现代通信系统概论_02_信源数字编码技术
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编 控制 码 器
图 像 信 号
信 源 编 器 码
图 复用 像 编 器 码
传 输 缓 器 冲
传 输 编 器 码
信 源 解 器 码
图 复用 像 解 器 码
接 收 缓 器 冲
传 输 解 器 码
编 码 码 流
图2.52 H.261视频编/解码器
2. MPEG―1视频标准 在图像质量方面应高于电视电话的质量
主（Main）级,与常规电视对应。 高1440（High1440）级，与每扫描行1440取样的HDTV对应。 高（High）级,粗略地与每扫描行1920取样的HDTV对应。
MPEG－2的视频格式：
(1)低级视频格式 低级视频格式与MPEG―1标准的视频格式基本一致。 (2)主级视频格式 主级视频格式是MPEG―2中的主要视频格式,应用非常广泛,例如 有线电视、直播卫星、光数字存储媒体和数字录像机等。 (3)高级窄屏幕视频格式 高级窄屏幕视频格式实际上是欧洲等国家可能采用的一种窄屏 幕HDTV的标准,它是向宽屏幕HDTV过渡的一种形式。 (4)高级宽屏幕视频格式 高级宽屏幕视频格式与高级窄屏幕视频格式比较,只是展宽了屏 幕而已。
2.1 概述
信源编码：提高传输的有效性 信道编码：提高传输的可靠性
数字传输系统
信 息 源
信 源 编 码
信 道 编 码
数 字 调 制
信 道
数 字 解 调
信 道 解 码
信 源 解 码
信 息 宿
噪声
图2.1
数字通信系统
2.2 模拟信号时域离散化与抽样定理
信号时域离散化：用一个周期为T的脉冲信号控制 抽样电路对模拟信号实施抽样的过程
图2.4
均匀量化曲线
2) 非线性编码
线性编码简单，实现容易，但是线性编码采用均匀量
化，它在量化时对大、小信号采用相同的量化级量化。
(1)非均匀量化：量化器对小信号的量化误差小，对大信
号的量化误差大，对大小信号的量化信噪比基本相同。
(2)μ律、A律的折线实现 (3)非线性PCM编码技术
2. 差值脉冲编码 差值脉冲编码是对抽样信号当前样值的真值与估值
第2章 信源数字编码技术
第2章 信源数字编码技术
2.1 概述 2.2 模拟信号时域离散化与抽样定理
2.3 语音数字编码技术
2.4 数字音频编码标准
2.5 图像编码技术
2.6 图像压缩编码标准
学习要点
1．掌握数字通信系统的模型。 2．了解语音数字编码技术的几种方法及音频编码标准。
3．了解图像压缩编码基本方法及编码标准。
的幅度差值进行量化编码调制。
f (n Ts )
＋ ＋ － 预测器
编 码 器
传输信道
解 码 器
＋
＋ ＋
f (n Ts )
预测器 发送端 接收端
图2.10
差值脉冲编码的原理框图
1）增量调制DM或ΔM
2）差值编码调制DPCM
3）自适应差值脉冲编码调制ADPCM
３．子带编码
将语音信号频带分割成若干个带宽较窄的子带,分别对 这些子带信号进行独立编码的方式,称为子带编码（SBCSub-BandCoding）。 1）SBC基本原理
f (t) fs (t)
抽样器 4T 5T 0 t 抽样脉冲 (a) 抽样周期 s(t) 0 1T 2T T 3T (b) 4T 5T 6T (c) 0 T 2T 3T 6T t
图2.2 模拟信号时域离散化过程 (a)被抽样的模拟信号；(b)抽样信号；(c)抽样后的信号
2.3 语音数字编码技术
2.3.1 波形编码技术 1.脉冲编码 脉冲编码是在时域按照某种方法将离散的语音信 号样值变换成一个一定位数的二进制码组的过程
1. JPEG标准 JPEG（Joint Photographic Experts Group） JPEG提供了四种算法模式: 基于DCT的顺序模式（基本模式） 基于DCT的递增模式 无损编码模式 分层编码模式
