数字通信(桑林).ppt

北京邮电大学出版社 第2章信源编码 第1章绪论 第3章数字复接技术 第4章数字传输技术 数字通信 北京邮电大学出版社课件系列 第5章同步技术 第6章多址技术与蜂窝技术 走信息路读北邮书 第7章差错控制编码 第1章绪论 1 1通信的基本概念一般地说 通信 communication 是指由一地向另一地进行消息的有效传递 通信传输的消息具有不同的形式 如 符号 文字 语声 音乐 数据 图像等等 根据消息的不同形式 通信业务的不同种类 传输所用的不同信道 可将通信分成许多类 较常用的分类方法如下 按传输媒质分按信道中所传信号的不同分按工作频段分按调制方式分按业务的不同分按收发者是否运动分 1 2通信系统的组成 通信的任务是完成消息的传递和交换 以点对点通信为例 可以看出要实现消息从一端向另一端的传递 必须有五部分 信息源 发送设备 信道 接收设备 受信者 通信系统的模型 1 2 1模拟通信系统 模拟通信系统是指信道中传输模拟信号的系统 模拟通信系统的组成方框图 通常也称为模型 模拟通信系统 主要包含了两种重要变换 一种是把连续消息变换成电信号 由发端信息源完成 及把电信号恢复成最初的连续消息 由收端受信者完成 第二种变换 将基带信号转换成其频带适合信道传播的信号 这一变换由调制器完成 在收端同样需经相反的变换 将信道中传播的信号恢复成最初的连续信号 这一过程由解调器完成 模拟通信系统的模型 1 2 2数字通信系统 利用数字信号传输信息的系统 称为数字通信系统 数字通信系统可进一步分为数字频带传输通信系统 数字基带传输通信系统 模拟信号数字化传输通信系统 数字通信系统的模型 数字基带传输通信系统模型 通常把有调制器 解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统 1 2 3数字通信的主要优缺点 从通信的发展趋势看 现代通信必须以数字通信为主 数字通信较之模拟通信有如下特点 抗干扰 抗噪声性能好差错可控易加密易于与现代技术相结合 1 3现代通信技术发展的概况 1 3 1通信发展简史通信的历史可追溯到17世纪初期从研究电 磁的现象开始 到19世纪40年代通信理论基础准备阶段 通信从19世纪40年代才进入实用阶段 1838莫尔斯发明有线电报通信1864麦克斯韦尔发表电磁场理论1876贝尔发明电话 利用电磁感应原理 1887赫兹做电磁辐射实验成功1896马可尼实现横贯大西洋的无线电通信1906非雷斯特发明真空三极管1918调幅无线电广播 超外差接收机问世1925多路通信和载波电话问世 1936英国广播公司开始进行商用电视广播1938发明脉冲编码调制原理1940 1945雷达 微波通信线路研制成功1948出现了晶体管 仙农提出了信息论1950时分多路通信用于电话1950 1960第一个通信卫星发射 同时研制成功激光器1962开始了实用卫星通信的时代1969从月球发回第一个话音消息及电视图像1960 1970出现了电缆电视 激光通信 雷达 计算机网络和数字技术 光电处理等1970 1980大规模集成电路 商用卫星通信 程控数字交换机 光纤通信 微处理机等迅猛发展1980 1990超大规模集成电路 移动通信 光纤通信广泛应用 综合业务数字网崛起1990 卫星通信 移动通信 光纤通信进一步飞速发展 高清晰彩色数字电视技术不断成熟 全球定位系统 GPS 得到广泛应用 1 3 2通信技术的现状和发展趋势 数字化 大容量 远距离 高效率 多信源以及保密性 可靠性 智能化等已成为现代通信系统的主要特点 1 4数字通信系统的主要性能指标 1 4 1一般通信系统的性能指标一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面 1 有效性 指信道资源的利用效率 即系统中单位频带传输消息的 速率 问题 2 可靠性 指通信系统传输消息的 质量 问题 即好坏问题 3 适应性 指通信系统使用时的环境条件 4 经济性 指分摊到每一个用户的成本 5 保密性 指系统对所传信号的加密措施 6 标准性 指系统的接口 各种结构及协议是否合乎国家 国际标准 7 维护性 指系统是否维修方便 8 工艺性 指通信系统各种工艺要求 1 4 2数字通信系统有效性指标的具体表述 1 码元传输效率 B Hz 码元传输速率通常又可称为码元速率 数码率 传码率 信号速率或波形速率 用符号 RB 来表示 码元速率是指单位时间 每秒钟 内传输码元的数目 单位为波特 Baud 常用符号 B 表示 注意 不能用小写 例如 某系统在4s内共传送4800个码元 则系统的传码率为1200B 数字信号一般有二进制与多进制之分 但码元速率RB与信号的进制数无关 只与码元宽度T有关 RB 1 T B 通常在给出系统码元速率时 有必要说明码元的进制 多进制 N 码元速率RBN与二进制码元速率RB2之间 在保证系统信息速率不变的情况下 相互可转换 转换关系式为RB2 RBNlog2N B N应为2k k 2 3 4 2 信息传输效率 bit Hz s 信息传输速率简称信息速率 又可称为传信率 比特率等 信息传输速率用符号Rb表示 Rb是指单位时间 每秒钟 内传送的信息量 单位为bit s 比特 秒 简记为b s或bps 码元传输速率和信息传输速率具有不同的定义 不能混淆 对二进制来说 