到54连续信源编码含均匀量化和非均匀量化

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第5章信源编码2021/10/31 信源编码5.1离散信源编码5.2连续信源编码5.3相关信源编码5.4变换编码2021/10/32 连续信源x(t)输出的消息在时间和取值上都是连续，因此其编码方法与离散信源的编码有所不同。需经过三步变成离散信源之后再进行编码：抽样：依据采样定理，先将x(t)变成时间上离散的幅度x(iTs)。量化：用有限个量化值xq来代替信号的无穷多连续取值的实际幅度。编码：将量化值用二进制或多进制的码C表示出来。因此：连续信源的编码属于限失真信源编码。其编码速率受限于R(D)。2021/10/33 连续信源的量化编码：均匀量化编码：整个量化范围内的量化间隔是相同的。非均匀量化编码：量化间隔的大小随信号的大小而改变。欧洲和中国采用的是A律13折线编码（7中种不同的量化间隔），典型的有PCM(PulseCodingModulation，脉冲编码调制)2021/10/34 PCMPCM编码，分为3步：采样。在某瞬间测量模拟信号的值。采样速率8kHz/s。量化。用256个不同的具体量化电平来表示对应的模拟信号瞬间抽样值。编码。每个量化值用8个比特的二进制代码表示，组成一串具有离散特性的数字信号流。2021/10/35 用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特速率为64kbit／s。固定电话采用的就是这种数字化的方法，因此每个话音信道的速率是64kbit／s。2021/10/36 2021/10/37 13折线A律的每个段落再均匀地分为16份，每一份作为一个量化间隔。这样，0~1的范围内一共划分出8*16=128个不均匀的量化间隔。2021/10/38 图中横坐标x在0至1区间中分为不均匀的8段。1/2至1间的线段称为第8段；1/4至1/2间的线段称为第7段；1/8至1/4间的线段称为第6段；依此类推，直到0至1/128间的线段称为第1段。图中纵坐标y则均匀地划分作8段。第几段12345678段落起始电平01/1281/641/321/161/81/41/2各段大小1/1281/1281/641/321/161/81/41/22021/10/39 将与这8段相应的座标点(x,y)相连，就得到了一条折线。由图可见，除第1和2段外，其他各段折线的斜率都不相同。在下表中列出了这些斜率：因为语音信号为交流信号，所以，上述的压缩特性只是实用的压缩特性曲线的一半。在第3象限还有对原点奇对称的另一半曲线折线段号12345678斜率161684211/21/42021/10/310 2021/10/311 13折线A律的每个段落再均匀地划分为16份，每一份作为一个量化间隔。则0~1范围内共划出8*16=128个不均匀的量化间隔。最小的量化间隔是第一段：最大的量化间隔是第8段：2021/10/312 对13折线A律非均匀量化结果进行定长折叠二进制编码。（1）根据信号的正负，确定极性，编码为c7（2）根据信号所在的段落，确定段落码，由于一共8个段落，因此段落码需3位二进制码表示（3）根据信号所在的段落内的第几个份，确定段内码，已知每一段分为16份，因此段内码需4位二进制码表示。综合：13折线A律非线性量化编码共需8位码。2021/10/313 段落码编码规则段落序号段落码c2c3c4段落起始值（量化单位）各段大小各段大小段内码100001/12816Δ8Δ4Δ2Δ1Δ20011/128=16Δ1/12816Δ8Δ4Δ2Δ1Δ30101/64=32Δ1/6432Δ16Δ8Δ4Δ2Δ40111/32=64Δ1/3264Δ32Δ16Δ8Δ4Δ51001/16=128Δ1/16128Δ64Δ32Δ16Δ4Δ61011/8=256Δ1/8256Δ128Δ64Δ32Δ16Δ7110¼=512Δ¼512Δ256Δ128Δ64Δ32Δ8111½=1024Δ½1024Δ512Δ256Δ128Δ64Δ2021/10/314 例：已知某采样时刻的归一化信号值为x=-286Δ，求其13折线A律非均匀量化编码。