现代通信原理6第六章-自适应差分脉码调制资料

现代通信(tōngxìn)原理第六章自适应(shìyìng)差分脉码调制第一页，共四十六页。1编辑课件单元(dānyuán)概述

差分脉冲编码调制由增量调制演变而来，它用二进制码组对信号的差值进行幅度量化和编码。这里所谓“差分”又称“差值”，是一般意义上的“增量”，即信号的当前抽样值与预测(yùcè)值之差。ADPCM之所以能用较小的码组编码，而获得接近PCM的量化信噪比，其关键在于“预测(yùcè)”。“预测(yùcè)”得越准确，“差值”就会越小，就可以用较少的位数量化而具有较小的量化噪声。第二页，共四十六页。2编辑课件单元(dānyuán)学习提纲

（1）差分(chàfēn)脉冲编码调制原理和方框图，差值信号、预测信号、重建信号的含义，差分(chàfēn)脉冲编码调制的编码增益；（2）线性预测原理，极点预测和零点预测的基本概念和物理意义；（3）自适应预测和自适应量化的基本概念和物理意义。第三页，共四十六页。3编辑课件第六章自适应(shìyìng)差分脉码调制(ADPCM)

6.1概述

8位PCM编码,对于语音传输,其速率为64K,需要32K的带宽,多用于有线传输.在无线通信,特别是移动通信中,带宽资源是非常宝贵(bǎoguì),一般要求信号具有更低的速率以减小传输带宽.数字化图像一般有96M的速率,占用48M的带宽,就更需要重新设计信源编码形式,以降低速率或数据量,便于传输和存储.这就提出了压缩的问题第四页，共四十六页。4编辑课件语音压缩编码技术：低于64kb/s数码率的语音编码技术:差分脉码调制(DPCM)自适应(shìyìng)差分脉码调制(ADPCM)子带编码(SBC)矢量量化编码(VQ)第五页，共四十六页。5编辑课件6．2DPCM的基本原理任何信号,不论语音或图像,采用直接采样-量化-编码的方式进行编码,都会发现码组之间具有很强的相关性.由于相关性的存在(cúnzài),传输数据中存在(cúnzài)大量不需要传输的信息,称为冗余.DPCM就是通过预测和差分编码方式来减少冗余,实现数据压缩的目的.第六页，共四十六页。6编辑课件什么是预测:知道(zhīdào)某时刻以前信号的表现,就可以推断它以后的数值.具体到信号的采样过程,就是通过前几次的样值来预测后一次的样值.第七页，共四十六页。7编辑课件假如有一个信号m(t),用速率1/TS进行采样，那么在时刻(shíkè)t=nTs，我们可以掌握此前N个样值序列

M(nTs),m(nTs-Ts),m(nTs-2Ts),……m(nTs-NTs)根据(gēnjù)前N个样值对m(nTs)进行预测,定义为:------m(nTs)的预测值。Wi----------加权常数(chángshù)第八页，共四十六页。8编辑课件预测过程(guòchéng)可以用以下抽头延时滤波器实现第九页，共四十六页。9编辑课件DPCM系统(xìtǒng)原理框图

第十页，共四十六页。10编辑课件差分脉码调制：对信号采样(cǎiyànɡ)值和预测值的差值进行量化编码并传输.接收端将接收到的差值和恢复的预测值相加得到此次采样值.由于只传输动态范围较小的差值,所以编码的码组不需太长,在DPCM中,一般采用4位.第十一页，共四十六页。11编辑课件发送端：差值信号(xìnhào)d(k)=s(k)-se(k)，量化后得到的dq(k)一方面送入编码器，另一方面送入本地解码器产生斜变信号se(k)

。接收端：先经过(jīngguò)PCM解码恢复dq(k)，在经过积分器和LPF即恢复出模拟信号sr(k)。第十二页，共四十六页。12编辑课件DPCM的系统(xìtǒng)总量化误差：总量化误差(wùchā)只和差值信号的量化误差(wùchā)有关.第十三页，共四十六页。13编辑课件系统总的量化信噪比等于预测增益(zēngyì)与差值量化信噪比的乘积第十四页，共四十六页。14编辑课件预测(yùcè)增益：差值信号(xìnhào)量化信噪比：

