數(shù)字媒體技術(shù)基礎(chǔ)第二章數(shù)字信號(hào)與信號(hào)編碼與壓縮

數(shù)字信號(hào)編碼基礎(chǔ)教案新疆師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院齊忠琪第二章數(shù)字信號(hào)編碼與壓縮第一節(jié)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)一、模擬信號(hào)信號(hào)波形模擬著信息變化，其特點(diǎn)是幅度隨時(shí)間連續(xù)變化。對(duì)模擬信號(hào)按一定的時(shí)間間隔進(jìn)行抽樣，抽樣后的信號(hào)由于其波形在時(shí)間上是離散的，所以它又叫離散信號(hào)。但此信號(hào)的幅度仍然是連續(xù)的，所以它仍然是模擬信號(hào)。電話、傳真、電視信號(hào)都是模擬信號(hào)。第一節(jié)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)二、數(shù)字信號(hào)：指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。二進(jìn)制碼就是一種數(shù)字信號(hào)。二進(jìn)制碼受噪聲的影響小，易于用數(shù)字電路進(jìn)行處理，所以得到了廣泛的應(yīng)用。第一節(jié)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)1、數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)(1)抗干擾能力強(qiáng)、無噪聲積累。在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號(hào)傳輸過程中及時(shí)對(duì)衰減的傳輸信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)在傳輸過程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時(shí)放大。隨著傳輸距離的增加，噪聲累積越來越多，以致使傳輸質(zhì)量嚴(yán)重惡化。第一節(jié)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

對(duì)于數(shù)字通信，由于數(shù)字信號(hào)的幅值為有限個(gè)離散值(通常取兩個(gè)幅值)，在傳輸過程中雖然也受到噪聲的干擾，但當(dāng)信噪比惡化到一定程度時(shí)，即在適當(dāng)?shù)木嚯x采用判決再生的方法，再生成沒有噪聲干擾的和原發(fā)送端一樣的數(shù)字信號(hào)，所以可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高質(zhì)量的傳輸。第一節(jié)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

(2)便于加密處理。信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄栽絹碓街匾瑪?shù)字通信的加密處理的比模擬通信容易得多，以模擬信號(hào)為例，經(jīng)過數(shù)字變換后的信號(hào)可用簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯運(yùn)算進(jìn)行加密、解密處理。第一節(jié)模模擬信號(hào)與與數(shù)字信號(hào)號(hào)(3)便于于存儲(chǔ)、處處理和交換換。數(shù)字通通信的信號(hào)號(hào)形式和計(jì)計(jì)算機(jī)所用用信號(hào)一致致，都是二二進(jìn)制代碼碼，因此便便于與計(jì)算算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，，也便于用用計(jì)算機(jī)對(duì)對(duì)數(shù)字信號(hào)號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)儲(chǔ)、處理和和交換，可可使通信網(wǎng)網(wǎng)的管理、、維護(hù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)自動(dòng)化、、智能化。。第一節(jié)模模擬信號(hào)與與數(shù)字信號(hào)號(hào)(4)設(shè)備備便于集成成化、微型型化。數(shù)字字通信采用用時(shí)分多路路復(fù)用，不不需要體積積較大的濾濾波器。設(shè)設(shè)備中大部部分電路是是數(shù)字電路路，可用大大規(guī)模和超超大規(guī)模集集成電路實(shí)實(shí)現(xiàn)，因此此體積小、、功耗低。。