2. JPEG的发展趋势 自适应量化
无损编码的改进
其他可能的途径 后向兼容
率的传输。
2.4 数字音频编码标准
2.4.1 话音音频编码标准 1. G.711标准：PCM 64kb/s 2. G.721标准：ADPCM 32kb/s
3. G.722标准：SC-ADPCM
64kb/s、56kb/s、48kb/s
4. G.728标准：压缩的语音编码特性 16kb/s
5. G.729标准：多媒体通信、IP电话 8kb/s
能满足不对称和对称应用。
3. MPEG-2视频标准
ISO/IEC13818-2制订的5类：
简单（Simple）类，除了没有内插图像帧以外，与 主类相同，以节省RAM。
主（Main）类，没有可分级性，但质量要尽量好。
空间可分级（Spatiallyscalable）类，支持图像空 间域分辨率的可分级性。
高质量视频，其画面较大，通常为CCIR601视频格式 至高清晰度电视视频格式，为高质量彩色图像。
1. H.261标准 H.261是CCITT制订的国际上第一个视频压缩标 准，主要用于电视电话和会议电视 。 H.261视频压缩算法的核心是运动估值预测和DCT 编码,另外,还采用了包括视频数据结构、运动估 算与补偿、可变长度编码和熵编码等技术。
数字传输方式，在数字电视、高清晰度电视和多
媒体图像传输中采用。
2.5.2
图像压缩编码基本方法
1.预测编码 预测编码的基本方法是差分编码调制（DPCM），其 目的是去除图像数据间的空域冗余度和时间冗余度，它既 可在一帧图像内进行帧内预测编码，也可在多帧图像间进 行帧间预测编码。
x(n) a1 D1 a2 D2 ＋ ＋ － x(n) ＋ (a) x3 aN x1 x2 x4 x e(n) 量化 编码 解码 信道 预测器 e(n) ＋ y(n)
在储存媒体方面，可以应用于光盘、数字录音带DAT、 温 盘 （ WinchesterDisk ） 和 可 写 磁 光 盘 （WritableOpticalDisks）。
在传输码率方面，符合当时计算机网络的传输码率， 即1～1.5Mb/s。
在通信方面，能够适应多种网络，如ISDN和LAN等。
4. MPEG―4视频标准
1）MPEG―4的目标 2）MPEG―4的主要功能 3）MPEG―4的视频编码要求 4）MPEG―4视频压缩算法
2.3.2 参数编码技术
语音信号用一些描述语音特征的参数表征。分析 提取语音的这些参数，对它们量化编码传输，通过对
语音参数编码来传输语音的方式称为语音参数编码。
2.3.3 混合编码技术
波形编码：语音质量高，所需编码速率较高。 参数编码：较低编码速率，音质较差。
混合编码：满足一定语音质量的前提下，实现较低码
APCM 编码
APCM 解码
内插
BPn
…
2）子带划分
H( f )/dB 0
0
1 00 0
2 00 0
3 00 0 f / Hz
表2.6 16kb/sSBC系统典型参数
4．变换域编码
将信号进行某种函数变换，把信号从一中描述空间变 换到另一种可用较少元素表述的空间，再对变换后的信号 进行编码传输，以达到降低编码传输码率的目的。
s1 (n) BP1 (f1 ) s2 (n) BP2 (f2 ) 2f2 抽取 r1 (n) 2f1 APCM 编码 合 APCM 编码 路 器 分 路 器 APCM 解码 内插 BP2 Σ s(n) APCM 解码 r(n) 内插 BP1 s1 (n)
s(n)
…
…
…
…
…
sn (n) BPn (fn ) 2fn
DN (b)
……
2.5.2
图像压缩编码基本方法
2. 变换编码 变换编码也是一种降低信源空间冗余度的压缩方
法。通常是采用某种正交变换，将图像取样值变换
到变换域，达到去除视频图像信号相关性的目的。 3. 熵编码 1）游程长度编码 2）霍夫曼编码
