信源及信道编码

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,*,第11章 数字电视原理,音频信号压缩编码,信道编码的必要性、目的及编码框图,纠错原理,数字信号的调制与解调,本节内容简介：,教学重点：,信道编码、调制与解调。,教学难点：,信道编码、调制与解调。,教学目的：,1、了解音频信号压缩编码、信道编码；,2、理解调制与解调。,音频信号压缩编码,试验与统计分析已经证明，音频信号中存在多种冗余，主要是时域冗余、频域冗余和听觉冗余等。这些冗余的存在，使音频数字信号的压缩得以实现。,1.音频数据压缩编码的可能性,1时域冗余：幅度分布的非均匀性，样值间的相关性，信号周期之间的相关性，长时自相关，静音、语音之间的停顿间歇都是冗余量。,2频域冗余：长时间隔功率谱密度具有非均匀性以及语音信号具有短时功率谱密度，具有相关性。,3听觉冗余：听觉频率范围、人耳对声音响度的响应呈对数关系、人耳具有听觉阈特性、人耳具有掩蔽阈效应。,2.常用音频数字信号的压缩编码,感知编码、波形编码、参数编码、混合编码,1感知编码,感知编码是利用人耳的掩蔽效应和其它冗余，在维 持取样频率不变和保证音频信号动态范围的状况下，通过削减数字信号的字长来降低总码率。,感知编码的根本工作原理为：对输入音频信号的频率和幅度进展分析，并将分析结果与人的听觉模型相比较，,凡符合模型的信息人耳能够感觉到的保存下来，对听觉不能感觉到的内容丢弃，从而降低了码率。,2波形编码,波形编码是指直接对时域或频域中的音频信号波形进展取样编码。它主是利用音频取样值在时域或频域中存在的某些冗余进展压缩，力求使复原后的音频信号波形与原音频信号波形保持全都。,常见的波形编码方法主要有：,子带编码,自适应脉冲编码调制,3参数编码,依据对声音形成要素的分析和人耳的听觉区分力，建立产生语音信号的模型，再在声音信号中提取代表语音信号特征的参数进展编码。,4混合编码,结合两种或两种以上的压缩编码方法，利用各自的特进步行混合编码，实现在较低的数码率上获得较高的音质。,自适应变换编码等。,该编码技术压缩比高，重建音频信号的质量较差，不适合用于保真度高的场合，一般多用于语音信号的压缩编码。,3.音频压缩编码国际标准,常用音频数字信号压缩编码国际标准有：,MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、杜比AC-3等,1MPEG-2音频压缩编码标准,在MPEG-2标准中定义了两种音频数据压缩编码算法，其一是向下兼容多声道音频编码标准，简称MPEG-2 BC，即它与MPEG-1标准是兼容的；其二是高级音频压缩编码标准，简称MPEG-2 ACC。它们的特点分别如下：,MPEG-2 BC的主要特点：它与MPEG-1相比，主要做了两个方面的重大改进。一是增加声道数，支持5.1和7.1声,道的围绕声；二是为某些低码率应用场合增加了三种较低的取样频率16kHz、22.05kHz和24kHz。,MPEG-2 ACC的主要特点：它是一种特别敏捷的声音感知编码标准，在编码原理上主要利用了听觉系统的掩蔽特性来压缩音频信号的数据量，并把量化噪声分散到各个子带之中，再用全局信号把噪声掩蔽掉。因而，可到达用较低的比特率实现高音质。同时，MPEG-2 ACC提高了压缩比，扩展了使用范围，具体指标为：,压缩比为11:1。,支持的取样频率可从8kHz到96kHz。,支持48个主声道、16个低频增加声道、16个配音声道或称多语言声道和16个数据流等。,2杜比AC-3音频压缩编码标准,杜比AC-3标准是美国杜比试验室与日本先锋公司合作开发，于1994年12月研制成功。主要优点有：,真正的立体围绕声：杜比AC-3系统分别向左、右围绕音箱馈送信号，使围绕声道成为立体声声道，可实现声音定位到前方的某一点。,音频范围宽频带：杜比AC-3五个声道的频响均为20Hz20kHz，超低音声道为20Hz120Hz，音场更加扩大,，方向感增加。