无线通信工程--第06讲－信源编码

无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年11月24日第六讲无线通信的信源编码引言信源的原始信号绝大多数是模拟信号，因此，信源编码的第一个任务是模拟和数字的变换，即：A/D，D/A。抽样率取决于原始信号的带宽：fc=2w，w为信号带宽抽样点的比特数取决于经编译码后的信号质量要求：SNR＝6L(dB)，L为量化位数概述但是，由于传输信道带宽的限制，又由于原始信源的信号具有很强的相关性，则信源编码不是简单的A/D，D/A，而是要进行压缩。为通信传输而进行信源编码，主要就是压缩编码。信源编码要考虑的因素：－发信源的统计特性。－传输信道引入的损伤，如误码。－受信者的质量要求。概述（续）信源编码定理：对于给定的失真率D，总可以找到一种信源编码方法，只要信源速率R大于R(D)，就可以在平均失真任意接近D的条件下实现波形重建。说明1：R(D)称为率失真函数，它是单调非增函数，速率越高，平均失真越小。说明2：为了保证在一定速率下的失真，必需采用信源编码，因而会引入编码延时。理论信道编码定理：如果信源速率R小于信道容量C，总可以找到一种信道编码方法，使得信源信息可以在有噪声信道上进行无差错传输，即：RC，无差错传输条件说明1：信道容量C是根据仙侬定理得到的C＝Wlog2(1+S/N)说明2：为了保证无差错传输，必需采用信道编码，因而会引入编码延时。理论（续）信息传输定理：将信源编码定理和信道编码定理综合，就得到信息传输定理。即：为保证无差错传输及失真度，必需满足：CR(D)说明1：在一般数字通信系统中，信源编码和信道编码可以分开考虑。信道编码定理给出无差错的速率上限，信源编码定理给出无失真的速率下限。说明2：为了实现理想性能，都要付出延时的代价。理论（续）速率：高速率、中速率、低速率压缩比质量：客观评价主观评价延时：质量和延时的关系不同业务对延时的要求复杂性：算法的复杂性及软硬件实现的复杂性性能指标波形编码将波形直接变换成数字码流。特点：比特率较高、解码后质量较高、延时较小。可以分为：时域波形编码，如PCM、ADPCM、M等；频域波形编码，如：子带编码（SBC）、自适应变换编码（ATC）等。参数编码从信源信号的某个域中提取特征参数，并变换成数字码流。特点：比特率较低、解码后质量较低、延时较大。如：各种声码器。混合编码将以上二种方法混合，特点：以较低的比特率获得较高的质量，延时适中，复杂。如：G723.1，G728，G729，GSM的语音编码，IS-95的语音编码等。实现方法音频编码提高传输的质量便于处理使用灵活，便于多种媒体（视频、音频、文字、数据）相结合应用易于加密适合大规模集成可靠性高、体积功耗小价格便宜音频编码的优点分类频率范围Hz动态范围采样频率kHz质量要求主要应用电话语音300-340048dB8清晰度数字电话宽带语音50-700084dB16清晰度扬声器电话ISDN会议电视广播音频10-20k96dB4844.132保真度音频产品节目分配和交换数字声广播数字声存储视频会议多媒体系统高质量电视音频编码的应用压缩的必要性类型带宽KHZ采样率KHZ比特/样点比特率kb/s电话语音0.3~3.481296宽带语音0.05~71614224调频广播0.02~153216512CD光盘0.01~2044.116705.6DAB/DAT0.01~204816768波形编码PCM原理（37年，法AlecReeres）电子管PCM（46年，Bell实验室）晶体管PCM（62年，市话扩容，64kb/s）单片ICPCM（70年代，微波、卫星、光纤）增量编码原理（46年，法DeLoraine）自适应增量CVSD（60年代末，军用，32、16kb/s）ContinuouslyVariableSlopeDeltaModulator连续变化斜率增量调制器其他编码（70年代，ADPCM、SubBand、ATC、APC等）在16kb/s以上得到较好的话音质量。特点：话音质量好，但编码速率高。音频编码历史：数字电话（1）参数编码波形编码通道声码器（39年，Dudly，二次大战保密电话）LPC声码器（67年，Atal、Schroeder）同态声码器（69年，Oppenheim）共振峰声码器（71年，Rabiner、Schafer、Elanagan）MBE声码器（88年，Griffin、Lim）波形插值（91年，W.B.Kleijn）2.4kb/s、1.2kb/s、较好；600-800b/s可懂。特点：编码速率低，自然度差。混合编码器利用线性预测、VQ、A-B-S、感觉加权、后滤波等技术。多脉冲激励线性预测（MPELP1982Atal、Remde）规则脉冲激励线性预测（RPELP1985Deprettere、Kroon）码本激励线性预测（CELP1985Manfred、Schroeder、Atal）8-16kb/s，高质量。特点：话音质量高、编码速率低，但算法复杂。音频编码历史：数字电话（2）主要应用于会议电视，相当于调幅广播的质量1988年CCITT制定了G.722标准：SB-ADPCM1996年左右，美国PictureTel公司提出PTC－PictureTelTransformCoder1999年9月发布：“ITU-TG.722.1proposedfordecision:7kHzAudio-CodingAt24And32kbit/sForHandsFreeOperationInSystemsWithLowFrameLoss。”音频编码历史：宽带语音主要应用于娱乐与鉴赏，对于重建信号的音质有很高的要求，目前采用比特率较高的波形编码技术进行压缩。可以直接在时域进行，也可以转到频域或其他变换域进行。1982年激光唱盘(CD:CompactDisk)上市。