2017通信原理第10章信源编码.ppt

本章内容 抽样 低通信号和带通信号量化 标量 均匀 非均匀 和矢量脉冲编码调制 PCM DPCM ADPCM增量调制 M时分复用 TDM 准同步数字体系 PDH 引言 10 1 引言 压缩编码 模 数转换 信源编码的作用 波形编码和参量编码 A D转换 数字化编码 的技术 A D 数字方式传输 D A 模拟信号数字化传输的三个环节 PCM DPCM M 波形编码的常用方法 6 7 8章 波形编码 根据语声信号波形的特点 将其转换为数字信号 常见的有 PCM DPCM ADPCM DM 等 波形编码 根据语音信号波形特点 将其转换为数字信号 参量编码 提取语音信号的一些特征参量 对其进行编码 波形编码的三个步骤 抽样 量化 编码 模拟信号的数字传输 抽样 将时间上连续的模拟信号变成时间上离散的抽样信号量化 把幅度上仍连续的抽样信号变成幅度离散的信号时间离散 幅度连续 时间离散 幅度离散编码 用二进制码组表示量化后的样值 模拟信号de抽样 10 2 抽样定理 模拟信号数字化和时分多路复用的理论基础 抽样 把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程 抽样定理要回答 能否由此样值序列重建原信号抽样定理的分类 根据信号是低通型的还是带通型 低通抽样定理和带通抽样定理 根据用来抽样脉冲序列是否等间隔的 均匀抽样定理和非均匀抽样定理 根据抽样的脉冲序列是否为冲击序列 理想抽样定理和实际抽样定理 10 2 1低通模拟信号的抽样定理 定理 证明 设单位冲激序列 其周期T 抽样间隔Ts 抽样过程可看作是m t 与 T t 的相乘 因此 理想抽样信号为 其频谱为 1 Ts n 0 理想抽样过程的波形和频谱 因此 抽样速率必须满足 fs fH 这就从频域角度证明了低通抽样定理 此时 不能无失真重建原信号 混叠失真 重建原信号 低通滤波器HL f 无穷多个冲击响应之和构成m t 抽样与恢复原理框图 10 2 2带通模拟信号的抽样定理 定理 fH nBfH 3Bfs 2B M f 2fH 2 3 k B fH fL fL fH fH nB kBfH 3B kB2 3 k B 3fs 推广 n 任意整数2 n k B nfs fs与fL关系 n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 n 6 模拟脉冲调制 10 3 PAM PDM PPM 实际抽样 自然抽样的PAM 对比 理想抽样 自然抽样 m t 自然抽样过程的波形和频谱 自然抽样与恢复原理框图 理想抽样 自然抽样 理想冲激序列 实际脉冲序列 s t 恢复 均可用理想低通滤波器取出原信号 实际抽样 平顶抽样的PAM 特点 每个样值脉冲的顶部是平坦的 m t 产生 抽样保持 n 0 恢复 修正 低通滤波 模拟信号de量化 10 4 西安电子科技大学通信工程学院 量化 幅度上离散化 量化后的信号 多电平数字信号 抽样值 分层电平 10 4 1量化原理 量化电平 量化间隔 量化值 用有限个量化电平表示无限个抽样值 qi q1 qM mi 抽样值 量化信号值 抽样值 量化值 量化噪声 a b 设抽样信号的取值范围 量化电平数 M 则量化间隔 量化电平 中点 分层电平 端点 10 4 2均匀量化 等间隔划分输入信号的取值域 的均方值 量化噪声功率为 信号量噪比S Nq 输入样值信号的概率密度 量化器的性能指标之一 mk m kTs mq mq kTs 量化噪声 信号mk的平均功率 信号量噪比 信号功率与量化噪声功率之比 量化噪声功率 解 平均信号量噪比 含义 均匀量化的缺点 应用 主要用于概率密度为均匀分布的信号 如遥测遥控信号 图像信号数字化接口中 原因 Nq与信号样值大小无关 仅与量化间隔 V有关 解决方案 非均匀量化 10 4 3非均匀量化 量化间隔不相等的量化方法 压大补小 y f x 