粟向军通信原理课件——第6章_信源编码

1、第第第6 6 6章章章 信源编码信源编码信源编码学习要点：学习要点：语音波形编码中的PCM、DPCM、增量调制等的基本原理与性能比较图像编码的基本方法,时分复用技术和数字复接技术等清华大学出版社第6章 信源编码第第第第第第6 6 6章章章章章章 信源编码信源编码信源编码信源编码信源编码信源编码清华大学出版社第6章 信源编码清华大学出版社第6章 信源编码清华大学出版社第6章 信源编码清华大学出版社第6章 信源编码1.含义含义：对模拟信源输出的模拟信号进行数字化即对模拟信源输出的模拟信号进行数字化即A/D转换，转换，对数字信源输出数据进行压缩以减少数字信息中的冗余度即去冗余度。对数字信源输出数据进

2、行压缩以减少数字信息中的冗余度即去冗余度。2.作用作用：设法减少码元数目和降低码元速率，即通常把说的数据压缩设法减少码元数目和降低码元速率，即通常把说的数据压缩将信源的模拟信号转化成数字信号，实现模拟信号的数字化传输。将信源的模拟信号转化成数字信号，实现模拟信号的数字化传输。3.基本途径基本途径：使序列中的各个符号尽可能地互相独立使序列中的各个符号尽可能地互相独立-解除相关性解除相关性使序列中各个符号的出现概率尽可能地相等使序列中各个符号的出现概率尽可能地相等-概率均匀化概率均匀化6.1.1信源编码的基本概念信源编码的基本概念4.分类：分类：(1) 二元码二元码 若码符号集为若码符号集为X0，

3、1，所得码字都是二元序列。，所得码字都是二元序列。(2) 等长码等长码(或称固定长度码或称固定长度码) 若一组码中所有码字的码长都相同，即若一组码中所有码字的码长都相同，即li=l(i1，2，q)(3) 变长码变长码 若一组码中所有码字的码长各不相同，若一组码中所有码字的码长各不相同， 即任意码字由不同长度即任意码字由不同长度li的码符号序列组成的码符号序列组成(4) 非奇异码非奇异码 若一组码中所有码字都不相同，若一组码中所有码字都不相同， 即所有信源符号映射到不同的码符号序列即所有信源符号映射到不同的码符号序列第6章 信源编码清华大学出版社(5) 奇异码奇异码若一组码中有相同的码字，则称码

4、为奇异码。若一组码中有相同的码字，则称码为奇异码。(6) 同价码同价码码符号集码符号集X:x1, x2,xr中每个码符号中每个码符号xi所占的传输时间都相同所占的传输时间都相同(7) 码的码的N次扩展码次扩展码假定某码假定某码C，它把信源，它把信源S中的符号中的符号si一一变换成码一一变换成码C中的码字中的码字Wi，则码则码C的的N次扩展码是所有次扩展码是所有N个码字组成的码字序列的集合。个码字组成的码字序列的集合。(8) 惟一可译码惟一可译码码的任意一串有限长的码符号序列只能被惟一地译成所对应的信源符号序列码的任意一串有限长的码符号序列只能被惟一地译成所对应的信源符号序列否则，就称为非惟一可

5、译码或非单义可译码否则，就称为非惟一可译码或非单义可译码。第6章 信源编码清华大学出版社第6章 信源编码清华大学出版社1.统计编码统计编码 2.预测编码预测编码3.变换编码变换编码4.识别编码识别编码第6章 信源编码清华大学出版社第6章 信源编码清华大学出版社一、抽样一、抽样1低通抽样定理低通抽样定理定义定义：在一个频带限制在在一个频带限制在(0，fm)内的时间连续信号内的时间连续信号f(t)，如果以，如果以1/2fm的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号f(t

