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文檔簡介

4.1概述

4.2矢量量化的基本原理

4.3最佳矢量量化器

4.4矢量量化器的設(shè)計(jì)算法

4.5降低復(fù)雜度的矢量量化系統(tǒng)

4.6小結(jié)

習(xí)題四第四章矢量量化量化可以分為兩大類:一類是標(biāo)量量化,另一類是矢量量化VQ(VectorQuantization)。4.1概述4.2.1矢量量化的定義

圖4.1中的輸入信號(hào)序列{xn}每4個(gè)樣點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)矢量(取K=4),共得到n/4個(gè)四維矢量,即X1,X2,X3,…,Xn/4。矢量量化就是先集體量化X1,然后量化X2,再依次向下量化。

下面以K=2為例進(jìn)行說明。4.2矢量量化的基本原理圖4.14維矢量形成示意圖當(dāng)K=2時(shí),所得到的是一些二維矢量,所有可能的二維矢量就形成了一個(gè)平面。如果記二維矢量為(a1,a2),所有可能的(a1,a2)就是一個(gè)二維歐氏空間。如圖4.2(a)所示,矢量量化就是先把這個(gè)平面劃分成N塊(相當(dāng)于標(biāo)量量化中的量化區(qū)間),即S1,S2,…,SN,然后從每一塊中找一個(gè)代表值Yi(i=1,2,…,N)(相當(dāng)于標(biāo)量量化中的量化值),這就構(gòu)成了一個(gè)有N個(gè)區(qū)間的二維矢量量化器。圖4.2(b)所示的是一個(gè)7區(qū)間的二維矢量量化器,即K=2,N=7,有Y1,Y2,…,Y7共7個(gè)代表值,通常把這些代表值Yi稱為量化矢量。圖4.2矢量量化示意圖若要對(duì)落在二維矢量空間中的一個(gè)模擬矢量X=(a1,a2)進(jìn)行量化,首先要選擇一個(gè)合適的失真測度,而后利用最小失真原則,分別計(jì)算用量化矢量Yi(i=1,2,…,7)替代X所帶來的失真。其中最小失真值所對(duì)應(yīng)的那個(gè)量化矢量Yi(i=1,2,…,7)中某一個(gè),就是模擬矢量X的重構(gòu)矢量(或稱恢復(fù)矢量)。通常把所有N個(gè)量化矢量(重構(gòu)矢量或恢復(fù)矢量)構(gòu)成的集合{Yi}稱之為碼書(codebook)或碼本。碼書中的矢量稱為碼字(codeword)或碼矢(codevector)。例如圖4.2(b)中所示的矢量量化器的碼書Y={Y1,Y2,…,Y7},其中每個(gè)量化矢量Y1,Y2,…,Y7稱為碼字或碼矢。不同的劃分或不同的量化矢量選取就可以構(gòu)成不同的矢量量化器。根據(jù)上面對(duì)矢量量化的描述,我們可以把矢量量化定義為

Y∈YN={Y1,Y2,…,YN|Yi∈Rk}

矢量量化是把一個(gè)K維模擬矢量X∈X

Rk映射為另一個(gè)k維量化矢量,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Y=Q(X)(4-1)矢量量化系統(tǒng)通??梢苑纸鉃閮蓚€(gè)映射的乘積,即

Q=αβ(4-2)

式中,α是編碼器,它是將輸入矢量X∈X

Rk映射為信道符號(hào)集IN={i1,i2,…,iN}中的一個(gè)元ij;β是譯碼器,它是將信道符號(hào)ij映射為碼書中的一個(gè)碼字Yi,即

α(X)=ij(X∈X,ij∈IN)

(4-3)

β(ij)=Yj(ij∈IN,Yi∈YN)(4-4)4.2.2失真測度

設(shè)計(jì)矢量量化器的關(guān)鍵是編碼器α(X)的設(shè)計(jì),而譯碼器β(i)的工作過程僅是一個(gè)簡單的查表過程。設(shè)計(jì)編碼器需引入失真測度的概念,失真測度的選擇直接影響矢量量化系統(tǒng)的性能。

失真測度是以什么方法來反映用碼字Yi代替信源矢量X時(shí)所付出的代價(jià),這種代價(jià)的統(tǒng)計(jì)平均值(平均失真)描述了矢量量化器的工作特性,即

