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1、第四章移动通信中的信源编码l通信的任务是传递信息，传输信息的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。l有效性是指在给定的信道内能传输的信息内容的多少l可靠性是指接收信息的准确程度l两者是相互矛盾且相互联系的，也是可以互换的。l有效性通常利用信源编码来实现l可靠性通常利用信道编码来实现l在移动通信系统中，从第二代数字式移动通信系统开始，就应用了信源编码技术，但主要是语音编码；l而第三代移动通信系统中除话音业务外，还有数据和图像业务，因此信源编码也有图像和视频编码的内容。第四章移动通信中的信源编码语音编码概述移动通信中的语音编码移动通信中的图像视频编码概述移动通信中的图像视频编码基本原理语音编码
2、原理语音编码概述第四章移动通信中的信源编码语音编码主要是利用语音的统计特性，解除语音的统计关联，压缩码率，提高通信系统的有效性。移动通信的具体要求：l编码速率要适合在移动信道内传输，应低于16kbit/sl编解码总时延不能超过65msl算法复杂程度要适中，易于大规模电路集成且功耗要低l话音质量要高，复原话音后保真度要高1.语音信号的特性语音信号是人通话中产生的信号，具有与其他信号不同的特征，这些特征对于设计语音编码有一定的参考作用，最常用的有：l语音信号幅度非均匀概率分布；l连续语音抽样信号之间的非零自相关性；l语音频谱的非平坦特性；l语音中清音和浊音成分存在；l语音信号的类同期性；l语音信号
3、是带限信号。语音编码概述第四章移动通信中的信源编码语音编码概述1.1概率密度函数（PDF）一般地，语音信号的概率密度函数在低幅度处呈现高值，在高幅度处呈现低值，在两个极值处呈单调递减。对于短时语音的概率密度函数通常近似地认为是高斯分布的单峰函数；而长时间的概率密度函数近似表达式为双边指数函数。第四章移动通信中的信源编码第四章移动通信中的信源编码其中为语音信号幅度，x为幅度的标准偏差。=0时PDF有一个明显的峰值，这是由于语音信号经常性的出现暂停及大量低频语音成分的原因。为了保证输入信号的PDF与量化电平分布相匹配，采用非均匀量化（包括矢量量化）方法，在高概率分布的地方，安排更多的量化电平，而在
4、低概率的地方，安排较少的电平。语音编码概述1.2自相关函数（ACF）相邻的语音信号采样值之间有很大的相关性，即每一个抽样值在很大程度上可以从以前的抽样值中预测，且仅有很小的随机误差，差分编码及预测编码都是从该特性为基础的。信号采样值之间的自相关函数是衡量相关性的表达形式。第四章移动通信中的信源编码语音编码概述1.3功率谱密度（PSD）语音信号的功率谱密度具有非平坦特性，是非零自相关函数在频域中的典型表现。典型语音信号长期平均后，高频部分对整个语音能量作用很小，尽管也携带了语音信息，但是可以在编码时针对高、低频分别编码，从而能够明显地压缩信号，得到最大的编码增益。第四章移动通信中的信源编码第四章
5、移动通信中的信源编码功率谱密度的非均匀特性用频谱平坦测试（SFM）参数来描述，SFM定义为PSD在频域轴上均匀间隔抽样点的算术平均值与几何平均值的比值，数学表达式为：2.语音评价在语音编码技术中，对语音质量的评价是一个很重要的问题。同样，对语音编码质量的评价方法也是该领域的一个重要研究方向。语音编码概述第四章移动通信中的信源编码l客观评价方法是用客观测量的手段来评价语音编码的质量，常用方法有信噪比，加权信噪比等，都是建立在度量均匀误差的基础上，其特点是计算简单，但不能完全反应人对语音质量的感觉。此评价方法适用于速率高于16Kbit/s的编码方案。语音编码概述第四章移动通信中的信源编码l主观评价
6、方法更加注重人类听话时对语音质量的感觉，是实际应用的具体表现，在语音评价领域应用广泛。质量等级分数收听注意力等级 优5可完全放松，不需要注意力 良 4需要注意，但不需要明显集中注意力 中3中等程度的注意力 差2需要集中注意力 劣1即使努力去听，也很难听懂3.语音编码分类语音编码分类方法不同，也就有不同的编码方式。语音编码概述第四章移动通信中的信源编码按照编码速率来分，有l低速率编码器：低于4.8kbit/sl中速率编码器：4.8kbit/s32kbit/sl高速率编码器：高于32kbit/s 如果按照编码对象来分，有波形编码和参量编码，以及混合编码方式。语音编码概述3.1波形编码l波形编码是基
