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1、北京师范大学珠海分校北京师范大学珠海分校 信息学院信息学院 第四章第四章 信源编码与数据压缩信源编码与数据压缩主讲人主讲人: 杨戈杨戈/ 副教授副教授2本章讨论在物理层决定有效性的最主要因素：本章讨论在物理层决定有效性的最主要因素：信源编码和数据压缩技术。信源编码和数据压缩技术。信源编码信源编码是主要利用信源的统计特性，解除信是主要利用信源的统计特性，解除信源相关性，去掉信源冗余信息，从而达到压缩源相关性，去掉信源冗余信息，从而达到压缩信源输出的信息率，提高系统有效性的目的。信源输出的信息率，提高系统有效性的目的。 第二代移动通信主要是语音业务，所以信源编第二代移动通信主要是语音业务，所以信源
2、编码主要指码主要指语音压缩编码语音压缩编码。第三代移动通信中的。第三代移动通信中的信源编码将不仅包含语音压缩编码，还包含各信源编码将不仅包含语音压缩编码，还包含各类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面内容。类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面内容。 34.1语音压缩编码语音压缩编码 在本节中，我们将讨论语音压缩编码的在本节中，我们将讨论语音压缩编码的基本原理与方法，以及在移动通信中的基本原理与方法，以及在移动通信中的语音编码。语音编码。44.1.1引言引言语音压缩编码大致可以分为以下三类：语音压缩编码大致可以分为以下三类：波形编码波形编码参量编码参量编码混和编码混和编码 以上三类编码，波形编码质
3、量最高，其质量以上三类编码，波形编码质量最高，其质量几乎与压缩处理之前相同，可以适用于公用骨干几乎与压缩处理之前相同，可以适用于公用骨干(固定固定)通信网。参量编码质量最差，不能用于骨通信网。参量编码质量最差，不能用于骨干通信网，而仅适合于特殊通信系统，比如军事干通信网，而仅适合于特殊通信系统，比如军事与保密通信系统。混和编码质量介于两者之间，与保密通信系统。混和编码质量介于两者之间，目前主要用于移动通信网。目前主要用于移动通信网。 51. 波形编码的性能估计波形编码的性能估计 利用信息论中连续利用信息论中连续(模拟模拟)有记忆信源的信息率失真有记忆信源的信息率失真R(D)函数理论可以分析波形
4、编码的性能。函数理论可以分析波形编码的性能。 信息率失真信息率失真R(D)为：为：上式的计算结果如下表所示上式的计算结果如下表所示 :信噪比信噪比(dB)35322825232017R(D)(bit/样点样点)43.52.52.34 21.51压缩倍数压缩倍数K22.28 3.23.42 45.386由上述分析结果可以得到如下结论：当语音质由上述分析结果可以得到如下结论：当语音质量达到进入公网要求标准时，即量达到进入公网要求标准时，即 ,其其 倍，若进一步考虑实际语音分布与主观因素的倍，若进一步考虑实际语音分布与主观因素的影响影响(因为正态分布因为正态分布R(D)其压缩倍数可以进一步其压缩倍数
5、可以进一步增大，取增大，取 (保守值保守值)这时语音速率可以从未这时语音速率可以从未压缩的压缩的PCM 64Kbps降至降至1/4速率的速率的16Kbps。目。目前已实用化的前已实用化的DPCM为为32Kbps。 72. 参量编码的性能估计参量编码的性能估计 语音可以采用各种不同形式的参量来表达。为了分语音可以采用各种不同形式的参量来表达。为了分析方便，采用最基本的参量析方便，采用最基本的参量“音素音素”。以英语音素为例进。以英语音素为例进行分析。英语中共有音素行分析。英语中共有音素 。按照通常讲话。按照通常讲话速率，每秒大约平均发送速率，每秒大约平均发送10个音素。由信息量计算公式，个音素。
