《到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化课件（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第5章章 信源信源编码2024/8/181到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化信源编码信源编码n5.1 离散信源编码离散信源编码n5.2 连续信源编码连续信源编码n5.3 相关信源编码相关信源编码n5.4 变换编码变换编码2024/8/182到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n连续信源连续信源x(t)输出的消息在时间和取值上都是连续，输出的消息在时间和取值上都是连续，因此其编码方法与离散信源的编码有所不同。因此其编码方法与离散信源的编码有所不同。n需经过三步变成离散信源之后再进行编码：需经过三步变成离散信源之后再进行编码：n抽样：依据采样定理，先将抽样：依据采样定理，先将x(t)变
2、成时间上离散的变成时间上离散的幅度幅度x(iTs)。n量化：量化：用有限个量化值用有限个量化值x xq q来代替信号的无穷多连续取来代替信号的无穷多连续取值的实际幅度。值的实际幅度。n编码：将量化值用二进制或多进制的码编码：将量化值用二进制或多进制的码C表示出来。表示出来。n因此：连续信源的编码属于限失真信源编码。其编因此：连续信源的编码属于限失真信源编码。其编码速率受限于码速率受限于R(D)。2024/8/183到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n连续信源的量化编码：连续信源的量化编码：n均匀量化编码：整个量化范围内的量化间隔均匀量化编码：整个量化范围内的量化间隔是相同的。是相同的。
3、n非均匀量化编码：量化间隔的大小随信号的非均匀量化编码：量化间隔的大小随信号的大小而改变。大小而改变。n欧洲和中国采用的是欧洲和中国采用的是A律律13折线编码（折线编码（7中种中种不同的量化间隔），典型的有不同的量化间隔），典型的有PCM(Pulse Coding Modulation，脉冲编码调制，脉冲编码调制)2024/8/184到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化PCMnPCM编码，分为编码，分为3步：步： n采样。采样。在某瞬间测量模拟信号的值。采样速率在某瞬间测量模拟信号的值。采样速率8kHz/s。 n量化。量化。用用256个不同的具体量化电平来表示对应个不同的具体量化电平来表示
4、对应的模拟信号瞬间抽样值。的模拟信号瞬间抽样值。 n编码。编码。每个量化值用每个量化值用8个比特的二进制代码表示，个比特的二进制代码表示，组成一串具有离散特性的数字信号流。组成一串具有离散特性的数字信号流。 2024/8/185到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特速率为速率为64kbits 。n固定电话采用的就是这种数字化的方法，因此固定电话采用的就是这种数字化的方法，因此每个话音信道的速率是每个话音信道的速率是64kbits。2024/8/186到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化2024/8/187到
5、54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n13折线折线A律的每个段落再均匀地分为律的每个段落再均匀地分为16份，每一份作为一份，每一份作为一个量化间隔。个量化间隔。n这样，这样，01的范围内一共划分出的范围内一共划分出8*16=128个不均匀的量个不均匀的量化间隔。化间隔。2024/8/188到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n图中横坐标图中横坐标x在在0至至1区间中分为不均匀的区间中分为不均匀的8段。段。n1/2至至1间的线段称为第间的线段称为第8段；段；n1/4至至1/2间的线段称为第间的线段称为第7段；段；n1/8至至1/4间的线段称为第间的线段称为第6段；段； 依此类推，直到依此类
