深入浅出通信原理 | 通信系统模型中的信源编码及其相关知识
深入浅出通信原理 | 通信系统模型中的信源编码及其相关知识
在通信系统模型中，信源编码是一个关键环节，它主要负责将原始的模拟信号转换为数字信号，以便于后续的传输和处理。本文将深入浅出地介绍信源编码中的核心概念，包括模/数转换、采样、频率混叠、量化和编码等，帮助读者建立对通信系统基本原理的全面理解。
一、通信系统模型中的信源编码
在通信系统模型中，信源编码的位置如下：
通常信源编码的过程包括模/数转换和压缩编码。
1、模/数转换
模/数转换，指的是通过采样、量化和编码，将模拟信号转换成数字信号的过程。
2、采样
采样指的是在发送端，以固定的时间间隔对模拟信号进行抽样，将模拟信号在时间上离散化。
在时域，用冲激信号按照一定的时间间隔对模拟信号进行抽样。
在频域，以采样频率为间隔对模拟信号频谱进行周期性拓展。
奈奎斯特采样定理，为了确保可以从采样信号中恢复出原始的模拟信号，采样频率必须满足，采样频率必须大于模拟信号最高频率的2倍，即fs>2fmax。
在接收端，用理想低通滤波器从输入采样信号中重建模拟信号。在时域上，采样信号的每个冲激在滤波器输出端产生一个sinc脉冲，叠加起来就得到了原始模拟信号。在频域上，采样信号的频谱与理想低通滤波器的频率响应相乘，就得到了原始模拟信号的频谱。
3、频率混叠
用较高的采样频率对信号进行采样，第一幅图的周期拓展的频谱之间的间隔较大，逐步减小采样频率、缩小频谱之间的间隔，直至周期拓展的频谱刚好无缝衔接，此时采样频率等于信号带宽2倍情况下的采样信号频谱。若在减小采样频率，当采样频率低于信号带宽的2倍，低于信号最高频率的2倍时，周期性拓展的信号频谱交叠在了一起，就会出现频率混频。
4、量化
量化，指的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。
量化级数指的是量化电平的个数称为量化级数。
量化误差指的是信号电平的量化值和实际值之差称为量化误差，也称为量化噪声。量化噪声的幅度最大等于量化间隔的1/2。
量化信噪比＝信号功率/量化噪声功率。
均匀量化是指量化电平取值等间隔。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。
非均匀量化，是指量化电平取值不等间隔，量化间隔随着信号电平的增大而增大，小信号细量化，大信号粗量化。可以保证信号电平比较小和信号电平比较大场景下的量化信噪比差不多。
通常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，在接收端要有一个扩张器。
5、编码
编码，是将量化后的信号电平值用二进制数字来表示。量化电平数为N的情况下，信号电平值需要log2N位二进制数字来表示。若量化电平数为16，需要4位二进制数字表示。