每个码元含有的信息量为1bit 因此 二进制的码元传输速率和信息传输速率在数值上是相等的 但单位不同 对于N进制来说 每一码元所含的信息量为log2Nbit 如果码元传输速率为RBNB 则对应的信息传输速率Rb为Rb RBNlog2N bit s 码元传输速率与信息传输速率之间有确定的关系 由上式给出 同理 信息传输效率用单位频带内系统允许的最大传信率来衡量 即信息传输速率 系统频带宽度 bit Hz s 3 消息传输速率单位时间内从信源发出的消息数称为消息传输速率 又称消息率 用符号Rm表示 单位是比特 秒 bit s 因消息的衡量单位不同 所以有各种不同的含义 例如 当消息的单位是码字 字节 时 其单位是码字 秒或字节 秒 消息传输速率与信息传输速率的关系是 Rm aRb bit s 1 4 3数字通信系统可靠性指标的具体表述 1 码元差错率码元差错率用符号Pe表示 简称误码率 它是指接收错误的码元数在传送总码元数中所占的比例 更确切地说 误码率是指码元在传输系统中被传错的概率 码元差错率用表达式可表示成Pe lim接收的错误码元数nN 接收的总码元数N 2 比特差错率比特差错率用符号Peb表示 简称误比特率 或误信率 它是指接收错误的信息量在传送信息总量中所占的比例 确切地说 它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率 比特差错率用表达式可表示成Peb lim系统传输中出错 丢失 的比特数 信息量 nN 系统传输的总比特数 总信息量 N3 码组差错率码组差错率用符号PW表示 它是指在传输的码组 码字 中发生差错的码组的概率 简称误组率 上述指标中 误比特率是最常用的指标 在数字电话传输系统中一般要求不大于10 5 而传送计算机数据时 一般要求不大于10 9 第2章信源编码 2 1模拟信号的数字化 模拟信号的数字化过程可以分为抽样 量化和编码三个阶段 数字化的第一步是在时间上对信号进行离散处理 即将时间上连续的信号变换成时间上离散的信号 这一过程称之为抽样 抽样后的信号序列幅度仍然是连续变化的 通过量化可以将幅度连续的信号转换成幅度离散的信号 即用某个特定的量化电平值代替原始信号幅度 编码则是用一组特定的代码来代表每个量化电平值 2 1 1抽样 1 抽样的定义和实现连续信号f t 在时间上离散化的抽样过程如图所示 如果通过某种处理 只取出信号f t 在各离散时刻t0 t1 t2 tn对应的数值f t0 f t1 f t2 f tn 就得到了时间离散信号fs t 这个由信号f t 转换成信号fs t 的过程就是抽样 下图所示的一个相乘器模型来代表这种抽样处理过程 输出的样值信号fs t 可以表示为原始信号f t 和一个周期性的抽样脉冲STs t 相乘之积 即fs t f t STs t 2 抽样定理抽样定理的具体描述如下 设时间连续的低通信号f t 的最高截止频率为fm 如果用时间间隔为Ts 1 2fm 的开关信号对f t 进行抽样 则f t 可被样值序列fs t 唯一地表示 或者说 要从样值序列fs t 中无失真地恢复原时间连续信号 其抽样频率应满足fs 1 Ts 2fm抽样定理的数学表达式为 2 1 2量化理论 1 标量量化对每个离散时间样值分别进行量化的处理过程称为标量量化 或一维量化 量化的方法是将样值的最大变化范围划分成若干个相邻的段落 当样值落在某一段落内时 其输出值就用该段落所对应的某一固定值来表示 从数学角度看 这实际上是把一个取连续值的无限集合 x 通过变换Q映射到一个只有L个离散值的集合上 其中k 1 1 L 如图所示 当量化器Q的输入x属于区间 xk xk 1 时 量化器的输出为yk 即其中 xk称为量化区间的分层电平 称为量化间隔 yk称为量化电平 L为量化级数 每个样值量化所需的比特数为 标量量化器 量化后的离散信号与原始模拟信号之间的差别用量化误差或量化噪声表示 它是量化器最重要的物理量之一 其定义为对于确定的输入信号x 量化噪声q也是一个确定的函数 但是对于语音 图像之类的非确定随机信号源 q是一个随机变量 我们只能描述出它的统计特性 如果设输入信号x的概率密度函数为p x 可求出量化噪声的方差 即功率为如果整个积分区域被划分成L个量化间隔 上式变为 衡量量化器输入输出信号近似程度的性能指标是量化信噪比 即量化器的输出信号功率与量化噪声功率之比 1 均匀量化器均匀量化也称线性量化 即整个量化区域上的各个量化间隔均相等 设量化器的量化范围为 v v 在均匀量化情况下 量化级数与量化间隔的关系为 2 最佳量化器实际信源的概率密度特性通常都是非均匀分布的 采用均匀量化器往往得不到理想的量化效果 采用量化特性与信源的概率密度函数相匹配的非均匀量化器 可降低量化噪声 原则上来说 就是在信源概率密度p x 相对较高的区域选择较小的量化间隔 而在p x 相对较低的区域选择较大的量化间隔 以降低总的噪声水平 在给定信源的概率密度分布条件下 根据使式 2 1 8 给出的最小的条件可以推出均方误差最小意义下的最佳分层电平 xk 和量化电平 yk 上式表明 最佳分层电平应为两个相邻量化电平的中点 而最佳量化电平位于对应量化间隔的概率质心上 3 对数量化器对数量化也是一种非均匀量化 采用近似对数函数的压缩特性 与均匀量化相比 它能改善小信号时的量化信噪比 因此适合于信源动态范围大 