集成电路系统和芯片设计

集成电路系统和芯片设计第1页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩1、概述2、心理声学模型3、数字声音压缩原理4、快速傅里叶变换FFT

5、动态比特分配6、音频压缩标准2第2页，课件共72页，创作于2023年2月胡锦涛给青年提5希望：敢于吃苦不怨天尤人青年要干成一番事业，就必须不畏艰难、矢志奋斗。广大青年一定要牢记“忧劳兴国、逸豫亡身”的道理，敢于吃苦、勇挑重担，不怨天尤人、不贪图安逸，依靠自己的辛勤努力开辟人生和事业的前进道路；一定要牢记“天下大事、必作于细”的道理，从小事做起、从基础做起，不沉湎幻想、不好高骛远，用埋头苦干的行动创造实实在在的业绩；一定要牢记“艰难困苦、玉汝于成”的道理，迎难而上、百折不挠，不畏惧挫折、不彷徨退缩，在千磨万击中历练人生、收获成功。3第3页，课件共72页，创作于2023年2月三、H264/AVC编码器4第4页，课件共72页，创作于2023年2月四、H264/AVC解码器5第5页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩1、概述2、心理声学模型3、数字声音压缩原理4、快速傅里叶变换FFT

5、动态比特分配6、音频压缩标准6第6页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩1、概述

声音压缩的可能性编解码方法

MPEG标准

7第7页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩声音压缩的可能性

声音信号中的“冗余”部分

——幅度非均匀分布，小幅度样值出现概率高——样值间的相关性，取样频率越高，相关性越大——周期间的相关性，特定瞬间只存在少数频率分量声音信号中的“不相关”部分

——人耳对信号的幅度、频率、时间具有有限分辨力感知编码（PerceptualCoding）音频编码的主流方向

8第8页，课件共72页，创作于2023年2月

六、音频压缩

编解码方法

波形编码子带编码变换编码参数编码9第9页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩MPEG标准MPEG1MotionPictureExpertsGroup

——Layer1——Layer2,MUSICAMMaskingPatternadaptedUniversalSubbandIntergratedCodingAndMultiplexing

——Layer3,MP3MPEG2

MPEG2BC:支持多声道声音形式;低采样率扩展

MPEG2AAC

AdvancedAudioCoding

高分辨率滤波器组、预测技术、霍夫曼编码10第10页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩心理声学模型频率掩蔽效应

时间掩蔽效应

——前期掩蔽，同期掩蔽，后期掩蔽子带编码

——使各子带的量化噪声尽量处于掩蔽阈值以下11第11页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩频率掩蔽效应12第12页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩临界频带13第13页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩滤波器组的带宽与临界频带带宽的比较第14页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩

时间掩蔽效应时间声压级前掩蔽同期掩蔽后掩蔽掩蔽音15第15页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩动态比特分配分配原则：使量化噪声尽可能处于掩蔽曲线以下16第16页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩快速傅里叶变换FFT将PCM信号通过滤波器组转换到32个子带将宽带时域信号分为512个子带,补偿分析子带滤波器频率分辨率不足

既有足够的时间分辨率,又有足够的频率分辨率

足够高的频率分辨率可以实现尽可能低的数据率足够高的时间分辨率可以确保在短暂冲击声音信号的情况下，编码的声音信号也有足够高的质量17第17页，课件共72页，创作于2023年2月

六、音频压缩MUSICAM编码器原理框图18第18页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩

心理声学模型

利用FFT的输出值，计算出32个子带的信号-掩蔽比率（SMR），用以比特分配

SMR=子带声压级(dB)-子带掩蔽域值（dB)

子带的声压级——子带的最大信强度。

子带掩蔽域值=绝对掩蔽域值+单独掩蔽域值

单独掩蔽域值=有调掩蔽成份对子带的掩蔽域值+ 无调掩蔽成份对子带的掩蔽域值

有调掩蔽成份类似正弦波，无调掩蔽成份类似噪声19第19页，课件共72页，创作于2023年2月六、音频压缩MPEG标准MPEG1MotionPictureExpertsGroup

