語(yǔ)音信號(hào)處理課件-語(yǔ)音編碼.ppt

語(yǔ)音信號(hào)的壓縮編碼,一.壓縮編碼原因,語(yǔ)音信號(hào)的壓縮編碼是研究如何降低語(yǔ)音信號(hào)編碼速率的問(wèn)題。,以語(yǔ)音信號(hào)為例，模擬形式下帶寬一般不到4KHz，經(jīng)過(guò)調(diào)制后，所需傳輸帶寬不會(huì)超過(guò)8KHz。,但是以8KHz抽樣，并且每個(gè)樣值用8位二進(jìn)制代碼表示時(shí)，即采用A率13折線PCM數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，信息速率為64Kbit/s。,利用二進(jìn)制理想基帶傳輸系統(tǒng)傳輸一路這樣的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)。所占系統(tǒng)的最小頻帶寬度為32KHz。,頻帶利用率=傳輸速率/帶寬,二.什么是語(yǔ)音壓縮編碼？,把數(shù)碼率低于64Kbit/s的語(yǔ)音編碼方法稱(chēng)為語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù),三.語(yǔ)音編碼分類(lèi),根據(jù)編碼器的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，分成三大類(lèi),波形編碼,參數(shù)編碼,混合編碼,1、波形編碼,從語(yǔ)音信號(hào)的波形出發(fā)，對(duì)波形的抽樣值、預(yù)測(cè)值、預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行編碼，它以重建語(yǔ)音波形為目的，力圖使重建波形接近原信號(hào)波形。,特點(diǎn)：利用抽樣定理，恢復(fù)原始信號(hào)的波形,優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)能力強(qiáng)，重建語(yǔ)音質(zhì)量好,缺點(diǎn)：編碼速率較高,類(lèi)型：PCM，自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM），自適應(yīng)差分編碼調(diào)制（ADPCM），自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼APC,速率通常在16-64kbit/s范圍,2.參數(shù)編碼,提取語(yǔ)音的一些特征信息進(jìn)行編碼，在收端利用這些特征參數(shù)合成語(yǔ)音。,優(yōu)點(diǎn)：編碼速率低。,缺點(diǎn)：語(yǔ)音的音質(zhì)和自然度較差，很難辨別說(shuō)話人。（有一定的可懂度),類(lèi)型:LPC線性預(yù)測(cè)編碼,速率通常是在4.8kbit/s以下,3.混合編碼,介于波形編碼和參數(shù)編碼的一種編碼。即在參數(shù)編碼的基礎(chǔ)上引入了波形編碼的一些特征。,波形編碼+參數(shù)編碼,可在4-16kbit/s范圍內(nèi)達(dá)到良好的語(yǔ)音質(zhì)量,類(lèi)型：子帶編碼,語(yǔ)音編碼技術(shù),普通編譯碼器的音質(zhì)與數(shù)據(jù)率,衡量話音編碼器的參數(shù),數(shù)據(jù)輸出速率延遲時(shí)間話音質(zhì)量?jī)r(jià)格（實(shí)現(xiàn)代價(jià)）,語(yǔ)音信號(hào)的冗余度,幅度非均勻分布樣本之間的相關(guān)性周期之間的相關(guān)性基音之間的相關(guān)性靜止系數(shù)（話音間隙）長(zhǎng)期相關(guān)性（longtermcorrelation）,t,n,xa(nT),xa(t),2.采樣：將時(shí)間連續(xù)信號(hào)變成時(shí)間離散信號(hào)。采樣頻率通常為fs8kHz。,Idealsamplingandrealsampling,對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行量化，在每一時(shí)刻對(duì)xa(nT)獨(dú)立進(jìn)行量化，把給定的幅度連續(xù)的信號(hào)變成為有限多個(gè)幅度的集合中某個(gè)幅度值的過(guò)程。