信源编码与数据压缩

北邮信息理论与技术教研中心BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter第四章信源编码与数据压缩主讲人:牛凯BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter2•本章讨论在物理层决定有效性的最主要因素：信源编码和数据压缩技术。•信源编码是主要利用信源的统计特性，解除信源相关性，去掉信源冗余信息，从而达到压缩信源输出的信息率，提高系统有效性的目的。•第二代移动通信主要是语音业务，所以信源编码主要指语音压缩编码。第三代移动通信中的信源编码将不仅包含语音压缩编码，还包含各类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面内容。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter3§4.1语音压缩编码•在本节中，我们将讨论语音压缩编码的基本原理与方法，以及在移动通信中的语音编码。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter44.1.1引言语音压缩编码大致可以分为以下三类：•波形编码•参量编码•混和编码以上三类编码，波形编码质量最高，其质量几乎与压缩处理之前相同，可以适用于公用骨干(固定)通信网。参量编码质量最差，不能用于骨干通信网，而仅适合于特殊通信系统，比如军事与保密通信系统。混和编码质量介于两者之间，目前主要用于移动通信网。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter51.波形编码的性能估计利用信息论中连续(模拟)有记忆信源的信息率失真R(D)函数理论可以分析波形编码的性能。信息率失真R(D)为：2221(1)()log2RDD上式的计算结果如下表所示:信噪比(dB)35322825232017R(D)(bit/样点)43.52.52.3421.51压缩倍数K22.283.23.4245.38BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter6•由上述分析结果可以得到如下结论：当语音质量达到进入公网要求标准时，即,其倍，若进一步考虑实际语音分布与主观因素的影响(因为正态分布R(D)其压缩倍数可以进一步增大，取(保守值)这时语音速率可以从未压缩的PCM64Kbps降至1/4速率的16Kbps。目前已实用化的DPCM为32Kbps。226dBD3.4K4KBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter72.参量编码的性能估计782128~2256语音可以采用各种不同形式的参量来表达。为了分析方便，采用最基本的参量“音素”。以英语音素为例进行分析。英语中共有音素。按照通常讲话速率，每秒大约平均发送10个音素。由信息量计算公式，对于等概率事件有：，N为总组合数，则：最后可计算出压缩比K为：2logIN10122loglog(256)80INbps(上限)＝10222loglog(128)70INbps(下限)＝64914~80070~80KbpsKbps倍BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter83.混合编码的性能估计显然混合编码的理论压缩比是介于上述两类编码之间，且与语音质量需求有关。若要求混合编码偏重于个性特征，则其压缩比靠近波形编码的压缩比值，若要求混和编码偏重于共性，则其压缩比靠近于参量编码。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter94.1.2数字通信中的语音编码•高质量的混合编码是移动通信中的优选方案。•在低数据比特率、高压缩比的混合编码中，数据数据比特率、语音质量、算法复杂度与处理时延是四个主要参量。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter101.数据比特率(bps)•数据比特率越低压缩倍数就越大，可通信的话路数也就越多，移动通信系统也就越有效。•数据比特率降低，语音质量也随之相应降低，为了补偿质量的下降，可采用提高设备硬件复杂度和算法软件复杂度的办法。•降低比特速率另一种有效方法是采用可变速率的自适应传输，它可以大大降低语音的平均传送率。•还可以进一步采用语音激活技术，充分利用至少3/8的有效空隙，可获得大致约2.67dB的有效增益。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter112.语音质量度量方法不外乎客观与主观两个角度：•客观度量可以采用信噪比、误码率、误帧率，相对而言简单、可行。•主观度量是由人耳主观特性来判断，比客观度量复杂。目前国际上常采用的主观评判方法称为MOS方法。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter123.复杂度与处理时延•语音编码硬件复杂度取决于DSP处理能力，而软件复杂度则主要体现在算法复杂度上。算法复杂度增大，也会带来更长的运算时间和更大的处理时延。参数指标编码器类型数据比特率(Kbps)复杂度(MIPS)时延(ms)质量(MOS)脉码调制PCM640.0104.3自适应差分脉码调制ADPCM320.104.1自适应自带编码161254多脉冲线性预测编码810353.5随机激励线性预测编码4100353.5线性预测声码器21353.1•如右所示，我们给出几种已知低数据比特率语音编码的上述四个参数与性能比较表格。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter134.1.3语音压缩编码原理1.