樊昌信通信原理第10章 信源编码(7版)

课件信源编码通信原理（第7版）第10章樊昌信曹丽娜编著本章内容:第10章信源编码抽样—低通信号和带通信号量化—标量（均匀/非均匀）和矢量脉冲编码调制—PCM、DPCM、ADPCM增量调制—∆M时分复用—TDM、准同步数字体系（PDH）压缩编码—语音、图像和数字数据引言§10.1引言为什么要数字化？压缩编码；模/数转换信源编码的作用：波形编码和参量编码A/D转换（数字化编码）的技术：A/D→数字方式传输→D/A模拟信号数字化传输的三个环节：“抽样、量化和编码”波形编码的三个步骤：PCM、DPCM、∆M波形编码的常用方法：6、7、8章①②模拟信号de抽样§10.2抽样定理---模拟信号数字化和时分多路复用的理论基础最高频率小于fH的模拟信号m(t)可由其等间隔的抽样值唯一确定，抽样间隔Ts或抽样速率fs应满足：§10.2.1低通模拟信号的抽样定理定理：证明：设单位冲激序列：其周期T=抽样间隔Ts(())TntTnt1((1))TnfnTTf()()()))((ssTsnmttmnnmtTtT()()()sTMfffM1()()nssfMffnT抽样过程可看作是m(t)与δT(t)的相乘。因此，理想抽样信号为：其频谱为：1/Tsn=0理想抽样过程的波形和频谱：fs≥2fH因此，抽样速率必须满足：fsfH这就从频域角度证明了低通抽样定理。若fs2fH此时，不能无失真重建原信号。混叠失真：重建原信号：低通滤波器HL(f)内插公式()mt欲传m(t)，只需传ms(t)，收端根据其抽样值就能无失真地重建原信号m(t)，条件是：抽样与恢复原理框图：§10.2.2带通模拟信号的抽样定理定理：ffHfL-fL-fH0BffHfL-fL-fHB-2B-3B-B2B3B|M(f)||Ms(f)|3fs2fH=6B(a)fH=nBfH=3Bfs=2B3fsfHfL-fL-fHB-2B-3B-B2B3Bf0Bf|M(f)|2fH=2(3+k)BfHfL-fL-fH(b)fH=nB+kBfH=3B+kB2(3+k)B=3fs推广：n=任意整数2(n+k)B=nfsfs与fL关系n=1n=2n=3n=4n=5n=6模拟脉冲调制§10.3PAM、PDM、PPM()(())smtmtst()()()sMffSfM实际抽样𝟙——自然抽样的PAM()()()sTmttmt1()()ssnsMfMfnfT对比：---理想抽样---自然抽样m(t)()smt()(())smtmtst自然抽样过程的波形和频谱：自然抽样与恢复原理框图：理想抽样：自然抽样：理想冲激序列实际脉冲序列s(t)恢复：均可用理想低通滤波器取出原信号。实际抽样𝟚——平顶抽样的PAM特点：每个样值脉冲的顶部是平坦的。m(t)产生：抽样保持1()()ssnsMfMfnfTn=0H1()()()snsMfMfnfTHf恢复：修正+低通滤波HL1ˆ()=()1(()())sHfMfMfTfMHf011()+()()()nsssHfHfMfMfnTTf模拟信号de量化§10.4量化——幅度上离散化量化后的信号——多电平数字信号抽样值分层电平§10.4.1量化原理量化电平量化间隔1-iiivmm量化值——用有限个量化电平表示无限个抽样值。qi=q1~qMmi抽样值量化信号值抽样值量化值量化噪声-qkqemmbavM[a,b]设抽样信号的取值范围量化电平数M则量化间隔量化电平（中点）分层电平（端点）§10.4.2均匀量化——等间隔划分输入信号的取值域的均方值---量化噪声功率为：信号量噪比S/Nq输入样值信号的概率密度——量化器的性能指标之一mk=m(kTs)mq=mq(kTs)-qkqemm量化噪声信号mk的平均功率：信号量噪比——信号功率与量化噪声功率之比：12122(1)1331121()d21()d22121224iiMmimiMaiVaiViMixqxaVxaiVxaVMVaaVqq22q()()()daaEmmxNmfxx量化噪声功率222()1212aaxdxaVSMdB20lg6NqSMNq2SNM解：平均信号量噪比2NMMav/2含义？均匀量化的缺点应用：主要用于概率密度为均匀分布的信号，如遥测遥控信号、图像信号数字化接口中。——原因：Nq与信号样值大小无关，仅与量化间隔V有关。解决方案：非均匀量化§10.4.3非均匀量化——量化间隔不相等的量化方法压大补小y=f(x)对数特性提高小信号的量噪比32-压缩输出-扩张输入在接收端，需要采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复信号。入出压缩特性扩张特性压缩-扩张特性：均匀量化……压缩特性ITU的两种建议：非均匀量化x－归一化输入电压y－归一化输出电压1.A压缩律y112.A律13折线图10-14对称输入13折线压缩特性A律和律不易用电子线路准确实现，实用中分别采用13折线和15折线。3.压缩律及其15折线=0时无压缩效果非均匀量化15折线K1=32大信号的量化性能比A律稍差。小信号的量噪比是A律的2倍。脉冲编码调制§10.5PulseCodeModulation,PCM——模拟信号数字化方式之一§10.5.1PCM的基本原理(a)发送端模拟信号输入PCM信号输出抽样保持量化编码PCM系统原理框图(b)接收端模拟信号输出PCM信号输入译码低通滤波模拟信号数字化过程---“抽样、量化和编码”样值脉冲极性正极性部分自然二进制码11111110110111001011101010011000折叠二进制码1111111011011100101110101001100015141312111098负极性部分011101100101010000110010000100000000000100100011010001010110011176543210量化级序号具有镜像特性特点：①简化编码过程优点：②误码对小电压的影响小表10│4自然二进码和折叠二进码§10.5.2常用二进制码——编码考虑的问题之一极性码：表示样值的极性。