2.2 信源編碼概論

2.2.1 信源編碼的任務

廣播系統由模擬信號向數字化信號過渡，首先是實現演播室的數字化，即節目的記錄、存儲、交換都是以數字的形式進行。但是，如果將演播室經過模/數轉換的PCM（脈沖編碼調制）信號直接進行傳送，將會占用極大的信道寬度，頻譜利用極不經濟。例如，一套CD立體聲節目，A/D轉換的取樣頻率為44.1kHz，每取樣值按16比特編碼，則數據率為2×44.1×103 × 16=1411.2kb/s。

考慮到為了能夠糾正傳輸差錯，進行信道編碼時人為加入一定的冗余，假設信道編碼率R=1/2，則實際上在傳輸信道中傳送的數據率為1411.2kb/s ×2，如果頻譜利用率按（2b/s）/Hz計算，那么傳送一套這樣的立體聲節目所需的射頻帶寬為

這個帶寬相當于現行約7個模擬調頻廣播電臺所占用的有效帶寬。可以看出，這在實際上是不能被人們接受的。

如果經過數據壓縮，將數據率降至原來的1/7左右，利用一個FM電臺所占的射頻帶寬就可以傳送一套CD質量的立體聲節目。所以，數據壓縮清除了廣播電視節目傳輸數字化的最大障礙。

此外，如果不進行數據率壓縮，與高的數據率直接相聯系的是，通過線路（微波、電纜、光纜、衛星）傳輸時傳輸費用高，節目存儲時需要大的存儲器容量。

經過數據壓縮后，就可以在現有通信干線上開通更多的并行業務，在帶寬一定的信道上可同時安排多套節目。數據率壓縮可以較快地傳輸各種信源，降低信道占用費。由于壓縮降低了數據率，存儲費和空間都可以大大減少，也可以降低發射機功率消耗。

由以上的討論得出的結論是：必須應用相應的方法來降低數字音頻信號的數據率，稱之為數據壓縮或碼率壓縮，或稱為數字音頻信號的信源編碼。

信源編碼的任務主要是解決數據存儲、交換、傳輸的有效性問題。即通過對信源數據率的壓縮，力求用最少的數碼傳遞最大的信息量。

在進行信源編碼時，既希望最大限度地降低碼率，又希望盡可能不要對節目質量造成損傷，以便聽眾感覺不出數據壓縮的節目與原版節目的差別。二者是相矛盾的，只能根據不同節目的特點和不同的需要折中選擇合適的壓縮程度。

2.2.2 信源編、解碼系統

如圖2-2-1所示是數字音頻信號編碼與解碼系統原理。

圖中只畫出了一個聲道。模擬音頻信號經A/D轉換（取樣、量化、編碼）后變為PCM（脈沖編碼調制）數字音頻信號。如果按照演播室標準，取樣頻率為48kHz，每取樣值按16比特量化，那么每聲道PCM信號的數據率就是768kb/s。經過信源編碼，去除聲音信號中的“冗余”部分和與聽覺無關的“不相關”部分，經壓縮的數據率每聲道僅100kb/s左右。在解碼端，通過相應的解碼器，數據率又被恢復為每聲道768kb/s，信號形式仍然為PCM數字音頻信號，再經D/A轉換，變為模擬音頻信號。

2.2.3 數據壓縮的可能性

1.聲音信號中的“冗余”部分

統計分析表明，無論是語言信號還是音樂信號，都存在多種冗余度。編碼時降低信號中的冗余度，在解碼時完全可以重建。

信息的冗余度在時域和頻域都存在。

時域信息冗余度主要表現在：幅度非均勻分布，即不同幅度的樣值出現的概率不同，小幅度的樣值比大幅度樣值出現的概率高。尤其在語言和音樂信號的間隙，會有大量的低電平樣值。