7、本的语音编码方式，是最早提出并实现的编码技术。l对波形进行编码，使波形保持不失真；l在设计时波形与具体的信源相分离；l可针对各种各样的信号实现编码。l波形编码包括时域与频域两大类，最常用的时域编码是PCM编码。第四章移动通信中的信源编码语音编码概述3.2参量编码此类编码方案实现了低速率，提高了系统容量，但牺牲了语音质量，其自然度较低，有时不能分辨讲话人是谁。第四章移动通信中的信源编码参量编码分为线性预测编码和声码器两类l线性预测编码是最流行的语音编码技术声码器对语音波形进行频谱分析，取出表示声道谐振特性的频谱包络信息；有语音时将信源模拟成相当于声带振动的周期性脉冲序列；无语音时把信源模拟成随机
8、噪声，并以较少的信息来传输。l声码器分为谱带式、共振峰式、到频谱式和语音激励式。语音编码概述3.3混合编码混合编码是吸取波形编码和参量编码的优点，以参量编码为基础并附加一定的波形编码特征，以实现在可懂度基础上适当改善自然度目的的编码方法，其码率介于上述两类编码之间。第四章移动通信中的信源编码l波形编码质量最高，可适用于共用骨干（固定）通信网；l参量编码质量最差，不能用于骨干通信网，而仅适用于特殊通信系统，如军事与保密通信系统；l混合编码质量介于两者之间，主要用于移动通信网。移动通信系统中的语音编码均为混合编码方式。1.波形编码语音信号是模拟信号，在时间和幅度上都是连续的，其频带范围对人而言是3
9、003400HZ（一般为03400HZ）。波形编码是直接将时间域上的模拟信号变换为数字信号。语音编码的基本原理第四章移动通信中的信源编码 抽样 量化语音波形编码原理图第四章移动通信中的信源编码 抽样 量化语音波形编码原理图波形编码包括两个基本过程：l抽样：是对连续时间进行离散化，将连续的模拟信号转变为离散的信号序列的过程。l量化：是对连续幅度离散化。语音编码基本原理1.1抽样第四章移动通信中的信源编码称为抽样周期，n=0，1，2，每隔一定时间记录相应时刻的信号值，即抽样值将一连续的模拟信号称为抽样频率，表示每秒钟抽取多少个样值。第四章移动通信中的信源编码为音频信号，频率范围为（03.4KHZ）
10、为周期性冲激函数抽样后信号由频域卷积定理可知其中所以第四章移动通信中的信源编码则频谱间出现混叠现象，不能无失真地重建原始信号。抽样过程（a）（b）抽样前后频谱周期性频谱无混叠现象利用理想低通滤波器可无失真地恢复原始信号。第四章移动通信中的信源编码在抽样定理中可恢复原始信号所必须得抽样间隔为奈奎斯特间隔，相应的抽样频率为奈奎斯特抽样频率。（c）混叠现象抽样频率应不低于6.8KHZ对于语音信号语音编码基本原理1.2量化第四章移动通信中的信源编码l语音信号抽样后变为离散的信号序列，但还未完成数字化。l信号的数字化由量化过程（量化器）来完成，即将一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度的有限数集合
11、。l相邻的两量化值之差称为量化阶距，用表示，值的大小可自行按需要规定。第四章移动通信中的信源编码衡量量化器性能的指标为量化误差q，定义为： Q（x）量化器X量化值y输入对于语音、图像等随机信号，q是一个随机变量，称为量化噪声，用均方误差来度量。设x的概率分布函数则量化噪声语音编码基本原理1.3PCM第四章移动通信中的信源编码语音信号经抽样量化后得到有限的量值，再用二进制数编码就可以得到数字信号。通常用7位二进制数表示，即量值共有128个，加上1bit信令，每个样值共有8位，如果采样频率取8KHz的话，就可以得到速率为64kbps的数字信号。这种直接将样值编码为信号的方法称为脉冲编码调制（PCM
12、，PulseCodedModulation），是最早提出的语音信号编码方法，至今被广泛采用，在有线通信网中是主要的数字传输方式。语音编码基本原理1.4增量调制第四章移动通信中的信源编码增量调制与脉冲编码调制直接用量化了的样值编码不同，而是用前后相邻的两个样值之差来编码。相邻两样值之间的差值称为增量，编码规则如下：l波形斜率为正（上升）之处，编码为“1”；l波形斜率为负（下降）之处，编码为“0”；增量调制编码也是一种波形编码。“1”与“0”反映了波形的变化斜率。第四章移动通信中的信源编码（a）抽）抽样样周期大周期大1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0（b）抽）抽样样周期小周期小第四
