通信原理課件-4.ppt

第四章模擬信號(hào)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(diǎn) 而實(shí)際上 由信息轉(zhuǎn)換成的原始電信號(hào)一般為模擬信號(hào) 它是時(shí)間和幅值都連續(xù)變化的信號(hào) 而在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào) 即時(shí)間和幅值都離散的信號(hào) 如何利用數(shù)字通信系統(tǒng)來傳輸模擬信號(hào) 利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號(hào) 首先需要在發(fā)送端把模擬信號(hào)數(shù)字化 即模 數(shù)變換 再用數(shù)字通信的方式進(jìn)行傳輸 最后在接收端把數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào) 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(hào)形成過程示意圖 4 2抽樣 所謂抽樣是把時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)變成一系列時(shí)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(hào)與帶通信號(hào)的理想抽樣 圖4 4理想抽樣的原理圖 一 低通信號(hào)的抽樣定理 圖4 5理想抽樣信號(hào)波形及其頻譜 圖4 6抽樣的恢復(fù) 圖4 7混疊現(xiàn)象 例4 2 1 寬平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的抽樣定理 二 帶通信號(hào)的抽樣定理 例4 2 2 4 2 2實(shí)際抽樣 理想抽樣 抽樣脈沖序列是理想沖激脈沖序列 實(shí)際抽樣 實(shí)際上真正的沖激脈沖串并不能實(shí)現(xiàn) 通常只能采用窄脈沖串來實(shí)現(xiàn) 脈沖調(diào)制 用時(shí)間上離散的脈沖串同樣可以作為載波 用基帶信號(hào)去控制脈沖串的某個(gè)參量 使其按規(guī)律變化的調(diào)制方式 脈幅調(diào)制 PAM 脈寬調(diào)制 PDM 脈位調(diào)制 PPM 如果用模擬信號(hào)去改變脈沖參量 雖然在時(shí)間上是離散的 但是仍然是模擬調(diào)制 因?yàn)槠浯硇畔⒌膮⒘咳匀皇沁B續(xù)變化的 圖4 9PAM PDM PPM信號(hào)波形 一 自然抽樣 圖4 10自然抽樣信號(hào)及其頻譜 比較理想抽樣和自然抽樣的異同 二 平頂抽樣 平頂抽樣又稱為瞬時(shí)抽樣 從波形上看 它與自然抽樣的不同之處在于抽樣信號(hào)中的脈沖均具有相同的形狀 頂部平坦的矩形脈沖 矩形脈沖的幅度即為瞬時(shí)抽樣值 在實(shí)際應(yīng)用中 平頂抽樣信號(hào)采用脈沖形成電路 也稱為 抽樣保持電路 來實(shí)現(xiàn) 得到頂部平坦的矩形脈沖 平頂抽樣PAM信號(hào)在原理上可以看作由理想抽樣和脈沖形成電路產(chǎn)生 圖4 11平頂抽樣信號(hào)與產(chǎn)生原理 圖4 12平頂抽樣信號(hào)的恢復(fù) 4 3量化 量化有什么樣的必要性 1 抽樣信號(hào)幅度連續(xù) 有限位的數(shù)字信號(hào)不可能精確地表示 2 噪聲會(huì)掩蓋信號(hào)的微弱變化 人的感官靈敏度有線 因此將PAM信號(hào)轉(zhuǎn)換成PCM信號(hào)之前 將幅度連續(xù)的PAM信號(hào)利用預(yù)先規(guī)定的有限個(gè)量化值 量化電平 來表示 這個(gè)過程叫 量化 圖4 13量化的輸入和輸出 4 3 1均勻量化 把輸入信號(hào)的取值域按等距離分割的量化稱為均勻量化 將取值域均勻等分為M個(gè)間隔 則M稱為量化級(jí)數(shù)或量化電平數(shù) 量化間隔 或量化階距 取決于輸入信號(hào)的變化范圍和量化級(jí)數(shù) 在均勻量化中 每個(gè)量化區(qū)間的量化電平通常取在各區(qū)間的中點(diǎn) 