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第二章 信源编码与数据压缩 数字通信系统具有许多优点而成为当今通信的发展方向。然而自然界的许多信息经各种传感器感知后都是模拟信号，例如语音信号、视频信号等都是模拟信号。若要利用数字通信系统传输模拟信号，首先需要将模拟信号转换成数字信号。对于语音信号实现这种变换就称为语音编码。模拟信号实现数字化通信一般需要三个步骤：（1）把模拟信号数字化，即模数转换（A/D）；（2）进行数字方式传输；（3）把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）。由于A/D或D/A变换的过程通常由信源编（译）码器实现，所以我们把发端的A/D变换称为信源编码，而收端的D/A变换称为信源译码。 语音的编码技术通常分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。语音编码的分类如图2-3所示。其中，波形编码和参量编码是两种基本类型。 (1) 波形编码 波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状。波形编码比较简单，先根据采样定理对模拟语音信号进行采样，然后进行幅度量化，再进行二进制编码。译码是其反过程，将收到的数字序列经过译码和低通滤波恢复出发送的语音信号，这就是最简单的脉冲编码调制（PCM）。波形编码的目标是让译码器恢复出的模拟信号在波形上尽量与编码前原始波形相一致，也即失真要最小。 波形编码的方法简单，具有适应能力强、语音质量好等优点，但所用的编码速率高，在对信号带宽要求不太严格的通信中得到应用，而对频率资源相对紧张的移动通信来说，这种编码方式显然不合适。脉冲编码调制（PCM）和增量调制（△M），以及它们的各种改进型自适应增量调制（ADM），自适应差分编码（ADPCM）、子带编码（SB）、自适应变换编码（ATC）等，都属于波形编码技术。它们分别在64以及16Kbit/s的速率上，能给出较高的编码质量，当速率进一步下降时，其性能下降较快。 (2) 参量编码 参量编码又称声源编码，是以发音模型作为基础，在频率域或其它正交变换域提取模拟话音信号特征参量，并将其变换成数字代码进行传输。解码为其反过程，将收到的数字序列经变换恢复特征参量，再根据特征参量重建语音信号。具体说，参量编码是通过对语音信号特征参数的提取和编码，力图使重建语音信号具有尽可能高的可靠性，即保持原语音的语意，但重建信号的波形同原语音信号的波形可能会有相当大的差别。这种编码技术可实现低速率语音编码，比特率可压缩到2kbit/s－4.8kbit/s，甚至更低，但语音质量只能达到中等，特别是自然度较低。线性预测编码（LPC）及其它各种改进型都属于参量编码。 (3) 混合编码 混合编码是将波形编码和参量编码组合起来，克服了原有波形编码和参量编码的弱点，结合各自的长处，力图保持波形编码的高质量和参量编码的低速率，在4-16Kbit/s速率上能够得到高质量的合成语音。多脉冲激励线性预测编码（MPLPC），规则脉冲激励线性预测编码（KPELPC），码本激励线性预测编码（CELP）等都是属于混合编码技术。混合编码是适合于数字移动通信的语音编码技术。 2.1 波形编码 抽样定理 抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。能否由此样值序列恢复原信号，是抽样定理要回答的问题。 抽样定理的原理是，如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能恢复原信号。也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。 1 抽样定理： 一个频带限制在(0,fH)赫内的时间连续信号，如果以Ts=1/fH秒的间隔对它进行等间隔（均匀）抽样，则该信号将被所得到的抽样值完全确定。 抽样定理告诉我们： 若m(t)的频谱在某一频率以上为零，则m(t)中的全部信息完全包含在其间隔不大于Ts秒的均匀抽样序列里。 2 量化原理? 利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。时间连续的模拟信号经抽样后的样值序列，虽然在时间上离散，但在幅度上仍然是连续的，即抽样值可以取无穷多个可能值，因此仍属模拟信号。如果用N位二进制码组来表示该样值的大小，以便利用数字传输系统来传输的话，那么N位二进制码组只能同M个电平样值相对应，而不能同无穷多个可能取值相对应。这就需要把取值无限的抽样值划分成有限的M个离散电平，此电平被称为量化电平。 均匀量化: 把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为