而且小信号出现概率很高的情况 在实现上 对数量化通常采用如下图所示的结构 发送端先根据非线性的压缩特性c x 对信号x进行压缩 再对压缩后的信号进行均匀量化 接收端则采用特性为c 1 x 的扩张器来恢复原信号 理想的对数量化特性为 4 自适应量化器在自适应量化中 量化间隔不再是固定的 而要根据输入信号的短时方差进行调整 使量化间隔的大小和输入信号电平相匹配 以进一步改善量化效果 因此 实现自适应量化时首先需要对输入信号的方差进行估值 根据估值采用的方法 自适应量化分成两类 即前向自适应量化 AQF 与后向自适应量化 AQB 前者根据量化前的信号求方差 为前向估值 后者利用量化后的信号求方差 为后向估值 两种量化器的原理框图分别如图所示 两种自适应量化器 5 差分量化器对于语音信号来说 相邻样值之间存在非常强的相关性 因而是可预测的 去除语音信号的这种相关性可以减小量化时信号的动态范围 差分量化器正是基于这一思想提出的 它在量化之前对信号进行预处理 然后对预测后的残差信号进行量化 由于量化的范围减小 因此可提高量化精度或减少编码比特数 在差分量化器中被量化的信号 即残差信号e n 是输入信号样值x n 和预测值之间的误差 预测误差的均方值定义为 下图是用横截滤波器实现式 2 1 18 所给预测值的原理框图 如图所示 在每个抽样时刻 n 1 Ts到来时 滤波器输出将会给出对下一个样值的预测值 实现预测的横截滤波器 2 矢量量化矢量量化 VectorQuantation 是一种高效的数据压缩技术 它将若干个时间离散幅度连续的抽样值分为一组 形成多维空间的一个矢量 再对该矢量进行量化处理 从而提高量化效率 简单的矢量量化器结构如图所示 矢量量化示意图 矢量量化器的任务就是要在给定比特率的条件下 使得量化噪声的统计平均值最小 其关键在于码本的设计 即如何划分N维矢量空间内M个区域的边界 通常的方法是将大量预处理的信号矢量通过统计实验的方法划分区域 然后再确定各区域的中心矢量 从而获得码本 现在已有许多这方面的算法 例如LBG迭代算法 以均方误差准则衡量量化信号的畸变度时 LBG算法的迭代过程大致如下 1 设定M个码字的初始值以及畸变的容限 2 根据最近邻准则将输入矢量X的集合A分成M个子集即当时 下式成立 3 计算总畸变 4 计算畸变改进量的相对值 5 若容限符合要求 停止计算 否则按下式计算新码字并返回步骤 2 2 1 3编码 编码是把模拟信号样值转换成一组二进制代码的过程 也就是通常所说的模 数 A D 变换 其中也包含了量化的实现 由二进制数字码的定义可知 每一位二进制数字码只能表示两种状态之一 以数字表示就是1或0 n位二进制码则可能有2n种组合 其中每种组合称为一个码组 共能表示2n个不同的数值 目前主要使用的二进制码型有3种 自然二进码 循环二进码和折叠二进码 与均匀量化特性对应的编码叫做线性编码 码组中各码位的权值是固定的 不随输入信号的幅度变化 与之对应 具有非均匀量化特性的编码叫做非线性编码 码组中各码位的权值不固定 而是随着输入信号的幅度变化 2 2语音编码技术 2 2 1语音编码概述1 语音编码的性能指标衡量一种语音编码方法的好坏 一般要考虑四个方面 即语音质量 编码速率 信号延时和算法复杂度 语音编码研究的基本目标就是在给定编码速率的条件下 用尽量小的编解码延时和算法复杂度 得到尽可能好的重建语音质量 不过在不同的应用场合 对性能要求的侧重点会有所区别 2 语音编码方法的分类根据编码器的实现机理 语音编码方法大致可以分为三类 波形编码 参数编码 模型编码 混合编码 3 语音编码标准ITU T 国际电信联盟 电信标准化部门 InternationalTelecommunicationUnion TelecommunicationStandardlzationSector 即1993年以前的CCITT 是负责制定长途电话标准的国际标准化组织 它所制定的技术规范往往以建议的名称颁布 实际上是公认的标准 到目前为止 该组织已经制定了若干个语音编码标准 如表所示 表中的MIPS代表每秒百万次运算 用于反映算法的复杂度 ITU T CCITT 制定的语音编码标准 数字蜂窝系统的语音编码标准 2 2 2语音信号的波形编码 1 脉冲编码调制 PCM 脉冲编码调制 PCM 实际上就是实现模拟信号数字化的一个完整过程 首先对模拟信号波形进行时间离散化 再对每个样值幅度独立进行量化和编码 接收端则做完全相反的处理 脉冲编码调制系统中的信号变换和处理过程如图所示 1 A律13折线压扩假设信号在量化之前已经过归一化处理 即动态范围统一为 1 1 A律13折线的画法是 先在0至1之间分别把y轴均匀地分为8段 在x轴上 采用对折法把0至1之间的线段分别分为8个不均匀段 各段分界点为 从原点出发 把各段对应的分界点 x y 连接成折线 如图所示 折线共16段 正负方向各8段 由于正负方向I II段斜率相同 可视为1条直线段 故称为13折线 下表是A 87 56对数压扩特性函数与13折线各分界点坐标的比较结果 在每段折线内 再进行16级均匀量化 因此总的量化级数为 对应的编码位数是8位 显然不同段落上的量化间隔不同 最小量化间隔位于第I II段 此时 我们把称为一个量化单位 因此正负信号区间 0 1 和 1 0 内各包括2048个量化单位 2 律15折线压扩当 255时 