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信源编码解析

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第五章信源编码(编码定义及定长编码)

第五章信源编码(编码定义及定长编码)

所以送一个信源符号x需要的平均信息率为：
K KL logm L
信息率最小就是找到一种编码方式使
KL logm L
最小。
5.2.1定长编码定理
定义：各个码字码长都相等的码 定长码中每个码字长度相等，所以只要定长码是非奇异
码，则必为唯一可译码
非奇异码 唯一可译码
即时码
非奇异码 唯一可译码
即时码
变长码
等长码
消息
概率
C1
C2
C3
C4
C5
C6
u1
1/2
000
0
0
0
1
01
u2
1/4
001
01
10
10
000
001
u3
1/16
010
011
110
1101 001
100
u4
1/16
011
0111 1110 1100 010
101
u5
1/16
100
01111 11110 1001 110
110
u6
1/16
101
解码：按照码符号的顺序，从根节点依次查询到终端节点，就得到对应的 信源符号。再从根节点对剩下的码符号序列做相同的处理，直到处理完码 符号序列中所有的码符号
对应表中的码4分析
A01Fra bibliotek01
1
0
0
1
0
10 1
0
1
000
001 010
011 100 101 110
111
一阶节点 二阶节点 三阶节点
唯一可译码存在的充要条件
我们之后介绍的是二元信道中的编码。

第四章 信源编码

第四章 信源编码

第四章信源编码一、信源编码的作用(1)把信源发出的模拟信号转换成以二进制为代表的数字式信息序列，完成模拟信号数字化。

(2)为了使传输更有效，把与传输内容无关的冗余信息去掉，完成信源的数据压缩。

二、模拟信号数字化法方法1．模拟调制正弦波调制，调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)，采用的载波是正弦波，已调信号在时间上是连续的，它们均属于模拟调制。

脉冲调制，如脉冲幅度调制(PAM)、脉冲相位调制(PPM)和脉冲宽度调制(PWM)等，虽然已调波在时间上被取样离散化了，但各自的调制参数是按照信源的规律连续地变化，所以仍然属于模拟调制的范畴。

2．模拟信号数字化法方法模拟信号数字化的方法有很多种：脉冲编码调制（Pulse Code Modulation ，缩写为PCM）、增量调制（Delta Modulation，缩写为DM或ΔM）、差分脉冲编码调制（缩写为DPCM）等。

