數(shù)字通信第三章

1、第三章第三章 語音信號的壓縮編碼語音信號的壓縮編碼 2 3 1 適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制ADPCMADPCM 差值脈沖編碼調(diào)制差值脈沖編碼調(diào)制DPCMDPCM 2 3 4 子帶編碼子帶編碼SBCSBC、參量編碼、參量編碼 GSMGSM及及IPIP電話系統(tǒng)語聲編碼電話系統(tǒng)語聲編碼 技術(shù)的應(yīng)用及標準技術(shù)的應(yīng)用及標準 第三章課堂作業(yè)第三章課堂作業(yè) 1. 回答什么是DPCM? 2. 什么叫做預(yù)測編碼,分析零點預(yù)測和極點預(yù) 測機制,畫出編解碼框圖和對應(yīng)的預(yù)測器. 3. 畫出DPCM系統(tǒng)框圖. 4. DPCM系統(tǒng)是否優(yōu)于PCM系統(tǒng)?從DPCM系統(tǒng) SNR上進行分析,并說明什么是Gp和SNR

2、q. 5. 什么叫做最佳預(yù)測?最佳預(yù)測如何反映? 6. 什么叫做最佳量化?最佳量化如何反映? 第一節(jié)第一節(jié) 差值脈沖編碼調(diào)制差值脈沖編碼調(diào)制DPCMDPCM DPCM原理及實現(xiàn) DPCM就是考慮利用語聲信號的相關(guān)性找出可反映 信號變化特征的一個差值量進行編碼的。 差值編碼一般是以預(yù)測的方式來實現(xiàn)的。 定義：對差值序列進行量化編碼的方法 基本原理 發(fā)端：將樣值序列轉(zhuǎn)化為差值序列發(fā)端：將樣值序列轉(zhuǎn)化為差值序列 從前從前n個差值序列中估算出個差值序列中估算出 第第n個樣值個樣值 收端：將差值序列還原成樣值序列收端：將差值序列還原成樣值序列 預(yù)測實現(xiàn) 當(dāng)由冗余性信號的一部分就可以對區(qū)域部分進行推 斷和

3、估計： 預(yù)測編碼：語音信號的相鄰楊值點間存在幅度相關(guān) 性，根據(jù)前些時刻的樣值來預(yù)測現(xiàn)時刻的樣值，只 要傳輸樣值與預(yù)測值之差，不需要對每個樣值都傳 輸，接收端把差值疊加在預(yù)測序列上，就可恢復(fù)原 始序列. N i ssiss iTnTxwnTxnTx 1 )()()(的預(yù)測值是： 圖圖2.42 實現(xiàn)預(yù)測的橫截濾波器實現(xiàn)預(yù)測的橫截濾波器 圖2.43是DPCM實現(xiàn)的原理框圖。如前面所述， DPCM方式的發(fā)送端就是將現(xiàn)有樣值與預(yù)測值之差進行量 化編碼的方式來實現(xiàn)的，而在接收端為了恢復(fù)原信號也 必須進行與發(fā)送端相同的預(yù)測。 由輸入信號預(yù)測的DPCM系統(tǒng) 預(yù)測值根據(jù)輸入的信號預(yù)測得出 N i i Tsins

4、hnTcs)()( 由解碼信號預(yù)測的由解碼信號預(yù)測的DPCM系統(tǒng)系統(tǒng) 由解碼信號預(yù)測的DPCM系統(tǒng) 解碼器將歷史編碼還原成樣值輸入給預(yù)測器， 進行現(xiàn)值預(yù)測。 一、自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制ADPCM 自適應(yīng)量化的基本思想是：讓量化間隔(t) 的變化，與輸入信號方差相匹配，即量化器 階距隨輸入信號的方差而變化，它正比于量 化器輸入信號的方差。 第二節(jié)第二節(jié) 自適應(yīng)差值脈沖編碼自適應(yīng)差值脈沖編碼 調(diào)制調(diào)制ADPCMADPCM 自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制ADPCMADPCM 原理 自適應(yīng)量化比非自適應(yīng)量化的S/N改善4 7dB； 自適應(yīng)預(yù)測使差分PCM的S/N改善達610dB，將 以上兩種技術(shù)