律压扩特性函数将变为 当y分别取 时 对应的x值见下表 律15折线压扩特性曲线 2 自适应差分脉冲编码调制 ADPCM 自适应差分脉冲编码调制 ADPCM 是语音压缩中复杂度较低的一种方法 它利用语音信号之间的相关特性降低速率 可以在32Kb s的速率上达到64Kb sPCM的语音质量 G 72132Kb sADPCM编译码器的工作原理如图所示 由于该系统主要用来对现有PCM信道扩容 即把两个2048Kb s30路PCM基群信号转换成一个2048Kb s60路ADPCM信号 因此ADPCM编码器的输入与译码器的输出都采用标准A律或律PCM码流 3 子带编码 SBC 子带编码 SBC 是首先用带通滤波器将语音信号分割成几个不同的频带分量 子带 再分别对每个子带进行抽样和编码 编码后的码流通过复接器复接 送到信道上传输 接收端再将它们分接 译码 并组合起来重建原始的输入信号 下图就是子带编码的原理方框图 在子带编码器的设计中 必须考虑子带数目 子带划分 编码的参数 子带中的比特分配以及带宽等主要参数 设一个子带编码系统包括m个子带 各子带带宽为Bk k 1 m 每个子带信号经过频率为fsk 2Bk的抽样后 使用bk个比特来进行量化和编码 那么该系统总的编码速率R应为 在语音信号的子带划分上 应考虑到各频段对主观听觉贡献相等的原则做合理的分配 使低频段的子带宽度较窄 高频段的子带宽度较宽 通常语音信号经带通滤波器组滤波后分成4 6个子带 子带之间允许有小的间隙 如图所示 以16 24 32Kb s电话语音子带编码系统为例 将4KHz带宽的语音信号分成5个子带 如下表所示 其中16和24Kb s系统中只用4个子带 而丢弃3000 4000Hz的子带 32Kb s系统使用全部5个子带 语音信号经过子带分割后 抽样频率从8KHz分别降到1KHz和2KHz 这时样值之间的相关性减弱了许多 如果采用差分脉冲编码 DPCM 性能会有一定改善 但已不明显 为了简化系统 一般都采用PCM编码 比特分配也根据长时谱的统计特性使用固定比特分配方式 计算机模拟和主观测试表明 仅采用PCM编码时 32Kb s子带编码器的编码质量相当于64Kb sPCM 16Kb s子带编码器的编码质量相当于26 5Kb sADPCM 2 2 3语音信号的参数编码 语音参数编码的原理和设计思想完全不同于波形编码 它根据对语音信号形成机理的分析 着眼于构造语音生成模型 编码器发送的主要信息就是该模型的参数 相当于语音信号的主要特征 而并非具体的语音波形幅值 由于模型参数的更新频率较低 而且可以利用样值间一定程度的相关性 因此能有效降低编码速率 1 语音信号的基本特性语音信号是一个非稳态过程 它的特性随着时间而变化 但在一个很短的时间段内 可以认为具有相对稳定的特性 故称为准平稳信号 这个时间段约为5 50ms 语音信号的统计特性和频谱特性都是针对短时段而言的 2 语音信号的线性预测模型一个最有效的语音分析模型是线性预测编码 LPC 模型 它利用了语音信号具有很强的短时相关性这一特点 将语音信号样值之间的短时相关模型化 并结合语音产生机理用一个短时滤波器集中地表征出来 从而构成简化的语音信号发生模型 如图所示 图中周期性脉冲序列表示浊音激励源 随机噪声信号源表示清音激励 根据语音信号的种类 由清 浊音判决开关决定接入哪一种激励源 G代表语音的强度 声道特性用一个时变线性短时滤波器表征 模型中的参数包括线性时变滤波器系数 基音周期 清浊音判决信息以及增益G 输出语音信号s n 与激励信号x n 之间的时域关系为 这种分析方法称为LPC方法 相应的模型称为LPC模型 因而 LPC分析问题可以表述为 给定信号s n 求参数 ai i 1 m 用求出的结果作为模型的传递函数参数 如果用表示对参数的估计 则误差信号可以表示为采用最小均方误差准则进行估计 即设式 2 2 8 对的偏导数为零 得对于i 1 2 m e n 与s n i 是正交的 上式可以简化为其中 3 线性预测 LPC 声码器根据语音信号的线性预测模型 描述语音的特征参数是线性时变滤波器参数 ai i 1 m 基音周期 清浊音判决信息U V以及增益G 因此在LPC声码器中 当线性时变滤波器的阶数为M 语音帧宽度为N时 完全能用上述M 3个特征参数来代表一帧内的N个原始语音抽样 之后 再对这些参数进行量化和编码 采用这种编码方式进行语音信号传输的系统称为线性预测编码 LPC 其实现方框图如图所示 4 多带激励 MBE 和混合激励线性预测 MELP 编码 1 多带激励 MBE 编码在MBE模型中 整个语音频带被划分为若干子频带 它们分别以各基音谐波为中心 以基音频率为带宽 在每个子频带上根据频谱特征进行清浊音判决 就形成所谓的多带激励谱 整个激励谱由基音频谱和它的谐波以及一组清浊音判决信息表示 能较好地反映语音特征 与传统声码器一样 我们仍然把语音信号视作激励信号经过声道作用后的产物 从信号与系统的角度来看 语音信号的短时谱可以用激励频谱与声道响应 或频谱包络 的乘积表示 即 其中 频谱包络可以用线性预测系数 共振峰频率和带宽 原始频谱抽样等多种形式表示 在MBE模型中 采用的是原始频谱在基音谐波处的抽样值 如图所示 MBE分析算法的处理过程为 首先进行基音粗略估计和基音跟踪 得到初选基音 然后在被选基音附近进行精细的谱匹配 