無線通信工程第講－信源編碼

無線通信工程姚彥教授清華大學微波與數(shù)字通信國家重點實驗室2001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=2w，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。

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： RC，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： 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：CR(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)量和延時的關系 不同業(yè)務對延時的要求復雜性：算法的復雜性及軟硬件實現(xiàn)的復雜性

性能指標波形編碼 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：子帶編碼（SBC）、自適應變換編碼（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。混合編碼 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)點音頻編碼的應用壓縮的必要性

波形編碼PCM原理（37年，法AlecReeres）電子管PCM（46年，Bell實驗室）晶體管PCM（62年，市話擴容，64kb/s）單片ICPCM（70年代，微波、衛(wèi)星、光纖）增量編碼原理（46年，法DeLoraine）自適應增量CVSD（60年代末，軍用，32、16kb/s）ContinuouslyVariableSlopeDeltaModulator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，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測、VQ、A-B-S、感覺加權、后濾波等技術。多脈沖激勵線性預測（MPELP1982Atal、Remde）規(guī)則脈沖激勵線性預測（RPELP1985Deprettere、Kroon）碼本激勵線性預測（CELP1985Manfred、Schroeder、Atal）8-16kb/s，高質(zhì)量。特點：話音質(zhì)量高、編碼速率低，但算法復雜。音頻編碼歷史：數(shù)字電話（2）主要應用于會議電視，相當于調(diào)幅廣播的質(zhì)量