5、結(jié)合在一起，可進一步壓縮數(shù)碼率 。 作用 S/N進一步提高； 在較低編碼位數(shù)情況下取得滿意通信質(zhì)量。 自適應(yīng)量化自適應(yīng)量化 基本原理 對輸入信號的瞬時功率加以監(jiān) 測，并 隨時改變量化器量化級差大小，使之 “匹配”信號的變化。 分類 前向自適應(yīng) 后向自適應(yīng) 圖圖2.44前饋自適應(yīng)量化前饋自適應(yīng)量化ADPCM 前向自適應(yīng) 圖圖2.45反饋自適應(yīng)量化反饋自適應(yīng)量化ADPCM 后向自適應(yīng) 自適應(yīng)預(yù)測自適應(yīng)預(yù)測 圖圖2.46 固定和自適應(yīng)固定和自適應(yīng)DPCM系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能 二、32kbit/sADPCM系統(tǒng) 1984年ITU-T公布了G.721 32kbit/s ADPCM 標準，并于1986年做了進

6、一步的修改。 圖圖2.47G.721 32kbit/s ADPCM工作原理框圖工作原理框圖 三、 單片集成ADPCM編解碼器 1. MC145532 ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器 (1) 技術(shù)特點 滿足ITU-T建議G.7211988； 全雙工、單信道工作； 選擇引腳律或A律編碼； 同步或異步工作； 容易與摩托羅拉的PCM編解碼器、濾波器等接口； 串行PCM和ADPCM數(shù)據(jù)傳輸速率為64kbit/s 5120kbit/s； 省電能力用于低電流的消耗； 簡單時隙分配定時用于代碼轉(zhuǎn)換器； 單5V電源。 (2) MC145532引腳符號與功能 (3) 應(yīng)用電路 圖圖2.48 MC145532引腳排列圖引腳排

7、列圖 圖圖2.49 MC145532ADPCM應(yīng)用電路應(yīng)用電路 2. MC145540ADPCM編/解碼器 (1) 技術(shù)特點 單電源工作(2.75.25V)； 3V時典型功耗為60mW，省電時為15W； 最小噪音的差分模擬電路設(shè)計； 完全律或A律壓擴PCM編解碼器濾波器； 64，32，24和16kbit/s數(shù)據(jù)率ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器； 通用可編程雙音頻發(fā)生器； 可編程發(fā)送增益、接收增益和側(cè)音增益； 用于與話筒接口的低噪聲、高增益、三端輸入運算 放大器； (2) MC145540引腳符號與功能 (3) 應(yīng)用電路 圖圖2.50 MC145540引腳排列圖引腳排列圖 圖圖2.51 MC14550手持

8、機應(yīng)用電路手持機應(yīng)用電路 第三節(jié)第三節(jié) 子帶編碼子帶編碼SBCSBC 一、 子帶編碼的基本概念及工作原理 子帶編碼是首先將輸入信號分割成幾個 不同的頻帶分量，然后再分別進行編碼， 這類編碼方式稱為頻域編碼。 把語聲信號分成若干子帶進行編碼主要 的優(yōu)點。 子帶編碼實現(xiàn)的原理框圖如圖2.52所示。在 子帶編碼中，用帶通濾波器將語聲頻帶分割 為若干個子帶，每個子帶經(jīng)過調(diào)制將各子帶 變成低通型信號(圖中未畫出)。這樣就可使抽 樣速率降低到各子帶頻寬的兩倍。 圖圖2.52 子帶編碼原理方框圖子帶編碼原理方框圖 二、 子帶編碼的比特分配及編碼速率 在子帶編碼中，各子帶的帶寬Bk可以是相同 的，也可以是不同

9、的。前者稱為等帶寬子帶 編碼，后者稱為變帶寬子帶編碼。等帶寬子 帶編碼的優(yōu)點是易于用硬件實現(xiàn)，也便于進 行理論分析。在這種情況下帶寬Bk等于 Bk=B=B/m 式中，k=1,2,3,m,m是子帶總數(shù)，B是編碼 信號總的帶寬。 三、 子帶的劃分 語聲信號各子帶的帶寬應(yīng)考慮到各頻段對主觀聽 覺貢獻相等的原則做合理的分配。 四、 16、24、32kbit/s電話語聲子帶編碼 該標準采用三種編碼速率，即48、56及64kbit/s。 輸入語聲信號帶寬為507000Hz，分成兩個等寬 的子帶。 第四節(jié)第四節(jié) 參量編碼參量編碼 參量編碼的原理和設(shè)計思想與波形編碼完全不 同。波形編碼的基本思路是忠實地再現(xiàn)話

