現(xiàn)代通信原理第四章信源及壓縮編碼

1、第第4章章 信源及壓縮編碼信源及壓縮編碼4.1 概 述 4.2 語(yǔ)音信號(hào)的特征4.3 語(yǔ) 音 編 碼 4.4 圖像信號(hào)的特征4.5 圖像壓縮編碼 4.6 數(shù)據(jù)信號(hào)編碼4.1 概概 述述 現(xiàn)代通信系統(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)志是信源信號(hào)、傳輸系統(tǒng)、交換系統(tǒng)和信號(hào)處理等諸環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。而語(yǔ)言和圖像等信源信號(hào)都是模擬的，他們?cè)跁r(shí)間和幅度上都是連續(xù)取值的變量，是完全等同于原物理量的電信號(hào)。 語(yǔ)音和圖像信號(hào)都包含大量的冗余，信號(hào)的有些部分不包含什么信息，有些可以根據(jù)其他部分估算出來(lái)，即具有一定的相關(guān)性。這種“冗余”是壓縮編碼的前提。壓縮編碼的方法大體上有以下3類：(1) 概率匹配編碼：(2) 變換編碼：(3)

2、識(shí)別編碼：4.2 語(yǔ)音信號(hào)的特征語(yǔ)音信號(hào)的特征1. 語(yǔ)音信號(hào)的模型 從聲學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，不同的語(yǔ)音是由于發(fā)生器官中的聲音激勵(lì)源和口腔聲道的形狀不同引起的。根據(jù)激勵(lì)源和聲道模型的不同，語(yǔ)音主要可分成濁音和清音。圖4.1 濁音和清音的波形及頻譜 2. 語(yǔ)音信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性 語(yǔ)音信號(hào)是一隨機(jī)信號(hào)，只能用統(tǒng)計(jì)分析的方法來(lái)分析其特性。通常語(yǔ)音信號(hào)概率密度函數(shù)依賴于輸入信號(hào)頻帶寬度以及錄音條件。圖圖4.1 濁音和清音的波形及頻譜濁音和清音的波形及頻譜 4.3 語(yǔ)語(yǔ) 音音 編編 碼碼4.3.1 概述4.3.2 抽樣定理和脈沖調(diào)制(PAM、PDM、PAM)4.3.3 脈沖編碼調(diào)制PCM4.3.4 簡(jiǎn)單增量調(diào)制M

3、4.3.5 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制ADPCM 4.3.6 子帶編碼(SBC)4.3.7 聲碼器4.3.1 概述概述 語(yǔ)音信號(hào)可以變換成電信號(hào)(經(jīng)過(guò)調(diào)制或不經(jīng)過(guò)調(diào)制)后直接在信道中傳輸，但要在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，就必須進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換，也即將模擬信號(hào)數(shù)字化后再進(jìn)行數(shù)字傳輸。這里提出的語(yǔ)音編碼就是指語(yǔ)音的A/D與D/A變換。各種編碼技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理，目的都是為了減少傳輸碼率和提高音質(zhì)。語(yǔ)音編碼技術(shù)可以分為兩類，一類是波形編碼技術(shù)，另一類是參量編碼。波形編碼是將時(shí)間域信號(hào)直接變換為數(shù)字代碼，其特點(diǎn)是重建的信號(hào)質(zhì)量好。較為常見(jiàn)的語(yǔ)音編碼及比特率如 表4.1所示。表表4.1 各種語(yǔ)音編碼技術(shù)

4、各種語(yǔ)音編碼技術(shù)編碼類型編碼方法比 特 率信噪比或質(zhì)量評(píng)定波形編碼 PCM(CCITT G.711)ADPCM(CCITT G.721) 瞬時(shí)壓擴(kuò) PCM ADM(CVSD法) 子帶編碼(SBC)時(shí)域諧波壓擴(kuò) ADPCM (ADPCM-TDHS)64kb/s32kb/s40kb/s32kb/s32kb/s16kb/s16kb/s16kb/s38 dB35 dB30 dB30 dB24 dB1820 dB2025 dB2530 dB參量編碼通道聲碼器共振峰聲碼器線性預(yù)測(cè)聲碼器聲激勵(lì)聲碼器1200/2400/4800b/s600/1200b/s1200/2400/4800b/s9600b/s較好差

5、好很好4.3.2 抽樣定理和脈沖調(diào)制(PAM、PDM、PAM)1. 抽樣定理2. 低通信號(hào)的均勻抽樣定理的證明 圖4.3 理想抽樣的方框圖及各點(diǎn)波形3. 抽樣的分類4. 抽樣定理的直接應(yīng)用脈沖調(diào)制(PAM、PDM、PPM) 圖圖4.3 理想抽樣的方框圖及各點(diǎn)波形理想抽樣的方框圖及各點(diǎn)波形00Ts1(b)0s(t)(t)(a)x(t)ts(c)(d)xx理想抽樣方框圖低通模擬信號(hào)理想周期s(t)波形抽樣后輸出x (t)(t)(t)ttx(t)4.3.3 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制PCM1. 線性PCM編碼圖4.7 PCM通信系統(tǒng)方框圖2. 非線性PCM編碼3. 譯碼原理圖圖4.7 PCM通信系統(tǒng)方

