模拟信号的波形编码.ppt

第5章模拟信号的波形编码 2020年2月17日 2 语音信号的编码语音编码图象信号的编码图象编码语音编码技术 波形编码参量编码 模数 2020年2月17日 3 语音编码技术 波形编码 直接把语音信号的时域波形变换为数字代码序列特点 数码率通常在16kbit s 64kbit s范围内接收端重建信号的质量好 参量编码 利用信号处理技术 提取语音信号的特征参量 基于人类语音的发声机理找出的 再变换成数字代码特点 数码率在16kbit s以下 最低可到1kbit s的数量级 但接收端的重建信号的质量不够好 5 1脉冲编码调制 PCM 2020年2月17日 5 5 1 1脉冲编码调制的基本原理 PCM包括 抽样 量化 编码三个过程抽样 时间离散化量化 幅度离散化编码 转换为二进制码 2020年2月17日 6 5 1 2 1低通抽样定理 信号 最高频率fH 限带 0 fH 无失真恢复条件 满足Nyquist抽样定理抽样脉冲信号 时域抽样信号 2020年2月17日 7 低通抽样定理 2020年2月17日 8 低通抽样定理 频谱分析 2020年2月17日 9 低通抽样的恢复 低通滤波器的传递函数滤波器的输出滤波器的时域输出 时域重建信号 2020年2月17日 10 2带通抽样定理 最高频率fH 最低频率fL 限带 fL fH 带宽为B抽样频率0 M 1 fs 在2B 4B之间变化 2020年2月17日 11 带通抽样定理 2020年2月17日 12 2带通抽样定理 设fH是带宽B的整数倍 即fH NB 若fs 2B N 3 频谱无重叠 此时可以无失真的恢复原始信号 但抽样频率远低于低通抽样定理规定的抽样频率 2020年2月17日 13 2带通抽样定理 若N 3 fH NB MB 0 M 1 仍以fs 2B进行抽样 要使频谱无混叠 必须使2fH 3fS 推广到一般情况 2020年2月17日 14 3自然抽样 抽样脉冲 傅立叶展开抽样信号抽样信号频谱 2020年2月17日 15 4平顶抽样 时域表达频域表达 2020年2月17日 16 5 1 3量化 模型量化图示量化间隔 量阶 阶距 2020年2月17日 17 2020年2月17日 18 量化误差 量化误差 量化噪声 量化噪声的平均功率 量化均方误差 当L 1 时 若概率密度均匀分布 最佳量化电平 2020年2月17日 19 量化误差 2020年2月17日 20 过载量化误差 过载噪声功率若对称分布总的量化噪声功率 2020年2月17日 21 5 1 2均匀量化和线性PCM编码 均匀量化量化电平 V V 量化间隔数L量化间隔 不过载的量化噪声功率 2020年2月17日 22 2020年2月17日 23 量化信噪比 正弦信号 量化信号量化信噪比n为参变量 曲线之间的距离为6dB每增加一位编码 SNR dB提高6dB20lgD取 3dB时 对应于信号的过载点 2020年2月17日 24 量化信噪比 语音信号 语音信号分布 总量化噪声的平均功率 2020年2月17日 25 量化信噪比 语音信号 语音信号的平均功率量化器的信噪比当D 0 2时 2020年2月17日 26 量化信噪比 语音信号 当信号的有效值很大时 2020年2月17日 27 注意 正弦信号和语音信号 SNR dB曲线的形状大致相同在不过载范围内 SNR dB曲线与信号功率是线性关系在过载区域曲线明显下降均匀量化器广泛用于线性A D变换接口n为A D变换器的位数常用 8位 12位 16位等不同精度 2020年2月17日 28 5 1 5非均匀量化 非均匀量化 量化间隔不是等距的 k在数字电话通信中 采用非均匀量化 为什么 电话信号的特点 1 动态范围大 动态范围 满足一定信噪比要求的信号取值范围 用dB表示RdB 20lg max min 信号有效值电话信号动态范围 40dB 