——Layer1——Layer2,MUSICAMMaskingPatternadaptedUniversalSubbandIntergratedCodingAndMultiplexing

——Layer3,MP3MPEG2

MPEG2BC:支持多声道声音形式;低采样率扩展

MPEG2AAC

AdvancedAudioCoding

高分辨率滤波器组、预测技术、霍夫曼编码20第20页，课件共72页，创作于2023年2月六、

音频压缩

AAC编码

流程

21第21页，课件共72页，创作于2023年2月

六、音频压缩

MPEG标准

MPEG4

最新一代的国际音视频编码标准最先进的音视频压缩编码方法，具有高度的灵活性和可扩展性。存储和广播等用途为主，MPEG4则增加了通信用途

音频编码分为自然音频编码和合成音频编码两大类

AAC是构成时/频编解码器的一个主要算法22第22页，课件共72页，创作于2023年2月

六、音频压缩

MPEG标准层次规格MPEG-4AACMain主层次MPEG-4AACLC低复杂度（LowComplexity）MPEG-4AACSSR可变采样率（ScalableSamplingRate）MPEG-4AACLTP长时预测（LongTermPrediction）MPEG-4AACLD低延迟（LowDelay）MPEG-4HEAAC高效率（HighEfficiency）MPEG-4HEAACV2高效率版本2（HighEfficiencyV2）23第23页，课件共72页，创作于2023年2月

六、音频压缩

MPEG标准

MPEG-4AACLC应用最多降低复杂度，提高了编码效率，较高的声音质量

MPEG-4HEAAC增加频带复制SBR

（SpectralBandReplication）高频部分则通过高质量的变换算法从低频部分重建

MPEG-4HEAACV2增加了参数立体声PS(ParametricStereo)

借助立体声参数在单声道信号上合成重建立体声信号24第24页，课件共72页，创作于2023年2月七、信道编码与差错控制1、信道编码又称差错控制编码2、信源编码后的信号必需信道编码后才能传送3、信道编码:在信源编码后的数据流中,人为地加进冗余信息,使得接收端可以识别和纠正传输差错25第25页，课件共72页，创作于2023年2月七、信道编码与差错控制传输差错分类

随机差错突发差错差错控制编码分类检错码--识别和纠正传输差错纠错码--纠正传输差错

26第26页，课件共72页，创作于2023年2月七、信道编码与差错控制

奇偶校验,CRC,

fireViterbi,RS

LDPC27第27页，课件共72页，创作于2023年2月七、信号处理和传输纠错香农(Shannon)第二定理当消息传输率低于信道容量时，可以通过某种编译码方法，使错误概率为任意小

信息系统传输模型

28第28页，课件共72页，创作于2023年2月七、信号处理和传输奇偶校验

奇偶校验

A.10001101010010B.10001001010011C.10001011010010

29第29页，课件共72页，创作于2023年2月CRC校验CRC校验的基本思想是利用线形编码理论，在发送端根据要发送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的监督码（即CRC码）r位，并附在信息后面，构成一个新的二进制码序列共（k+r）位，最后发送出去。在接收端，根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错30第30页，课件共72页，创作于2023年2月CRC算法原始数据为k位，即信息位k位，M（X）产生的校验位CRC码R(X)为r位，则多项式G(X)为r+1位（总是比校验位多一位）运算采用的是模2相加的方法31第31页，课件共72页，创作于2023年2月生成多项式要求1.生成多项式的最高位和最低为必须为12.当信息任何一位发生错误时，被生成多项式模2运算后使余数不为03.不同位发生错误时，应该使余数不同4.对余数继续做模2除，应使余数循环32第32页，课件共72页，创作于2023年2月应用举例设待发送的数据m（x）为7位的二进制数据