,3.A/D轉(zhuǎn)換,采樣,量化,xa(t),xa(nT),x(n),xa1,x1,xk,xak,xak+1,xk+1,xL,xaL,xaL+1,x(n)=Qxa(nT),000,001,010,011,111,110,101,100,/2,量化誤差(噪聲)e(n)=x(n)-xa(nT)-/2e(n)/2,（1）假設(shè)量化噪聲是平穩(wěn)的白噪聲過(guò)程，有Ee(n)e(n+m)=（2）假設(shè)量化噪聲與輸入信號(hào)不相關(guān)，有Ee(n)x(n+m)=0m為任意值（3）在每個(gè)量化間隔上，量化噪聲均勻分布，有Pe(e(n)=,1|e(n)|/2,0其他,量化信噪比,量化噪聲的信噪比：SNR=x2/e2x2語(yǔ)音信號(hào)序列的方差，e2噪聲序列的方差，用分貝表示，SNR=10log(x2/e2）SNR=signalsenergy/noisesenergy,SNR=6.02B+4.7720log(Xmax/x)6.02B7.27Xmax表示其峰值B為量化的比特?cái)?shù)當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)的幅度服從拉普拉斯分布時(shí)，Xmax4x量化器每增加一個(gè)比特，SNR提高約6dB。當(dāng)B=8,SNR=40dB，滿(mǎn)足一般通信系統(tǒng)的要求。當(dāng)量化噪聲的信噪比達(dá)到6070dB，才能保障有高水平通話質(zhì)量，這時(shí)要求量化為1113bits。一般的音頻A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片，量化為12bits。,脈沖編碼調(diào)制（PCM）,PulseCodeModulation,PCM的量化方式,均勻量化與非均勻量化,非均勻量化,對(duì)小信號(hào)采用小的量化間隔，對(duì)大信號(hào)采用大的量化間隔，這樣可以用較少的位數(shù)編碼。對(duì)大信號(hào)來(lái)說(shuō)，雖然絕對(duì)量化誤差較大，但是因?yàn)椋海?）大信號(hào)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)不多，（2）信噪比（相對(duì)誤差）與小信號(hào)是一致的，所以對(duì)總的話音質(zhì)量影響不大。非均勻量化也是一種壓縮。,律壓擴(kuò)與A律壓擴(kuò),m律(m-Law)壓擴(kuò)(G.711)主要用在北美和日本等地區(qū)的數(shù)字電話通信中。,x為,x為輸入信號(hào)，規(guī)格化為1=x=1m為確定壓縮量的參數(shù)，它反映最大量化間隔和最小量化間隔之比，取100=m=500。,律壓擴(kuò)與A律壓擴(kuò),0=|x|=1/A,1/A=|x|=1,A律(A-Law)壓擴(kuò)(G.711)主要用在歐洲和中國(guó)大陸等地區(qū)的數(shù)字電話通信中,對(duì)于采樣頻率為8kHz，樣本精度為13位、14位或者16位的輸入信號(hào)，使用m律壓擴(kuò)編碼或者使用A律壓擴(kuò)編碼，經(jīng)過(guò)PCM編碼器之后每個(gè)樣本的精度為8位，輸出的數(shù)據(jù)率為64kb/s。這個(gè)數(shù)據(jù)就是CCITT推薦的G.711標(biāo)準(zhǔn)。,自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制原理（ADPCM）,差值脈沖編碼（DPCM）,1.編碼思想,提高通信質(zhì)量,必須,減小量化誤差,減小量化級(jí),當(dāng)抽樣值范圍確定時(shí),增加編碼位數(shù)N,增加編碼位數(shù)可獲得大的信噪比,在編碼位數(shù)固定時(shí)，減小抽樣值的變化范圍，也同樣可以提高信噪比,即：若縮小抽樣值（被編碼信號(hào)）的變化范圍，就可以在保證信噪比不變的情況下，減小編碼的位數(shù)。這就是差值編碼的中心思想,增量調(diào)制(M),增量調(diào)制(deltamodulation，DM)是一種預(yù)測(cè)編碼技術(shù)，是對(duì)實(shí)際的采樣信號(hào)與預(yù)測(cè)的采樣信號(hào)之差的極性進(jìn)行編碼，將極性變成“0”和“1”這兩種可能的取值之一。