18-66-903多媒体技术及应用第五章

本章要点载波调制的基本原理与主要方法。基带调制的基本原理与主要方法。EMF码的编码原理与方法。信息传输中的差错控制基本原理与主要方法。CRC码与RS码的编码原理及方法。,第5章多媒体信息的存储与传输编码,数字视/音频信号经信源编码后，或通过信道传输给接收端，或通过存储媒体提供给重放设备，无论哪种方式都不能将信源编码后的“0”、“1”数据直接传输和记录。为了提高播放时视/音频数据的易识别性和准确性，确保数据的可靠传输和重放，为了节省频率资源，以便于在有限的频带内传送尽可能多的视频节目。就必须对欲传输、存储的信息采取调制和差错控制措施。,第5章多媒体信息的存储与传输编码,对载波的调制处理，是指用信源编码后生成的二进制数码，对高频正弦波的振幅、相位、或频率进行调制。数字载波调制技术包括，开关键控ASK（调幅），频移键控FSK（调频），和相移键控PSK（调相）等。调制方式的选择应与信道的特点相匹配。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.1几种对载波的调制方法,开关键控的调制方法属于调幅方式，所以又称为振幅键控。在调制时,用欲传数字信号控制数码开关的通断,以实现对载波的调制作用。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.1几种对载波的调制方法5.1.1开关键控（ASK）,ASK原理图,频移键控调制方法属于调频方式，与ASK方式不同的是，在FSK方式中由两个不同频率（f1、f2）的等幅、定频、正弦波发生器作为载波波源，其中较高频率f1信号表示数码“0”，而较低频率f2信号表示数码“1”，调制时，由欲传数据信号控制数码开关，来选通两种频率的载波信号。在接收端由解调电路的鉴频器将调制数据信号还原。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.1几种对载波的调制方法5.1.2频移键控（FSK）,FSK原理图,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.1几种对载波的调制方法5.1.2频移键控（FSK）,相移键控调制方法属于调相方式，它与FSK类似，有两个等幅、定频、正弦波载波波源，而不同的是，两个载波波源的频率相同(f1=f2)，相位相反。由调制信号数码序列a(t)，控制数码开关，以分别选通二载波信号。Sfsk(t)为已调波，在接收端，解调电路的鉴相器将调制数码序列还原。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.1几种对载波的调制方法5.1.3相移键控(PSK),PSK原理图,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.1几种对载波的调制方法5.1.3相移键控(PSK),在实际应用中为了提高信道利用率，及数码传输效率，经常将两个或两个以上的码元组合在一起传送，即在一个信道中，同时传送两个或更多信源数码。以两个码元为例，其所对应22=4种组合方式,即00、01、10、11。这四种组合方式，分别对应四个不同相位的等幅、等频、正弦波。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.1几种对载波的调制方法5.1.4四相相移键控(QPSK),QPSK原理及波形图,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.1几种对载波的调制方法5.1.4四相相移键控(QPSK),基带调制是一种适用于信号存储的调制方式，它是将经过信源编码后生成的二值数据，转换为适合于某种媒体存储的脉冲波形，是一种基带转换的过程。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.2基带调制方法,NRZ方式是一种最简单的调制方式，它是直接用“1”和“0”来表示数据信号波形的高低状态。而且“1”、“0”的切换是在位的交界处进行的。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.2基带调制方法5.2.1不归零（NRZ）方式,以信号波形中的所有“沿”（包括上升沿和下降沿）来表示“1”，因此该方式也可以作为“1”检出方式。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.2基带调制方法5.2.2不归零倒相（NRZI）方式,讨论：以上两种方式的缺点是：在连续多个1或0出现时，很难与时钟同步。,两种基带调制方式的调制波形,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.2基带调制方法5.2.2不归零倒相（NRZI）方式,光盘中的“1”、“0”信号的表示方式：在光盘上，坑的边沿表示“”，而非边沿表示“”。光盘数据中连续1或连续0的问题。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.2基带调制方法5.2.3EFM调制（EighttoFourteenModulation),1.数码连续为“”的情况,数码连续为“1”的情况,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.2基带调制方法5.2.3EFM调制（EighttoFourteenModulation),(1)基带波形频率升高，使带宽增加或影响光电器件的寿命；(2)“凹坑”的长度过短，甚至会接近或小于光斑的直径，可能会造成数据的错误识别。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.2基带调制方法5.2.3EFM调制（EighttoFourteenModulation),(1)无法提取同步时钟，可能会造成数据的错误识别;(2)产生长距离无法识别轨迹的现象，使光驱的寻迹跟踪能力受到影响，也就是会出现“错行”的现象。