D=E[d[X],Q(X)]](4-5)

(1)平方失真測度

d(X,Y)=‖X-Y‖2=∑(Xi-Yi)2

(4-6)

這是最常用的失真測度,因?yàn)樗子谔幚砗陀?jì)算,并且在主觀評(píng)價(jià)上有意義,即小的失真值對(duì)應(yīng)好的主觀評(píng)價(jià)質(zhì)量。

(2)絕對(duì)誤差失真測度

(4-7)

此失真測度的主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單,硬件容易實(shí)現(xiàn)。

(3)加權(quán)平方失真測度

d(X,Y)=(X-Y)TW(X-Y)

(4-8)在矢量量化器的設(shè)計(jì)中,失真測度的選擇是很重要的。一般來說,要使所選用的失真測度有實(shí)際意義,必須要求它具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

①必須在主觀評(píng)價(jià)上有意義,即小的失真對(duì)應(yīng)好的主觀質(zhì)量評(píng)價(jià);

②必須在數(shù)學(xué)上易于處理,能導(dǎo)致實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì);

③必須可計(jì)算并保證平均失真D=E[D[X,Q(X)]]存在;

④所采用的失真測度應(yīng)使系統(tǒng)容易用硬件實(shí)現(xiàn)。4.2.3矢量量化器

有了失真測度,就可以根據(jù)矢量量化的定義來具體設(shè)計(jì)矢量量化器了。通常用最小失真的方法——最近鄰法NNR(NearestNeighborRule)來設(shè)計(jì),也就是要滿足下式:

式中,IN={1,2,…,i,…,N};N為碼書的大小;表示當(dāng)且僅當(dāng)(充分必要條件)。(4-9)這樣就可以得到一個(gè)如圖4.3所示的矢量量化器實(shí)現(xiàn)框圖。其工作過程是:在編碼端,輸入矢量X與碼書(Ⅰ)中的每一個(gè)或部分碼字進(jìn)行比較,分別計(jì)算出它們的失真。搜索到失真最小的碼字Yi的序號(hào)i(或此碼字所在碼書中的地址),并將i的編碼信號(hào)通過信道傳輸?shù)阶g碼端;在譯碼端,先把信道傳來的編碼信號(hào)譯成序號(hào)i,再根據(jù)序號(hào)i(或碼字Yi所在地址),從碼書(Ⅱ)中查出相應(yīng)的碼字Yi。由于碼書(Ⅰ)與碼書(Ⅱ)是完全一樣的,此時(shí)失真D(X,Yi)最小,所以Yi就是輸入矢量X的重構(gòu)矢量(恢復(fù)矢量)。很明顯,由于在信道中傳輸?shù)牟⒉皇鞘噶縔i本身,而是其序號(hào)i的編碼信號(hào),所以傳輸速率還可以進(jìn)一步降低。圖4.3矢量量化原理框圖矢量量化器的速率定義為

由式(4-10)可見,矢量量化器的速率r與碼書大小N的對(duì)數(shù)lbN成正比,與維數(shù)K成反比。這說明N越大,速率越高;而維數(shù)K越大,速率越低。

信道中傳輸速率RT與矢量量化器速率r的關(guān)系為

RT=fsr

(4-11)(比特/樣值或每維)(4-10)在標(biāo)量量化中,Lloyd-Max算法給出了設(shè)計(jì)最佳標(biāo)量量化器(失真最小)的兩個(gè)必要條件:一是在預(yù)先劃分定量化區(qū)間Δxα(α=1,2,…,n)情況下,集合中每一個(gè)量化值必須是相應(yīng)量化區(qū)間的質(zhì)量中心;二是當(dāng)量化值

給定時(shí),量化區(qū)間的端點(diǎn)值xα(α=1,2,…,n-1)必須是量化值中兩個(gè)鄰近點(diǎn)的中點(diǎn)值。同樣,在設(shè)計(jì)最佳矢量量化器時(shí),重要的問題是如何劃分量化區(qū)間和確定量化矢量。4.3最佳矢量量化器

