集成電路系統(tǒng)和芯片設(shè)計(jì)3.ppt

1,集成電路系統(tǒng)和芯片設(shè)計(jì),王國裕 ,2,六、音頻壓縮,1、概述 2、心理聲學(xué)模型 3、數(shù)字聲音壓縮原理 4、快速傅里葉變換FFT 5、動(dòng)態(tài)比特分配 6、音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn),3,胡錦濤給青年提5希望：敢于吃苦不怨天尤人,青年要干成一番事業(yè)，就必須不畏艱難、矢志奮斗。廣大青年一定要牢記“憂勞興國、逸豫亡身”的道理，敢于吃苦、勇挑重?fù)?dān)，不怨天尤人、不貪圖安逸，依靠自己的辛勤努力開辟人生和事業(yè)的前進(jìn)道路；一定要牢記“天下大事、必作于細(xì)”的道理，從小事做起、從基礎(chǔ)做起，不沉湎幻想、不好高騖遠(yuǎn)，用埋頭苦干的行動(dòng)創(chuàng)造實(shí)實(shí)在在的業(yè)績；一定要牢記“艱難困苦、玉汝于成”的道理，迎難而上、百折不撓，不畏懼挫折、不彷徨退縮，在千磨萬擊中歷練人生、收獲成功。,4,三、H264/AVC編碼器,5,四、H264/AVC解碼器,6,六、音頻壓縮,1、概述 2、心理聲學(xué)模型 3、數(shù)字聲音壓縮原理 4、快速傅里葉變換FFT 5、動(dòng)態(tài)比特分配 6、音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn),7,六、音頻壓縮,1、概述 聲音壓縮的可能性 編解碼方法 MPEG標(biāo)準(zhǔn),8,六、音頻壓縮 聲音壓縮的可能性,聲音信號(hào)中的“冗余”部分 幅度非均勻分布，小幅度樣值出現(xiàn)概率高 樣值間的相關(guān)性，取樣頻率越高，相關(guān)性越大 周期間的相關(guān)性，特定瞬間只存在少數(shù)頻率分量 聲音信號(hào)中的“不相關(guān)”部分 人耳對(duì)信號(hào)的幅度、頻率、時(shí)間具有有限分辨力 感知編碼（Perceptual Coding） 音頻編碼的主流方向,9,六、音頻壓縮 編解碼方法,波形編碼 子帶編碼 變換編碼 參數(shù)編碼,10,六、音頻壓縮 MPEG標(biāo)準(zhǔn),MPEG1 Motion Picture Experts Group Layer1 Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing Layer3, MP3 MPEG2 MPEG2 BC: 支持多聲道聲音形式; 低采樣率擴(kuò)展 MPEG2 AAC Advanced Audio Coding 高分辨率濾波器組、預(yù)測技術(shù)、霍夫曼編碼,11,六、音頻壓縮 心理聲學(xué)模型,頻率掩蔽效應(yīng) 時(shí)間掩蔽效應(yīng) 前期掩蔽 ，同期掩蔽 ，后期掩蔽 子帶編碼 使各子帶的量化噪聲盡量處于掩蔽閾值以下,12,六、音頻壓縮 頻率掩蔽效應(yīng),13,六、音頻壓縮 臨界頻帶,六、音頻壓縮,濾波器組的帶寬與臨界頻帶帶寬的比較,15,六、音頻壓縮 時(shí)間掩蔽效應(yīng),16,六、音頻壓縮 動(dòng)態(tài)比特分配,分配原則：使量化噪聲盡可能處于掩蔽曲線以下,17,六、音頻壓縮 快速傅里葉變換FFT,將PCM信號(hào)通過濾波器組轉(zhuǎn)換到32個(gè)子帶 將寬帶時(shí)域信號(hào)分為512個(gè)子帶,補(bǔ)償分析子帶濾波 器頻率分辨率不足 既有足夠的時(shí)間分辨率,又有足夠的頻率分辨率 足夠高的頻率分辨率可以實(shí)現(xiàn)盡可能低的數(shù)據(jù)率 足夠高的時(shí)間分辨率可以確保在短暫沖擊聲音信號(hào) 的情況下，編碼的聲音信號(hào)也有足夠高的質(zhì)量,18,六、音頻壓縮 MUSICAM編碼器原理框圖,19,六、音頻壓縮 心理聲學(xué)模型, 利用FFT的輸出值，計(jì)算出32個(gè)子帶的信號(hào)-掩蔽比率 （SMR） ，用以比特分配 SMR=子帶聲壓級(jí)(dB)-子帶掩蔽域值（dB) 子帶的聲壓級(jí)子帶的最大信強(qiáng)度。 