,2.数码连续为“”的情况,数码连续为“0”的情况,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.2基带调制方法5.2.3EFM调制（EighttoFourteenModulation),要想解决这一问题就需要进行代码转换。将8位二进制数码进行位扩展，设法在多位数码中找到能与之对应的256种符合上述要求的数据。最终人们在14位数据中找到了能符合要求的267个数据，并从中挑选了256种与8位数据中的每一个数据一一对应。这就是EFM（EighttoFourteenModulation）码，即8-14的调制方式。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.2基带调制方法5.2.3EFM调制（EighttoFourteenModulation),连接位的确定方法,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.2基带调制方法5.2.3EFM调制（EighttoFourteenModulation),1.信道编码中误码的校验与纠错的必要性:(1)误码产生的原因信号的衰减和信道中存在大量的干扰与噪声等。存储媒体中可能存在的缺陷、污垢、划伤等。(2)误码造成的后果误码轻时，可能造成图像不稳定、模糊、闪烁、马赛克等。误码严重时，根本无法接收或重放图像。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错,2.校验与纠错(1)校验：只对误码进行检测，而不能纠错。(2)纠错：对误码检测的同时还可纠正。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错,3.校验与纠错编码的基本思想(1)发射端：以某种确定的规则，在信息码中附加一些码元（在码元之间建立一种确定关系）。(2)接收端：按照这种规则，校验码元之间的确定关系是否受到破坏。(3)误码的处理方法：通过恢复原有确定关系的方法来纠正误码。放弃误码而选用前帧数码代用等。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错,4.误码类型(1)个别数字位（bit）出错的随机性误码。可以采用奇偶校验或RS编码解决。(2)连续数据位出错的所谓群误码。可采用交织或交叉交织法解决。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错,奇偶校验法：通过统计数据中“1”的个数的奇偶性的检测方法。适用范围：适用与单个误码的检测与纠正。应用举例：每组8字节数据的奇偶校验。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.1奇偶校验,(1)编码端（发送端）数据排列：取8字节数据为一组，排成矩阵。奇偶统计：进行行、列奇偶统计，并确定行、列及交叉校验码。校验码编码：把校验码按通信协议编入数据码流。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.1奇偶校验,(2)解码端（接收端）数据排列：取出数据组并排列出相同矩阵。奇偶统计：重新进行行、列奇偶统计，并生成新的行、列、交叉校验码。校验码比较：将新、旧校验码比较，并产生结果。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.1奇偶校验,结果的一般处理：a.对应校验码相同，为正确。b.行、列校验码都变化，变化交叉位有错误，纠正（取反）。c.只是行或列校验码有变化，且对应变化的原码的奇偶性与交叉码不同，则可认为该码有错误，不予理睬。d.只是行或列校验码有变化，且对应变化的原码的奇偶性与交叉码相同，则可认为数据中同一行或同一列出现连错，但无法确定位置，报错（超出了纠错能力)。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.1奇偶校验,(a)(b)正交奇偶校验,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.1奇偶校验,循环冗余校验码，它能够检测出数据中的错误，但不能纠错。电路实现简单快速，所以广泛使用于CD-ROM及磁盘的数据存储中,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,1.伽罗华域(GF)(1)伽罗华域：是一种有限数域，如GF（2n）。(2)域中的运算法则：模2加法和乘法两种运算。(3)域中元素：在GF（2n）域中共有2n个元素，0、1为该域的基本元素(是本原多项式P（x）的根，P（x）用来定义域中元素的关系）。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,(4)域中元素关系特性域中各元素都可以用基本元素及其表达式来表示。域中的各元素经过域内运算，其结果仍为域内元素。(5)应用举例：以GF(23)域为例域中元素：该域中有23=8个元素，即0,0,4,5,6,其中3-1及其以下的元素为基本元素即0、1、2（为P（x）的根）。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,定义本原多项式：P（x）=x3+x+1(5-1)（P（x）是为GF(23)域而定义的）因为为P（x）的一个根，则有：3+1=0(5-2)根据模2加法式（5-2）可改写为：3=+1,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,特性a：3=+14=3=(+1)=2+5=4=(2+)=3+2=2+16=5=(2+1)=3+2+=+1+2=2+1以上还可以用除法得到，即用本原多项式除高次元素（高于三次）,其余数为对应的基本元素表示式，即：,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,(5-3),特性b:25=7=6=(2+1)=3+=+1+=12+5=2+2+1=3讨论:特性b推论:域外元素(由域内运算构成的)可以用域内元素循环表示。