《数字通信原理》 教学课件信源编码技术

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,数字通信原理,? 数 字 通 信 原 理 ?,Principles of Digital Communication,9/28/2024,第一讲,绪论,第二讲,信息论基础和信号分析,第三讲,模拟调制技术,第四讲,信源编码技术,第五讲,数字基带传输,第六讲,数字调制技术,第七讲,差错控制编码,目 录,9/28/2024,第四讲 信源编码技术,4.1 概述,4.2 抽样定理,4.3 脉冲振幅调制PAM,4.4 模拟信号的量化,4.5 脉冲编码调制PCM,4.6 DPCM和DM,4.7 PCM通信系统及多路复用技术,9/28/2024,4.1 概述,一、信源编码的主要目的,1、,将信号变换为适合于数字通信系统处理和传送的数字信号形式,A/D转换,；,2、,提高通信的有效性，尽可能地减少原信息中的冗余度，使单位时间或单位系统频带上所传的信息量最大,压缩编码,；,二、编码方式,1、离散无记忆信源编码DMS,包括有Huffman编码和等长编码,2、脉冲编码调制和增量编码调制PCM/DM,3、线性预测编码LPC,将信源等效地视为在一个适当输入信号激励下的线性系统输出。用线性系统的参数及伴随的输入激励信号进行编码。,9/28/2024,给每个符号赋予一定长度的代码表示。,设：信源的输出来自一个由有限个符号,组成的集合， 表示符号出现的概率，那么：,即：,在赋予一定长度的代码时，每个符号的二进制代码平均长度最短不应小于信源的熵。,三、DMS编码,9/28/2024,1、等长编码,又称为均匀编码，即不管符号出现的概率如何，每个符号都用N位二进制代码表示。,那么码长为：,编码效率,为：,即：,每位二进制码所代表的信源的信息量。,9/28/2024,特点：,当L为2的整数次幂且等概出现时，编码效率为100%；,当符号等概出现，但L不是2的整数次幂时，编码效率下降，符号平均信息量与码长N之间最多可相差1比特；,L较小时，编码效率较低，因此，可以采用扩展编码的方法，即将连续J个符号进行统一编码，那么：,即：,也就是说，每个符号所增加的1比特下降到1/J比特，编码效率增加。,9/28/2024,例1：某一DMS有5种信源符号，每种符号出现的概率为1/5，计算以下固定长度编码的有效性效率。,1每个符号分别进行等长二进制编码；,2每两个符号组合，进行等长二进制编码；,3每三个符号组合，进行等长二进制编码；,9/28/2024,2、不等长编码,即将出现概率较大的符号用位数较少的码字代表，而出现概率较小的符号用较长的码字代表，也称为概率匹配编码。,1哈夫曼编码：单义可译码，平均长度最短的码种；,n,i,：相应出现概率为,p,(,x,i,)的符号的编码长度。,平均码长,为,：,9/28/2024,哈夫曼编码步骤：,将所有信源符号按概率分布从大到小顺序排列对概率相等的概率顺序任意；,将两个概率最小的信源符号合并成一个信源符号，形成新的概率集合，按前一步骤重新排列。如此重复，直至剩下两个概率为止；,分配码字。从后向前反向进行，分配0或1；直至将所有的符号的哈夫曼编码获得为止。,平均编码效率：,9/28/2024,例2：某一离散无记忆信源DMS由8个字母组成，每个字母出现的概率分别是，求：,1Huffman编码所产生的8个不等长码字；,2每个符号平均二进制编码长度；,3信源的熵；,9/28/2024,注意,：,Huffman编码构造的码字不唯一；,Huffman编码是变长编码，硬件实现比较困难；,采用Huffman编码，要传送编码表，占用传送时间；,Huffman编码是变长编码，出错时难以识别；,9/28/2024,2香农无干扰编码定理,即香农第一编码定理，在不等长编码中，不是对每个符号单独进行编码，而是对由J个符号组成的符号组进行编码，平均码长为：,说明,：通过扩展编码可使编码的平均长度任意接近信源的熵，从而使编码效率提高。