脉冲编码调制(PCM)。

其过程为抽样、量化、编码等，使已调波不但在时间上是离散的，且在幅度变化上用数字来体现，这便是模拟信号数字化。

4.1 抽样定理一、抽样的概念1．抽样的概念：抽样又可称为取样或者采样。

抽样定理是任何模拟信号数字化的理论基础。

实质上，抽样定理讨论的是一个时间连续的模拟信号经过抽样变成离散序列之后，如何用这些离散序列样值不失真地恢复原来的模拟信号这样一个问题。

2．抽样的任务：是对模拟信号进行时间上的离散化处理，即每隔一段时间对模拟信号抽取一个样值。

抽样是模拟信号数字化的第一步。

相应的在接收端要从离散的样值脉冲不失真地恢复出原模拟信号，实现重建任务。

那么，抽样脉冲的重复频率f s 必须满足什么条件才能保证收信端正确地加以重建。

这就是下面要介绍的抽样定理。

二、抽样定理 1．样值信号频谱抽样定理模型可用一个乘法器表示，如图所示。

即 m s （t ）=m （t ）〃s （t ）式中s （t ）是重复周期为T s 、脉冲幅度为1、脉冲宽度为τ的周期性脉冲序列，即抽样脉冲。

信源编码与信道编码解析

信源编码与信道编码解析

信源编码与信道编码解析摘要：衡量一个通信系统性能优劣的基本因素是有效性和可靠性，有效性是指信道传输信息的速度快慢，可靠性是指信道传输信息的准确程度。

在数字通信系统中，信源编码是为了提高有效性，信道编码是为了提高可靠性，而在一个通信系统中，有效性和可靠性是互相矛盾的，也是可以互换的。

我们可以用降低有效性的办法提高可靠性，也可以用用降低可靠性的办法提高有效性。

本文对信源编码和信道编码的概念，作用，编码方式和类型进行了解析,以便于更好的理解数字通信系统的各个环节。

关键字：信源编码信道编码Abstract: the measure of a communication system the basic factor is quality performance efficiency and reliability, effectiveness refers to channel to transfer information machine speed, reliability is to point to the accuracy of the information transmission channel. In digital communication system, the source coding is in order to improve the effectiveness, channel coding is in order to improve the reliability, and in a communication system, effectiveness and reliability is contradictory, is also can be interchanged. We can use to reduce the availability of improving the reliability, also can use to improve the effectiveness of reduces reliability. In this paper, the source coding and channel coding concept, function, coding mode and the types of analysis, in order to better understand all aspects of digital communication systems.Key words: the source coding channel coding中图分类号：TN911.21 文献标识码：A 文章编号：1引言数字通信系统：信源是把消息转化成电信号的设备，例如话筒、键盘、磁带等。

信源编码与信道编码课件

信源编码与信道编码课件
熵编码的原理基于信息论中的熵概念，即数据中包含的信息量大小。通过计算数据 的熵值，可以确定数据的冗余程度，从而选择合适的编码方式进行压缩。
常见的熵编码算法包括哈夫曼编码和算术编码等。
算术编码原理
算术编码是一种基于概率的压缩方法，它将输入数据映射到一个实数范 围内，通过降低该实数范围来达到压缩数据的目的。
信道编码
广泛应用于通信和数据传输领域，如移动通信、卫星通信、光纤通信等。
性能指标的对比
信源编码
压缩比、解码时间、重建数据的失真程度等是其主要性能指标。
信道编码
误码率、抗干扰能力、频谱效率等是其主要性能指标。
06
信源与信道编码的未来发展
信编码的未来发展
视频编码
随着超高清视频和虚拟现实技术的普及，信源编码将更加注重视 频压缩效率，以适应更高的分辨率和帧率。
目的
提高信息传输效率和存储 空间利用率。
方法
通过去除冗余信息、减少 表示信息的比特数等方式 实现。
信源编码的分类
无损压缩
能够完全恢复原始数据的压缩方 法。
有损压缩
无法完全恢复原始数据的压缩方 法，一般用于图像、音频和视频 等多媒体数据的压缩。
信源编码的应用场景
文件压缩
用于减小文件大小，便 于存储和传输。
视频会议
对视频和音频信号进行 压缩，以减小传输带宽
和存储空间。
数字电视
对图像和声音信号进行 压缩，以减小传输带宽
和存储空间。
无线通信
对语音和数据信号进行 压缩，以减小传输带宽
和存储空间。
02
信源编码原理
熵编码原理
熵编码是一种无损数据压缩方法，它利用了数据中存在的冗余和概率分布特性，通 过编码技术去除冗余，达到压缩数据的目的。

信源编码和信源解码

信源编码和信源解码

信源编码和信源解码信源编码和信源解码字、符号、图形、图像、音频、视频、动画等各种数据本身的编码通常称为信源编码，信源编码标准是信息领域的基础性标准。

无论是数字电视、激光视盘机，还是多媒体通信和各种视听消费电子产品，都需要音视频信源编码这个基础性标准。

大家用电脑打字一定很熟悉，当你用WORD编辑软件把文章（DOC文件）写完，存好盘后，再用PCTOOLS工具软件把你的DOC 文件打开，你一定能看到你想象不到的东西，内容全是一些16进制的数字，这些数字叫代码，它与文章中的字符一一对应。