第一節(jié)模模擬信號(hào)與與數(shù)字信號(hào)號(hào)(5)便于于構(gòu)成綜合合數(shù)字網(wǎng)和和綜合業(yè)務(wù)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。。采用數(shù)字字傳輸方式式，可以通通過程控?cái)?shù)數(shù)字交換設(shè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)數(shù)字交換，，以實(shí)現(xiàn)傳傳輸和交換換的綜合。。另外，電電話業(yè)務(wù)和和各種非話話業(yè)務(wù)都可可以實(shí)現(xiàn)數(shù)數(shù)字化，構(gòu)構(gòu)成綜合業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)網(wǎng)。第一節(jié)模模擬信號(hào)與與數(shù)字信號(hào)號(hào)(6)占用用信道頻帶帶較寬。一一路模擬電電話的頻帶帶為4kHz帶寬，，一路數(shù)字字電話約占占64kHz，這是是模擬通信信目前仍有有生命力的的主要原因因。隨著寬寬頻帶信道道(光纜、、數(shù)字微波波)的大量量利用(一一對(duì)光纜可可開通幾千千路電話)以及數(shù)字字信號(hào)處理理技術(shù)的發(fā)發(fā)展(可將將一路數(shù)字字電話的數(shù)數(shù)碼率由64kb/s壓縮到到32kb/s甚至至更低的數(shù)數(shù)碼率)，，數(shù)字電話話的帶寬問問題已不是是主要問題題了。第一節(jié)模模擬信號(hào)與與數(shù)字信號(hào)號(hào)以上介紹可可知，數(shù)字字通信具有有很多優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，所以各各國(guó)都在積積極發(fā)展數(shù)數(shù)字通信。。近年來，，我國(guó)數(shù)字字通信得到到迅速發(fā)展展，正朝著著高速化、、智能化、、寬帶化和和綜合化方方向邁進(jìn)。。第二節(jié)數(shù)數(shù)字字信號(hào)的的產(chǎn)生一、模擬擬信號(hào)數(shù)數(shù)字化的的過程信號(hào)數(shù)字字化過程程信號(hào)的的數(shù)字化化需要三三個(gè)步驟驟：抽樣、量量化和編編碼。抽樣是指用每每隔一定定時(shí)間的的信號(hào)樣樣值序列列來代替替原來在在時(shí)間上上連續(xù)的的信號(hào)，，也就是是在時(shí)間間上將模模擬信號(hào)號(hào)離散化化。量化是用有限限個(gè)幅度度值近似似原來連連續(xù)變化化的幅度度值，把把模擬信信號(hào)的連連續(xù)幅度度變?yōu)橛杏邢迶?shù)量量的有一一定間隔隔的離散散值。第二節(jié)數(shù)數(shù)字字信號(hào)的的產(chǎn)生編碼是指為了了達(dá)到某某種目的的而對(duì)信信號(hào)進(jìn)行行的一種種變換。。是按照一一定的規(guī)規(guī)律，把把量化后后的值用用二進(jìn)制制數(shù)字表表示，然然后轉(zhuǎn)換換成二值值或多值值的數(shù)字字信號(hào)流流。這樣樣得到的的數(shù)字信信號(hào)可以以通過電電纜、微微波干線線、衛(wèi)星星通道等等數(shù)字線線路傳輸輸。在接接收端則則與上述述模擬信信號(hào)數(shù)字字化過程程相反，，再經(jīng)過過后置濾濾波又恢恢復(fù)成原原來的模模擬信號(hào)號(hào)。上述述數(shù)字化化的過程程又稱為為脈沖編編碼調(diào)制制。其逆逆變換稱稱為譯碼碼或解碼碼。第二節(jié)數(shù)數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)產(chǎn)生第二節(jié)數(shù)數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)產(chǎn)生第三節(jié)編碼理論編碼理論是數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分分支，處理在在噪聲信道傳傳送資料時(shí)的的錯(cuò)誤傾向。。按照編碼理理論對(duì)數(shù)字信信號(hào)進(jìn)行編碼碼，可以保證證信號(hào)傳送時(shí)時(shí)采用更好的的方法以修正正傳送途中所所產(chǎn)生的大量量錯(cuò)誤。保證證接收端高保保真地恢復(fù)發(fā)發(fā)送端傳送過過來的信號(hào)。。第三節(jié)編碼理論編碼共分三類類：信源編碼碼(數(shù)據(jù)壓縮）、信道編碼(前向糾錯(cuò))和保密編編碼。