10、音的 時域波形，為了降低比特率，可充分利用抽樣 點之間的信息冗余性對差分信號進行編碼，在 不影響話音質(zhì)量的前提下，比特率可以降至 32kbit/s。 一、 語聲形成機理及語聲信號分析 語聲形成的大致過程可如圖2.54所示。 從語聲信號分析可知，音素分為兩類：伴 有聲帶振動的音稱為濁音；聲帶不振動的 音稱為清音。 圖圖2.54 語聲形成過程語聲形成過程 1. 濁音與基音 濁音又稱有聲音，語聲發(fā)聲時聲帶在氣流的 作用下激勵起準周期的聲波，如圖2.55所示。 由圖可見濁音聲波具有明顯的準周期特性， 這一準周期音稱為基音，其基音周期為4 18ms相當(dāng)于基音頻率在50250Hz范圍內(nèi)。 圖2.55 波音

11、聲波波形圖 圖圖2.56 濁音頻譜示意濁音頻譜示意 2. 清音 清音又稱無聲音。 圖圖2.57 清音波形圖清音波形圖 清音沒有周期特性，典型的清音波形頻譜如圖 2.58所示。從清音的頻譜分析可知，清音中不含 具有周期或準周期特性的基音及其諧波成分。 圖2.58 清音頻譜示意 3. 語聲信號產(chǎn)生模型 圖圖2.59 語聲信號產(chǎn)生模型語聲信號產(chǎn)生模型 二、 線性預(yù)測編碼(LPC)的基本概念 在發(fā)送端，原始語聲輸入A/D變換器，以8kHz速率 抽樣并變換成數(shù)字化語聲。然后以每180個樣值為 一幀(幀周期22.5ms)，以幀為處理單元逐幀進行線 性預(yù)測系數(shù)分析，并作相應(yīng)的清/濁音判決和基音 提取，最后把

12、這些參量進行量化、編碼并送入信 道傳送。 圖圖2.60 線性預(yù)測線性預(yù)測LPC編譯碼方框圖編譯碼方框圖 在接收端，經(jīng)參量解碼分出參量ai、G 、P和u/v等。G、P以及u/v用作語聲信號的合成產(chǎn) 生，ai用作形成合成濾波器的參數(shù)。最后將 合成產(chǎn)生的數(shù)字化語聲信號再經(jīng)D/A變換即還原 為接收端合成產(chǎn)生的語聲信號。 圖2.61所示是簡化的LPC原理框圖。 圖圖2.61 簡化簡化LPC原理框圖原理框圖 三、 線性預(yù)測合成分析編碼 1. 結(jié)構(gòu)原理 激勵生成器產(chǎn)生的激勵信號經(jīng)線性預(yù)測器 后得到重構(gòu)的話音信號(i)，線性預(yù)測器模擬聲 道特性，加強了激勵信號的某些頻率域，減弱 了另一些頻率域，體現(xiàn)了語聲信號

13、的短時相關(guān) 性。激勵信號則體現(xiàn)了語聲信號的長時相關(guān)性 ，輸入線性預(yù)測器的激勵信號是量化后的增益 和基音信號。 圖圖2.62 LPAS聲碼器原理結(jié)構(gòu)聲碼器原理結(jié)構(gòu) 2. 激勵信號生成及表示 激勵信號的產(chǎn)生有如下幾種： (1) 多脈沖激勵(MPE) (2) 規(guī)則脈沖激勵(RPE) (3) 碼本激勵 激勵信號最終要量化后以二進制的形式發(fā)送出 去。量化有兩種類型。一種是標量量化，也就 是對每個參數(shù)獨立地進行量化，然后通過組合 確定參數(shù)集。另一種是矢量量化，也就是將所 有參數(shù)組合起來作為一個整體進行量化，在數(shù) 學(xué)上就用矢量來表示參數(shù)的組合。 第五節(jié)第五節(jié) GSMGSM及及IPIP電話系統(tǒng)語聲編碼技術(shù)的應(yīng)用