6、框圖通信系統(tǒng)方框圖抽樣量化編碼譯碼低通數(shù)字通信系統(tǒng)A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)D/A(數(shù)模轉(zhuǎn)換 )語(yǔ)音信號(hào)語(yǔ)音信號(hào)4.3.4 簡(jiǎn)單增量調(diào)制簡(jiǎn)單增量調(diào)制M1. 簡(jiǎn)單增量調(diào)制編碼原理 圖4.13 簡(jiǎn)單增量調(diào)制原理圖2. 譯碼的基本思想3. 性能分析4. 連續(xù)可變斜率增量調(diào)制(CVSD) 圖圖4.13 簡(jiǎn)單增量調(diào)制原理圖簡(jiǎn)單增量調(diào)制原理圖相減器判決譯碼低通本地譯碼器(a)M原理框圖M 碼流e(t)x (t)x (t)Tx(t)x0(t)xxt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13M碼流1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0(t)(t)(b)M 波形示意圖4.3.5 自適應(yīng)差

7、分脈沖編碼調(diào)制自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制ADPCM1. DPCM原理1) DPCM原理及框圖圖4.15 DPCM系統(tǒng)方框圖2) DPCM的性能特點(diǎn)2. ADPCM原理 ADPCM有兩種方案，一種是預(yù)測(cè)固定，量化自適應(yīng)；另一種是兼有預(yù)測(cè)自適應(yīng)和量化自適應(yīng)。圖圖4.15 DPCM系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)方框圖eq(t)DPCM 代碼e(t)相減器量化器脈 幅調(diào)制器PCM編碼器積分器PCM譯碼積分器低通定時(shí)脈沖(a)調(diào)制器(b) 解調(diào)器x(t)DPCM 代碼xq q(t)x(t)4.3.6 子帶編碼子帶編碼(SBC) SBC也可以說(shuō)是多帶獨(dú)立的自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制，顯然在性能上這要比全頻單帶的自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制優(yōu)越

8、，因?yàn)樾盘?hào)的各共振峰振幅相差很大(可大到3040dB)，單帶自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制的自適應(yīng)階距無(wú)法照顧所有共振峰的要求。 圖4.17給出一種SBC的編、譯碼方框圖。子帶編碼可用于比特率在9.6kb/s32kb/s之間。在這個(gè)范圍內(nèi)，語(yǔ)音質(zhì)量與同等比特率的ADPCM的質(zhì)量相當(dāng)。圖圖4.17 SBC編、譯碼方框圖編、譯碼方框圖f 帶通f 帶通抽樣抽樣量化編碼量化編碼譯碼譯碼內(nèi)插內(nèi)插圖4-17 SBC編、譯碼方框圖信道x(t)x(t)1Nf 帶通1f 帶通N合路器分路器4.3.7 聲碼器聲碼器圖4.18 通道聲碼器原理框圖1. 通道聲碼器2. 共振峰聲碼器3. 線性預(yù)測(cè)編碼聲碼器(LPC)圖圖4.18

9、4.18 通道聲碼器原理框圖通道聲碼器原理框圖噪聲發(fā)生器沖激發(fā)生器300450Hz200300Hz基音檢測(cè)清濁音分類28003200Hz300450Hz整流器整流器整流器20Hz開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)20Hz20Hz對(duì)各支路編碼輸入語(yǔ)音清濁音信息音調(diào)信息對(duì)各支路譯碼信道28003200Hz輸出語(yǔ)音調(diào)制帶通濾波器低通濾波器帶通濾波器200300Hz4.4 圖像信號(hào)的特征圖像信號(hào)的特征4.4.1 圖像信號(hào)的特點(diǎn)4.4.2 圖像信號(hào)的冗余4.4.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)4.4.1 圖像信號(hào)的特點(diǎn)圖像信號(hào)的特點(diǎn)1. 圖像信息的分類 圖像按照其內(nèi)容的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可劃分為靜止圖像和活動(dòng)圖像兩大類。2. 圖像信息的特點(diǎn) 圖像信息與

10、語(yǔ)音信息相比有兩大特點(diǎn)。第一圖像信息是二維以上的多維信息。第二個(gè)特點(diǎn)是頻帶非常寬，約為聲音信號(hào)頻譜的1000倍。4.4.2 圖像信號(hào)的冗余圖像信號(hào)的冗余1. 空間冗余2. 時(shí)間冗余3. 信息熵冗余(編碼冗余)4. 結(jié)構(gòu)冗余5. 知識(shí)冗余6. 視覺(jué)冗余4.4.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià) 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)是圖像信息工程的基礎(chǔ)技術(shù)之一。 圖像質(zhì)量的含義包括兩個(gè)方面，一個(gè)是圖像的逼真度，另一個(gè)是圖像的可懂度。4.5 圖像壓縮編碼圖像壓縮編碼4.5.1 圖像信號(hào)的抽樣4.5.2 圖像信號(hào)的量化4.5.3 圖像信號(hào)的壓縮編碼4.5.1 圖像信號(hào)的抽樣圖像信號(hào)的抽樣 在平面的線上使連續(xù)變化的語(yǔ)音在時(shí)間上離散化

