第三章DVB-S系统信源编码

第三章DVB-S系统3.1数字通信系统的基本知识3.2DVB-S系统信源编码3.1数字通信系统的基本知识通信：指信息的传输与交换。通信的目的：传递消息中所包含的信息。消息(message)：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。信息(information)：是消息中包含的有效内容。实现通信的方式和手段：非电的：如旌旗、消息树、烽火台…电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。单工通信：消息只能单方向传输的工作方式半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式3.1.1通信方式：单工、半双工和全双工通信并行传输和串行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要n条通信线路，成本高发送方接收方同时发送8比特01101100串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，节省线路；缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施发送方01100100接收方01100100并行/串行转换器串行/并行转换器011001008比特依次发送3.1.2数字通信系统主要性能指标有效性和可靠性有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。式中T表示一个码元的持续时间（秒）信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的比特数或平均信息量，单位为比特/秒，简记为b/s，或bps)B(1TRB码元速率和信息速率的关系或对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200B，，则信息速率为3600b/s。)b/s(log2MRRBb)B(log2MRRbB频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即或可靠性：常用误码率和误信率表示。误码率误信率，又称误比特率在二进制中有)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb传输总码元数错误码元数eP传输总比特数错误比特数bPebPPη越大，ηb越大，有效性越好；采用多进制可以提高ηb解：依题意3000/bRbits则82/log81000BbRRBaud得系统的误码率51036010100018eP例1：已知某八进制数字通信系统的信息速率为3000bit/s，在收端10分钟内测得出现18个错误码元，试求该系统的误码率。信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。离散信道容量根据奈奎斯特(Nyquist)准则，带宽为Ｂ的信道，所能传送的信号最高码元速率为2B波特(Baud)。因此，无噪声离散信道的信道容量为C=2Blog2L(bit/s)3.1.3信道容量例2：一个四进制无噪声数字信道，带宽为3000Hz，求该信道的信道容量。解：C=2Blog2L=2×3000×log24=12000bit/s3.2信源编码压缩的必要性以4：2：2信号格式为例，采用10比特编码，标清信号的比特率达到270Mbit/s，因此要求信道提供135MHz的带宽。信号的存储困难，一个1GB容量的光盘，仅能存约半分钟的标清电视数据。HDTV系统中，一帧画面1280×720点，24bit真彩色，60帧/s，每秒数据量:1280×720×3×60=166MB=1.33Gb目前数字传输能力，6MHz带宽，只有30Mb/s的传输速率，需要压缩比:1330/20=44.4结论：1）如果不降低数字电视数据量和数据码率，就无法在普通的数据存储设备有效地存储数字电视信号；2）无法在适当的信道带宽内有效地传输数字电视信号；因此，要想降低数字电视的数据量和码率，就需要对数字电视信号进行压缩。通常，将对数字电视信号进行压缩的过程称为信源编码。压缩的可能性图像数据的压缩机理来自两个方面：一是利用图像中存在大量冗余度可供压缩；二是利用人眼的视觉特性带来的数据冗余。1．图像数据的冗余度（帧内和帧间）(1)空间冗余在一幅图像中规则的物体和规则的背景都具有很强的相关性。例1静止图像信息的冗余（相邻像素间的空间冗余）例2活动图像信息的冗余（相邻帧间）图像序列中不同帧之间存在相关性引起的时间冗余(2)时间冗余帆船在画面中航行，前后两帧图像中只是帆船向前行驶了一段路程，背景基本不变，帆船也是时间相关的（3）结构冗余：图像从大面积上看，存在着有规律的纹理结构，称之为结构冗余。如太阳是圆的，楼房建筑多为长方形，人的身体具有对称性等。（4）知觉冗余：知觉冗余是指那些处于人们听觉和视觉分辨力以下的视音频信号，若在编码时舍去这种信号，虽然产生一定失真，但并不能为人所感知。视觉冗余人眼的视觉效果是图像质量的最直接也是最终的检验标准，对于人眼难以识别的数据或对视觉效果影响甚微的数据，都可认为是多余的数据，可以省去。这些多余部分就是视觉冗余。4bit量化8bit量化空间分辨力空间分辨力是指对一幅图像相邻像素的灰度和细节的分辨力，视觉对于不同图像内容的分辨力不同。对于静止图象，视觉具有较高的空间分辨力。对于活动图象，视觉具有较低的空间分辨力，且随着运动速度的提高而迅速下降。信源编码的方框图消除空间与时间冗余消除知觉冗余降低结构冗余消除统计(熵)冗余帧内预测帧间预测自适应预测运动补偿预测K-L变换哈尔（Haar）变换离散余弦变换（DCT）沃尔什（Walsh）变换霍夫曼编码算术编码MPEG标准1988年，国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）共同组建了运动图像专家组MPEG（MovingPictureExpertsGroup），对运动图像的压缩编码标准进行了研究。