6、推，直到n0至至1/128间的线段称为第间的线段称为第1段。段。n图中纵坐标图中纵坐标y 则均匀地划分作则均匀地划分作8段。段。第几段第几段12345678段落起始电平段落起始电平01/1281/641/321/161/81/41/2各段大小各段大小1/1281/1281/641/321/161/81/41/22024/8/189到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n将与这将与这8段相应的座标点段相应的座标点(x, y)相连，就得到了相连，就得到了一条折线。一条折线。n由图可见，除第由图可见，除第1和和2段外，其他各段折线的斜率段外，其他各段折线的斜率都不相同。在下表中列出了这些斜率：都不
7、相同。在下表中列出了这些斜率：n因为语音信号为交流信号，所以，上述的压缩特因为语音信号为交流信号，所以，上述的压缩特性只是实用的压缩特性曲线的一半。在第性只是实用的压缩特性曲线的一半。在第3象限象限还有对原点奇对称的另一半曲线还有对原点奇对称的另一半曲线折线段号折线段号12345678斜斜 率率161684211/21/42024/8/1810到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化2024/8/1811到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n13折线折线A律的每个段落再均匀地划分为律的每个段落再均匀地划分为16份，份，每一份作为一个量化间隔。每一份作为一个量化间隔。n则则01范围内共划出范
8、围内共划出8*16=128个不均匀的个不均匀的量化间隔。量化间隔。n最小的量化间隔是第一段：最小的量化间隔是第一段：n最大的量化间隔是第最大的量化间隔是第8段：段：2024/8/1812到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n对对13折线折线A律非均匀量化结果进行定长折叠二进制律非均匀量化结果进行定长折叠二进制编码。编码。n（1）根据信号的正负，确定极性，编码为）根据信号的正负，确定极性，编码为c7n（2）根据信号所在的段落，确定段落码，由于一）根据信号所在的段落，确定段落码，由于一共共8个段落，因此段落码需个段落，因此段落码需3位二进制码表示位二进制码表示n（3）根据信号所在的段落内的第几
9、个份，确定段）根据信号所在的段落内的第几个份，确定段内码，已知每一段分为内码，已知每一段分为16份，因此段内码需份，因此段内码需4位二位二进制码表示。进制码表示。n综合：综合： 13折线折线A律非线性量化编码共需律非线性量化编码共需8位码。位码。2024/8/1813到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化段落码编码规则段落码编码规则段落段落序号序号段落码段落码c2 c3 c4段落起始值段落起始值（量化单位）（量化单位）各段各段大小大小各段各段大小大小段内码段内码100001/12816842120011/128=16 1/12816842130101/64=321/6432168424011
10、1/32=641/326432168451001/16=1281/16128643216461011/8=2561/82561286432167110=51251225612864328111=10241024512256128642024/8/1814到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n例：已知某采样时刻的归一化信号值为例：已知某采样时刻的归一化信号值为x=-286，求，求其其13折线折线A律非均匀量化编码。律非均匀量化编码。n解解（1）确定极性码：）确定极性码：x0，所以，所以c7=0n(2)确定段落码：确定段落码：256286512 位于第位于第6段，编码为段，编码为5，即，即10
11、1（3）确定段内码：）确定段内码：286-256=30 163032 位于段内位于段内16份的第份的第2份，但相比于份，但相比于16 30更接近于更接近于32,所以根据中平量化中的就近所以根据中平量化中的就近 原则，按第原则，按第3份进行编码，即份进行编码，即2，对应的二进制段，对应的二进制段 内码为内码为00102024/8/1815到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n量化误差为量化误差为e=32- 30 =2 也叫量化噪声也叫量化噪声相应的相应的PCM编码为：编码为：2024/8/1816到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化信源编码信源编码n5.1 离散信源编码离散信源编码n5.