Gray等人把標(biāo)量量化中設(shè)計(jì)最佳量化器的兩個(gè)條件,推廣到設(shè)計(jì)最佳矢量量化器中。分別在兩個(gè)給定條件下,尋找最佳劃分與最佳碼書,使平均失真最小,即一是在給定條件下,尋找信源空間的最佳劃分,使平均失真最??;二是在給定劃分條件下,尋找最佳碼書,使平均失真最小。下面分別討論。

(1)最佳劃分。由于碼書已給定,因此可以用最近鄰準(zhǔn)則NNR(NearestNeighborRule)得到最佳劃分。圖4.4為K=2的最佳劃分示意圖。圖4.4最佳劃分示意圖信源空間X

中的任一點(diǎn)矢量X,X∈Sj(圖4.4中所示為K=2的平面),如果任意輸入矢量X和碼字Yj的失真小于它和其他碼字Yi∈YN的失真,即

Sj={X|X∈X

且d(X,Yj)≤d(X,Yj)}(i≠j,i∈IN)

(4-12)則Sj為最佳劃分。如果X落在邊界上,可以在不增加失真的前提下,將X置于任何鄰近區(qū)間中。由于給定碼書YN={Y1,Y2,…,Yj,…,YN}共有N個(gè)碼字,所以可以把信源空間劃分成N個(gè)區(qū)間Sj(j=1,2,…,N)。通常把這種劃分稱為Voronoi劃分,對(duì)應(yīng)的子集Sj(j=1,2,…,N)稱為Voronoi胞腔(cell),下面簡稱胞腔。

(2)最佳碼書。給定了劃分Si(并不是最佳劃分)后,為了使碼書的平均失真最小,碼字Yi必須為相應(yīng)劃分Si(i=1,2,…,N)的形心,即

(4-13)對(duì)于一般的失真測度和信源分布,很難找到形心的計(jì)算方法,但對(duì)一些簡單的分布和好的失真測度,則是容易找到形心的計(jì)算方法的。例如,對(duì)于由訓(xùn)練序列定義的樣點(diǎn)分布和常用的均方失真測度,形心就可由下式給出:

(4-14)4.4.1LBG算法

算法一:已知信源分布特性的設(shè)計(jì)算法。

圖4.5所示的是已知信源分布特性的算法流程圖,具體步驟如下:

①給定初始碼書,即給定碼書大小N和碼字

,并置n=0,設(shè)起始平均失真D(-1)→∞,以及給定計(jì)算停止門限ε(0<ε<1)。4.4矢量量化器的設(shè)計(jì)算法②用碼書根據(jù)最佳劃分原則構(gòu)成N個(gè)胞腔

③計(jì)算平均失真與相對(duì)失真:

平均失真為

相對(duì)失真為(4-15)(4-16)若,則計(jì)算停止,此時(shí)的碼書就是設(shè)計(jì)好的碼書,否則進(jìn)行第④步。

④利用式(4-14)計(jì)算這時(shí)劃分的各胞腔的形心,由這N個(gè)新形心構(gòu)成新的碼書,并置n=n+1,返回第②步再進(jìn)行計(jì)算,直到,得到所要求設(shè)計(jì)的碼書為止。圖4.5已知信源分布特性的算法流程圖算法二:已知訓(xùn)練序列的設(shè)計(jì)算法。

圖4.6所示的已知訓(xùn)練序列的設(shè)計(jì)算法的流程圖,具體步驟如下:

①給定初始碼書,即給定碼書大小N和碼字

,并置n=0,設(shè)起始平均失真D(-1)

→∞,給定計(jì)算停止門限ε(0<ε<1)。②用碼書為已知形心,根據(jù)最佳劃分原則把訓(xùn)練序列TS={X1,X2,…,Xm}劃分為N個(gè)胞腔,即

(4-17)圖4.6已知訓(xùn)練序列的算法③計(jì)算平均失真與相對(duì)失真:

平均失真為

(4-18)相對(duì)失真為

(4-19)

若,則停止計(jì)算,當(dāng)前的碼書就是設(shè)計(jì)好的碼書,否則進(jìn)行第④步。④利用式(4-14)計(jì)算這時(shí)劃分的各胞腔的形心,由這N個(gè)新形心構(gòu)成新的碼書,并置n=n+1,返回第②步再進(jìn)行計(jì)算,直到,得到所要求的碼書為止。4.4.2初始碼書的選定與空胞腔的處理

