现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料课件

1、1现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料现代通信(tng xn)原理第六章 自适应(shyng)差分脉码调制第一页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料2单元单元(dnyun)概述概述 差分脉冲编码调制由增量调制演变而来，它用二进制码组对信号的差值进行幅度量化和编码。这里所谓“差分”又称“差值”，是一般意义上的“增量”，即信号的当前抽样值与预测(yc)值之差。ADPCM之所以能用较小的码组编码，而获得接近PCM的量化信噪比，其关键在于“预测(yc)”。“预测(yc)”得越准确，“差值”就会越小，就可以用较少的位数量化而具有较小的量化噪声。第二页，共四十六页。现代通信原理6-自适应

2、差分脉码调制资料3单元单元(dnyun)学习提纲学习提纲 （1）差分(ch fn)脉冲编码调制原理和方框图，差值信号、预测信号、重建信号的含义，差分(ch fn)脉冲编码调制的编码增益； （2）线性预测原理，极点预测和零点预测的基本概念和物理意义； （3）自适应预测和自适应量化的基本概念和物理意义。第三页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料4第六章 自适应(shyng)差分脉码调制(ADPCM)(ADPCM) 6.1 概述 8位PCM编码, 对于语音传输,其速率为64K,需要32K的带宽,多用于有线传输. 在无线通信,特别是移动通信中,带宽资源是非常宝贵(bogu),一般要求信

3、号具有更低的速率以减小传输带宽. 数字化图像一般有96M的速率,占用48M的带宽,就更需要重新设计信源编码形式,以降低速率或数据量,便于传输和存储. 这就提出了压缩的问题第四页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料5 语音压缩编码技术：低于64kb/s数码率的语音编码技术: 差分脉码调制(DPCM) 自适应(shyng)差分脉码调制(ADPCM) 子带编码(SBC) 矢量量化编码(VQ)第五页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料662 DPCMDPCM的基本原理的基本原理 任何信号,不论语音或图像,采用直接采样-量化-编码的方式进行编码,都会发现码组之间具有很强的

4、相关性. 由于相关性的存在(cnzi),传输数据中存在(cnzi)大量不需要传输的信息,称为冗余. DPCM就是通过预测和差分编码方式来减少冗余,实现数据压缩的目的.第六页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料7第七页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料8 假如有一个信号m(t),用速率1/TS进行采样，那么在时刻(shk)t=nTs，我们可以掌握此前N个样值序列 根据(gnj)前N个样值对m(nTs)进行预测,定义为:)()(1iTsnTsmWnTsmNii)(nTsm-m(nTs)的预测值。Wi-加权常数(chngsh)第八页，共四十六页。现代通信原理6-自适

5、应差分脉码调制资料9预测过程(guchng)可以用以下抽头延时滤波器实现第九页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料10 第十页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料11差分脉码调制： 对和的进行量化编码并传输. 接收端将接收到的和恢复的相加得到此次. 由于只传输的差值,所以编码的码组不需太长,在DPCM中,一般采用.第十一页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料12 差值信号(xnho)d(k)=s(k)-se(k)，量化后得到的dq(k)一方面送入编码器，另一方面送入本地解码器产生斜变信号se(k) 。 先经过(jnggu)PCM 解码恢复dq(k

6、)，在经过积分器和LPF即恢复出模拟信号sr(k)。第十二页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料13)()()()()()()()()(kdkdkdkskdkskskskeqqeer第十三页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料14qpSNRGkeEkdEkdEkSEkeEkSESNR.)()()()()()(222222第十四页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料15 )()(22kdEkSE)()(22keEkdE第十五页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料16可分为和两种1. 极点预测器第十六页，共四十六页。现代通信原理6-自

7、适应差分脉码调制资料17设发送(f sn)系统预测量化器传递函数为D(Z)1()()()()1)()()()()(111iNiirqiNiirqriNiirqzazszdzDzazszdzszazszd式中ai是一组预测(yc)系数。第十七页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料18接收系统(xtng)重建滤波器传递函数H(Z)1 (1)(1)(1iNiizazDzH 由于重建滤波器传递函数只有(zhyu)极点没有零点,故称为.第十八页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料19第十九页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料202.零点(ln din)预

8、测器第二十页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料21)()(1ikdbksqMiie若预测(yc)信号为：Bi是一组预测系数。则重建(zhn jin)信号为：)1)()()()(1iMiiqqrzbzdzHzdzs第二十一页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料22)1()(1iMiizbzH 重建滤波器的传递函数只有零点没有(mi yu)极点，称为。第二十二页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料233.极零点(ln din)预测器第二十三页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料24)1 ()1 ()()()()()()()()()(

9、)()()(111111iNiiiMiiqrqqMiirNiiqerqMiirNiiezazbzdzszHkdikdbiksakdksksikdbiksaks从发送(f sn)端从接收端传递函数有零点(ln din)有极点,称为第二十四页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料254.最佳线性预测器 预测器具有一组预测系数ai,bi,怎样选择这一组数据，使预测值更接近实际值，实现GP和SNR的最大，是最佳预测器所要解决的问题。 怎样选择一组系数ai，bi，使差值功率(gngl)Ed2最小，可以通过求极限。第二十五页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料26对于(duy