子帶掩蔽域值=絕對(duì)掩蔽域值+單獨(dú)掩蔽域值 單獨(dú)掩蔽域值=有調(diào)掩蔽成份對(duì)子帶的掩蔽域值+ 無調(diào)掩蔽成份對(duì)子帶的掩蔽域值 有調(diào)掩蔽成份類似正弦波，無調(diào)掩蔽成份類似噪聲,20,六、音頻壓縮 MPEG標(biāo)準(zhǔn),MPEG1 Motion Picture Experts Group Layer1 Layer2, MUSICAM Masking Pattern adapted Universal Subband Intergrated Coding And Multiplexing Layer3, MP3 MPEG2 MPEG2 BC: 支持多聲道聲音形式; 低采樣率擴(kuò)展 MPEG2 AAC Advanced Audio Coding 高分辨率濾波器組、預(yù)測技術(shù)、霍夫曼編碼,21,六、 音頻壓縮 AAC編碼 流程,22,六、音頻壓縮 MPEG標(biāo)準(zhǔn),MPEG4 最新一代的國際音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn) 最先進(jìn)的音視頻壓縮編碼方法， 具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性。 存儲(chǔ)和廣播等用途為主，MPEG4則增加了通信用途 音頻編碼分為自然音頻編碼和合成音頻編碼兩大類 AAC是構(gòu)成時(shí)/頻編解碼器的一個(gè)主要算法,23,六、音頻壓縮 MPEG標(biāo)準(zhǔn),24,六、音頻壓縮 MPEG標(biāo)準(zhǔn),MPEG-4 AAC LC 應(yīng)用最多 降低復(fù)雜度，提高了編碼效率，較高的聲音質(zhì)量 MPEG-4 HE AAC 增加頻帶復(fù)制SBR （Spectral Band Replication） 高頻部分則通過高質(zhì)量的變換算法從低頻部分重建 MPEG-4 HE AAC V2 增加了參數(shù)立體聲PS (Parametric Stereo) 借助立體聲參數(shù)在單聲道信號(hào)上合成重建立體聲信號(hào),25,七、信道編碼與差錯(cuò)控制,1、信道編碼又稱差錯(cuò)控制編碼 2、信源編碼后的信號(hào)必需信道編碼后才能傳送 3、信道編碼: 在信源編碼后的數(shù)據(jù)流中, 人為地加進(jìn)冗余信息, 使得接收端可以識(shí)別和糾正傳輸差錯(cuò),26,七、信道編碼與差錯(cuò)控制,傳輸差錯(cuò)分類 隨機(jī)差錯(cuò) 突發(fā)差錯(cuò) 差錯(cuò) 控制編碼分類 檢錯(cuò)碼 - -識(shí)別和糾正傳輸差錯(cuò) 糾錯(cuò)碼 - -糾正傳輸差錯(cuò),27,七、信道編碼與差錯(cuò)控制,奇偶校驗(yàn), CRC, fire Viterbi, RS LDPC,28,七、信號(hào)處理和傳輸 糾錯(cuò),香農(nóng)(Shannon) 第二定理 當(dāng)消息傳輸率低于信道容量時(shí)，可以通過某種編譯碼方法，使錯(cuò)誤概率為任意小 信息系統(tǒng)傳輸模型,29,七、信號(hào)處理和傳輸 奇偶校驗(yàn),奇偶校驗(yàn) A. 1000110101001 0 B. 1000100101001 1 C. 1000101101001 0,30,CRC校驗(yàn),CRC校驗(yàn)的基本思想是利用線形編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要發(fā)送的k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)用的監(jiān)督碼（即CRC碼）r位，并附在信息后面，構(gòu)成一個(gè)新的二進(jìn)制碼序列共（k+r）位，最后發(fā)送出去。在接收端，根據(jù)信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定傳送中是否出錯(cuò),31,CRC算法,原始數(shù)據(jù)為k位，即信息位k位，M（X） 產(chǎn)生的校驗(yàn)位CRC碼R(X)為r位，則多項(xiàng)式G(X)為r+1位（總是比校驗(yàn)位多一位） 運(yùn)算采用的是模2相加的方法,32,生成多項(xiàng)式要求,1.生成多項(xiàng)式的最高位和最低為必須為1 2.當(dāng)信息任何一位發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，被生成多項(xiàng)式模2 運(yùn)算后使余數(shù)不為0 3.不同位發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，應(yīng)該使余數(shù)不同 4.