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第讲_信源编码:PCM(抽样与标量量化).ppt
* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 信源与信源编码 六、连续信源的限失真编码 模拟信号的数字传输: 模拟信号的数字化(PCM): 1)抽样:对信号在时域上进行离散化; 2)量化:是对信号在取值上进行离散化; 3)编码:将离散的量化值进行编码,使其变成二进制序列 PCM—抽样定理 抽样的过程: 抽样定理:如果对一带宽有限的时间连续信号进行抽样,且抽样率达到一定数值时,那么根据这些抽样值就能准确地确定原信号 1)低通抽样定理:对频带限定在(0,fH)内的信号 2)带通抽样定理:对频带限定在( fL ,fH)内的信号 低通抽样定理:一个频带限定在(0,fH)内的连续模拟信号x(t),如果以 秒的间隔对其进行等间隔抽样,则x(t)将被所得到的抽样值完全确定 脉冲序列信号 :间隔为Ts的一串脉冲,即为一个周期信号 抽样序列: 频域上: 定理要求 ,若不满足则会发生频谱的混叠,导致混叠失真 将X(f )以kfs为单位在频率轴上延拓 信号的重建过程:采用一个截止频率为fH的理想低通滤波器,就可恢复出原始信号 低通滤波器的传递函数及冲激响应: 重建信号: 重建信号的内插公式 带通抽样定理:一个受限于( fL ,fH)的带通模拟信号,其带宽为B = ( fH - fL ),则: 其中R必为一个正实数,则其可被表示为R = m + k,其中k为一个不大于R的最大整数,则m必为[ 0, 1)之间的一个小数,因此: 那么保证不失真的最低采样速率fs 为: 模拟信号能否数字化的基本要求就是不能发生混叠失真,即不失真的要求就是信号的频谱不能重叠在一起,可以从这个角度证明带通抽样定理 fL 、fH与fs 之间的关系: 将X(f )以nfs为单位在频率轴上延拓 当m=0时取的最小值,2B 当m=1时取得最大值,4B PCM—标量量化 标量量化:对抽样序列的逐个样值独立地进行量化 1)将量化器的量化区间分成若干个相邻的段落; 2)每个段落内取一个固定值作为量化输出 则量化过程可被表示为: 第k个量化区间的量化间隔 量化电平 量化级数 量化误差,又称量化噪声: 随机过程x(t)在nTs这一刻的抽样值,是一随机变量 因此量化误差也是一个随机变量 衡量量化器的指标:量化信噪比,即输出信号的平均功率与量化噪声平均功率之比 由于量化误差eq是随机变量,就可以用它的统计特性来描述,则它的平均功率: 其中p(x)为输入信号的概率密度函数,将积分区域分为M个量化区间: 量化信噪比: 因此,对于量化器来说,其输出的量化噪声越小,量化信噪比越大 对于上式,当量化级数确定,即M确定后, Nq的大小与分层电平xk和量化电平yk有关,可将Nq分别看成是xk和yk的函数,则通过下式可求得Nq的最小值: 此即为Lloyd-Max条件,是标量量化器最优化的必要条件,利用上式计算出来的量化器即为最佳量化器 将计算Nq的公式代入Lloyd-Max条件表达式计算即可求得: 计算步骤: 1)首先确定量化噪声的门限值N、量化级数M,以及x1和y1的初始值; 2)利用Lloyd-Max条件(1式)计算出yk ; 3)利用Lloyd-Max条件(2式)计算出xk ; 4)重复2、3步,直到计算出所有的量化电平和分成电平,然后计算量化噪声,若大于门限值,则改变初始值x1和y1再重复上述步骤; 5)若始终无法满足门限值N,则改变量化级数M,再重复上述步骤,直到满足门限条件 分层电平应为两个相邻量化电平的中点 量化电平应为所属量化间隔的概率质心 均匀量化器:将量化器的量化区间等分成M段,量化间隔为: 最佳的量化电平为两个分层电平的中点,即: 若输入信号均匀分布在(-V,V)区间上,则其概率密度函数 则分层电平: 当输入信号均匀分布时,均匀量化器为最佳量化器 均匀量化的量化噪声与量化电平数有关 若输入信号超过量化器的量化范围是,称量化过载,此时的量化噪声称之为过载噪声 非均匀量化 若输入信号的概率特性p(x)是非均匀的,此时需采用非均匀量化器:分布密集的区域采用较小的量化间隔;分布分散的区域采用较大的量化间隔 实现的方法: 1)对非均匀信号x进行非线性变换f(x) = z →变换成均匀信号 2)再对均匀信号z进行均匀量化; 3)接收端对 z 进行一次反变换x = f -1(z),即可恢复x; 非线性压缩 非线性扩张 非均匀量化—对数量化器 理想的非线性变换函数: 对于这个函数当x→0时,c(x)→-∞,在物理上很难实现 实际中用到的压缩函数:
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