MD：Mini-Disk，日本索尼公司采用ATRAC－AdaptiveTransformAcousticCoder压缩技术。1987数字音频磁带录音(DAT:DigitalAudioTape)问世。DAB(DigitalAudioBroadcasting)源于欧洲。音频编码历史：宽带音频音频压缩依据1)冗余度时域样点之间相关（短时、长时）频域谱的非平坦性（谱包络、谱离散）统计特性2)人耳听觉特性人耳分辨能力人耳对不同频段声音的敏感程度不同，通常对低频比对高频更敏感人耳对语音信号的相位不敏感人耳掩蔽效应MaskingEffect…说明：对人耳听不到或感知极不灵敏的声音分量都不妨视为冗余。可利用听觉心理特性…。感觉加权、量化、去除多余分量、后滤波、…。音频编码性能评价（1）1)编码速率（Kbps、Kb/s）信号带宽：可懂度、自然度、透明度。200~3400Hz、50~7000Hz、20~15000Hz、10~20000HZ。采样速率：8KHz、16KHz、32KHz、44.1/48KHz…。编码位数R（b/样点），总速率I（kb/s）。固定速率及可变速率。2)重建语音质量客观评价：信噪比分段信噪比（一般15dB以上较好，20dB以上相当好）音频编码性能评价（2）主观评价MOS分（MeanOpinionScore）5~1分：Excellent、Good、Fair、Poor、Bad4分：长途通信质量(toll,transparency-电话线)3.5分：通信质量(communication)判断韵律测试DRT（DiagnosticRhymeTest）例如：为（wei）、费（fei）95%以上优秀、85%~94%良好、75%~84%中等65%~74%差、65%以下不能接受判断可接受度测试DAT（DiagnosticAcceptabilityTest）多维因素测试调制噪声参考单位MNRU（ModulatedNoiseReferenceUnit）量化失真单位QDU（QuantizationDistortionUnit）一次PCM编解码音频编码性能评价（3）3)编解码延时（ms）公众网（25ms）、点对点、广播、存储回声控制或回声抵消正常通话秩序与重建质量关系4)算法复杂度硬件、成本浮点、定点MIPS、RAM、ROM5)其他抗随机误码和突发误码能力抗丢包和丢帧能力对不同信号编码能力级联或转接能力现有标准（1）：宽带音频宽带音频ISO/MPEGI（1991）名称采样频率KHZ编码速率KB/S编码方式MOS分Layer148180+12SB-DBA4.7Layer248120+8SB-DBA4.6layer34860+4SB-DBA-MDCT3.7SB：Sub-BandDBA：DynamicBitAllocationISO/MPEG2（1993）：将采样率扩充到16、22.05、24KHZ，带宽分别为7.5、10.3、11.25KHz。现有标准（2）：宽带语音宽带语音名称采样频率KHZ编码速率KB/S编码方式年代MOS分G.7221664、56、48SB-ADPCM19884.14.03.7G.722.11624、32MLT1999MLT：ModulatedLappedTransform总的算法延时为40ms现有标准（3）：数字电话语音编码标准名称采样率KHz编码速率KB/S编码制式年代MOSDRT备注G.711864PCM724.395G.726816~40ADPCM84-884.19432KB/SG.728816LD-CELP924.194G.72988CS-ACELP954.1G.72385.3ACELP953.8G.72386.3MP-MLQ954.0G.7221648~64SB-ADPCM883.7~4.1US101582.4LPC-10822.590替101582.4MELP97优于DOD1016US101684.8CELP893.094GSM813RPE-LT883.7IS-5488VSELP893.7JDC86.7VSELP903.5INMARSAT84.15IMBE913.4IS-9581~8QCELP95~3.7938KB/SIS-127-181.2、4.8、9.6EVRC98现有标准（4）：数字电话（续）PCM：脉冲编码调制ADPCM：自适应差分脉冲编码调制LD-CELP：低延时码本激励线性预测编码CS-ACELP：共轭结构代数码本激励线性预测编码ACELP：代数码本激励线性预测编码MP-MLQ：多脉冲激励最大似然量化SB-ADPCM：子带自适应差分脉冲编码调制LPC-10：线性预测编码-10MELP：混合激励线性预测编码CELP：码本激励线性预测编码RPE-LT：长时间预测规则脉冲激励线性预测编码VSELP：矢量和激励线性预测编码IMBE：Inmarsat多带激励语音编码QCELP：Qualcomm码本激励线性预测编码EVRC：增强型变速率编码无线通信的语音编码（1）军用无线通信－16kbpsCVSD增量调制－4.8kbps美国军用电台标准无线通信的语音编码（2）无绳电话－用于CT-2的ADPCM，32kbps－用于DECT的ADPCM，32kbps无线通信的语音编码（3）移动通信－用于GSM的REP-LTP（长时间预测规则码激励）13kbps－用于IS-54的VSELP（矢量和激励线性预测）8kbps－用于IS-95的QCELP（Qualcomm码本激励线性预测）1.2/9.6kbps视频编码压缩的必要性VIDEO类型格式分辨率帧频HZ比特/像素比特率Mb/s电视电话QCIF176*14429.97129.1会议电视CIF352*28829.971236.4常规电视ITU-R601720*5762516165.9增强电视EDTV960*5762516221.2HDTVITU-R7091920*11522516884.7图象编码的历史（1）经典图像编码电视信号数字化(PCM)提出(1948年B.M.O