第3章數(shù)字編碼技術(shù)

1、 1 %大連理工大學(xué)出版社地址：大連市軟件園路80號發(fā)行-mail : 新世紀(jì)高職高專教材編審委員會 組編主編：于寶明 王鈞銘國家精品課程配套教材“十二五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材 2 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)在自然界中的信號有兩種形式:一種本身具有離散的特點,如文字、符號等,對這一種信號可以用一組一定長度的二進制代碼來表示,這一類碼統(tǒng)稱為信息碼;另一種是連續(xù)信號,如語音、圖像等,對這種信號的數(shù)字編碼與解碼過程,實際上就是模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A 轉(zhuǎn)換)。3.1 信源編碼 3 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)通信系統(tǒng)對A/D轉(zhuǎn)換的要求大致有以下

2、幾個方面:l 每一路信號編碼后的速率要低。在傳碼率一定的傳輸系統(tǒng)中,每一路信號的碼元速率越低,意味著系統(tǒng)的利用率就越高,也就是可以傳送更多路的信號。l 量化噪聲要小。量化噪聲在模擬信號數(shù)字化過程中必然存在。在信號電平一定時,量化噪聲越小,信號的質(zhì)量就越高,解碼后的信號就越接近原信號。l 要便于通信系統(tǒng)的多路復(fù)用。一個大的通信系統(tǒng)一般都要傳輸多路信號,這就是多路復(fù)用,數(shù)字化的信號應(yīng)適合進行多路復(fù)用。l 編碼與譯碼電路要簡單。3.1 信源編碼 4 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.1 信息碼3.1 信源編碼 5 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.2 語音編碼3.1 信源編碼語音編碼技術(shù)

3、通常分為三類:波形編碼、參量編碼和混合編碼。其中,波形編碼和參量編碼是兩種基本類型。波形編碼是將時間域信號直接變換為數(shù)字代碼,力圖使重建語音波形保持原語音信號的波形形狀。波形編碼的基本原理是在時間軸上對模擬語音按一定的速率抽樣,然后將幅度樣本分層量化,并用代碼表示。 6 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.2 語音編碼3.1 信源編碼參量編碼又稱為聲源編碼,是將信源信號在頻率域或其他正交變換域提取特征參量,并將其變換成數(shù)字代碼進行傳輸。1.波形編碼的基本原理絕大多數(shù)模擬信號從波形上看是時間上連續(xù)、狀態(tài)(電壓值)連續(xù)的信號,而數(shù)字信號則是時間上離散、狀態(tài)離散且用數(shù)字代碼表示的信號,因此模擬信

4、源的數(shù)字編碼通過取樣、量化和編碼三個步驟實現(xiàn)。 7 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.2 語音編碼3.1 信源編碼 8 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.2 語音編碼3.1 信源編碼2.脈沖編碼調(diào)制(PCM)脈沖編碼調(diào)制(PCM)是一種在通信領(lǐng)域用得較為普遍的波形編碼方式。圖3-4給出了PCM 系統(tǒng)的編解碼過程。 9 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.2 語音編碼3.1 信源編碼(4)A 律13折線編碼方法采用A 律13折線壓擴特性的PCM 編碼,每一個樣值脈沖用8位二進制碼表示。8位二進制碼共有256種組合,分別代表256個量化電平。采用的碼型是折疊二進制碼,折疊二進制碼沿

5、中心電平上下對稱,適于表示正負(fù)對稱的雙極性信號。它的最高位用來區(qū)分信號幅值的正負(fù)。折疊碼的抗誤碼能力強。表3灢2列出了用4位二進制碼表示16個量化級的折疊碼型。 10 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.2 語音編碼3.1 信源編碼(5)PCM 編碼過程 11 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.2 語音編碼3.1 信源編碼(5)PCM 編碼過程 12 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.2 語音編碼3.1 信源編碼3.其他波形編碼在脈沖編碼調(diào)制中,模擬信號有規(guī)律抽樣,并對樣值編碼。為了減小量化噪聲,編碼需要多位比特,這就會使編碼速率大幅度上升,編譯碼電路也比較復(fù)雜。為了降低編碼速

