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第二章 信息量化与编码;(3)信息量化与编码要研究的主要问题
从信息的角度来看,当信号由连续幅度转换成离散幅度时,必然会有信息的损失,因此,信息量化属于有失真编码。不过,通过适当的设计,我们可以将这种损失减至能接受的地步。从这种意义出发,信息量化与编码要研究的问题便是如何进行有效的设计,使在一定条件下,编码的失真达到最小。;2.2标量量化;(2)一个正规量化器还满足如下的条件:
①:每个分段Ri都是一个连续的区间,可以是开的,或半开半闭的。
②:每个分段Ri对应的量化值yi位于Ri中,即yi ∈ Ri=(xi-1,xi).
正规量化器的输入分段边界点xi及量化输出点yi满足已下序列关系:
x0y1x1y2x2…yNxN;正规量化器典型量化曲线图
;在一般情况下,输入信号都是有界的,此时,最两端的边界点一般取为x0=min(x),xN=max(x),而量化器的量化范围为B=xN-x1。对于输入无界的情形,相当于x0=- ∞,xN=+ ∞,量化器的量化范围定义为B=xN-1-x1,即量化范围为所有输入分段之和的长度。
从结构上看,量化器可分编码器与解码器两个部分。编码器完成输入到数字的映射,即ε: R → I,I={1,2,…N},而解码器则是实现由数字到电平的转换,即D:I →C.若Q(x)=yi,则有ε(x)=i, D(i)=yi ,亦即Q(x)=D(ε(x))。在通信系统中,编码器只能传送所选量化电平yi 的下标i,而不是yi 本身。解码器根据接收到的下标i, 通过查表可得到相应的电平值。
;2.2.2标量量化器结构;解码器的实现直接通过下标i查表即可得到 相应的量化电平yi 。因此,我们可将量化器的特性表示成如下形式:
量化器的基本结构图
;2.2.3量化器性能测度;更为一般的是乘幂误差,定义为
其中m=1时即为绝对误差,m=2时为平方误差,这两种情形应用得最为普遍。
; 设输入随机过程X的概率密度为fX (x),则输入量化误差的期望值为
此公式所示的D是一种最常用的性能测度。而其中又以误差测度为平方误差时最为普遍,此时的性能测度又称为均方误差,可写为:
;2 性噪比
性噪比是另一个常用的性能测度,定义为
其中,D为均方误差。SNR的单位为分贝(db);2.2.4 均匀量化器;下面我们分析均匀量化器的均匀失真
考虑输入为有界的情形,不妨设位于区间(a , b)之内,变化范围为B=b-a。左右两边的边界点分别为:x0=a , xN=b。假定将区间分为N等分,每个子区间为△=B/N,也就是量化器有N级输出,每级之间相距△。
量化误差ε=Q(X)-X,所以在均匀量化时,最大的可能量化误差为△/2,即B/2N。所以均匀量化误差是一种使最大量化误差达到最小的量化方式。这一特点使得均匀量化在很广泛的一类输入信号下,都能保持较好的量化性能。这正是模拟/数字转换器大多采用均匀量化方式的原因。
;当输入信号亦为均匀分布时,量化误差ε的均值
总的失真为
在实际情况中,输入信号大多不是有界的,此时,我们可将左右两端的区间(-∞,x1],
(XN-1,+∞]单独取出来考虑。其余的区间与上述有界信号输入时是一样的。不过在无界输入的情况下,最大量化误差也必定是无限的,因此没有什么意义。主要的性能测度是平均量化误差,由于多数输入信号的分布主要集中于某一个区间,输入信号位于左右两端的区间的机会很小,因此上述对有限输入信号的结论依然是近似成立的,特别是当量化层数N很大时。
;2.2.5 非均匀量化器;非均匀量化器可用均匀量化器的压扩模型表示,如图
由图可见,输入信号x首先经过单调非线性变换G,变成G(x),然后对G(x)进行均匀量化,最后再经非线性变换G的逆变换G-1,得到最后的非均匀量化输出。其中, G通常是一个压缩变换,因为大多数信号的分布都是集中在某一区域内的,对应的, G-1 为一个扩张变换。;结论2.1(压扩模型的通用性)对任何有限正规的量化器,都存在着如图2-2-6所示的压扩模型,其中压扩变换G及扩张变换G-1 与输入信号的概率分布有关。
证明:设输入信号分段边界点为{x1,x2,…,XN-1},(x0,xN可以是无穷大,不考虑),输出值为{y1,y2,...y N}。我们按以下方式构造压扩模型。首先定义两个集合:
P={(yi , i△+k),i =1,2,…,N}
Q= ={(xi , i△+ △/2+ k),i =1,2,…,N-1}
P中包含平面上N个点,
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