數(shù)字通信原理第四章課件

第四章模擬信號的數(shù)字傳輸4.1引言4.2抽樣4.3量化

4.4編碼4.5脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)

4.6語音壓縮編碼4.7圖像壓縮編碼

4.1引言

數(shù)字通信系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，而實際上，由信息轉換成的原始電信號一般為模擬信號，它是時間和幅值都連續(xù)變化的信號。而在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，即時間和幅值都離散的信號。如何利用數(shù)字通信系統(tǒng)來傳輸模擬信號？利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號，首先需要在發(fā)送端把模擬信號數(shù)字化，即模/數(shù)變換；再用數(shù)字通信的方式進行傳輸；最后在接收端把數(shù)字信號還原為模擬信號，即數(shù)/模變換。

脈沖編碼調(diào)制(PCM): 抽樣 量化 編碼圖4-1PCM通信系統(tǒng)原理圖圖4-2PCM信號形成過程示意圖4.2抽樣所謂抽樣是把時間上連續(xù)的模擬信號變成一系列時間上離散的樣值序列的過程：圖4-3抽樣的輸入與輸出

4.2.1低通信號與帶通信號的理想抽樣圖4-4理想抽樣的原理圖一、低通信號的抽樣定理圖4-5理理想抽樣樣信號波波形及其其頻譜圖4-6抽抽樣的恢恢復圖4-7混疊疊現(xiàn)象[例4.2.1]寬平穩(wěn)隨隨機信號號的抽樣樣定理二、帶通通信號的的抽樣定定理[例4.2.2]4.2.2實際際抽樣理想抽樣樣：抽樣樣脈沖序序列是理理想沖激激脈沖序序列。實際抽樣樣：實際上真真正的沖沖激脈沖沖串并不不能實現(xiàn)現(xiàn)，通常常只能采采用窄脈脈沖串來來實現(xiàn)。。脈沖調(diào)制制：用時時間上離離散的脈脈沖串同同樣可以以作為載載波，用用基帶信信號去控控制脈沖沖串的某某個參量量，使其其按規(guī)規(guī)律變化化的調(diào)制制方式：：脈幅調(diào)制制(PAM)脈寬調(diào)制制(PDM)脈位調(diào)制制(PPM)。。如果用模模擬信號號去改變變脈沖參參量，雖雖然在時時間上是是離散的的，但是是仍然是是模擬調(diào)調(diào)制，因因為其代代表信息息的參量量仍然是是連續(xù)變變化的。。圖4-9PAM、、PDM、PPM信號號波形一、自然然抽樣圖4-10自自然抽抽樣信號號及其頻頻譜比較理想想抽樣和和自然抽抽樣的異異同二、平頂頂抽樣平頂抽樣樣又稱為為瞬時抽抽樣，從從波形上上看，它它與自然然抽樣的的不同之之處在于于抽樣信信號中的的脈沖均均具有相相同的形形狀———頂部平平坦的矩矩形脈沖沖，矩形形脈沖的的幅度即即為瞬時時抽樣值值。在實實際應用用中，平平頂抽樣樣信號采采用脈沖沖形成電電路（也也稱為““抽樣保保持電路路”）來來實現(xiàn)，，得到頂頂部平坦坦的矩形形脈沖。。平頂抽樣樣PAM信號在在原理上上可以看看作由理理想抽樣樣和脈沖沖形成電電路產(chǎn)生生。圖4-11平平頂抽抽樣信號號與產(chǎn)生生原理圖4-12平平頂頂抽樣信信號的恢恢復4.3量量化量化有什什么樣的的必要性性？