通信原理 第六章

§6.6.2差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)

§6.6.3增量調(diào)制()

TDM（補(bǔ)充）

§6.8數(shù)字音頻傳輸和數(shù)字音頻記錄

§6.9JPEG圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)

第6章信源與信源編碼2/7/20231山東大學(xué)曹葉文教授一、DPCM

PCM系統(tǒng)的問題：在PCM系統(tǒng)中，在對(duì)信息信號(hào)抽樣以后，通過使用標(biāo)量量化器，分別將每個(gè)抽樣值獨(dú)立地量化。這說明,先前的抽樣值并不對(duì)新抽樣值的量化產(chǎn)生影響。

然而，當(dāng)一個(gè)帶寬限制隨機(jī)過程以奈奎斯特速率或更高速率抽樣時(shí)，抽樣值通常是互相關(guān)的隨機(jī)變量，除非隨機(jī)過程的頻譜在帶寬范圍內(nèi)是平坦的(如白噪聲)。這表示先前的抽樣值含有關(guān)于下一個(gè)抽樣值的信息，而這些信息可以用來提高系統(tǒng)的性能。

2/7/20232山東大學(xué)曹葉文教授DPCM的基本思想

DPCM：差分脈沖編碼調(diào)制

DPCM是PCM系統(tǒng)的改進(jìn)形式。它對(duì)兩個(gè)相鄰抽樣值的差值進(jìn)行量化。由于兩個(gè)相鄰抽樣值的互相關(guān)性很大，而它們的差值變化很小，因而只需較少的比特?cái)?shù)進(jìn)行量化就可以達(dá)到一定程度的性能。2/7/20233山東大學(xué)曹葉文教授

DPCM系統(tǒng)Q：均勻量化或非均勻量化T：延遲器，延遲為一個(gè)抽樣間隔發(fā)送端接收端2/7/20234山東大學(xué)曹葉文教授基于發(fā)送端框圖，可得且量化器（Q）輸入端和輸出端之間的量化誤差：

即：+-2/7/20235山東大學(xué)曹葉文教授如果對(duì)和選擇一樣的初始條件,即：在接收端有：上式表明，和其量化值之間的量化誤差，和其量化值之間的量化誤差相等。然而，的變化范圍與的變化范圍相比要小得多，因此可以用較少的比特?cái)?shù)進(jìn)行量化。將該結(jié)果代入(B)式，可得：通過比較(A)式(C)式，所有的n下，有：++2/7/20236山東大學(xué)曹葉文教授因?yàn)?/p>

選擇，(零初始狀態(tài))，可得：因此，要想得到和，只須計(jì)算的累加值。如果使用脈沖代替抽樣值，則累加器將變?yōu)榉e分器?！窈?jiǎn)單形式-實(shí)現(xiàn)2/7/20237山東大學(xué)曹葉文教授簡(jiǎn)化的DPCM系統(tǒng)模型為：+-2/7/20238山東大學(xué)曹葉文教授性能分析

抽樣頻率信號(hào)頻率量化比特?cái)?shù)在DPCM（話音）傳輸系統(tǒng)中，通常采用4比特量化。因此：典型的數(shù)據(jù)速率（話音）：對(duì)于頻率為的正弦信號(hào)，有：量化信噪比：取決于2/7/20239山東大學(xué)曹葉文教授二、增量調(diào)制(△M：Deltamodulation)

增量調(diào)制是簡(jiǎn)單的DPCM方案。增量調(diào)制原理，如下圖所示：輸出代碼：“1”輸出代碼：“0”量化編碼2/7/202310山東大學(xué)曹葉文教授△M系統(tǒng)+-2/7/202311山東大學(xué)曹葉文教授

在設(shè)計(jì)增量調(diào)制系統(tǒng)時(shí)，步長(zhǎng)是一個(gè)十分重要的參數(shù)。如果值很大，則調(diào)制器很快適應(yīng)輸入信號(hào)的快速變化，但同時(shí)在輸入信號(hào)變化緩慢時(shí)會(huì)導(dǎo)致過分大的量化噪聲。這種情況如下圖所示：量化臺(tái)階：2/7/202312山東大學(xué)曹葉文教授2/7/202313山東大學(xué)曹葉文教授假定輸入的正弦信號(hào)為：