1011001；CRC-4的生成多项式为g（x）=x4+x3+1，阶数r为4，即11001首先由发送端计算出CRC校验码，得到所要传送的码字，然后在接收端检测接收到的数据是否正确，若有错误则根据出错位表进行纠错。33第33页，课件共72页，创作于2023年2月发送端求解CRC

被除数：数据左移4位即：10110010000

除数：生成多项式所对应的二进制数即：11001

求解过程：除法求余数，即模2加（逻辑异或）

10110010000除法次数

1100111111010000110012111100001100131110001100141010

由以上计算得该数据的4位CRC校验位为：1010

所以发送端发送该数据时的码字为：10110011010

34第34页，课件共72页，创作于2023年2月接收端检测收到的数据

被除数：接收端收到的数据为：10110011010

除数：生成多项式所对应的二进制数即：11001

检测过程：除法运算

10110011010除法次数

1100111111011010110012111110101100131100101100140

接收到的数据能够被生成多项式整除，说明所接收到的数据是正确的。35第35页，课件共72页，创作于2023年2月接收数据错误进行纠错

如果接收到数据为：10110111010

检测过程：

1011011101011001111111101011001110110101100110010110011011

接收到的数据不能被生成多项式整除，说明所接收到的数据是错误的根据所得余数1011查生成多项式11001出错位表便可以知道是第6位出错了，只要将该出错位取反便可以得到正确数据：1011001101036第36页，课件共72页，创作于2023年2月

生成多项式11001出错位表

余数出错位余数出错位

1第一位10第二位

100第三位1000第四位

1001第五位1011第六位

1111第七位111第八位

1110第九位101第十位

1010第十一位11第一、二位

37第37页，课件共72页，创作于2023年2月国际标准化的四种CRC码CRC码生成多项式CRC-12CRC-16CRC-CITTCRC-3238第38页，课件共72页，创作于2023年2月CRC的应用限制性多位出错的检测限制纠错的限制CRC检错不纠错39第39页，课件共72页，创作于2023年2月其它纠错码ViterbiFireRS40第40页，课件共72页，创作于2023年2月七、信道编码与差错控制低密度奇偶校验（LDPC）码性能最优，接近于很多信道的香农极限，具有低复杂度的解码算法，具有并行的解码结构适合于硬件现交织技术频率交织时间交织41第41页，课件共72页，创作于2023年2月关于纠错码的学习纠错码的基本思想

Whyandhow纠错的基本过程

工程应用,not数学研究相关标准的定义和限制42第42页，课件共72页，创作于2023年2月八、信号传输1、传输方式:

有线,网络,介质,无线,广播2、无线传输

调制和数字调制3、数字调制的基本方法43第43页，课件共72页，创作于2023年2月数字调制概述调制：通过调制信号来影响(控制)载波信号的参数(振幅/频率或相位)；借助载波信号将基带信号携带到高频范围；数字调制:就是将数字符号转换为与信道特性相匹配的波形的过程;

调制信号是由0和1组成的数字的比特序列形式;

载波使用相应频率的正弦波

1.容易产生;2.可经济的进行传输;数字调制的基本方法:1.幅移键控(ASK)2.频移键控(FSK)---3.相移键控(PSK)---

有恒定的包络波形,

不易受到幅度的非线性干扰；44第44页，课件共72页，创作于2023年2月二进制数字调制原理二进制数字调制特点：调制信号是二进制数，模拟载波信号的参数(幅度/频率或相位)只有两种变化状态；2ASK:‘0’---幅度为0；‘1’---幅度为1；2FSK:载波频率随调制信号变化;‘0’---频率为ω1;‘1’---频率为ω2;

实际上相当于两个不同载波频率的2ASK信号所组成；2PSK(绝对相移键控):以载波的不同相位直接表示相应的数字信号;如:用‘0’和‘π’分别表示‘0’和‘1’(2PSK的时间函数)；

由于实际通信时参考基准相位可能发生随机跳变，恢复出的载波会存在0,π的相位模糊度，解调的信号极性会完全相反，发生0和1相互倒置的错码。－>实际采用二相差分相移键控(2DPSK)

2DPSK(相对相移键控):利用前后相邻码元的相对载波相位值表示相应的数字信号。45第45页，课件共72页，创作于2023年2月2PSK的时间函数46第46页，课件共72页，创作于2023年2月二相差分相移键控差分相移键控：相对调相(DPSK).

