第三講語音信號數(shù)字化及信源編碼

1、n 主要內(nèi)容主要內(nèi)容抽樣技術(shù)抽樣技術(shù)量化技術(shù)量化技術(shù) PCM編碼原理編碼原理 增量調(diào)制原理增量調(diào)制原理信源壓縮編碼信源壓縮編碼第三講第三講 語音信號數(shù)字化及信源編碼語音信號數(shù)字化及信源編碼抽樣的基本定理和方法是什么？量化的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)是什么？最佳量化的設(shè)計(jì)方法是什么？為什么要采用非均勻量化？PCM系統(tǒng)的完整過程是什么？增量調(diào)制的基本原理是什么？信源編碼的主要目的是什么？研究對象研究對象 格式化 信源 編碼 加密 信道 編碼 多路 復(fù)用 脈沖 調(diào)制 帶通 調(diào)制 頻率 擴(kuò)展 復(fù)用 多址 接入 格式化 信源 譯碼 解密 信道 譯碼 多路 分接 檢測 解調(diào) 采樣 頻率 解擴(kuò) 復(fù)用 多址 接入 信源 信

2、宿 消息碼元 數(shù)字輸入消息碼元 消息碼元 數(shù)字輸出消息碼元 比特流 數(shù)字基帶波形 數(shù)字頻帶波形 信 道 同步 n 研究對象在數(shù)字通信系統(tǒng)中的位置研究對象在數(shù)字通信系統(tǒng)中的位置以語音信號的數(shù)字化過程為例著重介紹，基本原理可適用于其他模擬信源的數(shù)字化PCM基本原理基本原理n 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制數(shù)字通信中的基本問題之一數(shù)字通信中的基本問題之一預(yù)濾波預(yù)濾波限制原始語音頻帶限制原始語音頻帶抽樣抽樣時(shí)間離散化時(shí)間離散化量化量化幅度離散化幅度離散化編碼編碼量化信號形成傳輸碼組量化信號形成傳輸碼組n 復(fù)習(xí)低通抽樣定理復(fù)習(xí)低通抽樣定理一個(gè)頻帶限制在內(nèi)的連續(xù)信號一個(gè)頻帶限制在內(nèi)的連續(xù)信號 ，如果抽樣頻率，如

3、果抽樣頻率 大于或等于大于或等于 ，則可以由抽樣序列，則可以由抽樣序列 無失真地重建恢無失真地重建恢復(fù)原始信號復(fù)原始信號數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述抽樣信號：抽樣信號：抽樣信號的頻譜：抽樣信號的頻譜：低通抽樣低通抽樣)()()(ttxtxTs)()(21)(TsXX)(2)(nssTnTHf , 0)(txsfHf2snTx)(tx)(1 )()(1)(nssnsssnXTnXTX頻譜不混疊！ 原始信號的重建原始信號的重建濾波得到原始信號頻譜：濾波得到原始信號頻譜：重建信號的時(shí)域表達(dá)式：重建信號的時(shí)域表達(dá)式： , 0 , 1)(HHHnsHsHssnssHHssnTtnTtnTxTnTtnTxttTtxt

4、htx)()(sin)(1 )()(sin1)()()( HssoHXX )()()(低通抽樣低通抽樣n 低通抽樣定理帶來的啟示低通抽樣定理帶來的啟示抽樣信號的頻譜是原始信號頻譜的復(fù)制和搬移抽樣信號的頻譜是原始信號頻譜的復(fù)制和搬移只要頻譜不發(fā)生混疊，就可以無失真恢復(fù)原始信號只要頻譜不發(fā)生混疊，就可以無失真恢復(fù)原始信號n 帶通信號的抽樣帶通信號的抽樣帶通抽樣帶通抽樣-fH-fLfLfH-fL+kfs-fH+(k+1)fsn 帶通信號的抽樣帶通信號的抽樣保證頻譜不混疊的條件保證頻譜不混疊的條件HsHLsLffkffkff) 1(帶通抽樣帶通抽樣LsHfkfkf)11 (2) 1(2HLLHHfMN

5、fffMNBMNf)11 ()()(HsHfMNkfkf)11)(11 (2) 1(21)11)(11 (MNk11kNkMNBNMNfNMBfMNMNNffNsHsH112)1 (211122帶通抽樣帶通抽樣n 帶通抽樣定理帶通抽樣定理對于帶通信號，抽樣頻率對于帶通信號，抽樣頻率 應(yīng)滿足下列關(guān)系式：應(yīng)滿足下列關(guān)系式： 其中，其中， N為不超過為不超過 的最大正整數(shù)的最大正整數(shù)帶通抽樣定理給出了帶通信號抽樣的最低頻率帶通抽樣定理給出了帶通信號抽樣的最低頻率帶通信號最低抽樣頻率在帶通信號最低抽樣頻率在2B4B之間之間除最低抽樣頻率外，仍可能有小于除最低抽樣頻率外，仍可能有小于2倍最高頻率的其他抽

6、樣倍最高頻率的其他抽樣頻率頻率當(dāng)最高頻率是帶寬的整數(shù)倍時(shí)，最低抽樣頻率總為當(dāng)最高頻率是帶寬的整數(shù)倍時(shí)，最低抽樣頻率總為2BsfNMBNMfffLHs121)(2，NfffffBLHHLH)(M)(LHHfffn 自然抽樣自然抽樣 抽樣脈沖為任意形狀脈沖抽樣脈沖為任意形狀脈沖 表達(dá)式表達(dá)式抽樣脈沖序列：抽樣脈沖序列：抽樣序列：抽樣序列：抽樣信號頻譜：抽樣信號頻譜：)()(snnTtptc)(tpnssnTtptxtctxtx)()()()()(實(shí)際抽樣實(shí)際抽樣nsnsnXCX)()(頻譜形狀不變，幅度乘以系數(shù)實(shí)際抽樣實(shí)際抽樣n 平頂抽樣抽樣保持平頂抽樣抽樣保持 每個(gè)抽樣脈沖頂部不隨信號變化每個(gè)抽

7、樣脈沖頂部不隨信號變化抽樣保持電路實(shí)現(xiàn)抽樣保持電路實(shí)現(xiàn) 可以等價(jià)為理想抽樣后再經(jīng)過一個(gè)沖激響應(yīng)為矩形的網(wǎng)絡(luò)來形成可以等價(jià)為理想抽樣后再經(jīng)過一個(gè)沖激響應(yīng)為矩形的網(wǎng)絡(luò)來形成 表達(dá)式表達(dá)式 0, t0 A,)(其他thejAH22)2sin()(n 平頂抽樣平頂抽樣理想抽樣序列：理想抽樣序列：平頂抽樣序列：平頂抽樣序列：平頂抽樣序列頻譜：平頂抽樣序列頻譜： 平頂抽樣在頻譜上引入孔徑失真，在收端必須進(jìn)行頻率補(bǔ)償，抵消失真。補(bǔ)償平頂抽樣在頻譜上引入孔徑失真，在收端必須進(jìn)行頻率補(bǔ)償，抵消失真。補(bǔ)償濾波器的傳遞函數(shù)濾波器的傳遞函數(shù) 為使輸出最大，取為使輸出最大，取實(shí)際抽樣實(shí)際抽樣nsTsnTttxttxtx