寻找最佳基音Tp和浊音带的谐波幅度Am 最后判决清浊音U Vm 决定清音带的平均幅度Am 2 混合激励线性预测 MELP 编码混合激励线性预测 MELP 编码的基本特点在于它采用了混合激励的形式代替基本LPC模型的二元激励形式 将周期脉冲激励源和白噪声源混合作为激励信号 这种方式解决了二元激励模式不能准确描述过渡帧和弱浊音帧的问题 使合成激励信号谱与残差信号谱更加匹配 改善了合成语音的自然度 同时提高了参数模型的鲁棒性 MELP算法对语音的模式进行两级分类 首先将语音分为 清 和 浊 两大类 这里的清音是指不具有周期成分的强清音 其余的均划为浊音 用总的清 浊音判决表示 其次 把浊音再分为浊音和抖动浊音 用非周期位表示 在对浊音和抖动浊音的处理上 MELP算法利用了MBE算法的分带思想 在各子带上对混合比例进行控制 这种方法简单有效 使用的比特数也不多 如果使用1比特对每个子带的混合比例参数进行编码 该参数也就简化为每个子带的清 浊音判决信息 另外 在周期脉冲信号源的合成上 MELP算法要对LPC分析的残差信号进行傅里叶变换 提取谐波分量 量化后传到接收端 用于合成周期脉冲激励 这种方法提高了激励信号与原始残差的匹配程度 MELP算法的分析 合成框图 MELP算法具有良好的合成语音质量和较强的抗噪声性能 是一种较为理想的低速率语音编码算法 AbS LPC编码 译码器的基本结构如图2 2 14所示 激励信号是AbS LPC模型的输入 也是编码器输出的主要部分 它包含不能由时变滤波器谱模型表征的所有残差结构 这些残差结构中包括长时预测没有包含的长时相关结构或基音结构 也包括不能用确定方法有效表征的随机结构 所以 激励信号可能在周期脉冲到随机噪声之间变化 常用的激励信号类型如图所示 不同的激励方式也就对应着以下不同的AbS LPC编码算法 多脉冲激励线性预测编码 MPLPC 规则脉冲激励线性预测编码 RPELPC 码本激励线性预测编码 CELP 2 3图像编码技术 2 3 1图像信号及其数字化一幅平面运动图像所包括的信息首先表现为光的强度或灰度 它随空间坐标 光的波长和时间而变化 因此图像函数可以表示成根据具体情况不同 可以把图像分为各种不同的类型 如果只考虑光的能量而不考虑光的波长 在视觉效果上只有黑白深浅之分 而无色彩变化 此时的图像称为黑白活动图像 可表示为对于彩色活动图像 就要考虑光的波长 根据三基色原理 任何一种彩色都可以分解成红 绿 蓝三种基色 此时图像函数可表示为 当图像内容不随时间变化时 我们称之为静止图像 因此 黑白静止图像函数可简化为图像信号的数字化主要包括两个处理 抽样和量化 1 图像信号的抽样图像在空间上的离散化称为抽样 即将空间上连续变化的图像离散化 2 图像信号的量化抽样只是完成了图像空间位置的离散化 这时所得的信号还不是数字信号 还需要用离散的量化值代替连续变化的样点灰度值 图像量化的基本要求是在量化噪声对图像质量的影响可以忽略的前提下 用最少的量化电平进行量化 常用的量化方式是均匀量化 设连续图像f x y 经过等间隔抽样和量化之后 排成的数字点阵fm n 如下式所示 该阵列是对原图像函数f x y 的数字化近似表示 图像阵列中的每一个元素取值都是离散的 称为图像元素 简称像素 pixel 每个元素对应的x y坐标决定了像素在图像中的位置 通常用行增加的方向作为x轴的正方向 列增加的方向作为y轴的正方向 数字图像具有以下特点 数据量大 占用频带较宽 数字图像中的各个像素不是独立的 彼此之间的相关性很大 不同的数字图像处理系统其组成可能各不相同 但它们均对图像的质量有一定的要求 必须考虑图像质量的评价问题 图像质量的含义包括两个方面 一个是图像的逼真度 另一个是图像的可懂度 图像的逼真度用来描述被评价图像与标准图像的偏离程度 图像的可懂度则表示图像能向人或机器提供信息的能力 例如一幅被传送的文字图像中 能被读懂的文字数所占比例的大小 就是对可懂度的表示 多年以来 人们总是希望能够找到对图像逼真度和可懂度进行定量描述的方法 而且希望这些定量描述与人的主观感觉相吻合 以作为评价图像和设计图像系统的依据 2 3 2数字图像压缩编码 1 图像压缩编码原理及分类虽然图像包含有大量的数据 但图像数据是高度相关的 一幅图像内部以及视频序列中相邻图像之间存在大量的冗余信息 如果能够去掉这些冗余信息 就可以实现图像的压缩 常见的冗余信息类型包括 空间冗余时间冗余信息熵冗余知识冗余视觉冗余结构冗余图像中存在信息冗余是可以对其进行压缩的前提条件 图像压缩编码就是要尽可能地消除这些冗余 使用尽量少的比特数来表示和重建图像 实现图像压缩的方法很多 对这些方法的分类也有多种 根据恢复图像的准确度可以将图像压缩编码方法分为三类 信息保持编码 保真度编码和特征提取 从实现方式上来看 图像压缩编码可以分为概率匹配编码 变换编码和识别编码三大类 一些新的方法也不断出现 例如分形编码 模型基编码 神经网络以及小波变换等 有些已应用到实际系统中 为了获得最佳的压缩编码效果 往往多种方法兼用 或以某种方法为主而融入其他方法 所谓最佳的压缩编码效果 主要指以下几个方面 一是压缩效率 或称压缩比 即压缩前后编码速率的比值 二是压缩质量 指恢复图像的质量 三是编解码算法的复杂度 四是针对实时系统提出的编解码延时 下图是典型的图像压缩编码系统的原理框图 信源输出的可以是各种模拟图像信号 