第第5章章 信源信源编码信源编码信源编码n5.1 离散信源编码离散信源编码n5.2 延续信源编码延续信源编码n5.3 相关信源编码相关信源编码n5.4 变换编码变换编码n延续信源延续信源x(t)输出的音讯在时间和取值上都是延续，输出的音讯在时间和取值上都是延续，因此其编码方法与离散信源的编码有所不同。因此其编码方法与离散信源的编码有所不同。n需经过三步变成离散信源之后再进展编码：需经过三步变成离散信源之后再进展编码：n抽样：根据采样定理，先将抽样：根据采样定理，先将x(t)变成时间上离散的变成时间上离散的幅度幅度x(iTs)。n量化：用有限个量化值量化：用有限个量化值xq来替代信号的无穷多延续来替代信号的无穷多延续取值的实践幅度。取值的实践幅度。n编码：将量化值用二进制或多进制的码编码：将量化值用二进制或多进制的码C表示出来。表示出来。n因此：延续信源的编码属于限失真信源编码。其编因此：延续信源的编码属于限失真信源编码。其编码速率受限于码速率受限于R(D)。n延续信源的量化编码：延续信源的量化编码：n均匀量化编码：整个量化范围内的量化间隔均匀量化编码：整个量化范围内的量化间隔是一样的。是一样的。 n非均匀量化编码：量化间隔的大小随信号的非均匀量化编码：量化间隔的大小随信号的大小而改动。大小而改动。n欧洲和中国采用的是欧洲和中国采用的是A律律13折线编码折线编码7中种中种不同的量化间隔，典型的有不同的量化间隔，典型的有PCM(Pulse Coding Modulation，脉冲编码调制，脉冲编码调制)PCMnPCM编码，分为编码，分为3步：步： n采样。在某瞬间丈量模拟信号的值。采样速率采样。在某瞬间丈量模拟信号的值。采样速率8kHz/s。 n量化。用量化。用256个不同的详细量化电平来表示对应的模个不同的详细量化电平来表示对应的模拟信号瞬间抽样值。拟信号瞬间抽样值。 n编码。每个量化值用编码。每个量化值用8个比特的二进制代码表示，组个比特的二进制代码表示，组成一串具有离散特性的数字信号流。成一串具有离散特性的数字信号流。 n用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特速率为速率为64kbits 。n固定采用的就是这种数字化的方法，因此每个固定采用的就是这种数字化的方法，因此每个话音信道的速率是话音信道的速率是64kbits。n13折线折线A律的每个段落再均匀地分为律的每个段落再均匀地分为16份，每一份作为一份，每一份作为一个量化间隔。个量化间隔。n这样，这样，01的范围内一共划分出的范围内一共划分出8*16=128个不均匀的量个不均匀的量化间隔。化间隔。n图中横坐中横坐标x在在0至至1区区间中分中分为不均匀的不均匀的8段。段。n1/2至至1间的的线段称段称为第第8段；段；n1/4至至1/2间的的线段称段称为第第7段；段；n1/8至至1/4间的的线段称段称为第第6段；段；n 依此依此类推，直到推，直到n0至至1/128间的的线段称段称为第第1段。段。n图中中纵坐坐标y 那么均匀地划分作那么均匀地划分作8段。段。第几段第几段12345678段落起始电平段落起始电平01/1281/641/321/161/81/41/2各段大小各段大小1/1281/1281/641/321/161/81/41/2n将与将与这8段相段相应的座的座标点点(x, y)相相连，就得到了一，就得到了一条折条折线。n由由图可可见，除第，除第1和和2段外，其他各段折段外，其他各段折线的斜的斜率都不一率都不一样。在下表中列出了。在下表中列出了这些斜率：些斜率：n由于由于语音信号音信号为交流信号，所以，上述的交流信号，所以，上述的紧缩特特性只是适用的性只是适用的紧缩特性曲特性曲线的一半。在第的一半。