6、)的频谱中的频谱中最高频率不超过最高频率不超过fm，当抽样频率，当抽样频率fs2fm时，抽样后的信号就时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。包含原连续的全部信息。第6章 信源编码清华大学出版社 ( )( )( )( )()sTTsm tm ttm ttnT 2( )()TssnT 1( )( )( )2STMM12( )( )2TsMT1()SnsMnT证明：证明：第6章 信源编码清华大学出版社1( )( )( )SsMHMT ( )( )( )()()sTsTsnm tm ttm nTtnT ( )()mmh tst 第6章 信源编码清华大学出版社( )( )( )( )()mssssmm

7、 tT m th tT m tst ()()smsmsnTm nT stnT 222ssmmT， 则则1smT ( )()()smsnm tm nT stnT ( )m tstnT该式表明：该式表明：任何一个有限频带的信号可以展开成以抽样函数为基本信号的无穷级数，任何一个有限频带的信号可以展开成以抽样函数为基本信号的无穷级数，级数中各分量的相应系数就是原信号在相应抽样时刻的抽样值，级数中各分量的相应系数就是原信号在相应抽样时刻的抽样值，也就是说，任何一个带限的连续信号完全可以用其抽样值来表示也就是说，任何一个带限的连续信号完全可以用其抽样值来表示。第6章 信源编码清华大学出版社第6章 信源编码

8、清华大学出版社【例例6-1】 在语音信号的数字化过程中，抽样速率应选多大为合适？在语音信号的数字化过程中，抽样速率应选多大为合适？ 解：解：一般语音信号的最高频率为一般语音信号的最高频率为3400HZ，按抽样定理可知：，按抽样定理可知：抽样速率应选取为抽样速率应选取为 最高频率的两倍即最高频率的两倍即2*3400HZ=6800Hz而实际当中我们会选取略大于而实际当中我们会选取略大于2倍的频率，倍的频率，所以在所以在PCM系统中，我们选取的抽样频率为系统中，我们选取的抽样频率为8000Hz。第6章 信源编码清华大学出版社2脉冲振幅调制脉冲振幅调制PAM第6章 信源编码清华大学出版社二、量化二、量

9、化量化量化是指幅度的离散化是指幅度的离散化利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程就称为量化。利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程就称为量化。即用一组规定的电平值，将瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。即用一组规定的电平值，将瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。第6章 信源编码清华大学出版社量化前后模拟信号电平会有误差，而接收端解码后只能还原出量化值，量化前后模拟信号电平会有误差，而接收端解码后只能还原出量化值，即等于在原模拟信号上叠加一个误差，这误差是随机的，即等于在原模拟信号上叠加一个误差，这误差是随机的，对信号的影响就相当于噪声，就称为量化噪声。对信号的影响就相当于噪声，就称

10、为量化噪声。即取样值与量化电平的差称为量化误差，即取样值与量化电平的差称为量化误差，由量化误差所引起的噪声称为量化噪声由量化误差所引起的噪声称为量化噪声( )( )( )qe tm tm t22( ) ( )( )qqNE e tE m tm t 第6章 信源编码清华大学出版社1均匀量化均匀量化均匀量化指量化间隔相等的量化。它把量化区等分成均匀量化指量化间隔相等的量化。它把量化区等分成L个区间。设量化间隔等于个区间。设量化间隔等于 ，2kVL 在分层电平数在分层电平数 L远大于远大于1情况下，最佳的量化电平为分层电平的中点。情况下，最佳的量化电平为分层电平的中点。因此，量化误差因此，量化误差e

11、(t)分布在分布在 之间之间2 1,( )20,ep e其它22222221( )12qNe p e dee de 22( )( )qqSm tSNRNe t第6章 信源编码清华大学出版社【例6-2】 设设m(t)为一正弦信号为一正弦信号m(t)=cosmmVt 试求其经过量化器后的信噪比试求其经过量化器后的信噪比。解解：信号平均功率信号平均功率22( )2mqVSm t 量化噪声的平均功率量化噪声的平均功率212qN 22/ 2()10lg()7.7820lg()/12mdBVVmSNR 2 VL 222212()12123 (2 )qnVVNL 2223()10lg(2)6220lg()2