13、章移动通信中的信源编码对于增量调制而言，其量化阶距也是必须要考虑的。从原理上来讲，越小量化噪声越小。但是，如果信号波形的斜率很大，则量阶小将导致“斜率过荷”现象的发生，使编码误差变大。增量调制中的“斜率过荷”现象2.参量编码参量编码的基础是语音信号特征参数的提取和语音信号的恢复。编码和传输的对象是参数，而非时间波形，因此可以大大降低数据速率（通常为2.4kbps）。语音编码基本原理第四章移动通信中的信源编码为提取语音信号的特征参数，需要了解其产生机理，在此基础上建立物理模型，即可获得参数提取方法。语音编码基本原理2.1语音信号的产生模型第四章移动通信中的信源编码发声时气流均要通过人的声管（喉管
14、、口腔等），声管形状的变化造成不同的气流冲击而形成声音，包括清音和浊音。l发清音时声带不振动，无基音，类似白噪声；l发浊音时声带振动，包含基音信号。语音编码基本原理2.2特征参量的提取第四章移动通信中的信源编码参量编码主要是对参量进行编码，因此在参量编码中特征参量的提取是十分重要的问题。特征参量提取主要是利用了参量的短时不变性，将实际信号分成短的时间段，在各时间段内分别进行参量提取。常用的特征参量数提取技术有加窗技术和基音周期估计技术。第四章移动通信中的信源编码2.2.1加窗技术充分利用语音信号的短时平稳性，将语音分为20ms的帧，若采样率为8KHz，则有160个采样点。s(n)可以是矩形窗函
15、数或汉明窗函数第四章移动通信中的信源编码2.2.2基音周期估计基音周期是语音信号的重要参数，指浊音声带振动的基频的倒数，主要有两种分析方法：短时自相关函数法、短时平均幅度差函数法。第四章移动通信中的信源编码在基音周期的各个整数倍点上有很大的自相关函数值，其中第一个最大的峰值位置便是可用于估计的基因周期。其自相关函数表示为并并进进一步求解谷一步求解谷值值点，以估点，以估计计基音周期，称基音周期，称为为平均幅度差函数法。平均幅度差函数法。对加窗语音信号的非零值求解如下数值此方法求解的谷值点尖锐度比自相关函数高，但对语音信号幅度的快速变化比较敏感设加窗语音信号非零区间为语音编码基本原理2.3线性预测
16、编码（LPC）第四章移动通信中的信源编码线性预测编码的理论基础是，一个语音信号的抽样能够由前面的若干样值的线性组合来逼近，在进行线性组合时要使逼近的误差最小。线性预测编码非常简单，但它也只是一种非常粗糙的近似，可保持一定得可懂度，但讲话人的特征即自然度则丢失，无法获得高的语言质量。第四章移动通信中的信源编码为了解决此问题，在传送参量编码的同时，对求解参量过程中的预测误差（残差）也进行编码并一起发送，则可获得语音质量的提高（其编码速率也有所增大）。称为残差激励线性预测编码器（ResidualExcitedLinearPredictionsCoder，RELP）。3.混合编码混合编码综合考虑波形编
17、码的高质量和参量编码的低速率，以参量编码（特别是线性预测编码）为基础，适当吸收波形编码中部分反映个性特征的因素，以改善语音的自然度为重点。语音编码的基本原理第四章移动通信中的信源编码目前移动通信系统中的语音编码均以混合编码方式为主。尽管有不同的混合编码方式，但均有一个相同的处理过程：利用线性预测分析去掉语音的短时相关性，求解最佳激励信号，将预测参数和激励信号进行编码传送。1.GSM系统中的RPE-LTP编码移动通信系统中的语音编码第四章移动通信中的信源编码GSM系统作为泛欧移动通信系统，在我国的应用也十分广泛，其对语音编码的要求包括：l总速率不超过16kbps；l便于和公共电话交换网（数字）接
18、口；l能传输非语音信号，如拨号音、忙音、回铃音；l延迟不超过65ms，避免反射回声的干扰。移动通信系统中的语音编码1.1预处理第四章移动通信中的信源编码对语音信号的直流分量加以去除，并进行高频分量的预加重；1.2线性预测分析即每20ms计算一次表示声道模型的系数。按8KHz抽样可得到160个语音信号的抽样点S(n)。设线性预测滤波器的阶数M=8，利用残差最小准则可求得8个表示声道模型的系数（实际工程中采用了一次转换，用对数面积表示，可进一步减小量化误差的影响）。根据各阶系数的重要性编码位数分别为1、2阶各用6比特。系数求解的方法是Schhur迭代法，速度快，可在微处理器中实现。第四章移动通信中