故，斜率表示為為避免（斜率）過載失真，我們選擇步長(zhǎng)為：2/7/202314山東大學(xué)曹葉文教授調(diào)制系統(tǒng)的性能2）不同的信號(hào)（頻率fk

）分量性能有差異。注意：代價(jià)，傳輸速率（帶寬）的增加1）

系統(tǒng)性能隨抽樣頻率呈3次方關(guān)系。3）DPCM的特例：2/7/202315山東大學(xué)曹葉文教授

如上所述，過大的步長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致粒狀噪聲，而過小的步長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致斜率過載失真。自適應(yīng)△M自適應(yīng)△M的思想：根據(jù)輸入信號(hào)的變化（快慢）來改變步長(zhǎng)。如果輸入信號(hào)變化很快，則選擇較大的步長(zhǎng)，這樣輸出就能夠很快地跟蹤輸入信號(hào)，因此不會(huì)導(dǎo)致斜率過載失真。當(dāng)輸入信號(hào)比較平坦時(shí)(變化較慢)，選擇較小的步長(zhǎng)值以防止粒狀噪聲的產(chǎn)生。2/7/202316山東大學(xué)曹葉文教授三、時(shí)分復(fù)用(TDM)

時(shí)分復(fù)用:多用戶在時(shí)域上共享信道的通信方式。在TDM系統(tǒng)中，用戶需周期性的占用公共信道的一小部分時(shí)隙，用來傳輸信息。如下圖所示：TDM：Timedivisionmultiplexing2/7/202317山東大學(xué)曹葉文教授

N：共享信道的（時(shí)分）用戶數(shù)。：每隔時(shí)間段重新分配一個(gè)時(shí)隙給用戶，稱為幀周期。（例，PCM系統(tǒng)的抽樣間隔）：時(shí)間槽()，是一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間長(zhǎng)度，即，

在給定的時(shí)間槽處，用戶i

傳輸它相應(yīng)的用戶信息。

TDM的參數(shù)：2/7/202318山東大學(xué)曹葉文教授S1(t)S2(t)兩路模擬信號(hào)的TDM示意圖Tftc注意幀周期Tf：即為抽樣間隔2/7/202319山東大學(xué)曹葉文教授采用PCM調(diào)制的TDM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，

如下圖所示：目的是進(jìn)行帶寬限制，達(dá)到抗混疊濾波(即限制信號(hào)的最高頻率)

，然后進(jìn)行抽樣。模擬抽樣信號(hào)經(jīng)過量化之后以數(shù)字方式在電話信道中傳播。輸入低通濾波器(LPF)2/7/202320山東大學(xué)曹葉文教授輪換器(commutator)有兩個(gè)雙重功能：以幀速率（1/Tf)N個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行持續(xù)抽樣在抽樣時(shí)間間隔內(nèi)等間隔的插入N個(gè)抽樣值。脈沖編碼調(diào)制：在發(fā)端和收端都有，用于在電話線上傳送數(shù)字信息。接收低通濾波器：用于信號(hào)重建的，即數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)化。帶寬擴(kuò)展：為單個(gè)用戶的帶寬問題：BW1=？？？2/7/202321山東大學(xué)曹葉文教授TDM實(shí)際應(yīng)用：1）收發(fā)必須保證（時(shí)隙/幀）同步需：統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)2）調(diào)制/解調(diào)器：任意數(shù)字調(diào)制方式3）可與其他信道復(fù)用方式（如FDM）并用2/7/202322山東大學(xué)曹葉文教授四、數(shù)字音頻傳輸和數(shù)字音頻記錄

電話傳輸系統(tǒng)中的數(shù)字音頻信號(hào)目前在電話信道中，幾乎所有的語(yǔ)音信號(hào)傳輸都是數(shù)字的。且，基本上已經(jīng)完成了由模擬傳輸向數(shù)字傳輸?shù)霓D(zhuǎn)變。2/7/202323山東大學(xué)曹葉文教授模擬傳輸向數(shù)字傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換

語(yǔ)音信號(hào)：300～3400Hz抽樣速率：典型比特速率為：64kps（PCM），32kbps（DPCM）2/7/202324山東大學(xué)曹葉文教授

公用電話系統(tǒng)的TDM體系結(jié)構(gòu)