1988年CCITT制定了G.722標準：SB-ADPCM1996年左右，美國PictureTel公司提出PTC－PictureTelTransformCoder1999年9月發(fā)布：“ITU-TG.722.1proposedfordecision:7kHzAudio-CodingAt24And32kbit/sForHandsFreeOperationInSystemsWithLowFrameLoss。”音頻編碼歷史：寬帶語音主要應用于娛樂與鑒賞，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進行壓縮。可以直接在時域進行，也可以轉(zhuǎn)到頻域或其他變換域進行。1982年激光唱盤(CD:CompactDisk)上市。MD：Mini-Disk，日本索尼公司采用ATRAC－AdaptiveTransformAcousticCoder壓縮技術。1987數(shù)字音頻磁帶錄音(DAT:DigitalAudioTape)問世。DAB(DigitalAudioBroadcasting)源于歐洲。音頻編碼歷史：寬帶音頻音頻壓縮服依據(jù)1)冗余度時域樣樸點之間子相關（咐短時、筍長時）頻域譜的勢非平坦性秒（譜包絡功、譜離散邪）統(tǒng)計特該性2)人耳聽宿覺特性人耳分頌辨能力人耳對思不同頻資段聲音漏的敏感貨程度不嘴同，通膽常對低幸頻比對徒高頻更密敏感人耳對語其音信號的貸相位不敏蠶感人耳掩蔽佳效應M觸aski喝ngE戰(zhàn)ffec見t…說明：體對人耳廊聽不到務或感知骨極不靈時敏的聲績音分量估都不妨績視為冗舉余?？衫醚犛X心負理特性石…。感覺加權弦、量化、礎去除多余免分量、后淚濾波、…驕。音頻編碼普性能評價種（1）1)紐奉編碼速企率（K須bps悲、Kb哭/s）信號帶啞寬：可漢懂度、舞自然度化、透明迅度。200李~34讀00H宣z、5帆0~7令000狗Hz、歡20~霜150敏00H飄z、1迫0~2益000蘿0HZ振。采樣速蠶率：8刺KHz榮、16禮KHz革、32警KHz受、44免.1/絲式48K遠Hz…付。編碼位朱數(shù)R（旱b/樣艇點），挺總速率糟I（k長b/s溉）。固定速率肢及可變速宮率。2)喝重建語蘇音質(zhì)量客觀評替價：信噪比分段信伙噪比（一般1娃5dB以膀上較好，發(fā)20dB溜以上相當上好）音頻編碼格性能評價怎（2）主觀評價MOS彈分（M賞ean栗Op宋ini查on倉Sco確re）5~1分革：Exc錘elle乓nt、G建ood、伏Fair務、Poo銹r、Ba閱d4分：長郊途通信質(zhì)兔量(t吳oll,行tra艱nspa朝renc砌y-電話奶線)3.5分異：通信質(zhì)丟量(c區(qū)ommu縱nica截tion穗)判斷韻律委測試DR殲T（Di降agno挖stic紋Rhy粥meT獨est）例如：為尊（wei考）、費（菊fei）95%睛以上陳優(yōu)秀、霧85%界~94植%良確好、7矮5%~輕84%能中等65%~輔74%慮差、65預%以下等不能接受判斷可丹接受度糾測試D旬AT（雙Dia改gno仗sti潮cA席cce雄pta奧bil節(jié)ity霞Te偷st）多維因素喂測試調(diào)制噪懲聲參考蕩單位M溉NRU令（Mo使dul硬ate換dN竊ois謝eR轉(zhuǎn)efe薦ren巾ce窩Uni號t）量化失和真單位剃QDU販（Qu師ant棄iza標tio猾nD建ist抽ort坡ion妙Un閥it）三一次步PCM迅編解碼音頻編寺碼性能英評價（德3）3)檔編解碼庫延時（旗ms）公眾網(wǎng)（用25ms孝）、點對柱點、廣播旦、存儲回聲控制繡或回聲抵晝消正常通話江秩序與重建質(zhì)侄量關系4)吉算法復賣雜度硬件、拆成本浮點、定商點MIP蔑S、R識AM、趴ROM5)泉其他抗隨機肚誤碼和毒突發(fā)誤收碼能力抗丟包央和丟幀耳能力對不同撈信號編拳碼能力級聯(lián)或轉(zhuǎn)伴接能力現(xiàn)有標襯準（1紐奉）：寬倍帶音頻現(xiàn)有標貓準（2肆）：寬胞帶語音現(xiàn)有標準瞇（3）：聽數(shù)字電話現(xiàn)有標潑準（4廣）：數(shù)齡字電話剛（續(xù)）PCM愁：脈沖編齒碼調(diào)制ADPC甜M：自適松應差分脈璃沖編碼調(diào)皺制LD-C環(huán)ELP：訊低延時碼斤本激勵線屑性預測編獄碼CS-才ACE積LP：友共軛結(jié)瞇構代數(shù)彩碼本激相勵線性征預測編瞎碼ACE購LP：脖代數(shù)碼苗本激勵劇線性預鑰測編碼MP-櫻MLQ酒：多脈福沖激勵保最大似竭然量化SB-A守DPCM諷：子帶自叨適應差分災脈沖編碼癥調(diào)制LPC-尖10：線舅性預測編沉碼-10MEL挪P：混斥合激勵若線性預憤測編碼CEL抗P：碼告本激勵俱線性預被測編碼RPE-敏LT：長患時間預測全規(guī)則脈沖艱激勵線性貍預測編碼VSE霞LP：井矢量和場激勵線漂性預測緊編碼IMB棟E：I臣nma卡rsa粘t多帶佳激勵語狂音編碼QCE漆LP：轎Qua放lco料mm碼獨本激勵低線性預自測編碼EVR拉C：增界強型變只速率編已碼無線通脾信的語繼音編碼亞（1）軍用無線局通信－16場kb俗ps礦CVS察D增量味調(diào)制－4.8膽kbp饒s美國軍趙用電臺標珍準無線通信弦的語音編蕩碼（2）無繩電嬌話－用于C錄T-2的浙ADPC紛M，32判kbps－用于DE芬CT的A速DPCM擦，32k沈bps無線通網(wǎng)信的語逮音編碼分（3）移動通信－用于G危SM的RE夏P-LTP斤（長時刷間預測銷規(guī)則碼滾激勵）13kb幻玉ps－用于I亦S-54繁的VSE校LP（矢荒量和激勵純線性預測絲式）8kbp卸s－用于臟IS-漲95的姜QCE宅LP（譽Qua此lco嘆mm碼卷本激勵債線性預沃測）1.2智/9.待6kb監(jiān)ps視頻編碼壓縮的部必要性圖象編醬碼的歷笨史（1去）圖象編甩碼的歷座史（2鉤）現(xiàn)代圖像襪編碼小波變換欣圖像編碼神經(jīng)網(wǎng)絡晃圖像編碼分型圖像鏟編碼模型基舟圖像編說碼圖象編碼婦的依據(jù)圖象編鉆碼的質(zhì)瓦量評價光（1）圖象編碼塊的質(zhì)量評鎖價（2）圖象