波形编码的基本原理•自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)是建立在差分脉冲编码调制(DPCM)的基础上，而DPCM又是建立在脉冲编码调制(PCM)的基础上。•PCM可分为三个基本步骤：取样、量化与编码。•DPCM的不直接传送PCM数字化信号，而改为传送其取样值与预测值(通过前面样点值经线性预测求得的)的差值，并将其量化、编码后传送。•ADPCM与DPCM原理一样，主要差别在于ADPCM中的量化器和预测器引入了自适应控制机制。同时在译码器中多加上一个同步编码调整器，其作用是为了在同步级联时不产生误差积累。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter14自适应量化器PCM线性码逆量化器自适应预测器自适应速度控制定标因子自适应)('nc)(nQL)(ny)(ny)(ny)(ncADPCM输出)(nx)(nd)(ˆnd)(ˆnx)(nx•32KbpsADPCM编码原理如下图所示：•32KbpsADPCM译码原理如下图所示：逆量化PCM线性码同步编码调整)(nc)(ˆnd)(ˆnx自适应预测定标因子自适应自适应速度控制++)(nx)(ny)(ny)(ny)(nQLBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter152.参量编码的基本原理•参量编码不直接传送语音波形，而是传送产生、激励语音波形的基本参量。•根据语音产生机理，采用下列物理模型：周期性信号源随机性信号源时变线性滤波器增益控制G()un输出()Cn合成话音BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter16•典型参量编码的线性预测LPC方案如下图所示：合成话音输入话音AD预测系数分析清浊音判决基音提取PU/VG参量量化编码ia信道参量译码随机信源周期信源话音合成滤波器(IIR滤波器)PˆVUˆˆGˆiaˆ输出•为了降低LPC的码率，提高稳定性，可采用以下两种方法：采用一类反射系数格形算法采用矢量量化技术BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter173.混合编码的基本原理混合编码是介于波形编码与参量编码之间的一种编码方法，兼有参量编码低速率与波形编码的高质量的优点。实现混合编码的基本思想是以参量编码原理，特别是以LPC原理为基础，保留参量编码低速率的优点，并适当的吸收波形编码中能部分反映波形个性特征的因素。重点改善自然度性能。改进LPC主要从三方面入手：改进语音生成物理模型、激励源结构和合成滤波器结构，提高语音质量；改进参量量化和传输方法，进一步压缩传输速率；采用自适应技术，进一步解决系统与信源和信道之间的统计匹配。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter18§4.2移动通信中的语音编码•本节将结合第二代(2G)的GSM与IS-95系统以及第三代(3G)的WCDMA和CDMA2000等不同系统所采用的语音编码具体方案，着重从原理上来阐述移动通信中的语音编码。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter194.2.1GSM系统的RPE-LTP声码器原理•RPE-LTP声码器采用等间隔，相位与幅度优化的规则脉冲作为激励源，以便使合成后的波形更接近原始信号。该方案结合长期预测以消除信号的冗余度，降低编码速率，同时其算法较简单，计算量适中且易于硬件实现。•REP-LTP编码器包括下列五个部分：预处理，线性预测分析，短时分析滤波，长时预测以及规则脉冲激励编码，其编码器原理如左图所示。M预处理LPC分析短时分析滤波器长时分析预测加权滤波规则激励码编码器LAR编码器长时参数编码器APCM量化器)(iXmmaxXjNjb()LARiBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter20•RPE-LTP编码器的核心任务是给接收端传送一组六个基本参量M、、、、、LAR(i)。六个基本参量的信息比特分配如下。()MXimaxXjNjb参数数量比特/参数比特数LPC系数LAR(i)83,4,5,636LTP增益428LTP滞后4728RPE网络位置M428最大值4624RPE样点值523156合计260jbjNmaxX()MXiBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter21•RPE-LTP的译码器原理如下图所示：RPE网络位置APCM反变换LTP参量译码短时合成滤波去加重反射系数内插LAR译码M输出NZmaxX'b'N1()Az()LARijbjN()mXi•由图可见RPE-LTP译码主要包含四个部分：RPE译码、长时预测、短时合成滤波以及后处理。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter224.2.2IS-96系统的QCELP声码器•QCELP声码器是Qualcomm公司提出的用于IS-96系统的语音编码标准。•QCELP方案的编码原理如下图所示。合成话音输出其它码速码速G伪随机信号产生器矢量码表音调合成滤波器增益滤波参数1221控制信号线性预测滤波器自适应滤波器81Lb滤波参数增益控制T(周期)BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter23•TIA/EIAIS-96的QCELP语音编译码系统如下图所示：码本序号及增益音调及增益LSP参数音调及增益LSP参数ADLPCLPCLSP速率判决音调检索码本检索打包输入信道解包码矢量激励音调合成LSPLPC自适应共振峰合成器DA输出BUPTInformatio