（1）抽抽樣信號號幅度連連續(xù)，有有限位的的數(shù)字信信號不可可能精確確地表示示；（2）噪噪聲會掩掩蓋信號號的微弱弱變化，，人的感感官靈敏敏度有線線。因此將PAM信信號轉換換成PCM信號號之前，，將幅度度連續(xù)的的PAM信號利利用預先先規(guī)定的的有限個個量化值值（量化化電平））來表示示，這個個過程叫叫“量化”。圖4-13量量化的的輸入和和輸出4.3.1均勻勻量化把輸入信信號的取取值域按按等距離離分割的的量化稱稱為均勻量化化。將取值域域均勻等等分為M個間隔隔，則M稱為量化級數(shù)數(shù)或量化電平平數(shù)。量化間隔隔（或量化階距距）取取決于于輸入信信號的變變化范圍圍和量化化級數(shù)。。在均勻量量化中，，每個量量化區(qū)間間的量化電平平通常取在在各區(qū)間間的中點點。通過過量化，，無窮多多個幅度度的取值值變成了了有限個個量化電電平。圖4-14量量化過過程及量量化誤差差[例4.3.1]可見，量量化器的的量化信信噪比隨隨著量化化級數(shù)M的增加加而提高高。通常常量化級級數(shù)的選選取應根根據(jù)對量量化器的的量化信信噪比的的要求來來確定。。均勻量化化有什么么特點，，帶來了了什么問問題？均勻量化化的特點點：量化化噪聲功功率固定定不變。。帶來的問問題：小小信號的的量化信信噪比太太小，不不能滿足足通信質質量要求求，而大大信號的的量化信信噪比較較大，遠遠遠地滿滿足要求求。為了解決決小信號號的量化化信噪比比太小這這個問題題，若仍仍采用均均勻量化化，需要要減小量量化間隔隔，即增增加量化化級數(shù)，，但是量量化級數(shù)數(shù)M過大大時，一一是大信信號的量量化信噪噪比更大大，二是是使編碼碼復雜，，三是使使信道利利用率下下降。4.3.2非均均勻量化化非均勻量量化根據(jù)據(jù)信號的的不同區(qū)區(qū)間來確確定量化化間隔，，即量化化間隔與與信號的的大小有有關。當當信號幅幅度小時時，量化化間隔小小，其量量化誤差差也小；；當信號號幅度大大時，量量化間隔隔大，其其量化誤誤差也大大。實現(xiàn)非均均勻量化化的方法法有兩種種：模擬擬壓擴法法和直接接非均勻勻編解碼碼法。它它們在原原理上是是等效的的，但是是從理論論分析角角度來看看，前者者簡便，，而在實實際應用用中通常常采用后后者，因因此下面面先介紹紹模擬壓壓擴法，，再介紹紹直接非非均勻編編解碼法法。一、模擬擬壓擴法法在發(fā)送端端抽樣信號號首先經(jīng)經(jīng)過壓縮縮器處理理，然后后進行均均勻量化化，最后后進行編編碼；在接收端端，解碼碼后送入入擴張器器恢復原原始信號號。圖4-15非非均勻量量化的模模擬壓擴擴法壓縮器是是對小信信號進行行放大，，對大信信號進行行壓縮。。而擴張張器是對對小信號號進行壓壓縮，對對大信號號進行放放大。圖4-16壓壓縮器器和擴張張器的特特性1、A律壓擴特特性圖4-17A律壓壓縮特性性2、μ律律壓擴特特性圖4-18μμ律壓縮縮特性二、直接接非均勻勻編解碼碼法實現(xiàn)非均均勻量化化一般采采用直接接非均勻勻編解碼碼法。所謂直接接非均勻勻編解碼碼法就是是：在編編解碼過過程中，，并不經(jīng)經(jīng)過專門門的壓擴擴過程，，在發(fā)送送端根據(jù)據(jù)非均勻勻量化間間隔的劃劃分直接接對樣值值進行二二進制編編碼；在在接收端端進行相相應的非非均勻解解碼。