8、)()()()()(nsssssfnTthnTxdthxthtxtx)()()()()()()(ssssfTHnXHXX)()()()()(njsssfenXTAX22)2sin()()()(/1HsT在數(shù)字化過程中，抽樣沒有引起失真！n 標(biāo)量量化標(biāo)量量化 稱為分層電平或判決閾值。通常把稱為分層電平或判決閾值。通常把 稱稱 為量化間為量化間隔?？刹捎昧炕匦郧€描述量化器輸出隔?？刹捎昧炕匦郧€描述量化器輸出 與輸入與輸入 的關(guān)系。的關(guān)系。 連續(xù)幅值無限數(shù)集合到離散幅值有限數(shù)集合的映射連續(xù)幅值無限數(shù)集合到離散幅值有限數(shù)集合的映射標(biāo)量量化標(biāo)量量化L.,1,2,.k ,)(1kkkyxxxQxQ

9、ykxkkkxx1yxn 標(biāo)量量化噪聲標(biāo)量量化噪聲 量化引入的失真量化誤差量化引入的失真量化誤差量化噪聲的度量量化噪聲的度量 量化器設(shè)計(jì)的任務(wù)量化器設(shè)計(jì)的任務(wù)最佳量化器：在給定輸入信號概率密最佳量化器：在給定輸入信號概率密 與量化電平數(shù)與量化電平數(shù)L的的條件下，求出一組分層電平值條件下，求出一組分層電平值 與量化電平值與量化電平值 使均方誤差使均方誤差 最小最小)(xQxyxqqdxxpxQxxQxExq)()()(222標(biāo)量量化噪聲標(biāo)量量化噪聲Lkxxxkqkkdxxpyx1221)()()(xpx kx ky2q在數(shù)字化過程中，量化引入了失真，需要把這種失真最小化！n 矢量量化矢量量化 輸

10、入是一個(gè)連續(xù)幅值的隨機(jī)矢量輸入是一個(gè)連續(xù)幅值的隨機(jī)矢量 輸出是離散幅度的矢量輸出是離散幅度的矢量 ，稱為碼本或重建碼本，稱為碼本或重建碼本，L為碼本尺度為碼本尺度 把把N維隨機(jī)矢量空間分為維隨機(jī)矢量空間分為L個(gè)子空間，每個(gè)子空間對應(yīng)一個(gè)碼本矢量個(gè)子空間，每個(gè)子空間對應(yīng)一個(gè)碼本矢量 矢量量化的失真度量矢量量化的失真度量 最佳矢量量化最佳矢量量化量化矢量選擇：量化矢量選擇：總平均失真最?。嚎偲骄д孀钚。菏噶苛炕噶苛炕?1)(1)()(1),(yxkNkkTNyxyxNyxd,.,21xxxNx )1(,.,21LiyyyyiNiiyCiixQx)( ijiyxQLjijyxdyxd)(1 ,)

11、,(),(則如果xdxpyxdyxdEDiCxi)(),(),(n 矢量量化與標(biāo)量量化的比較矢量量化與標(biāo)量量化的比較 矢量量化是把量化矢量（碼字）分別存儲在編碼和譯碼兩端的碼矢量量化是把量化矢量（碼字）分別存儲在編碼和譯碼兩端的碼書中，而信道中傳輸?shù)牟皇橇炕噶勘旧?，而是碼字的編號書中，而信道中傳輸?shù)牟皇橇炕噶勘旧?，而是碼字的編號 在相同的失真條件下，矢量量化所需要的速率比標(biāo)量量化低得多，在相同的失真條件下，矢量量化所需要的速率比標(biāo)量量化低得多，其編碼效率更高其編碼效率更高 在相同的速率下，矢量量化的失真比標(biāo)量量化的失真明顯的小在相同的速率下，矢量量化的失真比標(biāo)量量化的失真明顯的小 矢量量化

12、的復(fù)雜度隨維數(shù)成指數(shù)增長，其復(fù)雜度比標(biāo)量量化高矢量量化的復(fù)雜度隨維數(shù)成指數(shù)增長，其復(fù)雜度比標(biāo)量量化高n 矢量量化的應(yīng)用矢量量化的應(yīng)用 低速率語音壓縮編碼低速率語音壓縮編碼提取的語音參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合矢量量化，降低語音編碼速率提取的語音參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合矢量量化，降低語音編碼速率困難在于碼本的設(shè)計(jì)及碼本的快速搜索困難在于碼本的設(shè)計(jì)及碼本的快速搜索 圖像壓縮編碼圖像壓縮編碼矢量量化與標(biāo)量量化的比較矢量量化與標(biāo)量量化的比較n 量化噪聲量化噪聲n 量化器設(shè)計(jì)的約束條件量化器設(shè)計(jì)的約束條件 信號的概率分布信號的概率分布 量化電平數(shù)量化電平數(shù)n 量化器設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)量化器設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo) 最小化均方誤差最小化均方誤差n

13、 量化器設(shè)計(jì)的可控變量量化器設(shè)計(jì)的可控變量 分層電平分層電平 量化電平量化電平1221()( )kkLxqkxxkxypx dx最佳量化最佳量化最佳量化器的分層電平與量化電平與信號的概率密度函數(shù)有關(guān)，與量化電平數(shù)有關(guān)！沒有統(tǒng)一的量化電平分割方法，這給工程實(shí)現(xiàn)帶來很大的困難！如何解決這個(gè)問題？近似！n 分層電平分層電平物理意義：分層電平在相鄰重建電平的中點(diǎn)物理意義：分層電平在相鄰重建電平的中點(diǎn)n 重建電平重建電平物理意義：重建電平在分層電平的質(zhì)心物理意義：重建電平在分層電平的質(zhì)心L2,3,.k )(210, 1,2 optkoptkoptkkqyyxx.L1,2,3,. k )()(0, 1,

14、1,2optkoptkoptkoptkxxxxxxoptkkqdxxpdxxxpyy最佳量化器的求解最佳量化器的求解求解方法：迭代！2, 1,optkoptkoptkxxykkxkxpP)(最佳量化器的求解最佳量化器的求解n 討論特殊情況討論特殊情況 L1時(shí)，時(shí)， 相鄰分層電平間隔區(qū)的概率密度可認(rèn)為是常數(shù)相鄰分層電平間隔區(qū)的概率密度可認(rèn)為是常數(shù)物理意義：最佳量化電平正好在分層電平的中點(diǎn)物理意義：最佳量化電平正好在分層電平的中點(diǎn)n 最佳量化器的量化噪聲最佳量化器的量化噪聲 不過載噪聲不過載噪聲dxxpPyxyxPdxyxPdxxpyxxVVkLkkkLkkkkkkkkxxkkkLkxxxkqkk

15、kk)()(1211213)(3)( )()()(2121331L1212211V為量化器最大量化電平思考題：此時(shí)量化有什么特征？最佳量化器的求解最佳量化器的求解n 最佳量化器的量化噪聲最佳量化器的量化噪聲 過載噪聲過載噪聲 總量化噪聲總量化噪聲 量化信噪比量化信噪比VxVVxxqodxxpVxdxxpVxdxxpVx)()(2 )()()()(2222222qoqqs2qqSSNR量化信噪比是衡量量化器噪聲的重要指標(biāo)！是數(shù)字傳輸系統(tǒng)的整體噪聲的組成部分之一！n 均勻量化均勻量化 在量化范圍內(nèi)，量化間隔相等在量化范圍內(nèi)，量化間隔相等 不過載量化噪聲不過載量化噪聲引用引用L1時(shí)量化噪聲的結(jié)論，且

