信源编码解析课件.ppt
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1、第四章第四章信源编码信源编码信源编码:研究信源产生的消息的编码,即数字化序言采用ASCII码(己成熟)1)信源字符(数据)语音图像(视频)方式多样(另有课程)本章研究的重点2)源编码是实现信数字通信的第一步,一切电子系统几乎都实现了数字化!数字通信的优点:容量大、传输效率高,设备可靠,调整方便数字通信无缺点!3)信源编码的主要研究方向:在一定质量要求下,尽可能用最低的比特速率传送信源编码、信源解码在通信系统中的位置:(见图)4.1 字符编码与码元一、字符编码 了解 ASCII码 p.14 题1.1表二、码元的概念 二进制码元 M=2=,有两个符号:1、0 四进制码元 M=4=,有四个符号,每个
2、符号表示二位二进码 121110010022M进制码元 M=,有M个符号,每个符号表示n位二进码元2n数字通信就是用M个电平,或M个频率,或M个信号相位来表示M个符号,每个符号代表n位二进码。4.2 抽样定理先行课己讲述,请复习教材内容!抽样频率 ,信号频谱中的最高频率分量。2smffmf语音频谱控制在3003400HZ,因此选 =4000HZ,有:=8000HZ =1/=125 微秒sfsTsft0sTS(t)0t()sS tnt1st2stsf抽样定理将连续波形离散化4.3 波形的量化波形量化步骤:1)抽样;2)将抽样值量化;3)将量化电平编为二进码。A/D 变换器是实现波形量化的专用器件
3、!一、量化特性 图4.3.1 均匀量化输入-输出分层特性曲线4.3.1 均匀量化二,量化噪声()()()e tS tQ t量化噪声功率:22()/12eU 量化噪声电压:小结:(1)小,即分层电平数M 多,则量化噪声功率小;当量化噪声与外来噪声大小相近时,量化不会到信号质量产生影响;(2)任何仪器与测量都有一定精度,因而允许量化有误差,当 M=256,n=8 ,即每个采样值用8 bit 表示 M=512,n=9,即每个采样值用9 bit 表示 M=8192,n=13,即每个采样值用13 bit 表示等,这时在很多情况下,量化精度己足够高了。(3)M选多少?视具体要求而定。均匀量化的缺点:均匀量
4、化只适用于信号电平为均匀分布的情况,当信号幅度的概率密度函数为非均匀分布时,均匀量化将不适用!(如语音,小信号概率高,大信号概率小。)应采用非均匀量化:小信号分层密,大信号分层稀!U82921324.3 波形的量化4.3.2 非均匀量化一、非均匀量化特性图 4.3.3 语音非均匀量化特性图 4.3.4 非均丹量化波形示意4.3.2 非均匀量化(PCM方案)二、最佳非均匀量化特性平均量化噪声功率 最小!2e假设信号X(t)的概率密度函数为p(x),量化电平函数为 ,其平均量化噪声功率 的算式是:()iq x2e22()eiiExq x()ie x由第i层量化电平产生的误差2()()iiex p
5、x dxi=1,2,M-1显然 取决于p(x),p(x)大,电平密,p(x)小,电平稀,()iq x()iq x()iq x语音概率密度函数特点:1)最早一篇关于语音概率密度函数的论文发表于1952年;2)语音概率密度函数类似于负指数分布,但无法用简单的负指数系数表示;3)不同说话人,不同的语言会稍有不同,因而只能统计平均。0tp(x)语音概率密度函数近似曲线小结:1)语音的量化应小信号量化分层密,大信号稀,即非均匀量化;2)非均匀量化特性取决于选取的 能否使 最小。2e()iq x4.3.2 非均匀量化(PCM方案)三、语音非均匀量化的实现(1)律压扩(2)A律压扩图 4.3.5图 4.3.
6、6小信号扩张,大信号压缩后 再均匀量化=非均匀量化!4.3.2 非均匀量化(PCM方案)三、语音非均匀量化的实现(续)压扩特性的数学表达式:maxmaxln 1(/)sgnln(1)x xyyx(1)律压扩(2)A律压扩maxmax(/)sgn1 lnA xxyxAmaxmax1 ln(/)sgn1 lnA xxyxA =ymax10 xxAmax11xAxsgnx=+1 ,-10 x 26dB 速率 波形编码三种体制:在量化SNR一定条件下,速率能降到何程度?信息论中的率失真函数回答了这一问题。对于无记忆信源:对于有记忆信源:221()log2R DD()R D 221(1)log2D02(
7、0)D2,(D ),信号功率量化噪声两采样值之间的相关系数在失真D条件下每采样值所需的bit数假设p=0.96,采样频率仍为8KHZ,求得 =1822KHZ!由此可知,走波形编码的道路,要想使语音数据率压缩到18KHZ以下是不可能的!2/26DdBbR4.5.1 参量编码原理第四章 信源编码4.5 语音的参量编码一、参量描述消息的通适性消息参量文字汉字五笔;英语26个字母等语音元音、辅音;音调、清音、浊音;波形参数(如基音周期、预测系数)等图像横线、竖线、角度、灰度、边沿等不传消息的时间函数波形,而传消息参量!4.5 语音的参量编码4.5.1 参量编码原理二、发声模型气流声带声门口腔鼻腔咽腔鼻
8、音鼻音口音发音模型简图:气流通过声带、声门,由咽腔、口腔和鼻腔等共同控制而发音。3a可等效为N段等长级联无损声管,并可用如下传递函数拟合:1)1NkkkGH za z(1a2a3aka气流通过级联声管发音注:参见数字语音处理启示:噪声源通过数字滤波器应能能合成语音!4.5 语音的参量编码4.5.1 参量编码原理三、语音参量编码的可能速率#语音参数一般有128256个,假设为256个,用8bit/参数 表示;假设发音速率是10参数/秒,=8bit/参数10参数/秒=80 bit/sbR#当前语音参量编码(混合)达到的速率:CDMA移动通信系统(IS-95):1.2Kb/s 实验室达到的速率:低于
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