要使信号总信噪比大,就要使预测增益大,也就是增加预测的准确性,同时还要求降低量化噪声.DPCM就是研究(yánjiū)如何使这两个参数最大,提出了ADPCM(自适应差分量化编码)的思想.第十五页，共四十六页。15编辑课件线性预测网络(wǎngluò)可分为极点预测器和零点预测器两种1.极点预测器第十六页，共四十六页。16编辑课件设发送(fāsònɡ)系统预测量化器传递函数为D(Z)式中ai是一组预测(yùcè)系数。第十七页，共四十六页。17编辑课件接收系统(xìtǒng)重建滤波器传递函数H(Z)由于重建滤波器传递函数只有(zhǐyǒu)极点没有零点,故称为全极点预测器.第十八页，共四十六页。18编辑课件第十九页，共四十六页。19编辑课件2.零点(línɡdiǎn)预测器第二十页，共四十六页。20编辑课件若预测(yùcè)信号为：Bi是一组预测系数。则重建(zhònɡjiàn)信号为：第二十一页，共四十六页。21编辑课件重建滤波器的传递函数只有零点没有(méiyǒu)极点，称为全零点预测器。第二十二页，共四十六页。22编辑课件3.极零点(línɡdiǎn)预测器第二十三页，共四十六页。23编辑课件从发送(fāsònɡ)端从接收端传递函数有零点(línɡdiǎn)有极点,称为极零点预测器第二十四页，共四十六页。24编辑课件4.最佳线性预测器预测器具有一组预测系数ai,bi,怎样选择这一组数据，使预测值更接近实际值，实现GP和SNR的最大，是最佳预测器所要解决的问题。怎样选择一组系数ai，bi，使差值功率(gōnglǜ)E[d2]最小，可以通过求极限。第二十五页，共四十六页。25编辑课件对于(duìyú)一极点预测器求偏微分，并令为零。第二十六页，共四十六页。26编辑课件所以(suǒyǐ)得到一组线性方程第二十七页，共四十六页。27编辑课件差值信号在预测(yùcè)系数取最佳值时最小，有第二十八页，共四十六页。28编辑课件并假设信号(xìnhào)与噪声无关，最佳预测(yùcè)增益第二十九页，共四十六页。29编辑课件5.GP与预测阶数的关系预测通常(tōngcháng)要选用前多少次的样值来参与，见下图当阶数大于2时，最佳预测增益(zēngyì)就趋于饱和，饱和值一般为6-12dB第三十页，共四十六页。30编辑课件6.3自适应(shìyìng)预测

为了获得最大的预测增益,通常采用自适应预测方式,预测系数(xìshù)在预测过程中实时调整.

1.前向自适应预测算法如前所述,根据短时间的相关特性R(i),求短时的最佳预测系数，运算量大，延迟时间大，不能用于高速系统。第三十一页，共四十六页。31编辑课件2.后向序贯自适应预测算法在dq(k)最小的情况下,找出最佳预测系数,采用不断修正预测系数{ai(k)}的方法来减小瞬时(shùnshí)平方差dq2(k),使{ai(k)}不断接近{aiopt(k)}.

Widrow提出的LMS算法第三十二页，共四十六页。32编辑课件梯度(tīdù)符号算法以下来(xiàlái)说明:差值信号=实际信号-预测信号,表达式为:第三十三页，共四十六页。33编辑课件预测过程(guòchéng)如上图所示,此次预测系数ai越大,此次的预测值Sr(k)就越大.第三十四页，共四十六页。34编辑课件1.若预测信号Sr(k)>0,差值dq(k)>0,在正信号情况下预测值小于实际(shíjì)值，应增加下一次的预测系数使预测值增加。第三十五页，共四十六页。35编辑课件2.若预测信号Sr(k)>0,差值dq(k)<0,在正信号情况(qíngkuàng)下预测值大于实际值，应减小下一次的预测系数使预测值减小。第三十六页，共四十六页。36编辑课件3.若预测(yùcè)信号Sr(k)<0,差值dq(k)>0,在负信号情况下预测值大于实际值，应减小下一次的预测系数使预测值减小。第三十七页，共四十六页。37编辑课件4.若预测信号(xìnhào)Sr(k)<0,差值dq(k)<0,在负信号情况下预测值小于实际值，应增加下一次的预测系数使预测值增加。第三十八页，共四十六页。38编辑课件6.4自适应(shìyìng)量化自适应预测解决了预测增益最大的问题，自适应量化主要解决量化信噪比最大的问题，这里的量化是指对差值信号的量化。功率变化大（动态范围大）的信号，量化器参数(cānshù)（量化电平{dqn}、分层电平{dn}、量阶）应能跟上输入信号方差的变化。第三十九页，共四十六页。39编辑课件介绍以下两种方式：

1、前向自适应量化：按输入信号的方差来调整量化电平{dqn}和分层电平值{dn}.d2大，用大量阶；d2小，用小量阶。

这种方法(fāngfǎ)在实时系统不易实现。第四十页，共四十六页。40编辑课件2、后向自适应量化根据前一时刻的输出(shūchū)数字码I(k-1)或量化器输出值{dqn(k-1)}来确定本次{dn(k)}与{dqn(k)}。是目前常用的方法。Jayant提出的后向自适应算法：本次量化间隔=前一次量化间隔*量化调整因子第四十一页，共四十六页。41编辑课件上式算法在有传输误码情况下,会产生误码扩散问题(wèntí),因此采用修正式:-抗误码因子M[|I(K)|]-量化间隔(jiàngé)调整因子第四十二页，共四十六页。42编辑课件对于L=16的DPCM（DPCM通常采用4位编码，L=16），此表是绝对值，共8组值，正负(zhènɡfù)信号刚好表示16个值。Jayant等人根据大量实验确定了不同(bùtónɡ)量化电平L时DPCM量化器的M值见下表第四十三页，共四十六页。43编辑课件注意：

1、对于非均匀量化，不能直接使用6-26式。2、6-26式是一种快速瞬时自适应，适用(shìyòng)于语音等电平变化快的信号。3、对于MODEM或信令等变化慢的信号，表6-26要重新定义，M值基本都接近1，只有M[|I(8)|]才略大于1，约为1.024。第四十四页，共四十六页。44编辑课件自测题

（1）差分(chàfēn)