信源編碼課件

1、無線通信工程姚彥教授清華大學(xué)微波與數(shù)字通信國家重點實驗室2019年11月24日第六講無線通信的信源編碼引言信源的原始信號絕大多數(shù)是模擬信號，因此，信源編碼的第一個任務(wù)是模擬和數(shù)字的變換，即：A/D，D/A。抽樣率取決于原始信號的帶寬：fc = 2 w，w為信號帶寬抽樣點的比特數(shù)取決于經(jīng)編譯碼后的信號質(zhì)量要求：SNR 6 L(dB)，L為量化位數(shù)概述但是，由于傳輸信道帶寬的限制，又由于原始信源的信號具有很強的相關(guān)性，則信源編碼不是簡單的A/D，D/A，而是要進行壓縮。為通信傳輸而進行信源編碼，主要就是壓縮編碼。信源編碼要考慮的因素：發(fā)信源的統(tǒng)計特性。傳輸信道引入的損傷，如誤碼。 受信者的質(zhì)量要求

2、。概述（續(xù)）信源編碼定理：對于給定的失真率D，總可以找到一種信源編碼方法，只要信源速率R大于R(D)，就可以在平均失真任意接近D的條件下實現(xiàn)波形重建。說明1：R(D)稱為率失真函數(shù)，它是單調(diào)非增函數(shù)，速率越高，平均失真越小。說明2：為了保證在一定速率下的失真，必需采用信源編碼，因而會引入編碼延時。理論信道編碼定理：如果信源速率R小于信道容量C，總可以找到一種信道編碼方法，使得信源信息可以在有噪聲信道上進行無差錯傳輸，即：R C，無差錯傳輸條件說明1：信道容量C是根據(jù)仙儂定理得到的C Wlog2(1+S/N)說明2：為了保證無差錯傳輸，必需采用信道編碼，因而會引入編碼延時。理論（續(xù)）信息傳輸定理

3、：將信源編碼定理和信道編碼定理綜合，就得到信息傳輸定理。即：為保證無差錯傳輸及失真度，必需滿足：C R(D)說明1：在一般數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源編碼和信道編碼可以分開考慮。信道編碼定理給出無差錯的速率上限，信源編碼定理給出無失真的速率下限。說明2：為了實現(xiàn)理想性能，都要付出延時的代價。理論（續(xù)）速率：高速率、中速率、低速率 壓縮比質(zhì)量：客觀評價 主觀評價延時：質(zhì)量和延時的關(guān)系 不同業(yè)務(wù)對延時的要求復(fù)雜性：算法的復(fù)雜性及軟硬件實現(xiàn)的復(fù)雜性性能指標(biāo)波形編碼將波形直接變換成數(shù)字碼流。特點：比特率較高、解碼后質(zhì)量較高、延時較小?？梢苑譃椋簳r域波形編碼，如PCM、ADPCM、M等；頻域波形編碼，如：子帶編

4、碼（SBC）、自適應(yīng)變換編碼（ATC）等。參數(shù)編碼從信源信號的某個域中提取特征參數(shù)，并變換成數(shù)字碼流。特點：比特率較低、解碼后質(zhì)量較低、延時較大。如：各種聲碼器?；旌暇幋a將以上二種方法混合，特點：以較低的比特率獲得較高的質(zhì)量，延時適中，復(fù)雜。如：G723.1，G728，G729，GSM的語音編碼，IS-95的語音編碼等。實現(xiàn)方法音頻編碼 提高傳輸?shù)馁|(zhì)量 便于處理 使用靈活，便于多種媒體（視頻、音頻、文字、數(shù)據(jù)）相結(jié)合應(yīng)用 易于加密 適合大規(guī)模集成 可靠性高、體積功耗小 價格便宜音頻編碼的優(yōu)點音頻編碼的應(yīng)用壓縮的必要性 波形編碼 PCM原理（37年，法Alec Reeres） 電子管PCM（46

5、年，Bell實驗室） 晶體管PCM（62年，市話擴容，64kb/s） 單片IC PCM（70年代，微波、衛(wèi)星、光纖） 增量編碼原理（46年，法De Loraine） 自適應(yīng)增量 CVSD（60年代末，軍用，32、16kb/s） Continuously Variable Slope Delta Modulator 連續(xù)變化斜率增量調(diào)制器 其他編碼（70年代，ADPCM、SubBand、ATC、APC等） 在16kb/s以上得到較好的話音質(zhì)量。 特點：話音質(zhì)量好，但編碼速率高。音頻編碼歷史：數(shù)字電話（1） 參數(shù)編碼 波形編碼通道聲碼器（39年，Dudly，二次大戰(zhàn)保密電話） LPC聲碼器（67年

6、，Atal、Schroeder） 同態(tài)聲碼器（69年，Oppenheim） 共振峰聲碼器（71年，Rabiner、Schafer、Elanagan） MBE聲碼器（88年，Griffin、Lim） 波形插值（91年，W.B. Kleijn） 2.4kb/s、1.2kb/s、較好；600-800b/s可懂。特點：編碼速率低，自然度差。 混合編碼器利用線性預(yù)測、VQ、A-B-S、感覺加權(quán)、后濾波等技術(shù)。 多脈沖激勵線性預(yù)測（MPELP 1982 Atal、Remde） 規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測（RPELP 1985 Deprettere、Kroon） 碼本激勵線性預(yù)測（CELP 1985 Manfre

