编解码技术

计算机网络是通过通信网将计算机互联以实现资源共享和数据传输的。当使用的通信网信号形式和传输设备的信号形式不一样时，就必须进行信号形式的转换。一般将在发送方进行的信号形式转换称为编码，接收方进行的信号形式转换称为解码。

图2-18 通过电话网进行计算机数据传输

如上文所述，通过电话网进行数据传输时，由于计算机送出的是数字信号，电话网络传输的是模拟信号，需要使用调制解调器来完成调制，将计算机的数字信号转变成能在电话网里传输的模拟信号，需要使用调制解调器来完成解调，将接收到的模拟信号恢复成计算机的数字信号送给计算机。此时，调制就是编码的过程，解调就是解码的过程。通过电话网进行数据传输的连接如图2-18所示。

在IP视频监控网中传输摄像信号时，由于摄像头的信号为模拟信号，IP网络传输的是数字信号，通过IP数据网传输时，需要编码器来完成摄像头的模拟信号转变成数字信号在数据网里传输，传输到时，再通过解码器恢复成模拟信号送给监视器。通过数据网进行传输视频模拟信号的连接如图2-19所示。

图2-19 通过数据网进行传输视频模拟信号

2.3.1　数字调制技术

调制广泛用于无线电广播、闭路电视等模拟调制技术中。计算机网络中用的数字调制技术不同于模拟调制技术。计算机网络中的数字信号是二进制信号，它的调制相对比较简单。一般有三种调制方式，它们分别用正弦波模拟信号的三个参数——幅度、频率和相位来表示数字信号0和1。分别称为调幅、调频和调相。

（1）调 幅

按照调幅调制方式，正弦波模拟信号的幅度随数字信号而变化，数字信号为0时，取一个幅度值，数字信号为1时，取另外一个幅度值。通过正弦波两个不同的幅度值分别表示了数字的0和1，取不同的幅度值。

例如，对应二进制数字0，正弦波模拟信号的振幅为0；对应二进制1，正弦波模拟信号的振幅为A。调幅又被称为幅移键控（ASK）。调幅数字波形与调幅波的关系如图2-20所示。

图2-20 调幅数字波形与调幅波的关系

（2）调 频

按照调频调制方式，正弦波模拟信号的频率随数字信号而变化，取不同的频率来表示数字0和1。例如对应二进制0，模拟信号的频率为f1；对应二进制1，模拟信号的频率为f2。调频又被称为频移键控（FSK）。调频数字波形与调频波的关系如图2-21所示。

图2-21 调频数字波形与调频波的关系

（3）相移键控（PSK）

按照相移键控调制方式，正弦波模拟信号的相位随数字信号而变化，取不同的初始相位值来表示数字0和1。如对应二进制0，模拟信号的初始相位为0°；对应二进制1，模拟信号的初始相位为180°，调相又被称为相移键控（PSK）。调相数字波形与调相波的关系如图2-22所示。

图2-22 调相数字波形与调相波的关系

调相又有2相制、4相制等。调制器只能输出2个相位值的称2相调制，此时，输入的二进制数据和输出的相位状态值一一对应，输入数据的传输率和调制输出的波特率相等，即S＝B。调制器可以输出4个相位值的称4相调制，此时，调制器每输入2个二进制数据，输出一个相位状态值。输入数据的传输率是调制输出的波特率的一倍（2S＝B）。即4相调制时，调制器输出的一个状态代表两位二进制数，如表2-2所示。同样采用8相调制时，调制解调器输出的一个状态代表三位二进制数。显然采用4相或更多相的调制能提供较高的数据速率，但实现技术更为复杂。

除了单一的调幅、调频和调相以外，上述调制技术可以组合起来得到性能更好、更复杂的调制信号。如PSK和ASK可结合起来，形成相位幅度复合调制PAM方式。如采用8相制PSK和ASK结合成PAM方式，8个相位，2个幅度，总共具有16种状态，可以分别表示4位数据组成的16种编码，如表2-2所示。