(1)隨機(jī)法。這種方法是從訓(xùn)練序列中隨機(jī)選取N個(gè)矢量作為初始碼字,構(gòu)成初始碼書的。

(2)分裂法。這種方法是1980年由Linde、Buzo和Gray提出的,具體步驟如下:

①計(jì)算所有訓(xùn)練序列TS的形心,將此形心作為第一個(gè)碼字;

②用一個(gè)合適的參數(shù)A,乘以碼字,形成第二個(gè)碼字;

③以碼字、為簡單的初始碼書,即

用前面所述的LBG算法,去設(shè)計(jì)僅含2個(gè)碼字的碼書

;④將碼書中的2個(gè)碼字、分別乘以合適的參數(shù)B,得到4個(gè)碼字、、、;

⑤以這4個(gè)碼矢為基礎(chǔ),按步驟③構(gòu)成含4個(gè)碼字的碼書,再乘以合適的參數(shù)以擴(kuò)大碼字的數(shù)目。如此反復(fù),經(jīng)lbN次設(shè)計(jì),就得到所要求的有N個(gè)碼字的初始碼書。在LBG算法中,遇到的另一個(gè)問題是空胞腔和隨機(jī)選擇法中的非典型矢量如何處理。下面分別說明。

(1)去細(xì)胞分裂法。首先把某空胞腔中的形心,即碼字Yz去掉,然后將最大的胞腔SM分裂為2個(gè)小胞腔。分裂方法如下:

①用一個(gè)合適的參數(shù)A去乘以原形心YM,得到2個(gè)碼字:YM1=YM,YM2=AYM;②以YM1、YM2

2個(gè)碼字來劃分這個(gè)大胞腔,構(gòu)成2個(gè)小胞腔SM1、SM2。它們分別為

SM1={X|d(X,YM1)≤d(X,YM2),X∈SM}(4-20)

SM2={X|d(X,YM2)≤d(X,YM1),X∈SM}

(4-21)

(2)非典型碼字的處理。在隨機(jī)選擇法中,存在一些非典型矢量,用它們?nèi)バ纬砂粫r(shí),胞腔中往往只有少數(shù)幾個(gè)矢量,甚至只有它們自己本身一個(gè)矢量。其實(shí)在別的設(shè)計(jì)算法中,也有只含很少幾個(gè)矢量的胞腔,此時(shí)一般采用下面的辦法來處理:

①重新選擇隨機(jī)初始碼字,直到?jīng)]有非典型碼字為止;

②把這種胞腔中少數(shù)矢量分別歸并到鄰近的各個(gè)胞腔中,再用分裂法把其中一個(gè)最大的胞腔分裂為2個(gè)小胞腔。4.5.1樹形搜索矢量量化器

1.樹搜索原理

樹圖是一個(gè)連通的且無環(huán)路的有向圖。由圖4.7可見,以樹根第一層為起點(diǎn),第二層有2個(gè)節(jié)點(diǎn)(Y0,Y1);第三層有4個(gè)節(jié)點(diǎn)(Y00,Y01,Y10,Y11);第四層(此樹的最后一層)有8個(gè)節(jié)點(diǎn),各層上的節(jié)點(diǎn)又稱為樹葉。4.5降低復(fù)雜度的矢量量化系統(tǒng)圖4.7二叉樹結(jié)構(gòu)圖(M=8)在進(jìn)行矢量量化編碼時(shí),做逐層搜索,一直到最后一層,編碼時(shí)的走步控制原則為

具體量化步驟如下:

(1)分別計(jì)算輸入矢量X與Y0、Y1的失真d(X,Y0)和d(X,Y1),并且比較它們的大小。若d(X,Y0)>d(X,Y1),則走下支路(下子樹),到了節(jié)點(diǎn)Y1處送出1碼至信道;若d(X,Y0)<d(X,Y1),則走上支路(上子樹),到了節(jié)點(diǎn)Y0處,就送出0碼至信道。