16、噪聲獨(dú)立時(shí)量化噪聲的結(jié)論，且噪聲獨(dú)立均勻量化均勻量化LVk22221212231212121LVPPLkkLkkkq量化噪聲與信號統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)！只有在信號均勻分布條件下，均勻量化器才是嚴(yán)格意義上的最佳量化器！n 量化信噪比量化信噪比 一般表達(dá)式一般表達(dá)式 量化比特?cái)?shù)量化比特?cái)?shù) 規(guī)一化有效值規(guī)一化有效值 dB表示式表示式22222223)3(2LVALVASmmqnL2最大量化電平信號有效值 2VADmn正弦信號的均勻量化正弦信號的均勻量化nDDSndBq02. 6lg2077. 42lg20lg203lg102均勻量化情況下，量化比特?cái)?shù)增加一位，量化信噪比增加6dB！6dBn 語音信號的概率密

17、度分布語音信號的概率密度分布 拉普拉斯分布拉普拉斯分布 隨機(jī)信號，必定存在過載噪聲隨機(jī)信號，必定存在過載噪聲 語音信號功率語音信號功率 量化信噪比量化信噪比過載噪聲很小過載噪聲很小過載噪聲很大過載噪聲很大語音信號的均勻量化語音信號的均勻量化xxxxexp221)(22)(SxdxxpxVx/D)31lg(10/2222xVdBqseLDSxxVxVxxqoedxeVx222222)(2DnLDSdBqslg2077. 402. 631lg10222DSdBqs1 . 62 語音信號的均勻量化語音信號的均勻量化n 關(guān)于關(guān)于D的討論的討論 動態(tài)范圍：滿足量化信噪比輸出要求的輸入信號功率的變化范圍動

18、態(tài)范圍：滿足量化信噪比輸出要求的輸入信號功率的變化范圍 對量化的要求對量化的要求 最大的量化電平應(yīng)盡可能參照最大的信號設(shè)定最大的量化電平應(yīng)盡可能參照最大的信號設(shè)定 量化信噪比在最小信號下也應(yīng)滿足要求量化信噪比在最小信號下也應(yīng)滿足要求 均勻量化器不過載量化噪聲與信號分布無關(guān)，是一個(gè)固定值，因此在小信號時(shí)均勻量化器不過載量化噪聲與信號分布無關(guān)，是一個(gè)固定值，因此在小信號時(shí)量化信噪比會很低，從而影響動態(tài)范圍量化信噪比會很低，從而影響動態(tài)范圍n 關(guān)于量化比特?cái)?shù)的討論關(guān)于量化比特?cái)?shù)的討論 均勻量化的比特?cái)?shù)與量化信噪比的關(guān)系是確定均勻量化的比特?cái)?shù)與量化信噪比的關(guān)系是確定6dB/比特比特 語音動態(tài)范圍可達(dá)（

19、4050）dB，高質(zhì)量電話（長途電話）的SNR至少應(yīng)大于25dB以上。如果采用均勻量化，為了滿足在50dB的范圍內(nèi)的SNR大于25dB的要求，必須采用n=12位的均勻量化器 通信帶寬要求：128K96Kbps，帶寬要求大于48KHz 5077. 402. 625n要尋求其他的量化方法，降低帶寬需求！非均勻量化非均勻量化n 概念概念量化間隔不相等量化間隔不相等對于語音信號而言，采用均勻量化是不合理的，小信號出現(xiàn)對于語音信號而言，采用均勻量化是不合理的，小信號出現(xiàn)概率大，對噪聲功率的貢獻(xiàn)也大，為了使概率大，對噪聲功率的貢獻(xiàn)也大，為了使SNR 提高，應(yīng)當(dāng)提高，應(yīng)當(dāng)減小小信號時(shí)的量化間隔。為此，應(yīng)采用

20、非均勻量化，小信減小小信號時(shí)的量化間隔。為此，應(yīng)采用非均勻量化，小信號時(shí)量化號時(shí)量化“細(xì)細(xì)”，大信號時(shí)量化，大信號時(shí)量化“粗粗”。即采用。即采用“瞬時(shí)壓擴(kuò)瞬時(shí)壓擴(kuò)”的概念，以改善信噪比的概念，以改善信噪比非均勻量化非均勻量化n 采用壓擴(kuò)特性的量化噪聲采用壓擴(kuò)特性的量化噪聲原始信號經(jīng)過壓縮特性變化后進(jìn)行均勻量化原始信號經(jīng)過壓縮特性變化后進(jìn)行均勻量化最佳非均勻量化最佳非均勻量化求解壓擴(kuò)特性求解壓擴(kuò)特性 ，使量化信噪比最大化，使量化信噪比最大化)(xfz )(xkdxxpxfdxxpxfdxxpxxfdxdzxLLVxVVVxzVVxkqkz)()(6)()(121)()(121)(/)(/1/20

21、222222z時(shí)，)(xfn 最佳非均勻量化的求解最佳非均勻量化的求解利用拉格朗日乘子法，求得利用拉格朗日乘子法，求得n 均勻分布的最佳壓縮特性均勻分布的最佳壓縮特性n 語音信號最佳壓縮特性語音信號最佳壓縮特性最佳非均勻量化最佳非均勻量化xxf)(Vxqdxxxfp0222)()(6minVVdxxfdxxfdzst0)()( .即33102min231)(32)()(dxxpLdxxpKxfVxqxx 語音信號的最佳壓縮特性提供的動態(tài)范圍太小，不能滿足要求！采用理想的對數(shù)壓擴(kuò)函數(shù)時(shí)量化器輸出的信噪比與輸入信號無關(guān)，但具有放大小信號、壓縮大信號的作用，可用于工程應(yīng)用！2222202022220

22、22312)(2)(6)()(61)(ln1)(VBLBSNRdxxpxSdxxpxBdxxpxfBxxfxBxfxVxVxVq對數(shù)壓擴(kuò)非均勻量化對數(shù)壓擴(kuò)非均勻量化n 對數(shù)壓擴(kuò)特性下的量化信噪比對數(shù)壓擴(kuò)特性下的量化信噪比11,ln1ln110,ln1)(xAAAxAxAAxxfA律對數(shù)壓縮特性量化律對數(shù)壓縮特性量化n 壓縮特性壓縮特性小信號段，信噪比增加了24dB（20lg16=24） 律對數(shù)壓縮特性量化律對數(shù)壓縮特性量化10)1ln()1ln()(xxxf n 壓縮特性壓縮特性小信號段，信噪比增加了33.5dBn A律壓縮特性的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)律壓縮特性的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)折線近似折線近似13折線段折線段

23、規(guī)一化信號幅度在正區(qū)間分成不均勻規(guī)一化信號幅度在正區(qū)間分成不均勻8個(gè)區(qū)間個(gè)區(qū)間區(qū)間長度以區(qū)間長度以2倍遞增倍遞增A律律13折線段近似壓縮量化折線段近似壓縮量化 思考：為什么？編碼編碼n 量化電平變?yōu)槎M(jìn)制碼組量化電平變?yōu)槎M(jìn)制碼組常用二進(jìn)制碼組常用二進(jìn)制碼組編碼編碼n 編碼對信噪比的影響編碼對信噪比的影響 信道傳輸過程中產(chǎn)生誤碼信道傳輸過程中產(chǎn)生誤碼 在信號恢復(fù)過程中產(chǎn)生失真，即噪聲在信號恢復(fù)過程中產(chǎn)生失真，即噪聲 常用常用FBC語音信號的小信號出現(xiàn)概率大語音信號的小信號出現(xiàn)概率大小信號時(shí)小信號時(shí)FBC產(chǎn)生的解碼誤差要小產(chǎn)生的解碼誤差要小 解碼輸出的總噪聲為量化噪聲與信道傳輸誤碼噪聲之和！n