经过PCM编码器后变为数字图像信号 压缩编码器对数字图像信号进行各种目的的压缩编码处理 如果不需通过信道传输 就是一般的数字图像处理系统 如果再经过信道编码后在信道上传输 则为数字图像通信 2 概率匹配编码 1 霍夫曼编码霍夫曼于1952年提出了一种编码方法 它的基本原理是对那些出现概率较大的信源符号编以较短的代码 而对那些出现概率较小的信源符号编以较长的代码 对于这种变字长编码 码字的平均长度为其中 p aj 为第j个信源符号出现的概率 Lj为第j个信源符号对应的码字长度 下图是霍夫曼编码的一个实例 7个信源符号的出现概率分别为0 20 0 19 0 18 0 17 0 15 0 10和0 01 可以看出 这个编码过程实际上是构成一个二叉树的过程 码字都是从根出发排列的 通过计算可知 信源熵为2 61比特 编码后的平均码字长度为2 72 已经非常接近 属于最佳编码 3 预测变换编码预测变换编码 简称预测编码 在图像编码研究中已有很长的历史 它是统计冗余数据压缩理论的三个重要分支之一 预测编码的基本思想是利用图像信号的空间和时间冗余特性 用相邻的已知像素 或图像块 来预测当前像素的值 再对预测误差进行量化 编码和传输 预测编码的关键在于预测算法的选取 这与图像信号的概率分布很有关系 预测编码又分为帧内预测编码和帧间预测编码 前者在一幅图像内进行预测 以消除图像在空间域的相关性 后者在多幅图像之间进行预测 以消除图像在时间域上的相关性 帧内预测编码系统的原理框图如图所示 4 函数变换编码函数变换编码 简称变换编码 是指将通常在空间域表示的信号变换到其他正交矢量构成的一个变换域中表示 并对变换后的信号进行压缩编码 下图是图像变换编码的原理图 其中 G 表示输入的二进制图像 经过二维正交变换 U 后产生变换域中的变换系数 A A 经过量化后得到 A A 经过编码器再压缩后送入传输信道 在接收端经过译码器和逆变换后获得复原图像 G 上述过程属于信息非保持图像编码 如果没有量化这一环节 则属于信息保持图像编码 1 图像的二维傅里叶变换二维傅里叶变换的定义为 其中 为 的输入图像信号矩阵 为 傅里叶矩阵 矩阵中的第i行k列元素为 2 离散余弦变换离散余弦变换 DCT 属于实数域的正交变换 它克服了DFT具有复杂的复数运算的缺点 经DCT处理后 图像能量集中在少数系数上 其余大部分系数都为零 DCT提出的各种快速算法往往具有规律性的结构或易于并行处理 比较容易实现 因此奠定了DCT目前在图像编码中的重要地位 成为H 261 JPEG MPEG等国际标准的主要环节 N阶一维DCT的定义如下 设为N个信号样点 为其变换值 则有 离散余弦反变换 IDCT 为由于DCT的变换核构成的基向量与图像内容无关 且变换核是可分离的 因此可以通过两次一维DCT变换实现一个二维DCT变换 具体步骤为 3 小波变换小波变换 WT 又称为子波变换 是由法国地理学家Morlet和数学家Growwmann提出的 它的出现 是信号分析理论发展史上的一个里程碑 这种变换方法具有良好的时域局域性与全局变换性 在相当程度上克服了传统变换编码方法的许多不足 使图像压缩编码技术的发展迈上了一个新的台阶 在数学上 h t 函数经伸缩和平移后可得到一个函数族该函数族称为小波函数族 函数h t 称为基本小波 式中的参数a为伸缩因子 b为平移因子 对于给定的信号f t 定义小波变换为 2 3 3图像压缩编码标准 1 H 261建议H 261建议 又称为 视听业务的视频编码解码器 具有覆盖整个ISDN基群信道的功能 它的应用目标是可视电话和会议电视 一般说来 当p 1 2时适用于面对面可视电话业务 当p再增加时 6 可用于会议电视 1 视频格式世界上的彩色电视有PAL NTSC和SECAM三种不同的制式 为了方便不同制式电视之间的互连 H 261提出采用公共中间格式CIF commonintermediateformat 和1 4CIF QCIF 作为可视电话 会议电视的视频格式 编码时 首先将PAL制 NTSC制或SECAM制的视频信号转化成CIF 译码时 将CIF转化为PAL制 NTSC制或SECAM制视频信号 这样就解决了国际间互通时因不同电视制式引起的矛盾 CIF和QCIF的数据结构分为四个层次 即图像层 P 由图像头和块组数据组成 图像头包括一个20位的图像起始码以及视频格式 时间参数 帧数 等标志信息 块组层 GOB 由块组头和宏块数据组成 块组头包括一个16位的块组起始码 块组编号 量化器信息等 宏块层 MB 由宏块头和块数据组成 宏块头包括宏块地址 宏块类型等 块层 B 由DCT变换系数和块结束符组成 以CIF格式为例 每个P由12个GOB组成 每个GOB由个3 11个MB组成 每个MB由4个8 8的亮度块 Cr Cb 和2个的色差块 组成 各层之间的关系如图所示 QCIF和CIF的主要参数如表所示 2 视频编码H 261图像编码器采用的是混合编码方式 即帧内变换和帧间预测相结合 其基本原理如图所示 若前后两帧很相似 采用帧间方式 即进行帧间预测 并对预测误差进行二维DCT处理 否则采用帧内方式 即对每一帧进行帧内DCT处理 图像块尺寸为8 8 但第一帧总是采用帧内方式 2 H 263建议ITU T的H 263建议最开始是作为研究MPEG 4而提出的一种甚低码率编码方法 现已成为一种独立的压缩编码方法 