1、信源編碼李 娜 通信與信息工程學院主要內容模擬信號數字化1信源編碼2MPEG3常用的音頻編碼方法41.1 A/D轉換模擬信號數字化：模擬電信號轉化為數字的電信號采用PCM、DPCM、DM來實現，這個過程叫做A/D轉換采樣量化編碼時間連續(xù)幅度連續(xù) 時間離散幅度連續(xù)時間離散幅度連續(xù) 時間離散幅度離散離散樣值 數字信號碼組采 樣采樣(抽樣)：是每隔一定的時間測量一次聲音信號的幅值，把時間連續(xù)、幅度連續(xù)的模擬信號轉換成時間離散、幅度連續(xù)的采樣信號(離散模擬信號)。采樣周期：時間間隔Ts采樣頻率： 每秒對模擬信號采樣的次數（Hz）采樣定理（奈奎斯特采樣定理）頻帶 之間的低通模擬信號，采 樣f(t)采樣前

2、頻譜F()f(t)采樣后頻譜Fs()在實際應用中，fs=（2.53）fH，例如語音信號頻率3003400 Hz，抽樣速率 fs 一般取 8000 Hz。量 化量化：把幅度上仍連續(xù)的采樣信號進行幅度離散，即指定M個規(guī)定的電平，把抽樣值用最接近的規(guī)定電平表示。量化后，時間離散、幅度離散量化噪聲：量化產生的量化誤差。量 化量化級數越多，量化誤差越小，編碼后的總數據率越大。量 化非均勻量化小信號細量化大信號粗量化均勻量化幅度取值等距離分割非均勻量化實際中，非均勻量化的實現方法通常是在量化前將信號抽樣值壓縮，再均勻量化。A壓縮律：在歐洲、中國大陸等數字電話通信中壓縮律：在北美、日本、韓國等數字電話通信中

3、編碼：是將量化后的信號轉換成二進制碼組輸出。量化級數 M 和碼字的比特數 n 的關系聲音信號的采樣頻率 fs=48kHz，每個采樣值按16bit 量化 每聲道的數據率 = 48*103*16 = 768 kb/s 雙聲道立體聲節(jié)目的數據率 = 768 *2= 4.536 Mb/s 自然二進制碼PCM常用的碼型 反射二進制碼 折疊二進制碼編 碼編 碼反射二進制碼從自然二進制碼的最右一位起，依次將每一位與其左邊一位進行異或，作為反射二進制碼該位的值，最左一位（最高位）保持不變。折疊二進制碼與自然二進制碼最高位相同對于正樣值，兩者各碼位相同對于負樣值，除最高位外，折疊二進制的各碼位是自然二進制碼取反

4、適用于表示正負對稱的雙極性信號誤碼對小電壓影響較小數字傳輸系統數字基帶信號：未經調制的數字信號所占據的頻譜是從零頻率或很低頻率開始。 適用于某些具有低通特性的有線信道，特別是傳輸距離不太遠的情況，如計算機LAN。數字基帶傳輸系統：不經載波調制而直接傳輸數字基帶信號的系統。數字帶通（頻帶）傳輸系統：包含調制和解調過程的傳輸系統。數字基帶信號實際傳輸中，為了匹配信道的特性以獲得令人滿意的傳輸效果，需要選擇不同的傳輸波形來表示“0”和“1”。數字基帶信號是數字信息的電波形表示，它可以用不同的電平或脈沖來表示消息代碼。同一個消息代碼（二進制序列）能以不同的電平或脈沖表示。數字信號的形式單極性不歸零碼1

5、脈沖的正電位0脈沖的零電位雙極性不歸零碼1脈沖的正電位0脈沖的負電位數字信號的形式單極性歸零碼1小于碼元寬度的正脈沖0無脈沖雙極性歸零碼1小于碼元寬度的正脈沖0小于碼元寬度的負脈沖數字信號的形式差分碼1前后碼元有變化0前后碼元無變化AMI碼1電平在正負極交替0零電位數字信號的形式HDB3碼沒有4個及以上連續(xù)的0時，按AMI編碼出現4個及以上連續(xù)的0時，將第4個0變?yōu)閂(破壞脈沖)，極性與前一非0符號相同，保證相鄰V之間符號極性交替兩個相鄰V之間有偶數個非0符號，用“B00V”取代4個0，B符號(調節(jié)脈沖)與前一非0符號相反，并讓后面的非0符號從該符號開始再交替變化。1.2 D/A轉換PCM信號

