第4章 信源及压缩编码

第 4 章 信 源 及 压 缩 编 码 4. 概 述 4.2 语 音 信 号 的 特 征 4.3 语 音 编 码 4.4 图 像 信 号 的 特 征 4.5 图 像 压 缩 编 码 4.6 数 据 信 号 编 码

4. 概 述 现 代 通 信 系 统 的 一 个 重 要 标 志 是 信 源 信 号 传 输 系 统 交 换 系 统 和 信 号 处 理 等 诸 环 节 实 现 了 数 字 化 而 语 言 和 图 像 等 信 源 信 号 都 是 模 拟 的, 他 们 在 时 间 和 幅 度 上 都 是 连 续 取 值 的 变 量, 是 完 全 等 同 于 原 物 理 量 的 电 信 号 语 音 和 图 像 信 号 都 包 含 大 量 的 冗 余, 信 号 的 有 些 部 分 不 包 含 什 么 信 息, 有 些 可 以 根 据 其 他 部 分 估 算 出 来, 即 具 有 一 定 的 相 关 性 这 种 冗 余 是 压 缩 编 码 的 前 提 压 缩 编 码 的 方 法 大 体 上 有 以 下 3 类 : () 概 率 匹 配 编 码 : (2) 变 换 编 码 : (3) 识 别 编 码 :

4.2 语 音 信 号 的 特 征. 语 音 信 号 的 模 型 从 声 学 的 观 点 来 说, 不 同 的 语 音 是 由 于 发 生 器 官 中 的 声 音 激 励 源 和 口 腔 声 道 的 形 状 不 同 引 起 的 根 据 激 励 源 和 声 道 模 型 的 不 同, 语 音 主 要 可 分 成 浊 音 和 清 音 图 4. 浊 音 和 清 音 的 波 形 及 频 谱 2. 语 音 信 号 的 统 计 特 性 语 音 信 号 是 一 随 机 信 号, 只 能 用 统 计 分 析 的 方 法 来 分 析 其 特 性 通 常 语 音 信 号 概 率 密 度 函 数 依 赖 于 输 入 信 号 频 带 宽 度 以 及 录 音 条 件

图 4. 浊 音 和 清 音 的 波 形 及 频 谱

4.3 语 音 编 码 4.3. 概 述 4.3.2 抽 样 定 理 和 脉 冲 调 制 (PAM PDM PAM) 4.3.3 脉 冲 编 码 调 制 PCM 4.3.4 简 单 增 量 调 制 ΔM 4.3.5 自 适 应 差 分 脉 冲 编 码 调 制 ADPCM 4.3.6 子 带 编 码 (SBC) 4.3.7 声 码 器

4.3. 概 述 语 音 信 号 可 以 变 换 成 电 信 号 ( 经 过 调 制 或 不 经 过 调 制 ) 后 直 接 在 信 道 中 传 输, 但 要 在 数 字 通 信 系 统 中 传 输, 就 必 须 进 行 A/D 和 D/A 转 换, 也 即 将 模 拟 信 号 数 字 化 后 再 进 行 数 字 传 输 这 里 提 出 的 语 音 编 码 就 是 指 语 音 的 A/D 与 D/A 变 换 各 种 编 码 技 术 对 语 音 信 号 进 行 处 理, 目 的 都 是 为 了 减 少 传 输 码 率 和 提 高 音 质 语 音 编 码 技 术 可 以 分 为 两 类, 一 类 是 波 形 编 码 技 术, 另 一 类 是 参 量 编 码 波 形 编 码 是 将 时 间 域 信 号 直 接 变 换 为 数 字 代 码, 其 特 点 是 重 建 的 信 号 质 量 好 较 为 常 见 的 语 音 编 码 及 比 特 率 如 表 4. 所 示

表 4. 各 种 语 音 编 码 技 术 编 码 类 型 编 码 方 法 比 特 率 信 噪 比 或 质 量 评 定 波 形 编 码 参 量 编 码 PCM(CCITT G.7) ADPCM(CCITT G.72) 瞬 时 压 扩 PCM ADM(CVSD 法 ) 子 带 编 码 (SBC) 时 域 谐 波 压 扩 ADPCM (ADPCM-TDHS) 通 道 声 码 器 共 振 峰 声 码 器 线 性 预 测 声 码 器 声 激 励 声 码 器 64kb/s 32kb/s 4kb/s 32kb/s 32kb/s 6kb/s 6kb/s 6kb/s 2/24/48b/s 6/2b/s 2/24/48b/s 96b/s 38 db 35 db 3 db 3 db 24 db 8~2 db 2~25 db 25~3 db 较 好 差 好 很 好

4.3.2 抽 样 定 理 和 脉 冲 调 制 (PAM PDM PAM). 抽 样 定 理 2. 低 通 信 号 的 均 匀 抽 样 定 理 的 证 明 图 4.3 理 想 抽 样 的 方 框 图 及 各 点 波 形 3. 抽 样 的 分 类 4. 抽 样 定 理 的 直 接 应 用 脉 冲 调 制 (PAM PDM PPM)

图 4.3 理 想 抽 样 的 方 框 图 及 各 点 波 形 x (t) x(t) x δ (t) s δ (t) (a) 理 想 抽 样 方 框 图 (b) 低 通 模 拟 信 号 t s δ (t) T s x (t) δ (c) 理 想 周 期 s δ (t) 波 形 t (d) 抽 样 后 输 出 x δ (t) t

4.3.3 脉 冲 编 码 调 制 PCM. 线 性 PCM 编 码 图 4.7 PCM 通 信 系 统 方 框 图 2. 非 线 性 PCM 编 码 3. 译 码 原 理

图 4.7 PCM 通 信 系 统 方 框 图 语 音 信 号 抽 样 量 化 编 码 数 字 通 信 系 统 译 码 低 通 A/D( 模 数 转 换 ) D/A( 数 模 转 换 ) 语 音 信 号

4.3.4 简 单 增 量 调 制 ΔM. 简 单 增 量 调 制 编 码 原 理 图 4.3 简 单 增 量 调 制 原 理 图 2. 译 码 的 基 本 思 想 3. 性 能 分 析 4. 连 续 可 变 斜 率 增 量 调 制 (CVSD)

图 4.3 简 单 增 量 调 制 原 理 图 x (t) e(t) Δ M 码 流 相 减 器 判 决 译 码 低 通 x (t) 本 地 译 码 器 (a)δ M 原 理 框 图 Δ Δ T x' (t) x" (t) x (t) x(t) t t t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t t t 2 t 3 Δ M 码 流 (b)δ M 波 形 示 意 图

4.3.5 自 适 应 差 分 脉 冲 编 码 调 制 ADPCM. DPCM 原 理 ) DPCM 原 理 及 框 图 图 4.5 DPCM 系 统 方 框 图 2) DPCM 的 性 能 特 点 2. ADPCM 原 理 ADPCM 有 两 种 方 案, 一 种 是 预 测 固 定, 量 化 自 适 应 ; 另 一 种 是 兼 有 预 测 自 适 应 和 量 化 自 适 应

图 4.5 DPCM 系 统 方 框 图 定 时 脉 冲 x(t) 相 减 器 e(t) 量 化 器 e q (t) 脉 幅 调 制 器 PCM 编 码 器 DP CM 代 码 x q (t) 积 分 器 (a) 调 制 器 DP CM 代 码 PCM 译 码 积 分 器 低 通 x(t) (b) 解 调 器

4.3.6 子 带 编 码 (SBC) SBC 也 可 以 说 是 多 带 独 立 的 自 适 应 脉 冲 编 码 调 制, 显 然 在 性 能 上 这 要 比 全 频 单 带 的 自 适 应 脉 冲 编 码 调 制 优 越, 因 为 信 号 的 各 共 振 峰 振 幅 相 差 很 大 ( 可 大 到 3~4dB), 单 带 自 适 应 脉 冲 编 码 调 制 的 自 适 应 阶 距 无 法 照 顾 所 有 共 振 峰 的 要 求 图 4.7 给 出 一 种 SBC 的 编 译 码 方 框 图 子 带 编 码 可 用 于 比 特 率 在 9.6kb/s~32kb/s 之 间 在 这 个 范 围 内, 语 音 质 量 与 同 等 比 特 率 的 ADPCM 的 质 量 相 当

图 4.7 SBC 编 译 码 方 框 图 x(t) f 带 通 抽 样 量 化 编 码 合 路 器 信 道 分 路 器 译 码 内 插 f 带 通 x'(t) f 带 通 N 抽 样 量 化 编 码 译 码 内 插 f 带 通 N 图 4-7 SBC 编 译 码 方 框 图

4.3.7 声 码 器 图 4.8 通 道 声 码 器 原 理 框 图. 通 道 声 码 器 2. 共 振 峰 声 码 器 3. 线 性 预 测 编 码 声 码 器 (LPC)

图 4.8 通 道 声 码 器 原 理 框 图 调 制 带 通 滤 波 器 低 通 滤 波 器 带 通 滤 波 器 2~3Hz 整 流 器 2Hz 2~3Hz 3~45Hz 整 流 器 2Hz 3~45Hz 输 入 语 音 28~ 32Hz 清 浊 音 分 类 整 流 器 清 浊 音 信 息 2Hz 对 各 支 路 编 码 信 道 对 各 支 路 译 码 开 关 28~ 32Hz 噪 声 发 生 器 输 出 语 音 基 音 检 测 音 调 信 息 冲 激 发 生 器

4.4 图 像 信 号 的 特 征 4.4. 图 像 信 号 的 特 点 4.4.2 图 像 信 号 的 冗 余 4.4.3 图 像 质 量 评 价

4.4. 图 像 信 号 的 特 点. 图 像 信 息 的 分 类 图 像 按 照 其 内 容 的 运 动 状 态, 可 划 分 为 静 止 图 像 和 活 动 图 像 两 大 类 2. 图 像 信 息 的 特 点 图 像 信 息 与 语 音 信 息 相 比 有 两 大 特 点 第 一 图 像 信 息 是 二 维 以 上 的 多 维 信 息 第 二 个 特 点 是 频 带 非 常 宽, 约 为 声 音 信 号 频 谱 的 倍

4.4.2 图 像 信 号 的 冗 余. 空 间 冗 余 2. 时 间 冗 余 3. 信 息 熵 冗 余 ( 编 码 冗 余 ) 4. 结 构 冗 余 5. 知 识 冗 余 6. 视 觉 冗 余

4.4.3 图 像 质 量 评 价 图 像 质 量 评 价 是 图 像 信 息 工 程 的 基 础 技 术 之 一 图 像 质 量 的 含 义 包 括 两 个 方 面, 一 个 是 图 像 的 逼 真 度, 另 一 个 是 图 像 的 可 懂 度

4.5 图 像 压 缩 编 码 4.5. 图 像 信 号 的 抽 样 4.5.2 图 像 信 号 的 量 化 4.5.3 图 像 信 号 的 压 缩 编 码

4.5. 图 像 信 号 的 抽 样 在 平 面 的 线 上 使 连 续 变 化 的 语 音 在 时 间 上 离 散 化 称 为 语 音 信 号 抽 样, 而 在 空 间 的 面 上 使 连 续 变 化 的 图 像 在 时 间 上 离 散 化 称 为 图 像 信 号 抽 样. 抽 样 频 率 2. 抽 样 方 式 的 选 择

4.5.2 图 像 信 号 的 量 化. 最 佳 量 化 2. 彩 色 图 像 量 化 3. 矢 量 量 化

4.5.3 图 像 信 号 的 压 缩 编 码. 预 测 编 码 图 4.2 块 匹 配 位 移 量 估 计 算 法 2. 正 交 变 换 编 码 3. 其 他 新 型 图 像 压 缩 编 码 方 法 4. 图 像 压 缩 编 码 标 准

图 4.2 块 匹 配 位 移 量 估 计 算 法 B K- 子 块 B K 子 块 第 K 帧 第 K 帧 t

4.6 数 据 信 号 编 码 4.6. 数 据 信 号 的 特 征 4.6.2 国 际 5 号 码 (IA5) 4.6.3 国 际 电 报 2 号 码 4.6.4 EBCDIC 码 4.6.5 信 息 交 换 用 汉 字 代 码 4.6.6 数 据 信 号 的 压 缩 编 码

4.6. 数 据 信 号 的 特 征 最 基 本 的 数 据 信 号 波 形 为 二 进 制 电 压 或 电 流 波 形, 这 与 前 面 讲 到 的 模 拟 信 号 数 字 化 后 的 波 形 没 有 区 别 但 由 于 数 据 被 定 义 为 具 有 某 种 含 义 的 数 字 字 母 或 符 号 的 组 合, 因 此 数 据 信 号 的 二 进 制 信 号 必 须 以 码 组 的 形 式 出 现, 单 个 比 特 不 能 代 表 有 实 际 意 义 的 信 息

4.6.2 国 际 5 号 码 (IA5) 国 际 5 号 码 是 把 字 符 转 换 成 代 码 的 一 种 方 案, 码 表 如 表 4.4 所 示 该 方 案 是 963 年 由 美 国 标 准 化 协 会 提 出 的, 称 为 美 国 信 息 交 换 标 准 代 码 (ASCII 码 ), 随 后 被 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 和 国 际 电 报 电 话 咨 询 委 员 会 (CCITT) 采 纳, 并 发 展 成 为 国 际 通 用 的 信 息 交 换 标 准 代 码 国 际 5 号 码 是 用 7 位 二 进 制 代 码 表 示 出 每 个 字 母 数 字 符 号 及 一 些 常 见 控 制 符 的 7 位 二 进 制 代 码 可 以 表 示 2 7 =28 个 不 同 字 符 ( 状 态 )

表 4.4 国 际 5 号 码 表 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 列 行 TC NUL 7 (DBL) 2 SP 3 4 5 6 7 @ P p TC (SOH) DC! A Q a q 2 TC 2 (STX) DC 2 2 B R b r 3 TC 3 (ETX) DC 3 # 3 C S c s 4 5 TC 4 (EOT) DC 4 DC 5 TC 8 (ENQ) (NAK) % 4 5 D T d t E U e u 6 TC 6 (ACK) TC 9 (SYN) & 6 F V f v 7 BEL TC (ETB) 7 G W g w 8 FE (BS) CAN ( 8 H X h x 9 FE (HT) EM ) 9 I Y i y FE 2 (LF) SUB * : J Z j z FE 3 (VT) ESC + ; K [ k { 2 FE 4 (FF) IS 4 (FS), < L \ l 3 FE 5 (CR) IS 3 (GS) - = M ] m } 4 5 SO SI IS 2 (RS) IS (US). > N ` n _ /? O _ o DE L

4.6.3 国 际 电 报 2 号 码 IA2 码 是 一 种 5 位 二 进 制 代 码, 又 称 波 多 (Baudot) 码 波 多 码 广 泛 应 用 在 电 报 通 信 中, 是 起 止 式 电 传 电 报 中 的 标 准 用 码, 在 低 速 数 据 传 输 系 统 中 仍 使 用 这 种 码 5 位 码 只 能 表 示 出 2 5 =32 符 号, 但 通 过 一 个 数 字 / 字 母 转 移 控 制 码 可 改 变 代 码 意 义, 因 此 可 有 64 种 表 示, 实 际 中 应 用 了 其 中 58 个

4.6.4 EBCDIC 码 EBCDIC 码 是 扩 展 二 至 十 进 制 码 的 简 称 它 是 一 种 8 位 二 进 制 代 码, 有 2 8 =256 种 组 合, 可 以 表 示 256 个 字 符 和 控 制 符 EBCDIC 码 目 前 只 定 义 了 43 种, 剩 余 了 3 个, 这 对 需 要 自 定 义 字 符 的 应 用 非 常 有 利 由 于 EBCDIC 是 8 位 码 ( 字 节 ), 已 无 法 提 供 奇 偶 核 验 位, 因 此 不 宜 长 距 离 传 输 但 EBCDIC 的 码 长 与 计 算 机 字 节 长 度 一 致, 故 可 作 为 计 算 机 的 内 部 传 输 代 码

4.6.5 信 息 交 换 用 汉 字 代 码 汉 字 变 成 代 码 的 过 程 是 分 两 步 实 现 的, 即 采 用 由 外 码 和 内 码 组 成 的 两 级 编 码 方 法 汉 字 的 外 码 是 指 计 算 机 与 人 之 间 进 行 交 换 的 一 种 代 码 它 与 汉 字 的 录 入 方 式 有 直 接 关 系 同 一 汉 字, 采 用 不 同 的 录 入 方 式, 则 汉 字 的 外 码 就 不 同

4.6.6 数 据 信 号 的 压 缩 编 码. Huffman 编 码 2. 游 程 编 码 3. Lempel-Ziv 编 码