第06讲-信源编码.ppt

1、无线通信工程，清华大学微波与数字通信国家重点实验室姚彦教授，2001年11月24日，第6讲，无线通信的信源编码，简介，信源的原始信号大部分是模拟信号，所以信源编码的首要任务是模拟和数字之间的转换，即：A/D，D/A。采样率取决于原始信号的带宽：fc=2 w，w是信号带宽， 而采样点的比特数取决于扭曲编码后的信号质量要求：信噪比6 L(dB)，L是量化比特数，概而言之，但由于传输信道带宽的限制和原始信源信号的强相关性，信源编码不是简单的A/D、D/A，而是要压缩的。 通信传输的信源编码主要是压缩编码。信源编码要考虑的因素：信源的统计特性。传输通道造成的损坏，如错误代码。受托人的质量要求。概述(续

2、)，信源编码定理：对于给定的失真率d，总能找到一种信源编码方法。只要源速率R大于R(D)，就可以在平均失真任意接近D的条件下实现波形重构。注1: R (d)称为速率失真函数，它是单调的非递增函数。速率越高，平均失真越小。注2:为了保证一定速率的失真，有必要采用信源编码，这会引入编码延迟。理论，信道编码定理：如果信源速率R小于信道容量C，总是可以找到一种信道编码方法，使得信源信息可以在有噪声的信道上无差错地传输，即：R C，无差错传输条件描述1:信道容量C是C Wlog2(1 S/N)描述2:为了保证无差错传输，必须采用信道编码，因此将引入编码。理论(续)，信息传输定理：信息传输定理是通过综合信

3、源编码定理和信道编码定理得到的。也就是说，为了保证无差错传输和失真程度，必须满足以下要求：描述1:在一般的数字通信系统中，信源编码和信道编码可以分开考虑。信道编码定理给出了无差错的速率上限，而信源编码定理给出了无失真的速率下限。说明2:为了达到理想的性能，我们必须付出延迟的代价。理论(续)，速率：高速、中速和低速压缩率质量：客观评估主观评估延迟：不同服务的质量和延迟要求之间的关系复杂性：算法和软硬件实现的复杂性，性能指标，波形编码直接将波形转换为数字码流。特点：高比特率，解码后质量高，延时小。它可以分为：时域波形编码，如脉码调制、二进制脉码调制、脉码调制等。频域波形编码，如子带编码、自适应变换

4、编码等。参数编码从源信号的某个域中提取特征参数，并将其转换成数字码流。特点：低比特率，解码后质量低，延时大。例如各种声码器。混合编码是上述两种方法的混合，其特点是在较低的比特率下具有较高的质量，适度的延迟和复杂性。例如G723.1、G728、G729、全球移动通信系统语音编码、IS-95语音编码等。实现方法：音频编码，提高传输质量，便于处理和灵活使用，便于多种媒体(视频、音频、文本和数据)的组合，易于加密，适合大规模集成，可靠性高，体积小，功耗低，价格低，音频编码的优势，音频编码的应用，压缩的必要性，波形编码的PCM原理(37年，亚历克里德尔斯)，电子管PCM(46年，贝尔实验室)，晶体管PC

5、M(62年，本地电话扩展，64kb/s)，单片集成电路PCM的增量编码原理(70年，微波光纤(46年，法国德拉因)自适应增量CVSD(20世纪60年代末，军用，32，16kb/s)连续可变斜率增量调制器其他代码(ADPCM、SubBand、ATC、APC等)。 )采用连续可变斜率增量调制器，可获得16 KB/s以上的语音质量。特点：语音质量好，但编码率高。音频编码历史：数字电话(1)，参数编码波形编码信道声码器(39年，Dudly，二战秘密电话)，LPC声码器(67年，Atal，Schroeder)，同态声码器(69年，Oppenheim)，共振峰声码器(71年，Rabiner，斯查费，Ela