24、傳輸誤碼對信噪比的影響（均勻量化、傳輸誤碼對信噪比的影響（均勻量化、NBC碼）碼） 誤碼導(dǎo)致均方誤差為誤碼導(dǎo)致均方誤差為 考慮低誤碼率情況，此時(shí)僅考慮出現(xiàn)每個(gè)碼組出現(xiàn)一個(gè)誤碼考慮低誤碼率情況，此時(shí)僅考慮出現(xiàn)每個(gè)碼組出現(xiàn)一個(gè)誤碼 若采用自然碼，且量化電平等該出現(xiàn)，第若采用自然碼，且量化電平等該出現(xiàn)，第k位出錯(cuò)產(chǎn)生的誤差為位出錯(cuò)產(chǎn)生的誤差為 接收端信噪比接收端信噪比2211()LLtijijiiiyyP P2log2211()LLtijeiiiyyPP 12k22loglog221221211111( 2)43LLLkkteeeiiiLPPPL 22222222() /12/12(1)/314(1

25、)qteeSLLP LP L編碼編碼SNR下降3dB的誤比特率是衡量指標(biāo)！A律編碼表律編碼表12345678 MMMMMMMM 極性碼段落碼電平碼n1250的編解碼的編解碼編碼編碼12500 M11決定極性碼1250256M21 12501024 M31決定段落碼12502048 M4010245121250 M5010242561250 M60決定電平碼10241281250 M711024128641250 M81解碼解碼102412864321248A律編解碼舉例律編解碼舉例最佳量化：重建電平在分層電平的中點(diǎn)！n 模擬語音模擬語音 信號頻帶在信號頻帶在10Hz20kHz，主要集中在低頻段

26、，主要集中在低頻段n 預(yù)濾波預(yù)濾波 截取語音信號頻譜最豐富的區(qū)域截取語音信號頻譜最豐富的區(qū)域300Hz3400Hzn 抽樣抽樣 低通抽樣，低通抽樣，8KHz抽樣率抽樣率n 量化量化 A律或律或u律折線近似對數(shù)壓縮量化律折線近似對數(shù)壓縮量化 ，8比特比特 8KHz8bit64Kbpsn 編解碼編解碼 折線近似編碼表，最佳量化特性解碼折線近似編碼表，最佳量化特性解碼n 波形重建波形重建 消除孔徑失真，采用補(bǔ)償濾波器消除孔徑失真，采用補(bǔ)償濾波器PCM 模擬語音 預(yù)濾波 抽樣 量化 編碼 數(shù)字信道 解碼 波形重建 模擬語音 增量調(diào)制增量調(diào)制 n 增量調(diào)制的特點(diǎn)增量調(diào)制的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡單，碼率低實(shí)現(xiàn)簡單，碼

27、率低在比特率低時(shí)，增量調(diào)制的量化信噪比高于在比特率低時(shí)，增量調(diào)制的量化信噪比高于PCM增量調(diào)制的抗噪聲能力強(qiáng)，能工作于較高誤比特率信道增量調(diào)制的抗噪聲能力強(qiáng)，能工作于較高誤比特率信道廣泛應(yīng)用于軍事通信、衛(wèi)星通信等廣泛應(yīng)用于軍事通信、衛(wèi)星通信等n 基本原理基本原理對信號變化趨勢編碼！n 編碼器編碼器 輸入信號抽樣值輸入信號抽樣值 本地譯碼信號的重建抽樣值（接收端重建樣值）本地譯碼信號的重建抽樣值（接收端重建樣值） 差值信號差值信號 差值信號的量化結(jié)果差值信號的量化結(jié)果 單單bit數(shù)碼表示數(shù)碼表示Q數(shù)碼形成Z-1C(n)S(n)e(n)-+Sl(n)( ne)(nS( )S n( )(1)lS n

28、S n( )e n( )( )(1)e nS nS n( )e n( )0( )( )0e ne ne n( )C n1( )( )0( )e nC ne n 增量調(diào)制的編解碼增量調(diào)制的編解碼 對信號下一時(shí)刻值進(jìn)行預(yù)測，然后對實(shí)際值與預(yù)測值的差值進(jìn)行編碼！n 解碼器解碼器 工作原理工作原理 考慮理想的無誤碼信道考慮理想的無誤碼信道解碼)(ne)(nC)(nS1Z( )1 ( )( )0C ne nC n( )( )(1)S ne nS n( )( )C nC n( )( )e ne n( )( )S nS n實(shí)際編碼譯碼器常用簡單RC積分器和比較器來實(shí)現(xiàn)延時(shí)和量化,實(shí)現(xiàn)非常簡單!增量調(diào)制的編解

29、碼增量調(diào)制的編解碼 解碼器就是編碼的預(yù)測部分！n 滿載情況滿載情況信號幅度以很大斜率上升時(shí)，可能出現(xiàn)差值一直為正的情信號幅度以很大斜率上升時(shí)，可能出現(xiàn)差值一直為正的情況，出現(xiàn)連續(xù)的況，出現(xiàn)連續(xù)的1輸出輸出信號幅度以很大斜率下降時(shí)，可能出現(xiàn)差值一直為負(fù)的情信號幅度以很大斜率下降時(shí)，可能出現(xiàn)差值一直為負(fù)的情況，出現(xiàn)連續(xù)的況，出現(xiàn)連續(xù)的0輸出輸出n 過載情況過載情況即使用連續(xù)的即使用連續(xù)的1或者或者0，也跟不上實(shí)際信號變化的情況，也跟不上實(shí)際信號變化的情況臨界過載條件臨界過載條件|()( )|f tNf tN( )/sf tT 增量調(diào)制的工作條件分析增量調(diào)制的工作條件分析出現(xiàn)過載，則會導(dǎo)致量化信噪比

30、大幅下降！n 考慮單頻信號考慮單頻信號 其斜率為其斜率為 最大斜率為最大斜率為n 臨界過載（滿載）條件臨界過載（滿載）條件 對于給定的重建電平，增大采樣頻率可以提高臨界過載頻率對于給定的重建電平，增大采樣頻率可以提高臨界過載頻率 對于給定的采樣頻率，增大重建電平可以提高臨界過載頻率對于給定的采樣頻率，增大重建電平可以提高臨界過載頻率n 增大重建電平和采樣頻率的代價(jià)是什么增大重建電平和采樣頻率的代價(jià)是什么 增大采樣頻率會導(dǎo)致信源速率的提升增大采樣頻率會導(dǎo)致信源速率的提升 增大重建電平會導(dǎo)致量化噪聲的增加增大重建電平會導(dǎo)致量化噪聲的增加 信源速率和量化噪聲之間存在某種折中信源速率和量化噪聲之間存在

31、某種折中max( )/ssStATf ( )cosS tAt( )sinS tAt max( )StA增量調(diào)制的工作條件分析增量調(diào)制的工作條件分析增量調(diào)制的量化噪聲增量調(diào)制的量化噪聲 量化誤差量化誤差 均方誤差均方誤差 設(shè)量化噪聲功率譜在設(shè)量化噪聲功率譜在 范圍內(nèi)均勻分布，收端濾波器帶寬范圍內(nèi)均勻分布，收端濾波器帶寬 輸出量化噪聲輸出量化噪聲 在臨界過載條件下的最大量化信噪比在臨界過載條件下的最大量化信噪比321)(2222deedeepeq( )( )( ) (, )le tS tS tU (0 , )sfBf223Bqsff2sfAfAmax2sfAf223maxmax2228sAfSf3