7、d、Schroeder、Atal） 8-16kb/s，高質(zhì)量。特點：話音質(zhì)量高、編碼速率低，但算法復(fù)雜。音頻編碼歷史：數(shù)字電話（2）主要應(yīng)用于會議電視，相當(dāng)于調(diào)幅廣播的質(zhì)量 1988年CCITT制定了G.722 標(biāo)準(zhǔn)：SB-ADPCM 2019年左右，美國PictureTel 公司提出PTCPictureTel Transform Coder 2019年9月發(fā)布：“ITU-T G.722.1 proposed for decision: 7 kHz Audio - Coding At 24 And 32kbit/s For Hands Free Operation In Systems Wit

8、h Low Frame Loss?！币纛l編碼歷史：寬帶語音主要應(yīng)用于娛樂與鑒賞，對于重建信號的音質(zhì)有很高的要求，目前采用比特率較高的波形編碼技術(shù)進行壓縮?？梢灾苯釉跁r域進行，也可以轉(zhuǎn)到頻域或其他變換域進行。 1982年激光唱盤 (CD: Compact Disk)上市。MD：Mini-Disk，日本索尼公司采用ATRACAdaptive Transform Acoustic Coder壓縮技術(shù)。 1987數(shù)字音頻磁帶錄音 (DAT: Digital Audio Tape) 問世。 DAB (Digital Audio Broadcasting) 源于歐洲。音頻編碼歷史：寬帶音頻音頻壓縮依據(jù)1)

9、 冗余度時域樣點之間相關(guān)（短時、長時）頻域譜的非平坦性（譜包絡(luò)、譜離散）統(tǒng)計特性2) 人耳聽覺特性人耳分辨能力人耳對不同頻段聲音的敏感程度不同，通常對低頻比對高頻更敏感人耳對語音信號的相位不敏感人耳掩蔽效應(yīng) Masking Effect 說明：對人耳聽不到或感知極不靈敏的聲音分量都不妨視為冗余。 可利用聽覺心理特性。 感覺加權(quán)、量化、去除多余分量、后濾波、。音頻編碼性能評價（1）1) 編碼速率（Kbps、Kb/s） 信號帶寬：可懂度、自然度、透明度。 2003400Hz、507000Hz、2015000Hz、1020000HZ。 采樣速率：8KHz、16KHz、32KHz、44.1/48KHz

10、。 編碼位數(shù)R（b/樣點），總速率I（kb/s）。 固定速率及可變速率。2) 重建語音質(zhì)量客觀評價：信噪比分段信噪比 （一般15dB以上較好，20dB以上相當(dāng)好）音頻編碼性能評價（2）主觀評價 MOS分（Mean Opinion Score） 51分：Excellent、Good、Fair、Poor、Bad4分：長途通信質(zhì)量 (toll, transparency-電話線) 3.5分：通信質(zhì)量 (communication) 判斷韻律測試DRT（Diagnostic Rhyme Test） 例如：為（wei）、費（fei） 95%以上 優(yōu)秀、85%94% 良好、75%84% 中等 65%74%

11、 差、65% 以下不能接受 判斷可接受度測試DAT（Diagnostic Acceptability Test） 多維因素測試 調(diào)制噪聲參考單位MNRU（Modulated Noise Reference Unit） 量化失真單位QDU（Quantization Distortion Unit） 一次PCM編解碼音頻編碼性能評價（3）3) 編解碼延時（ms） 公眾網(wǎng)（25ms）、點對點、廣播、存儲 回聲控制或回聲抵消 正常通話秩序 與重建質(zhì)量關(guān)系4) 算法復(fù)雜度 硬件、成本 浮點、定點 MIPS、RAM、ROM5) 其他 抗隨機誤碼和突發(fā)誤碼能力 抗丟包和丟幀能力 對不同信號編碼能力 級聯(lián)或轉(zhuǎn)

12、接能力現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)（1）：寬帶音頻現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)（2）：寬帶語音現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)（3）：數(shù)字電話現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)（4）：數(shù)字電話（續(xù)）PCM：脈沖編碼調(diào)制ADPCM：自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制LD-CELP：低延時碼本激勵線性預(yù)測編碼CS-ACELP：共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測編碼ACELP：代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測編碼MP-MLQ：多脈沖激勵最大似然量化SB-ADPCM：子帶自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制LPC-10：線性預(yù)測編碼-10MELP：混合激勵線性預(yù)測編碼CELP：碼本激勵線性預(yù)測編碼RPE-LT：長時間預(yù)測規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測編碼VSELP：矢量和激勵線性預(yù)測編碼IMBE：Inmarsat多帶激勵語音編碼QCELP：Qualcomm碼本激勵線性預(yù)測編碼EVRC：增強型變速率編碼無線通信的語音編碼（1）軍用無線通信 16 kbps CVSD增量調(diào)制 4.8 kbps美國軍用電臺標(biāo)準(zhǔn) 無線通信的語音編碼（2）無繩電話 用于CT-2的ADPCM，32kbps 用于DECT的ADPCM，32kbps無線通信的語音編碼（3）移動通信 用于GSM的REP-LTP（長時間預(yù)測規(guī)則碼激勵）