(2)若上一步走的是下支路,那么在節(jié)點(diǎn)Y1處,再計(jì)算輸入矢量X與節(jié)點(diǎn)Y10、Y11的失真d(X,Y10)和d(X,Y11),并且比較它們的大小。若d(X,Y10)<d(X,Y11),則走上支路,到Y(jié)10處送出0碼至信道;反之,就走下支路,到了Y11處,送出1碼至信道。

(3)若剛才走的是上支路,那么在節(jié)點(diǎn)Y10處分別計(jì)算失真d(X,Y100)和d(X,Y101),并且比較它們的大小。若d(X,Y100)>d(X,Y101),則走下支路,到了樹葉Y101處送出1碼到信道,Y101便是輸入矢量X的量化矢量,在信道中傳輸?shù)姆?hào)是101;反之則走上支路,到了樹葉Y100處,送出0碼到信道,Y100便是X的量化矢量,在信道中傳輸?shù)氖欠?hào)100。

2.樹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

樹搜索矢量量化器的編碼器是由樹型碼書和相應(yīng)的搜索算法構(gòu)成的。這種矢量量化器的特點(diǎn)是譯碼器的碼書和編碼器的碼書不同。譯碼器采用數(shù)組型碼書,因?yàn)樗槐赜脴渌阉鬓k法去尋找相應(yīng)輸入矢量X的碼字,只要根據(jù)傳輸來的符號(hào)到數(shù)組碼書中去直讀即可。圖4.8是它的原理圖。圖4.8樹搜索矢量量化器原理框圖設(shè)計(jì)樹結(jié)構(gòu)(找出各層的碼字)的方法有兩種:一種是從樹葉開始設(shè)計(jì);另一種是從樹根開始設(shè)計(jì)。分別如下:

(1)從樹葉開始設(shè)計(jì)的方法。圖4.7所示的四層二叉樹矢量量化器的維數(shù)為K,第四層有N=8個(gè)碼字(樹葉數(shù))。步驟如下:

①假定第四層的8個(gè)碼字,已由LBG設(shè)計(jì)碼書的方法得到了。將這些碼字按碼字距離最近的原則配對(duì)(因?yàn)槭嵌鏄湫?,得到:{Y000,Y001},{Y010,Y011},{Y100,Y101},{Y110,Y111},并把它們放在相應(yīng)的樹葉位置上。②求出這些碼字對(duì)的中心,如{Y000,Y001}的中心為Y00。總共得到四個(gè)中心:Y00,Y01,Y10,Y11,并把它們放在第三層上。

③將第三層上的碼字仍按最近距離原則配對(duì),得到{Y00,Y01},{Y10,Y11}。再求出碼字對(duì)中心Y0與Y1并將它們放在第二層上。

這種樹形碼書總的尺寸為N0=8+4+2=14,即共有14個(gè)碼字,而譯碼端的碼字大小就是樹葉數(shù)N=8。

(2)從樹根開始設(shè)計(jì)的方法。

同樣以圖4.7所示的四層二叉樹為例,具體設(shè)計(jì)步驟如下:

①求出整個(gè)訓(xùn)練序列的形心,作為初始碼書。用一個(gè)合適的參數(shù)A去乘,得到另一個(gè)碼字。而后以這兩個(gè)值為初始碼字,將訓(xùn)練序列按一定失真測度劃分為2個(gè)胞腔,再

計(jì)算出2個(gè)胞腔的形心Y0與Y1。用這種分裂法得到的Y0、Y1便是第二層的2個(gè)碼字。②再用上述分裂法,得到第三層的4個(gè)碼字Y00,Y01,Y10,Y11。這樣繼續(xù)下去,一直計(jì)算到樹葉為止。

從上面的敘述不難看出,樹搜索的過程是逐步求近似值的過程,中間的碼字只起指引路線的作用。

3.樹搜索矢量量化器的復(fù)雜度

樹搜索矢量量化器的特點(diǎn)是以適當(dāng)提高空間復(fù)雜度來降低時(shí)間復(fù)雜度的。4.5.2多級(jí)矢量量化器

多級(jí)矢量量化系統(tǒng)由若干個(gè)普通的矢量量化系統(tǒng)級(jí)聯(lián)而成,如圖4.9所示,它的第一級(jí)是一個(gè)包括M1個(gè)碼字的矢量量化器系統(tǒng)。對(duì)每一個(gè)輸入矢量X,矢量量化編碼器1按最近鄰準(zhǔn)則找到一個(gè)碼字