4. 帧间预测编码
消除序列图像在时间上的冗余。帧间预测编码的理
2.4.2 高保真立体声音频编码标准
1. MPEG―1音频编码标准
2. MPEG―2音频编码标准
3. MPEG―4音频编码标准 4. AC―3系统
2.5
图像编码技术
2.5.1 概述 压缩后的图像信息传输主要采用两类传输方式： 传统的模拟传输方式，例如广播电视，采用某种
调制方法将模拟图像信号调制到相应频带传输。
信噪比可分级（SNRscalable）类，一种对主类的 改进，给出按信噪比的可分级性。
高（High）类，支持4∶2∶2及全部可分级性。
等级与类相关联，ISO/IEC13818―2确认的4个等级
低（Low）级,类似ITU―T H.261标准的CIF或MPEG―1的标准输入
格式（SIF-Standard Input Format）。
量化 样 值 量 值 化
图2.3 脉冲编码过程
编码 码 组
1)线性编码
样值均匀量化→量化值二进制
v 4 3 2 －4 －3 －2 －
编码→获得相应码组
均匀量化：以等间隔对任意信 号值来量化
－ －2 －3 －4
2 3 4
u
2U N
(a) e
2
－ (b)
2
u
2.6.3 视频压缩标准（活动图像压缩标准） 按质量分，视频可大致分为三类： 低质量视频，画面较小，通常为QCIF或CIF格式，帧 速率低，通常为5～10帧/秒，既可为黑白视频也可
是彩色视频。
中 等 质 量 视 频 ， 中 等 大 小 的 画 面 ， 通 常 为 CIF 或
来自百度文库
CCIR601视频格式，多为彩色视频。
论依据是视频信号在相邻帧间存在极强的相关性。广泛
用于常规电视、会议电视和电视电话等视频信号的压缩 编码中。 1）帧间统计特性 2）帧重复
3）阈值法
4）帧内插 5）运动补偿预测编码
2.6
图像压缩编码标准
2.6.1 二值图像压缩标准 （传真） 1.G3、G4标准 2. JBIG标准
2.6.2 静止图像压缩标准
图 像 信 号
信 源 编 器 码
图 复用 像 编 器 码
传 输 缓 器 冲
传 输 编 器 码
信 源 解 器 码
图 复用 像 解 器 码
接 收 缓 器 冲
传 输 解 器 码
编 码 码 流
图2.52 H.261视频编/解码器
2. MPEG―1视频标准 在图像质量方面应高于电视电话的质量
主（Main）级,与常规电视对应。 高1440（High1440）级，与每扫描行1440取样的HDTV对应。 高（High）级,粗略地与每扫描行1920取样的HDTV对应。
MPEG－2的视频格式：
(1)低级视频格式 低级视频格式与MPEG―1标准的视频格式基本一致。 (2)主级视频格式 主级视频格式是MPEG―2中的主要视频格式,应用非常广泛,例如 有线电视、直播卫星、光数字存储媒体和数字录像机等。 (3)高级窄屏幕视频格式 高级窄屏幕视频格式实际上是欧洲等国家可能采用的一种窄屏 幕HDTV的标准,它是向宽屏幕HDTV过渡的一种形式。 (4)高级宽屏幕视频格式 高级宽屏幕视频格式与高级窄屏幕视频格式比较,只是展宽了屏 幕而已。
2.1 概述
信源编码：提高传输的有效性 信道编码：提高传输的可靠性
数字传输系统
信 息 源
信 源 编 码
信 道 编 码
数 字 调 制
信 道
数 字 解 调
信 道 解 码
信 源 解 码
信 息 宿
噪声
图2.1
数字通信系统
2.2 模拟信号时域离散化与抽样定理
信号时域离散化：用一个周期为T的脉冲信号控制 抽样电路对模拟信号实施抽样的过程
图2.4
均匀量化曲线
2) 非线性编码
线性编码简单，实现容易，但是线性编码采用均匀量
化，它在量化时对大、小信号采用相同的量化级量化。
(1)非均匀量化：量化器对小信号的量化误差小，对大信
号的量化误差大，对大小信号的量化信噪比基本相同。