在第3象限象限还有有对原点奇原点奇对称的另一半曲称的另一半曲线折线段号折线段号12345678斜斜 率率161684211/21/4n13折线折线A律的每个段落再均匀地划分为律的每个段落再均匀地划分为16份，份，每一份作为一个量化间隔。每一份作为一个量化间隔。n那么那么01范围内共划出范围内共划出8*16=128个不均匀个不均匀的量化间隔。的量化间隔。n最小的量化间隔是第一段：最小的量化间隔是第一段：n最大的量化间隔是第最大的量化间隔是第8段：段：n对对13折线折线A律非均匀量化结果进展定长折叠二进制律非均匀量化结果进展定长折叠二进制编码。编码。n1根据信号的正负，确定极性，编码为根据信号的正负，确定极性，编码为c7n2根据信号所在的段落，确定段落码，由于一根据信号所在的段落，确定段落码，由于一共共8个段落，因此段落码需个段落，因此段落码需3位二进制码表示位二进制码表示n3根据信号所在的段落内的第几个份，确定段根据信号所在的段落内的第几个份，确定段内码，知每一段分为内码，知每一段分为16份，因此段内码需份，因此段内码需4位二进位二进制码表示。制码表示。n综合：综合： 13折线折线A律非线性量化编码共需律非线性量化编码共需8位码。位码。段落码编码规那么段落码编码规那么段落段落序号序号段落码段落码c2 c3 c4段落起始值段落起始值量化单位量化单位各段各段大小大小各段各段大小大小段内码段内码100001/12816842120011/128=16 1/12816842130101/64=321/64321684240111/32=641/326432168451001/16=1281/16128643216461011/8=2561/82561286432167110=51251225612864328111=1024102451225612864n例：知某采例：知某采样时辰的辰的归一化信号一化信号值为x=-286，求其，求其13折折线A律非均匀量化律非均匀量化编码。n解解1确定极性确定极性码：x0，所以，所以c7=0n(2)确定段落确定段落码：256286512n 位于第位于第6段，段，编码为5，即，即101n3确定段内确定段内码：286-256=30n 163032n 位于段内位于段内16份的第份的第2份，但相比于份，但相比于16n 30更接近于更接近于32,所以根据中平量化中的就近所以根据中平量化中的就近n 原那么，按第原那么，按第3份份进展展编码，即，即2，对应的二的二进制段制段n 内内码为0010n量化量化误差差为e=32- 30n =2n 也叫量化噪声也叫量化噪声n相相应的的PCM编码为：01010010信源编码信源编码n5.1 离散信源编码离散信源编码n5.2 延续信源编码延续信源编码n5.3 相关信源编码相关信源编码n5.4 变换编码变换编码5.3 5.3 相关信源编码相关信源编码n相关信源延续有记忆信源：采样后的信号序相关信源延续有记忆信源：采样后的信号序列时间上有相关性，假设依然对各个采样时辰的列时间上有相关性，假设依然对各个采样时辰的信号值逐个进展量化，那么会呵斥码长的冗余。信号值逐个进展量化，那么会呵斥码长的冗余。n延续有记忆信源编码的分类：延续有记忆信源编码的分类：n1预测编码：利用信号序列时间上的相关性，预测编码：利用信号序列时间上的相关性，经过预测来减少信息冗余后再进展编码。经过预测来减少信息冗余后再进展编码。n2变换编码：引入某种变换，将信号序列变换变换编码：引入某种变换，将信号序列变换为另一时域上彼此独立或相关性很低的序列，在为另一时域上彼此独立或相关性很低的序列，在对新的序列进展编码。对新的序列进展编码。预测编码n根本思想根本思想预测编码n根本思想根本思想n只需预测足够准确，只需预测足够准确，dn就足够小，只对就足够小，只对dn进展进展量化、编码，相比于对量化、编码，相比于对xn进展量化编码，会减进展量化编码，会减少信息冗余度，提高编码效率。少信息冗余度，提高编码效率。