研究信息傳輸輸過程中信號(hào)號(hào)編碼規(guī)律的的理論基礎(chǔ)包包括：數(shù)學(xué)理理論。編碼理理論與信息論論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)、概率論、、隨機(jī)過程、、線性代數(shù)、、近世代數(shù)、、數(shù)論、有限限幾何和組合合分析等。編編碼理論現(xiàn)已已成為應(yīng)用數(shù)數(shù)學(xué)的一個(gè)分分支。第三節(jié)編碼理論一、信源編碼碼。對(duì)信源輸出的的信號(hào)進(jìn)行變變換，包括連連續(xù)信號(hào)的離離散化，即將將模擬信號(hào)通通過采樣和量量化變成數(shù)字字信號(hào),以及及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行行壓縮,提高高數(shù)字信號(hào)傳傳輸?shù)挠行孕远M(jìn)行的編編碼。第三節(jié)編碼理論1、信源編碼碼的歷史發(fā)展展1843年美美國(guó)著名畫家家莫爾斯精心心設(shè)計(jì)出莫爾爾斯碼，最早早的莫爾斯電電碼是用一些些點(diǎn)和劃表示示數(shù)字，數(shù)字字對(duì)應(yīng)單詞，，在發(fā)送時(shí)用用一個(gè)電鍵敲敲擊出點(diǎn)、劃劃以及中間的的停頓。在譯譯碼時(shí)需要查查找一本代碼碼表才能知道道每個(gè)詞對(duì)應(yīng)應(yīng)的數(shù)。第三節(jié)編碼理論雖然莫爾斯發(fā)發(fā)明了電報(bào)，，但他缺乏相相關(guān)的專門技技術(shù)。他與AlfredVail簽定了一個(gè)個(gè)協(xié)議，讓他他幫自己制造造更加實(shí)用的的設(shè)備。Vail構(gòu)思了了一個(gè)方案，，通過點(diǎn)、劃劃和中間的停停頓，可以讓讓每個(gè)字符和和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)彼彼此獨(dú)立地發(fā)發(fā)送出去。他他們達(dá)成一致致，同意把這這種標(biāo)識(shí)不同同符號(hào)的方案案放到摩爾斯斯的專利中。。這就是現(xiàn)在在我們所熟知知的美式摩爾爾斯電碼，它它被用來傳送送了世界上第第一條電報(bào)。。周易編碼圖像像第三節(jié)編碼理論這種代碼可可以用一種種音調(diào)平穩(wěn)穩(wěn)時(shí)斷時(shí)續(xù)續(xù)的無線電電信號(hào)來傳傳送，通常常被稱做連連續(xù)波(ContinuousWave)，，縮寫為CW。它可可以是電報(bào)報(bào)電線里的的電子脈沖沖，也可以是一一種機(jī)械的的或視覺的的信號(hào)(比如閃光光)。第三節(jié)編碼理論在以上基礎(chǔ)礎(chǔ)上，商業(yè)業(yè)代碼精心心設(shè)計(jì)了用字符組成成一組代碼碼，做為一一個(gè)單詞表表示一段完完整的內(nèi)容容，以提高工工作效率。。例如：BYOXO(“Areyoutryingtocrawloutofit?”；LIOUY(“Whydoyounotanswermyquestion?”,；；AYYLU(“Notclearlycoded,repeatmoreclearly.”。。這些五個(gè)字字符的簡(jiǎn)語語可以用莫莫爾斯電碼碼單獨(dú)發(fā)送送。第三節(jié)編碼理論作為一種信信息編碼標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，莫爾爾斯電碼擁?yè)碛衅渌幘幋a方案無無法超越的的長(zhǎng)久的生生命。莫爾爾斯電碼在在海事通訊訊中被作為為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)一直使用用到1999年。1997年年，當(dāng)法國(guó)國(guó)海軍停止止使用莫爾爾斯電碼時(shí)時(shí)，發(fā)送的的最后一條條消息是：：“所有人人注意，這這是我們?cè)谠谟肋h(yuǎn)沉寂寂之前最后后的一聲吶吶喊”！第三節(jié)編碼理論盡管莫爾斯斯碼是信號(hào)號(hào)通過編碼碼傳送的鼻鼻祖，但是是編碼理論論直到20世紀(jì)30～40年年代才開始始形成。1928年年美國(guó)電信信工程師H.奈奎斯斯特提出著著名的采樣樣定理，為為連續(xù)信號(hào)號(hào)離散化奠奠定了基礎(chǔ)礎(chǔ)。1948年年美國(guó)應(yīng)用用數(shù)學(xué)家C.E.香香農(nóng)在《通通信中的數(shù)數(shù)學(xué)理論》》一文中提提出信息熵的概念，為為信源編碼碼奠定了理理論基礎(chǔ)。。1949年年香農(nóng)在《《有噪聲時(shí)時(shí)的通信》》一文中提提出了信道道容量的概概念和信道道編碼定理理，為信道道編碼奠定定了理論基基礎(chǔ)。