现在我们换一种方法，用小画板软件来写同样内容的文章。

你又会发现，用小画板软件写出来的BMP文件，占的内存（文件容量）是DOC文件的好几十倍，你知道这是为什么？原来WORD编辑软件使用的是字库和代码技术，而小画板软件使用的是点阵技术，即文字是由一些与坐标位置决定的点来组成，没有使用字库，因此，两者在工作效率上相差几十倍。

[信源]->[信源编码]->[信道编码]->[信道传输+噪声]->[信道解码]->[信源解码]->[信宿]目前模拟信号电视机图像信号处理技术就很类似小画板软件使用的点阵技术，而全数字电视机的图像信号处理技术就很类似WORD编辑软件使用的字库和代码技术。

实际上这种代码传输技术在图文电视中很早就已用过，在图文电视机中一般都安装有一个带有图文字库的译码器，对方发送图文信号的时候只需发送图文代码信息，这样可以大大地提高数据传输效率。

对于电视机，显示内容是活动图像信息，它哪来的“字库”或“图库”呢？这个就是电视图像特有的“相关性”技术问题。

原来在电视图像信号中，90%以上的图像信息是互相相关的，我们在模拟电视机中使用的Y/C（亮度信号/彩色信号）分离技术，就是利用两行图像信号的相关性，来进行Y/C分离。

如果它们之间内容不相关，Y/C 信号则无法进行分离。

全数字信号电视也一样，如果图像内容不相关，则图像信号压缩也就要免谈。

电视技术第29讲信源编码与信道编码

电视技术第29讲信源编码与信道编码
什么是信源编码？
通过压缩编码，去掉信号源中的冗余 成分以达到压缩码率和带宽的目的，确保 信号有效地进行传输。
信源编码主要包括：视频信源编码、 音频信源编码。
1
图像数据压缩的必要性
视频图像数字化后，数字信息量太大。
例如：一帧720×576点阵、16位色的数字 图象占用1.35Mb的存储空间，对每秒25帧的活 动电视图像，所占用的码率将高达每秒 33.75Mb，照此速度，常用的CD-R盘片只能存 储16秒这种活动图象。
7
MPEG标准
1988年，国际标准化组织（ISO）和国际电工委员 会（IEC）共同组建了运动图像专家组MPEG（Moving Picture Experts Group），对运动图像的压缩编码标 准进行了研究。
1992年和1994年分别通过了MPEG-1和MPEG-2 压缩编码标准。针对不同的应用，MPEG现在已经有了 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3、MPEG-4、MPEG-7一 系列标准。
9
信道编码的原因
数据在信道中传输，往往会受到系统本身和外界环 境的干扰而形成误码。
随机误码：传输时受到随机噪声的干扰，使高低电 平的码元在信道输出端产生电平失真，导致接收端解 码时发生码元值的误判决，形成误码。对随机性误码 的差错控制编码措施：RS纠错码
突发误码：受瞬间出现的短脉冲干扰，信道的误码 成串地在短时间内产生，相应的差错控制编码措施： 交织纠错码
10
信道编码的一般结构
能量扩散:使信号受到随机化处理 交织: 分散误码，使长串的误码变成短串误码 RS码: 里德-所罗门码，由Reed-Solomon两位研究者开发，
能够纠正多个错误的纠错ຫໍສະໝຸດ . 卷积码: 非常适用于纠正随机错误

数字通信原理3信源编码


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数字通信原理3信源编码
均匀量化(续)
•第三章 信源编 码
量化信噪比与量化电平数M之间的关系
设量化范围为：-VP -- +VP，量化电平数 M=2b
量化间隔：q=2VP/M=2VP/2b
量化噪声功率：
信号功率：
信噪比：
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数字通信原理3信源编码
4、其他脉冲调制方式
模拟信号
抽样信号
脉冲宽度调制(PWM)
脉冲位置调制(PPM)
脉冲幅度调制(PAM)
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•第三章 信源编 码
数字通信原理3信源编码
5、抽样定理
•第三章 信源编 码
低通抽样定理：奈奎斯特准则－若以信号最高频率的2倍以上的 频率对信号进行抽样，从离散的抽样值可无失真地恢复原信号。
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数字通信原理3信源编码
5、抽样定理
理想抽样 抽样脉冲序列
抽样信号
•第三章 信源编 码
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数字通信原理3信源编码
理想抽样(续)
•第三章 信源编 码
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数字通信原理3信源编码
与
• 信号p(x)和幅度大小无关，而保证量化信噪比为常数。
• 假定信号均值 mx＝0，信号的功率为： •
• 量化信噪比： •
• 显然，取：
即：
时
•
•
• 量化信噪比与信号的大小无关，为常数。