通過PCM在電話線上傳送數(shù)字語(yǔ)音，已經(jīng)建立了一種適用于多用戶的標(biāo)準(zhǔn)TDM體系結(jié)構(gòu)。TDM體系的各級(jí)如下所示：：24路數(shù)字用戶經(jīng)過時(shí)分復(fù)用形成一個(gè)1.544Mb/s(24×64kb/s＋和一些用于控制的額外比特)的高速數(shù)據(jù)流。

：4路DS-1信道復(fù)用成比特速率為6.312Mb/sec的DS-2信道。：7路DS-2信道組合成比特速率為=44.736Mbps：6路DS-3信道組合成比特速率為=274.176Mbps

：2路DS-2信道組合成比特速率為=570.10Mbps2/7/202325山東大學(xué)曹葉文教授DS-1復(fù)用器DS-2復(fù)用器DS-3復(fù)用器DS-4復(fù)用器DS-5復(fù)用器64kbps/每路1.544Mbps/每路6.312Mbps/每路44.736Mbps/每路274.176Mbps/每路570.16Mbps其它DS-1其它DS-2其它DS-3其它DS-4單用戶單元樓片區(qū)街區(qū)城區(qū)2/7/202326山東大學(xué)曹葉文教授數(shù)字音頻錄制

壓縮磁盤(CD)系統(tǒng)（1982年）：20Hz～20kHz抽樣頻率44.1kHz(2×20kHz＋保護(hù)間隔)L(左)R（右）信號(hào)：均勻PCM量化抽樣，16比特/抽樣值SQNR≥90dB信道編/譯碼：為防止信道誤碼數(shù)字信號(hào)通過調(diào)制/解調(diào)器2/7/202327山東大學(xué)曹葉文教授A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字錄音信道編碼調(diào)制器D/A轉(zhuǎn)換抽樣/內(nèi)插信道譯碼解調(diào)器LRLR復(fù)制母盤復(fù)制CD激光刻錄“1”--->發(fā)激光“0”--->不發(fā)激光2/7/202328山東大學(xué)曹葉文教授五、JPEG圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG→是一種廣泛應(yīng)用于靜態(tài)圖像有損壓縮的標(biāo)準(zhǔn)。

JPEG屬于變換編碼技術(shù)類，即，不是直接壓縮信號(hào)(這里是圖像)，而是壓縮其變換后的信號(hào)的編碼技術(shù)。2/7/202329山東大學(xué)曹葉文教授DCT—DiscreteCosineTransform

對(duì)于N×N像素的圖像，其像素（原始信號(hào)）排列為：0≤m，n≤N-1，該圖像經(jīng)DCT轉(zhuǎn)換為：2/7/202330山東大學(xué)曹葉文教授高度的能量壓縮特性。DCT的能量壓縮特性使得只有一小部分變換系數(shù)是有意義的值，因而幾乎所有的能量都包含于那些特殊的分量中。變換快速算法的可實(shí)現(xiàn)性。

DCT的優(yōu)點(diǎn)：2/7/202331山東大學(xué)曹葉文教授JPEG編解碼

DCT轉(zhuǎn)換m×n→8×8的子陣列量化

盡管所有分量都采用均勻量化（且有相同的量化區(qū)間數(shù)256）方案進(jìn)行量化。但是不同的均勻量化方案采用不同的步長(zhǎng)（見表6.5）。量化過程后，量化過的DCT系數(shù)通過Z形抽樣排列成一個(gè)矢量（見圖6.38）。

熵編碼

霍夫曼編碼，是建立在對(duì)不同幅度指定不同碼字的表上。2/7/202332山東大學(xué)曹葉文教授表6.5基于JPEG的（DCT下）圖像壓縮（量化）的例子1611101624405161121214192658605514131624495769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399（數(shù)據(jù)塊8×8=64像數(shù)下，DCT變換后的量化步長(zhǎng)分布圖）2/7/202333山東大學(xué)曹葉文教授圖6.38DCT變換后的圖像（像素）的Z-字形提取順序示意圖DCAC1AC35AC28AC6416111016244051611212141926586055141316244957695614172229518780621822375668109103772435556481104113924964788710312112010172929598112100103992/7/202334山東大學(xué)曹葉文教授原始圖像FDCT量化器熵編碼壓縮了的圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)的原始圖像熵譯碼解量化器IDCT壓縮了的圖像數(shù)據(jù)基于DCT的編碼器基于DCT的譯碼器2/7/202335山東大學(xué)曹葉文教授JPEG中的壓縮和圖像質(zhì)量

上等偏上的圖像質(zhì)量：0.2