第三節(jié)編碼理論無噪信道編編碼定理（又稱香農(nóng)農(nóng)第一定理理）指出，，碼字的平平均長(zhǎng)度只只能大于或或等于信源源的熵。有噪信道編編碼定理（又稱香農(nóng)農(nóng)第二定理理）則是編編碼存在定定理。它指指出只要信信息傳輸速速率小于信信道容量，，就存在一一類編碼，，使信息傳傳輸?shù)腻e(cuò)誤誤概率可以以任意小。。隨著計(jì)算算技術(shù)和數(shù)數(shù)字通信的的發(fā)展，糾糾錯(cuò)編碼和和密碼學(xué)得得到迅速的的發(fā)展。第三節(jié)編碼理論在信源編碼碼方面，1951年年香農(nóng)證明明，當(dāng)信源輸出出有冗余的的消息時(shí)可通過編碼碼改變信源源的輸出，，使信息傳傳輸速率接接近信道容容量。1948年年香農(nóng)就提提出能使信源與信信道匹配的香農(nóng)編碼碼。第三節(jié)編碼理論1949年年美國(guó)麻省省理工學(xué)院院的R.M.費(fèi)諾提提出費(fèi)諾編編碼。1951年年美國(guó)電信信工程師D.A.霍霍夫曼提出出更有效的的霍夫曼編編碼。此后后又出現(xiàn)了了傳真編碼碼、圖像編編碼和模擬擬編碼，對(duì)對(duì)數(shù)據(jù)壓縮縮進(jìn)行了深深入的研究究，解決了了數(shù)字通信信中提出的的許多實(shí)際際問題。第三節(jié)編碼理論二、信道編碼。。對(duì)信源編碼碼器輸出的的信號(hào)進(jìn)行行再變換，，包括區(qū)分分通路、適適應(yīng)信道條條件和提高高通信可靠靠性而進(jìn)行行的編碼。。如對(duì)電信號(hào)號(hào)進(jìn)行調(diào)制制,以適應(yīng)應(yīng)無線電廣廣播對(duì)信號(hào)號(hào)結(jié)構(gòu)的基基本要求.對(duì)信息按照照TCP/IP協(xié)議議進(jìn)行編碼碼,以適應(yīng)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信信的要求.第三節(jié)編碼理論三、保密編碼。。對(duì)信道編碼碼器輸出的的信號(hào)進(jìn)行行再變換，，即為了使使信息在傳傳輸過程中中不易被人竊竊取而進(jìn)行的編編碼。編碼碼理論在數(shù)數(shù)字化遙測(cè)測(cè)遙控系統(tǒng)統(tǒng)、電氣通通信、數(shù)字字通信、圖圖像通信、、衛(wèi)星通信信、深空通通信、計(jì)算算技術(shù)、數(shù)數(shù)據(jù)處理、、圖像處理理、自動(dòng)控控制、人工工智能和模模式識(shí)別等等方面都有有廣泛的應(yīng)應(yīng)用。第三節(jié)編碼理論第三節(jié)編碼理論1949年年香農(nóng)發(fā)表表《保密系系統(tǒng)的通信信理論》，，通常它被被認(rèn)為是密密碼學(xué)的先先驅(qū)性著作作。1976年年狄菲和赫赫爾曼首次次提出公開開密鑰體制制，為密碼碼學(xué)的研究究開辟了新新的方向。。超大規(guī)模模集成電路路和高速計(jì)計(jì)算機(jī)的應(yīng)應(yīng)用,促進(jìn)進(jìn)了保密編編碼理論的的發(fā)展,同同時(shí)也給保保密通信的的安全性帶帶來很大的的威脅。第三節(jié)編碼理論四、信道編編碼中其它它技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用信道編碼過過程中還要要考慮對(duì)抗抗信道中噪噪音及干擾擾信號(hào)的衰衰減。通過過增加冗余余，如校驗(yàn)驗(yàn)碼等，來來提高抗干干擾能力以以及糾錯(cuò)能能力，從而而提高信道道編碼的質(zhì)質(zhì)量第三節(jié)編碼理論通過信道編編碼器和譯譯碼器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的用于提提高信道可可靠性的理理論和方法法。大致分分為兩類：：①信道編碼定定理，從理理論上解決決理想編碼碼器、譯碼碼器的存在在性問題，，也就是解解決信道能能傳送的最最大信息率率的可能性性和超過這這個(gè)最大值值時(shí)的傳輸輸問題。②構(gòu)造造性性的的編編碼碼方方法法以以及及這這些些方方法法能能達(dá)達(dá)到到的的性性能能界界限限。。第三三節(jié)節(jié)編碼碼理理論論信道道編編碼碼中中的的糾糾錯(cuò)錯(cuò)與與抗抗干干擾擾數(shù)字字信信號(hào)號(hào)在在傳傳輸輸中中往往往往由由于于各各種種原原因因，，使使得得在在傳傳送送的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流中中產(chǎn)產(chǎn)生生誤誤碼碼，，從從而而使使接接收收端端產(chǎn)產(chǎn)生生圖圖象象跳跳躍躍、、不不連連續(xù)續(xù)、、出出現(xiàn)現(xiàn)馬馬賽賽克克等等現(xiàn)現(xiàn)象象。。