樊昌信通信原理第10章信源编码(7版)课件

课 件信源编码通信原理（第7版）第10章樊昌信 曹丽娜 编著本章内容:第10章信源编码 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）压缩编码 语音、图像和数字数据 引 言10.1 引言n为什么要数字化？压缩编码；模/数转换n信源编码的作用：波形编码和参量编码nA/D转换（数字化编码）的技术：A/D 数字方式传输 D/An模拟信号数字化传输的三个环节：“抽样、量化和编码”n波形编码的三个步骤：PCM、DPCM、Mn波形编码的常用方法：6、7、8章 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 最高频率小于 fH 的模拟信号m(t)可由其等间隔的 抽样值唯一确定，抽样间隔Ts 或 抽样速率 fs 应满足：10.2.1 低通模拟信号的抽样定理n定理：n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/Tsn=0理想抽样过程的波形和频谱：fs 2fH 因此，抽样速率 必须满足：fsfH这就从 频域角度 证明了 低通抽样定理。若 fs IWi 1 Is IWi 0IW1IW2IW3 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。n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56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。解解例1270由上例可知，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 58n 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=4 kHz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=80008=64 kHz如何解决？详见10.6节10.5.4 PCM系统中噪声的影响PCM系统输出：n两种噪声：产生机理不同 相互独立+信号成分(So)加性噪声(Sa)量化噪声(Sq)n性能指标：抗量化噪声性能抗加性噪声性能总输出信噪比60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 Differential PCM,DPCM PCM的改进型，是一种预测编码方法 预测编码简介n 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(4 kHz)要 宽很多倍。n 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n 方法之一 预测编码n 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n 线性预测编码/译码原理框图表明：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。p-预测阶数 ai-预测系数当时DPCM p=1 a1=110.6.1 差分脉冲编码调制(DPCM)原理与性能当p=1，a1=1，则有mk =mk-1*，表示只将前 一个抽样值 DPCM：对相邻样值的差值进行编码。当做预测值。预测器预测器n DPCM原理nDPCM性能DPCM系统的量化误差（量化噪声）为：DPCM系统的信号量噪比：为信号平均功率；为预测误差（量化器输入）的平均功率；是把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611dB ADPCM是为了改善 DPCM 的性能，而将自适应技术引入到量化和预测过程。其主要特点：用自适应量化取代固定量化。自适应量化 指量化台阶随信号的变化而变化，使量化误差减小。用自适应预测取代固定预测。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。通过这二点改进，可大大提高输出信噪比和 编码动态范围。n 自适应差分脉码调制（ADPCM，Adaptive DPCM)ADPCM 能以32 kb/s的比特率达到 64 kb/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 DPCM10.7.1 增量调制(M)原理引言即对预测误差进行1位编码量化电平数取 2 n 增量调制原理框图n 增量调制波形图74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 n译码器的最大跟踪斜率：n不过载条件：ufs 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。u 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=/2u起始编码电平起始编码电平 Aminn编码范围：最大编码电平（临界过载振幅）为：其斜率若不过载，应要求：可见，当跟踪斜率一定时，允许的信号幅度随信号频率 k的增加而减小，这将导致语音高频段的信号量噪比下降。即设u最大编码电平最大编码电平 Amaxu 信号最大功率：信号最大功率：由Amax可得n信号量噪比假定不过载，基本量化噪声为：u 量化噪声功率：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 的低通滤波器后，其功率为：可见，此量化噪声功率 Nq 只与量化台阶 及 fm/fs 有关，而 与输入信号大小无关。可见，最大信号量噪比与抽样频率fs的3次方成正比，而与信号频率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 Time Division Multiplexing（a)时分多路复用原理m i(t)低通低通1低通低通2低通低通N信道信道低通低通 1低通低通 2 低通低通 N同步旋转开关同步旋转开关m1(t)m2(t)m2(t)m1(t)mN(t)mN(t)10.8.1 基本概念实际电路中，用抽样脉冲取代m1(t)m2(t)1帧Ts/NTs+Ts/N时隙12Ts+Ts/N3Ts+Ts/NTs2Ts3Ts4TsTs2Ts3Ts4Ts（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：对于时分复用数字电话通信系统，ITU制定了两种准同步数字体系（PDH）的建议:10.8.2 准同步数字体系以上两种体系的层次、路数和比特率如表所示：nnE 体系结构图：偶帧TS0奇帧TS0nPCM一次群的帧结构：随路信令:每路PCM语音信号的抽样频率：采样周期：fs=8000 Hz-帧时间一帧共含 比特，PCM一次群的比特率：Ts=125 s比特率 后面几节以后补上 着急做其他章节配套辅导教材：曹丽娜 樊昌信 编著 国防工业出版社 整理知识 归纳结论梳理关系 引导主线剖析难点 解惑疑点强化重点 点击考点 谢谢！后面几节以后补上 着急做其他章节