12、2 连续信源编码连续信源编码n5.3 相关信源编码相关信源编码n5.4 变换编码变换编码2024/8/1817到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化5.3 5.3 相关信源编码相关信源编码n相关信源（连续有记忆信源）：相关信源（连续有记忆信源）：采样后的信号序列采样后的信号序列时间上有相关性，如果仍然对各个采样时刻的信号值时间上有相关性，如果仍然对各个采样时刻的信号值逐个进行量化，则会造成码长的冗余。逐个进行量化，则会造成码长的冗余。n连续有记忆信源编码的分类：连续有记忆信源编码的分类：n（1 1）预测编码：）预测编码：利用信号序列时间上的相关性，利用信号序列时间上的相关性，通过预测来减少信
13、息冗余后再进行编码。通过预测来减少信息冗余后再进行编码。n（2 2）变换编码：）变换编码：引入某种变换，将信号序列变引入某种变换，将信号序列变换为另一时域上彼此独立或相关性很低的序列，在换为另一时域上彼此独立或相关性很低的序列，在对新的序列进行编码。对新的序列进行编码。2024/8/1818到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化预测编码n基本思想基本思想2024/8/1819到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化预测编码n基本思想基本思想n只要预测足够准确，只要预测足够准确，dn就足够小，只对就足够小，只对dn进行量进行量化、编码，相比于对化、编码，相比于对xn进行量化编码，会减少信进行量
14、化编码，会减少信息冗余度，提高编码效率。息冗余度，提高编码效率。n例：线性预测编码例：线性预测编码LPC(Linear Predictive Coding)：2024/8/1820到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化线性预测编码n基本思想基本思想2024/8/1821到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化话音编码话音编码( (信源编码信源编码) ) RPE-LTP编码编码(Regular-Pulse Excitation Long Time Prediction-code 规则脉冲激励长期预测编码规则脉冲激励长期预测编码)：是波形编码及声是波形编码及声码器码器( (参量编码参量编码) )
15、相结合的混合编码方法，以较低的码相结合的混合编码方法，以较低的码速率获得较高的话音质量。速率获得较高的话音质量。 示例：GSM的话音编码2024/8/1822到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n考虑实际可使用的带宽，考虑实际可使用的带宽，GSM规范中规定载频规范中规定载频间隔是间隔是200kHz。n而采用而采用PCM编码时，编码时，G网每个载频传输网每个载频传输8个时隙个时隙的用户数据的速率需的用户数据的速率需512kbps;n要把它们在规定的要把它们在规定的200kHz的频带内传输，必须的频带内传输，必须大大地降低每个话音编码的比特率，这就要靠改大大地降低每个话音编码的比特率，这就要靠
16、改变话音编码的方式来实现。变话音编码的方式来实现。 GSM的话音编码2024/8/1823到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n声码器编码（也叫参量编码）：可以是很低的速声码器编码（也叫参量编码）：可以是很低的速率（可以低于率（可以低于5kbits，虽然不影响话音的可，虽然不影响话音的可懂性，但话音的失真性很大，很难分辨是谁在讲懂性，但话音的失真性很大，很难分辨是谁在讲话。话。n波形编码器话音质量较高，但要求的比特速率相波形编码器话音质量较高，但要求的比特速率相应的较高。应的较高。GSM的话音编码2024/8/1824到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化GSM系统在中国89091593
17、5960上行或反向上行或反向下行或前向下行或前向1、中国移动中国移动GSMGSM占用的频段：占用的频段： 890-908 890-908 （上行）（上行） 935-953 935-953 （下行）（下行）2 2、中国联通、中国联通GSMGSM占用的频段：占用的频段： 909-915 909-915 （上行）（上行） 954-960 954-960 （下行）（下行）2024/8/1825到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化 GSM系统在中国双工距离双工距离 : 95 MHz1710178518051880u1 1、中国、中国DCS1800DCS1800: : （1 1）中国移动：）中国移动：
18、 1710 1710 17201720（上行）（上行） 18051805 18151815（下行）（下行） （2 2）原中国联通：）原中国联通： 1745 1745 17551755（上行）（上行） 18401840 18501850（下行）（下行）2024/8/1826到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化GSM的频道每个频道宽度为每个频道宽度为200KHzKHz，供，供8 8对用户用来时分通信对用户用来时分通信分到每个用户的头上，单个用户所占的带宽：分到每个用户的头上，单个用户所占的带宽：200k/8=25kHz200k/8=25kHzn假设：假设：n用户用户1和朋友的通话和朋友的通话占