解（1）确定极性码：x<0，所以c7=0(2)确定段落码：256Δ<286Δ<512Δ位于第6段，编码为5，即101（3）确定段内码：286Δ-256Δ=30Δ16Δ<30Δ<32Δ位于段内16份的第2份，但相比于16Δ30Δ更接近于32Δ,所以根据中平量化中的就近原则，按第3份进行编码，即2，对应的二进制段内码为00102021/10/315 量化误差为e=32Δ-30Δ=2Δ也叫量化噪声相应的PCM编码为：010100102021/10/316 信源编码5.1离散信源编码5.2连续信源编码5.3相关信源编码5.4变换编码2021/10/317 5.3相关信源编码相关信源（连续有记忆信源）：采样后的信号序列时间上有相关性，如果仍然对各个采样时刻的信号值逐个进行量化，则会造成码长的冗余。连续有记忆信源编码的分类：（1）预测编码：利用信号序列时间上的相关性，通过预测来减少信息冗余后再进行编码。（2）变换编码：引入某种变换，将信号序列变换为另一时域上彼此独立或相关性很低的序列，在对新的序列进行编码。2021/10/318 预测编码基本思想2021/10/319 预测编码基本思想只要预测足够准确，dn就足够小，只对dn进行量化、编码，相比于对xn进行量化编码，会减少信息冗余度，提高编码效率。例：线性预测编码LPC(LinearPredictiveCoding)：2021/10/320 线性预测编码基本思想2021/10/321 话音编码(信源编码)RPE-LTP编码(Regular-PulseExcitationLongTimePrediction-code规则脉冲激励长期预测编码)：是波形编码及声码器(参量编码)相结合的混合编码方法，以较低的码速率获得较高的话音质量。示例：GSM的话音编码2021/10/322 考虑实际可使用的带宽，GSM规范中规定载频间隔是200kHz。而采用PCM编码时，G网每个载频传输8个时隙的用户数据的速率需512kbps;要把它们在规定的200kHz的频带内传输，必须大大地降低每个话音编码的比特率，这就要靠改变话音编码的方式来实现。GSM的话音编码2021/10/323 声码器编码（也叫参量编码）：可以是很低的速率（可以低于5kbit／s，虽然不影响话音的可懂性，但话音的失真性很大，很难分辨是谁在讲话。波形编码器话音质量较高，但要求的比特速率相应的较高。GSM的话音编码2021/10/324 GSM系统在中国890915935960上行或反向下行或前向1、中国移动GSM占用的频段：890-908（上行）935-953（下行）2、中国联通GSM占用的频段：909-915（上行）954-960（下行）2021/10/325 GSM系统在中国双工距离:95MHz17101785180518801、中国DCS1800:（1）中国移动：1710~1720（上行）1805~1815（下行）（2）原中国联通：1745~1755（上行）1840~1850（下行）2021/10/326 GSM的频道每个频道宽度为200KHz，供8对用户用来时分通信分到每个用户的头上，单个用户所占的带宽：200k/8=25kHz去话频道来话频道假设：用户1和朋友的通话占用频道5的绿色时隙……用户8和朋友的通话占用频道5的橙色时隙每个频道按时间划分为周期性的帧（帧长4.615ms）,每帧8个时隙，每个时隙供一个用户使用2021/10/327 因此GSM系统话音编码器：是采用声码器和波形编码器的混合物---混合编码器。全称为线性预测编码——RPE-LTP（Regular-PulseExcitationLongTimePrediction-code，规则脉冲激励长期预测编码），以较低的码速率（13kbps）获得较高的话音质量。2021/10/328 3G网络中的信源编码可变速率声码器：根据人说话声音的大小和快慢改变编码速率，从而进一步降低编码速率。3G支持如下的信源编码：QCELP（码激励线性预测编码算法CodeExcitationLinearPrediction）:其基本速率是8kb/s，但是可随输入话音消息的特征而动态地分为四种，即8,4,2,1kb/s。（与PCM比效率高4至8倍）EVRC(EnhancedVariableRateCoder)增强可变速率编解码器），它保持8kbps的最大数据率，但得到的音质只稍低于13kbps声码器。