6、由信息量计算公式，对于等概率事件有：对于等概率事件有： ，N为总组合数，则：为总组合数，则： 最后可计算出压缩比最后可计算出压缩比K为：为：83. 混合编码的性能估计混合编码的性能估计 显然混合编码的理论压缩比是介于上述两类显然混合编码的理论压缩比是介于上述两类编码之间，且与语音质量需求有关。若要求混合编码之间，且与语音质量需求有关。若要求混合编码偏重于个性特征，则其压缩比靠近波形编码编码偏重于个性特征，则其压缩比靠近波形编码的压缩比值，若要求混和编码偏重于共性，则其的压缩比值，若要求混和编码偏重于共性，则其压缩比靠近于参量编码。压缩比靠近于参量编码。94.1.2数字通信中的语音编码数字通信中
7、的语音编码高质量的混合编码是移动通信中的优选方案。高质量的混合编码是移动通信中的优选方案。在低数据比特率、高压缩比的混合编码中，在低数据比特率、高压缩比的混合编码中，数据比数据比特率、语音质量、算法复杂度与处理时延特率、语音质量、算法复杂度与处理时延是四个主是四个主要参量。要参量。101. 数据比特率数据比特率(bps) 数据比特率越低压缩倍数就越大，可通信的话路数数据比特率越低压缩倍数就越大，可通信的话路数 也就越多，移动通信系统也就越有效。也就越多，移动通信系统也就越有效。 数据比特率降低，语音质量也随之相应降低，为了数据比特率降低，语音质量也随之相应降低，为了补偿质量的下降，可采用提高设
8、备硬件复杂度和算法补偿质量的下降，可采用提高设备硬件复杂度和算法软件复杂度的办法。软件复杂度的办法。 降低比特速率另一种有效方法是采用可变速率的自降低比特速率另一种有效方法是采用可变速率的自适应传输，它可以大大降低语音的平均传送率。适应传输，它可以大大降低语音的平均传送率。 还可以进一步采用语音激活技术，充分利用至少还可以进一步采用语音激活技术，充分利用至少3/8的有效空隙，可获得大致约的有效空隙，可获得大致约2.67dB的有效增益。的有效增益。 11122. 语音质量语音质量 度量方法不外乎客观与主观两个角度：度量方法不外乎客观与主观两个角度： 客观度量可以采用客观度量可以采用信噪比、误码率
9、、误帧率，信噪比、误码率、误帧率，相对而言简单、可行。相对而言简单、可行。 主观度量是由人耳主观特性来判断，比客观度主观度量是由人耳主观特性来判断，比客观度量复杂。目前国际上常采用的主观评判方法称为量复杂。目前国际上常采用的主观评判方法称为MOS方法方法 。 133. 复杂度与处理时延复杂度与处理时延 语音编码硬件复杂度取决于语音编码硬件复杂度取决于DSP处理能力，而软件复处理能力，而软件复杂度则主要体现在算法复杂度上。算法复杂度增大，也杂度则主要体现在算法复杂度上。算法复杂度增大，也会带来更长的运算时间和更大的处理时延会带来更长的运算时间和更大的处理时延 。 参数参数 指指标标编码编码器器类
10、类型型数据比特率数据比特率(Kbps)复复杂杂度度(MIPS)时时延延(ms)质质量量(MOS)脉脉码调码调制制PCM640.0104.3自适自适应应差分脉差分脉码调码调制制ADPCM320.104.1自适自适应应自自带编码带编码161254多脉冲多脉冲线线性性预测编码预测编码810353.5随机激励随机激励线线性性预测编码预测编码4100353.5线线性性预测预测声声码码器器21353.1 如右所示，我如右所示，我们给出几种已知们给出几种已知低数据比特率语低数据比特率语音编码的上述四音编码的上述四个参数与性能比个参数与性能比较表格。较表格。14参考文献参考文献4.1 周炯槃，信源编码原理，人
11、民邮电大学出版社，1996 4.2 吴伟陵，信息处理与编码(修订本)，人民邮电出版社，2003.7 4.3 吴伟陵，移动通信中的关键技术，北京邮电大学出版社，2000.11 4.4 R. J. McEliece, The Theory of Information and Coding (2nd), Addison-Wesley Publishing Company，Inc. 2002 4.5 3GPP Mandatory Speech Codec Speech Processing Functions，AMR Speech Codec：General Description (3G TS 26.071 Version 3.0.1)，1999 4.6 3GPP 3G TS 26.101 Version 1.4.0 1999 15