4.4編編碼PCM系系統(tǒng)中的的編碼是是指用二二進制代代碼來表表示有限限個量化化電平的的過程；；實際操作作是，將將量化級級將量化化電平排排列起來來，給每每一個量量化級分分配一個個碼字；；在語音信信號的編編碼中常常用的二二進制碼碼型有自自然二進進碼和折折疊二進進碼兩種種。4.4.1常用用的二進進制碼型型一、自然然二進碼碼自然二進進碼就是是將量化化級序號號看作一一般的十十進制正正整數(shù)，，然后用用二進制制表示。。簡單、好好記；正負極性性部分無無相似之之處。二、折疊疊二進碼碼除去最高高位外，，折疊二二進碼的的上半部部分與下下半部分分呈倒影影關系，，即折疊疊關系。。其幅度度碼從小小到大按按自然二二進碼規(guī)規(guī)則編碼碼。只要要正、負負極性信信號的絕絕對值相相同，就就可進行行相同的的編碼。。與自然二二進碼相相比，折折疊二進進碼有哪哪些優(yōu)點點？（1）對對于雙極極性信號號，只要要絕對值值相同，，用最高高位碼表表示極性性后，則則可以采采用單極極性編碼碼的方法法，使編編碼過程程大大簡簡化。（2）在在傳輸過過程中出出現(xiàn)誤碼碼，對小小信號影影響較小小。基于以上上的原因因，在PCM系系統(tǒng)中廣廣泛采用用折疊二二進碼。。4.4.2A律13折線編編碼一一、A律律13折折線的壓壓縮特性性圖4-21A律13折線線壓擴特特性二、A律律13折折線的碼碼字安排排編碼位數(shù)數(shù)的選擇擇要考慮慮哪些因因素？要兼顧通通信質量量和傳輸輸帶寬。。在信號變變化范圍圍一定時時，碼位位數(shù)越多多，量化化級數(shù)越越多，量量化誤差差越小，，通信質質量當然然就更好好。但碼碼位數(shù)越越多，設設備越復復雜，同同時還會會使總的的傳碼率率增加，，傳輸帶帶寬加大大。一般從語語音信號號的可懂懂度來說說，采用用3~4位非線線性編碼碼即可，，若增至至7~8位時，，通信質質量就比比較理想想了。[例4.4.1]4.4.3.逐逐次比比較型編編解碼原原理實現(xiàn)編碼碼的具體體方法和和電路很很多，律律13折折線編碼碼器目前前常采用用逐次比比較型編編碼器。。它由整整流器、、極性判判決、保保持電路路、比較較判決器器及本地地解碼電電路等組組成，如如下圖所所示。圖4-23段段落落碼標準準值的確確定過程程[例4.6]二、A律律13折折線解碼碼器解碼器的的作用是是把收到到的PCM信號號還原成成相應的的PAM樣值信信號，即即進行D/A變變換。還還原出的的樣值信信號電平平為量化化電平，，它近似似等于原原始的PAM樣樣值信號號，但存存在一定定的誤差差，即量量化誤差差。A律13折線解解碼器與與逐次比比較型編編碼器中中的本地地解碼器器基本相相同，所所不同的的是增加加了極性性控制部部分，并并用帶有有寄存器器讀出的的7/12位碼碼變換電電路代替替了本地地解碼器器中的7/11位碼變變換電路路。圖4-24解解碼器器的原理理圖[例4.4.5]4.5脈脈沖編編碼調(diào)制制系統(tǒng)PCM的的產(chǎn)生包包含抽樣樣、量化化、編碼碼三個步步驟。它它的功能能是完成成模/數(shù)數(shù)變換，，實現(xiàn)模模擬信號號的數(shù)字字化。應應當強調(diào)調(diào)指出，，抽樣過過程中，，在滿足足抽樣定定理時，，PCM系統(tǒng)能能夠做到到無失真真的重建建。