量 背景噪声和其它语音特性动态调整编码速率 3 2信源编码与数据压缩 EVRC编码器结构如右所示 具体由以下几部分组成 高通滤波器线性预测器的参数提取模块速率确定模块参数量化模块参数编码模块 3 2信源编码与数据压缩 4 WCDMA系统中的AMR声码器 AMR 自适应多速率 是第三代移动通信中WCDMA优选的语音编码方案 其基本思路是联合自适应调整信源和信道编码模式来适应当前信道条件与业务量大小 AMR编码自适应有两个方面 信源和信道 对于信道存在两类选择 全速率 FR 22 8Kbps和半速率 HR 11 4Kbps 而对于FR和HR不同信道模式分别有8种和6种信源编码速率 3 2信源编码与数据压缩 为什么研究AMR编码WCDMA将支持多媒体业务 并支持电路交换和分组交换方式移动信道的变化 使系统不能工作在最佳的信源和信道编码速率 如GSM固定速率编码信道质量差时 信道编码不足以纠正传输错误 此时应改进信道编码 减小信源编码速率 提高语音质量信道质量好时 增加信源编码速率 提高语音质量AMR的概念 是以更智能的方式解决信源编码和信道编码的速率匹配问题 实际的语音编码速率将取决于信道条件 3 2信源编码与数据压缩 AMR编码器结构如下图所示 3 2信源编码与数据压缩 3 2 3图像压缩编码 在第一 二代移动通信中主要是语音业务 从2 5G开始就逐步引入数据业务 第三代业务推广为含语音 数据与图像的多媒体业务 为了适应第三代业务的需求 本节介绍图像压缩编码 3 2信源编码与数据压缩 1 图像编码标准简介 图像的信息量远大于语音 文字 传真和一般数据 它所占用频带也比其它类型业务宽 经过四十余年的努力 图像编码已形成了如右所示的系列化标准 3 2信源编码与数据压缩 目前制定视频压缩编译码国际标准的有两大国际组织 一个是ITU T 以前称CCITT 即国际电联的电信标准部 它制定的标准通常称为建议标准 一般用H 26X表示 另一个是ISO IEC 即国际标准化组织和国际电工委员会 它所制定的一般就称为标准 通常采用JPEG和MPEGX表示 目前 视频压缩编码大致可以分为两代 第一代视频压缩编码包括JPEG MPEG 1 MPEG 2 H 261 H 263等等 第二代视频压缩编码包括JPEG 2000 MPEG 4 MPEG 7 H 264等等 3 2信源编码与数据压缩 2 静止图像压缩标准JPEG 对于静止图像 国际标准化组织ISO和原来的国际电报电话咨询委员会CCITT 现改名为ITU T 以及国际电工委员会IEC共同组织了一个图片专家联合小组 JointPhotographicExpertsGroup 研究制定标准 称它为JPEG标准 JPEG标准分为两类 基于DPCM与熵编码的无失真编码系统 基于离散余弦变换DCT的限失真编码系统 3 2信源编码与数据压缩 1 基于DPCM的无失真编码 无失真编码又称为无损信源编码 它是一种不产生信息损失的编码 一般其压缩倍数比较低 为4倍左右 JPEG无失真编码的发送与接收系统实现原理如右图所示 无失真JPEG编码从原理上看 主要是以DPCM为基础 再加上哈夫曼编码或者算术编码的熵编码方式 3 2信源编码与数据压缩 2 基于离散余弦变换DCT的限失真编码 限失真编码属于有损信源编码 以离散余弦变换DCT为基础 再加上限失真量化编码和熵编码 它能够以较少的比特数获得较好的图像质量 限失真JPEG编码器原理如下所示 3 2信源编码与数据压缩 限失真JPEG译码器原理如下所示 3 2信源编码与数据压缩 3 准活动图像视频压缩标准H 26X 编码标准H 26X是由ITU T制定的建议标准 自上世纪八十年代中期开始现已制定了H 261 H262 H 263 最近刚完成了H 264建议标准 其中H 262和MPEG 2视频编 译码标准是同一个标准 这是两大国际组织的共同成果 而H 264也是两大组织联手制定的 被称为 MPEG 4VisualPart10 也就是 MPEG 4AVC AdvancedVideoCoding 2003年3月被正式确定为国际标准 3 2信源编码与数据压缩 1 H 261编码标准简介 H 261主要用于传输会议电话及可视电话信号 它将码率确定为 p 64Kbps 其中p 1 2 30 