12、nmdBVVmSNRnVV 第6章 信源编码清华大学出版社可以看出：可以看出： 对给定输入电平，编码比特数对给定输入电平，编码比特数n每增加每增加1位，信噪比增加位，信噪比增加6dB； 对给定的对给定的n,在输入信号不过载的情况下，无论信号大小，可知，在输入信号不过载的情况下，无论信号大小，可知，噪声功率都是一样的，而大信号的信号功率大，则信噪比大，小噪声功率都是一样的，而大信号的信号功率大，则信噪比大，小信号的信号功率小，则信噪比低。信号的信号功率小，则信噪比低。量化器的动态范围：量化器的动态范围：20lg()VmV的取值范围，的取值范围，即达到一定信噪比要求时允许的输入信号的变化范围即达到

13、一定信噪比要求时允许的输入信号的变化范围第6章 信源编码清华大学出版社【例例6-3】 电话传输标准中要求在信号动态范围大于电话传输标准中要求在信号动态范围大于40dB的条件下信噪比不的条件下信噪比不低于低于26dB，若要达到这一要求，对编码的位数有何要求？，若要达到这一要求，对编码的位数有何要求？解：解：()6220lg()dBVmSNRnV266240n10.7n 即最少需要编即最少需要编11位码。位码。可以看出：可以看出：越宽的动态范围，要求编码位数越多，也就是编码速率越越宽的动态范围，要求编码位数越多，也就是编码速率越高，结果导致信号带宽的增加高，结果导致信号带宽的增加第6章 信源编码清

14、华大学出版社2非均匀量化非均匀量化量化间隔不相等的量化称为非均匀量化量化间隔不相等的量化称为非均匀量化第6章 信源编码清华大学出版社(1) A律压缩特性律压缩特性1,01ln( )1ln1,11lnAxxxAf xxxA A (2) (2) 律压缩特性律压缩特性 1ln( ),01ln(1)xf xx 第6章 信源编码清华大学出版社第6章 信源编码清华大学出版社(3) 数字压扩技术数字压扩技术第6章 信源编码清华大学出版社A折线段12345678斜率161684211/21/4X01/1281/641/321/161/81/41/21Y01/82/83/84/85/86/87/81F(x)01

15、/8191/8292/8394/8494/8597/8697/81第6章 信源编码清华大学出版社三、编码和译码三、编码和译码1. 编码编码1c2 3 4c c c5 6 7 8c c c c 极性码极性码 段落码段落码 段内码段内码(1) 信号样值的正负极性用一位码表示，即信号样值的正负极性用一位码表示，即 ，通常正极性用，通常正极性用1表示，负极表示，负极性用性用0表示。所以称为极性码。表示。所以称为极性码。(3) 对每一段我们对每一段我们(2) A律律13折线将折线将X轴正半部分分成了轴正半部分分成了8段，第段，第1到第到第8段段分别为：分别为：(0，1/128)，(1/128，1/64)

16、，(1/64，1/32)，(1/32，1/16)，(1/16，1/8)，(1/8，1/4)，(1/4，1/2)，(1/2，1)各段长度不同，第各段长度不同，第1、2段最短，只有段最短，只有1/128，第，第8段最长，为段最长，为1/2。又进行了又进行了16等分，即把等分，即把8段的每一段又分成了段的每一段又分成了16小段，为了表示抽样值小段，为了表示抽样值落在这落在这16小段中的哪一小段小段中的哪一小段,需要有需要有4位编码来表示位编码来表示第6章 信源编码清华大学出版社每一段每一段16等分后，不同段的每一小段的量化间隔是不相同的，如第等分后，不同段的每一小段的量化间隔是不相同的，如第一段和第