对数特性 提高小信号的量噪比 压缩输出 扩张输入 在接收端 需要采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复信号 入 出 压缩特性 扩张特性 压缩 扩张特性 均匀量化 压缩特性 非均匀量化的数学分析一量化区间内压缩特性曲线可近似看作一段直线 代入上式得 y在0 1间均匀划分成N个量化区间 每量化区间的间隔 为了对不同的信号强度保持信号量噪比恒定 当输入电压x减小时 应使量化间隔 x按比例减小 即要求 x x即 线性微分方程 其解为 或 k 比例常数 由边界条件 x 1时 y 1 得 k c 0即要求y f x 具有如下形式 但输入x 0时 输出y 按照不同情况 还要作适当修正 使当x 0时 y 0 为了对不同信号强度保持信号量噪比恒定 理论上要求压缩特性具有对数特性 ITU的两种建议 非均匀量化 x 归一化输入电压y 归一化输出电压 1 A压缩律 2 A律13折线 对称输入13折线压缩特性 A律和 律不易用电子线路准确实现 实用中分别采用13折线和15折线 3 压缩律及其15折线 0时无压缩效果 非均匀量化 15折线 K1 32 大信号的量化性能比A律稍差 小信号的量噪比是A律的2倍 脉冲编码调制 10 5 西安电子科技大学通信工程学院 PulseCodeModulation PCM 模拟信号数字化方式之一 10 5 1PCM的基本原理 PCM系统原理框图 模拟信号数字化过程 抽样 量化和编码 具有镜像特性 简化编码过程 误码对小电压的影响小 表10 4自然二进码和折叠二进码 10 5 2常用二进制码 编码考虑的问题之一 极性码 表示样值的极性 正编 1 负编 0 段落码 表示样值的幅度所处的段落段内码 16种可能状态对应代表各段内的16个量化级 在A律13折线PCM编码中 共计 需将每个样值脉冲 Is 编成8位二进制码 码位的选择与安排 之二 关乎通信质量和设备复杂度 表10 5段落码 表10 6段内码 归一化输入电压的最小量化单位 之三 确定样值所在的段落和量化级 起始电平和量化间隔 幅值 1 2段最短 每小段的动态范围为 1 128 1 16 1 2048 为最小量化间隔 1个量化单位 第8段最长 每段长1 32 1 2 16 若用均匀量化仍希望对小电压保持有同样的动态范围1 2048 需用11位的码组 非均匀量化 只需要7位 典型电话信号的抽样频率是8000Hz 采用非均匀量化编码器 典型数字电话传输比特率为8 8000 64kb s 段内码按量化间隔均匀编码 不同段落量化间隔不同 C5的权值 8 ViC6的权值 4 ViC7的权值 2 ViC8的权值 1 Vi 段内码的权值 Vi 第i段的量化间隔 不同段落 Vi不同 前两段相同为1 2048 第8段1 32 1 32 1 2048 64 11110011 每来一个样值脉冲 就送出一个PCM码组 10 5 3电话信号的编译码器 编码的实现 任务 把每个样值脉冲编出相应的8位二进码 极性判决 确定样值信号的极性 编出极性码 整流器 双 单 样值的幅度大小 保持电路 使每个样值的幅度在7次比较编码过程中保持不变 比较器 核心 将样值电流Is与标准电流Iw进行逐次比较 使Iw向Is逐步逼近 从而实现对信号抽样值的非均匀量化和编码 若Is Iw 输出 1 码若Is Iw 输出 0 码记忆电路 寄存前面编出的码 以便确定下一次的标准电流值Iw 7 11变换 将7位非线性码转换成11位线性码 以便恒流源产生所需的标准电流Iw 各部件的功能 PAM信号 类似天平称物过程 只需7位 非线性 编码 以 对13折线正极性的8个段落进行均匀量化 则量化级数 非线性码非均匀量化 需要11位 线性 编码 非线性码与线性码 7 11 称为线性PCM编码 对应 称为非线性 对数PCM编码 线性码均匀量化 对应 8段 每段16等分 1 极性码 C1 1 正 2 段落码 C2C3C4 3 段内码 