其对应的数据比特率为64Kbps 1 92Mbps H 261编码器原理图如左所示 3 2信源编码与数据压缩 H 261的译码器原理如下图所示 H 261编译码中采用的关键技术有 通过帧间预测消除图像在时间域内的相关性 通过DCT消除图像在空间域内的相关性 利用人眼视觉特性进行可变步长及自适应量化 利用变长码 VLC 实现与信源统计特性匹配 利用输出 入 的缓存实现平滑数据流传输 3 2信源编码与数据压缩 2 H 263编码标准简介 H 263系列适合于PSTN 无线网络和因特网 H 263信源编码算法的核心仍然是H 261标准中所采用的编码算法 其原理框图也与H 261基本上一样 H 263与H 261的区别如下 H 261只能工作于CIF与QCIF两类格式 而H 263则可工作于5种格式 CIF QCIF SubQCIF 4CIF 16CIFH 263吸收了MPEG等标准中有效 合理的部分H 263在H 261基本编码算法基础上又提供了四种可选模式 以进一步提高编码效率 3 2信源编码与数据压缩 4 活动图像视频压缩标准MPEG 这类标准是由国际标准化组织ISO和国际电工委员会于1998年成立的一个研究活动图像的专家组MPEG MovingPictureExpertsGroup 负责制定的 现已制定了MPEG 1 MPEG 2 MPEG 4以及补充标准MPEG 7与MPEG 21等 其中MPEG 2与MPEG 4是与ITU T联合研制的 在MPEG系列标准中 MPEG 1 MPEG 2属于第一代视频压缩标准 而MPEG 4则属于第二代视频压缩标准 3 2信源编码与数据压缩 1 MPEG 1编码标准简介 MPEG 1主要是针对1 5Mbps速率的数字存贮媒体运动图像及其伴音制定的国际标准 用于CD ROM的数字视频以及MP3等 MPEG 1视频编译码系统的原理性框图如右所示 3 2信源编码与数据压缩 上述框图中 核心部件是视频编译码器 视频编码器的结构如下图所示 3 2信源编码与数据压缩 MPEG 1视频流采用分层式数据结构 其分层方法及其功能如上表所示 MPEG 1视频流分层结构图如上所示 3 2信源编码与数据压缩 MPEG 1中视频图像分成四种帧类型 I P B与D帧 I帧为帧内编码帧 Intracodedframe 编码时采用类似H 261的DCT编码P帧为预测编码帧 Predictivelycodedframe 采用前向运动补偿预测和误差的DCT编码 由其前面的I帧或P帧进行预测B帧 为双向预测编码帧 bidirectionallypredictivelycodedframe 采用双向运动补偿预测和误差DCT编码D帧为直流编码器 DCCodedframe 它只包含每个块的直流分量 3 2信源编码与数据压缩 2 MPEG 2编码标准简介 ISO IEC的MPEG组织于1995年推出MPEG 2标准 它是主要针对数字视频广播 高清晰度电视HDTV和数字视盘等制定的4 9Mbps运动图像及其伴音的编码标准 MPEG 2与MPEG 1的差异如下 MPEG 2专门设置了 按帧编码 和 按场编码 两类模式 并相应地对运动补偿和DCT方法进行了扩展MPEG 2压缩编码在一些方面进行了扩展空间分辨率 时间分辨率 信噪比可分为不同等级以适合不同等级用途需求 并可给予不同等级优先级视频流结构具有可分级性输出码率可以是恒定也可以是变化的以适应同步与异步传输 3 2信源编码与数据压缩 MPEG 2视频是一个多格式系统 允许对4种源格式进行5种类型11种单独技术规范进行编码11种单独技术规范如右表格所示 3 2信源编码与数据压缩 3 2 4第二代视频压缩编码标准 本小节介绍三类代表性标准 即已应用于移动通信的JPEG 2000 MPEG 4编码标准和H 264编码标准 3 2信源编码与数据压缩 1 JPEG 2000编码标准简介 JPEG 2000主要特点如下 用以小波变换为主的多分辨率编码方式代替JPEG中采用的传统DCT变换采用了渐进传输技术 progressivetransmission 用户在处理图像时可以指定感兴趣区域 ROI regionofinterest 对这些区域可以选取特定的压缩质量和解压缩质量利用预测法可以实现无损压缩 losslesscompression 