17、二段长度为一段和第二段长度为1/128，则，则16等分后，量化间隔为等分后，量化间隔为第第8段长度为段长度为1/2，则，则16等分后，其量化间隔为等分后，其量化间隔为1/32，显然，第一、二，显然，第一、二段的量化间隔是最小的，我们以这最小的量化间隔段的量化间隔是最小的，我们以这最小的量化间隔1/2048作为一个作为一个最小的均匀量化级，用最小的均匀量化级，用 来表示，则在来表示，则在1-8段落内的每一小段的量化段落内的每一小段的量化间隔应为间隔应为1 、1 、2 、4 、8 、16 、32 、64 111128162048， 、 第6章 信源编码清华大学出版社【例例6-4】 设输入信号为设输

18、入信号为5V，现有样点值，现有样点值3.6V，采用，采用13折线量化，以折线量化，以 为单为单位求其量化电平？位求其量化电平？。 解：首先求其归一化值：解：首先求其归一化值：3.6/5=0.75归一化值归一化值0.75对应对应0.75*2048 =1585 则显然应落入第八段，第八段起始电平则显然应落入第八段，第八段起始电平1024 ，量化间隔，量化间隔64 。则则1585 应落入的小段数为：应落入的小段数为： 即落入第即落入第9小段小段所以对应的量化电平应为：所以对应的量化电平应为： (15851024 )648.8 1024(91)6421568 1585156817 量化误差为量化误差为

19、第6章 信源编码清华大学出版社【例例6-5】 设码组的设码组的8位码为了位码为了11100100，求该码组对应的量化电平，求该码组对应的量化电平是多少？是多少？解：极性码解：极性码1c=1， =1， 则样值为正极性则样值为正极性段落码段落码2 3 4c c c= =110落在第七段落在第七段起始电平为起始电平为 512 5 6 7 8c c c c= =0100则落在第五小段则落在第五小段，小段量化间隔为小段量化间隔为32小段内起始电平小段内起始电平324128所以量化电平应为所以量化电平应为512128322656 。第6章 信源编码清华大学出版社逐次比较型编码器：逐次比较型编码器：第6章

20、信源编码清华大学出版社【例例6-6】 设有归一化样值设有归一化样值 =+364求对其编码后的码字求对其编码后的码字sI解解：编码过程如下编码过程如下：(1) 极性码编码极性码编码因为极性为正，所以因为极性为正，所以 11c (2) 段落码编码段落码编码第一次比较第一次比较第一次比较第一次比较 =128 ,因为因为 =+364 128 ,所以比较器输出所以比较器输出样值落在样值落在8段落中的后段落中的后4段即段即5、6、7、8段。第二次比较时段。第二次比较时 应为该应为该4段的中段的中间值即第间值即第7段的超始电平段的超始电平 =512 ，此时，此时 =+364 256 ，比较器输出，比较器输出

21、 于是得到段落码于是得到段落码 =101，可知落在第六段，可知落在第六段WIsI= 21c ， WIsI30c ， WIsIWI41c 。 第6章 信源编码清华大学出版社(3) 段内码编码段内码编码同上方法确定样值落在第六段的哪一个量化间隔，第六段量化同上方法确定样值落在第六段的哪一个量化间隔，第六段量化间隔间隔16 ,经过四次比较即段内码第一位码的编码，此时本地译经过四次比较即段内码第一位码的编码，此时本地译码器输出参考电平等于段落中间电平码器输出参考电平等于段落中间电平2568 16384wI SwII 50c 第第5次比较参考电平为前半段的中间电平次比较参考电平为前半段的中间电平2564

22、 16320wI SwII 61c 第第6次比较，参考电平为次比较，参考电平为2564 162 16352wI SwII 71c 第第7次比较，参考电平为次比较，参考电平为2564 162 161 16368wI SwII81c 段内码为：段内码为：0111。最后得到输出码字为最后得到输出码字为11010111。第6章 信源编码清华大学出版社2译码译码加权网络型译码器加权网络型译码器第6章 信源编码清华大学出版社6.2.2 差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制DPCM1DPCM基本原理基本原理第6章 信源编码清华大学出版社2自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制ADPCM 自适应量化取代固定