6、na Griffin，Lim)，波形插值(1991，W.B. Kleijn)，2.4kb/s，1.2kb/s，更好；600-800b/s可以理解。特点：编码率低，自然性差。混合编码器采用线性预测、VQ、A-B-S、感知加权、后滤波等技术。具有多脉冲激励的线性预测(MPELP 1982 Atal，Remde)、具有规则脉冲激励的线性预测(rpelp1985 drettere，Kroon)和具有码本激励的线性预测(CELP 1985 Manfred，Schroeder，Atal)是高质量的8-16kb/s。特点：语音质量高，编码率低，但算法复杂。音频编码历史：数字电话(2)，主要用于会议电视，相当

7、于调幅广播的质量。CCITT在1988年制定了G.722标准：sb-ADPCM大约在1996年，由美国PictureTel公司提出的PTC PictureTel变换编码器在1999年9月发布：“ITU-T G.722.1提出的决定： 7千赫音频编码在24和32千比特/秒的免提操作在低帧丢失系统。”音频编码历史：宽带语音主要用于娱乐和欣赏，对重构信号的质量要求较高，目前采用比特率较高的波形编码技术进行压缩。它可以直接在时域中执行，或者转移到频域或其他变换域。1982年，CD:光盘发布。Md:迷你盘，日本索尼公司采用atrac自适应变换声编码器压缩技术。1987年，DAT:数字录音带问世。数字音频

8、广播起源于欧洲。音频编码历史：宽带音频，音频压缩基础，1)冗余时域样本之间相关(短时间和长时间)的频域频谱不均匀性(频谱包络，频谱分散)的统计特征2)人耳的听觉特征，人耳对不同的频带敏感，并且通常对低频比高频更敏感。掩蔽效应表明人耳对语音信号的相位不敏感：人耳听不见，或者可以利用听觉的心理特征。感官加权、量化、冗余成分去除、后过滤。音频编码性能评估(1)，1)编码速率(Kbps，Kb/s)信号带宽：可懂度、自然度和透明度。2003400赫兹、507000赫兹、2015000赫兹、1020000赫兹。采样率：8千赫、16千赫、32千赫和44.1/48千赫。码位R(b/样本)，总速率I(kb/s)

9、。固定利率和可变利率。2)重构语音质量的客观评价：分段信噪比(一般优于15dB，优于20dB)，音频编码性能评价(2)，主观评价MOS评分51:优、良、中、差、差4:长途通信质量(长途、透明电话线路)3.5分：通信质量判断韵律测试DRT(诊断韵测试)，例如：为(韦)、费(费)，优95%以上，良85%，中75%，差65%，可65%以下多维因子测试、调制噪声参考单元、量化失真单元、QDU(量化失真单元)、一次PCM编解码器、音频编码性能评估(3)、3)正常呼叫顺序与编码和解码延迟中的重建质量之间的关系(毫秒)、公共网络(25毫秒)、点对点、广播、存储回声控制或回声消除4)算法复杂性硬件、成本浮点、

10、定点MIPS、随机存取存储器、只读存储器5)其他抗随机错误和抗突发错误、抗分组丢失和抗帧丢失， 不同信号编码能力的级联或交换能力，现有标准(1):宽带音频，现有标准(2):宽带语音，现有标准(3):数字电话，现有标准(4):数字电话(续)， PCM:脉冲编码调制ADPCM:自适应差分脉冲编码调制LD-CELP:低延迟码本激励线性预测编码CS-ACELP:共轭结构代数码本激励线性预测编码ACELP:代数码本激励线性预测编码MP-MLQ:多脉冲激励最大似然量化SB-ADPCM:子带自适应差分脉冲编码调制LPC-10:线性预测编码MELP:混合激励线性预测编码CELP:码本激励线性预测编码RPE-LT:长期预测规则脉冲激励线性预测编码VSELP:矢量和激励线性预测编码IMBE:Inmarsat 多频带激励语音编码QCELP:高通码本激励线性预测编码EVRC:增强型可变速率编码，无线通信语音编码(1)，军用无线通信16 kbps CVSD增量调制4.8 kbps美国军用无线电标准，无线通信语音编码(2)，用于CT-2的无绳电话ADPCM，用于DECT的32kbps ADPCM，32kbps，无线通信语音编码(3)， 13kbps VSEL