第六章图像信号的传输

1、第六章第六章 图像信号的传输图像信号的传输6.1 信道编码信道编码 6.2 图像通信中的常用纠错码图像通信中的常用纠错码 6.3 数字图像的传输数字图像的传输 6.4 图像的传输方式图像的传输方式 作业作业6.1 信道编码信道编码降低误码率的常用方法：降低误码率的常用方法：v 降低数字信道本身引起的误码；降低数字信道本身引起的误码；v在信源进行信道编码，以实现自动纠错或者在信源进行信道编码，以实现自动纠错或者检错的目的。检错的目的。 6.1 信道编码信道编码信道的定义及分类信道的定义及分类狭义信道狭义信道：仅包括传输媒介的信道。：仅包括传输媒介的信道。广义信道广义信道：除传输媒介外，还包括有关

2、的部件：除传输媒介外，还包括有关的部件和电路，如天线与馈线、功率、放大器、滤波和电路，如天线与馈线、功率、放大器、滤波器、混频器、调制器与解调器等。器、混频器、调制器与解调器等。 6.1 信道编码信道编码模拟通信系统中：模拟通信系统中：调制信道：指从调制器的输出端到解调器的输调制信道：指从调制器的输出端到解调器的输入端。入端。数字通信系统中：数字通信系统中：编码信道：指从编码器的输出端到解码器的输编码信道：指从编码器的输出端到解码器的输入端。入端。调制信道和编码信道的划分调制信道和编码信道的划分6.1 信道编码信道编码从造成传输误码的信道来看，可将信道分成三从造成传输误码的信道来看，可将信道分

3、成三类类:1、随机信道（无记忆信道）、随机信道（无记忆信道） ：具有随机误码：具有随机误码特性的传输信道。特性的传输信道。（随机误码：数据在信道传输时受到随机噪声（随机误码：数据在信道传输时受到随机噪声的干扰，造成的误码之间是统计独立、互不相的干扰，造成的误码之间是统计独立、互不相关的。）关的。）6.1 信道编码信道编码2、突发信道（有记忆信道）：具有突发误码、突发信道（有记忆信道）：具有突发误码特性的信道。特性的信道。（突发误码：由于信道中瞬间出现的干扰而引（突发误码：由于信道中瞬间出现的干扰而引起一串误码，误码之间具有一定的相关性。）起一串误码，误码之间具有一定的相关性。）6.1 信道编码

4、信道编码3、混合信道（复合信道）：随机误码和突发、混合信道（复合信道）：随机误码和突发误码特性并存的信道。误码特性并存的信道。 实际中需要设计出既有纠正随机误码能力实际中需要设计出既有纠正随机误码能力又有纠正突发误码能力的信道编码方式。又有纠正突发误码能力的信道编码方式。 6.1 信道编码信道编码信道编码信道编码信道编码（差错控制编码）的原理：信道编码（差错控制编码）的原理：为了能判断发送的信息是否有误并加以纠正，为了能判断发送的信息是否有误并加以纠正，可以在发送时在要传输的数字码流中人为加入可以在发送时在要传输的数字码流中人为加入多余的码元（校验码或者监督码元）。当发生多余的码元（校验码或者

5、监督码元）。当发生误码，可以利用信息码元与多余码元之间的特误码，可以利用信息码元与多余码元之间的特定关系实现误码检出和误码纠正。定关系实现误码检出和误码纠正。6.1 信道编码信道编码信道编码的要求：信道编码的要求：v编码效率高，抗干扰能力强；编码效率高，抗干扰能力强；v对数字信号有良好的透明性；对数字信号有良好的透明性；v传输信号的频谱特性与信道的通频带有最佳匹配传输信号的频谱特性与信道的通频带有最佳匹配性；性；v编码信号内包含正确的数据定时信息和帧同步信编码信号内包含正确的数据定时信息和帧同步信息，以便接收端准确解码；息，以便接收端准确解码；v编码的数字信号具有适当的电平；编码的数字信号具有

6、适当的电平；v发生误码时，误码的扩散蔓延小。发生误码时，误码的扩散蔓延小。6.1 信道编码信道编码1.差错控制的方式差错控制的方式 在现代通信系统中，常用的差错控制方式在现代通信系统中，常用的差错控制方式有四种：前向纠错有四种：前向纠错FEC(Front-Error Control)、反馈重发反馈重发ARQ(Automatic Repeat Request)、混合差错控制混合差错控制HEC(Hybrid Error Control)和信和信息反馈息反馈(IRQ，Information Repeat Request)。差错控制方式差错控制方式发发收收FECARQHECIRQ能能够够纠纠正正错错误