正编“1”，负编“0”段落码：表示样值的幅度所处的段落段内码：16种可能状态对应代表各段内的16个量化级1C极性码234CCC段落码5678CCCC段内码在A律13折线PCM编码中，共计：82816=256=2个量化级——需将每个样值脉冲（Is）编成8位二进制码：码位的选择与安排——之二，关乎通信质量和设备复杂度量化级序号量化级序号15141312111098111111101101110010111010100110007654321001110110010101000011001000010000段内码C5C6C7C8段内码C5C6C7C8段落序号i=1~8111段落码C2C3C4～87654321110101100011010001000表10-5段落码表10-6段内码---归一化输入电压的最小量化单位1=2048——之三，确定样值所在的段落和量化级起始电平和量化间隔(幅值)50C5的权值——8ΔViC6的权值——4ΔViC7的权值——2ΔViC8的权值——1ΔVi段内码的权值：ΔVi——第i段的量化间隔。不同段落，ΔVi不同。前两段相同11110011…每来一个样值脉冲就送出一个PCM码组§10.5.3电话信号的编译码器——编码的实现任务——把每个样值脉冲编出相应的8位二进码。极性判决：确定样值信号的极性，编出极性码：整流器：双单（样值的幅度大小）。保持电路：使每个样值的幅度在7次比较编码过程中保持不变。比较器（核心）：将样值电流Is与标准电流Iw进行逐次比较，使Iw向Is逐步逼近，从而实现对信号抽样值的非均匀量化和编码。若Is＞Iw，输出“1”码若Is＜Iw，输出“0”码记忆电路：寄存前面编出的码，以便确定下一次的标准电流值Iw。7/11变换：将7位非线性码转换成11位线性码，以便恒流源产生所需的标准电流Iw。各部件的功能：11C，样值为正0，样值为负PAM信号类似天平称物过程53120481120482M816=128=2M7——只需7位（非线性）编码以∆对13折线正极性的8个段落进行均匀量化，则量化级数：非线性码非均匀量化：——需要11位（线性）编码非线性码与线性码（7/11）：称为线性PCM编码对应称为非线性/对数PCM编码线性码均匀量化：对应（1）极性码：C1=1（正）（2）段落码：C2C3C4（3）段内码：C5C6C7C8PCM码组C1~C8＝11110011=111（第⑧段）=0011解例IW4IW5IW6IW7起始1024∆V8=641270IS=+1270IsIWi→1Is≤IWi→0IW1IW2IW356它与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同，不同的是：增加了极性控制部分和带有寄存读出的7/12位码变换电路。译码——把PCM信号相应的PAM样值信号，即D/A变换。A律13折线译码器原理框图各部分功能：7/12变换电路:将7位非线性码转变为12位线性码。目的：增加一个∆Vi/2恒流电流，人为地补上半个量化级，使最大量化误差不超过∆Vi/2,从而改善量化信噪比。串/并变换记忆电路：将串行PCM码变为并行码,并记忆下来。极性控制：根据收到的极性码C1来控制译码后PAM信号的极性。编码器中7/11寄存读出电路：将输入的串行码在存储器中寄存起来,待全部接收后再一起读出,送入解码网络。实质上是进行串/并变换。12位线性解码电路：由恒流源和电阻网络组成,与编码器中解码网络类同。它是在寄存读出电路的控制下,输出相应的PAM信号。58解例1270由上例可知，编码电平：IC=1216△因此，译码电平：ID=IC+∆Vi/2=1216+64/2=1248△编码后误差:(Is-IC)=54△译码后误差:|Is-ID|=22△PCM信号的比特率和带宽BbsRfNBR传输带宽:若采用非归零矩形脉冲传输时，谱零点带宽为例如:一路模拟话路带宽为B=4kHz一路数字电话带宽为问题：PCM信号占用的频带比标准话路带宽要宽很多倍。B=8000×8=64kHz如何解决？详见10.6节60§10.5.4PCM系统中噪声的影响PCM系统输出：ˆ()()()()qamtmtntnt两种噪声：∵产生机理不同∴相互独立∥++——信号成分(So)——加性噪声(Sa)——量化噪声(Sq)2o2[()][()]qqSEmtNEnt性能指标：2o2aa[()][()]SEmtNEnt2o22oa[()][()][()]qSEmtNEntEnt抗量化噪声性能抗加性噪声性能总输出信噪比含义：当低通信号最高频率fH给定时,PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽B按指数规律增长。H2o22/22[()]22[()]NqfqBSEmtMNEnt抗量化噪声性能抗加性噪声性能222(1)o2aa[()]1/2=[()]4NeeSEmtMPNEntPPCM系统最小带宽HBNf——带宽与信噪比互换22oo222oaa/[()]2[()][()]1/142NqNqqeSNSEmtNEntEntNNPOO2a,2NqSNNN若则OOa1,4qeSNNNP若则假设条件：自然码、均匀量化、输入信号为均匀分布。总输出信噪比差分脉冲编码调制§10.6DifferentialPCM,DPCM——PCM的改进型，是一种预测编码方法预测编码简介问题引出PCM需用64kb/s的比特率传输1路数字电话信号，这意味，其占用频带比1路模拟标准话路带宽(4kH