32、3maxmax222230.0388ssqBBSffSNRf ff fmax101010()30log20log10log14sBSNRdBfffn 誤碼引起的噪聲誤碼引起的噪聲 解碼結(jié)果的累積和表示解碼結(jié)果的累積和表示 若在若在n時(shí)刻發(fā)生誤碼，則時(shí)刻發(fā)生誤碼，則 則產(chǎn)生誤碼相當(dāng)于疊加噪聲功率則產(chǎn)生誤碼相當(dāng)于疊加噪聲功率 假設(shè)濾波器帶寬內(nèi)功率譜是平的，則其功率譜密度假設(shè)濾波器帶寬內(nèi)功率譜是平的，則其功率譜密度1( )( )(0)nkS nb kS1( )1( )1( )0C nb nC n( )( )( )pe ne nen2( )1 ( )2( )0pC nenC n 22(2 )tbP22

33、2(2 )8( )/2bbtssPPfffRC積分電路2222bstLPff增量調(diào)制的抗誤碼能力增量調(diào)制的抗誤碼能力 回顧臨界過載時(shí)的單頻信號功率回顧臨界過載時(shí)的單頻信號功率 存在誤碼時(shí)，增量調(diào)制的最大信噪比存在誤碼時(shí)，增量調(diào)制的最大信噪比 考慮工程實(shí)例考慮工程實(shí)例 若信噪比下降若信噪比下降3dB 對于對于223maxmax2228sAfSf3100,300BLfHz fHz32sfkHz31.5 10bP64sfkHz43.74 10bP6,3.81 10b PCMPdBSNRfBffpfffpSSNRsLbLsbq3661max22222maxmax下降時(shí)B增量調(diào)制的抗誤碼能力增量調(diào)制的抗

34、誤碼能力增量調(diào)制的抗噪聲能力遠(yuǎn)高于PCM！增量調(diào)制的改進(jìn)增量調(diào)制的改進(jìn)n 數(shù)字壓擴(kuò)自適應(yīng)增量調(diào)制數(shù)字壓擴(kuò)自適應(yīng)增量調(diào)制CVSD 利用斜率的不可突變性利用斜率的不可突變性 當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)“1”或或“0”，即可認(rèn)為信號有出現(xiàn)過載的可能，從而增大，即可認(rèn)為信號有出現(xiàn)過載的可能，從而增大 當(dāng)信號的斜率不會發(fā)生突變時(shí)，這一反饋過程可以當(dāng)信號的斜率不會發(fā)生突變時(shí)，這一反饋過程可以使其本地譯碼信號跟上變化使其本地譯碼信號跟上變化n 增量總和調(diào)制增量總和調(diào)制 低頻信號能夠容忍較小的重建電平低頻信號能夠容忍較小的重建電平 抑制高頻分量可以減小過載的可能性抑制高頻分量可以減小過載的可能性max( )/ssS

35、tATf PCM與簡單增量調(diào)制的比較與簡單增量調(diào)制的比較n 抽樣頻率抽樣頻率 PCM系統(tǒng)的抽樣頻率系統(tǒng)的抽樣頻率8K 增量調(diào)制系統(tǒng)的抽樣頻率不能根據(jù)抽樣定理來確定，而需要根增量調(diào)制系統(tǒng)的抽樣頻率不能根據(jù)抽樣定理來確定，而需要根據(jù)斜率過載條件以及信噪比來確定，一般情況下，為保證不發(fā)據(jù)斜率過載條件以及信噪比來確定，一般情況下，為保證不發(fā)生斜率過載以及保證與生斜率過載以及保證與PCM系統(tǒng)有相同的信噪比，增量調(diào)制的系統(tǒng)有相同的信噪比，增量調(diào)制的抽樣頻率將遠(yuǎn)高于抽樣頻率將遠(yuǎn)高于PCM系統(tǒng)系統(tǒng)n 帶寬帶寬 PCM碼速率碼速率64Kbit/s，帶寬需求，帶寬需求32K 如要求與如要求與PCM有相同的傳輸質(zhì)量

36、，則增量調(diào)制要求抽樣頻率有相同的傳輸質(zhì)量，則增量調(diào)制要求抽樣頻率100K以上，帶寬要求以上，帶寬要求50K 增量調(diào)制一般速率為增量調(diào)制一般速率為32Kbit/s或或16Kbit/s，但質(zhì)量不如，但質(zhì)量不如PCM n 量化信噪比（比較單頻正弦情況）量化信噪比（比較單頻正弦情況）n 抗信道誤碼性能：抗信道誤碼性能： 優(yōu)于優(yōu)于PCMPCMM5nPCMM43 .10lg30,3,8008)038. 0lg(102623信噪比差于時(shí)，在信噪比優(yōu)于時(shí)，在可以看出則可以得到，并取可以設(shè)定編碼速率的情況下，在保證占用相同帶寬即nnSNRKHzfHzfnffffSNRnSNRMBsBsMPCMMPCM與簡單增量

37、調(diào)制的比較與簡單增量調(diào)制的比較DPCM產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因n 降低語音編碼速率的必要性降低語音編碼速率的必要性模擬單邊帶多路載波電話的帶寬模擬單邊帶多路載波電話的帶寬4K，而，而PCM的帶寬的理論的帶寬的理論值為值為32K在頻帶受限的應(yīng)用場合經(jīng)濟(jì)性太低，如衛(wèi)星通信、移動通信在頻帶受限的應(yīng)用場合經(jīng)濟(jì)性太低，如衛(wèi)星通信、移動通信等等PCM占用高帶寬的原因分析占用高帶寬的原因分析為滿足語音信號的高動態(tài)范圍而采用了多位的量化為滿足語音信號的高動態(tài)范圍而采用了多位的量化對每個(gè)采樣點(diǎn)都進(jìn)行量化，沒有考慮語音信號的前后相對每個(gè)采樣點(diǎn)都進(jìn)行量化，沒有考慮語音信號的前后相關(guān)性關(guān)性增量調(diào)制對差值信號只進(jìn)行一位編碼

38、，量化的精度不夠，量增量調(diào)制對差值信號只進(jìn)行一位編碼，量化的精度不夠，量化信噪比低，但其思想可以借鑒化信噪比低，但其思想可以借鑒n 預(yù)測編碼的概念預(yù)測編碼的概念 相鄰樣點(diǎn)之間可能只有一個(gè)量化間隔或少數(shù)個(gè)量化間隔的差別，相鄰樣點(diǎn)之間可能只有一個(gè)量化間隔或少數(shù)個(gè)量化間隔的差別，PCM傳送的信息存在冗余傳送的信息存在冗余 在編碼前就去掉相關(guān)性很強(qiáng)的冗余，然后再進(jìn)行編碼傳送在編碼前就去掉相關(guān)性很強(qiáng)的冗余，然后再進(jìn)行編碼傳送 預(yù)測編碼：根據(jù)過去的信號樣值預(yù)測下一個(gè)樣值，并且把預(yù)測預(yù)測編碼：根據(jù)過去的信號樣值預(yù)測下一個(gè)樣值，并且把預(yù)測值與現(xiàn)實(shí)的采樣值之差進(jìn)行量化加以編碼和傳送值與現(xiàn)實(shí)的采樣值之差進(jìn)行量化加

39、以編碼和傳送 在接收端，經(jīng)過相同的預(yù)測和濾波，即可得到原始信號波形在接收端，經(jīng)過相同的預(yù)測和濾波，即可得到原始信號波形 抽樣 量化 預(yù)測 x(t) e(KTs) + - + + 編碼 傳輸 解碼 預(yù)測 濾波 輸出 + + 預(yù)測編碼預(yù)測編碼 )()()()()()()()()()()(kdkdkSkSkekdkSkSkSkSkdqrqereDPCM基本原理基本原理n 原理框圖原理框圖n 數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述n DPCM性能性能 一般總是大于一般總是大于1，稱為，稱為DPCM處理增益，其值主要取決于預(yù)測處理增益，其值主要取決于預(yù)測的效果的效果 由于量化的是樣值與預(yù)測值的差值信號，因此動態(tài)范圍可以減由于

