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)院齊忠琪第一頁(yè)，共四十五頁(yè)。第二章數(shù)字信號(hào)編碼與壓縮第二頁(yè)，共四十五頁(yè)。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)。第三頁(yè)，共四十五頁(yè)。第四頁(yè)，共四十五頁(yè)。第五頁(yè)，共四十五頁(yè)。第六頁(yè)，共四十五頁(yè)。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。第七頁(yè)，共四十五頁(yè)。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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)越多，以致使傳輸質(zhì)量嚴(yán)重惡化。第八頁(yè)，共四十五頁(yè)。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(guò)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(méi)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。第九頁(yè)，共四十五頁(yè)。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?lái)越重要，數(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(guò)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。第十頁(yè)，共四十五頁(yè)。第一節(jié)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)(3)便于存儲(chǔ)、處理和交換。數(shù)字通信的信號(hào)形式和計(jì)算機(jī)所用信號(hào)一致，都是二進(jìn)制代碼，因此便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也便于用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。第一節(jié)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)(4)設(shè)備便于集成化、微型化。數(shù)字通信采用時(shí)分多路復(fù)用，不需要體積較大的濾波器。設(shè)備中大部分電路是數(shù)字電路，可用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，因此體積小、功耗低。第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。第一節(jié)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)(5)便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。采用數(shù)字傳輸方式，可以通過(guò)程控?cái)?shù)字交換設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交換，以實(shí)現(xiàn)傳輸和交換的綜合。另外，電話業(yè)務(wù)和各種非話業(yè)務(wù)都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，構(gòu)成綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。第一節(jié)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)(6)占用信道頻帶較寬。一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數(shù)字電話約占64kHz，這是模擬通信目前仍有生命力的主要原因。隨著寬頻帶信道(光纜、數(shù)字微波)的大量利用(一對(duì)光纜可開(kāi)通幾千路電話)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展(可將一路數(shù)字電話的數(shù)碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數(shù)碼率)，數(shù)字電話的帶寬問(wèn)題已不是主要問(wèn)題了。第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)。第一節(jié)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)以上介紹可知，數(shù)字通信具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以各國(guó)都在積極發(fā)展數(shù)字通信。近年來(lái)，我國(guó)數(shù)字通信得到迅速發(fā)展，正朝著高速化、智能化、寬帶化和綜合化方向邁進(jìn)。第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)。第二節(jié)數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生一、模擬信號(hào)數(shù)字化的過(guò)程

信號(hào)數(shù)字化過(guò)程信號(hào)的數(shù)字化需要三個(gè)步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣是指用每隔一定時(shí)間的信號(hào)樣值序列來(lái)代替原來(lái)在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)，也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化。量化是用有限個(gè)幅度值近似原來(lái)連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號(hào)的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)。第二節(jié)數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生

編碼是指為了達(dá)到某種目的而對(duì)信號(hào)進(jìn)行的一種變換。

是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進(jìn)制數(shù)字表示，然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號(hào)流。這樣得到的數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)電纜、微波干線、衛(wèi)星通道等數(shù)字線路傳輸。在接收端則與上述模擬信號(hào)數(shù)字化過(guò)程相反，再經(jīng)過(guò)后置濾波又恢復(fù)成原來(lái)的模擬信號(hào)。上述數(shù)字化的過(guò)程又稱為脈沖編碼調(diào)制。其逆變換稱為譯碼或解碼。第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)。第二節(jié)數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)。第二節(jié)數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)。第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)。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)分支，處理在噪聲信道傳送資料時(shí)的錯(cuò)誤傾向。按照編碼理論對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，可以保證信號(hào)傳送時(shí)采用更好的方法以修正傳送途中所產(chǎn)生的大量錯(cuò)誤。保證接收端高保真地恢復(fù)發(fā)送端傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)。第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論編碼共分三類：信源編碼(數(shù)據(jù)壓縮）、信道編碼(前向糾錯(cuò))和保密編碼。研究信息傳輸過(guò)程中信號(hào)編碼規(guī)律的理論基礎(chǔ)包括：數(shù)學(xué)理論。編碼理論與信息論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、概率論、隨機(jī)過(guò)程、線性代數(shù)、近世代數(shù)、數(shù)論、有限幾何和組合分析等。編碼理論現(xiàn)已成為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)分支。第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論一、信源編碼。對(duì)信源輸出的信號(hào)進(jìn)行變換，包括連續(xù)信號(hào)的離散化，即將模擬信號(hào)通過(guò)采樣和量化變成數(shù)字信號(hào),以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)挠行远M(jìn)行的編碼。第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論1、信源編碼的歷史發(fā)展1843年美國(guó)著名畫家莫爾斯精心設(shè)計(jì)出莫爾斯碼，最早的莫爾斯電碼是用一些點(diǎn)和劃表示數(shù)字，數(shù)字對(duì)應(yīng)單詞，在發(fā)送時(shí)用一個(gè)電鍵敲擊出點(diǎn)、劃以及中間的停頓。在譯碼時(shí)需要查找一本代碼表才能知道每個(gè)詞對(duì)應(yīng)的數(shù)。第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論