11、稱為語(yǔ)音信號(hào)抽樣，而在空間的面上使連續(xù)變化的圖像在時(shí)間上離散化稱為圖像信號(hào)抽樣。 1. 抽樣頻率 2. 抽樣方式的選擇4.5.2 圖像信號(hào)的量化圖像信號(hào)的量化1. 最佳量化2. 彩色圖像量化3. 矢量量化4.5.3 圖像信號(hào)的壓縮編碼圖像信號(hào)的壓縮編碼1. 預(yù)測(cè)編碼 圖4.20 塊匹配位移量估計(jì)算法2. 正交變換編碼3. 其他新型圖像壓縮編碼方法4. 圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn) 圖圖4.20 塊匹配位移量估計(jì)算法塊匹配位移量估計(jì)算法tBK子塊第 K幀第 K1幀BK-1子塊4.6 數(shù)據(jù)信號(hào)編碼數(shù)據(jù)信號(hào)編碼4.6.1 數(shù)據(jù)信號(hào)的特征4.6.2 國(guó)際5號(hào)碼(IA5)4.6.3 國(guó)際電報(bào)2號(hào)碼4.6.4 EBC

12、DIC碼4.6.5 信息交換用漢字代碼4.6.6 數(shù)據(jù)信號(hào)的壓縮編碼4.6.1 數(shù)據(jù)信號(hào)的特征數(shù)據(jù)信號(hào)的特征 最基本的數(shù)據(jù)信號(hào)波形為二進(jìn)制電壓或電流波形，這與前面講到的模擬信號(hào)數(shù)字化后的波形沒(méi)有區(qū)別。但由于數(shù)據(jù)被定義為具有某種含義的數(shù)字、字母或符號(hào)的組合，因此數(shù)據(jù)信號(hào)的二進(jìn)制信號(hào)必須以碼組的形式出現(xiàn)，單個(gè)比特不能代表有實(shí)際意義的信息。4.6.2 國(guó)際國(guó)際5號(hào)碼號(hào)碼(IA5) 國(guó)際5號(hào)碼是把字符轉(zhuǎn)換成代碼的一種方案，碼表如 表4.4所示。該方案是1963年由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)提出的，稱為美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼(ASCII碼)，隨后被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)(CCITT)采納，并

13、發(fā)展成為國(guó)際通用的信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼。國(guó)際5號(hào)碼是用7位二進(jìn)制代碼表示出每個(gè)字母、數(shù)字、符號(hào)及一些常見(jiàn)控制符的。7位二進(jìn)制代碼可以表示27128個(gè)不同字符(狀態(tài))。表表4.4 國(guó)際國(guó)際5號(hào)碼表號(hào)碼表列行00011109700b1b2b31b40000001111111000000001111110000000000114131228161511111111010101010101011413150000000111111111765432000111QADC1DC20TC7(DBL)NULSPTC3(ETX)TC1(SOH)TC2(STX)qa1!DC3P1pscSC3#”Bb2RrUETC8(

14、NAK)TC9(SYN)4DC4TC4(EOT)BELDC5(ENQ)TC6(ACK)ue5%TC10(ETB)DTdtwgWG7&Ff6VvYIEMSUB8CANFE0(BS)(FE3(VT)FE1(HT)FE2(LF)yi9)ESCHXhxkK;+*Jj:ZzMIS3(GS)IS2(RS)_FE5(CR)SOFE4(FF)SIb5b6b74.6.3 國(guó)際電報(bào)國(guó)際電報(bào)2號(hào)碼號(hào)碼 IA2碼是一種5位二進(jìn)制代碼，又稱波多(Baudot)碼。波多碼廣泛應(yīng)用在電報(bào)通信中，是起止式電傳電報(bào)中的標(biāo)準(zhǔn)用碼，在低速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中仍使用這種碼。5位碼只能表示出25=32符號(hào)，但通過(guò)一個(gè)“數(shù)字/字母”轉(zhuǎn)移控制碼可改變代碼意義，因此可有64種表示，實(shí)際中應(yīng)用了其中58個(gè)。4.6.4 EBCDIC碼碼 EBCDIC碼是擴(kuò)展二至十進(jìn)制碼的簡(jiǎn)稱。它是一種8位二進(jìn)制代碼，有28=256種組合，可以表示256個(gè)字符和控制符。EBCDIC碼目前只定義了143種，剩余了113個(gè)，這對(duì)需要自定義字符的應(yīng)用非常有利。 由于EBCDIC是8位碼(1字節(jié))，已無(wú)法提供奇偶核驗(yàn)位，因此不宜 長(zhǎng) 距