信源及信道编码

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1、第11章 数字电视原理 音频信号压缩编码信道编码的必要性、目的及编码框图纠错原理数字信号的调制与解调第11章 数字电视原理 教学重点： 信道编码、调制与解调。教学难点： 信道编码、调制与解调。教学目的： 1、了解音频信号压缩编码、信道编码； 2、理解调制与解调。第11章 数字电视原理 音频信号压缩编码 实验与统计分析已经证明，音频信号中存在多种冗余，主要是时域冗余、频域冗余和听觉冗余等。这些冗余的存在，使音频数字信号的压缩得以实现。1. 音频数据压缩编码的可能性 （1）时域冗余：幅度分布的非均匀性，样值间的相关性，信号周期之间的相关性，长时自相关，静音、语音之间的停顿间歇都是冗余量。 （2）频

2、域冗余：长时间隔功率谱密度具有非均匀性以及语音信号具有短时功率谱密度，具有相关性。第11章 数字电视原理 （3）听觉冗余：听觉频率范围、人耳对声音响度的响应呈对数关系、人耳具有听觉阈特性、人耳具有掩蔽阈效应。2. 常用音频数字信号的压缩编码 感知编码、波形编码、参数编码、混合编码 （1）感知编码 感知编码是利用人耳的掩蔽效应和其它冗余，在维 持取样频率不变和保证音频信号动态范围的情况下，通过减少数字信号的字长来降低总码率。 感知编码的基本工作原理为：对输入音频信号的频率和幅度进行分析，并将分析结果与人的听觉模型相比较，第11章 数字电视原理 凡符合模型的信息（人耳能够感觉到的）保留下来，对听觉

3、不能感觉到的内容丢弃，从而降低了码率。 （2）波形编码 波形编码是指直接对时域或频域中的音频信号波形进行取样编码。它主是利用音频取样值在时域或频域中存在的某些冗余进行压缩，力求使还原后的音频信号波形与原音频信号波形保持一致。 常见的波形编码方法主要有： 子带编码 自适应脉冲编码调制第11章 数字电视原理 （3）参数编码 根据对声音形成要素的分析和人耳的听觉分辨力，建立产生语音信号的模型，再在声音信号中提取代表语音信号特征的参数进行编码。 （4）混合编码 结合两种或两种以上的压缩编码方法，利用各自的长处进行混合编码，实现在较低的数码率上获得较高的音质。 自适应变换编码等。 该编码技术压缩比高，重

4、建音频信号的质量较差，不适合用于保真度高的场合，一般多用于语音信号的压缩编码。第11章 数字电视原理 3 .音频压缩编码国际标准 常用音频数字信号压缩编码国际标准有： MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、杜比AC-3等 （1）MPEG-2音频压缩编码标准 在MPEG-2标准中定义了两种音频数据压缩编码算法，其一是向下兼容多声道音频编码标准，简称MPEG-2 BC，即它与MPEG-1标准是兼容的；其二是高级音频压缩编码标准，简称MPEG-2 ACC。它们的特点分别如下： MPEG-2 BC的主要特点：它与MPEG-1相比，主要做了两个方面的重大改进。一是增加声道数，支持5.1和7.1声第1

5、1章 数字电视原理 道的环绕声；二是为某些低码率应用场合增加了三种较低的取样频率（16kHz、22.05kHz和24kHz）。 MPEG-2 ACC的主要特点：它是一种非常灵活的声音感知编码标准，在编码原理上主要利用了听觉系统的掩蔽特性来压缩音频信号的数据量，并把量化噪声分散到各个子带之中，再用全局信号把噪声掩蔽掉。因而，可达到用较低的比特率实现高音质。同时，MPEG-2 ACC提高了压缩比，扩展了使用范围，具体指标为： 压缩比为11:1。 支持的取样频率可从8kHz到96kHz。第11章 数字电视原理 支持48个主声道、16个低频增强声道、16个配音声道（或称多语言声道）和16个数据流等。

6、（2）杜比AC-3音频压缩编码标准 杜比AC-3标准是美国杜比实验室与日本先锋公司合作开发，于1994年12月研制成功。主要优点有： 真正的立体环绕声：杜比AC-3系统分别向左、右环绕音箱馈送信号，使环绕声道成为立体声声道，可实现声音定位到后方的某一点。 音频范围宽频带：杜比AC-3五个声道的频响均为20Hz20kHz，超低音声道为20Hz120Hz，音场更加扩大第11章 数字电视原理 ，方向感增强。动态范围极其宽广且可控： 各个通道完全隔离：第11章 数字电视原理 11.3 信道编码1.信道编码的必要性 数字电视信号在传输过程中将受到信道加性噪声、乘性噪声以及多径衰落等干扰因素的影响，使得信