7、误的的码码能能够够发发现现错错误误的的码码应应答答信信号号能能够够发发现现和和纠纠正正错错误误的的码码应应答答信信号号信信息息信信号号信信息息信信号号6.1 信道编码信道编码v前向纠错方式：发送具有纠错能力的码，前向纠错方式：发送具有纠错能力的码，接收端自动纠正错误。接收端自动纠正错误。特点：特点：(1) 只适用于正向信道只适用于正向信道 (2) 发送端必须发出有纠错能力的码流发送端必须发出有纠错能力的码流 (3) 不要求能检错重发不要求能检错重发 6.1 信道编码信道编码v反馈重发（自动重发请求）方式：发送具反馈重发（自动重发请求）方式：发送具有一定检错能力的码，通过反馈重发进行有一定检错能

8、力的码，通过反馈重发进行纠错。纠错。v混合纠错方式：是前两种方式的结合。发混合纠错方式：是前两种方式的结合。发送具有一定纠错检错能力的码元，误码在送具有一定纠错检错能力的码元，误码在纠错能力之内进行纠错；超过能力之外进纠错能力之内进行纠错；超过能力之外进行重发纠错。行重发纠错。6.1 信道编码信道编码v信息反馈方式：接收端把收到的数据反馈信息反馈方式：接收端把收到的数据反馈回发送端，由发送端将出错的数据纠错后回发送端，由发送端将出错的数据纠错后重新发送。重新发送。优点：不需要纠错、检错电路，控制设备和检优点：不需要纠错、检错电路，控制设备和检错设备简单。错设备简单。缺点：整个通信系统的传信率很

9、低。缺点：整个通信系统的传信率很低。 6.1 信道编码信道编码2.纠错码的分类纠错码的分类v按检错纠错能力的不同，分为：检错码、按检错纠错能力的不同，分为：检错码、纠错码和纠删码。纠错码和纠删码。v按误码产生原因的不同，分为：纠随机误按误码产生原因的不同，分为：纠随机误码的纠错码和纠突发误码的纠错码。码的纠错码和纠突发误码的纠错码。v按信息码元与监督码元之间的检验关系，按信息码元与监督码元之间的检验关系，分为：线性码和非线性码。分为：线性码和非线性码。6.1 信道编码信道编码v按信息码元与监督码元之间约束方式的不按信息码元与监督码元之间约束方式的不同，分为：分组码和卷积码。同，分为：分组码和卷

10、积码。v按照信道编码之后信息码元序列是否保持按照信道编码之后信息码元序列是否保持原样不变，分为：系统码（组织码）和非原样不变，分为：系统码（组织码）和非系统码（非组织码）。系统码（非组织码）。6.1 信道编码信道编码3.差错控制编码的基本概念差错控制编码的基本概念1）信息码元和监督码元）信息码元和监督码元信息码元：又称为信息序列或信息位，是发送信息码元：又称为信息序列或信息位，是发送端由信源编码给出的信息数据比特。端由信源编码给出的信息数据比特。监督码元：又称为监督位或校验码元，是为了监督码元：又称为监督位或校验码元，是为了检错纠错在信道编码中加入的校验数据。检错纠错在信道编码中加入的校验数据

11、。6.1 信道编码信道编码2）许用码组和禁用码组）许用码组和禁用码组许用码组：在信道编码后可以有许用码组：在信道编码后可以有2n个总长个总长n的的不同码组值，其中可以发送的信息码组。不同码组值，其中可以发送的信息码组。禁用码组：其中不予传送的信息码组。禁用码组：其中不予传送的信息码组。6.1 信道编码信道编码3）码重和码距）码重和码距码重：分组编码中，每个码组内码元码重：分组编码中，每个码组内码元“1”的数的数目。目。码距（汉明距离）：每两个码组间相应位置上码距（汉明距离）：每两个码组间相应位置上码元值不相同的个数。码元值不相同的个数。最小码距：各码组之间的码距的最小值。用最小码距：各码组之间

12、的码距的最小值。用d0或者或者dmin表示。表示。6.1 信道编码信道编码4）编码效率）编码效率 指每个码组内信息码元数指每个码组内信息码元数k值与总码元数值与总码元数n值之比。值之比。r ：监督码元数：监督码元数rkknk6.1 信道编码信道编码5）编码增益）编码增益 在误码率一定的条件下，非编码系统需要在误码率一定的条件下，非编码系统需要的输入信噪比与采用了纠错编码的系统所需的的输入信噪比与采用了纠错编码的系统所需的输入信噪比之间的差值（用输入信噪比之间的差值（用dB表示）。表示）。6.2 图像通信中的常用纠错码图像通信中的常用纠错码 一、线性分组码一、线性分组码1、基本概念、基本概念分组