而量量化過程程始終存存在量化化誤差，，只不過過誤差的的大小可可以通過過選擇合合適的量量化方法法和量化化級數(shù)來來控制。。4.5.1脈脈沖編編碼調(diào)調(diào)制（（PCM））原理理圖4-25PCM系統(tǒng)統(tǒng)的原原理圖圖抽樣頻頻率為為，，量量化級級數(shù)為為。。二二進制制編碼碼位數(shù)數(shù)和量量化級級數(shù)滿滿足：：通過抽抽樣、、量化化、編編碼三三個步步驟，，時間間連續(xù)續(xù)信號號就用用二進進制代代碼來來表示示。因因此，，一個個抽樣樣周期期內(nèi)內(nèi)要編編位位碼碼，每每個二二進制制碼元元寬度度為：：4.5.2PCM信號號的碼碼元速速率和和帶寬寬根據(jù)碼碼元速速率與與碼元元周期期的關關系可可得，，PCM信信號的的碼元元速率率為：：4.5.2PCM信號號的碼碼元速速率和和帶寬寬當采用用矩形形脈沖沖傳輸輸時，，令脈脈沖寬寬度為為占空比比：定義義二進進制碼碼元的的占空空比為為二進進制脈脈沖寬寬度與與二進進制碼碼元寬寬度的的比值值，即即占空空比為為第一過過零點點帶寬寬：以傳傳輸碼碼型功功率譜譜的第第一個個過零零點的的頻率率來定定義其其帶寬寬，忽忽略第第一過過零點點以外外的功功率分分量。。4.5.2PCM信號號的碼碼元速速率和和帶寬寬寬度為為的的矩形形脈沖沖的第第一個個過零零點帶帶寬為為：因此抽抽樣頻頻率為為，，量量化等等級為為的的PCM信號號，用用占空空比為為的的矩矩形波波傳遞遞，其其第一一過零零點帶帶寬為為：4.5.2PCM信號號的碼碼元速速率和和帶寬寬[例4.5.1]4.5.3PCM系統(tǒng)統(tǒng)的抗抗噪聲聲性能能分析析4.6語語音壓壓縮編編碼通常，，人們們把話話路速速率低低于64kb/s的的語音音編碼碼方法法稱為為語音音壓縮縮編碼碼技術術。常常見的的語音音壓縮縮編碼碼有差差值脈脈沖編編碼調(diào)調(diào)制（（DPCM）、、自適適應差差值脈脈沖編編碼調(diào)調(diào)制（（ADPCM））、增增量調(diào)調(diào)制（（DM或M）、、自適適應增增量調(diào)調(diào)制（（ADM））、參參量編編碼、、子帶帶編碼碼（SBC）等等。4.6.1語音音壓縮縮編碼碼技術術的概概念如果對對語音音編碼碼進行行分類類，可可以粗粗略地地分為為波形編編碼、、參量量編碼碼和混混合編編碼三類。。波形編編碼是是直接接對信信號波波形的的抽樣樣值或或抽樣樣值的的差值值進行行編碼碼。PCM、DPCM、、ADPCM、、DM、ADM等都都屬于于波形形編碼碼。。參量編編碼是是直接接提取取語音音信號號的一一些特特征參參量，，比如如聲源源、聲聲道的的參數(shù)數(shù)，對對其進進行編編碼。。參量量編碼碼通常常是對對數(shù)字字化后后的信信號進進行分分析，，再提提取其其特征征參量量，這這些參參量攜攜帶著著原信信號的的主要要信息息，對對它們們編碼碼只需需較少少的比比特數(shù)數(shù)，可可以大大大地地壓縮縮信息息速率率。。混合編編碼是是在參參量編編碼的的基礎礎上引引入了了一些些波形形編碼碼的特特征，，在編編碼率率增加加不多多的情情況下下，較較大幅幅度地地提高高了傳傳輸語語音質質量。。4.6.2差分分脈沖沖編碼碼調(diào)制制PCM是對對波形形的每每個樣樣值都都獨立立進行行量化化編碼碼，這這樣，，樣值值的整整個幅幅值編編碼需需要較較多位位數(shù)，，比特特率較較高，，造成成數(shù)字字化的的信號號帶寬寬大大大增加加。