(2)μ律、A律的折线实现 (3)非线性PCM编码技术
2. 差值脉冲编码 差值脉冲编码是对抽样信号当前样值的真值与估值
第2章 信源数字编码技术
第2章 信源数字编码技术
2.1 概述 2.2 模拟信号时域离散化与抽样定理
2.3 语音数字编码技术
2.4 数字音频编码标准
2.5 图像编码技术
2.6 图像压缩编码标准
学习要点
1．掌握数字通信系统的模型。 2．了解语音数字编码技术的几种方法及音频编码标准。
3．了解图像压缩编码基本方法及编码标准。
的幅度差值进行量化编码调制。
f (n Ts )
＋ ＋ － 预测器
编 码 器
传输信道
解 码 器
＋
＋ ＋
f (n Ts )
预测器 发送端 接收端
图2.10
差值脉冲编码的原理框图
1）增量调制DM或ΔM
2）差值编码调制DPCM
3）自适应差值脉冲编码调制ADPCM
３．子带编码
将语音信号频带分割成若干个带宽较窄的子带,分别对 这些子带信号进行独立编码的方式,称为子带编码（SBCSub-BandCoding）。 1）SBC基本原理
f (t) fs (t)
抽样器 4T 5T 0 t 抽样脉冲 (a) 抽样周期 s(t) 0 1T 2T T 3T (b) 4T 5T 6T (c) 0 T 2T 3T 6T t
图2.2 模拟信号时域离散化过程 (a)被抽样的模拟信号；(b)抽样信号；(c)抽样后的信号
2.3 语音数字编码技术
2.3.1 波形编码技术 1.脉冲编码 脉冲编码是在时域按照某种方法将离散的语音信 号样值变换成一个一定位数的二进制码组的过程
1. JPEG标准 JPEG（Joint Photographic Experts Group） JPEG提供了四种算法模式: 基于DCT的顺序模式（基本模式） 基于DCT的递增模式 无损编码模式 分层编码模式
2. JPEG的发展趋势 自适应量化
无损编码的改进
其他可能的途径 后向兼容
率的传输。
2.4 数字音频编码标准
2.4.1 话音音频编码标准 1. G.711标准：PCM 64kb/s 2. G.721标准：ADPCM 32kb/s
3. G.722标准：SC-ADPCM
64kb/s、56kb/s、48kb/s
4. G.728标准：压缩的语音编码特性 16kb/s
5. G.729标准：多媒体通信、IP电话 8kb/s
能满足不对称和对称应用。
3. MPEG-2视频标准
ISO/IEC13818-2制订的5类：
简单（Simple）类，除了没有内插图像帧以外，与 主类相同，以节省RAM。
主（Main）类，没有可分级性，但质量要尽量好。
空间可分级（Spatiallyscalable）类，支持图像空 间域分辨率的可分级性。
高质量视频，其画面较大，通常为CCIR601视频格式 至高清晰度电视视频格式，为高质量彩色图像。
1. H.261标准 H.261是CCITT制订的国际上第一个视频压缩标 准，主要用于电视电话和会议电视 。 H.261视频压缩算法的核心是运动估值预测和DCT 编码,另外,还采用了包括视频数据结构、运动估 算与补偿、可变长度编码和熵编码等技术。
数字传输方式，在数字电视、高清晰度电视和多
媒体图像传输中采用。
2.5.2
图像压缩编码基本方法
1.预测编码 预测编码的基本方法是差分编码调制（DPCM），其 目的是去除图像数据间的空域冗余度和时间冗余度，它既 可在一帧图像内进行帧内预测编码，也可在多帧图像间进 行帧间预测编码。
x(n) a1 D1 a2 D2 ＋ ＋ － x(n) ＋ (a) x3 aN x1 x2 x4 x e(n) 量化 编码 解码 信道 预测器 e(n) ＋ y(n)
在储存媒体方面，可以应用于光盘、数字录音带DAT、 温 盘 （ WinchesterDisk ） 和 可 写 磁 光 盘 （WritableOpticalDisks）。