1992年和1994年分别通过了MPEG-1和MPEG-2压缩编码标准。针对不同的应用，MPEG现在已经有了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3、MPEG-4、MPEG-7一系列标准。对高质量的活动图象、声音实现压缩主要用于广播电视、活动图象的压缩编码和解码数据压缩编码方法的分类根据解压重建后的图像和原始图像之间是否有误差，可以分成两类。无损压缩编码（可逆压缩编码(ReversibleCoding)）原始数据可完全从压缩数据中恢复出来，即在压缩和解压缩过程中没有信息损失。压缩比2:1左右。有损压缩编码(不可逆压缩编码(Non-ReversibleCoding))原始数据不能完全从压缩数据中恢复出来，即恢复数据只是在某种失真度下的近似。如果视觉上能够接受甚至觉察不出质量的降低，则这种压缩就是可行的。压缩比1000:1。根据压缩机理的不同，数据压缩编码方法可以分成：预测编码、变换编码、熵编码。1、预测编码（PredictiveCoding）(帧间编码)利用过去的样值对当前样值进行预测，然后当前样值的实际数与预测值相减得到一个误差值，只对这一预测误差值进行编码。编码系统主要由加法器、预测器、量化器和编码器构成。差分脉冲编码调制（DPCM：DifferentialPulseCodeModulation）是预测编码中最重要的一种编码方法。DPCM原理DPCM原理任一像点的灰度值可由它前面出现的若干个像素进行估计(预测)数字图像相邻像素间存在较强的相关性求出估计值与实际值的差值对差值进行量化、编码、传输设tk时刻的输入信号取样值为Xk；tk时刻前N个邻近像素取样序列为，现由此N个值估计，得估计值预测差值为,对ek进行量化、编码、传输可达到压缩目的。NkkkXXX,,,21ˆkkkeXXkXˆkXDPCM原理DPCM系统的性能决定于预测器与量化器的设计。DPCM系统的主要问题是存在误码扩散：若传输中产生误码，由于递归预测算法，对于帧间编码会使误差扩散到后续的若干帧中。注意:因为静止图像前后帧空间位置对应像素完全一样，简单帧间预测对于静止图像画面压缩非常有效。存储器存储第一帧图像数据，其后连续帧可以反复读出。对于活动图像内容，前后帧相应位置像素差值很大，量化后比特数仍然很大，压缩效果不佳。解决办法：运动估计（MotionEstimation）运动补偿块效应（1）运动估计简单说运动估计是对运动物体的位移作出估计。编码图象中的当前宏块相对于参考图象中的匹配宏块所移动的距离和方向，就是运动矢量（MotionVector）。求运动矢量的过程称为运动估计。abc当前帧后一帧运动矢量MV运动估计，找到匹配块前一帧（2）运动补偿最终预测图象是用两种类型的参数一起来表示：当前要编码的图象宏块和参考图象宏块之间的差值；宏块的运动矢量。考虑了运动估计而对图像进行预测编码称为运动补偿。2、变换编码变换编码(TransformCoding)的基本思想是将在通常的空间域描写的图像信号变换到另外的向量空间(变换域)进行描写，然后再根据图像在变换域中系数的特点和人眼的视觉特性进行编码。如将时域信号变换到频域，因为声音、图像大部分信号都是低频信号，在频域中信号的能量较集中。(1)一般来说图像变换不是对整幅图像一次进行，而是在存储器中把一幅图像分成许多像块，然后依次将每个像块内的N×N个样点同时送入变换器进行变换运算。(2)变换器把输入的N×N点的像块由原空间域变换到变换域中，映射成同样大小的N×N点的变换系数矩阵，经过变换后的系数矩阵更有利于压缩。变换编码流程(3)量化器用有限个值来表示变换后的系数矩阵，通过量化器舍弃一些小幅度的变换系数。(4)编码器给量化器输出的每一个符号指定一个二进制码字，可以是定长码也可以是变长码。变换编码流程变换编码系统框图分块DCT变换量化编码解码反量化反DCT变换块组合输入数据接收输出信道右图为8×8DCT基图像示意图注：变换后的系数矩阵中，不同位置处的系数值对应不同空间频率分量的大小，低频分量处在左上角附近，高频分量处在右下角附近。变换之后需要对DCT系数进行量化，这时可利用人眼的视觉冗余性。可对系数矩阵左上角附近的系数进行细量化（量化比特数高）而对右下角附近的系数进行粗量化（量化比特数低），即对不同的DCT系数采用不同的量化间隔。不同的量化间隔DCT编码是有损压缩对图像带来失真的主要原因如下：(1)由于量化舍去高频系数而使图像轮廓产生模糊；(2)对某些系数采用粗量化引起图像亮度缓变区在邻近的两个量化电平之间变化，造成颗粒状的杂波；(3)像块的划分使相邻像块人为地造成亮度不连续，即块效应。例：把DCT变换后的系数按一定方式读出。Z形扫描游程编码：（0，79），（1，－2），（0，－1），（0，－1），（0，－1），（2，－1），EOBZ形读出：3、游程编码(RLC，RunLengthCoding)游程编码的方法是将一维序列转化为一个由二元数组(run,level)组成的数组序列，其中run表示连零的长度，level表示紧接在这串连零之后出现的非零值。当剩下的所有系数都为零时，用符号EOB(EndofBlock)来代表。游程编码(RLC，RunLengthCoding)注：游程编码一般不直接使用，为了达到较好的压缩效果，通常与其他编码方法一起使用，如和正交变换一起使用。为解决连0的表达方式采用游程编码。游程长度编码(RLC)图在量化的DCT交流（AC）系数中，将每一串连0系数与其后面的一个非0系数组成一个数组，并用一对符号表示：符号1符号2（游程长度Run,位长）（幅值）游程长度：非零系数前连0的个数；位长为后续非“0”系数的编码位长。幅值：非零系数值。DC和AC系数的统计量不一样，它们采用不同的Huffman表。符号对由符号1和符号2组成。对于直流差分系数，符号1中只有位长。符号2表示幅