无线通信工程第讲－信源编码

无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年11月24日第六讲无线通信的信源编码引言信源的原始信号绝大多数是模拟信号，因此，信源编码的第一个任务是模拟和数字的变换，即：A/D，D/A。抽样率取决于原始信号的带宽： fc=2w，w为信号带宽抽样点的比特数取决于经编译码后的信号质量要求： SNR＝6

L(dB)，L为量化位数概述但是，由于传输信道带宽的限制，又由于原始信源的信号具有很强的相关性，则信源编码不是简单的A/D，D/A，而是要进行压缩。为通信传输而进行信源编码，主要就是压缩编码。信源编码要考虑的因素： －发信源的统计特性。

－传输信道引入的损伤，如误码。

－受信者的质量要求。

概述（续）信源编码定理： 对于给定的失真率D，总可以找到一种信源编码方法，只要信源速率R大于R(D)，就可以在平均失真任意接近D的条件下实现波形重建。说明1：R(D)称为率失真函数，它是单调非增函数，速率越高，平均失真越小。说明2：为了保证在一定速率下的失真，必需采用信源编码，因而会引入编码延时。

理论信道编码定理： 如果信源速率R小于信道容量C，总可以找到一种信道编码方法，使得信源信息可以在有噪声信道上进行无差错传输，即： RC，无差错传输条件说明1：信道容量C是根据仙侬定理得到的 C＝Wlog2(1+S/N)说明2：为了保证无差错传输，必需采用信道编码，因而会引入编码延时。

理论（续）信息传输定理： 将信源编码定理和信道编码定理综合，就得到信息传输定理。即：为保证无差错传输及失真度，必需满足：CR(D)说明1：在一般数字通信系统中，信源编码和信道编码可以分开考虑。信道编码定理给出无差错的速率上限，信源编码定理给出无失真的速率下限。说明2：为了实现理想性能，都要付出延时的代价。

理论（续）速率：高速率、中速率、低速率 压缩比质量：客观评价 主观评价延时：质量和延时的关系 不同业务对延时的要求复杂性：算法的复杂性及软硬件实现的复杂性

性能指标波形编码 将波形直接变换成数字码流。特点：比特率较高、解码后质量较高、延时较小。可以分为：时域波形编码，如PCM、ADPCM、M等；频域波形编码，如：子带编码（SBC）、自适应变换编码（ATC）等。参数编码 从信源信号的某个域中提取特征参数，并变换成数字码流。特点：比特率较低、解码后质量较低、延时较大。如：各种声码器。混合编码 将以上二种方法混合，特点：以较低的比特率获得较高的质量，延时适中，复杂。如：G723.1，G728，G729，GSM的语音编码，IS-95的语音编码等。实现方法音频编码提高传输的质量便于处理使用灵活，便于多种媒体（视频、音频、文字、数据）相结合应用易于加密适合大规模集成可靠性高、体积功耗小价格便宜音频编码的优点音频编码的应用压缩的必要性

波形编码PCM原理（37年，法AlecReeres）电子管PCM（46年，Bell实验室）晶体管PCM（62年，市话扩容，64kb/s）单片ICPCM（70年代，微波、卫星、光纤）增量编码原理（46年，法DeLoraine）自适应增量CVSD（60年代末，军用，32、16kb/s）ContinuouslyVariableSlopeDeltaModulator连续变化斜率增量调制器其他编码（70年代，ADPCM、SubBand、ATC、APC等）在16kb/s以上得到较好的话音质量。特点：话音质量好，但编码速率高。音频编码历史：数字电话（1）

参数编码波形编码通道声码器（39年，Dudly，二次大战保密电话）LPC声码器（67年，Atal、Schroeder）同态声码器（69年，Oppenheim）共振峰声码器（71年，Rabiner、Schafer、Elanagan）MBE声码器（88年，Griffin、Lim）波形插值（91年，W.B.Kleijn）2.4kb/s、1.2kb/s、较好；600-800b/s可懂。特点：编码速率低，自然度差。

混合编码器利用线性预测、VQ、A-B-S、感觉加权、后滤波等技术。多脉冲激励线性预测（MPELP1982Atal、Remde）规则脉冲激励线性预测（RPELP1985Deprettere、Kroon）码本激励线性预测（CELP1985Manfred、Schroeder、Atal）8-16kb/s，高质量。特点：话音质量高、编码速率低，但算法复杂。音频编码历史：数字电话（2）主要应用于会议电视，相当于调幅广播的质量

