无线通信工程 姚彦教授 清华大学微波与数字通信国家重点实验室 2001年11月24日

第六讲 无线通信的信源编码

引言

概述 信源的原始信号绝大多数是模拟信号，因此，信源编码的第一个任务是模拟和数字的变换，即：A/D，D/A。 抽样率取决于原始信号的带宽： fc = 2  w，w为信号带宽 抽样点的比特数取决于经编译码后的信号质量要求： SNR ＝ 6  L(dB)，L为量化位数

概述（续） 但是，由于传输信道带宽的限制，又由于原始信源的信号具有很强的相关性，则信源编码不是简单的A/D，D/A，而是要进行压缩。为通信传输而进行信源编码，主要就是压缩编码。 信源编码要考虑的因素： －发信源的统计特性。 －传输信道引入的损伤，如误码。 －受信者的质量要求。

理论 信源编码定理： 对于给定的失真率D，总可以找到一种信源编码方法，只要信源速率R大于R(D)，就可以在平均失真任意接近D的条件下实现波形重建。 说明1：R(D)称为率失真函数，它是单调非增函数，速率越高，平均失真越小。 说明2：为了保证在一定速率下的失真，必需采用信源编码，因而会引入编码延时。

理论（续） 信道编码定理： 如果信源速率R小于信道容量C，总可以找到一种信道编码方法，使得信源信息可以在有噪声信道上进行无差错传输，即： C ＝ Wlog2(1+S/N) 说明2：为了保证无差错传输，必需采用信道编码，因而会引入编码延时。

理论（续） 信息传输定理： 将信源编码定理和信道编码定理综合，就得到信息传输定理。即：为保证无差错传输及失真度，必需满足：C  R(D) 说明1：在一般数字通信系统中，信源编码和信道编码可以分开考虑。信道编码定理给出无差错的速率上限，信源编码定理给出无失真的速率下限。 说明2：为了实现理想性能，都要付出延时的代价。

性能指标 速率：高速率、中速率、低速率 压缩比 质量：客观评价 主观评价 延时：质量和延时的关系 不同业务对延时的要求 复杂性：算法的复杂性及软硬件实现的复杂性

实现方法 波形编码 将波形直接变换成数字码流。特点：比特率较高、解码后质量较高、延时较小。可以分为：时域波形编码，如PCM、ADPCM、M等；频域波形编码，如：子带编码（SBC）、自适应变换编码（ATC）等。 参数编码 从信源信号的某个域中提取特征参数，并变换成数字码流。特点：比特率较低、解码后质量较低、延时较大。如：各种声码器。 混合编码 将以上二种方法混合，特点：以较低的比特率获得较高的质量，延时适中，复杂。如：G723.1，G728，G729，GSM的语音编码，IS-95的语音编码等。

音频编码

音频编码的优点  提高传输的质量  便于处理  使用灵活，便于多种媒体（视频、音频、文字、数据）相结合应用  易于加密  适合大规模集成  可靠性高、体积功耗小  价格便宜

音频编码的应用

压缩的必要性

音频编码历史：数字电话（1）  波形编码  PCM原理（37年，法Alec Reeres） 电子管PCM（46年，Bell实验室） 晶体管PCM（62年，市话扩容，64kb/s） 单片IC PCM（70年代，微波、卫星、光纤）  增量编码原理（46年，法De Loraine） 自适应增量 CVSD（60年代末，军用，32、16kb/s） Continuously Variable Slope Delta Modulator 连续变化斜率增量调制器  其他编码（70年代，ADPCM、SubBand、ATC、APC等） 在16kb/s以上得到较好的话音质量。 特点：话音质量好，但编码速率高。

音频编码历史：数字电话（2）  参数编码  波形编码通道声码器（39年，Dudly，二次大战保密电话）  LPC声码器（67年，Atal、Schroeder）  同态声码器（69年，Oppenheim）  共振峰声码器（71年，Rabiner、Schafer、Elanagan）  MBE声码器（88年，Griffin、Lim）  波形插值（91年，W.B. Kleijn） 2.4kb/s、1.2kb/s、较好；600-800b/s可懂。特点：编码速率低，自然度差。  混合编码器 利用线性预测、VQ、A-B-S、感觉加权、后滤波等技术。  多脉冲激励线性预测（MPELP 1982 Atal、Remde）  规则脉冲激励线性预测（RPELP 1985 Deprettere、Kroon）  码本激励线性预测（CELP 1985 Manfred、Schroeder、Atal） 8-16kb/s，高质量。特点：话音质量高、编码速率低，但算法复杂。

主要应用于会议电视，相当于调幅广播的质量 音频编码历史：宽带语音 主要应用于会议电视，相当于调幅广播的质量  1988年CCITT制定了G.722 标准：SB-ADPCM  1996年左右，美国PictureTel 公司提出PTC－PictureTel Transform Coder  1999年9月发布：“ITU-T G.722.1 proposed for decision: 7 kHz Audio - Coding At 24 And 32kbit/s For Hands Free Operation In Systems With Low Frame Loss。”