19、用频道占用频道5的绿色时的绿色时隙隙nn用户用户8和朋友的通话和朋友的通话占用频道占用频道5的橙色时的橙色时隙隙每个频道按时间划分为周期性的帧（帧长每个频道按时间划分为周期性的帧（帧长4.615ms）,每帧每帧8个时隙，每个时隙供一个用户使用个时隙，每个时隙供一个用户使用2024/8/1827到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n因此因此GSM系统话音编码器：是采用声码器和波形系统话音编码器：是采用声码器和波形编码器的混合物编码器的混合物- 混合编码器。混合编码器。n全称为线性预测编码全称为线性预测编码RPE-LTP（Regular-Pulse Excitation Long Time P
20、rediction-code，规则脉冲激励长期预测编码，规则脉冲激励长期预测编码），），n以较低的码速率（以较低的码速率（13kbps）获得较高的话音）获得较高的话音质量。质量。 2024/8/1828到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化3G网络中的信源编码网络中的信源编码可变速率声码器：可变速率声码器：根据人说话声音的大小和快慢根据人说话声音的大小和快慢改变编码速率，从而进一步降低编码速率。改变编码速率，从而进一步降低编码速率。3G 3G 支持如下的信源编码：支持如下的信源编码：nQCELPQCELP（码激励线性预测编码算法（码激励线性预测编码算法 Code Code Excitatio
21、n Linear PredictionExcitation Linear Prediction） : :其基本速率其基本速率是是8kb/s8kb/s，但是可随输入话音消息的特征而动态地，但是可随输入话音消息的特征而动态地分为四种，即分为四种，即 8, 4, 2, 1 kb/s8, 4, 2, 1 kb/s。（。（与与PCMPCM比效比效高高4 4至至8 8倍倍） nEVRCEVRC(Enhanced(Enhanced Variable Rate Coder) Variable Rate Coder)增强可变增强可变速率编解码器），它保持速率编解码器），它保持8kbps8kbps的最大数据率，但
22、的最大数据率，但得到的音质只稍低于得到的音质只稍低于13kbps13kbps声码器。声码器。2024/8/1829到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化话音激活话音激活(DTX(DTX，Discontinuous Transmission ) ) 在一个通信过程中，其实移动用户仅有很少的时在一个通信过程中，其实移动用户仅有很少的时间用于通话，大部分时间都没有传送话音消息。如果间用于通话，大部分时间都没有传送话音消息。如果将这些信息全部传送给网络的话，这不但会对系统资将这些信息全部传送给网络的话，这不但会对系统资源造成浪费而且会使系统内的干扰加重。源造成浪费而且会使系统内的干扰加重。 所以利用
23、语音编码器检测到话音间隙后，在间隙所以利用语音编码器检测到话音间隙后，在间隙期不发送，这就是所谓的不连续发送。期不发送，这就是所谓的不连续发送。 通话时进行通话时进行13Kb/s编码，停顿期用编码，停顿期用500b/s编码编码发送舒适的噪声。发送舒适的噪声。2024/8/1830到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化预测编码的详细分类n预测阶数预测阶数p p和加权系数和加权系数w wi i如何选取才能达到性如何选取才能达到性能和简单性的合理折衷，于是提出了很多方能和简单性的合理折衷，于是提出了很多方案，称为差值编码，分类如下案，称为差值编码，分类如下：n增量调制增量调制M(DM)n差分脉冲编
24、码调制差分脉冲编码调制DPCM(Differential)n自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制ADPCM(Adpative)2024/8/1831到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n增量调制的基本原理：增量调制的基本原理：n发端：将信号值 与量化预测值 之差进行1比特量化；n即对差值的正负号进行编码 ，正号（+）则编为1，负号（-）则编为0。n同时在的基础上加上预测误差（加/ 减量化增量）形成下一个时刻的量化预测值 。2024/8/1832到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n增量调制的基本原理：增量调制的基本原理：n收端：通过译码将 编为预测误差值 ， 加上量化预测值 ，
25、则可得到量化值 。同时在 的基础上加上预测误差值（加/ 减增量）形成下一个时刻的量化预测值 。2024/8/1833到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化DPCMn差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制DPCM(Differential)n基本原理：基本原理：n发端：将信号值发端：将信号值 与量化预测值与量化预测值 之差之差 进行量化；由于进行量化；由于 的动态范围较小，一般对的动态范围较小，一般对 量量化采用均匀量化，量化码的长度取化采用均匀量化，量化码的长度取3，则量化间隔，则量化间隔=1/8；之后进行编码，即在量化码的基础上增加一；之后进行编码，即在量化码的基础上增加一位表示正负的极性码，则