1988年CCITT制定了G.722标准：SB-ADPCM1996年左右，美国PictureTel公司提出PTC－PictureTelTransformCoder1999年9月发布：“ITU-TG.722.1proposedfordecision:7kHzAudio-CodingAt24And32kbit/sForHandsFreeOperationInSystemsWithLowFrameLoss。”音频编码历史：宽带语音主要应用于娱乐与鉴赏，对于重建信号的音质有很高的要求，目前采用比特率较高的波形编码技术进行压缩。可以直接在时域进行，也可以转到频域或其他变换域进行。1982年激光唱盘(CD:CompactDisk)上市。MD：Mini-Disk，日本索尼公司采用ATRAC－AdaptiveTransformAcousticCoder压缩技术。1987数字音频磁带录音(DAT:DigitalAudioTape)问世。DAB(DigitalAudioBroadcasting)源于欧洲。音频编码历史：宽带音频音频压缩服依据1)冗余度时域样朴点之间子相关（咐短时、笋长时）频域谱的势非平坦性秒（谱包络功、谱离散邪）统计特该性2)人耳听宿觉特性人耳分颂辨能力人耳对思不同频资段声音漏的敏感货程度不嘴同，通胆常对低幸频比对徒高频更密敏感人耳对语其音信号的贷相位不敏蚕感人耳掩蔽佳效应M触aski喝ngE战ffec见t…说明：体对人耳廊听不到务或感知骨极不灵时敏的声绩音分量估都不妨绩视为冗举余。可利用邀听觉心负理特性石…。感觉加权弦、量化、础去除多余免分量、后泪滤波、…骄。音频编码普性能评价种（1）1)纽奉编码速企率（K须bps悲、Kb哭/s）信号带哑宽：可汉懂度、舞自然度化、透明迅度。200李~34读00H宣z、5帆0~7令000狗Hz、欢20~霜150敏00H飘z、1迫0~2益000萝0HZ振。采样速蚕率：8刺KHz荣、16礼KHz革、32警KHz受、44免.1/丝式48K远Hz…付。编码位朱数R（旱b/样艇点），挺总速率糟I（k长b/s溉）。固定速率肢及可变速宫率。2)喝重建语苏音质量客观评替价：信噪比分段信伙噪比（一般1娃5dB以膀上较好，发20dB溜以上相当上好）音频编码格性能评价怎（2）主观评价MOS弹分（M赏ean栗Op宋ini查on仓Sco确re）5~1分革：Exc锤elle乓nt、G建ood、伏Fair务、Poo锈r、Ba阅d4分：长郊途通信质兔量(t吴oll,行tra艰nspa朝renc砌y-电话奶线)3.5分异：通信质丢量(c区ommu纵nica截tion穗)判断韵律委测试DR歼T（Di降agno挖stic纹Rhy粥meT独est）例如：为尊（wei考）、费（菊fei）95%睛以上陈优秀、雾85%界~94植%良确好、7矮5%~轻84%能中等65%~辅74%虑差、65预%以下等不能接受判断可丹接受度纠测试D旬AT（双Dia改gno仗sti潮cA席cce雄pta奥bil节ity霞Te偷st）多维因素喂测试调制噪惩声参考荡单位M溉NRU令（Mo使dul硬ate换dN窃ois谢eR转efe荐ren巾ce窝Uni号t）量化失和真单位剃QDU贩（Qu师ant弃iza标tio猾nD建ist抽ort坡ion妙Un阀it）三一次步PCM迅编解码音频编寺码性能英评价（德3）3)档编解码库延时（旗ms）公众网（用25ms孝）、点对柱点、广播旦、存储回声控制绣或回声抵昼消正常通话江秩序与重建质侄量关系4)吉算法复卖杂度硬件、拆成本浮点、定商点MIP蔑S、R识AM、趴ROM5)泉其他抗随机肚误码和毒突发误收码能力抗丢包央和丢帧耳能力对不同捞信号编拳码能力级联或转伴接能力现有标衬准（1纽奉）：宽倍带音频现有标猫准（2肆）：宽胞带语音现有标准眯（3）：听数字电话现有标泼准（4广）：数龄字电话刚（续）PCM愁：脉冲编齿码调制ADPC甜M：自适松应差分脉璃冲编码调皱制LD-C环ELP：讯低延时码斤本激励线屑性预测编狱码CS-才ACE积LP：友共轭结眯构代数彩码本激相励线性征预测编瞎码ACE购LP：脖代数码苗本激励剧线性预钥测编码MP-樱MLQ酒：多脉福冲激励保最大似竭然量化SB-A守DPCM讽：子带自叨适应差分灾脉冲编码症调制LPC-尖10：线舅性预测编沉码-10MEL挪P：混斥合激励若线性预愤测编码CEL抗P：码告本激励俱线性预被测编码RPE-敏LT：长患时间预测全规则脉冲艰激励线性狸预测编码VSE霞LP：井矢量和场激励线漂性预测紧编码IMB栋E：I臣nma卡rsa粘t多带佳激励语狂音编码QCE漆LP：轿Qua放lco料mm码独本激励低线性预自测编码EVR拉C：增界强型变只速率编已码无线通脾信的语继音编码亚（1）军用无线局通信－16场kb俗ps矿CVS察D增量味调制－4.8胆kbp饶s美国军赵用电台标珍准无线通信弦的语音编荡码（2）无绳电娇话－用于C录T-2的浙ADPC纷M，32判kbps－用于DE芬CT的A速DPCM擦，32k沈bps无线通网信的语逮音编码分（3）移动通信－用于G危SM的RE夏P-LTP斤（长时刷间预测销规则码滚激励）13kb幻玉ps－用于I亦S-54繁的VSE校LP（矢荒量和激励纯线性预测丝式）8kbp卸s－用于脏IS-涨95的姜QCE宅LP（誉Qua此lco叹mm码卷本激励债线性预沃测）1.2智/9.待6kb监ps视频编码压缩的部必要性图象编酱码的历笨史（1去）图象编甩码的历座史（2钩）现代图像袜编码小波变换欣图像编码神经网络晃图像编码分型图像铲编码模型基舟图像编说码图象编码妇的依据图象编钻码的质瓦量评价光（1）图象编码块的质量评锁价（2）图象