n例：线性预测编码例：线性预测编码LPC(Linear Predictive Coding)：线性预测编码n根本思想根本思想话音音编码( (信源信源编码) ) RPE-LTP RPE-LTP编码(Regular-Pulse Excitation (Regular-Pulse Excitation Long Time Prediction-code Long Time Prediction-code 规那么脉冲鼓励那么脉冲鼓励长期期预测编码) )：是波形：是波形编码及声及声码器器( (参量参量编码) )相相结合的混合合的混合编码方法，以方法，以较低的低的码速速率率获得得较高的高的话音音质量。量。 例如：GSM的话音编码n思索实践可运用的带宽，思索实践可运用的带宽，GSM规范中规定载频规范中规定载频间隔是间隔是200kHz。n而采用而采用PCM编码时，编码时，G网每个载频传输网每个载频传输8个时隙个时隙的用户数据的速率需的用户数据的速率需512kbps;n要把它们在规定的要把它们在规定的200kHz的频带内传输，必需的频带内传输，必需大大地降低每个话音编码的比特率，这就要靠改大大地降低每个话音编码的比特率，这就要靠改动话音编码的方式来实现。动话音编码的方式来实现。 GSM的话音编码声码器编码也叫参量编码：可以是很低的速率声码器编码也叫参量编码：可以是很低的速率可以低于可以低于5kbits，虽然不影响话音的可懂，虽然不影响话音的可懂性，但话音的失真性很大，很难分辨是谁在讲话。性，但话音的失真性很大，很难分辨是谁在讲话。波形编码器话音质量较高，但要求的比特速率相应波形编码器话音质量较高，但要求的比特速率相应的较高。的较高。GSM的话音编码GSM系统在中国890915935960上行或反向上行或反向下行或前向下行或前向1、中国挪动GSM占用的频段： 890-908 上行 935-953 下行2、中国联通GSM占用的频段： 909-915 上行 954-960 下行 GSM系统在中国双工间隔双工间隔 : 95 MHz1710178518051880u1 1、中国、中国DCS1800:DCS1800:u 1 1中国挪动：中国挪动：u 17101720 17101720上行上行 18051815 18051815下行下行u 2 2原中国联通：原中国联通：u 17451755 17451755上行上行 18401850 18401850下行下行GSM的频道每个频道宽度为每个频道宽度为200KHz200KHz，供，供8 8对用户用来时分通讯对用户用来时分通讯分到每个用户的头上，单个用户所占的带宽：分到每个用户的头上，单个用户所占的带宽：200k/8=25kHz200k/8=25kHzn假假设：n用用户1和朋友的通和朋友的通话占用占用频道道5的的绿色色时隙隙nn用用户8和朋友的通和朋友的通话占用占用频道道5的橙色的橙色时隙隙每个频道按时间划分为周期性的帧帧长每个频道按时间划分为周期性的帧帧长4.615ms,每帧每帧8个时隙，每个时隙供一个用户运用个时隙，每个时隙供一个用户运用n因此因此GSM系系统话音音编码器：是采用声器：是采用声码器和波形器和波形编码器的混合物器的混合物- 混合混合编码器。器。n全称全称为线性性预测编码RPE-LTPRegular-Pulse Excitation Long Time Prediction-code，规那么脉冲鼓励那么脉冲鼓励长期期预测编码，n以以较低的低的码速率速率13kbps获得得较高的高的话音音质量。量。 3G网络中的信源编码网络中的信源编码可变速率声码器：根据人说话声音的大小和快慢可变速率声码器：根据人说话声音的大小和快慢改动编码速率，从而进一步降低编码速率。改动编码速率，从而进一步降低编码速率。