（1）樣值間的相關：對音頻信號波形分析表明，相鄰樣值間存在最大的相關性，取樣頻率越高，樣值間的相關性越大。

（2）周期間的相關性。雖然音頻信號占據很寬的頻率范圍（20Hz～20kHz），但無論是語言節目還是音樂節目，在特定的瞬間，某一聲音通常只有少數的幾個頻率分量，此時，就如同某些振蕩波形一樣，在周期與周期之間存在一定的相關性。

頻域信息冗余度主要表現在非均勻的長時間功率譜密度：在較長時間間隔內進行統計平均，得到的功率譜密度函數表明，功率譜呈現很大的不平坦性。這說明沒有充分利用給定的頻帶，或者說存在固有的冗余度。功率譜的高頻成分能量較低。

2.聲音信號中的“不相關”部分

基于人耳聽覺特性，人耳對信號幅度、頻率和時間的分辨能力是有限的，凡是人耳感覺不到的成分，這種對人耳辨別聲音信號的強度、音調、方位沒有貢獻的成分，稱為無關部分或“不相關部分”。即凡是感覺不到的成分不編碼、不傳送。這種壓縮數據率的可能性是充分利用了人耳聽覺的心理聲學特性（頻譜掩蔽特性和時間掩蔽特性，后文詳細討論）。

2.2.4 數據壓縮的分類

數據壓縮通常分為可逆壓縮和不可逆壓縮兩類。

1.可逆壓縮

可逆壓縮又稱冗余度壓縮，或無失真壓縮。在這種壓縮方法中，在編碼時去除重復的數據，在解碼時根據壓縮后的數據，可以完整地恢復原來的數據，無信息的丟失。這種編碼方法也稱“低噪聲編碼”。但用低噪聲編碼不能實現恒定碼率，因為信號的冗余是隨時間變化的。此外，僅利用去除冗余進行源編碼，不能實現特別有效的壓縮。

冗余度壓縮的一個簡單例子是去除重復的數據。例如，當傳送的數據在一段長時間內不變，則許多連續取樣值將是重復的。在這種情況下，我們可以計算有變化的兩個取樣之間重復取樣值的數目，編碼器只需要傳送取樣值與該重復數目。

2.不可逆壓縮

不可逆壓縮又稱“不相關”壓縮。這種壓縮的特點是，壓縮時丟掉的信號中“不相關”部分，解碼后不能如實地恢復原來的“不相關”部分。雖然經解碼后數據率又與編碼前相同，但其中各自的“不相關”部分并不相同。因此，這種壓縮是不可逆的，也稱為失真壓縮或有損壓縮。

可逆壓縮與不可逆壓縮可借助圖2-2-2來理解。當圖中比較器輸出D=0時，稱為“冗余”壓縮（可逆）；當D≠O時，稱為“不相關壓縮”（不可逆）。需要指出的是，圖2-2-2并不是實際測試電路，這里沒有考慮編碼與解碼處理所需的時延。

2.2.5 何謂與CD可比的質量

過去，聲音廣播最好質量的代表是調頻立體聲廣播。隨著激光唱片（CD）的出現，大家早已認識和熟悉CD質量意味著什么。

我們通常聆聽的CD音樂都是沒有經過數據率壓縮的，即雙聲道立體聲的數據率是1411.2kb/s。現在的問題是，經過數據率壓縮之后，壓縮到何種程度，主觀聆聽，感覺仍然有與CD可比的質量呢？

如果將壓縮后的節目與原版CD節目對比試聽，若聽不出差別，就可認為數據壓縮的節目有與CD可比的質量。

若原版CD節目（代號為A，數據率為1411.2kb/s），經壓縮后的節目代號為B（如數據率為192kb/s），事先在告知是節目A的情況下聆聽，獲得一個原版的印象。然后，在不告知是A還是B的情況下聆聽A和B，然后由聽者判斷哪個是A，哪個是B，如果分不清A和B，說明B有與原版CD可比的質量。