50dB2 要求电话信号在整个动态范围内的信噪比大于25dB 均匀量化须采用n 12位编码 信息速率高 传输带宽宽3 语音信号取小信号的概率大 均匀量化时 无论样值大小如何 量化噪声的不过载功率 q2 2 12固定不变 小信号时的信噪比低于大信号时的信噪比非均匀量化器的特点 输入信号小时 量阶 k小 输入信号大时 量阶 k大 这样就使得在整个输入信号的变化范围内得到几乎一样的信噪比 而总的量化阶数L可以比均匀量化时还少 因此缩短了码字的长度 提高了通信效率 2020年2月17日 29 5 1 5非均匀量化 过程 量化 2020年2月17日 30 5 1 6对数量化及其折线近似 A律对数压缩特性信号的归一化值压缩特性国际标准 A 87 6输入正弦信号信噪比比较 信噪比大于25dB的动态范围从25dB扩展到52dB 小信号的信噪比改善了24dB 2020年2月17日 31 律对数压缩特性 压缩特性国际标准 255 2020年2月17日 32 对数压缩特性的折线近似 A律13折线 2020年2月17日 33 A律13折线 对输入信号幅度归一化 i V 0 1 将其不均匀地划分为8个区间 每个区间长度以1 2倍递减 输出信号幅度归一化 0 1 均匀地分成8个区间 每个区间的长度为1 8 输入信号和输出信号正负方向各有8段 共16段线段 相连成折线 第1段和第2段斜率相同 因此正负有4段斜率相同 16段线段从形状上变成13段折线 A律13折线f A 1 lnA 16 A 87 6 2020年2月17日 34 对数压缩特性的折线近似 u律15折线 2020年2月17日 35 5 1 7A律PCM编码原理 折叠二进制码常用编码方法PCM编码采用FBC码 原因 当信道传输中有误码时 各种码组在解码时产生的后果是不同的 2020年2月17日 36 2020年2月17日 37 特点 自然二进制码 一般的十进制正整数的二进制表示格雷码 任何相邻电平的码组 只有一位码发生变化 折叠码 编码电路简单 在有误码的情况下 对小信号影响小 2020年2月17日 38 A律PCM编码规则 量化单位 1 128 16 1 2048解码输出 A律13折线编码中 正负方向共有16个段落 每一段又有16个均匀分布的量化电平 总量化电平数L 256 编码位数n 8 2020年2月17日 39 A律正输入值编码表 2020年2月17日 40 A律正输入值编码表 2020年2月17日 41 编码过程 对分逼近法 逐次反馈的编码过程 2020年2月17日 42 电路分析 整流器 用来判别输入样值脉冲的极性 编出第一位码 极性码 同时将双极性脉冲变换成单极性脉冲比较器 通过样值电流Is和标准 权值 电流Ik进行比较 从而对输入信号的样值实现非线性量化和编码 每比较一次输出一位二进制代码 当 Is Iw时 出 1 码 反之出 0 码 由于在13折线法中用7位二进制代码来代表段落和段内码 所以对一个输入信号样值需要进行7次比较 每次所需的标准电流Iw均由本地译码电路提供本地译码电路包括 记忆电路 7 11变换电路和恒流源记忆电路 用来寄存二进制代码 除第一次比较外 其余各次比较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流值 因此 7位码组中的前6位状态均应由记忆电路寄存下来7 11变换电路 把7位非线性码变换成11位线性码 11个基本权值 定段落码D2D3D4定段内码D5D6D7D8比较3次7种电平值比较4次4种比较电平8 k4 k2 k k恒流源 产生各种标准电流值保持电路 保持输入信号的样值在整个比较过程中具有一定的幅度 2020年2月17日 43 信道误码对信噪比的影响 A律PCM编码信号的每一个码组代表一个量化值 在传输过程中 信号随传输距离的增加会衰减 同时信号会受到干扰 