如果實(shí)際的采樣信號(hào)與預(yù)測(cè)的采樣信號(hào)之差的極性為“正”，則用“1”表示；相反則用“0”表示。DM編碼系統(tǒng)又稱(chēng)為“1位系統(tǒng)”。,二、差值編碼模型圖,在原來(lái)的抽樣值中減去某一個(gè)值，然后對(duì)兩者之差進(jìn)行編碼。在接收端將解碼值再加上發(fā)送端所減去的值便可恢復(fù)出原始值。,x(n)+d(n)c(n)d(n)x(n）-x(n)x(n)差值編碼模型,譯碼,圖中：x(n)是原始樣值（n時(shí)刻的抽樣值）x(n)為減去量d(n)=x(n)-x(n)為差值,可以看出：,（1）、d(n)越小，在相同的編碼位數(shù)時(shí)信噪比越大,（2）、收發(fā)端必須有相同的減去量x(n),根據(jù)前些時(shí)刻的樣值來(lái)預(yù)測(cè)現(xiàn)時(shí)刻的樣值，只要傳遞預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之差，而不需要每個(gè)樣值的編碼都傳。這種方法就稱(chēng)為DPCM編碼。,三、DPCM系統(tǒng),1、DPCM系統(tǒng)的概念：,舉例來(lái)說(shuō),設(shè)以1/Ts的速率對(duì)信號(hào)S（t）抽樣,在時(shí)刻前可得到，等一組樣值.以前面N個(gè)樣值作為基礎(chǔ)對(duì)的預(yù)測(cè)值是,不同時(shí)刻樣值的加權(quán)系數(shù):,根據(jù)相關(guān)性情況，可設(shè)為常量或變量,2、實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的橫向?yàn)V波器（N階預(yù)測(cè)器）,在每個(gè)抽樣時(shí)刻到來(lái)時(shí)，濾波器輸出將會(huì)給出下一個(gè)樣值的預(yù)測(cè)值。,一般來(lái)說(shuō)，在抽樣時(shí)刻t=nTs時(shí)所得的預(yù)測(cè)值與真正的樣值并不相同。,N階預(yù)測(cè)器輸出：,差值脈沖編碼就是對(duì)真正的樣值與過(guò)去的樣值為基礎(chǔ)得到的估值之間的差值進(jìn)行量化和編碼。,3、DPCM系統(tǒng)模型框圖,量化器,預(yù)測(cè)器,預(yù)測(cè)器,下張,圖中：x(n)為抽樣信號(hào)的實(shí)際值,d(n)=x(n)-x(n),圖,x(n)=x(n)+d(n),該系統(tǒng)的量化誤差可以表示為：,e(n)=x(n)-x(n),=d(n)+x(n)-x(n)+d(n),=d(n)-d(n),上式表明：系統(tǒng)的傳輸誤差就是差值（）的量化誤差,4、DPCM系統(tǒng)的抗噪聲性能分析,系統(tǒng)信噪比定義為：,=,=,預(yù)測(cè)器增益,量化器的量化信噪比,GP1,預(yù)測(cè)器有增益,加預(yù)測(cè)器后反而不利,GP：DPCM系統(tǒng)相對(duì)于PCM系統(tǒng)而言的信噪比增益。,量化器產(chǎn)生的信噪比,即非預(yù)測(cè)的PCM系統(tǒng)的量化信噪比,提高系統(tǒng)信噪比采取的措施,減小,x(n)精確,d(n),d(n)=x(n)-x(n),最佳預(yù)測(cè),量化誤差,最佳量化,小結(jié),一.壓縮編碼的原因二.什么是語(yǔ)音壓縮編碼三.語(yǔ)音編碼分類(lèi)ADPCM系統(tǒng)DPCM一.差值編碼思想二.差值編碼系統(tǒng)模型圖三.DPCM系統(tǒng)1.概念2.預(yù)測(cè)器模型圖3.DPCM系統(tǒng)模型4.DPCM系統(tǒng)的抗噪聲性能分析,自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）,1、實(shí)質(zhì)：DPCM+自適應(yīng)量化和自適應(yīng)預(yù)測(cè),固定預(yù)測(cè)固定量化,2、定義,能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)預(yù)測(cè)功能，或者自適應(yīng)量化功能或者同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種自適應(yīng)功能的DPCM系統(tǒng)稱(chēng)為ADPCM系統(tǒng)。,3.