6、率,增量調(diào)制(DM 或殼M)技術(shù)被提了出來。在這種調(diào)制方式中,比較相鄰的兩個樣值并對它們的差值用一位比特編碼。在接收端也只需要一個簡單的解碼器便可恢復(fù)原模擬信號。 13 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.2 語音編碼3.1 信源編碼(1)增量調(diào)制 14 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.2 語音編碼3.1 信源編碼(2)差分脈沖編碼調(diào)制 15 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.3 圖像編碼3.1 信源編碼圖像是指景物在某種介質(zhì)上的再現(xiàn),圖像信息在人類感覺中起著重要作用。對圖像信息的編碼原理上與語音信息的編碼相同,一樣需要取樣、量化、編碼這些步驟。但由于圖像信息固有的特性,用語

7、音信息的編碼方法來處理圖像信息將會得到非常大的數(shù)據(jù)量,所以我們這里討論的圖像編碼,更多的是指圖像壓縮編碼。 16 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.3 圖像編碼3.1 信源編碼1.圖像信息的特點圖像信息與語音信息相比有以下特點:圖像信息是二維或二維以上的多維信息。圖像信息的頻帶非常寬,約為聲音信號頻譜的1000倍。 17 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.1.3 圖像編碼3.1 信源編碼3.圖像信息的壓縮編碼壓縮編碼方法有許多種,從不同的角度出發(fā)有不同的分類方法,比如從信息論角度出發(fā)可分為兩大類:(1)冗余度壓縮方法,也稱無損壓縮、信息保持編碼或熵編碼。具體講就是解碼圖像和壓縮編碼前的

8、圖像嚴(yán)格相同,沒有失真,從數(shù)學(xué)上講是一種可逆運算。(2)信息量壓縮方法,也稱有損壓縮、失真度編碼或熵壓縮編碼。也就是說解碼圖像和原始圖像是有差別的,允許有一定的失真。 18 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2 信道編碼數(shù)字通信系統(tǒng)除了可以采取與模擬系統(tǒng)同樣的措施以降低干擾和信道不良對信號造成的影響之外,還可以通過對所傳數(shù)字信息進行特殊的處理方式對誤碼進行檢錯和糾錯,以進一步將誤碼率降低,從而滿足通信要求。因此,數(shù)字通信系統(tǒng)可以從硬件上的抗干擾措施和軟件上的信道編碼兩個方面對信息傳輸中出現(xiàn)的錯誤進行控制和糾正。信道編碼的目的是為了改善數(shù)字通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量,它包括位定時、分組同步、減少高頻分

9、量、去除直流分量等內(nèi)容,但差錯控制編碼(糾錯編碼)是其中最主要的部分 19 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.1 差錯控制編碼的基本概念3.2 信道編碼差錯控制編碼的基本思路是根據(jù)一定的規(guī)律在待發(fā)送的信息碼中加入一些多余的碼元(冗余碼),以保證傳輸過程的可靠性。這些冗余碼起監(jiān)督作用,所以也稱為監(jiān)督碼元。差錯控制編碼的任務(wù)就是構(gòu)造出以最小冗余度代價換取最大抗干擾性能的“好碼”。 20 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.1 差錯控制編碼的基本概念3.2 信道編碼1.隨機誤碼與突發(fā)誤碼隨機誤碼與突發(fā)誤碼是傳輸過程中的兩種主要誤碼形式 21 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.1 差錯

10、控制編碼的基本概念3.2 信道編碼2.差錯控制編碼方式根據(jù)差錯控制編碼系統(tǒng)的檢錯、糾錯能力,對信道的要求及適應(yīng)性,編、譯器的復(fù)雜性、實時性等性能指標(biāo),我們可將其分為以下四類分別討論。(1)自動重發(fā)請求(ARQ,AutomaticRepeatRequest)(2)前向糾錯(FEC,ForwardErrorCorrection)(3)信息重發(fā)請求(IRQ,InformationRepeatRequest)(4)混合糾錯(HEC,HybridErrorCorrection) 22 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.1 差錯控制編碼的基本概念3.2 信道編碼2.差錯控制編碼方式 23 第 三 章