,9/28/2024,4.2 抽样定理,一、抽样,模拟信号数字化的第一步是在时间上对信号进行离散化处理，即将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号，这一过程称之为抽样。,每隔一定的时间间隔T，抽取模拟信号的一个瞬时幅度值，所形成的一串在时间上离散的样值称为样值序列或样值信号，或叫脉幅调制信号PAM信号。,9/28/2024,二、低通信号的抽样定理,Nyquist抽样定理均匀采样定理,一个带限于0，fmHz内的连续时间信号f(t)，如果以Ts1/2fm秒的时间间隔进行抽样，那么f(t)将由得到的抽样值f(kTt)完全确定。,Nyquist抽样速率：,Nyquist最大时间间隔：,9/28/2024,9/28/2024,三个前提条件,信号是严格带限的，频率是在一定的fm以下；,取样是用理想的冲激序列；,采用理想的低通滤波器来恢复原信号，以减少误差；,否那么，将产生三种噪声,折叠噪声，由折叠误差所产生的噪声；,孔径效应，取样不是理想的冲激序列，通过理想低通滤波器时，不能完全恢复原信号；,内插噪声，由非理想低通滤波器所产生的误差；,9/28/2024,语声信号的最高频率限制在3400Hz，这时满足抽样定理的最低抽样频率应为,f,smm,=6800Hz,为了留有一定的防卫带，原CCITT规定语音信号的抽样频率为,f,s,=8000Hz，这样，就留出8000-6800= 1200Hz作为滤波器的防卫带。,9/28/2024,例3：一基带信号,对其进行抽样，为了在接收端能不失真地从已取样信号中恢复原信号，试问取样间隔应为多少？,9/28/2024,三、带通信号的抽样,1、带通信号,频带限制于fL ，fmHz之间的连续时间信号称为带通信号；,带通信号如果还采用低通信号抽样定理进行取样，那么将造成频谱空隙的浪费，致使信道利用率不高。,9/28/2024,2、带通信号的取样定理,1如果模拟信号频带限制于fL ，fmHz之间，且当fLfm-fL=W时，那么所必须的最低取样速率为：,2一般情况下，取样速率应满足：,这样不会发生频谱重叠。,9/28/2024,3如果要求原始信号频带与其相邻频带之间的频带间隔相等，那么：,分析：带通信号的频谱图,9/28/2024,设B=fm-fL,那么B fL,2B,如下图，进行频谱搬移，那么假设要不重叠，必须满足：,9/28/2024,假设要频带间隔相等，必须满足：,9/28/2024,对于一般情况：如果,那么有：,注意：如果fLBPCM；,3最大量化噪声比：,在相同信道带宽下，当n小于等于4时，DMPCM;,当n大于4时，相反；,所以，一般高质量通信采用PCM，如大容量干线通信；质量要求不高时采用DM，如小容量支线通信；军事通信和一些专用通信系统一般采用DM；,4信道误码的影响：DM对误码不太敏感，对新到误码率要求低，一般在10-4-10-3；PCM要求较高，误码影响严重。,5设备的复杂性：DM设备简单，PCM设备复杂得多；,9/28/2024,4.7 PCM通信系统和多路复用,一、PCM通信系统的组成,一般，实际的通信系统并不按单路语音信号进行编码，而是,几十话路同时编码,，从而使语音信号质量提高。但如果采用几十个编码器又不经济，所以，一般信号的组成采用,TDM形式,，将几十路信号通过一个采用开关，按顺序采样，再串行送入量化编码器进行PCM编码，形成码流。,9/28/2024,9/28/2024,二、PCM一次群帧结构,1、,帧,：标志码与各路样值脉冲编码轮流发送一次构成的码流称为一帧；,2、,标志码,：保证收发同步的识别信号，即保证码元节拍一致并能准确地识别各路信号的轮流排队次序的在各路信号排队开头的码组；,3、,基群,：PCM一次群。一般PCM一次群帧结构由等建议所规定。,一帧长度为125us，采用频率为8000Hz，分为32个时隙。