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新疆师范大学教育科学学院齐忠琪第二章数字信号编码与压缩第一节模拟信号与数字信号一、模拟信号信号波形模拟着信息变化，其特点是幅度随时间连续变化。对模拟信号按一定的时间间隔进行抽样，抽样后的信号由于其波形在时间上是离散的，所以它又叫离散信号。但此信号的幅度仍然是连续的，所以它仍然是模拟信号。电话、传真、电视信号都是模拟信号。第一节模拟信号与数字信号二、数字信号：指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于用数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。第一节模拟信号与数字信号1、数字信号的特点(1)抗干扰能力强、无噪声积累。在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使传输质量严重恶化。第一节模拟信号与数字信号对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，即在适当的距离采用判决再生的方法，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，第一节模拟信号与数字信号(2)便于加密处理。信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多，以模拟信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。第一节模拟信号与数字信号(3)便于存储、处理和交换。数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、第一节模拟信号与数字信号(4)设备便于集成化、微型化。数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规第一节模拟信号与数字信号(5)便于构成综合数字网和综合业务数字网。采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。另外，电话业务和各种非话业务都可以实现数字化，构第一节模拟信号与数字信号(6)占用信道频带较宽。一路模拟电话的频带为4kHz带宽，一路数字电话约占64kHz，这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因。随着宽频带信道(光缆、数字微波)的大量利用(一对光缆可开通几千路电话)以及数字信号处理技术的发展(可将一路数字电话的数码率由64kb/s压缩到32kb/s甚至更低的数码率)，数字电话的带宽问题已不是主要问题了。第一节模拟信号与数字信号以上介绍可知，数字通信具有很多优点，所以各国都在积极发展数字通信。近年来，我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。第二节数字信号的产生一、模拟信号数字化的过程信号数字化过程信号的数字化需要三个步骤：抽样、量化和编码。抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。第二节数字信号的产生编码是指为了达到某种目的而对信号进行的一种变换。是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反，再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号。上述数字化的过程又称为脉冲编码调制。其逆变换称为译码或解码。第二节数字信号的产生第二节数字信号的产生第三节编码理论编码理论是数学和计算机科学的一个分支，处理在噪声信道传送资料时的错误倾向。按照编码理论对数字信号进行编码，可以保证信号传送时采用更好的方法以修正传送途中所产生的大量错误。保证接收端高保真地恢复发送端传送过来的信号。第三节编码理论编码共分三类：信源编码(数据压缩）、信道编码(前向纠错)和保密编码。研究信息传输过程中信号编码规律的理论基础包括：数学理论。编码理论与信息论、数理统计、概率论、随机过程、线性代数、近世代数、数论、有限几何和组合分析等。编码理论现已成为应用数学的一个分支。第三节编码理论一、信源编码。对信源输出的信号进行变换，包括连续信号的离散化，即将模拟信号通过采样和量化变成数字信号,以及对数据进行压缩,提高数字信号传输的有效性而进行的编码。第三节编码理论1、信源编码的历史发展1843年美国著名画家莫尔斯精心设计出莫尔斯码，最早的莫尔斯电码是用一些点和划表示数字，数字对应单词，在发送时用一个电键敲击出点、划以及中间的停顿。