40、量化的是樣值與預(yù)測值的差值信號，因此動態(tài)范圍可以減小，同時(shí)也可有效減小量化誤差，從而使小，同時(shí)也可有效減小量化誤差，從而使DPCM在較低的編碼在較低的編碼率下獲得較高的信噪比質(zhì)量率下獲得較高的信噪比質(zhì)量 需要研究的問題是：如何設(shè)計(jì)預(yù)測器獲得更好的需要研究的問題是：如何設(shè)計(jì)預(yù)測器獲得更好的SNR零點(diǎn)預(yù)測器零點(diǎn)預(yù)測器極點(diǎn)預(yù)測器極點(diǎn)預(yù)測器最佳預(yù)測器最佳預(yù)測器qpSNRGkeEkdEkdEkSEkeEkSESNR)()()()()()(222222pGDPCM的量化信噪比增益的量化信噪比增益n 極點(diǎn)預(yù)測器極點(diǎn)預(yù)測器 N階預(yù)測器的輸出是前階預(yù)測器的輸出是前N個(gè)預(yù)測值的線性組合個(gè)預(yù)測值的線性組合稱為重建濾

41、波器如果不考慮量化誤差NiiiqqrNiiirqNirieZaZHZHZdZDZdZSZaZSZdZDikSakS11111)()()()(/ )()(1)(/ )()()()(量化器編碼解碼全極點(diǎn)預(yù)測器)(ns)(nsp)(nsp)(nsr)(nsr)(nd)(ndq)(ndq)(nI全極點(diǎn)預(yù)測器DPCM工作原理圖全極點(diǎn)預(yù)測器DPCM的預(yù)測器設(shè)計(jì)的預(yù)測器設(shè)計(jì)n 零點(diǎn)預(yù)測器零點(diǎn)預(yù)測器 M階預(yù)測器的輸出是前階預(yù)測器的輸出是前M個(gè)量化值的線性組合個(gè)量化值的線性組合零點(diǎn)預(yù)測器由于只有零點(diǎn)，稱為全重建濾波器重建信號MiiiMiiiqqrMiqieZbZHZbZdZHZdZSikdbkS1111)()1

42、)()()()()()(全零點(diǎn)預(yù)測器量化器編碼解碼全零點(diǎn)預(yù)測器全零點(diǎn)預(yù)測器DPCM)(ns)(nd)(ndq)(ndq)(nsp)(nsp)(nsrDPCM的預(yù)測器設(shè)計(jì)的預(yù)測器設(shè)計(jì)DPCM的預(yù)測器設(shè)計(jì)的預(yù)測器設(shè)計(jì)全零點(diǎn)預(yù)測器全極點(diǎn)預(yù)測器量化器編碼解碼全零點(diǎn)預(yù)測器全極點(diǎn)預(yù)測器零極點(diǎn)混合預(yù)測器DPCM)(ns)(nd)(ndq)(ndq)(nsp)(nsp)(nsr)(nsrn 零極點(diǎn)預(yù)測器零極點(diǎn)預(yù)測器 把零點(diǎn)預(yù)測器和極點(diǎn)預(yù)測器組合在一起，即構(gòu)成零極點(diǎn)預(yù)測器把零點(diǎn)預(yù)測器和極點(diǎn)預(yù)測器組合在一起，即構(gòu)成零極點(diǎn)預(yù)測器MiiiMiiiZaZbZH11)1 ( / )1 ()(n 最佳預(yù)測器最佳預(yù)測器 確定

43、一組最佳預(yù)測系數(shù)，使得確定一組最佳預(yù)測系數(shù)，使得 最小最小 在全極點(diǎn)模型下，并忽略量化誤差在全極點(diǎn)模型下，并忽略量化誤差 最終輸出的信噪比與預(yù)測階數(shù)有關(guān)最終輸出的信噪比與預(yù)測階數(shù)有關(guān)2dE)()()()()2() 1 ()0() 1()2()0() 1 () 1() 1 ()0(.0) )()()()(121opt22122ikSkSEiRNRRRRNRNRRRNRRRrRaaaaadEikSakSEkSkSEdEssssNoptoptoptiiNiie其中由此可得最佳預(yù)測系數(shù)應(yīng)滿足DPCM的預(yù)測器設(shè)計(jì)的預(yù)測器設(shè)計(jì)ADPCMn 采用自適應(yīng)的必要性采用自適應(yīng)的必要性 由于不同的講話人的語音信號的

44、特性各不相同由于不同的講話人的語音信號的特性各不相同 語音信號只能認(rèn)為是短時(shí)平穩(wěn)語音信號只能認(rèn)為是短時(shí)平穩(wěn) 采用固定的預(yù)測系數(shù)不可能對所有的語音信號獲得最好的采用固定的預(yù)測系數(shù)不可能對所有的語音信號獲得最好的結(jié)果，因此有必要采取自適應(yīng)的算法結(jié)果，因此有必要采取自適應(yīng)的算法 ADPCM的設(shè)計(jì)思路的設(shè)計(jì)思路盡可能消除語音信號中的冗余盡可能消除語音信號中的冗余對消除冗余后的信號進(jìn)行有效的比特分配，從自適應(yīng)對消除冗余后的信號進(jìn)行有效的比特分配，從自適應(yīng)角度進(jìn)行最佳編碼角度進(jìn)行最佳編碼 自適應(yīng)的方法自適應(yīng)的方法自適應(yīng)量化自適應(yīng)量化自適應(yīng)預(yù)測自適應(yīng)預(yù)測n 自適應(yīng)預(yù)測自適應(yīng)預(yù)測 前向估值的自適應(yīng)預(yù)測前向估值

45、的自適應(yīng)預(yù)測利用未量化的采樣信號提取預(yù)測信息，有編碼延時(shí)及邊信息利用未量化的采樣信號提取預(yù)測信息，有編碼延時(shí)及邊信息傳輸?shù)葐栴}傳輸?shù)葐栴} 后向估值的自適應(yīng)預(yù)測后向估值的自適應(yīng)預(yù)測利用已量化的樣本或發(fā)送數(shù)據(jù)更新預(yù)測系數(shù)利用已量化的樣本或發(fā)送數(shù)據(jù)更新預(yù)測系數(shù)緩存器提取預(yù)測系數(shù)量化預(yù)測器前向自適應(yīng)預(yù)測原理圖)(ns+-量化器自適應(yīng)預(yù)測邏輯預(yù)測器)(ns后向自適應(yīng)預(yù)測原理圖ADPCM自適應(yīng)預(yù)測自適應(yīng)預(yù)測n 自適應(yīng)量化自適應(yīng)量化針對被量化信號的變化狀態(tài)，隨時(shí)調(diào)節(jié)量化臺階大小針對被量化信號的變化狀態(tài)，隨時(shí)調(diào)節(jié)量化臺階大小以匹配輸入信號的時(shí)變方差以匹配輸入信號的時(shí)變方差前向估值的自適應(yīng)量化前向估值的自適應(yīng)量