,动态范围极其宽广且可控：,各个通道完全隔离：,11.3 信道编码,1.信道编码的必要性,数字电视信号在传输过程中将受到信道加性噪声、乘性噪声以及多径衰落等干扰因素的影响，使得信息失真有可能，并消失误码其中数字电视地面传输时干扰尤为严峻，使得接收端无法正确解调，因此必需进展纠错编码，进一步提高传输系统的牢靠性。,信道编码必要性、目的及编码框图,2.信道编码的目的,信道编码又叫纠错编码，是将数字电视信号进展编码,以,使编码后的传送码流与信道传输特性匹配，根本目的是提高信息传输的牢靠性，即提高数字电视系统的抗干扰性。,3.信道编码系统构造框图,信道编码系统的构造由复用与匹配能量集中、外码编码、交错、内码编码、基带形成和信道调制等组成。,多路,视频,音频,数据,节目,复用,复用,匹配,能量,扩散,外,码,编,码,数,据,交,织,内,码,编,码,基,带,形,成,信,道,调,制,音频,视频,数据,纠错原理,1.过失掌握系统,该系统有两种功能：即过失掌握编码与过失掌握解码。,差错控,制编码,子系统,差错控,制解码,子系统,信道,1过失掌握编码,指在信源编码数据的根底上增加一些冗余码元监视码元，使监视码元与信元之间建立一种确定关系。,2.过失掌握的根本方式,1前向纠错FEC,信息在发信端经纠错编码后送入信道，接收端通过纠错解码自动检错、纠，称之为前向纠错。前向纠错不需要反复重发而延误传输时间，对实时传输有利，但是纠错设备比较简单，特殊是纠错力量有限。,前向纠错FEC根本原理框图及根本构造框图,2过失掌握解码,指在接收端，依据监视码元与信元之间的特定关系来实现检错、纠错。,发,送,端,接,收,端,能够纠正错误,前向纠错基本原理,编,码,器,前向,信道,解,码,器,前向纠错基本结构,2反响重发ARQ,发送端发送检错码，接收端通过解码器检测承受码组是否符合编码规律，从而判决该码是否为误码，假设是误码则向发送端恳求重发，直到接收端确认接收正确为止，称之为反响重发。,反响重发ARQ根本原理框图及根本构造框图,编,码,器,缓,冲,控,制,前,向,信,道,解,码,器,反向信道,缓,冲,控,制,反馈重发ARQ基本结构,发,送,端,接,收,端,能够发,现错误,反馈重发ARQ基本原理,应答信号,ARQ系统有两类：,等待式:发端每发一个码字或一帧就等待受端回音,发送端收到回音ACK表示发送无误，收到NCK表示恳求重发。,连续式:对码字或帧编号后连续发送，接收端收到有误的编号码字或帧就恳求重发，直到无误。,3混合纠错HEC,混合纠错：“混合纠错”是“前向纠错”及“反响纠错”两种方式的混合。其方法是：少量纠错在接收端自动订正，过失较严峻，超出自行订正力量时，就向发信端发出询问信号，要求重发。,混合纠错HEC根本原理框图及根本构造框图,发,送,端,接,收,端,能够发现并纠正误码,混合纠错HEC基本原理,应答信号,编码器,缓冲控制,前向信道,解码器,反向信道,缓冲控制,混合纠错HEC基本结构,3.纠错码根本理论,1纠错码相关学问,信息码元与监视码元,信息码元:是发送端有信源编码给出的信息数据比特，以k个码元为一个码组时，在二进制状况下，总共有2k种不同的信息码组。,监视码元:又称校验码元，是为了检错、纠错而在信道中附加的校验数据。通常k个信息码元的码组附加r个监视码元，组成总码元数为n=k+r的码组。,许用码组与禁用码组,许用码组:信道编码后总码长为n的码组有2n个，许用码组有2k个，为发送的信息码组；,禁用码组:禁用码组为：2n-2k，纠错编码的作用就是从2n个码组中依据规律选择出2k个许用码组。,纠错编码的作用就是从2n个码组中依据规律选择出2k个许用码组。,编码效率,每个码组中信息码元数k与总码元数的比值称为编码效率,通常监视码元越多，纠错检错力量越强，但编码效率越低。,码重与码距,码重:是指每个码组内码元1的数量。,码距d:是指没两个码组之间的距离。例如：000与101之间的码距为2；000与111之间的码距为3。