7、息失真有可能，并出现误码（其中数字电视地面传输时干扰尤为严重），使得接收端无法正确解调，因此必须进行纠错编码，进一步提高传输系统的可靠性。 信道编码必要性、目的及编码框图2.信道编码的目的 信道编码又叫纠错编码，是将数字电视信号进行编码,以第11章 数字电视原理 使编码后的传送码流与信道传输特性匹配，根本目的是提高信息传输的可靠性，即提高数字电视系统的抗干扰性。3.信道编码系统结构框图 信道编码系统的结构由复用与匹配能量扩散、外码编码、交织、内码编码、基带形成和信道调制等组成。多路视频音频数据节目复用复用匹配能量扩散外码编码数据交织内码编码基带形成信道调制音频视频数据第11章 数字电视原理 纠

8、错原理 1.差错控制系统 该系统有两种功能：即差错控制编码与差错控制解码。差错控制编码子系统差错控制解码子系统信道 （1）差错控制编码 指在信源编码数据的基础上增加一些冗余码元（监督码元），使监督码元与信元之间建立一种确定关系。第11章 数字电视原理 2. 差错控制的基本方式 （1）前向纠错（FEC） 信息在发信端经纠错编码后送入信道，接收端通过纠错解码自动检错、纠，称之为前向纠错。前向纠错不需要反复重发而延误传输时间，对实时传输有利，但是纠错设备比较复杂，特别是纠错能力有限。 前向纠错（FEC）基本原理框图及基本结构框图 （2）差错控制解码 指在接收端，根据监督码元与信元之间已知的特定关系来

9、实现检错、纠错。第11章 数字电视原理 发送端接收端能够纠正错误 前向纠错基本原理编码器前向信道解码器 前向纠错基本结构 （2）反馈重发（ARQ） 发送端发送检错码，接收端通过解码器检测接受码组是否符合编码规律，从而判决该码是否为误码，若是误码则向发送端请求重发，直到接收端确认接收正确为止，称之为反馈重发。第11章 数字电视原理 反馈重发（ARQ）基本原理框图及基本结构框图 编码器缓冲控制前向信道解码器反向信道缓冲控制反馈重发ARQ基本结构发送端接收端能够发现错误反馈重发ARQ基本原理应答信号 ARQ系统有两类： 等待式:发端每发一个码字或一帧就等待受端回音,发送端收到回音ACK表示发送无误，

10、收到NCK表示请求重发。第11章 数字电视原理 连续式:对码字或帧编号后连续发送，接收端收到有误的编号码字或帧就请求重发，直到无误。 （3）混合纠错（HEC） 混合纠错：“混合纠错”是“前向纠错”及“反馈纠错”两种方式的混合。其方法是：少量纠错在接收端自动纠正，差错较严重，超出自行纠正能力时，就向发信端发出询问信号，要求重发。第11章 数字电视原理 混合纠错（HEC）基本原理框图及基本结构框图 发送端接收端能够发现并纠正误码 混合纠错HEC基本原理应答信号编码器缓冲控制前向信道解码器反向信道缓冲控制 混合纠错HEC基本结构第11章 数字电视原理 3. 纠错码基本理论 （1）纠错码相关知识 信息

11、码元与监督码元 信息码元:是发送端有信源编码给出的信息数据比特，以k个码元为一个码组时，在二进制情况下，总共有2k种不同的信息码组。 监督码元:又称校验码元，是为了检错、纠错而在信道中附加的校验数据。通常k个信息码元的码组附加r个监督码元，组成总码元数为n=k+r的码组。 许用码组与禁用码组 第11章 数字电视原理 许用码组:信道编码后总码长为n的码组有2n个， 许用码组有2k个，为发送的信息码组； 禁用码组:禁用码组为：2n- 2k，纠错编码的作用就是从2n个码组中按照规律选择出2k个许用码组。 纠错编码的作用就是从2n个码组中按照规律选择出2k个许用码组。 编码效率 每个码组中信息码元数k

12、与总码元数的比值称为编码效率第11章 数字电视原理 ,通常监督码元越多，纠错检错能力越强，但编码效率越低。 码重与码距 码重:是指每个码组内码元1的数量。 码距d:是指没两个码组之间的距离。例如：000与101之间的码距为2；000与111之间的码距为3。 最小码距d0:指对于（n,k）分码组，许用码组为2k个，各码组之间码距最小值称为最小码距。 最小码距d0与检错、纠错能力之间的关系： 在一个码组内为了检知e个误码，应满足关系式： d0e+1 第11章 数字电视原理 在一个码组内为了纠正t个误码，应满足关系式： d02t+1 在一个码组内为了检知e个误码并纠正t个误码（et），应满足关系式：

13、 d0re+t+1 （2）纠错码分类(根据信道干扰的性质) 随机错误:又信道的随机噪声干扰引起，误码相对独立，不会连片出现； 突发错误:又突发噪声干扰引起，差错成群出现； 混合错误:既有随机错又有误突发错误。第11章 数字电视原理 纠错码随机误码纠错码突发误码纠错码分组码卷积码交织码分组码 线性码 非线性码 系统卷积码 非系统卷积码 循环码 非循环码 BCH码 RS码 奇偶校验码 汉明码 比特交织码 字节交织码 纠错码分类系统框图见下图第11章 数字电视原理 3. DVB-S信道编码与传输系统 （1） DVB-S信道编码与传输系统框图如下多路视频音频数据节目复用复用匹配能量扩散外码编码数据交织