19、的信源编码编码过程编码过程短短时时分分析析线线性性预预测测分分析析预预处处理理长长时时预预测测规规则则脉脉冲冲编编码码在GSM系统中对RELP改进，提出用间隔相等、相位和幅度都优化的规则脉冲代替残差信号，作为激励源，使编码波形更加接近于原始信号。移动通信系统中的语音编码第四章移动通信中的信源编码1.3短时分析将线性预测分析得出的系数用于计算预测值，并求出其残差d（并非激励e），每20ms求解一次d，故称短时分析。为了和前一帧20ms数据衔接，在本帧的第一子帧中计算预测值所用的系数是过渡值，即第二子帧后仅使用本帧的预测系数。最后得出移动通信系统中的语音编码第四章移动通信中的信源编码1.4长时分析
20、长时预测每子帧（5ms）计算一次。首先求当前子帧的残差信号d与前一子帧残差信号d的相关函数，即则最佳时延为N，长时预测系数由下式给出，移动通信系统中的语音编码第四章移动通信中的信源编码1.5规则脉冲编码上述14步已经将所用到的参数都进行了编码，对于残差信号的处理，是通过重新抽样来降低编码速率的。每20ms采样的160个样值点分为4个子帧，各有40个点。对此进行3：1重抽样，则有四种抽样方案，从其中选择一种，并用2bit编码，共4*2=8bit编码。第四章移动通信中的信源编码RPE-LTP编码基本原理2.IS-95系统中的语音编码移动通信系统中的语音编码第四章移动通信中的信源编码RPE-LTP编
21、码是对抽样点进行二次抽样，利用等间隔的二次抽样值表示残差信号。为进一步降低编码速率，M.R.Schnroeder和B.S.Atal提出了一种用码来作为激励源的编码方法CELP（CodebookExcitedLinearPredictions），即码本激励线性预测编码。该方法基于线性预测编码，将残差信号用事先存贮的码本代替，码本即为残差信号各种可能的样值组合，每一码本用一地址标示，在信道中传输码本的地址编码，而非码本本身。第四章移动通信中的信源编码例如，20ms一帧的数据分成4个子帧，每一子帧5ms，8KHZ抽样可获得40个抽样点，经线性预测分析后可得到残差信号，点数仍为40。选择码本就是对这4
22、0个样点的各种可能组合进行列举，并选其中可能性较大的组合存储起来，并设置一地址。如果每一样点编码3bit，则40个样点的可能组合值共有实现应用中选择1024种组合来代表，则每一样值组合的地址用10bit编码即可，码本所占的整个空间为120Kbit。第四章移动通信中的信源编码0 1 2 39备注备注012.1023000 000 000 000 000 000 000 001.000 111每每一一样样点点占占用用36bit，40个个样样本本点点组组合合的地址编码的地址编码10bit码码本本设设置置举举例例移动通信系统中的图像视频编码概述第四章移动通信中的信源编码在移动通信系统的发展过程中，业务
23、的增多和服务质量的提高一直是人们所追求的目标。第一代和第二代移动通信中主要是语音业务，有少量的数据业务；而2.5代开始逐步增加数据业务，连接互联网，有少量的图像业务；从第3代移动通信起则大规模推广多媒体业务，包含语音、静态图像、动态图像及视频等内容。图像可分为三类：静止、准静止和活动图像（即视频图像），各有不同的用途和编码方案。移动通信系统中的图像视频编码概述第四章移动通信中的信源编码对于图像信息的压缩编码，主要从以下几个方面进行，其核心是压缩冗余度。l空间冗余度的压缩l时间冗余度的压缩l统计冗余度压缩l视觉冗余度压缩移动通信系统中的图像视频编码原理第四章移动通信中的信源编码图像编码是指在满足一定质量(信噪比的要求或主观评价得分)的条件下，以较少比特数表示图像或图像中所包含信息的技术。广泛应用于图像数据压缩、图像传输和特征提取等方面。其基本原理为：减少图像中冗余信息，以缩短传输无用信息时间，利用图像固有统计特性进行编码；利用人们视觉心理特性进行编码。常用方法有预测编码、变换编码和混合编码等第三章移动通信组网技术思考题思考题1.语音编码的基本原理是什么?有哪些编码种类?2.基音周期估计是如何实现的?