設(shè)計(jì)的目的,ADPCM充分利用了語(yǔ)音波形的統(tǒng)計(jì)特征和人耳聽(tīng)覺(jué)特性,其設(shè)計(jì)思路主要瞄準(zhǔn)了兩個(gè)目標(biāo):,a:盡可能去掉語(yǔ)音信號(hào)中的冗余信號(hào),b:以有效的方式將可用比特分配給語(yǔ)音信號(hào),對(duì)消除冗余后的信號(hào),從自適應(yīng)角度進(jìn)行最佳編碼,1.1預(yù)測(cè)的自適應(yīng),(1).極點(diǎn)預(yù)測(cè)器,1.預(yù)測(cè)器的結(jié)構(gòu),(用重建信號(hào)x(n)進(jìn)行的預(yù)測(cè)）,+,量化器,預(yù)測(cè)器,+,X(n),X(n),d(n),d(n),編碼,X(n),P（Z）,X（n）,a:極點(diǎn)預(yù)測(cè)器的方框圖,b:預(yù)測(cè)器傳遞函數(shù)P(z),N階預(yù)測(cè)器公式：,X(n)=,進(jìn)行Z變換后得：,則預(yù)測(cè)器的傳遞函數(shù)為：,為預(yù)測(cè)系數(shù),c:重建濾波器,+,預(yù)測(cè)器,x(n),x(n),X(n),d(n),H(Z),重建濾波器,=,分析：,=,=,（）一階最佳線性預(yù)測(cè),求最佳預(yù)測(cè)系數(shù)h1,N=1時(shí)；,X(n)=,h1x(n-1),則差值信號(hào)為：,d(n)=x(n)-h1x(n-1),+,Ed(n)=,2,=Ex(n)-h1x(n-1),2,=,2,-,=,2,求使,最小的h1的值,2,令,得最佳預(yù)測(cè)系數(shù)h1opt=p1,當(dāng)N=1時(shí)的最大預(yù)測(cè)增益為：,b.二階線性預(yù)測(cè)（N=2）,d(n)=x(n)-h1x(n-1)-h2x(n-2),令,得最佳h1,h2,大于或者等于零,故二階預(yù)測(cè)器總是優(yōu)于一階預(yù)測(cè)器,C：N階最佳線性預(yù)測(cè),求偏微分，并令為零,所以得到一組線性方程,差值信號(hào)在預(yù)測(cè)系數(shù)取最佳值時(shí)最小,最佳預(yù)測(cè)增益,2.自適應(yīng)預(yù)測(cè),1)前向自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法,根據(jù)短時(shí)間的相關(guān)特性R(i),求短時(shí)的最佳預(yù)測(cè)系數(shù),特點(diǎn):運(yùn)算量大，延遲時(shí)間大，不能用于高速系統(tǒng)。,采用不斷修正預(yù)測(cè)系數(shù)hi(n)的方法來(lái)減小瞬時(shí)平方差Ed(n),使hi(n)逐步的接近hiopt(n).,2）后向序貫自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法,2,LMS算法（最小均方算法）,梯度系數(shù)，它決定了預(yù)測(cè)系數(shù)自適應(yīng)速率,梯度符號(hào)算法,極點(diǎn)預(yù)測(cè)器,零點(diǎn)預(yù)測(cè)器,衰減因子(抗誤碼因子),1.2量化的自適應(yīng),1、最佳量化,分層電平為相鄰量化電平的中點(diǎn),量化電平是該量化間隔內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)的瞬時(shí)電平值,固定量化器+可變?cè)鲆娣糯笃?2、自適應(yīng)量化的基本思想,自適應(yīng)量化的基本思想是使量化器的量化級(jí)（階距）能夠隨著輸入信號(hào)d(n)瞬時(shí)值得變化作自適應(yīng)調(diào)整，從而使量化誤差的均方值最小。,即:自適應(yīng)量化指量化臺(tái)階隨信號(hào)變化而變化，使量化誤差減小,3、實(shí)現(xiàn)方法,前向自適應(yīng)量化（AQF),優(yōu)點(diǎn)：量化誤差小，信噪比大,缺點(diǎn)：量階的信息要與話音信號(hào)一起送到收端譯碼器，否則，收端無(wú)法知道該時(shí)刻的量階值,優(yōu)點(diǎn)：接收端不需要量階的信息，因?yàn)榱侩A的信息可以從接收碼中提取，碼速率低，實(shí)現(xiàn)容易。,后向自適應(yīng)量化(AQB),缺點(diǎn)：因?yàn)榱炕`差影響量化值得準(zhǔn)確度，即信噪比下降，