信道噪声总是存在的 当噪声过大会引起收端解码器错误识别 判决 产生误码使解码后的样值产生误差 恢复的语音信号就出现了失真 误码噪声 2020年2月17日 44 2020年2月17日 45 分析 信道噪声是高斯噪声 随机噪声高斯噪声具有3个重要性质 广义平稳与狭义平稳是等价的 互不相关与相互独立是等价的 通过线性系统后仍然是高斯噪声 在高斯噪声的信道中 码字出现误码是随机的 彼此独立的 统计独立事件 联合事件 A B 发生的概率等于事件A和事件B的概率乘积 P A B P A P B 2020年2月17日 46 信道误码对信噪比的影响 当n位码中有i位差错的概率自然二进制码 错误一个码元的均方误差平均误码噪声功率 2020年2月17日 47 信道误码噪声对信噪比的影响 接收端总的噪声功率输入信号均匀分布 满载时输入信号功率总的信噪比 2020年2月17日 48 分析 L 256 n 8 pe 3 8x10 6pe10 6较大 误码噪声起主要作用折叠码 非均匀量化以及非均匀分布的情况下 信噪比小于上式图 实际话音信号 pe 10 5条件下 小信号时 折叠码的信噪比高于自然码 2020年2月17日 49 5 1 8PCM信号的码元速率和带宽 n log2L 8 L 256抽样间隔 Tc 1 fs二进制码元宽度 Ts Tc nPCM码元速率 Rs 1 Ts n Tc nfs fslog2LPCM采用矩形脉冲传输 脉冲宽度 占空比 D Ts谱零点带宽 B 1 2020年2月17日 50 5 2差分脉码调制 DPCM 2020年2月17日 51 A律u律PCM编码 模拟电话信号的频率范围 300Hz 3400Hz抽样频率fs 2fH 理论上至少为6800Hz 由于解调时不能使用理想的低通滤波器 而实际的滤波器均有一定宽度的过渡带 又由于抽样前的限带滤波器也可能对3400Hz以上的频率分量做不到完全抑制 所以对语音信号的抽样频率取为8KHz 这样 在抽样信号的频谱之间便可形成一定间隔的 防护带 既防止了频谱的混叠 又放宽了对低通滤波器的要求 样值的量化电平数L 256 编码位数n 8 数码率为64Kb s 在相同质量指标的条件下 降低数字化语音的数码率 以提高数字通信系统的频带利用率 2020年2月17日 52 5 2差分脉码调制 DPCM 语音压缩编码技术DPCM的原理在PCM中 每个波形样值都独立编码 与其他样值无关 这样 样值的整个幅值编码需要较多位数 比特率较高 造成信号的带宽大大增加 然而 大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在相邻样值之间表现出很强的相关性 利用信源的这种相关性 对相邻样值之间的差值而不是样值本身进行编码 在量化间隔不变的情况 编码位数显著减少 信号带宽大大压缩 这种利用差值的PCM编码称为差分PCM DPCM 实现差分编码的一个好方法是根据前面的k个样值预测当前时刻的样值 编码信号只是当前样值与预测值之间的差值的量化编码 2020年2月17日 53 DPCM系统原理图 编码器 解码器 DPCM的总量化误差 DPCM的总量化信噪比 2020年2月17日 54 ADPCM 自适应量化 量化器的量化阶距能随信号的瞬时值变化作自适应调整从而减少量化误差 自适应预测 预测器的预测系数能随话音瞬时变化作自适应调整从而得到高预测增益 2020年2月17日 55 5 3增量调制 M 2020年2月17日 56 5 3 1简单增量调制 增量调制简称 M或DM 它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字传输的方法 可以看成是DPCM的一个重要特例 其目的在于简化语音编码方法 M与PCM虽然都是用二进制代码去表示模拟信号的编码方式 但是 在PCM中 代码表示样值本身的大小 