C5C6C7C8 PCM码组C1 C8 11110011 111 第 段 0011 解 起始1024 V8 64 c2 Iw 128 Is 1270 128 c2 1 c3 Iw 512 Is Iw c3 1 c4 Iw 1024 Is Iw c4 1 c2c3c4 111 2 段落码c2c3c4 3 段内码 C5C6C7C8c5c6c7c8 c5 Iw4 1536 IsIw6 c7 1 c8 Iw7 1216 Is Iw7 c8 1 编码结果 c1c2c3c4c5c6c7c8 11110011 表示的量化值在第8段落的第3间隔中间 即 1280 1216 2 1248 量化单位 c5c6c7c8 0011 编码电平 样值所在量化级的最小值 起始值 1024 3 64 1024 16 1216编码后量化误差 1270 1216 54 量化单位 译码电平 样值所在量化级的中点值 中间电平 1216 64 2 1248译码后量化误差 1270 1248 22 量化单位 除去极性码 用自然二进制码表示此折叠二进制码所代表的量化值 1248 需要11位二进制数 10011100000 1248 10011100000 它与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同 不同的是 增加了极性控制部分和带有寄存读出的7 12位码变换电路 译码 把PCM信号 相应的PAM样值信号 即D A变换 A律13折线译码器原理框图 各部分功能 7 12变换电路 将7位非线性码转变为12位线性码 目的 增加一个 Vi 2恒流电流 人为地补上半个量化级 使最大量化误差不超过 Vi 2 从而改善量化信噪比 串 并变换记忆电路 将串行PCM码变为并行码 并记忆下来 极性控制 根据收到的极性码C1来控制译码后PAM信号的极性 编码器中7 11 寄存读出电路 将输入的串行码在存储器中寄存起来 待全部接收后再一起读出 送入解码网络 实质上是进行串 并变换 12位线性解码电路 由恒流源和电阻网络组成 与编码器中解码网络类同 它是在寄存读出电路的控制下 输出相应的PAM信号 解 1270 由上例可知 编码电平 IC 1216 因此 译码电平 ID IC Vi 2 1216 64 2 1248 编码后误差 Is IC 54 译码后误差 Is ID 22 PCM信号的比特率和带宽 传输带宽 若采用非归零矩形脉冲传输时 谱零点带宽为 例如 一路模拟话路带宽为B 4kHz 一路数字电话带宽为 问题 PCM信号占用的频带比标准话路带宽要宽很多倍 B 8000 8 64kHz 如何解决 详见10 6节 10 5 4PCM系统中噪声的影响 PCM系统输出 两种噪声 产生机理不同 相互独立 信号成分 So 加性噪声 Na 量化噪声 Nq 性能指标 抗量化噪声性能 抗加性噪声性能 总输出信噪比 含义 当低通信号最高频率fH给定时 PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽B按指数规律增长 抗量化噪声性能 抗加性噪声性能 PCM系统最小带宽 带宽与信噪比互换 假设条件 自然码 均匀量化 输入信号为均匀分布 总输出信噪比 差分脉冲编码调制 10 6 DifferentialPCM DPCM PCM的改进型 是一种预测编码方法 预测编码简介 问题引出 PCM需用64kb s的比特率传输1路数字电话信号 这意味 其占用频带比1路模拟标准话路带宽 4kHz 要宽很多倍 解决思路 究其根源 PCM是对每个样值独立地编码 与其他样值无关 因此 降低编码信号的比特率 压缩信号的传输频带是语音编码技术追求的目标 信号抽样值的取值范围较大 从而导致数字化信号的比特率高 占用带宽大 需要较多的编码位数 语音编码的目标 以较低的速率获得较高质量的编码 即实现低速高质量的编码 基本方法 利用语音信号存在的冗余度降低编码速率 压缩编码利用人耳听觉特性 