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,(6)建立数码与域中元素的关系：即用数码表示（代替）域中元素。定义3bit符号数码（d2、d1、d0），在GF（23）域中用元素d22+d1+d0表示。则GF（23）域中基本元素，与三位二进制数的对应关系为:0000000110102100,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,而其他元素可由运算求出:3=+1010+1=0114=2+100+010=1105=2+1100+010+1=1116=2+1100+1=101,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,表5.2示出了GF(23)域中，各元素所对应的3位二进制码，幂和多项式。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,2.CRC码编码方法(1)由本原多项式生成CRC码设CRC码为3bit数码，我们仍以GF(23)域为例.定义本原多项式：P(x)=x3+x+1该式可以用二进制数码：“1011”表示(因为P(x)除域外数,其余数为该域外数在域内的表示数)。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,(5-4),(2)CRC码校验原理将欲传数据通过CRC码电路（用1011除）生成CRC码，并附在数据之后(构成复合数据)发出。接收端将复合数据通过CRC码电路（用1011除）,若余数为零则正确，如余数不为零则有误码。应用举例:仍然以“1010”为例，其CRC码为“011”。a.发送端,将复合数据“1010011”发出;b.接收端,将数据“1010011”通过CRC码电路（用1011除）,其结果为：,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,余数为零则表示数据正确,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,(3)CRC码电路,CRC编码电路,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,输入数据1010000CRC码011,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,CRC码产生电路框图,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,解码中的CRC校验,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.2CRC码,里德索罗门码，是一种线性分组循环码，可以校验一个或多个字节的错误，并可以纠错。(1)RS码编码思想：是把k个欲传数据和根据某种算法生成的n-k个校验数据组合成一组数据块（n个数据的数据块,即RS编码形式为(n，k)码块)发出。接收时按原算法生成校正因子，以此来判断和纠正错误。(2)RS码的纠错能力：如果n-k=2t,则RS码可纠正t个数据错误（每个数据的错误可以是个别bit，也可以是整个字节）,可见纠错能力与冗余度成正比。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.3RS码,(3)RS码编码方法（举例说明）：,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.3RS码,仍以GF（2）域为例。取编码形式为（6，4）码块。其中，4个信息数据分别为：1，W2，W3，W4；有两个校验数据分别为P、Q。,设：W1=1002W2=0113W3=1016W4=0010（=1）其中仍为GF（23）域中的基本元素，且有=010。,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.3RS码,建立校验码与数据码的数学关系（P、Q应满足下列关联关系）：,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.3RS码,解以上方程组可得：P=W4+2W3+5W2+3W1=+26+53+32=101（6）Q=3W4+6W3+4W2+W1=3+66+43+2=110（4）（上式中的P=101，Q=110即为W1，W2，W3，W4的校验码。）,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.3RS码,接收端求校正因子S1、S2（根据收到的数据，按下式求出校正因子S1，S2）：S1=W4+W3+W2+W1+P+Q(5-7)S2=5W+4W+3W+2W+P+Q(5-8)则：a.当S1=S2=0时，说明数据正确（根据式（5-5）、（5-6）,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.3RS码,b.当S1、S20时，说明数据有错误。设错误数据分别为:W1、W2、W3、W4、P、Q则有：W4=W4+E4W3=W3+E3P=P+EPW2=W2+E2Q=Q+EQW1=W1+E1,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.3RS码,则根据（5-5），（5-6）式，将（5-7）和（5-8）式变为：S1=E4+E3+E2+E1+EP+EQ+W4+W3+W2+W1+P+Q（5-9）S2=5E4+4E3+3E2+2E1+EP+EQ（5-10）,第5章多媒体信息的存储与传输编码5.3误码的校验与纠错5.3.3RS码,误码