,最小码距d0:指对于n,k分码组，许用码组为2k个，各码组之间码距最小值称为最小码距。,最小码距d0与检错、纠错力量之间的关系：,在一个码组内为了检知e个误码，应满足关系式：,d0e+1,在一个码组内为了订正t个误码，应满足关系式：,d02t+1,在一个码组内为了检知e个误码并订正t个误码et，应满足关系式：,d0re+t+1,2纠错码分类(依据信道干扰的性质),随机错误:又信道的随机噪声干扰引起，误码相对独立，不会连片消失；,突发错误:又突发噪声干扰引起，过失成群消失；,混合错误,:既有随机错又有误突发错误。,纠,错,码,随,机,误,码,纠,错,码,突,发,误,码,纠,错,码,分,组,码,卷,积,码,交,织,码,分,组,码,线性码,非线性码,系统卷积码,非系统卷积码,循环码,非循环码,BCH码,RS码,奇偶校验码,汉明码,比特交织码,字节交织码,纠错码分类系统框图见以下图,3.DVB-S信道编码与传输系统,1 DVB-S信道编码与传输系统框图如下,多路,视频,音频,数据,节目,复用,复用,匹配,能量,扩散,外,码,编,码,数,据,交,织,内,码,编,码,基,带,形,成,信,道,调,制,音频,视频,数据,2DVB-S信道编码技术,DVB系统按传输信道分为DVB-T地面无线传输、DVB-C地面有线传输和DVB-S卫星传输三类。它们都在数据加扰、外码编码RS编码、外交错、内码编码卷积收缩编码等方面的处理方法一样。,多路视频音频数据节目复用：,选择一组包含音频、视频和数据的TS流；,复用匹配能量集中,为便于接收端恢复数据，要对输入码流进展随机化处理，即加扰，以使能量集中。,外码编码：,即RS编码，以字节为单位进展前向纠错，具有很强的随机误差及突发误码纠错力量；,数据交错：,交错深度为12，以增加抗突发误码力量；,内码编码：,与内码编码结合，增加前向纠错力量，有利于抗御地面开路信道恶劣的传输环境；,基带形成：,形成信源编码、信道编码后的数字电视基带信号；,信道调制：,承受QPSK数字电视调制技术,数字信号的调制与解调,传输通道频带有上下限，信号频率超过此限，信号能量就会在传输中很快衰减，信噪比下降，误码率增加，且给邻近信道带来很强的干扰。故在传输前要对数字信号进展处理，削减数字信号中的高、低频重量，使能量集中在较窄的频带上，再通过某种调制进展频谱的搬移，使信号的频谱特性与信道的频谱特性相匹配。,1.数字信号载波调制的必要性与目的,(1)数字信号载波调制的必要性：,数字信号的载波调制是信道编码的一部份，数字电视信号不是基带传输方式而是在射频通带中传输。,(2)数字信号调制目的：,信道编码的目的是增加传输的牢靠性，主要从两方面提高：要求码流频谱特性适应通道频谱特性，使传输时信号能量损失最小，提高信噪比，减小发生过失的可能性，提高传输效率。,增加纠错力量，使得即便消失过失，也能得到订正。,2.数字信号的调制解调根本原理,数字调制是将数字基带信号搬移到载波上，使其变换成,适合信道传输的数字频带信号，从而实现频谱搬移，其逆过程为数字解调。,1幅度键控ASK调制解调根本原理,ASK调制：是用数字基带信号转变载波幅度的一种调制方式。调制根本原理如以下图示,BPF,f（t）,Acos,0,t,S,ASK,（t）,幅度键控ASK解调根本原理：ASK解调有非相干与相干解调两种方式，分别如以下图示。,BPF,包络检波,LPF,抽样判决,S,ASK,（t）,f（t）,ASK非相干检波原理,Cos（,0,t+,）,BPF,LPF,抽样判决,S,ASK,（t）,f（t）,ASK相干检波原理,2频移键控FSK调制解调根本原理,FSK调制：是用数字基带信号转变载波频率的一种调制方式。,FSK调制根本原理框图如以下图示:,振荡器f,1,倒相器,振荡器f,2,K,1,K,2,f（t）,S,FSK,（t）,Acos,1,t,Acos,2,t,FSK解调：分为相干与非相干解调两种方式，如以下图示。,f（t）,BPF,1,包络检波,LPF,1,抽样判决,BPF,2,LPF,2