第3章 数字编码技术课件

在自然界中的信号有两种形式:一种本身具有离散的特点,如文字、符号等,对这一种信号可以用一组一定长度的二进制代码来表示,这一类码统称为信息码;另一种是连续信号,如语音、图像等,对这种信号的数字编码与解码过程,实际上就是模数转换(A/D转换)和数模转换(D/A转换)。3.1信源编码通信系统对A/D转换的要求大致有以下几个方面:每一路信号编码后的速率要低。在传码率一定的传输系统中,每一路信号的码元速率越低,意味着系统的利用率就越高,也就是可以传送更多路的信号。量化噪声要小。量化噪声在模拟信号数字化过程中必然存在。在信号电平一定时,量化噪声越小,信号的质量就越高,解码后的信号就越接近原信号。要便于通信系统的多路复用。一个大的通信系统一般都要传输多路信号,这就是多路复用,数字化的信号应适合进行多路复用。编码与译码电路要简单。3.1信源编码3.1.1信息码3.1信源编码3.1.2语音编码3.1信源编码语音编码技术通常分为三类:波形编码、参量编码和混合编码。其中,波形编码和参量编码是两种基本类型。波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码,力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状。波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样,然后将幅度样本分层量化,并用代码表示。3.1.2语音编码3.1信源编码参量编码又称为声源编码,是将信源信号在频率域或其他正交变换域提取特征参量,并将其变换成数字代码进行传输。1.波形编码的基本原理绝大多数模拟信号从波形上看是时间上连续、状态(电压值)连续的信号,而数字信号则是时间上离散、状态离散且用数字代码表示的信号,因此模拟信源的数字编码通过取样、量化和编码三个步骤实现。3.1.2语音编码3.1信源编码3.1.2语音编码3.1信源编码2.脉冲编码调制(PCM)脉冲编码调制(PCM)是一种在通信领域用得较为普遍的波形编码方式。图3-4给出了PCM系统的编解码过程。3.1.2语音编码3.1信源编码(4)A律13折线编码方法采用A律13折线压扩特性的PCM编码,每一个样值脉冲用8位二进制码表示。8位二进制码共有256种组合,分别代表256个量化电平。采用的码型是折叠二进制码,折叠二进制码沿中心电平上下对称,适于表示正负对称的双极性信号。它的最高位用来区分信号幅值的正负。折叠码的抗误码能力强。表3灢2列出了用4位二进制码表示16个量化级的折叠码型。3.1.2语音编码3.1信源编码(5)PCM编码过程3.1.2语音编码3.1信源编码(5)PCM编码过程3.1.2语音编码3.1信源编码3.其他波形编码在脉冲编码调制中,模拟信号有规律抽样,并对样值编码。为了减小量化噪声,编码需要多位比特,这就会使编码速率大幅度上升,编译码电路也比较复杂。为了降低编码速率,增量调制(DM或殼M)技术被提了出来。在这种调制方式中,比较相邻的两个样值并对它们的差值用一位比特编码。在接收端也只需要一个简单的解码器便可恢复原模拟信号。3.1.2语音编码3.1信源编码(1)增量调制3.1.2语音编码3.1信源编码(2)差分脉冲编码调制3.1.3图像编码3.1信源编码图像是指景物在某种介质上的再现,图像信息在人类感觉中起着重要作用。对图像信息的编码原理上与语音信息的编码相同,一样需要取样、量化、编码这些步骤。但由于图像信息固有的特性,用语音信息的编码方法来处理图像信息将会得到非常大的数据量,所以我们这里讨论的图像编码,更多的是指图像压缩编码。3.1.3图像编码3.1信源编码1.图像信息的特点图像信息与语音信息相比有以下特点:图像信息是二维或二维以上的多维信息。图像信息的频带非常宽,约为声音信号频谱的1000倍。3.1.3图像编码3.1信源编码3.图像信息的压缩编码压缩编码方法有许多种,从不同的角度出发有不同的分类方法,比如从信息论角度出发可分为两大类:(1)冗余度压缩方法,也称无损压缩、信息保持编码或熵编码。具体讲就是解码图像和压缩编码前的图像严格相同,没有失真,从数学上讲是一种可逆运算。(2)信息量压缩方法,也称有损压缩、失真度编码或熵压缩编码。也就是说解码图像和原始图像是有差别的,允许有一定的失真。