其传输码率低于64Kb s 适用于在低比特率条件下对运动图像进行压缩编码 它对运动图像的压缩比可以达到300 3 静止图像压缩编码技术标准JPEGJPEG JointPhotographicExpertsGroup 是由ISO和CCITT共同组成的联合图片专家小组的英文缩写 1991年3月提出10918号标准 连续色调静止图像的数字压缩编码 该方法又称为JPEG算法 并被确定为第一个有关彩色灰度静止图像的国际标准 JPEG算法是一个适用范围非常广泛的通用标准 它不仅适用于静止图像的压缩 电视图像序列的帧内图像压缩编码也常采用JPEG标准 它的压缩比大约为20 30 JPEG标准提供了一种无损编码模式和4种有损编码模式 无损模式 基于DCT的顺序模式 基准模式 基于DCT的递进模式 层次模式 4 MPEG标准MPEG MovingPictureExPertsGrouP 是ISO组织下属的运动图像专家小组的英文缩写 成立于1988年 该小组主要研究多媒体计算机系统中运动图像压缩编码技术的标准 1991年11月该小组提出用于数字存储媒介 比特率约为1 5Mb s的运动图像及其伴音的压缩编码方案 作为ISO IEC11172号建议 于1992年正式通过 通常称为MPEG标准 后命名为MPEG l标准 MPEG标准包括MPEG视频 MPEG音频和MPEG系统3大部分 这里主要介绍视频部分 MPEG系统由系统层和压缩层组成 系统层起控制作用 由定时信号 声像数据流多路分解标志 音频 视频同步信号3个部分组成 压缩层为数据部分 由压缩后的音频和视频数据流组成 其中视频部分的数据结构与H 261一样分为四个层次 即图像层 块组层 宏块层和块层 MPEG视频压缩是针对运动图像的压缩技术 MPEG是一个不对称的压缩算法 第3章数字复接技术 3 1数字信号的复接 1 数字复接的概念及设备的组成 数字复接设备包括数字复接器和数字分接器 其简单组成方框图如图所示 数字复接器由定时 调整和复接单元组成 数字分接器由同步 定时 分接和恢复单元组成 2 数字复接系列 数字复接是从低速到高速按照一定的规定速率分级进行的 其中某一级的复接是把一定数目的具有较低规定速率的数字信号合并成为一个具有较高规定速率的数字信号 这个数字信号在更高一级的数字复接中 与具有同样速率的其他数字信号一起作进一步的合并 成为更高规定速率的数字信号 3 数字复接方法 根据复接器输入端各支路信号与本机定时信号的关系 数字复接方法分为两类 即同步复接与异步复接 3 1 1数字信号的复接方式 1 按位复接 按位复接 也称 比特单位复接 这种方法每次复接一位码 如图所示 如果要复接四个基群信号 则第一次取第一基群的第一位码 然后取第二基群的第一位码 再取第三基群 第四基群的第一位码 接下去取第一基群的第二位码 第二基群的第二位码 依此类推 循环往复 复接后每位码宽度只有原来的四分之一 2 按字复接 按字复接就是每次复接取一个支路的8位码 各个支路的码轮流被复接 在其他三个支路复接期间 必须把另一个支路的8位码存储起来 因此这种方法需要容量较大的缓冲存储器 但它有利于多路合成处理和交换 因而将会有更多的应用 3 按帧复接 按帧复接就是以帧为单位进行复接 即依次复接每个基群的一帧码 这种方法的优点是不破坏原来各个基群的帧结构 有利于交换 但是 与第二种方法有同样的原因 它需要容量更大的缓冲存储器 目前尚无实际应用 3 1 2同步复接与异步复接 1 同步复接 同步复接的框图如图所示 它由时序产生器 各支路缓冲存储器 合路移位寄存器组成 采用比特复接时 同步复接 分接原理如图 a 所示 相应的时间波形见图 b 2 异步复接 异步复接允许参与复接的各支路具有标称速率相同 速率的变化限制在规定范围内的独立时钟信号 因此在远程传输数字通信网中 特别是在高次群复接中 异步复接得到广泛应用 异步复接设备原理方框图如图所示 在异步复接中 关键就是码速调整 经码速调整后的复接就变为同步复接了 而将非同步信码变为同步码流的简单有效方法是 正码速调整技术 也叫脉冲插入法 这种方法就是人为地在各个待复接的支路信号中插入一些脉冲 譬如在瞬时数码率低的支路信号中多插入一些脉冲 在瞬时数码率高的支路信号中少插入或不插入脉冲 从而使这些支路信号在分别插入适当的脉冲之后 变为瞬时数码率完全一致的信号 码速调整除正码速调整外 还有正 负码速调整 正 0 负码速调整 其中正码速调整由于它的原理和设备简单 技术比较完善 因此应用最为广泛 3 1 3数字复接的码速调整 1 正码速调整 1 基本原理 所谓正码速调整就是将被复接的低次群的码速率都调高 使其同步到某一规定的较高的码速上 例如基群的码速由2048kbit s调到2112kbit s 正码速调整的原理可用下图来说明 图 a 是原理方框图 图 b 是时间动作关系 2 正码速调整的帧结构 1帧中的内容有 帧码 帧定位信号 它是正确分接的标志 勤务信号 用于告警 码速调整控制等 信息位 包括复接支路中的全部内容 信码 同步码和信令码等 由帧结构也可以看出 码速调整过程中的相位比较是在帧结构中的第 组末进行判决的 若判决结果需要调整 则在其后各组中的C比特置1 V空闲 无需调整 则C比特置0 相应地V仍传信码 显然 利用固定时隙位置作为码速调整控制比特和码速调整比特 可以简化复接设备 3 