在译码时需要查找一本代码表才能知道每个词对应的数。第三节编码理论虽然莫尔斯发明了电报，但他缺乏相关的专门技术。他与AlfredVail签定了一个协议，让他帮自己制造更加实用的设备。Vail构思了一个方案，通过点、划和中间的停顿，可以让每个字符和标点符号彼此独立地发送出去。他们达成一致，同意把这种标识不同符号的方案放到摩尔斯的专利中。这就是现在我们所熟知的美式摩尔斯电码，它被用来传送了世界上第一条电报。周易编码图像天地水山第三节编码理论这种代码可以用一种音调平稳时断时续的无线电信号来传送，通常被称做连续波(ContinuousWave)，缩写为CW。它可以是电报电线里的电子脉冲，也可以是一种机械的或视觉的信号(比如闪光)。第三节编码理论在以上基础上，商业代码精心设计了用字符组成一组代码，做为一个单词表示一段完整的内容，以提高工作效率。例如：BYOXO(“Areyoutryingtocrawloutofit?”；LIOUY(“Whydoyounotanswermyquestion?”,；AYYLU(“Notclearlycoded,repeatmoreclearly.”。这些五个字符的简语可以用莫尔斯电码单独发送。第三节编码理论作为一种信息编码标准，莫尔斯电码拥有其他编码方案无法超越的长久的生命。莫尔斯电码在海事通讯中被作为国际标准一直使用到1999年。1997年，当法国海军停止使用莫尔斯电码时，发送的最后一条消息是：“所有人注意，这是我们在永远沉寂之前最后的一声呐喊”！第三节编码理论尽管莫尔斯码是信号通过编码传送的鼻祖，但是编码理论直到20世纪30～40年代才开始形成。1928年美国电信工程师H.奈奎斯特提出著名的采样定理，为连续信号离散化奠定了基础。1948年美国应用数学家C.E.香农在《通信中的数学理论》一文中提出信息熵的概念，为信源编码奠定了理论基础。1949年香农在《有噪声时的通信》一文中提出了信道容量的概念和信道编码定理，为信道编码奠定了理论基础。第三节编码理论无噪信道编码定理（又称香农第一定理）指出，码字的平均长度只能大于或等于信源的熵。有噪信道编码定理（又称香农第二定理）则是编码存在定理。它指出只要信息传输速率小于信道容量，就存在一类编码，使信息传输的错误概率可以任意小。随着计算技术和数字通信的发展，纠错编码和密码学得到迅速的发展。第三节编码理论在信源编码方面，1951年香农证明，当信源输出有冗余的消息时可通过编码改变信源的输出，使信息传输速率接近信道容量。1948年香农就提出能使信源与信道匹配的香农编码。第三节编码理论1949年美国麻省理工学院的R.M.费诺提出费诺编码。1951年美国电信工程师D.A.霍夫曼提出更有效的霍夫曼编码。此后又出现了传真编码、图像编码和模拟编码，对数据压缩进行了深入的研究，解决了数字通信中提出的许多实际问题。第三节编码理论二、信道编码。对信源编码器输出的信号进行再变换，包括区分通路、适应信道条件和提高通信可靠性而进行的编码。如对电信号进行调制,以适应无线电广播对信号结构的基本要求.对信息按照TCP/IP协议进行编码,以适应网络通信的要求.第三节编码理论三、保密编码。对信道编码器输出的信号进行再变换，即为了使信息在传输过程中不易被人窃取而进行的编码。编码理论在数字化遥测遥控系统、电气通信、数字通信、图像通信、卫星通信、深空通信、计算技术、数据处理、图像处理、自动控制、人工智能和模式识别等方面都有广泛的应用。第三节编码理论第三节编码理论1949年香农发表《保密系统的通信理论》，通常它被认为是密码学的先驱性著作。1976年狄菲和赫尔曼首次提出公开密钥体制，为密码学的研究开辟了新的方向。超大规模集成电路和高速计算机的应用,促进了保密编码理论的发展,同时也给保密通信的安全性带来很大的威胁。第三节编码理论四、信道编码中其它技术的应用信道编码过程中还要考虑对抗信道中噪音及干扰信号的衰减。通过增加冗余，如校验码等，来提高抗干扰能力以及纠错能力，从而提高信道编码的质量第三节编码理论通过信道编码器和译码器实现的用于提高信道可靠性的理论和方法。大致分为两类：①信道编码定理，从理论上解决理想编码器、译码器的存在性问题，也就是解决信道能传送的最大信息率的可能性和超过这个最大值时的传输问题。②构造性的编码方法以及这些方法能达到的性能界限。第三节编码理论信道编码中的纠错与抗干扰数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。误码的处理技术有纠错、交织、线性内插等。第三节编码理论提高数据传输效率，降低误码率是信道编码的任务。信道编码的本质是增加通信的可靠性。但信道编码会使有用的信息数据传输减少，信道编码的过程是在源数据码流中加插一些码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的，这就是我们常常说的开销。