通過量化 無窮多個(gè)幅度的取值變成了有限個(gè)量化電平 圖4 14量化過程及量化誤差 例4 3 1 可見 量化器的量化信噪比隨著量化級(jí)數(shù)M的增加而提高 通常量化級(jí)數(shù)的選取應(yīng)根據(jù)對(duì)量化器的量化信噪比的要求來確定 均勻量化有什么特點(diǎn) 帶來了什么問題 均勻量化的特點(diǎn) 量化噪聲功率固定不變 帶來的問題 小信號(hào)的量化信噪比太小 不能滿足通信質(zhì)量要求 而大信號(hào)的量化信噪比較大 遠(yuǎn)遠(yuǎn)地滿足要求 為了解決小信號(hào)的量化信噪比太小這個(gè)問題 若仍采用均勻量化 需要減小量化間隔 即增加量化級(jí)數(shù) 但是量化級(jí)數(shù)M過大時(shí) 一是大信號(hào)的量化信噪比更大 二是使編碼復(fù)雜 三是使信道利用率下降 4 3 2非均勻量化 非均勻量化根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來確定量化間隔 即量化間隔與信號(hào)的大小有關(guān) 當(dāng)信號(hào)幅度小時(shí) 量化間隔小 其量化誤差也小 當(dāng)信號(hào)幅度大時(shí) 量化間隔大 其量化誤差也大 實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法有兩種 模擬壓擴(kuò)法和直接非均勻編解碼法 它們在原理上是等效的 但是從理論分析角度來看 前者簡便 而在實(shí)際應(yīng)用中通常采用后者 因此下面先介紹模擬壓擴(kuò)法 再介紹直接非均勻編解碼法 一 模擬壓擴(kuò)法 在發(fā)送端抽樣信號(hào)首先經(jīng)過壓縮器處理 然后進(jìn)行均勻量化 最后進(jìn)行編碼 在接收端 解碼后送入擴(kuò)張器恢復(fù)原始信號(hào) 圖4 15非均勻量化的模擬壓擴(kuò)法 壓縮器是對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大 對(duì)大信號(hào)進(jìn)行壓縮 而擴(kuò)張器是對(duì)小信號(hào)進(jìn)行壓縮 對(duì)大信號(hào)進(jìn)行放大 圖4 16壓縮器和擴(kuò)張器的特性 1 A律壓擴(kuò)特性 圖4 17A律壓縮特性 2 律壓擴(kuò)特性 圖4 18 律壓縮特性 二 直接非均勻編解碼法 實(shí)現(xiàn)非均勻量化一般采用直接非均勻編解碼法 所謂直接非均勻編解碼法就是 在編解碼過程中 并不經(jīng)過專門的壓擴(kuò)過程 在發(fā)送端根據(jù)非均勻量化間隔的劃分直接對(duì)樣值進(jìn)行二進(jìn)制編碼 在接收端進(jìn)行相應(yīng)的非均勻解碼 4 4編碼 PCM系統(tǒng)中的編碼是指用二進(jìn)制代碼來表示有限個(gè)量化電平的過程 實(shí)際操作是 將量化級(jí)將量化電平排列起來 給每一個(gè)量化級(jí)分配一個(gè)碼字 在語音信號(hào)的編碼中常用的二進(jìn)制碼型有自然二進(jìn)碼和折疊二進(jìn)碼兩種 4 4 1常用的二進(jìn)制碼型 一 自然二進(jìn)碼自然二進(jìn)碼就是將量化級(jí)序號(hào)看作一般的十進(jìn)制正整數(shù) 然后用二進(jìn)制表示 簡單 好記 正負(fù)極性部分無相似之處 二 折疊二進(jìn)碼除去最高位外 折疊二進(jìn)碼的上半部分與下半部分呈倒影關(guān)系 即折疊關(guān)系 其幅度碼從小到大按自然二進(jìn)碼規(guī)則編碼 只要正 負(fù)極性信號(hào)的絕對(duì)值相同 就可進(jìn)行相同的編碼 與自然二進(jìn)碼相比 折疊二進(jìn)碼有哪些優(yōu)點(diǎn) 1 對(duì)于雙極性信號(hào) 只要絕對(duì)值相同 用最高位碼表示極性后 則可以采用單極性編碼的方法 使編碼過程大大簡化 2 在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼 對(duì)小信號(hào)影響較小 基于以上的原因 在PCM系統(tǒng)中廣泛采用折疊二進(jìn)碼 4 4 2A律13折線編碼一 