雖然莫爾斯發(fā)明了電報(bào)，但他缺乏相關(guān)的專門技術(shù)。他與AlfredVail簽定了一個(gè)協(xié)議，讓他幫自己制造更加實(shí)用的設(shè)備。Vail構(gòu)思了一個(gè)方案，通過(guò)點(diǎn)、劃和中間的停頓，可以讓每個(gè)字符和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)彼此獨(dú)立地發(fā)送出去。他們達(dá)成一致，同意把這種標(biāo)識(shí)不同符號(hào)的方案放到摩爾斯的專利中。這就是現(xiàn)在我們所熟知的美式摩爾斯電碼，它被用來(lái)傳送了世界上第一條電報(bào)。第二十五頁(yè)，共四十五頁(yè)。第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)。第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)。第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)。周易編碼圖像第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論這種代碼可以用一種音調(diào)平穩(wěn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的無(wú)線電信號(hào)來(lái)傳送，通常被稱做連續(xù)波(ContinuousWave)，縮寫為CW。它可以是電報(bào)電線里的電子脈沖，也可以是一種機(jī)械的或視覺(jué)的信號(hào)(比如閃光)。第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論在以上基礎(chǔ)上，商業(yè)代碼精心設(shè)計(jì)了用字符組成一組代碼，做為一個(gè)單詞表示一段完整的內(nèi)容，以提高工作效率。例如：BYOXO(“Areyoutryingtocrawloutofit?”；LIOUY(“Whydoyounotanswermyquestion?”,；AYYLU(“Notclearlycoded,repeatmoreclearly.”。這些五個(gè)字符的簡(jiǎn)語(yǔ)可以用莫爾斯電碼單獨(dú)發(fā)送。第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論

作為一種信息編碼標(biāo)準(zhǔn)，莫爾斯電碼擁有其他編碼方案無(wú)法超越的長(zhǎng)久的生命。莫爾斯電碼在海事通訊中被作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一直使用到1999年。1997年，當(dāng)法國(guó)海軍停止使用莫爾斯電碼時(shí)，發(fā)送的最后一條消息是：“所有人注意，這是我們?cè)谟肋h(yuǎn)沉寂之前最后的一聲吶喊”！第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論盡管莫爾斯碼是信號(hào)通過(guò)編碼傳送的鼻祖，但是編碼理論直到20世紀(jì)30～40年代才開(kāi)始形成。1928年美國(guó)電信工程師H.奈奎斯特提出著名的采樣定理，為連續(xù)信號(hào)離散化奠定了基礎(chǔ)。1948年美國(guó)應(yīng)用數(shù)學(xué)家C.E.香農(nóng)在《通信中的數(shù)學(xué)理論》一文中提出信息熵的概念，為信源編碼奠定了理論基礎(chǔ)。1949年香農(nóng)在《有噪聲時(shí)的通信》一文中提出了信道容量的概念和信道編碼定理，為信道編碼奠定了理論基礎(chǔ)。第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論

