通信原理 第六章

§6.6.2差分脉冲编码调制(DPCM)

§6.6.3增量调制()

TDM（补充）

§6.8数字音频传输和数字音频记录

§6.9JPEG图像编码标准

第6章信源与信源编码2/7/20231山东大学曹叶文教授一、DPCM

PCM系统的问题：在PCM系统中，在对信息信号抽样以后，通过使用标量量化器，分别将每个抽样值独立地量化。这说明,先前的抽样值并不对新抽样值的量化产生影响。

然而，当一个带宽限制随机过程以奈奎斯特速率或更高速率抽样时，抽样值通常是互相关的随机变量，除非随机过程的频谱在带宽范围内是平坦的(如白噪声)。这表示先前的抽样值含有关于下一个抽样值的信息，而这些信息可以用来提高系统的性能。

2/7/20232山东大学曹叶文教授DPCM的基本思想

DPCM：差分脉冲编码调制

DPCM是PCM系统的改进形式。它对两个相邻抽样值的差值进行量化。由于两个相邻抽样值的互相关性很大，而它们的差值变化很小，因而只需较少的比特数进行量化就可以达到一定程度的性能。2/7/20233山东大学曹叶文教授

DPCM系统Q：均匀量化或非均匀量化T：延迟器，延迟为一个抽样间隔发送端接收端2/7/20234山东大学曹叶文教授基于发送端框图，可得且量化器（Q）输入端和输出端之间的量化误差：

即：+-2/7/20235山东大学曹叶文教授如果对和选择一样的初始条件,即：在接收端有：上式表明，和其量化值之间的量化误差，和其量化值之间的量化误差相等。然而，的变化范围与的变化范围相比要小得多，因此可以用较少的比特数进行量化。将该结果代入(B)式，可得：通过比较(A)式(C)式，所有的n下，有：++2/7/20236山东大学曹叶文教授因为

选择，(零初始状态)，可得：因此，要想得到和，只须计算的累加值。如果使用脉冲代替抽样值，则累加器将变为积分器。●简单形式-实现2/7/20237山东大学曹叶文教授简化的DPCM系统模型为：+-2/7/20238山东大学曹叶文教授性能分析

抽样频率信号频率量化比特数在DPCM（话音）传输系统中，通常采用4比特量化。因此：典型的数据速率（话音）：对于频率为的正弦信号，有：量化信噪比：取决于2/7/20239山东大学曹叶文教授二、增量调制(△M：Deltamodulation)

增量调制是简单的DPCM方案。增量调制原理，如下图所示：输出代码：“1”输出代码：“0”量化编码2/7/202310山东大学曹叶文教授△M系统+-2/7/202311山东大学曹叶文教授

在设计增量调制系统时，步长是一个十分重要的参数。如果值很大，则调制器很快适应输入信号的快速变化，但同时在输入信号变化缓慢时会导致过分大的量化噪声。这种情况如下图所示：量化台阶：2/7/202312山东大学曹叶文教授2/7/202313山东大学曹叶文教授假定输入的正弦信号为：

故，斜率表示为为避免（斜率）过载失真，我们选择步长为：2/7/202314山东大学曹叶文教授调制系统的性能2）不同的信号（频率fk

）分量性能有差异。注意：代价，传输速率（带宽）的增加1）

系统性能随抽样频率呈3次方关系。3）DPCM的特例：2/7/202315山东大学曹叶文教授

如上所述，过大的步长会导致粒状噪声，而过小的步长则会导致斜率过载失真。自适应△M自适应△M的思想：根据输入信号的变化（快慢）来改变步长。如果输入信号变化很快，则选择较大的步长，这样输出就能够很快地跟踪输入信号，因此不会导致斜率过载失真。当输入信号比较平坦时(变化较慢)，选择较小的步长值以防止粒状噪声的产生。2/7/202316山东大学曹叶文教授三、时分复用(TDM)

时分复用:多用户在时域上共享信道的通信方式。在TDM系统中，用户需周期性的占用公共信道的一小部分时隙，用来传输信息。如下图所示：TDM：Timedivisionmultiplexing2/7/202317山东大学曹叶文教授

N：共享信道的（时分）用户数。：每隔时间段重新分配一个时隙给用户，称为帧周期。（例，PCM系统的抽样间隔）：时间槽()，是一个时隙的时间长度，即，

在给定的时间槽处，用户i

传输它相应的用户信息。

TDM的参数：2/7/202318山东大学曹叶文教授S1(t)S2(t)两路模拟信号的TDM示意图Tftc注意帧周期Tf：即为抽样间隔2/7/202319山东大学曹叶文教授采用PCM调制的TDM系统的体系结构，

如下图所示：目的是进行带宽限制，达到抗混叠滤波(即限制信号的最高频率)

