通信原理信源编码技术

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1、 数数 字字 通通 信信 原原 理理 Principles of Digital Communication中南大学信息科学与工程学院Central South UniversityCollege of Information Science and EngineeringDate第一讲第一讲 绪论 第二讲第二讲 信息论基础和信号分析 第三讲第三讲 模拟调制技术 第四讲第四讲 信源编码技术 第五讲第五讲 数字基带传输 第六讲第六讲 数字调制技术 第七讲第七讲 差错控制编码目目 录录Date第四讲第四讲 信源编码技术信源编码技术4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 抽样定理抽样定理 4.3

2、4.3 脉冲振幅调制（脉冲振幅调制（PAMPAM） 4.4 4.4 模拟信号的量化模拟信号的量化 4.5 4.5 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM） 4.6 DPCM4.6 DPCM和和DMDM 4.7 PCM4.7 PCM通信系统及多路复用技术通信系统及多路复用技术Date4.1 4.1 概述概述一、信源编码的主要目的1 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/DA/D转换转换；2 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压缩 编码编码； 二、编码方式1 1、离散无记忆信源编码、离散无记忆信源编码DM

3、SDMS包括有Huffman编码和等长编码2 2、脉冲编码调制和增量编码调制、脉冲编码调制和增量编码调制PCM/DMPCM/DM3 3、线性预测编码线性预测编码LPCLPC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。Date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，则：即：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、三、DMSDMS编码编码Date1 1、等长编码、等长编码又称为均匀编码均匀编码，即不管符号出现的 概率如何，每个符号都

4、用N位二进制代 码表示。则码长码长为：编码效率编码效率为 ：即：即：每位二进制码所代表的信源的信息量 。 Date特点：特点：v当L为2的整数次幂且等概出现时，编码效率为100%；v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；vL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，则：即：也就是说，每个符号所增加的也就是说，每个符号所增加的1 1比特下降比特下降 到到1/J1/J比特，编码效率增加。比特，编码效率增加。Date例例1 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

5、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；Date2 2、不等长编码、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概率匹配编码。（1）哈夫曼编码哈夫曼编码：单义可译码，平均长度 最短的码种；ni：相应出现概率为p(xi)的符号的编码长度 。 平均码长平均码长为：Date哈夫曼编码步骤哈夫曼编码步骤：v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）；v将两个概率最小的信源符号合并成一个信

6、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；v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：平均编码效率：Date例例2 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 0.25，0.2，0.12，0.10，0.08，0.05 ，0.05，求： （1）Huffman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；Date注意注意：vHuffman编码构造的码字不唯一；vHuffman编码是变长编码，硬件实现 比较困难；v采用Huffman编码，要传

7、送编码表， 占用传送时间；vHuffman编码是变长编码，出错时难 以识别；Date（2）香农无干扰编码定理香农无干扰编码定理即香农第一编码定理香农第一编码定理，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。 Date4.2 4.2 抽样定理抽样定理一、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

8、上离散的样值称为样值序列样值序列或样值信号样值信号 ，或叫脉幅调制信号脉幅调制信号（PAM信号）。 Date二、低通信号的抽样定理NyquistNyquist抽样定理（均匀采样定理）抽样定理（均匀采样定理）一个带限于（0，fm）Hz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，则f(t)将由得到的抽样值 f(kTt)完全确定。NyquistNyquist抽样速率抽样速率 ：NyquistNyquist最大时间间隔最大时间间隔 ：DateDate三个前提条件前提条件v信号是严格带限的，频率是在一定的fm以下；v取样是用理想的冲激序列；v采用理想的低通滤波器来恢复原信号，

9、以减少 误差；否则，将产生三种噪声三种噪声vv折叠噪声折叠噪声，由折叠误差所产生的噪声；vv孔径效应孔径效应，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；vv内插噪声内插噪声，由非理想低通滤波器所产生的误差 ；Date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fsmm=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 fs=8000Hz，这样，就留出8000-6800= 1200Hz作为滤波器的防卫带。Date例例3 3：已知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

10、隔应为多少？Date三、带通信号的抽样1 1、带通信号、带通信号频带限制于（fL ，fm）Hz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，则将造成频谱空隙的浪费， 致使信道利用率不高。Date2 2、带通信号的取样定理、带通信号的取样定理（1 1）如果模拟信号频带限制于（fL ，fm）Hz 之间，且当fLfm-fL=W时，则所必须的最低 取样速率为：（2 2）一般情况下，取样速率应满足 ：这样不会发生频谱重叠。Date（3 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，则：分析：带通信号的频谱图Date设B=fm-fL,则B BPCM； （3）最

11、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；Date4.7 PCM4.7 PCM通信系统和多路复用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

12、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。DateDate二、PCM一次群帧结构1、帧帧：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、基群基群：PCM一次群。一般PCM一次群帧结构 由G.732等建议所规定。一帧长度为一帧长度为125us125us，采用频率为采用频率为8000Hz8000Hz ，分为分为3232个时隙。个时隙。Dat

13、ePCM一次群帧结构 4、信令信令：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；v按信令信道位置分：l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；l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；v按信令信道的利用方式分：l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；l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；Date5 5、高次群、高次群v基群的传码率：v四个基群构成一个二次群，传码率为8448Kbps；v四个二次群构成一个三次群，

14、传码率为34368Kbps；v四个三次群构成一个四次群，传码率为139264Kbps；v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。Date三、多路复用技术(1)多路复用多路复用：若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分接； (3)频分复用（频分复用（F

15、DMFDM）：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（时分复用（TDMTDM）：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（统计时分复用（STDMSTDM）：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（空分复用（SDMSDM）：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（波分复用（WDMWDM）：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；Date1 1、频分复用、

16、频分复用Date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电话系统考虑到大容量载波电话在传输中合群、分群的 方便，现已形成了一套标准的等级Date下图给出了一个时分复用系统的示意图。2 2、时分复用、时分复用Datel时分复用是将低速数据流合并成高速数据 流的常用方法；l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l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Date3 3、统计时分复用、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