并計(jì)算出X與此碼字的誤差矢量Δ(X,)。這個(gè)誤差矢量即是第二級(jí)矢量量化器系統(tǒng)的輸入。這樣一級(jí)一級(jí)地推導(dǎo)就可以構(gòu)成一個(gè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),各級(jí)的碼字?jǐn)?shù)M1、M2等一般選得大于2。整個(gè)矢量量化編碼器的輸出即是各級(jí)聯(lián)矢量量化編碼器的輸出碼字的編號(hào),而矢量量化譯碼器則可以根據(jù)這些編號(hào)恢復(fù)原始的輸入矢量。

圖4.9多級(jí)矢量量化系統(tǒng)編碼器原理框圖4.5.3波形/增益矢量量化器

乘積碼矢量量化是一種降低復(fù)雜度的量化方法,它的基本思想是將待量化的矢量的不同特征分別量化,同時(shí)又要保持它們之間的有機(jī)聯(lián)系,最后將碼字相乘得到重構(gòu)矢量,因此稱為乘積碼。波形/增益矢量量化器就是一種乘積碼矢量量化器,這種矢量量化器的特點(diǎn)是將波形與增益這兩個(gè)不同特征的量分別進(jìn)行量化,重構(gòu)矢量由波形矢量與增益標(biāo)量的乘積組成。一般地,我們選擇失真測度為加權(quán)均方誤差為

d(X,Y)=(X-Y)TW(X-Y) (4-22)

式中,W為加權(quán)正定矩陣。將式(4-22)展開為

d(X,Y)=XTWX-XTWY-YTWX+YTWY

(4-23)因?yàn)橛?/p>

YTWX=XTWY(4-24)

且用Yi代替Y,可得

(4-25)從式(4-25)可以看出,失真d(X,Yi)不受右邊第一項(xiàng)的影響,所以在尋找最小失真d(X,Yi)時(shí),只需計(jì)算第二項(xiàng)和第三項(xiàng)。量化矢量Yij由波形矢量和增益標(biāo)量的乘積組成,即

(4-26)將Yij代替式(4-25)中的Yi,可得到波形/增益矢量量化器的加權(quán)失真表示式為

(4-27)編碼過程就是選擇一對(duì)下標(biāo)(i,j),使最小。設(shè)

(i=1,2,3,…,N1)(4-28)

(i=1,2,3,…,N2)(4-29)

已知波形碼書含有N1個(gè)碼字,其維數(shù)為K;增益碼書含有N2個(gè)碼字,碼字為標(biāo)量。編碼時(shí),首先找出與輸入矢量最相關(guān)的碼字,使為最大值;然后將相關(guān)值送到增益編碼器進(jìn)行標(biāo)量量化,找到量化值,使

為最小值。

將下標(biāo)(i,j)編成二進(jìn)制碼送到信道中。根據(jù)收到的下標(biāo)符號(hào)(i,j),譯碼器從收端兩個(gè)碼書中分別找出波形碼字和增益碼字,將它們相乘便得到重構(gòu)矢量。我們來分析一下波形/增益矢量量化器的復(fù)雜度。通常這樣來度量:時(shí)間復(fù)雜度用每量化一個(gè)輸入矢量所需要的加(減)法,乘法和比較運(yùn)算的次數(shù)來度量;空間復(fù)雜度用存儲(chǔ)單元多少來度量。為與全搜索矢量量化的復(fù)雜度進(jìn)行對(duì)比,我們不計(jì)加權(quán)矩陣的計(jì)算量。對(duì)波形進(jìn)行矢量量化時(shí),為了選擇到與輸入矢量最相關(guān)的碼字,需要進(jìn)行KN1次乘法,(K-1)N1次加法和(N1-1)次比較運(yùn)算。對(duì)增益編碼時(shí),需要進(jìn)行N2次相乘,N2次相加和(N2-1)次比較。

這樣,量化器的時(shí)間復(fù)雜度為

b=2KN1+3N2-2(4-30)空間復(fù)雜度為

μ=KN1+N2(4-31)

與此波形/增益矢量量化器相當(dāng)?shù)娜阉魇噶苛炕鞯膹?fù)雜度為

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