，然后进行抽样。模拟抽样信号经过量化之后以数字方式在电话信道中传播。输入低通滤波器(LPF)2/7/202320山东大学曹叶文教授轮换器(commutator)有两个双重功能：以帧速率（1/Tf)N个输入信号进行持续抽样在抽样时间间隔内等间隔的插入N个抽样值。脉冲编码调制：在发端和收端都有，用于在电话线上传送数字信息。接收低通滤波器：用于信号重建的，即数字到模拟转化。带宽扩展：为单个用户的带宽问题：BW1=？？？2/7/202321山东大学曹叶文教授TDM实际应用：1）收发必须保证（时隙/帧）同步需：统一的时钟信号2）调制/解调器：任意数字调制方式3）可与其他信道复用方式（如FDM）并用2/7/202322山东大学曹叶文教授四、数字音频传输和数字音频记录

电话传输系统中的数字音频信号目前在电话信道中，几乎所有的语音信号传输都是数字的。且，基本上已经完成了由模拟传输向数字传输的转变。2/7/202323山东大学曹叶文教授模拟传输向数字传输的转换

语音信号：300～3400Hz抽样速率：典型比特速率为：64kps（PCM），32kbps（DPCM）2/7/202324山东大学曹叶文教授

公用电话系统的TDM体系结构

通过PCM在电话线上传送数字语音，已经建立了一种适用于多用户的标准TDM体系结构。TDM体系的各级如下所示：：24路数字用户经过时分复用形成一个1.544Mb/s(24×64kb/s＋和一些用于控制的额外比特)的高速数据流。

：4路DS-1信道复用成比特速率为6.312Mb/sec的DS-2信道。：7路DS-2信道组合成比特速率为=44.736Mbps：6路DS-3信道组合成比特速率为=274.176Mbps

：2路DS-2信道组合成比特速率为=570.10Mbps2/7/202325山东大学曹叶文教授DS-1复用器DS-2复用器DS-3复用器DS-4复用器DS-5复用器64kbps/每路1.544Mbps/每路6.312Mbps/每路44.736Mbps/每路274.176Mbps/每路570.16Mbps其它DS-1其它DS-2其它DS-3其它DS-4单用户单元楼片区街区城区2/7/202326山东大学曹叶文教授数字音频录制

压缩磁盘(CD)系统（1982年）：20Hz～20kHz抽样频率44.1kHz(2×20kHz＋保护间隔)L(左)R（右）信号：均匀PCM量化抽样，16比特/抽样值SQNR≥90dB信道编/译码：为防止信道误码数字信号通过调制/解调器2/7/202327山东大学曹叶文教授A/D转换数字录音信道编码调制器D/A转换抽样/内插信道译码解调器LRLR复制母盘复制CD激光刻录“1”--->发激光“0”--->不发激光2/7/202328山东大学曹叶文教授五、JPEG图像编码标准JPEG→是一种广泛应用于静态图像有损压缩的标准。

JPEG属于变换编码技术类，即，不是直接压缩信号(这里是图像)，而是压缩其变换后的信号的编码技术。2/7/202329山东大学曹叶文教授DCT—DiscreteCosineTransform

对于N×N像素的图像，其像素（原始信号）排列为：0≤m，n≤N-1，该图像经DCT转换为：2/7/202330山东大学曹叶文教授高度的能量压缩特性。DCT的能量压缩特性使得只有一小部分变换系数是有意义的值，因而几乎所有的能量都包含于那些特殊的分量中。变换快速算法的可实现性。

DCT的优点：2/7/202331山东大学曹叶文教授JPEG编解码

DCT转换m×n→8×8的子阵列量化

尽管所有分量都采用均匀量化（且有相同的量化区间数256）方案进行量化。但是不同的均匀量化方案采用不同的步长（见表6.5）。量化过程后，量化过的DCT系数通过Z形抽样排列成一个矢量（见图6.38）。

熵编码

霍夫曼编码，是建立在对不同幅度指定不同码字的表上。2/7/202332山东大学曹叶文教授表6.5基于JPEG的（DCT下）图像压缩（量化）的例子1611101624405161121214192658605514131624495769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399（数据块8×8=64像数下，DCT变换后的量化步长分布图）2/7/202333山东大学曹叶文教授图6.38DCT变换后的图像（像素）的Z-字形提取顺序示意图DCAC1AC35AC28AC6416111016244051611212141926586055141316244957695614172229518780621822375668109103772435556481104113924964788710312112010172929598112100103992/7/202334山东大学曹叶文教授原始图像FDCT量化器熵编码压缩了的图像数据重构的原始图像熵译码解量化器IDCT压缩了的图像数据基于DCT的编码器基于DCT的译码器2/7/202335山东大学曹叶文教授JPEG中的压缩和图像质量

上等偏上的图像质量：0.2