音频编码历史：宽带音频 主要应用于娱乐与鉴赏，对于重建信号的音质有很高的要求，目前采用比特率较高的波形编码技术进行压缩。可以直接在时域进行，也可以转到频域或其他变换域进行。  1982年激光唱盘 (CD: Compact Disk)上市。MD：Mini-Disk，日本索尼公司采用ATRAC－Adaptive Transform Acoustic Coder压缩技术。  1987数字音频磁带录音 (DAT: Digital Audio Tape) 问世。  DAB (Digital Audio Broadcasting) 源于欧洲。

音频压缩依据 1) 冗余度 时域样点之间相关（短时、长时） 频域谱的非平坦性（谱包络、谱离散） 统计特性 2) 人耳听觉特性 人耳分辨能力 人耳对不同频段声音的敏感程度不同，通常对低频比对高频更敏感 人耳对语音信号的相位不敏感 人耳掩蔽效应 Masking Effect … 说明：对人耳听不到或感知极不灵敏的声音分量都不妨视为冗余。 可利用听觉心理特性…。 感觉加权、量化、去除多余分量、后滤波、…。

音频编码性能评价（1） 1) 编码速率（Kbps、Kb/s） 信号带宽：可懂度、自然度、透明度。 200~3400Hz、50~7000Hz、20~15000Hz、10~20000HZ。 采样速率：8KHz、16KHz、32KHz、44.1/48KHz…。 编码位数R（b/样点），总速率I（kb/s）。 固定速率及可变速率。 2) 重建语音质量 客观评价： 信噪比 分段信噪比 （一般15dB以上较好，20dB以上相当好）

音频编码性能评价（2） 主观评价  MOS分（Mean Opinion Score） 5~1分：Excellent、Good、Fair、Poor、Bad 4分：长途通信质量 (toll, transparency-电话线) 3.5分：通信质量 (communication)  判断韵律测试DRT（Diagnostic Rhyme Test） 例如：为（wei）、费（fei） 95%以上 优秀、85%~94% 良好、75%~84% 中等 65%~74% 差、65% 以下不能接受  判断可接受度测试DAT（Diagnostic Acceptability Test） 多维因素测试  调制噪声参考单位MNRU（Modulated Noise Reference Unit）  量化失真单位QDU（Quantization Distortion Unit） 一次PCM编解码

音频编码性能评价（3） 3) 编解码延时（ms）  公众网（25ms）、点对点、广播、存储  回声控制或回声抵消  正常通话秩序  与重建质量关系 4) 算法复杂度  硬件、成本  浮点、定点  MIPS、RAM、ROM 5) 其他  抗随机误码和突发误码能力  抗丢包和丢帧能力  对不同信号编码能力  级联或转接能力

现有标准（1）：宽带音频

现有标准（2）：宽带语音

现有标准（3）：数字电话

现有标准（4）：数字电话（续） PCM：脉冲编码调制 ADPCM：自适应差分脉冲编码调制 LD-CELP：低延时码本激励线性预测编码 CS-ACELP：共轭结构代数码本激励线性预测编码 ACELP：代数码本激励线性预测编码 MP-MLQ：多脉冲激励最大似然量化 SB-ADPCM：子带自适应差分脉冲编码调制 LPC-10：线性预测编码-10 MELP：混合激励线性预测编码 CELP：码本激励线性预测编码 RPE-LT：长时间预测规则脉冲激励线性预测编码 VSELP：矢量和激励线性预测编码 IMBE：Inmarsat多带激励语音编码 QCELP：Qualcomm码本激励线性预测编码 EVRC：增强型变速率编码

军用无线通信 －16 kbps CVSD增量调制 －4.8 kbps美国军用电台标准 无线通信的语音编码（1） 军用无线通信 －16 kbps CVSD增量调制 －4.8 kbps美国军用电台标准

无绳电话 －用于CT-2的ADPCM，32kbps －用于DECT的ADPCM，32kbps 无线通信的语音编码（2） 无绳电话 －用于CT-2的ADPCM，32kbps －用于DECT的ADPCM，32kbps

无线通信的语音编码（3） 移动通信 －用于GSM的REP-LTP（长时间预测规则码激励） 13kbps －用于IS-54的VSELP（矢量和激励线性预测） 8kbps －用于IS-95的QCELP（Qualcomm码本激励线性预测） 1.2/9.6kbps

视频编码

压缩的必要性

图象编码的历史（1）

现代图像编码 小波变换图像编码 神经网络图像编码 分型图像编码 模型基图像编码 图象编码的历史（2） 现代图像编码 小波变换图像编码 神经网络图像编码 分型图像编码 模型基图像编码

图象编码的依据

图象编码的质量评价（1）

图象编码的质量评价（2）

图象编码的质量评价（3）