第5讲 信源编码：相关信源的编码,信道编码


此时的编码没有冗余 例如：假设要传送A、B两个消息 例如：假设要传送A 编码一： 编码一： 消息A----“0”；消息B----“1” 消息A----“0”；消息B----“1”
若产生错码（“0”错成“1”或“1”错成“0”）收端无法发现， 错成“ 错成“ 若产生错码（ 0”错成 1”或 1”错成 0”）收端无法发现， 该编码无检错纠错能力
其中α 其中αk被称为预测器的系数
k =1
若以最小均方误差为准则，预测误差的均方值： 若以最小均方误差为准则，预测误差的均方值：
ˆ el = xl − xl = xl −
k =− N
∑α
N
k l −k
x
2 N 2 E[el ] = E xl − ∑ α k xl − k k =− N
编码三： 编码三：
消息A----“000” 消息B----“111” 消息A----“000”；消息B----“111” 传输中产生一位或是两位错码，都将变成禁用码组，具有检出 传输中产生一位或是两位错码，都将变成禁用码组， 两位错码的能力 在产生一位错码情况下，收端可根据“大数”法则进行正确判 在产生一位错码情况下，收端可根据“大数” 能够纠正这一位错码， 决，能够纠正这一位错码，该编码具有纠正一位错码的能力 在产生两位错码情况下，只具有检错能力 在产生两位错码情况下， 这表明增加两位冗余码元后码具有检出两位错码及纠正一位错 码的能力
1. 检错重发（ARQ） 检错重发（ARQ）
发
能够发现错误的码 判决信号
收
接收端按一定规则对收到的码组进行有无错误的判别。 接收端按一定规则对收到的码组进行有无错误的判别。 若发现有错，则通知发送端重发， 若发现有错，则通知发送端重发，直到正确收到为止 具体实现时，通常有3种形式 具体实现时，通常有3

第5章_信源编码讲解


直接映射
矢量量化 神经网络
变换编码
KLT,DCT,DST,DFT WHT,SLT,HAAR 非正交变换
子带编码
宽带语音 宽带音频
小玻变换编码
分形编码
熵压 缩
模型基编码
合成
多带激励
分析
正弦编码
特征 提取
分析 合成 法
法
时频插值 波形插值
多脉冲
RPE-LT MP-MLQ
感觉特性
线性 预测 编码
听觉
视觉
码激励
第8页
表 5.1.1 二进制香农编码
5.1.1 香农编码
xi p(xi) pa(xj) ki 码字 x1 0.25 0.000 2 00(0.000)2
[例5.1.1] ：有一单符号离散无记忆信源：
x2 0.25 0.250 2 01(0.010)2 x3 0.20 0.500 3 100(0.100)2
x2, , p( x2 ), ,
xi , , p(xi ), ,
xn p( xn
),
n
p(xi ) 1
i 1
变
长 二进制香农码的编码步骤如下：
编
码
将信源符号按概率从大到小的顺序排列，令：
p(x1)≥ p(x2)≥…≥ p(xn)
令 P(x1)=0，用 Pa(xj)，j=i+1 表示第 i 个码字的累加概率，则：
LPC-10 MELP
LD-CELP CS-ACELP VSELP CELP，ACELP
人耳分辨能力－量化 人耳掩蔽效应－感觉加权
空间分辨能力时间 分辨能力幅度分辨 能力颜色分辨能力
第6页
5.1 最佳变长编码
根据信源编码理论，将能够荷载一定信息量且码字的平 均长度最短、可分离的变长码字集合称为最佳变长码。