3G 3G 支持如下的信源编码：支持如下的信源编码：QCELPQCELP码鼓励线性预测编码算法码鼓励线性预测编码算法 Code Code Excitation Linear PredictionExcitation Linear Prediction : :其根本速率其根本速率是是8kb/s8kb/s，但是可随输入话音音讯的特征而动态，但是可随输入话音音讯的特征而动态地分为四种，即地分为四种，即 8, 4, 2, 1 kb/s 8, 4, 2, 1 kb/s。与。与PCMPCM比比效效高高4 4至至8 8倍倍 EVRC(Enhanced Variable Rate Coder)EVRC(Enhanced Variable Rate Coder)加强可变加强可变速率编解码器，它坚持速率编解码器，它坚持8kbps8kbps的最大数据率，的最大数据率，但得到的音质只稍低于但得到的音质只稍低于13kbps13kbps声码器。声码器。话音激活话音激活(DTX(DTX，Discontinuous Transmission )Discontinuous Transmission ) 在一个通讯过程中，其实挪动用户仅在一个通讯过程中，其实挪动用户仅有很少的时间用于通话，大部分时间都没有传送有很少的时间用于通话，大部分时间都没有传送话音音讯。假设将这些信息全部传送给网络的话，话音音讯。假设将这些信息全部传送给网络的话，这不但会对系统资源呵斥浪费而且会使系统内的这不但会对系统资源呵斥浪费而且会使系统内的干扰加重。干扰加重。 所以利用语音编码器检测到话音间隙所以利用语音编码器检测到话音间隙后，在间隙期不发送，这就是所谓的不延续发送。后，在间隙期不发送，这就是所谓的不延续发送。 通话时进展通话时进展13Kb/s13Kb/s编码，停顿期用编码，停顿期用500b/s500b/s编码发送温馨的噪声。编码发送温馨的噪声。预测编码的详细分类n预测阶数数p p和加和加权系数系数wiwi如何如何选取才干到达取才干到达性能和性能和简单性的合理折衷，于是提出了很多性的合理折衷，于是提出了很多方案，称方案，称为差差值编码，分，分类如下：如下：n增量增量调制制M(DM)M(DM)n差分脉冲差分脉冲编码调制制DPCM(Differential)DPCM(Differential)n自自顺应差分脉冲差分脉冲编码调制制ADPCM(Adpative)ADPCM(Adpative)n增量增量调制的根本原理：制的根本原理：n发端：将信号端：将信号值 与量化与量化预测值 之差之差进展展1比特量化；比特量化；n即即对差差值的正的正负号号进展展编码 ，正号，正号+那么那么编为1，负号号-那么那么编为0。n同同时在的根底上加上在的根底上加上预测误差差n加加/ 减量化增量减量化增量构成下一个构成下一个时辰的量化辰的量化预测值 。n增量增量调制的根本原理：制的根本原理：n收端：收端：经过译码将将 编为预测误差差值 ，n 加上量化加上量化预测值 ，那么可得到量化，那么可得到量化值 。同。同时在在 的根底上加上的根底上加上预测误差差值加加/ 减增量减增量构成下一个构成下一个时辰的量化辰的量化预测值 。DPCMn差分脉冲差分脉冲编码调制制DPCM(Differential)n根本原理：根本原理：n发端：将信号端：将信号值 与量化与量化预测值 之差之差 进展量化；展量化；由于由于 的的动态范范围较小，普通小，普通对 量化采用均匀量化，量化采用均匀量化，量化量化码的的长度取度取3，那么量化，那么量化间隔隔=1/8；之后；之后进展展编码，即在量化，即在量化码的根底上添加一位表示正的根底上添加一位表示正负的极性的极性码，那么那么码长变成成4。同。同时在在 的根底上加量化信号的根底上加量化信号值 加加/ 减量化减量化间隔隔构成下一个构成下一个时辰的量化辰的量化预测值 。DPCMn差分脉冲差分脉冲编码调制制DPCM(Differential)n收端：收端：n经过译码将将 编为预测误差差值，加上量化，加上量化预测值n ，那么可得到量化信号，那么可得到量化信号值 。