對(duì)余數(shù)繼續(xù)做模2除，應(yīng)使余數(shù)循環(huán),33,應(yīng)用舉例,設(shè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)m（x）為7位的二進(jìn)制數(shù)據(jù) 101 1001； CRC-4的生成多項(xiàng)式為g（x）=x4+x3+1，階數(shù)r為4，即11001 首先由發(fā)送端計(jì)算出CRC校驗(yàn)碼，得到所要傳送的碼字，然后在接收端檢測接收到的數(shù)據(jù)是否正確，若有錯(cuò)誤則根據(jù)出錯(cuò)位表進(jìn)行糾錯(cuò)。,34,發(fā)送端求解CRC,被除數(shù)：數(shù)據(jù)左移4位 即：101 1001 0000 除數(shù)：生成多項(xiàng)式所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù) 即：11001 求解過程：除法求余數(shù)，即模2加（邏輯異或） 101 1001 0000 除法次數(shù) 110 01 1 11 1101 0000 11 001 2 1111 0000 1100 1 3 11 1000 11 001 4 1010 由以上計(jì)算得該數(shù)據(jù)的4位CRC校驗(yàn)位為： 1010 所以發(fā)送端發(fā)送該數(shù)據(jù)時(shí)的碼字為：101 1001 1010,35,接收端檢測收到的數(shù)據(jù),被除數(shù)：接收端收到的數(shù)據(jù)為：101 1001 1010 除數(shù)：生成多項(xiàng)式所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù) 即：11001 檢測過程：除法運(yùn)算 101 1001 1010 除法次數(shù) 110 01 1 11 1101 1010 11 001 2 1111 1010 1100 1 3 11 0010 11 001 4 0 接收到的數(shù)據(jù)能夠被生成多項(xiàng)式整除，說明所接收到的數(shù)據(jù)是正確的。,36,接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行糾錯(cuò),如果接收到數(shù)據(jù)為：101 1011 1010 檢測過程： 101 1011 1010 110 01 11 1111 1010 11 001 1101 1010 1100 1 1 0010 1 1001 1011 接收到的數(shù)據(jù)不能被生成多項(xiàng)式整除，說明所接收到的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的根據(jù)所得余數(shù)1011查生成多項(xiàng)式11001出錯(cuò)位表便可以知道是第6位出錯(cuò)了，只要將該出錯(cuò)位取反便可以得到正確數(shù)據(jù)：101 1001 1010,37,生成多項(xiàng)式11001出錯(cuò)位表,余數(shù) 出錯(cuò)位 余數(shù) 出錯(cuò)位 1 第一位 10 第二位 100 第三位 1000 第四位 1001 第五位 1011 第六位 1111 第七位 111 第八位 1110 第九位 101 第十位 1010 第十一位 11 第一、二位,38,國際標(biāo)準(zhǔn)化的四種CRC碼,39,CRC的應(yīng)用限制性,多位出錯(cuò)的檢測限制 糾錯(cuò)的限制 CRC檢錯(cuò)不糾錯(cuò),40,其它糾錯(cuò)碼,Viterbi Fire RS,41,七、信道編碼與差錯(cuò)控制,低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）碼 性能最優(yōu)，接近于很多信道的香農(nóng)極限， 具有低復(fù)雜度的解碼算法， 具有并行的解碼結(jié)構(gòu)適合于硬件現(xiàn) 交織技術(shù) 頻率交織 時(shí)間交織,42,關(guān)于糾錯(cuò)碼的學(xué)習(xí),糾錯(cuò)碼的基本思想 Why and how 糾錯(cuò)的基本過程 工程應(yīng)用, not 數(shù)學(xué)研究 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的定義和限制,43,八、信號(hào)傳輸,1、傳輸方式: 有線, 網(wǎng)絡(luò), 介質(zhì), 無線, 廣播 2、無線傳輸 調(diào)制和數(shù)字調(diào)制 3、數(shù)字調(diào)制的基本方法,44,數(shù)字調(diào)制概述,調(diào)制：通過調(diào)制信號(hào)來影響(控制)載波信號(hào)的參數(shù)(振幅/頻率或相位)；借助載波信號(hào)將基帶信號(hào)攜帶到高頻范圍； 數(shù)字調(diào)制: 就是將數(shù)字符號(hào)轉(zhuǎn)換為與信道特性相匹配的波形的過程; 調(diào)制信號(hào)是由0和1組成的數(shù)字的比特序列形式; 載波使用相應(yīng)頻率的正弦波 1. 