10、)一极点预测器求偏微分，并令为零。 )()()()(2122NiieikSakSEkSkSEdENiadEi,.2,102第二十六页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料27所以(suy)得到一组线性方程第二十七页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料28 差值信号在最小，有 )()()(21min2NiioptikSakSEkdE第二十八页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料29并假设信号(xnho)与噪声无关，)()()(12min2iRakSEkdENiioptNiioptPoptkSEiRakdEkSEG1222)()(11)()(第二十九页

11、，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料305.GP与预测阶数的关系 预测通常(tngchng)要选用前多少次的样值来参与，见下图 当阶数大于2时，最佳预测增益(zngy)就趋于饱和，饱和值一般为6-12dB第三十页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料316.3 自适应(shyng)预测 为了获得最大的预测增益,通常采用自适应预测方式,预测系数(xsh)在预测过程中实时调整. 1.前向自适应预测算法 如前所述,根据短时间的相关特性R(i),求短时的最佳预测系数，运算量大，延迟时间大，不能用于高速系统。第三十一页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料32

12、2.后向序贯自适应预测算法 在dq(k)最小的情况下,找出最佳预测系数,采用不断修正预测系数ai(k)的方法来减小瞬时(shn sh)平方差dq2(k),使ai(k)不断接近aiopt(k). )()()() 1(rkskdkakarqiii第三十二页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料33梯度(t d)符号算法)(sgn)(sgn)()() 1(rkskdkkakarqiiii以下来(xi li)说明:,表达式为:)()()(kskskdrq第三十三页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料34 预测过程(guchng)如上图所示,此次,此次的.第三十四页，共四十

13、六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料35)(sgn)(sgn)()() 1(rkskdkkakarqiiii)()()(kskskdrq 1.若预测信号Sr(k)0,差值dq(k)0, 在正信号情况下预测值小于实际(shj)值， 应增加下一次的预测系数使预测值增加。第三十五页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料36)(sgn)(sgn)()() 1(rkskdkkakarqiiii)()()(kskskdrq 2.若预测信号Sr(k)0,差值dq(k)0, 在正信号情况(qngkung)下预测值大于实际值， 应减小下一次的预测系数使预测值减小。第三十六页，共四十六页。现

14、代通信原理6-自适应差分脉码调制资料37)(sgn)(sgn)()() 1(rkskdkkakarqiiii)()()(kskskdrq 3.若预测(yc)信号Sr(k)0, 在负信号情况下预测值大于实际值， 应减小下一次的预测系数使预测值减小。第三十七页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料38)(sgn)(sgn)()() 1(rkskdkkakarqiiii)()()(kskskdrq 4.若预测信号(xnho)Sr(k)0,差值dq(k)0, 在负信号情况下预测值小于实际值， 应增加下一次的预测系数使预测值增加。第三十八页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资

15、料396.4 自适应(shyng)量化 自适应预测解决了预测增益最大的问题，自适应量化主要解决量化信噪比最大的问题，这里的量化是指对差值信号的量化。 功率变化大（动态范围大）的信号，量化器参数(cnsh)（量化电平dqn、分层电平dn、量阶）应能跟上输入信号方差的变化。第三十九页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料40介绍以下两种方式： ： 按输入信号的方差来调整量化电平和分层电平值 .d2大，用大量阶； d2小，用小量阶。 这种方法(fngf)在实时系统不易实现。第四十页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料412、后向自适应量化 根据前一时刻的输出(shch)

16、数字码或量化器输出值来确定本次与 是目前常用的方法。 Jayant提出的后向自适应算法：| ) 1(|) 1()(KIMkk第四十一页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料42 上式算法在有传输误码情况下,会产生误码扩散问题(wnt),因此采用修正式:|)(|)() 1(kIMkk-抗误码因子-量化间隔(jin g)调整因子第四十二页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料43 对于L=16的DPCM（DPCM通常采用4位编码，L=16），此表是绝对值，共8组值，正负(zhn f)信号刚好表示16个值。I(K)12345678MI(K) 0.9 0.9 0.9 0.9 1.2 1.6 2 2.4 Jayant等人根据大量实验确定了不同(b tn)量化电平L时DPCM量化器的M值见下表第四十三页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料44注意： 1、对于非均匀量化，不能直接使用6-26式。 2、6-26式是一种快速瞬时自适应，适用(shyng)于语音等电平变化快的信号。 3、对于MODEM或信令等变化慢的信号，表6-26要重新定义，M值基本都接近1，只有M|I(8)|才略大于1，约为1.024。第四十四页，共四十六页。现代通信原理6-自适应差分脉码调制资料45自测题自测题 （1）差分(ch fn)脉冲编码调