13、码：将信源编码输出的信息码元序列以分组码：将信源编码输出的信息码元序列以k个个码元为一组，对每组信息码元按一定规律附加码元为一组，对每组信息码元按一定规律附加上上r个监督码元，输出码长为个监督码元，输出码长为nk+r个码元的一个码元的一组码。组码。通常用通常用(n,k)表示。表示。6.2 图像通信中的常用纠错码图像通信中的常用纠错码 线性分组码线性分组码：如果在某一种分组码中，监督码：如果在某一种分组码中，监督码元和信息码元之间的关系是用线性方程式联系元和信息码元之间的关系是用线性方程式联系起来的，或者说它们之间满足线性变换关系。起来的，或者说它们之间满足线性变换关系。具体例子：具体例子：奇偶

14、校验码：通过增加冗余位使得码字中奇偶校验码：通过增加冗余位使得码字中“1”的的个数为奇数或偶数的编码方法。个数为奇数或偶数的编码方法。6.2 图像通信中的常用纠错码图像通信中的常用纠错码 偶校验的监督方程式：偶校验的监督方程式：其中其中an-1 到到a1 为信息码元，为信息码元， a0为监督码元。为监督码元。接收端的检错：接收端的检错：s称为校验子或校正子。称为校验子或校正子。0021aaann021aaasnn6.2 图像通信中的常用纠错码图像通信中的常用纠错码 如果如果s0，表示无误码或者有偶数个误码；，表示无误码或者有偶数个误码；如果如果s1，表示有误码。，表示有误码。简单的奇偶校验码中

15、，只有一个监督方程式，简单的奇偶校验码中，只有一个监督方程式，只能检错不能纠错。只能检错不能纠错。总结：一般若有总结：一般若有r个监督码元，就有个监督码元，就有r个监督方个监督方程式和程式和r个校验子个校验子s1，s2，sr，可给出，可给出2r种种状态，其中状态，其中2r-1种状态可指明种状态可指明2r-1个误码位置。个误码位置。6.2 图像通信中的常用纠错码图像通信中的常用纠错码 2、汉明码、汉明码是一种高效的能纠单个错误的线性分组码。是一种高效的能纠单个错误的线性分组码。特点：在纠正单个错误时，汉明码用的监督码特点：在纠正单个错误时，汉明码用的监督码元最少。元最少。6.2 图像通信中的常用

16、纠错码图像通信中的常用纠错码 3、RS码码是一种适合于多进制的、具有强纠错能力的是一种适合于多进制的、具有强纠错能力的BCH码。码。BCH码：一种能够纠正多个随机错误的循环码：一种能够纠正多个随机错误的循环码，具有循环性。码，具有循环性。循环性：指循环码中任一许用码字经过循环位循环性：指循环码中任一许用码字经过循环位移后所得到的码字（码组）仍然为一组许用码移后所得到的码字（码组）仍然为一组许用码字。字。6.2 图像通信中的常用纠错码图像通信中的常用纠错码 RS码：是一类非二元码：是一类非二元BCH码。码。在（在（n，k）码组的）码组的RS码中，输入数据流划分为码中，输入数据流划分为km比特一组

17、，每组内包括比特一组，每组内包括k个符号，每个符个符号，每个符号由号由m个比特组成。个比特组成。6.2 图像通信中的常用纠错码图像通信中的常用纠错码 二、交织码二、交织码用于纠正突发性错误。用于纠正突发性错误。交织技术的基本思想：将已经经过纠错编码的交织技术的基本思想：将已经经过纠错编码的码元次序按事先所作的规定进行置换，被置换码元次序按事先所作的规定进行置换，被置换的过程称为交织编码。的过程称为交织编码。若出现误码，可通过交织反变换将集中误码分若出现误码，可通过交织反变换将集中误码分散开，再利用纠错技术将误码纠正过来。散开，再利用纠错技术将误码纠正过来。6.2 图像通信中的常用纠错码图像通信

18、中的常用纠错码 1、块交织（矩阵交织）、块交织（矩阵交织）工作过程：在发送端，编码序列送入一个交织工作过程：在发送端，编码序列送入一个交织寄存器矩阵（寄存器矩阵（BN），将输入序列按列写入，），将输入序列按列写入，读取时按行读出，再送入信道；接收端将序列读取时按行读出，再送入信道；接收端将序列存入一个交织寄存器矩阵，但按行写入，按列存入一个交织寄存器矩阵，但按行写入，按列读出。读出。块交织举例块交织举例01234567891011121314151617181920212223242526276.2 图像通信中的常用纠错码图像通信中的常用纠错码 2、卷积交织、卷积交织BN卷积交织器：卷积交织器