强抑制弱 低频敏感高频不敏感 人耳对相位特征不敏感等低于64kb s数码率的语音编码方法 语音压缩编码技术很多 其中ADPCM可以32kb s数码率传输 基础是DPCM 预测编码 线性预测 利用前面几个抽样值的线性组合来预测当前时刻的样值 若仅用前面一个抽样值预测当前的样值 即为DPCM 对相邻样值的差值进行编码 10 6 1预测编码简介 p 预测阶数ai 预测系数 ek 预测误差 rk 量化预测误差 mk 预测值 假定量化误差为零 即 rk ek 则mk 可看作是带有量化误差的抽样信号mk 表明 预测值mk 是前面p个带有量化误差的抽样信号值的加权和 当时 DPCM p 1a1 1 10 6 2差分脉冲编码调制 DPCM 原理与性能 当p 1 a1 1 则有mk mk 1 只将前一个抽样值当做预测值 DPCM 对相邻样值的差值进行编码 预测器 预测器 DPCM原理 DPCM系统的量化误差 量化噪声 编码器输入抽样值mk与量化后带有量化误差的样值mk 之差 即 DPCM性能 v 设预测误差ek的范围是 量化器的量化电平数为M 量化间隔为 v 则 故qk的平均功率 又设此功率平均分布在 0 Nfs 则其功率谱密度Pq f 通过截止频率为fm的LPF后 其功率为 DPCM系统的差分处理增益 信号平均功率 预测误差 量化器输入 的平均功率 将预测误差作为输入信号时量化器的信号量噪比 差分处理增益约为6 11dB ADPCM将自适应技术引入到量化和预测过程 主要特点 自适应量化量化台阶随信号的变化而变化 使量化误差减小 自适应预测指预测系数可随信号的统计特性而自适应调整 提高预测信号的精度 可大大提高输出信噪比和编码动态范围 自适应差分脉码调制 ADPCM AdaptiveDPCM ADPCM能以32kb s的比特率达到64kb s的PCM数字电话质量 极大地节省了传输带宽 使经济性和有效性显著提高 增量调制 M DM 10 7 一种最简单的DPCM 10 7 1增量调制 M 原理 引言 量化电平数取2 即对预测误差进行1位编码 量化电平 增量调制原理框图 解调 积分器收到 1 码元使输出升高 收到 0 使输出降低 可恢复出图中的阶梯形电压 阶梯电压通过LPF平滑 得十分接近编码器原输入的模拟信号 波形图 如何选择 和fs 2 过载量化噪声 1 一般量化噪声 10 7 2增量调制系统中的量化噪声 很大 译码器的最大跟踪斜率 不过载条件 fs选大 对减小过载噪声和一般量化噪声都有利 因此 对于语音信号而言 M的抽样频率在几十千赫 百余千赫 选大 有利于减小过载噪声 但一般量化噪声增大 原因 简单 M的量化台阶是固定的 难以使两者都不超过要求 解决 采用自适应 M 使量化台阶随信号的变化而变化 为了避免过载和增大编码范围 应合理选择 和fs 时 编码1010101010 时 编码1010101010 2 起始编码电平Amin 编码范围 输入电压峰峰值为0或小于 最大编码电平 临界过载振幅 为 其斜率 若不过载 应要求 当跟踪斜率一定时 允许的信号幅度随信号频率fk的增加而减小 将导致语音高频段的信号量噪比下降 即 设 最大编码电平Amax 信号最大功率 由Amax可得 信号量噪比 假定不过载 基本量化噪声为 量化噪声功率 e t m t m t e t e t 是低通滤波前的量化噪声 m t 是译码积分器输出波形 变化区间为 则基本量化噪声通过截止频率为fm的LPF后 其功率为 量化噪声功率Nq只与量化台阶 及fm fs有关 与输入信号大小无关 最大信号量噪比与抽样频率fs的3次方成正比 与信号频率fk的平方成反比 因此 提高fs能显著增大 M的量噪比 时分复用 TDM 10 8 TimeDivisionMultiplexing a 时分多路复用原理 10 8 1基本概念 实际电路中 用抽样脉冲取代 b 信号m1 t 的采样 c 信号m2 t 的采样 d 旋转开关采样到的信号 TDM的主要优点 对