同。同时在在 的根底上的根底上加量化信号加量化信号值 加加/ 减增量减增量构成下一个构成下一个时辰的辰的量化量化预测值 。n自顺应差分脉冲编码调制自顺应差分脉冲编码调制ADPCM(Adpative)：n使预测、量化能跟踪信号特性的变化，主要使预测、量化能跟踪信号特性的变化，主要用于卫星通讯中的语音和数据传输。用于卫星通讯中的语音和数据传输。信源编码信源编码n5.1 离散信源编码离散信源编码n5.2 延续信源编码延续信源编码n5.3 相关信源编码相关信源编码n5.4 变换编码变换编码5.4 变换编码变换编码n傅立叶变换傅立叶变换n余弦变换余弦变换nK-LK-L变换：变换域上的序列完全独立，编码效率最变换：变换域上的序列完全独立，编码效率最高，是最正确变换；但是变换矩阵无快速算法，故高，是最正确变换；但是变换矩阵无快速算法，故普通用于实际分析。普通用于实际分析。n实践用的比较多的变换编码有：实践用的比较多的变换编码有：n子带编码子带编码n小波变换小波变换子带编码子带编码SBC(SubBand SBC(SubBand Codding)Codding)n定义：首先将信号分割成假设干个不同的频带分定义：首先将信号分割成假设干个不同的频带分量子带信号，再分别对子带信号进展时间采量子带信号，再分别对子带信号进展时间采样和量化编码。样和量化编码。n根本原理：根本原理：n发端：用一组带通滤波器将信号分割成不同的频发端：用一组带通滤波器将信号分割成不同的频带分量，并经过频率搬移为基带，再分别进展采带分量，并经过频率搬移为基带，再分别进展采样满足采样定理，再对采样后的信号序列分样满足采样定理，再对采样后的信号序列分别进展量化编码构成子带码，合成总码后经过信别进展量化编码构成子带码，合成总码后经过信道传输到接纳端。道传输到接纳端。n收端：将总码分为子带码，分别经过译码重建信收端：将总码分为子带码，分别经过译码重建信号序列，经号序列，经D/A变换后重建基带信号，在经过频变换后重建基带信号，在经过频率搬移重建子带信号，经率搬移重建子带信号，经BPF ，最后合成得到重，最后合成得到重建信号。建信号。n子带编码的优点：子带编码的优点：n经过给人听视觉敏感的频率分配较多的经过给人听视觉敏感的频率分配较多的bit数，不数，不敏感的频率分配较少的敏感的频率分配较少的bit数，到达数据紧缩数，到达数据紧缩n各子带的量化噪声都束缚在本子带内。各子带的量化噪声都束缚在本子带内。n采样频率可降低为子带数采样频率可降低为子带数M的的1/Mn实践运用时，子带数实践运用时，子带数M取取24，运用，运用SBC的编译码的编译码器曾经运用于语音存储转发和语音邮件。器曾经运用于语音存储转发和语音邮件。小波变换n定义：把傅立叶变换中的函数定义：把傅立叶变换中的函数 用小波用小波 取代后，对信号取代后，对信号f(t)进展变换。进展变换。n小波变换的优点：小波变换的优点：n抑制了傅立叶变换只适宜平稳信号，其一切时抑制了傅立叶变换只适宜平稳信号，其一切时辰的频率特性一样后，频域分辨率无穷大，而辰的频率特性一样后，频域分辨率无穷大，而时域分辨率为时域分辨率为0的缺陷的缺陷n小波变换后，既有足够的时域分辨率，又有足够小波变换后，既有足够的时域分辨率，又有足够的频域分辨率的频域分辨率n实践运用时，小波变换多用于图像编码，实践运用时，小波变换多用于图像编码，ISO将基将基于小波变换的图像编码技术作为于小波变换的图像编码技术作为JPEG2000(Joint Photography Expert Group,静态图象紧缩编码静态图象紧缩编码)和和MPEG4(Movie Photography Expert Group,动态图像紧缩编码动态图像紧缩编码)引荐运用。引荐运用。Thank You!