信源编码详解


应能能合成语音！
注：参见数字语音处理
4.5 语音的参量编码
4.5.1 参量编码原理
三、 语音参量编码的可能速率 # 语音参数一般有128~256个，假设为256个，用8bit/参数 表示； 假设发音速率是10参数/秒，
Rb = 8bit/参数•10参数/秒= 80 bit/s
# 当前语音参量编码（混合）达到的速率： CDMA移动通信系统（IS-95) ：1.2Kb/s 实验室达到的速率：低于800 bit/s
4.5 语音的参量编码
4.5.2 语音参量编码的实现
一、参量空间
分析一段语音，提取一组参量：
A a1,a2,....ai....an 这组参量代表了这段语音，是一个整体，因而对参 量的处理必须是对这一整体进行处理，并把这组参 量视为n维空间的一点。
由某类消息参量组成的多维空间，称之为参量空间。
DPCM思想
4.4.2 脉冲差分编码调制（DPCM)
二、DPCM原理
xn 1
xni
xn2
xn
t
tn1 tn
t tn1
n2
假设 xn 与 xn 之前k 次采样有关，有：
k
x n
ai xni
ai 为一组系数
i 1
xn与真值 xn 之差为 en ，有：
k
k
x e x x x e n = n -
n=
预测值
加入平滑 量化值
xn xn en
实际参数：k=12，4比特 （16电平）量化差值，码速 率32Kb/s 。
图 4.4.4 DPCM 原理图
4.4.2 脉冲差分编码调制（DPCM)
四、ADPCM 编码-------DPCM的改进
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图 4.4.3
4.4 语音的波形编码
4.4.1 脉冲编码调制(PCM)
一、PCM标准
电平 序号 自然 二进 码 折叠 码
1) 码速率
采样频率：8KHZ；A律或µ律压扩 （我国与欧洲采用A律），码速率 64Kb/s 2）码型-----折叠码 将负半边的码翻转：
折叠码优点：
比特发生错误引起解码后量 化电平的平均跳变较自然二 进码小！
数字通信无缺点！
3) 信源编码的主要研究方向：在一定质 量要求下,尽可能用最低的比特速率传送
信源编码、信源解码在通信系统中的位置：(见 图)
4.1 字符编码与码元
一、字符编码
了解 ASCII码 p.14 题1.1表 二、码元的概念 11 10 四进制码元 01 每个符号表示二位二进码 00 n M进制码元 M = 2 , 有M个符号，每个符号表示n位二进码元
4.3.1 均匀量化
一、量化特性
图4.3.1 均匀量化输入输出分层特性曲线
二，量化噪声
量化噪声电压：
e(t ) S (t ) Q(t )
量化噪声功率：
e2 ( U )2 /12
小结：
（1） U 小，即分层电平数M 多，则量化噪声功率小；当量化噪声与 外来噪声大小相近时，量化不会到信号质量产生影响； （2） 任何仪器与测量都有一定精度，因而允许量化有误差，当 M= 28 = 256 , n = 8 ，即每个采样值用8 bit 表示 M= 29 = 512，n = 9 ，即每个采样值用9 bit 表示 M= 213 = 8192，n =13，即每个采样值用13 bit 表示等， 这时在很多情况下，量化精度己足够高了。 （3） M选多少？视具体要求而定。
ln 1 ( x / xmax ) ln(1 )
sgn x
x 1 0< xmax A 1 x <1 < A xmax
符号函数
(2) A律压扩
y =
ymax
ymax
1 ln A( x / xmax ) 1 ln A
3）误码对语音质量的影响 精确计算困难（见书）
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000