所需码位数较多 从而导致编译码设备复杂 而在 M中 它只用一位编码表示相邻样值的相对大小 从而反映出抽样时刻波形的变化趋势 与样值本身的大小无关 2020年2月17日 57 M原理 接收端输出重建信号 2020年2月17日 58 M过程 2020年2月17日 59 过载问题 斜率过载 为避免过载 应满足条件 若输入信号为正弦信号 斜率 正弦信号不产生过载的临界振幅 2020年2月17日 60 M量化信噪比 M的量化噪声平均功率 假定e t 在 之间均匀分布 为简化计算 假定在 0 fs 内均匀分布 则功率谱密度 若接收端低通滤波器带宽为fB 则输出的量化噪声功率 临界过载时正弦信号的功率 最大量化信噪比为 2020年2月17日 61 M量化信噪比 语音信号高频段量化信噪比明显下降 与信号频率的平方成反比 信号频率每提高一倍 量化信噪比减少6dB2f 20 x0 3 6dB 抽样频率每提高一倍 量化信噪比提高9dB 2fs 30 x0 3 9dB M的抽样频率在32KHz时量化信噪比才只能满足一般通信质量的要求 2020年2月17日 62 5 3 2自适应增量调制 在简单 M中 量化间隔 是固定不变的 量化噪声的平均功率Nq是不变的 量化信噪比就随输入信号功率S变化而变化 SNR S Nq 改善的办法 自适应增量调制 类似于PCM系统中采用的压扩方法 量化间隔 的大小跟踪输入信号S t 的变化自动调整 从而减少量化误差 2020年2月17日 63 自适应增量调制 ADM 瞬时压扩 M 量阶 的大小跟踪输入信号统计特性而变化CVSD 连续可变斜率 M 量阶 的大小跟随音节时间间隔中的信号平均斜率变化音节 语音信号音量变化的周期语音信号中包含了多种频率成分 且语音信号的幅度也是随机的 用语音频谱仪观察语音信号 在300Hz 3400Hz的带宽内 除了各种频率分量的瞬时幅度变化外 还有一个随音量而变化的包络线该包络线的频率大约100Hz 周期10ms 称为包络音节统计表明 语音信号的音节 不是指单字发音的音节 语音中按元音来划分的音节 汉语大约10ms左右 人耳对语音信号大约需要150ms 250ms左右的时间才能感觉到 从实际实验的试听效果来看 按包络音节速率进行压扩 其效果是最好的 因此无论那种语言 如果按包络音节调整信号幅度 按照人耳能够响应的速度来看已经是相当自然的了 音节压扩 量阶 随每个音节内的信号平均斜率而变化 平均斜率大则使该音节内的量阶 增大 平均斜率小 则使该音节内的量阶 减少 2020年2月17日 64 5 3 2自适应增量调制 数字压扩增量调制 音节周期 话音幅度包络值的变化周期 音量变化的周期 2020年2月17日 65 5 3 2自适应增量调制 增量调制的编码信号携带着调制信号的微分信息 反映了信号的斜率的大小 编码输出的码序列中连 1 码的个数越多 表示信号上升的斜率大 连 0 码的个数越多 表示信号的斜率大 数字检测电路 检测码流中连1码和连0码的数目 输出宽度变化的脉冲 平滑电路 按音节周期的时间常数把脉冲平滑为缓慢变化的控制电压 与语音信号在音节内的平均斜率成正比 脉幅调制电路 改变调制电路的增益以改变输出脉冲的幅度 使脉冲幅度随信号的平均斜率变化 积分器 脉冲的幅度与连码的长度成正比 使积分器输出的量阶 按同样的规律改变 2020年2月17日 66 PCM DPCM M调制比较 PCM方式传送的是信号样值的绝对大小 DPCM方式传送的是信号样值的相对大小 而 M方式是只对信号样值的相对大小编一位码 表示样值幅度的增量极性 即抽样时刻的值相对于前一个抽样时刻的值是增大还是在减少 在编码位数不变的情况下 DPCM方式的量化信扰比比PCM方式的高 在量化信扰比不变的情况下 DPCM方式比PCM方式需要的传输带宽要小 DPCM的这种优点紧紧依赖于被传信号的统计特性 