46、化對輸入信號尚未量化的樣本計(jì)算出其前向估值大小對輸入信號尚未量化的樣本計(jì)算出其前向估值大小需要緩存訓(xùn)練的樣本，并傳送相關(guān)的邊信息，因此需要緩存訓(xùn)練的樣本，并傳送相關(guān)的邊信息，因此引入了編碼延時(shí)和占用了一定的信道容量引入了編碼延時(shí)和占用了一定的信道容量后向估值的自適應(yīng)量化后向估值的自適應(yīng)量化利用量化器的輸出樣本計(jì)算輸出信號的方差估值并利用量化器的輸出樣本計(jì)算輸出信號的方差估值并確定量化臺階確定量化臺階沒有延時(shí)，但影響估值的追蹤速度沒有延時(shí)，但影響估值的追蹤速度ADPCM自適應(yīng)量化自適應(yīng)量化語音信號數(shù)字化的研究思路語音信號數(shù)字化的研究思路信源編碼信源編碼n 信源編碼的目的信源編碼的目的 減少信源輸

47、出符號序列的冗余度，提高符號的平均信息量減少信源輸出符號序列的冗余度，提高符號的平均信息量n 信源編碼的思想信源編碼的思想 針對信源輸出的符號序列的統(tǒng)計(jì)特性，尋找一定的方法把信源針對信源輸出的符號序列的統(tǒng)計(jì)特性，尋找一定的方法把信源輸出序列符號變換為最短的碼字序列，使每個(gè)碼元所攜帶的平輸出序列符號變換為最短的碼字序列，使每個(gè)碼元所攜帶的平均信息量為最大，同時(shí)又盡可能保證無失真的恢復(fù)出原來的符均信息量為最大，同時(shí)又盡可能保證無失真的恢復(fù)出原來的符號序列號序列 信源編碼的核心就是研究信源編碼的核心就是研究壓縮編碼壓縮編碼算法，用盡可能低的傳輸碼算法，用盡可能低的傳輸碼率獲得盡可能好的質(zhì)量率獲得盡可

48、能好的質(zhì)量信源編碼的目的：壓縮冗余，提高帶寬利用效率！信源編碼是現(xiàn)代數(shù)字通信的重要組成部分！n 信源編碼的主要方法信源編碼的主要方法 匹配編碼匹配編碼 根據(jù)編碼對象出現(xiàn)的概率分配不同長度的代碼，以保證總的代碼長度最短根據(jù)編碼對象出現(xiàn)的概率分配不同長度的代碼，以保證總的代碼長度最短 需要知道信號的概率分布，可采用數(shù)學(xué)模型建模的方式或根據(jù)大量樣本信需要知道信號的概率分布，可采用數(shù)學(xué)模型建模的方式或根據(jù)大量樣本信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到 典型編碼算法：典型編碼算法：Huffman編碼編碼 預(yù)測編碼預(yù)測編碼 利用信號之間的相關(guān)性，預(yù)測未來的信號，對預(yù)測的殘差信號進(jìn)行編碼利用信號之間的相關(guān)性，預(yù)測未

49、來的信號，對預(yù)測的殘差信號進(jìn)行編碼 變換編碼變換編碼 利用信號在不同的函數(shù)空間分布的不同，選擇合適的函數(shù)將信號從一種信利用信號在不同的函數(shù)空間分布的不同，選擇合適的函數(shù)將信號從一種信號空間變換到另一種有利于壓縮編碼的信號空間，再進(jìn)行編碼號空間變換到另一種有利于壓縮編碼的信號空間，再進(jìn)行編碼 常用的函數(shù)變換：常用的函數(shù)變換：DFT、Walsh、DCT、Haar 識別編碼識別編碼 分解文字、語音、圖象的基本特征，與匯集這些基本特征的樣本集進(jìn)行對分解文字、語音、圖象的基本特征，與匯集這些基本特征的樣本集進(jìn)行對照識別，選擇失真最小的樣本編碼傳送照識別，選擇失真最小的樣本編碼傳送 可用于印刷、打印等標(biāo)準(zhǔn)

50、形狀的文字、符號和數(shù)據(jù)的編碼可用于印刷、打印等標(biāo)準(zhǔn)形狀的文字、符號和數(shù)據(jù)的編碼信源編碼信源編碼n 信源編碼算法信源編碼算法 信源編碼定理信源編碼定理一個(gè)熵為一個(gè)熵為H的信源，當(dāng)信源速率為的信源，當(dāng)信源速率為R時(shí)，只要時(shí)，只要RH，則能夠，則能夠以任意小的錯(cuò)誤概率進(jìn)行編碼；反之，如果以任意小的錯(cuò)誤概率進(jìn)行編碼；反之，如果RH，則無論采，則無論采用多么復(fù)雜的編碼器和譯碼器，錯(cuò)誤概率都不可能達(dá)到任意用多么復(fù)雜的編碼器和譯碼器，錯(cuò)誤概率都不可能達(dá)到任意小小Shannon在在1948年證明了該定理，但并沒有指出具體的編解碼年證明了該定理，但并沒有指出具體的編解碼算法算法n 信源編碼失真度量信源編碼失真度

51、量 編碼失真編碼失真原始信號原始信號x經(jīng)過編碼以及解碼后恢復(fù)成經(jīng)過編碼以及解碼后恢復(fù)成x，失真量即為，失真量即為x與與x之之間的保真度或近似度的度量間的保真度或近似度的度量常用的失真度量：漢明失真、均方誤差等常用的失真度量：漢明失真、均方誤差等以一定的、可以接受的失真換取較高的信源壓縮效率以一定的、可以接受的失真換取較高的信源壓縮效率信源編碼信源編碼語音與圖像壓縮編碼語音與圖像壓縮編碼類型帶寬KHZ采樣率KHZ比特/樣點(diǎn)比特率kb/s電話語音0.33.48864寬帶語音0.0571614224調(diào)頻廣播0.02 153216512CD光盤0.01 2044.116705.6DAB/DAT0.01

52、 204816768n 常用語音信號的編碼速率常用語音信號的編碼速率類型格式分辨率幀頻HZ比特/像素比特率Mb/s電視電話QCIF17614429.97129.1會議電視CIF35228829.971236.4常規(guī)電視ITU-R6017205762516165.9HDTVITU-R709192011522516884.7語音與圖像壓縮編碼語音與圖像壓縮編碼n 常用圖像信號的編碼速率常用圖像信號的編碼速率圖像壓縮編碼圖像壓縮編碼n 圖像壓縮編碼的必要性圖像壓縮編碼的必要性 圖像的數(shù)據(jù)量巨大，一般必須進(jìn)行壓縮編碼圖像的數(shù)據(jù)量巨大，一般必須進(jìn)行壓縮編碼n 圖像壓縮編碼的依據(jù)圖像壓縮編碼的依據(jù) 圖像信

53、號在結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)上存在大量的冗余度圖像信號在結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)上存在大量的冗余度 結(jié)構(gòu)冗余度：空間和時(shí)間上的強(qiáng)相關(guān)性結(jié)構(gòu)冗余度：空間和時(shí)間上的強(qiáng)相關(guān)性 統(tǒng)計(jì)冗余度：被編碼信號概率分布的不均勻統(tǒng)計(jì)冗余度：被編碼信號概率分布的不均勻 基于人眼的視覺特性基于人眼的視覺特性 人眼對某些失真較不敏感，察覺不到圖像的某些細(xì)微變化人眼對某些失真較不敏感，察覺不到圖像的某些細(xì)微變化n 圖像壓縮編碼的評價(jià)圖像壓縮編碼的評價(jià) 壓縮效率：壓縮前后編碼速率的比值壓縮效率：壓縮前后編碼速率的比值 壓縮質(zhì)量：恢復(fù)圖像的質(zhì)量壓縮質(zhì)量：恢復(fù)圖像的質(zhì)量 編碼算法的復(fù)雜度編碼算法的復(fù)雜度 編解碼延時(shí)編解碼延時(shí)n 圖像編碼采取的主要技術(shù)措施

