《现代通信原理 Modern Communication Principle》课程教学资源（课件讲稿）第4章 信源及压缩编码

第4章信源及压缩编码 4.1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

第4章 信源及压缩编码 4.1 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

4.1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： (1)概率匹配编码： (2) 变换编码： (3) 识别编码：

4.1 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： (1) 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 1.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4.1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

4.2 语音信号的特征 1. 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4.1 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4.1浊音和清音的波形及频谱 州州 (a)浊音声波波形图 。2e b)浊音段典型颊谱 3.3 kHz (©)清音波形图 20 y%Tn (d山典型清音频谱 33孩h*/

图4.1 浊音和清音的波形及频谱

4.3语音编码 4.3.1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△M 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 语 音 编 码 4.3.1 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. 1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 AD与D/A变换。各种编码技术对语音信号进行处理 日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4.1所示

4.3.1 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4.1所示

表4.1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 PCM(CCITT G.711) 64kb/s 38 dB ADPCM(CCITT G.721) 32kb/s 35 dB 瞬时压扩PCM 40kb/s 30 dB 32kb/s 30 dB 波形编码 ADM(CVSD法) 32kb/s 24 dB 16kb/s 18~20dB 子带编码(SBC) 16kb/s 20~25dB 时域谐波压扩ADPCM 16kb/s 25~30dB (ADPCM-TDHS) 通道声码器 1200/2400/4800b/s 较好 参量编码 共振峰声码器 600/1200b/s 线性预测声码器 1200/2400/4800b/s 好 声激励声码器 9600b/s 很好

表4.1 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 PCM(CCITT G.711) ADPCM(CCITT G.721) 瞬时压扩 PCM ADM(CVSD 法) 子带编码(SBC) 时域谐波压扩 ADPCM (ADPCM-TDHS) 64kb/s 32kb/s 40kb/s 32kb/s 32kb/s 16kb/s 16kb/s 16kb/s 38 dB 35 dB 30 dB 30 dB 24 dB 18～20 dB 20～25 dB 25～30 dB 参量编码 通道声码器 共振峰声码器 线性预测声码器 声激励声码器 1200/2400/4800b/s 600/1200b/s 1200/2400/4800b/s 9600b/s 较好 差 好 很好

4.3.2抽样定理和脉冲调制(PAM、 PDM、PAM 1.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一脉冲调制(PAM、 PDM、PPM

4.3.2 抽样定理和脉冲调制(PAM、 PDM、PAM) 1. 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 x0→X→ S(0) (a)理想抽样方框图 A) 0 (b)低通模拟信号 ◆号(0 1↑↑↑↑↑↑ 0 Ts (©)理想周期S,()波形 0 (d)抽样后输出()

图4.3 理想抽样的方框图及各点波形 0 0 Ts 1 (b) 0 sδ (t) δ (t) (a) x(t) t s δ (c) (d) δ x x 理想抽样方框图 低通模拟信号 理想周期 δ s (t)波形 抽样后输出 x (t) δ (t) (t) t t x (t)

4.3.3脉冲编码调制PCM 1.线性PCM编码 图4.7PCM通信系统方框图 2.非线性PCM编码 3.译码原理

4.3.3 脉冲编码调制PCM 1. 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