23、量化：利用自适应的思想改变量化阶的大小，自适应量化取代固定量化：利用自适应的思想改变量化阶的大小，即使用小的量化阶即使用小的量化阶(step-size)去编码小的差值，使用大的量化阶去去编码小的差值，使用大的量化阶去编码大的差值编码大的差值, 适应预测取代固定预测：即预测系数适应预测取代固定预测：即预测系数ai 可以随着信号的统计特性可以随着信号的统计特性而进行自适应的调整，提高了预测信号的精度。而进行自适应的调整，提高了预测信号的精度。第6章 信源编码清华大学出版社6.2.3 增量调制增量调制( )M) 1. 增量调制原理增量调制原理第6章 信源编码清华大学出版社第6章 信源编码清华大学出版

24、社2. 量化噪声量化噪声在增量调制中量化误差产生的噪声主要有两种：一般量化噪声在增量调制中量化误差产生的噪声主要有两种：一般量化噪声(颗颗粒噪声粒噪声)和斜率过载噪声。和斜率过载噪声。第6章 信源编码清华大学出版社斜率过载斜率过载:增量调制系统的质量主要取决于所选的两个参数增量调制系统的质量主要取决于所选的两个参数 和和 Ts ，当，当 较大或者较大或者Ts 比较小，阶梯波的变化速度跟不上信号的比较小，阶梯波的变化速度跟不上信号的变化时，就会偏离模拟信号，这样的失真称为斜率过载变化时，就会偏离模拟信号，这样的失真称为斜率过载此时会产生比较大的噪声称为此时会产生比较大的噪声称为过载噪声过载噪声m

25、axmax( )sdKx tdtT 避免产生过载的条件避免产生过载的条件:最大斜率满足最大斜率满足:设输入正弦信号，设输入正弦信号，m(t)=Asin t它的最大斜率为它的最大斜率为A则不发生斜率过载的条件为则不发生斜率过载的条件为2sAAfT 则不过载的正弦信号的最大幅度为则不过载的正弦信号的最大幅度为max2sAfT 第6章 信源编码清华大学出版社增量调系统的量化信噪比增量调系统的量化信噪比: 1,( )20,ep e 其它22( )2qNe p e de 22033fmmqssfNdfff 22AS 因为正弦信号的平均功率因为正弦信号的平均功率222max2()29sOAfSf 误差概率

26、密度为概率密度为量化噪声的平均功率为量化噪声的平均功率为在接收端经过截止频率为在接收端经过截止频率为fm的低通滤波器后的低通滤波器后第6章 信源编码清华大学出版社2222230.049OssqmmSffNf ff f()10lg()(30lg20lg10lg14.2)OdBsmqSSNRfffdBN可知可知:抽样样速率提高一倍，信噪比增加抽样样速率提高一倍，信噪比增加9dB,而信号频率提高一倍，信噪比而信号频率提高一倍，信噪比下降下降6dB第6章 信源编码清华大学出版社第6章 信源编码清华大学出版社3. 自适应增量调制自适应增量调制ADM基本思想基本思想：根据信号斜率的变化自动改变台阶。即当信

27、号变化快时，：根据信号斜率的变化自动改变台阶。即当信号变化快时，用大台阶；当信号变化慢时，用小台阶，既能避免过载的发生又能用大台阶；当信号变化慢时，用小台阶，既能避免过载的发生又能减小一般量化噪声减小一般量化噪声清华大学出版社6.3 图图 像像 编编 码码6.3.1 图像压缩方法简介图像压缩方法简介6.3.2 常见图像压缩标准与算法常见图像压缩标准与算法第6章 信源编码清华大学出版社1统计编码统计编码2预测编码预测编码3变换编码变换编码4新型的编码方法新型的编码方法6.3.1 图像压缩方法简介图像压缩方法简介第6章 信源编码清华大学出版社第6章 信源编码清华大学出版社 JPEG静止图像压缩标准