容易產(chǎn)生; 2.可經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行傳輸; 數(shù)字調(diào)制的基本方法: 1. 幅移鍵控(ASK) 2. 頻移鍵控(FSK)- 3. 相移鍵控(PSK)- 有恒定的包絡(luò)波形, 不易受到幅度的非線性干擾；,45,二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理,二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制特點(diǎn)：調(diào)制信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)，模擬載波信號(hào)的參數(shù)(幅度/頻率或相位)只有兩種變化狀態(tài)； 2ASK: 0-幅度為0；1-幅度為1； 2FSK:載波頻率隨調(diào)制信號(hào)變化;0-頻率為1; 1-頻率為2; 實(shí)際上相當(dāng)于兩個(gè)不同載波頻率的2ASK信號(hào)所組成； 2PSK(絕對(duì)相移鍵控):以載波的不同相位直接表示相應(yīng)的數(shù)字信號(hào);如: 用0和分別表示0和1(2PSK的時(shí)間函數(shù))； 由于實(shí)際通信時(shí)參考基準(zhǔn)相位可能發(fā)生隨機(jī)跳變，恢復(fù)出的載波會(huì)存在0,的相位模糊度，解調(diào)的信號(hào)極性會(huì)完全相反，發(fā)生0和1相互倒置的錯(cuò)碼。實(shí)際采用二相差分相移鍵控(2DPSK) 2DPSK(相對(duì)相移鍵控):利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位值表示相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。,46,2PSK的 時(shí)間函數(shù),47,二相差分相移鍵控,差分相移鍵控：相對(duì)調(diào)相(DPSK). 特點(diǎn)： 載波的相位狀態(tài)不直接與傳送每個(gè)數(shù)字比特相對(duì)應(yīng)，不是以固定的未調(diào)載波的相位為基準(zhǔn)，而是以相鄰的前一比特所對(duì)應(yīng)的載波相位為基準(zhǔn)，來確定現(xiàn)實(shí)比特所對(duì)應(yīng)的載波相位的取值，即利用前后兩個(gè)相鄰比特所對(duì)應(yīng)的載波相位差來傳送信息。bk：絕對(duì)二進(jìn)制序列； dk：相對(duì)二進(jìn)制序列； 2DPSK可以看作差分編碼后的2PSK；2DPSK是利用前后碼元的相對(duì)載波相位值(即相位偏差)表示數(shù)字信息；,48,二相差分相移鍵控,載波現(xiàn)實(shí)相位狀態(tài)k，前一符號(hào)期的載波相位狀態(tài)k-1; k= k - k-1 ; k0，傳送0； k，傳送1 bk: (參考) 0 0 1 1 1 0 0 1 k: (參考) 0 0 0 0 dk： 0 0 0 1 0 1 1 1 0 dk=bk xor dk-1 k: 0 0 0 0 0 k-1: 0 0 0 0 0 解調(diào)：不需要恢復(fù)本地載波，只要將2DPSK信號(hào)延遲一個(gè)碼元周期，與原信號(hào)相乘，相乘結(jié)果反映了前后碼元的相對(duì)相位關(guān)系。經(jīng)低通濾波后可直接進(jìn)行抽樣判決，從而恢復(fù)原始數(shù)字信息，不需再進(jìn)行差分解碼； 判決依據(jù)：若前一比特與當(dāng)前比特相同，輸出為+，判決數(shù)據(jù)為0; 若相位相反，輸出為，判決數(shù)據(jù)為1,49,二相差分相移鍵控 dk 初始值為1,載波現(xiàn)實(shí)相位狀態(tài)k，前一符號(hào)期的載波相位狀態(tài)k-1; k= k - k-1 ; k0，傳送0； k，傳送1 bk: (參考) 0 0 1 1 1 0 0 1 k: (參考) 0 0 0 0 dk： 1 1 1 0 1 0 0 0 1 dk=bk xor dk-1 k: 0 0 0 0 k-1: 0 0 0 0 解調(diào)： 判決依據(jù)：若前一比特與當(dāng)前比特相同，輸出為+，判決數(shù)據(jù)為0; 若相位相反，輸出為，判決數(shù)據(jù)為1 dk 初始值為1與dk 初始值為0， 結(jié)果一樣。