现代通信原理第四章信源及压缩编码
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1、第第4章章 信源及压缩编码信源及压缩编码4.1 概 述 4.2 语音信号的特征4.3 语 音 编 码 4.4 图像信号的特征4.5 图像压缩编码 4.6 数据信号编码4.1 概概 述述 现代通信系统的一个重要标志是信源信号、传输系统、交换系统和信号处理等诸环节实现了数字化。而语言和图像等信源信号都是模拟的，他们在时间和幅度上都是连续取值的变量，是完全等同于原物理量的电信号。 语音和图像信号都包含大量的冗余，信号的有些部分不包含什么信息，有些可以根据其他部分估算出来，即具有一定的相关性。这种“冗余”是压缩编码的前提。压缩编码的方法大体上有以下3类：(1) 概率匹配编码：(2) 变换编码：(3)
2、识别编码：4.2 语音信号的特征语音信号的特征1. 语音信号的模型 从声学的观点来说，不同的语音是由于发生器官中的声音激励源和口腔声道的形状不同引起的。根据激励源和声道模型的不同，语音主要可分成浊音和清音。图4.1 浊音和清音的波形及频谱 2. 语音信号的统计特性 语音信号是一随机信号，只能用统计分析的方法来分析其特性。通常语音信号概率密度函数依赖于输入信号频带宽度以及录音条件。图图4.1 浊音和清音的波形及频谱浊音和清音的波形及频谱 4.3 语语 音音 编编 码码4.3.1 概述4.3.2 抽样定理和脉冲调制(PAM、PDM、PAM)4.3.3 脉冲编码调制PCM4.3.4 简单增量调制M
3、4.3.5 自适应差分脉冲编码调制ADPCM 4.3.6 子带编码(SBC)4.3.7 声码器4.3.1 概述概述 语音信号可以变换成电信号(经过调制或不经过调制)后直接在信道中传输，但要在数字通信系统中传输，就必须进行A/D和D/A转换，也即将模拟信号数字化后再进行数字传输。这里提出的语音编码就是指语音的A/D与D/A变换。各种编码技术对语音信号进行处理，目的都是为了减少传输码率和提高音质。语音编码技术可以分为两类，一类是波形编码技术，另一类是参量编码。波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，其特点是重建的信号质量好。较为常见的语音编码及比特率如 表4.1所示。表表4.1 各种语音编码技术
4、各种语音编码技术编码类型编码方法比 特 率信噪比或质量评定波形编码 PCM(CCITT G.711)ADPCM(CCITT G.721) 瞬时压扩 PCM ADM(CVSD法) 子带编码(SBC)时域谐波压扩 ADPCM (ADPCM-TDHS)64kb/s32kb/s40kb/s32kb/s32kb/s16kb/s16kb/s16kb/s38 dB35 dB30 dB30 dB24 dB1820 dB2025 dB2530 dB参量编码通道声码器共振峰声码器线性预测声码器声激励声码器1200/2400/4800b/s600/1200b/s1200/2400/4800b/s9600b/s较好差
5、好很好4.3.2 抽样定理和脉冲调制(PAM、PDM、PAM)1. 抽样定理2. 低通信号的均匀抽样定理的证明 图4.3 理想抽样的方框图及各点波形3. 抽样的分类4. 抽样定理的直接应用脉冲调制(PAM、PDM、PPM) 图图4.3 理想抽样的方框图及各点波形理想抽样的方框图及各点波形00Ts1(b)0s(t)(t)(a)x(t)ts(c)(d)xx理想抽样方框图低通模拟信号理想周期s(t)波形抽样后输出x (t)(t)(t)ttx(t)4.3.3 脉冲编码调制脉冲编码调制PCM1. 线性PCM编码图4.7 PCM通信系统方框图2. 非线性PCM编码3. 译码原理图图4.7 PCM通信系统方
6、框图通信系统方框图抽样量化编码译码低通数字通信系统A/D(模数转换)D/A(数模转换 )语音信号语音信号4.3.4 简单增量调制简单增量调制M1. 简单增量调制编码原理 图4.13 简单增量调制原理图2. 译码的基本思想3. 性能分析4. 连续可变斜率增量调制(CVSD) 图图4.13 简单增量调制原理图简单增量调制原理图相减器判决译码低通本地译码器(a)M原理框图M 码流e(t)x (t)x (t)Tx(t)x0(t)xxt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13M码流1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0(t)(t)(b)M 波形示意图4.3.5 自适应差
7、分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制ADPCM1. DPCM原理1) DPCM原理及框图图4.15 DPCM系统方框图2) DPCM的性能特点2. ADPCM原理 ADPCM有两种方案，一种是预测固定，量化自适应；另一种是兼有预测自适应和量化自适应。图图4.15 DPCM系统方框图系统方框图eq(t)DPCM 代码e(t)相减器量化器脉 幅调制器PCM编码器积分器PCM译码积分器低通定时脉冲(a)调制器(b) 解调器x(t)DPCM 代码xq q(t)x(t)4.3.6 子带编码子带编码(SBC) SBC也可以说是多带独立的自适应脉冲编码调制，显然在性能上这要比全频单带的自适应脉冲编码调制优越