3.2信道编码数字通信系统除了可以采取与模拟系统同样的措施以降低干扰和信道不良对信号造成的影响之外,还可以通过对所传数字信息进行特殊的处理方式对误码进行检错和纠错,以进一步将误码率降低,从而满足通信要求。因此,数字通信系统可以从硬件上的抗干扰措施和软件上的信道编码两个方面对信息传输中出现的错误进行控制和纠正。信道编码的目的是为了改善数字通信系统的传输质量,它包括位定时、分组同步、减少高频分量、去除直流分量等内容,但差错控制编码(纠错编码)是其中最主要的部分3.2.1差错控制编码的基本概念3.2信道编码差错控制编码的基本思路是根据一定的规律在待发送的信息码中加入一些多余的码元(冗余码),以保证传输过程的可靠性。这些冗余码起监督作用,所以也称为监督码元。差错控制编码的任务就是构造出以最小冗余度代价换取最大抗干扰性能的“好码”。3.2.1差错控制编码的基本概念3.2信道编码1.随机误码与突发误码随机误码与突发误码是传输过程中的两种主要误码形式3.2.1差错控制编码的基本概念3.2信道编码2.差错控制编码方式根据差错控制编码系统的检错、纠错能力,对信道的要求及适应性,编、译器的复杂性、实时性等性能指标,我们可将其分为以下四类分别讨论。(1)自动重发请求(ARQ,AutomaticRepeatRequest)(2)前向纠错(FEC,ForwardErrorCorrection)(3)信息重发请求(IRQ,InformationRepeatRequest)(4)混合纠错(HEC,HybridErrorCorrection)3.2.1差错控制编码的基本概念3.2信道编码2.差错控制编码方式3.2.2差错控制编码方法3.2信道编码1.差错控制码的分类(1)检错码:只能发现错误,不能纠正错误。(2)纠错码:能够发现错误并能纠正错误。(3)纠删码:能够发现错误并能纠正或删除错误。3.2.2差错控制编码方法3.2信道编码1.差错控制码的分类3.2.2差错控制编码方法3.2信道编码2.常用的几种简单信道编码方法(1)奇偶校验码发送端将二进制信息码序列分成等长码组,并在每一码组之后添加一位二进制码元,该码元称为监督码(校验码)。监督码取“1”还是“0”,要根据信息码组中1的个数而定。3.2.2差错控制编码方法3.2信道编码(2)二维奇偶校验码二维奇偶校验码又称方阵码,它将要传送的信息码按一定的长度分组,每一组码后面加一位监督码,然后再在若干码组结束后加一组与信息码组加监督位等长的监督码组。3.2.2差错控制编码方法3.2信道编码(3)群计数码在奇偶校验码中,我们通过添加监督位将码组的码重(码组中“1暠的个数)配成奇数或偶数。而群计数码的编码原则是先算出信息码组的码重,然后用二进制计数法将码重作为监督码元添加到信息码组的后面。3.2.2差错控制编码方法3.2信道编码(4)恒比码恒比码的编码原则是从确定码长的码组中挑选那些“1”和“0”个数的比值一样的码组作为许用码组。3.2.2差错控制编码方法3.2信道编码(5)正反码正反码是一种简单的能够纠正错码的编码。其中的监督位数目与信息位数目相同,监督码元与信息码元相同(是信息码的重复)或者相反(是信息码的反码),由信息码中“1暠的个数决定。3.2.2差错控制编码方法3.2信道编码3.线性分组码分组码一般可用(n,k)表示。其中,k是每组二进制信息码元的数目,n是编码码组的码元总位数,又称为码组长度,简称码长。n-k=r为每个码组中的监督码元数目。3.2.2差错控制编码方法3.2信道编码4.卷积码卷积码,或称连环码,是由伊莱亚斯(P.Elis)于1955年提出来的一种非分组码。它与前面讨论的分组码不同。3.2.2差错控制编码方法3.2信道编码5.交织编码前面介绍的各类编码方法大多都是针对随机误码设计的,处理突发误码应该有特定的方法,其中一个有效的办法是对编码数据实行交织,把短时间内集中出现的错码分散,使之成为随机误码,再用差错控制编译码器对随机误码进行检测与纠正,这样用前面所介绍的各种抗干扰编码就可以产生最佳效果。3.2.2差错控制编码方法3.2信道编码5.交织编码3.3.1

TDM基本原理3.3时分多路复用所谓时分多路复用(TDM),就是将信道的工作时间按一定的长度分段,每一段称为一帧,一帧又分为若干个时隙。用户的信号在每一帧中各自占用一个预先分配的时隙,这样就可以实现多路信号在同一个信道中的不同时间里进行传输。TDM是在时域上将各路信号分离,但信号的频谱可以是混叠的;FDM是在频域上将各路信号分离,但信号在时域上可以是混叠的。3.3.1

TDM基本原理3.3时分多路复