特点：载波的相位状态不直接与传送每个数字比特相对应，不是以固定的未调载波的相位为基准，而是以相邻的前一比特所对应的载波相位为基准，来确定现实比特所对应的载波相位的取值，即利用前后两个相邻比特所对应的载波相位差来传送信息。bk：绝对二进制序列；dk：相对二进制序列；

2DPSK可以看作差分编码后的2PSK；2DPSK是利用前后码元的相对载波相位值(即相位偏差)表示数字信息；47第47页，课件共72页，创作于2023年2月二相差分相移键控载波现实相位状态Φk，前一符号期的载波相位状态Φk-1;△Φk=Φk-Φk-1;△Φk＝0，传送‘0’；

△Φk＝π，传送‘1’bk:(参考)00111001Φk:(参考)00πππ00πdk：000101110dk=bkxordk-1

△Φk:000π0πππ0△Φk-1:000π0πππ0解调：不需要恢复本地载波，只要将2DPSK信号延迟一个码元周期，与原信号相乘，相乘结果反映了前后码元的相对相位关系。经低通滤波后可直接进行抽样判决，从而恢复原始数字信息，不需再进行差分解码；判决依据：若前一比特与当前比特相同，输出为‘+’，判决数据为‘0’;若相位相反，输出为‘－’，判决数据为‘1’48第48页，课件共72页，创作于2023年2月二相差分相移键控

dk初始值为1载波现实相位状态Φk，前一符号期的载波相位状态Φk-1;△Φk=Φk-Φk-1;△Φk＝0，传送‘0’；

△Φk＝π，传送‘1’bk:(参考)00111001Φk:(参考)00πππ00πdk：111010001dk=bkxordk-1

△Φk:πππ0π000π△Φk-1:πππ0π000π解调：判决依据：若前一比特与当前比特相同，输出为‘+’，判决数据为‘0’;若相位相反，输出为‘－’，判决数据为‘1’dk初始值为1与dk初始值为0，结果一样。49第49页，课件共72页，创作于2023年2月二进制数字调制系统性能比较频带宽度(频带利用率)误码率(相同信噪比)最佳判决门限对信道特性变化的敏感度设备复杂程度速度发射端接收端2ASK2fs高与接收机输入信号幅度有关相近简单－2FSK|f2-f1|+2fs最不可取较低直接比较两路解调输出的大小来作出判决，不需设定判决门限较复杂中，低速2PSK(DPSK)2fs低判决器最佳判决门限为0，与接收机输入信号幅度无关，不随信道特性变化复杂高速50第50页，课件共72页，创作于2023年2月多进制数字调制系统利用多进制数字基带信号去调制载波的参数与二进制数字调制相比的特点：

•相同码元传输率下，信息传输速率高；

•相同信息传输率下，可降低码元速率，码元持续时间长，即增大码元宽度。这样就会增加码元的能量，并减小由于信道特性引起的码间干扰的影响。51第51页，课件共72页，创作于2023年2月四相绝对相移键控2PSK：每个符号为1比特，载波共有两种相位状态，分别对应‘0’和‘1’；4PSK：每个符号为2比特，载波共有四种相位状态，分别对应‘00’，‘01’,‘10’,‘11’；4PSK可以通过载波成正交关系(载波相位相差90度)的2个2PSK信号的叠加而形成。串/并变换(数据分离):input:01001011---Re:0011;Im---100152第52页，课件共72页，创作于2023年2月四相绝对相移键控π/2-4PSK系统(四种相位0，π/2，π，3π/2)π/4-4PSK系统(四种相位π/4，3π/4，5π/4，7π/4)正交解调53第53页，课件共72页，创作于2023年2月四相差分相移键控(DQPSK)DQPSK利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。54第54页，课件共72页，创作于2023年2月四相差分相移键控(DQPSK)举例解码逻辑:

