【深入浅出通信原理-学习笔记】信源编码

1.概述

信源编码在通信系统模型中的位置如下图所示。

如下图所示，对于模拟信源来说，信源编码的过程包括模/数转换和压缩编码，通过采样、量化和编码，将模拟信号转换成数字信号的过程，就是模/数转换。

2.模/数转换

采样从时域上看，是利用冲激信号按照一定的时间间隔对模拟信号进行抽样，从频域看，是以采样频率为间隔对模拟信号频谱进行周期性拓展。

利用理想低通滤波器可以从输入采样信号中重建模拟信号，从时域看，采样信号的每个冲激在滤波器输出产生一个sinc脉冲，叠加起来就得到了原始模拟信号。从频域上看是采样信号的频谱和理想低通滤波器的频率响应相乘，得到原始模拟信号，如下图所示。

采样频率必须大于模拟信号最高频率的2倍： $f_{s}>2f_{max}$ ，这就是奈奎斯特采样定理，若以小于2倍信号最高频率（信号带宽）的采样频率对信号进行采样，会出现频率混淆，在频域中，周期性拓展的信号频谱交叠在了一起，这种现象叫频率混叠。

例如，在生活中，电视/电影里的汽车轮子加速到某个速度的时候轮子的转速会突然变慢甚至出现轮子反转的现象，这是因为：一般电影的帧率为24FPS，若将电影的摄制看作是信号采样的过程，则电影的放映就是信号重建的过程，24FPS对应了24Hz的采样频率（ $f_{s}$ ），当车轮转速小于12圈/秒时，即信号频率 $f$ 小于12Hz， $f_{s}>2f$ ，此时放映出的车轮转速正常，随着车轮转速的不断提高，信号频率逐渐增大，会有 $f_{s}<2f$ ，此时出现频率混叠，表现为电影的摄制帧率跟不上车轮的转动频率，若车轮转速为30转/秒，电影只能摄制这1s中的24个状态，这24个状态衔接起来就会出现车轮减速/倒转的现象。

在实际系统中的采样并不需要产生脉冲信号与模拟信号相乘，只需要获得模拟信号在采样时刻的电平值即可。

量化是将采样信号的电平归一化到有限个量化电平上，实现采样信号幅度的离散化，其中，量化电平的个数称为量化级数，信号电平的量化值和实际值之差称为量化误差，也叫量化噪声，量化噪声的幅度最大等于量化间隔的1/2，信号功率与量化噪声功率的比值叫做量化信噪比。

量化电平取值等间隔的量化叫做均匀量化，对于均匀量化来说，量化级数越多，量化间隔越小，量化噪声越小，但在信号电平比较低的情况下，量化信噪比比较低。

量化间隔随信号电平增大而增大的量化叫非均匀量化，可以保证信号电平比较小、较大场景下的量化信噪比差不多，一般在发送端使用一个压缩器串接一个均匀量化器来实现非均匀量化，相应的在接收端要有一个扩展器。

编码就是将量化后的信号电平值用二进制数字表示，量化电平数为N时，信号电平值需要 $log_{2}N$ 位二进制数字来表示。

通信系统中的模/数转换功能一般由ADC来完成，数/模转换由DAC来完成，ADC使用电阻分压器划分量化电平，使用电压比较器进行量化判断。DAC根据输入的数字信号控制电子开关，电子开关连接运算放大器输出模拟信号电压，输出的模拟电压与输入数字量成正比。

3.音频编码

如上文所述，音频编码包括模/数转换和压缩编码，模/数转换包括采样、量化和编码。

移动通信系统中常见的音频编码包括G.711 PCM、GSM最初采用的RPE-LPT、3G WCDMA采用的AMR-NB和4G VoLTE采用的AMR-WB。

AMR-WB的编码过程如下图所示，音频信号频率范围为50~7000Hz，根据信道条件自适应调整压缩比，码率为采样频率与编码字长的乘积，受压缩比的影响。

4.视频编码

视频编码也包括模/数转换（采样、量化、编码）和压缩编码，利用光传感器将照射到表面的光的强弱转换为电信号（模拟信号），由于光传感器不能感知光的颜色，只能感知强弱，故对于彩色图像，先利用分色棱镜将入射光线分解为红（R）绿（G）蓝（B）三束光线，再将三束光线分别照射到3个光传感器上，转化为电信号。

视频信号的采样从时间（将视频离散化为一系列的帧）和空间（将图像离散化为一系列的像素）两个维度进行，空间采样得到视频的分辨率，时间采样得到视频的帧率，帧率高于16FPS时，人眼会认为图像连贯，这是视觉暂留。

视频信号的量化和编码根据颜色不同，情况也不同，对于黑白图像，每个像素只有黑白两色，用1bit（0或1）表示即可。对于灰度图像，黑色和白色之间还有许多级的颜色深度，以256级灰度为例，每个像素颜色需要用8bit表示。对于彩色图像，每个像素需用R、G、B三种颜色表示，每种颜色可以划分为很多级，若分为256级，则每种颜色要用8bit表示，每个像素需要24bit表示。

视频码率=视频分辨率x帧率x每像素编码比特数

过高码率的视频在通信系统中传输是不现实的，所以对视频数据进行压缩很有必要。色彩空间压缩是对每个像素的红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）信号电平进行转换处理，得到亮度（Y）、蓝色色差（Cb）、红色色差（Cr），然后再进行二次采样：对亮度信号Y，保持每个像素采样一次，对色差信号Cb和Cr，降低采样频率，依此实现信号的压缩。

可变帧率压缩（VFR）是在动态画面时使用较大的帧率，在静态画面时使用较小的帧率。

视频图像压缩分为两类，一类是单独对每一帧图像进行压缩，如M-JPEG算法。另一类利用相似性，将相邻几帧图像联合起来进行压缩，如MPEG压缩算法，对第一帧完整图像进行压缩编码，后面2帧的静态部分不参与编码，图像解码时参考第1帧即可，只针对变化的部分进行编码。

为了适应不同带宽和视频质量的要求，针对MPEG压缩主要出了三个标准：MPEG-1（被VCD采用）、MPEG-2（被DVD采用）和MPEG-4（被用于互联网上的实时图像传输）。