,9/28/2024,PCM一次群帧结构,4、,信令,：是通信网中与接续的建立、拆除和控制以及网络管理有关的电信息，又称标志信号，如占用、振铃、拨号等；,按,信令信道位置,分：,时隙内信令,：信令信道固定或周期性地占用话路时隙内1比特，如PCM24制式；,时隙外信令,：信令信道占据话路时隙外的1比特或几个比特；,按信令信道的利用方式分：,共路信令,：把许多有关的信令信息以及其他信息在单一信令信道上传送的方式；,随路信令,：在话路内或在固定附属于该话路的信令信道内，传输该路所需的各种信令的方式；,9/28/2024,5、高次群,基群的传码率：,四个基群构成一个二次群，传码率为8448Kbps；,四个二次群构成一个三次群，传码率为34368Kbps；,四个三次群构成一个四次群，传码率为139264Kbps；,四个四次群构成一个五次群，传码率为564992Kbps。,例8,：有一个10路带宽均为300Hz，3400Hz的模拟信号进行PCM时分复用传输，采样频率是8000Hz，采样后进行8级量化，并编为自然二进制码，码元波形是宽度为T的矩形脉冲，占空比为1，试求此时时分复用PCM基带信号的带宽。,9/28/2024,三、多路复用技术,(1)多路复用：假设干路信息在同一信道中传送的技术，要保证各路信号的独立性；,(2)复接：在发送端将信号综合在一起的过程；,接收端把它们分开的过程叫分接；,(3)频分复用FDM：在频域使各路信号分别占据不同频段的方法，用于模拟信号通信，如SPADE卫星通信系统；,(4)时分复用TDM：使各路信号分别占据不同时段传送的方法；,(5)统计时分复用STDM：用于话音插空传输技术中，目的是如何能更充分利用中继线或干线上的传输能力；,(6)空分复用SDM：采用不同的传输媒介，将信号在传输空间上分隔，如多路信号在同一网络系统中的选址通信；,(7)波分复用WDM：根据波长划分信号，即光波波段的频分复用，分为密集波分复用DWDM和光频分复用OFDM；,9/28/2024,1、频分复用,9/28/2024,为了防止各路信号间的相互干扰，各路信号所占频段之间还需留有一定的“保护频段。 FDM最典型的例子是在一条物理线路上传送多路话音信号的多路载波 系统 考虑到大容量载波 在传输中合群、分群的方便，现已形成了一套标准的等级,9/28/2024,以下图给出了一个时分复用系统的示意图。,2、时分复用,9/28/2024,时分复用是将低速数据流合并成高速数据流的常用方法；,是将被复用数据信道上的比特或字符交错排列，然后以高速送到集合数字信道上,特点：每个低速数据信道固定分配到高速集合信道的一个时隙，集合信道的传输速率等于各低速数据信道之和,9/28/2024,3、统计时分复用,统计时分多路复用方式(Statistical Time Division Multiplex,STDM，它可以动态地按需分配时隙，从而提高了时隙利用率，STDM又称异步TDM或智能TDM。,STDM的示意图如图6-7所示,与TDM相比，同样速率的复用链路，STDM可以复接更多的用户，从而提高了信道利用率。,9/28/2024,基于TDM是将每个低速数据信道固定分配到高速集合信道的一个时隙，集合信道的传输速率等于各低速数据信道之和，当低速信道数据较少时，将浪费集合信道的时隙,针对TDM 的缺点，STDM那么采用动态分配集合信道的时隙，只给那些确定要传输的数据终端分配一个时隙，使它们建立数据链路，,STDM的特点：集合信道的时隙得到充分利用；集合信道的传输速率可以大于各低速数据信道速率之和。,9/28/2024,3、码分复用,码分多址复用是一种较新的多路复用方式,为了实现CDMA，必须要解决三个关键的技术问题,要达到复用的目的就要有足够多的地址码，而这些地址码又要有良好的自相关的特性和互相关的特性。,在系统的接收端，必须产生本地地址码(简称本地码，该本地码不但在码型的结构上应与对端发来的地址码一致，而且在相位上也要完全同步，,系统内所有用户使用同一载波，各用户可以同时发送或接收信号。为了把各用户之间的相互干扰降到最低限度，并且使各个用户的信号占用相同的带宽，CDMA必须与扩展频谱(简称扩频)技术相结合。,CDMA通信系统，最常见的有两种：伪随机(PN)码分路系统和多进码分路,9/28/2024,9/28/2024,波分多路复用是一种光纤通信中所使用的复用方式，原理方框图如图,4、波分复用,9/28/2024,