26、码长变成位表示正负的极性码，则码长变成4。同时在。同时在 的的基础上加量化信号值基础上加量化信号值 （加（加/ 减量化间隔减量化间隔）形成下）形成下一个时刻的量化预测值一个时刻的量化预测值 。2024/8/1834到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化DPCMn差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制DPCM(Differential)n收端：收端：n通过译码将通过译码将 编为预测误差值，加上量化预测值编为预测误差值，加上量化预测值 ，则可得到量化信号值，则可得到量化信号值 。同时在。同时在 的基础上的基础上加量化信号值加量化信号值 （加（加/ 减增量减增量）形成下一个时刻）形成下一个时刻的量化预测
27、值的量化预测值 。2024/8/1835到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制ADPCM(Adpative)：n使预测、量化能跟踪信号特性的变化，主要使预测、量化能跟踪信号特性的变化，主要用于卫星通信中的语音和数据传输。用于卫星通信中的语音和数据传输。2024/8/1836到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化信源编码信源编码n5.1 离散信源编码离散信源编码n5.2 连续信源编码连续信源编码n5.3 相关信源编码相关信源编码n5.4 变换编码变换编码2024/8/1837到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化5.4 变换编码变换编码n傅立叶
28、变换傅立叶变换n余弦变换余弦变换nK-LK-L变换：变换域上的序列完全独立，编码效率最变换：变换域上的序列完全独立，编码效率最高，是最佳变换；但是变换矩阵无快速算法，故一高，是最佳变换；但是变换矩阵无快速算法，故一般用于理论分析。般用于理论分析。n实际用的比较多的变换编码有：实际用的比较多的变换编码有：n子带编码子带编码n小波变换小波变换2024/8/1838到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化子带编码子带编码SBC(SubBand SBC(SubBand Codding)Codding)n定义：首先将信号分割成若干个不同的频带分量定义：首先将信号分割成若干个不同的频带分量（子带信号），再
29、分别对子带信号进行时间采样（子带信号），再分别对子带信号进行时间采样和量化编码。和量化编码。n基本原理：基本原理：n发端：发端：用一组带通滤波器将信号分割成不同的频带用一组带通滤波器将信号分割成不同的频带分量，并通过频率搬移为基带，再分别进行采样分量，并通过频率搬移为基带，再分别进行采样（满足采样定理），再对采样后的信号序列分别进（满足采样定理），再对采样后的信号序列分别进行量化编码形成子带码，合成总码后通过信道传输行量化编码形成子带码，合成总码后通过信道传输到接收端。到接收端。n收端：收端：将总码分为子带码，分别通过译码重建信号将总码分为子带码，分别通过译码重建信号序列，经序列，经D/AD/
30、A变换后重建基带信号，在通过频率搬变换后重建基带信号，在通过频率搬移重建子带信号，经移重建子带信号，经BPF BPF ，最后合成得到重建信号。，最后合成得到重建信号。2024/8/1839到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化n子带编码的优点：子带编码的优点：n通过给人听视觉敏感的频率分配较多的通过给人听视觉敏感的频率分配较多的bitbit数，不数，不敏感的频率分配较少的敏感的频率分配较少的bitbit数，达到数据压缩数，达到数据压缩n各子带的量化噪声都束缚在本子带内。各子带的量化噪声都束缚在本子带内。n采样频率可降低为子带数采样频率可降低为子带数M M的的1/M1/Mn实际应用时，子带数实
31、际应用时，子带数M M取取2 2 4 4，使用，使用SBCSBC的编译码器的编译码器已经应用于语音存储转发和语音邮件。已经应用于语音存储转发和语音邮件。2024/8/1840到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化小波变换n定义：把傅立叶变换中的函数定义：把傅立叶变换中的函数 用小波用小波 取代后，对信号取代后，对信号f(t)进行变换。进行变换。n小波变换的优点：小波变换的优点：n克服了傅立叶变换（只适合平稳信号，其所有时刻的频率特性相同）后，频域分辨率无穷大，而时域分辨率为0的缺点n小波变换后，既有足够的时域分辨率，又有足够的频域分辨率n实际应用时，小波变换多用于图像编码，ISO将基于小波变换的图像编码技术作为JPEG2000(Joint Photography Expert Group,静态图象压缩编码)和MPEG4(Movie Photography Expert Group,动态图像压缩编码)推荐使用。2024/8/1841到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化Thank You!2024/8/1842到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化