但但是語語音信信號相相鄰的的抽樣樣值之之間存存在很很強的的相關關性，，信號號的一一個抽抽樣值值到相相鄰的的一個個抽樣樣值不不會發(fā)發(fā)生迅迅速的的變化化，這這說明明信源源本身身含有有大量量的冗冗余成成份。。語音音樣值值可以以分為為兩種種成份份，一一種與與過去去的樣樣值有有關，，因而而是可可以預預測的的，可可預測測的成成份是是由過過去的的一些些適當當數(shù)目目的樣樣值加加權后后得到到的；；另一一種是是不可可預測測的，，可以以看作作預測測誤差差。利用語語音信信號的的相關關性，，根據(jù)據(jù)過去去的信信號樣樣值預預測當當前時時刻的的樣值值，并并僅把把樣值值與預預測值值的差差值（（預測測誤差差）進進行量量化、、編碼碼，這這種方方法稱稱為差差分脈脈沖編編碼調(diào)調(diào)制。。4.7圖圖像像壓縮縮編碼碼4.7.1圖像像的描描述4.7.2模擬擬圖像像的數(shù)數(shù)字化化4.7.3圖像像壓縮縮編碼碼技術術從圖像像信息息本身身來說說，數(shù)數(shù)據(jù)壓壓縮是是可能能的。。首先先，原原始信信源數(shù)數(shù)據(jù)存存在大大量冗冗余，，如運運動視視頻內(nèi)內(nèi)像素素間的的空域域相關關和幀幀間相相關都都形成成了很很大的的信源源冗余余；其其次，，對每每秒顯顯示25幀幀圖像像的視視頻信信號而而言，，前后后相鄰鄰的圖圖像之之間一一般也也具有有很強強的相相似性性，表表現(xiàn)為為時間間上的的冗余余；另另外，，圖像像信號號離散散化后后，只只要這這些離離散值值出現(xiàn)現(xiàn)的概概率不不相等等，就就還存存在統(tǒng)統(tǒng)計冗冗余，，將這這些冗冗余去去除或或降低低可以以大大大壓縮縮數(shù)據(jù)據(jù)量。。另外外，通通過分分析人人類視視覺的的生理理特性性知，，人類類視覺覺器官官具有有某種種不敏敏感性性，如如人眼眼的掩掩蓋效效應（（對邊邊緣變變化不不敏感感），，以及及對亮亮度信信息敏敏感而而對顏顏色分分辨力力弱等等，基基于這這些不不敏感感性，，可以以對某某些非非冗余余信息息進行行壓縮縮，從從而大大幅度度地提提高壓壓縮比比。一一般而而言，，通過過選擇擇適當當?shù)臄?shù)數(shù)據(jù)壓壓縮技技術，，圖像像數(shù)據(jù)據(jù)量可可以壓壓縮到到原來來的1/21/60。。幾種常常用的的圖像像壓縮縮編碼碼方法法1、預預測編編碼常用的的預測測編碼碼是差差分編編碼調(diào)調(diào)制（（DPCM），，其目目的是是利用用鄰近近像素素之間間的相相關性性來壓壓縮數(shù)數(shù)碼率率，以以去除除圖像像數(shù)據(jù)據(jù)間的的空域域冗余余度和和時間間冗余余度。。它既既可在在一幀幀圖像像內(nèi)進進行幀幀內(nèi)預預測編編碼，，也可可在多多幀圖圖像間間進行行幀間間預測測編碼碼。由由于圖圖像信信號是是二維維的，，一個個像素素與上上下左左右的的像素素都有有相關關性，，因此此預測測是二二維的的。而而對于于活動動圖像像，相相鄰幀幀之間間也有有相關關性，，故可可以進進行三三維預預測。。2、變變換編編碼變換編編碼也也是一一種降降低信信源空空間冗冗余度度的壓壓縮方方