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1、恩 德 ,现代通信系统 Modern Communications Systems,第2章 信源数字编码技术,第2章 信源数字编码技术,2.1 概述 2.2 模拟信号时域离散化与抽样定理 2.3 语音数字编码技术 2.4 数字音频编码标准 2.5 图像编码技术 2.6 图像压缩编码标准,2.1 概述,一个完整的数字通信系统可由图2.1所示的框图表示。在该系统中,有两个编码功能块:信源编码和信道编码。信源编码的基本目的是对信源的信号进行变换,将其变换成适合数字传输系统的形式,进而提高传输的有效性。,图2.1 数字通信系统,2.2 模拟信号时域离散化与抽样定理,信号时域离散化是用一个周期为T的脉冲
2、信号控制抽样电路对模拟信号实施抽样的过程,如图2.2所示。模拟信号f(t)通过一个由周期为T的抽样脉冲信号s(t)控制的抽样器得到抽样后的信号fs(t)。,图2.2 模拟信号时域离散化过程 (a)被抽样的模拟信号；(b)抽样信号；(c)抽样后的信号,2.3 语音数字编码技术,2.3.1 波形编码技术 1.脉冲编码 脉冲编码是在时域按照某种方法将离散的语音信号样值变换成一个一定位数的二进制码组的过程,由量化和编码两部分构成,如图2.3所示。,图2.3 脉冲编码过程,1)线性编码如上所述,线性编码是先对样值进行均匀量化,再对量化值进行简单的二进制编码,即可获得相应码组。所谓均匀量化,是以等间隔对任
3、意信号值来量化,亦即将信号样值幅度的动态（变化）范围（-UU）等分成N个量化级（间隔）,记作,即,(2.3.1),图2.4 均匀量化曲线,量化器输入与输出间的差值称为量化误差,记作获得量化值后,再用n位二进制码对其进行编码即可。码组长度n与量化级数N之间的关系为通过推导,线性编码在输入信号未过载时的量化信噪比为,(2.3.2),(2.3.3),(2.3.4),2) 非线性编码线性编码简单,实现容易,但是线性编码采用均匀量化,它在量化时对大、小信号采用相同的量化级量化。(1) 非均匀量化。 下面进一步讨论压扩特性。从压扩特性要求对大、小信号量化信噪比一致的条件出发,可以导出压扩特性应满足以下对数
4、方程:,(2.3.5),图2.5 非均匀量化原理示意图,对图2.6(a)中曲线作通过原点的切线,再考虑曲线的对称性,可以得到A压扩律方程为,(2.3.6),式中,(2.3.7),图2.6 理想对数压扩特性,令式(2.3.5)中常数k=ln,并将该式分子由lnx修改为ln(1+|x|),分母由ln修改为ln(1+),得压扩律方程为,(2.3.8),(2)律、A律的折线实现。为了实现容易,通常用折线去逼近实现压扩律特性,即要求:用折线逼近非均匀量化压扩特性曲线;各段折线的斜率应随x增大而减小;相邻两折线段斜率之比保持为常数;相邻的判定值或量化间隔成简单的整数比关系。,(2.3.9),为了使折线各端
5、点在律曲线上,要求满足:,采用二进制编码时,通常取m=2,若取N=16,则有,(2.3.10),图2.7画出了255/15折线正半轴的折线图,表2.1 给出了255/15折线各折线段的参数。,图2.7 255/15折线压扩律曲线,表2.1 255/15折线段端点坐标值和斜率,压扩律各相邻折线段横坐标长度间比值为m,而折线段端点间的关系不是m的倍数关系。为了实现更容易,A压扩律将折线段端点间也设计为m=2的倍数,即,式中,NA=16。容易证明,各折线段长度之比为,这样,A压扩律折线靠近原点的四条折线具有同一斜率,实为一条折线,因此,16折线实际合成为13折线。与求解律折线端点类似,可以求出A律各