54、圖像編碼采取的主要技術(shù)措施 利用離散余弦變換，去除各象素點(diǎn)在空間域的相關(guān)性利用離散余弦變換，去除各象素點(diǎn)在空間域的相關(guān)性 通過幀間預(yù)測差分編碼，去除活動圖像的時(shí)間相關(guān)性通過幀間預(yù)測差分編碼，去除活動圖像的時(shí)間相關(guān)性 采用熵編碼技術(shù)，使編碼域信源的概率模型相匹配采用熵編碼技術(shù)，使編碼域信源的概率模型相匹配 利用人眼的視覺特性，進(jìn)行自適應(yīng)量化編碼利用人眼的視覺特性，進(jìn)行自適應(yīng)量化編碼 通過緩沖存儲器實(shí)現(xiàn)變長碼輸入與定長碼輸出之間的匹配通過緩沖存儲器實(shí)現(xiàn)變長碼輸入與定長碼輸出之間的匹配圖像壓縮編碼方法圖像壓縮編碼方法小波編碼分形編碼子帶編碼其他傾斜變換哈達(dá)碼變換沃爾什變換離散余弦變換離散傅立葉變換變

55、換法算術(shù)編碼游程編碼編碼統(tǒng)計(jì)編碼壓幀法壓場法亞行法亞抽樣法內(nèi)插法運(yùn)動補(bǔ)償內(nèi)插運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測運(yùn)動估值條件幀補(bǔ)充預(yù)測法圖像編碼SlantHTWTDCTDFThuffmanDPCM圖像壓縮編碼舉例圖像壓縮編碼舉例n Huffman編碼編碼 基本思想基本思想對出現(xiàn)概率較大的信源符號編以較短的代碼，對出現(xiàn)概率較小的對出現(xiàn)概率較大的信源符號編以較短的代碼，對出現(xiàn)概率較小的信源符號編以較長的代碼信源符號編以較長的代碼JPEG、H.261、MPEG-1、 MPEG-2中對量化后的中對量化后的DCT系數(shù)進(jìn)行系數(shù)進(jìn)行Huffman編碼編碼 編碼算法編碼算法1. 初始化，根據(jù)符號概率的大小按由大到小順序?qū)Ψ栠M(jìn)行排序

56、；初始化，根據(jù)符號概率的大小按由大到小順序?qū)Ψ栠M(jìn)行排序；2.把概率最小的兩個(gè)符號組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)；把概率最小的兩個(gè)符號組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)；3.重復(fù)步驟重復(fù)步驟2，形成一棵，形成一棵“樹樹” ；4.從根節(jié)點(diǎn)開始到相應(yīng)于每個(gè)符號的從根節(jié)點(diǎn)開始到相應(yīng)于每個(gè)符號的“樹葉樹葉”，從上到下標(biāo)上，從上到下標(biāo)上“0”(上枝上枝)或者或者“1”(下枝下枝)，至于哪個(gè)為，至于哪個(gè)為“1”哪個(gè)為哪個(gè)為“0”則無關(guān)緊則無關(guān)緊要，最后的結(jié)果僅僅是分配的代碼不同，而代碼的平均長度是相要，最后的結(jié)果僅僅是分配的代碼不同，而代碼的平均長度是相同的；同的；5. 從根節(jié)點(diǎn)開始順著樹枝到每個(gè)葉子分別寫出每個(gè)符號的代碼從根節(jié)點(diǎn)開始順著樹枝到

57、每個(gè)葉子分別寫出每個(gè)符號的代碼 信源符號 出現(xiàn)概率 a1 0.20 a2 0.19 a3 0.18 a4 0.17 a5 0.15 a6 0.10 a7 0.01 0.11 1 0 1 0 0.26 1 0 0.35 1 0 0.61 0.39 0 1 1 0 編碼輸出 01 00 111 110 101 1001 1000 編碼特點(diǎn)編碼特點(diǎn)霍夫曼碼的碼長雖然是可變的，但卻不需要另外附加同步代碼。如果事霍夫曼碼的碼長雖然是可變的，但卻不需要另外附加同步代碼。如果事先編寫出一本解釋各種代碼意義的先編寫出一本解釋各種代碼意義的“詞典詞典”，即碼簿，那么就可以根據(jù)，即碼簿，那么就可以根據(jù)碼簿一個(gè)碼一

58、個(gè)碼地依次進(jìn)行譯碼。碼簿一個(gè)碼一個(gè)碼地依次進(jìn)行譯碼?；舴蚵a沒有錯(cuò)誤保護(hù)功能，如果碼串中有錯(cuò)誤，哪怕是霍夫曼碼沒有錯(cuò)誤保護(hù)功能，如果碼串中有錯(cuò)誤，哪怕是1位出現(xiàn)錯(cuò)誤，位出現(xiàn)錯(cuò)誤，會出現(xiàn)錯(cuò)誤傳播會出現(xiàn)錯(cuò)誤傳播(error propagation)?；舴蚵a是可變長度碼，因此很難隨意查找或調(diào)用壓縮文件中間的內(nèi)容，霍夫曼碼是可變長度碼，因此很難隨意查找或調(diào)用壓縮文件中間的內(nèi)容，然后再譯碼，這就需要在存儲代碼之前加以考慮然后再譯碼，這就需要在存儲代碼之前加以考慮圖像壓縮編碼舉例圖像壓縮編碼舉例n 預(yù)測變換編碼預(yù)測變換編碼 利用圖像信號的空間和時(shí)間冗余特性，用已知的相鄰象素或圖像利用圖像信號的空間和時(shí)間

59、冗余特性，用已知的相鄰象素或圖像塊預(yù)測當(dāng)前象素值，再對預(yù)測誤差進(jìn)行量化、編碼和傳輸塊預(yù)測當(dāng)前象素值，再對預(yù)測誤差進(jìn)行量化、編碼和傳輸 幀內(nèi)預(yù)測編碼，在一幀圖像內(nèi)進(jìn)行預(yù)測，消除圖像在空間的相關(guān)幀內(nèi)預(yù)測編碼，在一幀圖像內(nèi)進(jìn)行預(yù)測，消除圖像在空間的相關(guān)性性 幀間預(yù)測編碼，在多幅圖像之間進(jìn)行預(yù)測，消除圖像在時(shí)間域上幀間預(yù)測編碼，在多幅圖像之間進(jìn)行預(yù)測，消除圖像在時(shí)間域上的相關(guān)性的相關(guān)性 關(guān)鍵在于預(yù)測算法的選取關(guān)鍵在于預(yù)測算法的選取n 游程長度編碼游程長度編碼 編碼對象為信源符號在信息流中連續(xù)出現(xiàn)的長度，根據(jù)其出現(xiàn)概編碼對象為信源符號在信息流中連續(xù)出現(xiàn)的長度，根據(jù)其出現(xiàn)概率的不同編成不同長度的碼字率的不

60、同編成不同長度的碼字 常用于文件傳真系統(tǒng)中常用于文件傳真系統(tǒng)中圖像壓縮編碼舉例圖像壓縮編碼舉例Standard OrganizationVideo Coding StandardTypical Range of Bit RatesTypical ApplicationsITU-TH.261P*64 k bits/sISDN Video ConferencingITU-TH.263, H.263+, H.263+Wide rangePSTN Video PhoneITU-TH.26L64kbits/sWide rangeISO11172-2MPEG-1 Video1.5 M bits/sCD-R