A律13折線的壓縮特性 圖4 21A律13折線壓擴(kuò)特性 二 A律13折線的碼字安排 編碼位數(shù)的選擇要考慮哪些因素 要兼顧通信質(zhì)量和傳輸帶寬 在信號(hào)變化范圍一定時(shí) 碼位數(shù)越多 量化級(jí)數(shù)越多 量化誤差越小 通信質(zhì)量當(dāng)然就更好 但碼位數(shù)越多 設(shè)備越復(fù)雜 同時(shí)還會(huì)使總的傳碼率增加 傳輸帶寬加大 一般從語音信號(hào)的可懂度來說 采用3 4位非線性編碼即可 若增至7 8位時(shí) 通信質(zhì)量就比較理想了 例4 4 1 4 4 3 逐次比較型編解碼原理 實(shí)現(xiàn)編碼的具體方法和電路很多 律13折線編碼器目前常采用逐次比較型編碼器 它由整流器 極性判決 保持電路 比較判決器及本地解碼電路等組成 如下圖所示 圖4 23段落碼標(biāo)準(zhǔn)值的確定過程 例4 6 二 A律13折線解碼器 解碼器的作用是把收到的PCM信號(hào)還原成相應(yīng)的PAM樣值信號(hào) 即進(jìn)行D A變換 還原出的樣值信號(hào)電平為量化電平 它近似等于原始的PAM樣值信號(hào) 但存在一定的誤差 即量化誤差 A律13折線解碼器與逐次比較型編碼器中的本地解碼器基本相同 所不同的是增加了極性控制部分 并用帶有寄存器讀出的7 12位碼變換電路代替了本地解碼器中的7 11位碼變換電路 圖4 24解碼器的原理圖 例4 4 5 4 5脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng) PCM的產(chǎn)生包含抽樣 量化 編碼三個(gè)步驟 它的功能是完成模 數(shù)變換 實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化 應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出 抽樣過程中 在滿足抽樣定理時(shí) PCM系統(tǒng)能夠做到無失真的重建 而量化過程始終存在量化誤差 只不過誤差的大小可以通過選擇合適的量化方法和量化級(jí)數(shù)來控制 4 5 1脈沖編碼調(diào)制 PCM 原理 圖4 25PCM系統(tǒng)的原理圖 抽樣頻率為 量化級(jí)數(shù)為 二進(jìn)制編碼位數(shù)和量化級(jí)數(shù)滿足 通過抽樣 量化 編碼三個(gè)步驟 時(shí)間連續(xù)信號(hào)就用二進(jìn)制代碼來表示 因此 一個(gè)抽樣周期內(nèi)要編位碼 每個(gè)二進(jìn)制碼元寬度為 4 5 2PCM信號(hào)的碼元速率和帶寬 根據(jù)碼元速率與碼元周期的關(guān)系可得 PCM信號(hào)的碼元速率為 4 5 2PCM信號(hào)的碼元速率和帶寬 當(dāng)采用矩形脈沖傳輸時(shí) 令脈沖寬度為占空比 定義二進(jìn)制碼元的占空比為二進(jìn)制脈沖寬度與二進(jìn)制碼元寬度的比值 即占空比為第一過零點(diǎn)帶寬 以傳輸碼型功率譜的第一個(gè)過零點(diǎn)的頻率來定義其帶寬 忽略第一過零點(diǎn)以外的功率分量 4 5 2PCM信號(hào)的碼元速率和帶寬 寬度為的矩形脈沖的第一個(gè)過零點(diǎn)帶寬為 因此抽樣頻率為 量化等級(jí)為的PCM信號(hào) 用占空比為的矩形波傳遞 其第一過零點(diǎn)帶寬為 4 5 2PCM信號(hào)的碼元速率和帶寬 例4 5 1 4 5 3PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能分析 4 6語音壓縮編碼 通常 人們把話路速率低于64kb s的語音編碼方法稱為語音壓縮編碼技術(shù) 常見的語音壓縮編碼有差值脈沖編碼調(diào)制 DPCM 自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制 ADPCM 增量調(diào)制 DM或M 自適應(yīng)增量調(diào)制 ADM 參量編碼 子帶編碼 SBC 等 4 6 1語音壓縮編碼技術(shù)的概念 如果對(duì)語音編碼進(jìn)行分類 可以粗略地分為波形編碼 參量編碼和混合編碼三類 