6、折线段端点坐标为,(2.3.12),表2.2 A(87.6)律曲线和13折线段端点坐标和斜率,由于A律曲线是分段连续曲线,若要求所有折线端点仍在曲线上,则应有:在0x1/A/区域内,A=87.6;在1/Ax1区域内,A=94.2,即在两段曲线上,A应取不同的常数值。为了实现简单,通常牺牲一点大信号的精度,在两段曲线区域内均取同一常数A=87.6,所以常称之为A律87.6/13折线。其折线示意图形如图2.8所示,主要参数由表2.2给出。,图2.8 13折线A压扩律曲线,表2.3 各段段落长度和段内量化级,表2.4 段落与电平关系,表2.5 非线性与线性代码电平关系表,例1 设一语音样值为276,
7、用代码变换法将其编成PCM码。解 a）因样值极性为正,故极性码B0=1;b）将276转换成二进制,易得(276)10=(100010100)2即求得的该样值的12位线性码为100100010100。c）由表2.5知线性代码除第1段外,其幅度代码的首位均为“1”。为了求得样值所在的折线段D,先求得二进制幅度码有效位长W,再由,(2.3.13),(2.3.14),图2.9 逐次反馈编码器原理方框图,例2 仍考虑例1中给出的信号样值276,用逐次反馈比较法编出相应的PCM码组。 解 D1时刻,因为IC0,极性码A1=1。D2 时刻,本地解码器输出IS=128（第一次比较,固定出128）,即第4、5段
8、的分界电平,因ICIS,比较器输出“1”,即A2=1,说明信号处在第58段。D3时刻,因为A2=1,本地解码器输出IS=512,即第6、7段的分界电平,因ICIS,比较器输出“1”,即A4=1,说明信号处在第6段。D5时刻,本地解码器输出IS=256+128=384,即由段落起点电平和A5位电平构成,因ICIS,比较器输出“0”,即A5=0。 D6时刻,因为A5=0,A5位电平不保留,本地解码器输出IS=256+64=320,即由段落起点电平和A6位电平构成,因ICIS,比较器输出“0”,即A6=0。,D7时刻,因为A6=0,A6位电平不保留,本地解码器输出IS=256+32=288,即由段落
9、起点电平和A7位电平构成,因ICIS,比较器输出“1”,即A8=1。,2. 差值脉冲编码差值脉冲编码是对抽样信号当前样值的真值与估值的幅度差值进行量化编码调制。,图2.10 差值脉冲编码的原理框图,1)增量调制输入语音信号的当前样值与按前一时刻信号样值的编码经本地解码器得出的预测值之差,即对前一输入信号样值的增量（增加量或减少量）用一位二进码进行编码传输的方法称作增量调制,简称为DM或M。它是差值编码调制的一种特例,图2.11 简单DM原理与编码过程,DM的工作过程可结合图2.11(b)(d)说明。设输入信号波形如图2.11(b)所示,积分器初始状态为零,即 ,则有:,当t=0时,预测值,故,
10、编码为“1”; 当t=T时,预测值,当t=2T时,预测值,编码为“1”; 当t=3T时,预测值,编码为“1”; 当t=4T时,预测值,编码为“1”; 当t=5T时,预测值,编码为“1”; 当t=6T时,预测值,编码为“0”; 当t=7T时,预测值,编码为“0”; 当t=8T时,预测值,2) 差值脉冲编码调制DM调制用一位二进码表示信号样值差,若将该差值量化、编码成n位二进码,则这种方式称为差值脉冲编码调制（DPCM）。DM可看作DPCM的一个特例。基本的DPCM系统框图如图2.12所示。图中,Q 为多电平均匀量化器,预测器产生预测信号 。差值信号 e(t)为,(2.3.15),图2.12 DP