19、：6.2 图像通信中的常用纠错码图像通信中的常用纠错码 待交织的符号分别进入待交织的符号分别进入N条支路延迟器，每一路延条支路延迟器，每一路延迟不同的符号周期，第一路无延迟，第二路延迟迟不同的符号周期，第一路无延迟，第二路延迟B个个符号周期，第符号周期，第N路延迟路延迟(N-1)B个符号周期，其中个符号周期，其中B=B/N。 接收端的解交织器的各支路延迟时间与交织器相接收端的解交织器的各支路延迟时间与交织器相反，第一路延迟反，第一路延迟(N-1)B个符号周期，第二路个符号周期，第二路(N-2)B个符号周期，依次类推，第个符号周期，依次类推，第N路无延迟。路无延迟。6.2 图像通信中的常用纠错码

20、图像通信中的常用纠错码 三、卷积码三、卷积码将将k个信息码元编码成个信息码元编码成n(nr)比特的码组，码比特的码组，码组值不仅与当前码组中的组值不仅与当前码组中的k个信息码元有关，而个信息码元有关，而且与其前面且与其前面N-1个码组中的个码组中的(N-1)k个信息码元有个信息码元有关。关。表示为（表示为（n,k,N-1)。6.3 数字图像的传输数字图像的传输 图像信息传输的两种方式：图像信息传输的两种方式：v模拟方式模拟方式v数字方式数字方式数字方式是图像传输的主要方式。数字方式是图像传输的主要方式。 6.3 数字图像的传输数字图像的传输 一、数字图像的基带传输一、数字图像的基带传输模拟图像

21、信号经数字化后形成模拟图像信号经数字化后形成PCM信号，再经信号，再经过信源编码数据压缩和信道编码差错控制后得过信源编码数据压缩和信道编码差错控制后得到的数字信号，这种信号所占据的频带通常是到的数字信号，这种信号所占据的频带通常是从直流和低频开始，称为从直流和低频开始，称为数字基带信号数字基带信号。 6.3 数字图像的传输数字图像的传输 数字信号的基带传输：数字信号的基带传输：在某些有线信道中，数字基带信号可以直接传在某些有线信道中，数字基带信号可以直接传送。送。数字信号的调制传输：数字信号的调制传输：在无线信道和光信道中，数字基带信号必须经在无线信道和光信道中，数字基带信号必须经过调制，将信

22、号频谱搬移到高频处才能在信道过调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。中传输。 6.3 数字图像的传输数字图像的传输 1、数字基带信号的码型选择、数字基带信号的码型选择选择的原则：选择的原则：码型的频谱中直流、低频和高频分量应尽量少；码型的频谱中直流、低频和高频分量应尽量少；应包含定时信息；应包含定时信息；码型变换设备要简单可靠；码型变换设备要简单可靠；码型具有一定的检错能力；码型具有一定的检错能力；发生误码时要求码型不至造成误码扩散；发生误码时要求码型不至造成误码扩散；码型变换过程不受信源统计特性的影响码型变换过程不受信源统计特性的影响。6.3 数字图像的传输数字图像的传输 2、常用的

23、数字基带信号的码型、常用的数字基带信号的码型1）单极性码）单极性码 码型简单，但存在直流分量且信号能量大码型简单，但存在直流分量且信号能量大部分集中于低频部分，主要用于设备内部的传部分集中于低频部分，主要用于设备内部的传输，较少用在信道传输。输，较少用在信道传输。6.3 数字图像的传输数字图像的传输 2）双极性半占空码）双极性半占空码“1”码的极性是交替反转的，称为码的极性是交替反转的，称为AMI码。码。编码方法：编码方法：“0”仍为仍为“0”，“1”交替编码为交替编码为“+1”和和”-1。特点：无直流分量，低频、高频分量较少，节特点：无直流分量，低频、高频分量较少，节省信号频带，码型具有一定

24、检错能力，无时钟省信号频带，码型具有一定检错能力，无时钟信息。信息。6.3 数字图像的传输数字图像的传输 3）三阶高密度双极性码）三阶高密度双极性码HDB3是双极性码的变形，用来避免序列中连续出现是双极性码的变形，用来避免序列中连续出现n个以上连个以上连0” 的情况。的情况。特点：克服了由于连特点：克服了由于连“0”码过多，而影响定时码过多，而影响定时信信息的提取。息的提取。6.3 数字图像的传输数字图像的传输 二二数字调制技术数字调制技术调制信号为离散数字型的正弦波调制。调制信号为离散数字型的正弦波调制。一般常用的是键控载波的调制方法（幅度键控一般常用的是键控载波的调制方法（幅度键控ASK、移频键控、移频键控FSK、移相键控、移相键控PSK）以及正）以及正交幅度调制交幅度调制QAM方法。方法。6.4 图像的传输方式图像的传输方式 微波传输微波传输 微 波 是 一 种 具 有 极 高 频 率 （ 通 常 为微 波 是 一 种