28、；静止图像压缩标准； 会议电视图像压缩标准；会议电视图像压缩标准； MPEG-1存储介质图像编码标准；存储介质图像编码标准； 视频编码标准；视频编码标准； 极低码率编码标准；极低码率编码标准； MPEG-4多媒体通信编码标准多媒体通信编码标准6.3.2 常见图像压缩标准与算法常见图像压缩标准与算法第6章 信源编码清华大学出版社JPEG压缩标准压缩标准基本步骤如下：基本步骤如下： 将原始图像分成将原始图像分成8*8的样值子块，对每一个子块图像进行的样值子块，对每一个子块图像进行DCT变换；变换； 根据最佳视觉特性构造量化表，设计自适应量化量并对根据最佳视觉特性构造量化表，设计自适应量化量并对DC

29、T的频率系数进行量化；的频率系数进行量化； 为了增加连续为了增加连续0个数，对量化后的系数进行个数，对量化后的系数进行Z字形重排，字形重排，对直流系数进行对直流系数进行DPCM编码，对交流系数进行编码，对交流系数进行RLC编码；编码； 用霍夫曼编码对量化系数进行熵编码，进一步压缩数据量。用霍夫曼编码对量化系数进行熵编码，进一步压缩数据量。第6章 信源编码清华大学出版社6.4 时分复用时分复用TDM和数字复接和数字复接6.4.1 时分复用的基本概念时分复用的基本概念6.4.2 准同步数字系列准同步数字系列PDH第6章 信源编码清华大学出版社6.4.1 时分复用的基本概念时分复用的基本概念时分复用

30、时分复用TDM是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。也能达到多路传输的目的。时分多路复用以时间作为信号分割的参量，故必须使各路信号在时时分多路复用以时间作为信号分割的参量，故必须使各路信号在时间轴上互不重叠间轴上互不重叠。第6章 信源编码清华大学出版社TDM方式目前又分为两种：同步时分复用和统计时分复用。方式目前又分为两种：同步时分复用和统计时分复用。同步时分复用是指每路信号在一帧中所占时隙的位置是预先同步时分复用是指每路信号在一帧中所占时隙的位置是预先指定且固定不变的，这样如果某时刻没有消息要传时隙会出指定且固定不

31、变的，这样如果某时刻没有消息要传时隙会出现空闲，为了提高信道利用率，就出现了统计时分复用方式，现空闲，为了提高信道利用率，就出现了统计时分复用方式，在这种方式中每路信号在一帧中所占的时隙不是固定的是动在这种方式中每路信号在一帧中所占的时隙不是固定的是动态分配的，它主要用于计算机网络通信中，在公共电话通信态分配的，它主要用于计算机网络通信中，在公共电话通信网网PSTN中，主要采用的是同步时分复用方式。中，主要采用的是同步时分复用方式。第6章 信源编码清华大学出版社6.4.2 准同步数字系列准同步数字系列PDH1. PCM30/32路数字复接系统路数字复接系统第6章 信源编码清华大学出版社2. P

32、CM24路数字复接系统路数字复接系统第6章 信源编码清华大学出版社6.4.3 同步数字序列同步数字序列SDH特点特点:(1) SDH具有世界标准，使具有世界标准，使1 5Mbit/s和和2Mbit/s两大数字体系在两大数字体系在STM-1上得到统一。上得到统一。(2) 高度灵活性：高度灵活性：SDH传输网具有信息透明性，可以传输各种净负传输网具有信息透明性，可以传输各种净负荷及混合体。荷及混合体。(3) 灵活的复用映射结构，使各种业务能灵活上下。灵活的复用映射结构，使各种业务能灵活上下。(4) SDH设备使用指针调整技术，可以容忍各路信号频率和相位上设备使用指针调整技术，可以容忍各路信号频率和相位上的差异。的差异。(5) SDH设备能容纳各种新的业务信号，如宽带设备能容纳各种新的业务信号，如宽带ISDN、FDDI(光光纤分布式数据接口纤分布式数据接口)、ATM(异步转移模式异步转移模式)等。等。(6) SDH帧结构中安排了丰富的开销比特，因而使网络的操作维护帧结