只有对相关性强的语音和电视信号才如此 如果一个DPCM系统既要完成语音信号的调制 又要完成其它各种数字信号的调制 而这些数字信号的统计特性与话音信号有明显的不同 那么 DPCM系统对这些数字信号就不是很好的 2020年2月17日 67 5 4时分复用 TDM 2020年2月17日 68 5 4 1时分复用原理 3路时分复用方框图 抽样 2020年2月17日 69 3路时分复用波形图 a 第一路 b 第二路 c 第三路 d 三路合成波形 Ts 2020年2月17日 70 2020年2月17日 71 时分复用原理 按时间区分多路信号的方法 即将信道的可用时间分成若干相互顺序排列的时隙 每路信号占据其中的一个时隙 在接收端用时序电路将多路信号分开 分别进行解调和终端处理 TDM在时域上各路信号是分开的 但在频域上各路信号是混叠在一起的 特点 多路信号的复合与分路都是数字电路 比FDM的模拟滤波器分路简单 可靠 信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真与高次谐波 引起路际串话 因此对信道的非线性失真要求很高 而TDM系统的非线性失真要求可降低 与FDM方式比较占用频带较宽 且要求同步 2020年2月17日 72 数字复接技术 数字复接系列 采用TDM制的PCM数字电话系统标准基群 一定路数的数字电话信号复合成的一个标准的数据流二次群 由几个基群复合而成高次群 由几个低次群复合而成每一种群路可以用来传送多路电话 也可以用来传送其它相同速率的数字信号 如电视信号 数据信号或频分复用信号的群路编码信号 2020年2月17日 73 准同步数字系列 PDH PlesiochronousDigitalHierarchy 对应四次群以下的数字复接系列 有A律和 律两套标准A律基群 2 048Mbit s 2M 律基群 1 544Mbit s 1 5M A律标准 30 x4 120 8M x4 480 34M x4 1920 139M 律两套标准 日本 24 x4 96 x5 480 32M x3 1440 100M 美国 24 x4 96 x7 672 44M x6 4032 274M A律系列体制上比较单一和完善 复接性能较好 CCITT规定 当两种系列互连时 由 律系列的设备负责转换 四次群以下采用PDH 2020年2月17日 74 同步数字系列 SDH SynchronousDigitalHierarchy 全球统一标准STM SynchronousTransmissionMode 同步传送模块 STM 1 155 52Mbit s SDH中最基本的信息模块 STM 4 622 08Mbit s 由4个STM 1同步复接得到 STM 16 2488 32Mbit s 由4个STM 4同步复接得到 STM 64 9953 28Mbit s 由4个STM 16同步复接得到 2020年2月17日 75 5 4 2PCM基群帧结构 A律 1 基本特性 抽样频率 8kHz 帧周期 125 s每帧时隙数 32话路数目 30总数码率 8 32 8000 2048kb s 2020年2月17日 76 2020年2月17日 77 1 时隙分配 在PCM30 32路的制式中 抽样周期为1 8000 125 s 它被称为一个帧周期 即125 s为一帧 一帧内要时分复用32路 每路占用的时隙为125 32 3 9 s 称为一个时隙 因此一帧有32个时隙 按顺序编号为TS0 TS1 TS31 时隙的使用分配为 TS1 TS15 TS17 TS31为30个话路时隙 TS0为帧同步码 监视码时隙 TS16为信令 振铃 占线 摘机 等各种标志信号 时隙 2020年2月17日 78 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