,50,二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較,51,多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)去調(diào)制載波的參數(shù) 與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制相比的特點(diǎn)： 相同碼元傳輸率下，信息傳輸速率高； 相同信息傳輸率下，可降低碼元速率，碼元持續(xù)時(shí)間長，即增大碼元寬度。這樣就會(huì)增加碼元的能量，并減小由于信道特性引起的碼間干擾的影響。,52,四相絕對(duì)相移鍵控,2PSK：每個(gè)符號(hào)為1比特，載波共有兩種相位狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)0和1；4PSK：每個(gè)符號(hào)為2比特，載波共有四種相位狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)00，01,10,11；4PSK可以通過載波成正交關(guān)系(載波相位相差90度)的2個(gè)2PSK信號(hào)的疊加而形成。 串/并變換(數(shù)據(jù)分離):input:01001011-Re:0011; Im-1001,53,四相絕對(duì)相移鍵控,/2-4PSK系統(tǒng) (四種相位0， /2， ， 3/2) /4-4PSK系統(tǒng) (四種相位/4， 3/4， 5/4， 7/4) 正交解調(diào),54,四相差分相移鍵控(DQPSK),DQPSK利用前后碼元之間的相對(duì)相位變化來表示數(shù)字信息。,55,四相差分相移鍵控(DQPSK)舉例,解碼邏輯: 雙比特具有相同極性(Ck-1,Dk-1都為0/1):Ak=Ck xor Ck-1, Bk=Dk xor Dk-1 雙比特具有不同極性: Ak=Dk xor Dk-1, Bk=Ck xor Ck-1;,56,四相差分相移鍵控(DQPSK)舉例 相對(duì)相位初始值為,解碼邏輯: 雙比特具有相同極性(Ck-1,Dk-1都為0/1):Ak=Ck xor Ck-1, Bk=Dk xor Dk-1, 雙比特具有不同極性: Ak=Dk xor Dk-1, Bk=Ck xor Ck-1; 相對(duì)相位初始值為與初始值為0， 結(jié)果一樣。,57,DAB中使用的/4-shift 4DPSK 一種特殊的四相差分相移鍵控,符號(hào)變換：bk= (1-2aI)+j(1-2aQ) 差分編碼：Zk= bk*Zk-1 第1個(gè)符號(hào)是相位基準(zhǔn)符號(hào)，基準(zhǔn)相位直接與 Z1有對(duì)應(yīng)關(guān)系；從第2個(gè)符號(hào)起，4DPSK的載波相位 直接與Zk有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；而k直接與bk對(duì)應(yīng),58,/4-shift 4DPSK舉例 符號(hào)變換 bk=(1-2aI)+j(1-2aQ)/2 符號(hào)反變換aI=(1-2 A)/2,aQ=(1-2 B)/2 差分編碼 Zk=bkZk-1(l2) 差分解碼 bk=ZkZk-1*,59,/4-shift 4DPSK舉例 基準(zhǔn)相位Z1為 符號(hào)變換 bk=(1-2aI)+j(1-2aQ)/2 符號(hào)反變換aI=(1-2 A)/2,aQ=(1-2 B)/2 差分編碼 Zk=bkZk-1(l2) 差分解碼 bk=ZkZk-1*,60,DAB中使用的/4-shift 4DPSK 一種特殊的四相差分相移鍵控,時(shí)而/4系統(tǒng)，時(shí)而/2系統(tǒng)，是交替變換的?？傮w上看，有8種相位狀態(tài)，稱為偽八相。但是，不管處于何種相位狀態(tài)，由一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，相位變化只能是/4的奇數(shù)倍。 /4-shift 4DPSK系統(tǒng)是一種總是以前一符號(hào)期載波的相位為基準(zhǔn)的/4-shift 4DPSK，即基準(zhǔn)相位總在變換的/4-shift 4DPSK 優(yōu)點(diǎn)：與普通的4DPSK相比， /4-shift 4DPSK系統(tǒng)