無(wú)噪信道編碼定理（又稱香農(nóng)第一定理）指出，碼字的平均長(zhǎng)度只能大于或等于信源的熵。

有噪信道編碼定理（又稱香農(nóng)第二定理）則是編碼存在定理。它指出只要信息傳輸速率小于信道容量，就存在一類編碼，使信息傳輸?shù)腻e(cuò)誤概率可以任意小。隨著計(jì)算技術(shù)和數(shù)字通信的發(fā)展，糾錯(cuò)編碼和密碼學(xué)得到迅速的發(fā)展。第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論在信源編碼方面，1951年香農(nóng)證明，當(dāng)信源輸出有冗余的消息時(shí)可通過(guò)編碼改變信源的輸出，使信息傳輸速率接近信道容量。1948年香農(nóng)就提出能使信源與信道匹配的香農(nóng)編碼。第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論1949年美國(guó)麻省理工學(xué)院的R.M.費(fèi)諾提出費(fèi)諾編碼。1951年美國(guó)電信工程師D.A.霍夫曼提出更有效的霍夫曼編碼。此后又出現(xiàn)了傳真編碼、圖像編碼和模擬編碼，對(duì)數(shù)據(jù)壓縮進(jìn)行了深入的研究，解決了數(shù)字通信中提出的許多實(shí)際問(wèn)題。第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論二、信道編碼。對(duì)信源編碼器輸出的信號(hào)進(jìn)行再變換，包括區(qū)分通路、適應(yīng)信道條件和提高通信可靠性而進(jìn)行的編碼。如對(duì)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,以適應(yīng)無(wú)線電廣播對(duì)信號(hào)結(jié)構(gòu)的基本要求.對(duì)信息按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行編碼,以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信的要求.第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論三、保密編碼。對(duì)信道編碼器輸出的信號(hào)進(jìn)行再變換，即為了使信息在傳輸過(guò)程中不易被人竊取而進(jìn)行的編碼。編碼理論在數(shù)字化遙測(cè)遙控系統(tǒng)、電氣通信、數(shù)字通信、圖像通信、衛(wèi)星通信、深空通信、計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、自動(dòng)控制、人工智能和模式識(shí)別等方面都有廣泛的應(yīng)用。第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論1949年香農(nóng)發(fā)表《保密系統(tǒng)的通信理論》，通常它被認(rèn)為是密碼學(xué)的先驅(qū)性著作。1976年狄菲和赫爾曼首次提出公開(kāi)密鑰體制，為密碼學(xué)的研究開(kāi)辟了新的方向。超大規(guī)模集成電路和高速計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,促進(jìn)了保密編碼理論的發(fā)展,同時(shí)也給保密通信的安全性帶來(lái)很大的威脅。第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論

四、信道編碼中其它技術(shù)的應(yīng)用信道編碼過(guò)程中還要考慮對(duì)抗信道中噪音及干擾信號(hào)的衰減。通過(guò)增加冗余，如校驗(yàn)碼等，來(lái)提高抗干擾能力以及糾錯(cuò)能力，從而提高信道編碼的質(zhì)量第四十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論通過(guò)信道編碼器和譯碼器實(shí)現(xiàn)的用于提高信道可靠性的理論和方法。大致分為兩類：①信道編碼定理，從理論上解決理想編碼器、譯碼器的存在性問(wèn)題，也就是解決信道能傳送的最大信息率的可能性和超過(guò)這個(gè)最大值時(shí)的傳輸問(wèn)題。②構(gòu)造性的編碼方法以及這些方法能達(dá)到的性能界限。第四十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論

信道編碼中的糾錯(cuò)與抗干擾數(shù)字信號(hào)在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，從而使接收端產(chǎn)生圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象。所以通過(guò)信道編碼這一環(huán)節(jié)，對(duì)數(shù)碼流進(jìn)行相應(yīng)的處理，使系統(tǒng)具有一定的糾錯(cuò)能力和抗干擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。誤碼的處理技術(shù)有糾錯(cuò)、交織、線性內(nèi)插等。第四十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)編碼理論提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務(wù)。信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性。但信道編碼會(huì)使有用的信息數(shù)據(jù)傳輸減少，信道編碼的過(guò)程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元，從而達(dá)到在接收端進(jìn)行判錯(cuò)和糾錯(cuò)的目的，這就是我們常常說(shuō)的開(kāi)銷。第四十四頁(yè)，共四十五頁(yè)。內(nèi)容總結(jié)數(shù)字信號(hào)編碼基礎(chǔ)教案。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)。編碼理論是數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)