在传输码率方面，符合当时计算机网络的传输码率， 即1～1.5Mb/s。
在通信方面，能够适应多种网络，如ISDN和LAN等。
4. MPEG―4视频标准
1）MPEG―4的目标 2）MPEG―4的主要功能 3）MPEG―4的视频编码要求 4）MPEG―4视频压缩算法
2.3.2 参数编码技术
语音信号用一些描述语音特征的参数表征。分析 提取语音的这些参数，对它们量化编码传输，通过对
语音参数编码来传输语音的方式称为语音参数编码。
2.3.3 混合编码技术
波形编码：语音质量高，所需编码速率较高。 参数编码：较低编码速率，音质较差。
混合编码：满足一定语音质量的前提下，实现较低码
APCM 编码
APCM 解码
内插
BPn
…
2）子带划分
H( f )/dB 0
0
1 00 0
2 00 0
3 00 0 f / Hz
表2.6 16kb/sSBC系统典型参数
4．变换域编码
将信号进行某种函数变换，把信号从一中描述空间变 换到另一种可用较少元素表述的空间，再对变换后的信号 进行编码传输，以达到降低编码传输码率的目的。
s1 (n) BP1 (f1 ) s2 (n) BP2 (f2 ) 2f2 抽取 r1 (n) 2f1 APCM 编码 合 APCM 编码 路 器 分 路 器 APCM 解码 内插 BP2 Σ s(n) APCM 解码 r(n) 内插 BP1 s1 (n)
s(n)
…
…
…
…
…
sn (n) BPn (fn ) 2fn
DN (b)
……
2.5.2
图像压缩编码基本方法
2. 变换编码 变换编码也是一种降低信源空间冗余度的压缩方
法。通常是采用某种正交变换，将图像取样值变换
到变换域，达到去除视频图像信号相关性的目的。 3. 熵编码 1）游程长度编码 2）霍夫曼编码
4. 帧间预测编码
消除序列图像在时间上的冗余。帧间预测编码的理
2.4.2 高保真立体声音频编码标准
1. MPEG―1音频编码标准
2. MPEG―2音频编码标准
3. MPEG―4音频编码标准 4. AC―3系统
2.5
图像编码技术
2.5.1 概述 压缩后的图像信息传输主要采用两类传输方式： 传统的模拟传输方式，例如广播电视，采用某种
调制方法将模拟图像信号调制到相应频带传输。
信噪比可分级（SNRscalable）类，一种对主类的 改进，给出按信噪比的可分级性。
高（High）类，支持4∶2∶2及全部可分级性。
等级与类相关联，ISO/IEC13818―2确认的4个等级
低（Low）级,类似ITU―T H.261标准的CIF或MPEG―1的标准输入
格式（SIF-Standard Input Format）。
量化 样 值 量 值 化
图2.3 脉冲编码过程
编码 码 组
1)线性编码
样值均匀量化→量化值二进制
v 4 3 2 －4 －3 －2 －
编码→获得相应码组
均匀量化：以等间隔对任意信 号值来量化
－ －2 －3 －4
2 3 4
u
2U N
(a) e
2
－ (b)
2
u
2.6.3 视频压缩标准（活动图像压缩标准） 按质量分，视频可大致分为三类： 低质量视频，画面较小，通常为QCIF或CIF格式，帧 速率低，通常为5～10帧/秒，既可为黑白视频也可
是彩色视频。
中 等 质 量 视 频 ， 中 等 大 小 的 画 面 ， 通 常 为 CIF 或
来自百度文库
CCIR601视频格式，多为彩色视频。
论依据是视频信号在相邻帧间存在极强的相关性。广泛
用于常规电视、会议电视和电视电话等视频信号的压缩 编码中。 1）帧间统计特性 2）帧重复
3）阈值法
4）帧内插 5）运动补偿预测编码
2.6
图像压缩编码标准
2.6.1 二值图像压缩标准 （传真） 1.G3、G4标准 2. JBIG标准
2.6.2 静止图像压缩标准