正码速调整基本关系式 设标称复接比特速率为 fh 标称支路比特速率为 fl 支路数为 m 每帧中对应每个支路的非信息比特数为 K 每帧中每个支路的信码数为 Q 则有帧长 LF m Q K bit 定义如下参数 帧频 每单位时间内的帧数 Fs fh LF 同步复接支路速率 同步复接器为每个同步复接支路准备的最大可能的复接速率 fm Q LF fh上述式中 Q LF为每个复接帧中支路占有的比特数比值 复接是对各支路信码复接 K 是插入码 标称码速调整速率 当支路速率与复接速率二者都等于其标称值时 插入或删除调整数字的速率 fs fm fl 最大码速调整率 可能插入或删除调整数字的最大速率 通常规定在每一个复接帧中只留一个调整位置 所以 fsmax Fs 调整比率 实际调整速率与最大调整速率之比 也称塞入比率 S fs fsmax 即Q flLF fh 4 正码速调整的时间特性 缓冲存储器正常工作的前提条件是先写入信息比特 后读出信息比特 我们把写入时刻相对于读出时刻超前量称为读写时差 由于 fl与 fm不同 所以读写时差总是随着时间的推移而发生变化 2 正 负码速调整 正 负码速调整与正码速调整的基本原理是一样的 不同点仅为同步复接时钟 fm 取值不同 在正 负码速调整中 取同步复接时钟的标称值 f m等于支路时钟的标称值 fl 这时 由于 fm和 fl都会在各自的容差域内变动 它们的瞬时值之间就可能出现三种情况 fm fl 这就是前述的正码速调整的情况 fm fl 这时不需要调整就可以保持正常的同步复接 fm fl 这种情况是写入速率大于读出速率 如果不采取措施 缓冲器中存储的信息将越来越多 最后导致发生 溢出 现象 从而丢失信息 为保证正常传输 就必须提供额外的通道把多余的信息送到接收端 也即要在适当的时候多读一位 这与正码速调整刚好相反 称为负码速调整 正 负调整帧结构 3 正 0 负码速调整 正 0 负码速调整过程中 同步复接时钟 fm取值与正 负码速调整一样 与后者不同的是 fm与 fl间的三种情况对应着真正的三种调整情况 即正调整 不调整 负调整 并且用三种调整指令通知码速恢复端 调整过程与前述的两种码速调整过程完全类似 正调整就是在指定位置 V 插入一个调整比特 非信码 负调整就是在指定位置 V 传送一比特额外的信码 不调整就是按标称值正常传输 在接收端也按调整指令实施恢复控制 但在恢复端 支路时钟提取方法与前述两种码速调整不同 在正 0 负码速调整中 恢复端设置了支路时钟产生器 它产生三种时钟 频率分别为 fl fl Fms fl Fms 其中 fl为支路标称频率 写入时钟为 fm 缓存器容量为 N 读出时钟在上列三种时钟里选取 其中 Fms 为调整帧频 3 2时分多路复用原理和典型终端设备 3 2 1时分多路复用原理 多路复用是从提高信道利用率的角度提出来的 平常说的一个信道可以同时传输百个 千个甚至万个话路 就是指的这种情况 目前应用最广泛的方法是频分多路复用 FDM 和时分多路复用 TDM 时分多路复用的波形变换示意图如下 时分多路复用方框图 3 2 2PCM30 32路系统简介 1 帧结构 下图 a 是用于市话中继的30 32路脉码调制端机的方框图 3 2 3时分复用系统中的同步技术 1 帧同步码型与插入方式 帧同步码的插入方式有两种 分散式和集中式 PCM24路制式 日本 北美等国家采用 采用分散式 如图 a 所示 它是插在每一帧的最后一个位码 第193 bit 上 采用1 0交替的同步码型 PCM30 32系统 我国 欧洲国家采用 采用集中插入方式 它是在每偶帧TS 0的第2 8位插入0011011帧同步码 如图 b 所示 很明显 在选择帧同步码组的结构时 一定要考虑到信息码中产生相同结构码组的可能性要小 也即产生伪同步码的可能性要小 同步码组长一些 出现伪同步码的可能性也小 而且也可加快捕捉过程 即失步后重新获得同步的时间也短 缺点是占用了较多的信道容量 集中式插入的捕捉时间比分散式要快 所以PCM30 32路制式可以将一些话路作为数据传输用 但集中式插入往往要占用话路 因而降低了传输效率 2 对同步系统的要求与保护措施 对帧同步系统的要求主要有两点 一是同步建立 或恢复 时间要短 二是稳定性要好 要求同步性能稳定 主要办法是设置保护电路 即前方保护和后方保护两种 前方保护是为了防止假失步 3 3同步数字系列 3 3 1同步数字系列的基本概念及特点 1 同步数字系列的产生 2 SDH的基本概念和特点 SDH是由SDH网络单元 包括终端复用器 TM 分插复用器 ADM 再生中继器 REG 和SDH数字交叉连接设备 SDXC 等 组成 在信道上进行同步信息传输 复用和交叉连接的系统 1 SDH网络单元 终端复用器 TM SDH数字交叉连接设备 SDXC 分插复用器 ADM 2 SDH的特点 SDH系统 3 3 2同步数字系列的结构 1 SDH的速率 SDH信号以同步传输模块 STM 的形式传送 SDH信号最基本的同步传输模块是STM l 其速率为155 520 Mbit s 更高等级的STM N 信号是将STM l按同步复用 经字节间插得到的 其中 N是正整数 目前SDH仅支持 N 1 4 16 64 CCITT建议G 707所规范的标准速率值为 STM l l55 520Mbit s STM 4 622 080Mbit s ST