2021/10/329 话音激活(DTX，DiscontinuousTransmission)在一个通信过程中，其实移动用户仅有很少的时间用于通话，大部分时间都没有传送话音消息。如果将这些信息全部传送给网络的话，这不但会对系统资源造成浪费而且会使系统内的干扰加重。所以利用语音编码器检测到话音间隙后，在间隙期不发送，这就是所谓的不连续发送。通话时进行13Kb/s编码，停顿期用500b/s编码发送舒适的噪声。2021/10/330 预测编码的详细分类预测阶数p和加权系数wi如何选取才能达到性能和简单性的合理折衷，于是提出了很多方案，称为差值编码，分类如下：增量调制ΔM(DM)差分脉冲编码调制DPCM(Differential~)自适应差分脉冲编码调制ADPCM(Adpative~)2021/10/331 增量调制的基本原理：发端：将信号值与量化预测值之差进行1比特量化；即对差值的正负号进行编码，正号（+Δ）则编为1，负号（-Δ）则编为0。同时在的基础上加上预测误差（加/减量化增量Δ）形成下一个时刻的量化预测值。2021/10/332 增量调制的基本原理：收端：通过译码将编为预测误差值，加上量化预测值，则可得到量化值。同时在的基础上加上预测误差值（加/减增量Δ）形成下一个时刻的量化预测值。2021/10/333 DPCM差分脉冲编码调制DPCM(Differential~)基本原理：发端：将信号值与量化预测值之差进行量化；由于的动态范围较小，一般对量化采用均匀量化，量化码的长度取3，则量化间隔Δ=1/8；之后进行编码，即在量化码的基础上增加一位表示正负的极性码，则码长变成4。同时在的基础上加量化信号值（加/减量化间隔Δ）形成下一个时刻的量化预测值。2021/10/334 DPCM差分脉冲编码调制DPCM(Differential~)收端：通过译码将编为预测误差值，加上量化预测值，则可得到量化信号值。同时在的基础上加量化信号值（加/减增量Δ）形成下一个时刻的量化预测值。2021/10/335 自适应差分脉冲编码调制ADPCM(Adpative~)：使预测、量化能跟踪信号特性的变化，主要用于卫星通信中的语音和数据传输。2021/10/336 信源编码5.1离散信源编码5.2连续信源编码5.3相关信源编码5.4变换编码2021/10/337 5.4变换编码傅立叶变换余弦变换K-L变换：变换域上的序列完全独立，编码效率最高，是最佳变换；但是变换矩阵无快速算法，故一般用于理论分析。实际用的比较多的变换编码有：子带编码小波变换2021/10/338 子带编码SBC(SubBandCodding)定义：首先将信号分割成若干个不同的频带分量（子带信号），再分别对子带信号进行时间采样和量化编码。基本原理：发端：用一组带通滤波器将信号分割成不同的频带分量，并通过频率搬移为基带，再分别进行采样（满足采样定理），再对采样后的信号序列分别进行量化编码形成子带码，合成总码后通过信道传输到接收端。收端：将总码分为子带码，分别通过译码重建信号序列，经D/A变换后重建基带信号，在通过频率搬移重建子带信号，经BPF，最后合成得到重建信号。2021/10/339 子带编码的优点：通过给人听视觉敏感的频率分配较多的bit数，不敏感的频率分配较少的bit数，达到数据压缩各子带的量化噪声都束缚在本子带内。采样频率可降低为子带数M的1/M实际应用时，子带数M取2~4，使用SBC的编译码器已经应用于语音存储转发和语音邮件。2021/10/340 小波变换定义：把傅立叶变换中的函数用小波取代后，对信号f(t)进行变换。小波变换的优点：克服了傅立叶变换（只适合平稳信号，其所有时刻的频率特性相同）后，频域分辨率无穷大，而时域分辨率为0的缺点小波变换后，既有足够的时域分辨率，又有足够的频域分辨率实际应用时，小波变换多用于图像编码，ISO将基于小波变换的图像编码技术作为JPEG2000(JointPhotographyExpertGroup,静态图象压缩编码)和MPEG4(MoviePhotographyExpertGroup,动态图像压缩编码)推荐使用。2021/10/341 ThankYou!2021/10/342