6、經譯碼后，變成電平為不同極性不同幅度的抽樣值，再經過低通濾波器，恢復出模擬信號，揚聲器發(fā)聲。量 化 器編 碼 信道 譯 碼低通濾波器抽樣器噪聲 模擬信號模擬信號1.3 廣播電視信號數字化PAL制電視信號數字化的數據率圖像寬:高 = 4:3，25幀/s，625行/幀亮度分級256，色度分級256，16 bit/pixel每行像素 = 625*4/3 = 833.3 pixel每幀像素 = 833.3*625 = 520812.5 pixel數據率 = 520812.5*25*16=208.35 Mb/sHDTV的數據率圖像寬:高 = 16:9，1250行/幀，其他不變數據率=1.11Gb/s數據

7、率提高存儲問題、傳輸問題 數據壓縮主要內容模擬信號數字化1信源編碼2MPEG3常用的音頻編碼方法42.1 信源編碼的任務信源編碼？2.1 信源編碼的任務信源編碼/數據壓縮解決數據存儲、交換、傳輸的有效性問題信源數據率的壓縮、力爭傳遞最大信息量信源編解碼系統數據率壓縮的必要性3降低存儲費用和空間4降低發(fā)射機功率消耗1減少射頻帶寬，提高頻譜利用率2較快傳輸各種信源，降低信道占用費一套CD雙聲道立體聲節(jié)目，采樣率為44.1KHz，每樣值按16比特量化，凈數據率為： 21644.1103 =1411.2kb/s設信道編碼率R=1/2，實際經信道傳輸的總數據率為： 1411 .2kb/s2 = 2822

8、.4kb/s設信道的頻譜利用率為2（b/s）/Hz，則傳輸射頻帶寬為 2822.4(Kb/s) / 2(b/s)/Hz = 1.4MHz 相當于現在7個模擬FM廣播電臺占用的實際帶寬若將數據率降至原來的1/7，則利用一個FM電臺所占的實際射頻帶寬就可以傳送一套CD質量的立體聲節(jié)目數據壓縮的可能性時域信息冗余樣值間的相關性周期間的相關性頻域信息冗余冗余部分不編碼不傳送不相關部分2.2 數據壓縮分類可逆壓縮/無失真壓縮數據壓縮不可逆壓縮/不相關壓縮D=0D0與CD可比的質量聽不出壓縮后的節(jié)目與原版CD節(jié)目的區(qū)別2.3 信源編碼理論基礎1、頻譜掩蔽效應聲音強度用聲級L表示：L=20lg（P/P0）

9、dB P：聲壓； P0：基準聲壓 P0=210-5N/m2= 2010-6N/m2=20pa靜聽閾：安靜環(huán)境下，人耳剛好能感覺到的最小聲音強度。隨頻率變化。同聽閾：單音出現時，產生一個新的聽閾曲線。在此頻率附近的頻段內，門限有不同程度的提高，以中心頻率最高。頻譜掩蔽效應頻譜掩蔽效應：處于同聽閾以下的聲音被1kHz信號所掩蔽。不同中心頻率的窄帶噪聲形成的同聽閾 不同中心頻率的同聽閾曲線形狀不完全相同 中心頻率越高，同聽閾曲線的最大聲級越小相同中心頻率不同聲強的同聽閾聲強越強，掩蔽曲線越高，占據頻率范圍越寬，掩蔽能力越強掩蔽曲線左側上升陡峭，右側下降平緩。三個指標掩蔽噪聲比 MNR以dB表示的最小

10、同聽閾與量化噪聲之差信號噪聲比 SNR以dB表示的信號強度與最小同聽閾之差信號掩蔽比 SMR 以dB表示的信號強度與最小同聽閾之差MNR=SNR-SMR數據壓縮時，根據信號掩蔽比確定必要的量化。三個指標2、時間掩蔽效應1聽到強音之前弱音被掩蔽2強音弱音同時存在，弱音被掩蔽3強音消失后一段時間內弱音被掩蔽1前掩蔽2同期掩蔽3后掩蔽 時間掩蔽特性前掩蔽：聽閾上升，持續(xù)時間較短后掩蔽：聽閾下降，持續(xù)時間較長3、子頻帶編碼定義：將原始信號由時間域轉變?yōu)轭l率域，然后將其分割為若干個子頻帶，并對其分別進行數字編碼。分析濾波器組綜合濾波器組子頻帶編碼優(yōu)點1為不同子帶合理分配比特數2控制重建誤差頻譜的形狀54比特差錯限制在子帶內，干擾減弱3量化噪聲限制在本子帶內時間分辨率高4、變換編碼Step 1時域信號變換為頻域信號（FFT、 DCT）頻譜