图2-23 在公用电话线路上用调频方法进行全双工操作

表2-2 调制信号

图2-23是在公用电话线路上用调频方法进行全双工操作的例子。它可以实现同时在两个方向上传输数据，为此一个带宽范围用于发送，一个带宽范围用于接收。在一个方向上，调制解调器可以通过频率范围在300～1270Hz内的信号。它采用以1170Hz为中心，两边各有100Hz位移的1070Hz与1270Hz调制频率，其中1070Hz表示0，1270Hz表示1。在另一个方向上，调制解调器可以通过频率范围在1700～3000Hz内的信号。它采用以2125Hz为中心，两边各有100Hz位移的2025Hz及2225Hz调制频率，来分别表示0和1。

2.3.2　脉冲编码调制

脉冲编码调制将模拟信号转化成数字信号。由于数字信号传输具有失真小、误码率低、费用低、传输速率高等一系列优点，为保证充分利用数字信道的优点，提升传输质量，对于模拟信号的传输，往往也将它们转换成数字信号在数字信道上传输。

采用网络传输语音信号或电视信号时，由于语音信号、视频信号都是模拟信号，要将它们通过数据网络进行传输，就必须先将它们转换成数子编码的数据后再通过数据网进行传输，传输到对方后，再将这些数字编码恢复成模拟信号，送到相应的模拟设备。

模拟信号转换成数子编码的数据后，不但可以通过数字网络进行传输，还能转换成不同速率的数字信号，通过各种速率的网络传输，同时模拟信号转换成数子编码的数据后更便于存储、编辑、加密、压缩等各种信息处理。

对模拟信号进行数字化编码的最常见的方法是脉冲编码调制技术PCM（Pulse Code Modulation），简称脉码调制。

PCM在完成将模拟信号转换成数字化编码时，要经过取样、量化和编码三个步骤。

（1）取 样

取样的目的是用一系列离散的样本来代表随时间连续变化的模拟信号。取样每隔一定时间间隔取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。

取样是由取样、保持电路来完成的，一个原理性的取样电路如图2-24所示。

图2-24 原理性的取样电路

图中开关K按取样频率不断接通、断开。K接通时，取样电路中的取样电容充电，输出电压随输入变化（取样）。K断开时，输出（电容上电压）保持不变（如图2-25所示）。

图2-25 取样电路的波形变化

显然，取样频率越高，取下的样本越能代表模拟信号。以什么样的频率取样，才能得到近似于原信号的样本空间呢？奈奎斯特取样定理告诉我们：如果取样频率大于模拟信号最高频率的2倍，则可以用得到的样本空间重新构造出原始信号（恢复出原来的模拟信号）。即

其中F 1为取样频率，T1为取样周期（即两次取样之间的时间间隔），F max为模拟信号的最高频率。

（2）量 化

量化就是分级，即将取样后得到的样本值分成若干等级的离散值，离散值的个数决定了量化的精度：离散值分级的。级别越多，量化精度也越高，在数值化时编码的位数也就相应越多。图2-26中我们把量化时等级分为8级。每个样本都量化为它附近的等级值。量化是用取样、保持电路中保持段的电压值来进行的。

图2-26 8个等级的量化

（3）编码（数值化）

编码就是把量化后的样本值转换成相应的二进制代码，二进制代码的位数和量化的等级有关。当量化等级为8个等级时，在数值化时编码的位数为3位二进制代码；当量化等级为256个等级时，在数值化时编码的位数为8位二进制代码，如图2-27所示。

图2-27 数值化（编码位数为8位二进制代码）

由上述脉码调制的原理可看出，取样的速率是由模拟信号的最高频率决定的，而量化级的多少则决定了取样的精度。模拟信号的F max越高，取样的精度越高，则对传输信道的数据速率要求也越高。

例如，电话音频模拟信号数字化时，由于话音的最高频率是4KHz，根据奈奎斯特取样定理取样速率为8KHz，量化采用256个等级，则每个样本应用8位二进制数字表示，数字化的话音的速率是8×8000＝64Kbps。因此一个话音的PCM信号速率为64Kbps。对于模拟电视信号数字化，由于视频信号的带宽更宽，取样速率就要求更高。假若量化等级更多的话，对数据速率的要求也就更高了。

在网络中，常常需要用数字信道传输话音信号，这时在经过脉码调制PCM就可把模拟信号的话音信号转换成数字信号，并用数据表示出来，成为二进制数据序列，然后通过数字信道传输，此过程可以称为编码的过程。在将二进制数据序列进行反转换，即将二进制数据转换成幅度不等的量化脉冲，然后再经过滤波，就可使幅度不同的量化脉冲还原成原来的模拟信号形式的话音信号。