双比特具有相同极性(Ck-1,Dk-1都为0/1):Ak=CkxorCk-1,Bk=DkxorDk-1

双比特具有不同极性:Ak=DkxorDk-1,Bk=CkxorCk-1;二进制序列(参考)0010011110绝对码Ak01011Bk00110绝对相位03π/2π/2π3π/2相对相位003π/20ππ/2相对码Ck001010Dk000011相对码Ck-1001010Dk-100001155第55页，课件共72页，创作于2023年2月四相差分相移键控(DQPSK)举例

相对相位初始值为π解码逻辑:

双比特具有相同极性(Ck-1,Dk-1都为0/1):Ak=CkxorCk-1,Bk=DkxorDk-1,双比特具有不同极性:Ak=DkxorDk-1,Bk=CkxorCk-1;

相对相位初始值为π与初始值为0，结果一样。二进制序列(参考)0010011110绝对码Ak01011Bk00110绝对相位03π/2π/2π3π/2相对相位πππ/2π03π/2相对码Ck110101Dk111100相对码Ck-1110101Dk-111110056第56页，课件共72页，创作于2023年2月DAB中使用的π/4-shift4DPSK

－－－－－一种特殊的四相差分相移键控符号变换：bk=[(1-2aI)+j(1-2aQ)]差分编码：Zk=bk*Zk-1第1个符号是相位基准符号，基准相位直接与Z1有对应关系；从第2个符号起，4DPSK的载波相位直接与Zk有确定的对应关系；而△Φk直接与bk对应57第57页，课件共72页，创作于2023年2月π/4-shift4DPSK举例

符号变换bk=[(1-2aI)+j(1-2aQ)]/√2符号反变换aI=(1-√2A)/2,aQ=(1-√2B)/2

差分编码Zk=bk·Zk-1(l≥2)差分解码bk=Zk·Zk-1*

二进制序列(相位基准信号Z1)0010011110绝对码aI01011aQ00110符号变换bkA1/√2－1/√21/√2－1/√2－1/√2B1/√21/√2－1/√2－1/√21/√2绝对相位0π/43π/47π/45π/43π/4相对相位0π/4π3π/403π/4差分编码ZkEk11/√2－1－1/√21－1/√2Fk01/√201/√201/√2相对码Ek-111/√2－1－1/√21Fk-101/√201/√2058第58页，课件共72页，创作于2023年2月π/4-shift4DPSK举例基准相位Z1为π

符号变换bk=[(1-2aI)+j(1-2aQ)]/√2符号反变换aI=(1-√2A)/2,aQ=(1-√2B)/2

差分编码Zk=bk·Zk-1(l≥2)差分解码bk=Zk·Zk-1*

二进制序列(相位基准信号Z1)0010011110绝对码aI01011aQ00110符号变换bkA1/√2－1/√21/√2－1/√2－1/√2B1/√21/√2－1/√2－1/√21/√2绝对相位0π/43π/47π/45π/43π/4相对相位π5π/407π/4π7π/4差分编码ZkEk－1-1/√211/√2－11/√2Fk0-1/√20－1/√20－1/√2相对码Ek-1－1-1/√211/√2－1Fk-10-1/√20－1/√2059第59页，课件共72页，创作于2023年2月DAB中使用的π/4-shift4DPSK

－－－－－一种特殊的四相差分相移键控时而π/4系统，时而π/2系统，是交替变换的。总体上看，有8种相位状态，称为‘伪八相’。但是，不管处于何种相位状态，由一种状态变为另一种状态，相位变化只能是π/4的奇数倍。π/4-shift4DPSK系统是一种总是以前一符号期载波的相位为基准的π/4-shift4DPSK，即基准相位总在变换的π/4-shift4DPSK优点：与普通的4DPSK相比，π/4-shift4DPSK系统的相位跳跃只有±π/4