以A律为 例说明 11位A/D只 量化了一 半（正区 间），考 虑负区间---12位A/D
A=87.6 6位 A/D
7位 A/D
每区间量化16层 （4bit A/D)
1 1 2 16
5位A/D
11位A/D
图4.3.8
四、A律、 µ 律的数字实现
3) 编码逻辑
要求：12位A/D，每采样值量化为12位数码，采样频率8KHZ（数码率 96Kb/s），要求数码率仍保持8位A/D时的值，即64Kb/s
二进制码元
M= 2 = 21 ，有两个符号：1、0 2 M= 4 = 2 ， 有四个符号，
数字通信就是用M个电平，或M个频率，或M 个信号相位来表示M个符号，每个符号代表n 位二进码。
4.2 抽样定理
先行课己讲述，请复习教材内容！
抽样频率
fs 2 fm
f s = 8000HZ
，
fm
信号频谱中的最高频率分量。
第四章 信源编码
信源编码:研究信源产生的消息的编码， 即数字化
序言
字符（数据） 采用ASCII码（己成熟）
1) 信源
语音
本章研究的重点 图像（视频） 方式多样（另有课程）
2) 源编码是实现信数字通信的第一步， 一切电子系统几乎都实现了数字化！
数字通信的优点：容量大、传输效率高，设备可靠， 调整方便
图 4.3.4 非均丹量化波形示意
语音概率密度函数特点：
1) 最早一篇关于语音概率密度函数的论文发表于1952年； 2) 语音概率密度函数类似于负指数分布，但无法用简单的负指数系数 表示； 3) 不同说话人，不同的语言会稍有不同，因而只能统计平均。 p(x)
小结：
语音概率密度函 数近似曲线 1）语音的量化应小信号 量化分层密，大信号稀， 即非均匀量化； t 2）非均匀量化特性取决 2 于选取的 qi ( x)能否使 e 最小。
均匀量化的缺点：
均匀量化只适用于信号电平为均匀分布的情况，当信号幅 度的概率密度函数为非均匀分布时，均匀量化将不适用！
（如语音，小信号概率高，大信号概率小。）应采用非均匀量化:
小信号分层密，大信号分层稀！
4.3 波形的量化
4.3.2 非均匀量化
一、非均匀量化特性
图 4.3.3 语音非均 匀量化特性
A( x / xmax ) sgn x 1 ln A
sgn x
sgnx=
+1 -1
, x0 ,
x <0
四、A律、 µ 律的数字实现 1) 13折线 实现A律；15 折线 实现µ律！
图 4.3.8 13折线A律
图 4.3.9 15折线µ律
四、A律、 µ 律的数字实现
2)
12bit A/D 实现13折线, 13bit A/D 实现15折线
0
4.3.2 非均匀量化（PCM方案）
三、语音非均匀量化的实现 (1) µ 律压扩 (2) A律压扩
图 4.3.5
图 4.3.6
小信号扩张，大信号压缩后
再均匀量化= 非均匀量化！
4.3.2 非均匀量化（PCM方案）
三、语音非均匀量化的实现(续） 压扩特性的数学表达式：
(1) µ 律压扩
y ymax
编码逻辑:
8 ° 7 ° 6 5 4 3 2 1
° ° ° ° ° ° 各区位电平码：4位表 示每区位的16个电平
区位码：4位表示正、 负16个区位
等效于改变12位A/D的精度： 小信号区12位，大信号区6位!
四、A律、 µ 律的数字实现 4) 固定电话交换机PCM产品--12位可变精度A/D
实现可变精度A/D（见附录D)
语音频谱控制在300~3400HZ，因此选
S(t)
f s = 4000HZ，有：
Ts = 1/ f = 125 微秒 s
S (t nts )•Βιβλιοθήκη 抽样定理将连续 波形离散化
•
0
Ts
t
•
0
t s1
ts2
t
4.3 波形的量化
波形量化步骤：1）抽样；2）将抽样值量化；3）将量化电平编为二进码。
A/D 变换器是实现波形量化的专用器件！