11、數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.2 差錯控制編碼方法3.2 信道編碼1.差錯控制碼的分類(1)檢錯碼:只能發(fā)現(xiàn)錯誤,不能糾正錯誤。(2)糾錯碼:能夠發(fā)現(xiàn)錯誤并能糾正錯誤。(3)糾刪碼:能夠發(fā)現(xiàn)錯誤并能糾正或刪除錯誤。 24 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.2 差錯控制編碼方法3.2 信道編碼1.差錯控制碼的分類 25 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.2 差錯控制編碼方法3.2 信道編碼2.常用的幾種簡單信道編碼方法(1)奇偶校驗碼發(fā)送端將二進制信息碼序列分成等長碼組,并在每一碼組之后添加一位二進制碼元,該碼元稱為監(jiān)督碼(校驗碼)。監(jiān)督碼取“1”還是“0”,要根據(jù)信息碼組中1的個數(shù)

12、而定。 26 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.2 差錯控制編碼方法3.2 信道編碼(2)二維奇偶校驗碼二維奇偶校驗碼又稱方陣碼,它將要傳送的信息碼按一定的長度分組,每一組碼后面加一位監(jiān)督碼,然后再在若干碼組結(jié)束后加一組與信息碼組加監(jiān)督位等長的監(jiān)督碼組。 27 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.2 差錯控制編碼方法3.2 信道編碼(3)群計數(shù)碼在奇偶校驗碼中,我們通過添加監(jiān)督位將碼組的碼重(碼組中“1暠的個數(shù))配成奇數(shù)或偶數(shù)。而群計數(shù)碼的編碼原則是先算出信息碼組的碼重,然后用二進制計數(shù)法將碼重作為監(jiān)督碼元添加到信息碼組的后面。 28 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.2 差錯

13、控制編碼方法3.2 信道編碼(4)恒比碼恒比碼的編碼原則是從確定碼長的碼組中挑選那些“1”和“0”個數(shù)的比值一樣的碼組作為許用碼組。 29 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.2 差錯控制編碼方法3.2 信道編碼(5)正反碼正反碼是一種簡單的能夠糾正錯碼的編碼。其中的監(jiān)督位數(shù)目與信息位數(shù)目相同,監(jiān)督碼元與信息碼元相同(是信息碼的重復(fù))或者相反(是信息碼的反碼),由信息碼中“1暠的個數(shù)決定。 30 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.2 差錯控制編碼方法3.2 信道編碼3.線性分組碼分組碼一般可用(n,k)表示。其中,k 是每組二進制信息碼元的數(shù)目,n 是編碼碼組的碼元總位數(shù),又稱為碼組

14、長度,簡稱碼長。n-k=r 為每個碼組中的監(jiān)督碼元數(shù)目。 31 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.2 差錯控制編碼方法3.2 信道編碼4.卷積碼卷積碼,或稱連環(huán)碼,是由伊萊亞斯(P.Elis)于1955年提出來的一種非分組碼。它與前面討論的分組碼不同。 32 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.2 差錯控制編碼方法3.2 信道編碼5.交織編碼前面介紹的各類編碼方法大多都是針對隨機誤碼設(shè)計的,處理突發(fā)誤碼應(yīng)該有特定的方法,其中一個有效的辦法是對編碼數(shù)據(jù)實行交織,把短時間內(nèi)集中出現(xiàn)的錯碼分散,使之成為隨機誤碼,再用差錯控制編譯碼器對隨機誤碼進行檢測與糾正,這樣用前面所介紹的各種抗干擾編碼

15、就可以產(chǎn)生最佳效果。 33 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.2.2 差錯控制編碼方法3.2 信道編碼5.交織編碼 34 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.3.1 TDM 基本原理3.3 時分多路復(fù)用所謂時分多路復(fù)用(TDM),就是將信道的工作時間按一定的長度分段,每一段稱為一幀,一幀又分為若干個時隙。用戶的信號在每一幀中各自占用一個預(yù)先分配的時隙,這樣就可以實現(xiàn)多路信號在同一個信道中的不同時間里進行傳輸。TDM 是在時域上將各路信號分離,但信號的頻譜可以是混疊的;FDM 是在頻域上將各路信號分離,但信號在時域上可以是混疊的。 35 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.3.1 TDM 基本原理3.3 時分多路復(fù)用 36 第 三 章數(shù) 字 編 碼 技 術(shù)3.