14、内码编码基带形成信道调制音频视频数据 （2）DVB-S信道编码技术 DVB系统按传输信道分为DVB-T（地面无线传输）、DVB-C（地面有线传输）和DVB-S（卫星传输）三类。它们都在数据加扰、外码编码（RS编码）、外交织、内码编码（卷积收缩编码）等方面的处理方法相同。第11章 数字电视原理 多路视频音频数据节目复用： 选择一组包含音频、视频和数据的TS流； 复用匹配能量扩散 为便于接收端恢复数据，要对输入码流进行随机化处理，即加扰，以使能量扩散。 外码编码： 即RS编码，以字节为单位进行前向纠错，具有很强的随机误差及突发误码纠错能力； 数据交织： 交织深度为12，以增强抗突发误码能力；第11

15、章 数字电视原理 内码编码： 与内码编码结合，增强前向纠错能力，有利于抗御地面开路信道恶劣的传输环境； 基带形成： 形成信源编码、信道编码后的数字电视基带信号； 信道调制： 采用QPSK数字电视调制技术第11章 数字电视原理 数字信号的调制与解调 传输通道频带有上下限，信号频率超过此限，信号能量就会在传输中很快衰减，信噪比下降，误码率增加，且给邻近信道带来很强的干扰。故在传输前要对数字信号进行处理，减少数字信号中的高、低频分量，使能量集中在较窄的频带上，再通过某种调制进行频谱的搬移，使信号的频谱特性与信道的频谱特性相匹配。 1.数字信号载波调制的必要性与目的 (1)数字信号载波调制的必要性：第

16、11章 数字电视原理 数字信号的载波调制是信道编码的一部份，数字电视信号不是基带传输方式而是在射频通带中传输。 (2)数字信号调制目的： 信道编码的目的是增强传输的可靠性，主要从两方面提高：要求码流频谱特性适应通道频谱特性，使传输时信号能量损失最小，提高信噪比，减小发生差错的可能性，提高传输效率。 增强纠错能力，使得即便出现差错，也能得到纠正。2.数字信号的调制解调基本原理 数字调制是将数字基带信号搬移到载波上，使其变换成第11章 数字电视原理 适合信道传输的数字频带信号，从而实现频谱搬移，其逆过程为数字解调。 （1）幅度键控ASK调制解调基本原理 ASK调制：是用数字基带信号改变载波幅度的一

17、种调制方式。调制基本原理如下图示BPFf（t）Acos0tSASK（t ） 幅度键控ASK解调基本原理：ASK解调有非相干与相干解调两种方式，分别如下图示。第11章 数字电视原理 BPF包络检波LPF抽样判决SASK（t ） f（t） ASK非相干检波原理Cos（0t+）BPFLPF抽样判决SASK（t ） f（t） ASK相干检波原理 （2）频移键控FSK调制解调基本原理 FSK调制：是用数字基带信号改变载波频率的一种调制方式。 FSK调制基本原理框图如下图示:第11章 数字电视原理 振荡器f1 倒相器 振荡器f2K1K2f（t）SFSK（t ） Acos1tAcos2t FSK解调：分为相

18、干与非相干解调两种方式，如下图示。f（t）BPF1包络检波LPF1抽样判决BPF2LPF2包络检波Y1（t）Y2（t） 定时抽样 z1（t） z2（t）SFSK（t ） FSK相干检波原理第11章 数字电视原理 Cos（1t+）f（t） FSK非相干检波原理BPF1LPF1抽样判决BPF2LPF2Y1（t）Y2（t） 定时抽样 z1（t） z2（t）SFSK（t ） Cos（2t+） （3）相移键控PSK调制解调基本原理 PSK调制：是用数字基带信号改变载波相位的一种调制方式。 PSK解调可通过鉴相器解调。第11章 数字电视原理 4.数字电视调制技术QPSK （1）QPSK（绝对相移键控）调制

19、技术 QPSK（绝对相移键控）调制技术是一种相位调制技术，它规定了4种载波相位，每次调制可传输2B it信息，这些信息比特可通过载波的4种相位来传输。QPSK是数字微波、数字卫星、数字有线电视等通信系统中常用的载波调制方式。第11章 数字电视原理 串/并转换单/双极性转换单/双极性转换90ocos0tSQPSK（t ） QPSK数字调制基本原理Sin0tABCD1011输入A 11B 01QPSK调制原理框图如下图示。第11章 数字电视原理 （2）QPSK解调原理框图如图所示BPFLPF1抽样判决Y1（t）Y2（t）串/并转换 QPSK数字解调基本原理输出90ocos0tSin0tLPF1抽样判决SQPSK（t ） 定时抽样第11章 数字电视原理 本 节 小 结： 1、音频信号压缩编码； 2、信道编码的必要性、目的及编码框图； 3、纠错原理； 4、数字信号的调制与解调。第11章 数字电视原理 本 节 小 结： 1、数字电视发展史； 2、数字电视的分类与特点； 3、数字电视系统架构； 4、数字电视关键技术； 5、电视信号的数字化； 6、视频信号压缩编码。