digitalcommunicaiton3信源编码分析

音频编码发展：数字电话（2）
参数编码 – 波形编码通道声码器（39年，Dudly，二次大战保密 电话） – LPC声码器（67年，Atal、Schroeder） – 同态声码器（69年，Oppenheim） – 共 振 峰 声 码 器 （ 71 年 ， Rabiner 、 Schafer 、 Elanagan） – MBE声码器（88年，Griffin、Lim） – 波形插值（91年，W.B. Kleijn） – 2.4kb/s、1.2kb/s、较好；600-800b/s可懂。特点： 编码速率低，自然度差。
– 8-16kb/s，高质量。特点：话音质量高、编码速率低， 但算法复杂。
音频压缩依据
1) 冗余度 – 时域样点之间相关（短时、长时） – 频域谱的非平坦性（谱包络、谱离散） – 统计特性
2) 人耳听觉特性 – 人耳分辨能力 – 人耳对不同频段声音的敏感程度不同，通常对低频比 对高频更敏感 – 人耳对语音信号的相位不敏感 – 人耳掩蔽效应 Masking Effect …
• 说明2：为了保证无差错传输，必需采用信道 编码，因而会引入编码延时。
• 信息传输定理： 将信源编码定理和信道编码定理综合，就得到 信息传输定理。即：为保证无差错传输及失真 度，必需满足：C R(D)
• 说明1：在一般数字通信系统中，信源编码和 信道编码可以分开考虑。信道编码定理给出无 差错的速率上限，信源编码定理给出无失真的 速率下限。
– 增量编码原理（46年，法De Loraine） 自适应增量 CVSD（60年代末，军用，32、16kb/s） Continuously Variable Slope Delta Modulator 连续变化斜率增量调制器
– 其他编码（70年代，ADPCM、SubBand、ATC、APC等 在16kb/s以上得到较好的话音质量。 特点：话音质量好，但编码速率高。
参数编码 从信源信号的某个域中提取特征参数，并变换 成数字码流。特点：比特率较低、解码后质量 较低、延时较大。如：各种声码器。
混合编码 将以上二种方法混合，特点：以较低的比特率 获得较高的质量，延时适中，复杂。如： G723.1，G728，G729，GSM的语音编码， IS-95的语音编码等。
离散有记忆平稳信源传输
由于有记忆信源内部存在关联，它的信息含量密度 就会降低。
应当尽可能消除信源的相关性，把有记忆的信源改 造为无记忆的信源。
信源的冗余主要来源于： 一是信源符号概率分布的不均匀， 二是信源符号间的相关性。
由于传输信道带宽的限制，又由于原始信源的 信号具有很强的相关性，则信源编码不是简单 的A/D，D/A，而是要进行压缩。
Chapter 3 Source Coding
概述
信源的原始信号绝大多数是模拟信号，因此，信 源编码的第一个任务是模拟和数字的变换，即： A/D，D/A。
抽样率取决于原始信号的带宽： fc = 2 w，w为信号带宽
抽样点的比特数取决经编译码后的信号质量要求： SNR ＝ 6 L(dB)，L为量化位数
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质量 要求
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ清晰度 清晰度
音频
10-20k 96dB
48 保真度 44.1 32
主要应用
数字电话 扬声器电话 ISDN会议电视
广播 音频产品 节目分配和交换 数字声广播 数字声存储 视频会议 多媒体系统 高质量电视
音频编码发展：数字电话（1）
波形编码
– PCM原理（37年，法Alec Reeres） 电子管PCM（46年，Bell实验室） 晶体管PCM（62年，市话扩容，64kb/s） 单片IC PCM（70年代，微波、卫星、光纤）
音频编码的优点
• 提高传输的质量 • 便于处理 • 使用灵活，便于多种媒体（视频、音频、文字、
数据）相结合应用 • 易于加密 • 适合大规模集成 • 可靠性高、体积功耗小 • 价格便宜
音频编码的应用
分类
电话语音 宽带语音
频率范围 Hz
300-3400
动态范围 48dB
采样频 率
kHz 8
50-7000 84dB
• 说明2：为了保证在一定速率下的失真，必需 采用信源编码，因而会引入编码延时。
• 信道编码定理： 如果信源速率R小于信道容量C，总可以找到 一种信道编码方法，使得信源信息可以在有噪 声信道上进行无差错传输，即： R C，无差错传输条件
• 说明1：信道容量C是根据仙侬定理得到的 C ＝ Wlog2(1+S/N)
• 说明2：为了实现理想性能，都要付出延时的 代价。
性能指标
• 速率：高速率、中速率、低速率 压缩比
• 质量：客观评价 主观评价
• 延时：质量和延时的关系 不同业务对延时的要求
• 复杂性：算法的复杂性及软硬件实现的复杂性
音频编码
实现方法
波形编码 将波形直接变换成数字码流。特点：比特率较
高、解码后质量较高、延时较小。可以分为：时 域波形编码，如PCM、ADPCM、M等；频域波 形编码，如：子带编码（SBC）、自适应变换编 码（ATC）等。
信源编码要考虑的因素： －发信源的统计特性。 －传输信道引入的损伤，如误码。 －受信者的质量要求。
• 信源编码定理： 对于给定的失真率D，总可以找到一种信源编 码方法，只要信源速率R大于R(D)，就可以在 平均失真任意接近D的条件下实现波形重建。
• 说明1：R(D)称为率失真函数，它是单调非增 函数，速率越高，平均失真越小。
信源
编码器
信道
码表
信源编码器示意图
•信源编码是指信源输出符号经信源编码器编码后转换成 另外的压缩符号 •无失真信源编码：可精确无失真地复制信源输出的消息
信源冗余
离散无记忆平稳信源传输
信源存在冗余是由于信源符号概率分布不均匀。
改造离散无记忆平稳信源的具体方法，就是使信源 满足均匀的先验概率分布。
无噪声的平稳、离散、无记忆信源（各元之间相互 独立）有效编码的实质是使各元的规律均匀化。
混合编码器
– 利用线性预测、VQ、A-B-S、感觉加权、后滤波等技 术。
– 多脉冲激励线性预测（MPELP 1982 Atal、Remde）
– 规则脉冲激励线性预测（RPELP 1985 Deprettere、 Kroon）
– 码 本 激 励 线 性 预 测 （ CELP 1985 Manfred 、 Schroeder、Atal）