具有误码鲁棒性 Robustnesstobiterror 抗干扰性好考虑了人眼的主观视觉特性 增加了视觉权重和掩膜 3 2信源编码与数据压缩 2 MPEG 4编码标准简介 视频编码大体上可以分为两代 第一代基于像素的方法 第二代基于内容的方法 MPEG 4是基于对象方法 左图给出了对于一个任意形状的视频对象进行通用编码的原理框架 主要包含三部分 纹理 形状和运动三个编码模块 3 2信源编码与数据压缩 MPEG 4标准中定义的中心概念是AV对象 其编码机制是基于16 16的像素宏块来设计的 MPEG 4视频码流提供了对视频场景的分层描述 如右图所示 3 2信源编码与数据压缩 下面给出一个用VOP形成模块在MPEG 4视频验证模型VM中的框架构成原理 3 2信源编码与数据压缩 MPEG 4视频编译码的主要特点包括 图像信息处理的基本单元 由第一代像素块像素帧转变到以纹理 形状和运动三类主要数据的取样值构成视频对象平面VOPi视频编码基础转变成既取决于原有的客观统计特性 而更重要的则是取决于视频对象 内容的各种主 客观以及图像瞬时特性基于对象 基于内容对于不同的信源与信道 以及各个VO以及VOPi在总体图像中的重要性和地位 可以分别采用不同等级的保护与容错措施图像处理中具有时间 空间可伸缩性 尺度变换 3 2信源编码与数据压缩 3 新一代的视频编 译码标准H 264 ITU T与ISO IEC联手成立的VCEG在H 263及其改进型与MPEG 4的基础上进行技术融合 改进和优化 共同提出H 264建议标准VCEG从图像质量与实时性两方面出发 给出以下几个方面要求 数据比特率与图像质量时延复杂性 差错恢复语法定义网络友好性 3 2信源编码与数据压缩 H 264与以往编码的主要差异有 运动估值和运动补偿采用内部 intra 预测采用系数变换技术采用变换系数量化熵编码在扫描顺序 去块滤波器 新的图片类型 熵编码模式和网络适应层等方向 都有与以往编码不一样的自己特色 3 2信源编码与数据压缩 3 2 5我国音视频标准 数字音视频技术中 最核心的是音视频编解码算法和标准 目前 我国主要采用国外制定的标准 如 杜比AC 3 MPEG 2和H 264 使用这些标准需要向国外相关专利池缴付大量专利费 直接制约我国数字音视频产业的发展 也会影响移动通信业务的开展 下面简要介绍近年来我国颁布的DRA数字音频与AVS数字视频国家标准 3 2信源编码与数据压缩 1 DRA数字音频标准DRA数字音频标准全称为 多声道数字音频编解码技术规范 国标号 GB T22726 2008 2009年2月 由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会正式颁布 DRA是支持立体声和多声道环绕声的数字音频编解码 最多可以支持64个正常声道和3个低频效果声道 拥有压缩效率高 音质好 解码复杂度低和容错能力强的优点 3 2信源编码与数据压缩 表4 6DRA标准性能指标 3 2信源编码与数据压缩 DRA音频压缩算法基于人耳的听觉特性对声音信号进行量化和比特分配 属于感知音频编码 采用了变换编码的路线 DRA算法实现了量化与熵编码独立优化 进一步提高了量化与熵编码的性能 采用了基于人耳听觉模型的自适应分块标量量化 并对量化指数进行了Huffman编码 主要技术特色在于可变分辨率滤波器组和熵编码 3 2信源编码与数据压缩 1 可变分辨率滤波准稳态片断具有高频域分辨率 而对瞬态信号具有高时域分辨率 传统算法往往采取折衷方法 但对于稳态信号和瞬态信号都不是最优 DRA算法采取了改进方法 对音频帧的瞬态信号范围进行分析 将稳态和瞬态信号分别处理 DRA对于稳态信号采用了高频域分辨率的滤波器组 使变换后的子带样本能量更加集中 有利于量化和熵编码 而对于瞬态信号则引入新的 瞬态窗函数 提供了精细的时域分辨率 从而保留了足够听觉有效信息 3 2信源编码与数据压缩 2 量化比特分配及熵编码与同类音频编码器类似 DRA也采用心理声学模型输出的量化掩蔽阈值分配量化噪音 使其尽可能被遮蔽而不被感知 在对量化指数的熵编码中 根据每个量化指数的特性分配最优的码本指数 然后合并形成较大的段 共享一个码本指数 这样做可以尽量少的比特数传递码本向量信息 3 2信源编