什么是信源编码技术?

[拼音]：xinyuan bianma jishu

[外文]：information source coding

将消息或其特征信号经采样变换为数字代码的技术。消息（信源信号）一般为连续变化的模拟量，若直接用这连续变化的信号进行调制、传输，则称为模拟通信;若经编码变为数字代码后再调制、传输，则称为数字通信。编码技术广泛应用于数字通信领域。

信源编码通常按信号性质或按信号处理域的不同来分类。按信号性质分，有语言信号编码、图像信号编码、传真信号编码等；按信号处理域分，有波形编码（或时域编码）和参量编码（或变换域编码）两大类。常见的脉码调制(PCM)和增量调制（DM或墹M）等属于波形编码，各种类型的声码器属于参量编码。

数字信号的特点是在有限时间段仅具有有限种代码，而模拟信号或其特征信号在有限时间段上有无限种状态。这样，编码首先应在时间和幅度上以有限的离散值来表征，继而用数字代码来表示这离散值。这就是实现编码所需的三个环节，即采样、量化和码化(图1)。

若信号f(t)为连续时间函数，其最高频率分量为fmax时，它可用时间间隔为Ts(Ts≤1/2fmax)的样点序列来表示。在这样点序列的频谱中含有原f(t)信号分量，并可复原f(t)信号。如图2所示，可用ɑ、b、c、…离散值来表征f(t)信号。

在给定信号幅度范围内划分若干层，落入各层的瞬时信号分别用其对应的量化电平（图2中采样点a、b、c、 d、e、f、g所对应的量化电平分别为 5、7、8、6、5、5、6）表示，这时量化后的信号幅度具有有限个离散值。量化由于是以其近似值表征原幅度而带来误差，这误差的均方值称为量化噪声，它是衡量编码质量的重要指标。采样、量化和数码化如图2。幅度量化用量化特性表示，它给出压缩器(或扩张器)输入电平和输出电平之间的关系。量化特性有均匀量化和非均匀量化两种，前者又称为线性量化，后者又称为非线性量化。均匀量化的分层间隔为等间隔，它适于幅度均匀分布的信号（如多路载波信号）；对各种非均匀分布信号，可找到对应的最佳量化特性，其特点是在概率密度大的区域分层间隔小，反之分层间隔大。

常用比特率和量化信噪比来说明信源编码的技术规格。比特率是指编码后信号每秒所用比特(bit)数。例如，电话信号采样频率取8千赫，每一样值编8位二进码，这时电话信号比特率为64千比特／秒。比特率反映传输时所需频带宽度。量化信噪比是用分贝表示的信号功率与量化噪声功率化，它与信号电平有关。随着数字信号处理技术和大规模集成电路的发展，编码技术在压缩比特率方面很受重视，较为普遍的措施是采用自适应量化和自适应预测技术。自适应量化是使量化器的分层电平随信号短时能量而作自适应调整，使信号能在较大范围内处于最佳量化状态，从而获得压缩增益。预测是利用过去样值对当前样值作预测，常用的是线性预测（见线性预测编码），其关系式可表示为

塻＝ɑ1xn-1+ɑ2xn-2+…+ɑmxn-m

＝


ɑixn-i

式中塻为当前样值的预测值；xn-i为过去第 i时刻的样值；ɑi为过去第i时刻的预测系数，其值由信号统计特性按一定准则来确定。若ɑi为常量，则这时的预测称为固定预测；若ɑi随信号短时统计特性作调整，则这时的预测称为自适应预测。有了预测值之后，只需要传输信号与预测之差值，这样就可在接收端恢复原信号，从而可实现编码比特率的压缩。

在电话信号编码中，可采用基音预测技术进一步压缩比特率；在图像编码中利用相邻帧的相关性进行预测，称为帧间预测技术。这些都是较为有效的预测方法。在高质量信号（如广播节目、录音信号）的传输、录音和转录中，为获得高保真度已采用高比特率编码信号。这比用其他方法简便有效。

信源编码技术随着数字化技术的推广应用已普遍用于通信、测量、计算机应用和自动化系统中。各种比特率的单片集成电路和混合集成电路已得到广泛采用。

参考书目

N. S. Jayant-Peter Noll， Digital Coding of Waveforms， Prentice Hall Inc.，Englewood Cliffs， New Jersey，1984.