11、CM系统原理框图,3) 自适应差值脉冲编码调制上述改进的DPCM系统称作自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)系统。ADPCM系统的原理框图如图2.13所示。下面主要通过介绍自适应量化和自适应预测原理来讨论ADPCM系统的基本原理。 (1)自适应量化。(2)自适应预测。,图2.13 ADPCM系统原理框图(a)编码器；(b)解码器,ADPCM是语音波形压缩编码传输广泛采用的一种方式,一般来说,32kb/sADPCM可以做到与64kb/sPCM相媲美的质量。ITU-TG.721协议提出了与现有PCM数字电话网兼容的32kb/sADPCM的算法。其主要技术指标满足ITU-T对PCM64kb/s的语音
12、质量要求（G.712）,电路组成和原理如图2.14所示。,图2.14 G.721ADPCM编/解码器(a)编码器；(b)解码器,3子带编码将语音信号频带分割成若干个带宽较窄的子带,分别对这些子带信号进行独立编码的方式,称为子带编码（SBC-Sub-BandCoding）。1）SBC基本原理子带编码首先通过一组带通滤波器把输入信号频带分拆成若干个子带信号,每个子带信号经过调制后,被变换成低通信号,然后进行单独的编码（通常采用自适应PCM编码,以提高编码精度）,为了传输,需再将各路子带码流用合路器复接起来。在接收端,采用完全类似的逆过程得到恢复的语音信号,其原理方框图如图2.15所示。,图2.15
13、 子带编码原理框图,2）子带的划分语音信号通常分成46个子带,各子带的带宽应考虑到各频段对主观听觉贡献相等的原则做合理的分配,子带间允许有小的间隙,如图2.16所示。,图2.16 子带划分频域示意,表2.6 16kb/sSBC系统典型参数,4变换域编码变换域编码先将信号进行某种函数变换,把信号从一种描述空间变换到另一种可用较少元素表述的空间,再对变换后的信号进行编码传输,以达到降低编码传输码率的目的。1）变换域编码数学模型 将一帧语音信号s(n),0nN-1,描述为一个矢量:,(2.3.16),(2.3.17),(2.3.18),(2.3.19),例3 设 ,变换矩阵为,2）几种常用变换 (1
14、)离散傅氏变换（DFT）。 正变换:,(2.3.20),反变换:,(2.3.21),例4 由DFT定义,44DFT变换矩阵为,设信源信号的协方差矩阵为,于是,变换后信号的协方差矩阵为,(2) 沃尔什哈德曼变换（WHT）。WHT的变换矩阵为,式中, AWH(1)=1。WHT变换公式为,例5设 N=4,由于,若信源信号协方差矩阵仍如例4中给出的那样,那么变换后信号的协方差矩阵为,(3)离散余弦变换（DCT）。离散余弦变换（DCT-Discrete Cosin Transform）实际上是一种特殊的离散傅氏变换。对于长度为N点的离散序列x(n),n=0,1,N-1,其DCT定义为正变换:,(2.3.
15、24),(2.3.25),逆变换（IDCT）:,例64 阶DCT变换矩阵为,式中,c、d为实数,对例4给出的信号,变换后信号的 协方差矩阵仍为,3）自适应变换编码（ATC）实现原理实现自适应变换域编码的系统称为自适应变换编码（ATC-Adaptive Transform Coding）系统。 ATC系统的实现原理框图如图2.17所示。时域信号经变换后,将表征信号谱的边带信息提取出来,边带信息一方面用来估计信号谱,从而控制量化间隔和编码比特分配;另一方面被编码传送到收端用于重构收端信源信号。,图2.17 ATC系统原理框图,2.3.2 参数编码技术对人发音生理机理的研究表明,语音信号可用一些描述语音特征的参数表征。分析提取语音的这些参数,对它们量化编码传输,收端解码后用这些参数去激励一定的发声模型即可重构发端语音,这种通过对语音参数编码来传输语音的方式称为语音参数编码。 1.语音产生模型及特征参数1）语音信号模型经过几十年的理论和实验研究,现已建立起一个近似的语音信号模型,并被广泛地应用于语音信号处理中。,(1)浊音及基音。浊音,又称有声音。发浊音时声带在气流的作用下准周期地开启和闭合,从而在声道中激励起准周期的声波,如图2.18所示。,