所所以以通通過過信信道道編編碼碼這這一一環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)，，對(duì)對(duì)數(shù)數(shù)碼碼流流進(jìn)進(jìn)行行相相應(yīng)應(yīng)的的處處理理，，使使系系統(tǒng)統(tǒng)具具有有一一定定的的糾糾錯(cuò)錯(cuò)能能力力和和抗抗干干擾擾能能力力，，可可極極大大地地避避免免碼碼流流傳傳送送中中誤誤碼碼的的發(fā)發(fā)生生。。誤誤碼碼的的處處理理技技術(shù)術(shù)有有糾糾錯(cuò)錯(cuò)、、交交織織、、線線性性內(nèi)內(nèi)插插等等。。第三三節(jié)節(jié)編碼碼理理論論提高高數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸效效率率，，降降低低誤誤碼碼率率是是信信道道編編碼碼的的任任務(wù)務(wù)。。信信道道編編碼碼的的本本質(zhì)質(zhì)是是增增加加通通信信的的可可靠靠性性。。但但信信道道編編碼碼會(huì)會(huì)使使有有用用的的信信息息數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸減減少少，，信信道道編編碼碼的的過過程程是是在在源源數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)碼碼流流中中加加插插一一些些碼碼元元，，從從而而達(dá)達(dá)到到在在接接收收端端進(jìn)進(jìn)行行判判錯(cuò)錯(cuò)和和糾糾錯(cuò)錯(cuò)的的目目的的，，這這就就是是我我們們常常常常說說的的開開銷銷。。9、靜夜四無無鄰，荒居居舊業(yè)貧。。。1月-231月-23Friday,January6,202310、雨中黃葉樹樹，燈下白頭頭人。。01:06:5201:06:5201:061/6/20231:06:52AM11、以我我獨(dú)沈沈久，，愧君君相見見頻。。。1月-2301:06:5201:06Jan-2306-Jan-2312、故人江江海別，，幾度隔隔山川。。。01:06:5201:06:5201:06Friday,January6,202313、乍見翻疑夢(mèng)夢(mèng)，相悲各問問年。。1月-231月-2301:06:5201:06:52January6,202314、他他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生生白白發(fā)發(fā)，，舊舊國(guó)國(guó)見見青青山山。。。。06一一月月20231:06:52上上午午01:06:521月月-2315、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。一月231:06上上午1月-2301:06January6,202316、行動(dòng)出成果果，工作出財(cái)財(cái)富。。2023/1/61:06:5201:06:5206January202317、做前前，能能夠環(huán)環(huán)視四四周；；做時(shí)時(shí)，你你只能能或者者最好好沿著著以腳腳為起起點(diǎn)的的射線線向前前。。。1:06:52上上午1:06上上午午01:06:521月-239、沒有失失敗，只只有暫時(shí)時(shí)停止成成功！。。1月-231月-23Friday,January6,202310、很多事事情努力力了未必必有結(jié)果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒有。。。01:06:5301:06:5301:061/6/20231:06:53AM11、成功就是是日復(fù)一日日那一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小努力力的積累。。。1月-2301:06:5301:06Jan-2306-Jan-2312、世間成事，，不求其絕對(duì)對(duì)圓滿，留一一份不足，可可得無限完美美。。01:06:5301:06:5301:06Friday,January6,202313、不不知知香香積積寺寺，，數(shù)數(shù)里里入入云云峰峰。。。。1月月-231月月-2301:06:5301:06:53January6,202314、意志堅(jiān)強(qiáng)的的人能把世界界放在手中像像泥塊一樣任任意揉捏。06一月20231:06:53上午01:06:531月-2315、楚塞三湘湘接，荊門門九派通。。。。一月231:06上上午1月-2301:06January6,202316、少少年年十十五五二二十十時(shí)時(shí)，，步步行行奪奪得得胡胡馬馬騎騎。。。。2023/1/61:06:5301:06:5306January202317、空山新新雨后，，天氣晚晚來秋。。。1: