第4章信源编码与数据压缩_tell

四川大学移动通信原理课件

第4章信源编码与数据压缩

通信系统中的核心问题:

有效性

可靠性

安全性

具体到移动通信：

有效性、可靠性与安全性是一个全系统概念，是一个很复杂的问题；

实现这3类指标的环境与条件更加恶劣，因而达到目标也就更加困难；

提高效率的问题更加突出。[特别是由于移动通信的频率资源是有限的]

实际实现中的关联性：

与移动通信系统中的3个层次——物理层、网络层和网络规划层都有关系，特别是与蜂窝网的拓扑结构密切相关。 涉及方面：仅从物理层来探讨，具体有：

有效性:涉及到信源编码与数据压缩、调制与信道编码技术、多址方式、信号分集接收、天线方向性等诸多因

素。

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本章仅讨论在物理层决定有效性的最主要因素之一：信源编码和数据压缩技术。 信源编码

作用：压缩信源输出的信息率，提高系统有效性

实现原理：主要是利用信源的统计特性，解除信源相关性，去掉信源冗余信息。

发展过程：

第二代(2G)数字式移动通信系统：语音压缩编码：[语音业务]。

第三代(2G)数字式移动通信系统：语音压缩编码 + 各类图像压缩编码和

多媒体数据压缩等方面[包含语音、

数据和图像在内的多媒体业务]

本课在本章仅讨论以压缩算法为核心的原理与技术。

第一阶段：信源统计特性为依据的统计压缩编码。

第二阶段：在统计特性的基础上考虑

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了瞬时特性和主观特性的自适应压

缩编码。

4.1语音压缩编码

语音压缩编码的基本原理与方法

移动通信中的语音编码。

4.1.1 引言

技术要点：压缩语音编码的码率，提高通信系统的有效性。

原理：解除语音信源的统计关联。

语音压缩编码分为以下3类。

波形编码：波形编码是以精确再现语音波形为目的，并以保真度即自然度为度量标准的编码方法。这类编码是保留语

参量编码：一般又称为声码器。参量编码是利用人类发声机制，仅传送反映语音波形变化主要参量的编码方法。在接收端，可根据发声模型，由传送过来的变化参量激励产生人工合成的语音。参量编码的主要度量标准是可懂度。

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[评看：这类编码是以提取并传送语音的共性特征参量为主要目标的编码方]

混合编码：又称为软声码器。混合编码是吸取上述两类编码的优点，以参量编码为基础并附加一定的波形编码特征，以实现在可懂度基础上适当改善自然度

技术比较：

质量：波形编码 > 混合编码 > 参量编码

波形编码 < 混合编码 < 参量编码 公用骨干(固定)通信网：波形编码。 移动通信网：混合编码。

特殊通信系统[如军事与保密通信系统]：参量编码

3类压缩编码的理论性能估计

理论支撑：信息论

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1.波形编码的性能估计

利用信息论中连续(模拟)有记忆信源的信息率失真R(D)函数理论可以分析波形编码的性能。为了简化，粗略假设语音取样值遵从广义平稳正态马氏链性质，则信息率失真R(D)函数为

R(D)定义

1 2(1 2)R(D) log22D(4.1.1)

2式中，ρ为相关系数，D为允许失真；σ

为方差，即噪声功率。

计算：

根据实测数据，对于语音其取样点间ρ

2=O.96左右；D为允许失真；σ为方差，即

2噪声功率；若σ/D为信噪比。上式的计算

结果见表4.1。

表4.1 波形编码理论压缩倍数K的初估

注：表中的压缩倍数K是以PCM 8bit／样

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点(即8位码)为参考点．与相应的R(D)值比较并计算的。

依据上表得到的结论：

当语音质量达到进入公网要求标准时，即

2σ/D=26dB，K≈3.4倍；

若进一步考虑实际语音分布与主观因素的影响(因为正态分布R(D)值最大)，其压缩倍数可以进一步增大，取K=4(保守值) 实际应用：语音速率可以从未压缩的PCM64Kbps降至1／4速率的16Kbps。 目前水平：已实用化的DPCM为32Kbps。

2.参量编码的性能估计

思路：语音可以采用各种不同形式的参量来表达。

具体应用：采用最基本的参量“音素”。 以英语音素为例进行分析。

78条件：英语中共有音素2(=128)～2(=256)

个。按照通常讲话速率，每秒大约平均发送10个音素。

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汉语音素=？ask

由信息量计算公式，对于等概率事件有：I=log2N，N为总组合数，则

I1(上限) log2N log2(256)10 80bps(4.1.2)

I2(下限) log2N log2(128)10 70bps(4.1.3)

最后可计算出压缩比K为

64KbpsK 914 800倍70 80bps(4.1.4)

[查上公式中的符号是否正确～]

据此，可得语音速率。

3.混合编码的性能估计

简介：混合编码的理论压缩比是介于上述两类编码之间，且与语音质量需求有关。 若要求混合编码偏重于个性特征，则其压缩比靠近波形编码的压缩比值；

若要求混合编码偏重于共性，则其压缩比靠近于参量编码。

4.1.2数字通信中的语音编码

移动通信的技术要求：

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移动通信中由于频率资源有限，因此要求语音编码采用低码率；

另一方面，由于移动通信信号可能要进入公共骨干通信网，因此必须基本满足公共骨干网的最低要求；

再者移动通信属于民用通信，还必须满足个性化指标要求。

结论：高质量的混合编码是移动通信中的优选方案[低数据比特率、高压缩比]。

低数据比特率、高压缩比的混合编码中的具体技术指标：有4个主要参量

数据比特率；

语音质量；

算法复杂度；

处理时延。

混合编码的任务或研究内容：力图使上述参量及其关系达到综合最优化。

1.数据比特率(bps)[简tell]

数据比特率：度量语音信源压缩率和通信系统有效性的主要指标。

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相互关系或关联性问题：

数据比特率越低，压缩倍数就越大，可通信的话路数也就越多，移动通信系统也就越有效。

数据比特率低，语音质量也随之相应降低。为了补偿质量的下降，往往可以采用提高设备硬件复杂度和算法软件复杂度的办法，但这又带来了成本与处理时延的增大。

降低比特速率的其它有效方法：

采用可变速率的自适应传输，它可以大大降低语音的平均传送率。[思路=？] 进一步采用语音激活技术，充分利用至少3／8的有效空隙，可获得大致约

2.67dB的有效增益。[与上4个指标的关系，见查ATM研课件技术评估]

注：

语音激活技术：语音激活技术是建立在通话双方句子间、单词间存在可利用空闲的原理上，

对于TDMA系统，首先要检测可利用的空隙，然后再采用插空技术加以利用。

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对于CDMA系统，由于各路语音同频、同时隙，则可以很方便地利用所有空隙间隔，即各路语音的空隙是随机产生的，从而可以达到互补 …… 此处隐藏：3895字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……