波形編碼是直接對(duì)信號(hào)波形的抽樣值或抽樣值的差值進(jìn)行編碼 PCM DPCM ADPCM DM ADM等都屬于波形編碼 參量編碼是直接提取語音信號(hào)的一些特征參量 比如聲源 聲道的參數(shù) 對(duì)其進(jìn)行編碼 參量編碼通常是對(duì)數(shù)字化后的信號(hào)進(jìn)行分析 再提取其特征參量 這些參量攜帶著原信號(hào)的主要信息 對(duì)它們編碼只需較少的比特?cái)?shù) 可以大大地壓縮信息速率 混合編碼是在參量編碼的基礎(chǔ)上引入了一些波形編碼的特征 在編碼率增加不多的情況下 較大幅度地提高了傳輸語音質(zhì)量 4 6 2差分脈沖編碼調(diào)制 PCM是對(duì)波形的每個(gè)樣值都獨(dú)立進(jìn)行量化編碼 這樣 樣值的整個(gè)幅值編碼需要較多位數(shù) 比特率較高 造成數(shù)字化的信號(hào)帶寬大大增加 但是語音信號(hào)相鄰的抽樣值之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性 信號(hào)的一個(gè)抽樣值到相鄰的一個(gè)抽樣值不會(huì)發(fā)生迅速的變化 這說明信源本身含有大量的冗余成份 語音樣值可以分為兩種成份 一種與過去的樣值有關(guān) 因而是可以預(yù)測的 可預(yù)測的成份是由過去的一些適當(dāng)數(shù)目的樣值加權(quán)后得到的 另一種是不可預(yù)測的 可以看作預(yù)測誤差 利用語音信號(hào)的相關(guān)性 根據(jù)過去的信號(hào)樣值預(yù)測當(dāng)前時(shí)刻的樣值 并僅把樣值與預(yù)測值的差值 預(yù)測誤差 進(jìn)行量化 編碼 這種方法稱為差分脈沖編碼調(diào)制 4 7圖像壓縮編碼 4 7 1圖像的描述 4 7 2模擬圖像的數(shù)字化 4 7 3圖像壓縮編碼技術(shù) 從圖像信息本身來說 數(shù)據(jù)壓縮是可能的 首先 原始信源數(shù)據(jù)存在大量冗余 如運(yùn)動(dòng)視頻內(nèi)像素間的空域相關(guān)和幀間相關(guān)都形成了很大的信源冗余 其次 對(duì)每秒顯示25幀圖像的視頻信號(hào)而言 前后相鄰的圖像之間一般也具有很強(qiáng)的相似性 表現(xiàn)為時(shí)間上的冗余 另外 圖像信號(hào)離散化后 只要這些離散值出現(xiàn)的概率不相等 就還存在統(tǒng)計(jì)冗余 將這些冗余去除或降低可以大大壓縮數(shù)據(jù)量 另外 通過分析人類視覺的生理特性知 人類視覺器官具有某種不敏感性 如人眼的掩蓋效應(yīng) 對(duì)邊緣變化不敏感 以及對(duì)亮度信息敏感而對(duì)顏色分辨力弱等 基于這些不敏感性 可以對(duì)某些非冗余信息進(jìn)行壓縮 從而大幅度地提高壓縮比 一般而言 通過選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)壓縮技術(shù) 圖像數(shù)據(jù)量可以壓縮到原來的1 2 1 60 幾種常用的圖像壓縮編碼方法 1 預(yù)測編碼常用的預(yù)測編碼是差分編碼調(diào)制 DPCM 其目的是利用鄰近像素之間的相關(guān)性來壓縮數(shù)碼率 以去除圖像數(shù)據(jù)間的空域冗余度和時(shí)間冗余度 它既可在一幀圖像內(nèi)進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測編碼 也可在多幀圖像間進(jìn)行幀間預(yù)測編碼 由于圖像信號(hào)是二維的 一個(gè)像素與上下左右的像素都有相關(guān)性 因此預(yù)測是二維的 而對(duì)于活動(dòng)圖像 相鄰幀之間也有相關(guān)性 故可以進(jìn)行三維預(yù)測 2 變換編碼變換編碼也是一種降低信源空間冗余度的壓縮方法 它利用變換域參數(shù)分布特征來實(shí)現(xiàn)壓縮編碼 常用的編碼有卡南 洛伊夫變換 KLT 離散傅里葉變換 離散余弦變換和Walsh變換等正交變換 由于變換所產(chǎn)生的變換域系數(shù)之間的相關(guān)性很小 可以分別獨(dú)立地對(duì)其進(jìn)行處理 而且經(jīng)變換后 大都能將能