DPCM編碼的原理ppt課件

1、1DPCM編碼的原理 DPCM采用預(yù)測編碼的方式傳輸信號，所謂預(yù)測編碼就是根據(jù)過去的信號樣值來預(yù)測下一個信號樣值，并僅把預(yù)測值與現(xiàn)實樣值的差值加以量化，編碼后進行數(shù)字信號傳輸。在接收端經(jīng)過和發(fā)送端相同的預(yù)測操作，低通濾波器便可恢復出與原始信號相近的波形。 DPCM是采用固定預(yù)測器與固定量化器的差值脈沖調(diào)制，它是分析ADPCM工作原理的基礎(chǔ)。2DPCM編碼的原理發(fā)送端量化器編碼器預(yù)測器+-)(ndq)(nd)(ns)(nI)(nsp)(nsr的代碼。是是量化后的差值信號，積累。構(gòu)可以避免量化誤差的采用這種結(jié)系統(tǒng)是一個反饋系統(tǒng)，中產(chǎn)生的量化誤差。來補償過去編碼信號進行量化編碼，用實際上就是對這個差

2、值系統(tǒng)。為差值信號或余量信號是預(yù)測誤差信號，也稱是預(yù)測語音信號，入信號。下一個信號估計值的輸預(yù)測器確定是重建語音信號，作為是輸入語音信號，)()()()()()()(ndnIndDPCMDPCMndnsnsnsqqpr3DPCM編碼的原理接收端解碼器預(yù)測器+)( nI)(ndq)(nsp)(nsr4DPCM編碼的原理 在DPCM系統(tǒng)中，采用線性預(yù)測的方法得到預(yù)測信號，可以采用N階全極點預(yù)測器，預(yù)測信號由前n時刻之前的P個重建語音樣點線性組合得到。 重建信號：piiinxax1)(piiinxanenxnenx1)()( )()( )(5DPCM編碼的原理 其Z變換形式為： H(Z)稱為重構(gòu)濾波

3、器，是一個全極點濾波器。除了全極點預(yù)測器外，DPCM也可以采用全零點預(yù)測器或者零極點預(yù)測器。)()()(11)(1ZEZHZEZaZXpiii6DPCM編碼的原理全零點預(yù)測器量化器)(ns+-)(nspMjqjjndb1)()(ndq)(nd)(nsr)(nspMjqjjndb1)()(ndq7DPCM編碼的原理全零點預(yù)測器 對于全零點預(yù)測器，預(yù)測信號由n時刻之前的M個量化后的差值信號線性組合得到： 重建信號為： 重建濾波器為MiqjpjndbnS1)()(MjqjqpqrjndbndnSndnS1)()()()()(MjjjZbZH11)(8DPCM編碼的原理零極點預(yù)測器量化器+-)(nd)

4、(nsr)(nsp)(ndq)(nsMjqjjndb1)(Niriinsa1)(9DPCM編碼的原理零極點預(yù)測器)(nsr)(nspMjqjjndb1)()(ndqNiriinsa1)(10DPCM編碼的原理零極點預(yù)測器 對于零極點混合預(yù)測器： 重建信號為： 重建濾波器為：MjqjNiripjndbinsans11)()()(MjqjNiriqqprjndbinsandndnsns11)()()()()()(NiiiMjjjZaZbZH1111)(11ADPCM編碼 G.711使用A律或律PCM方法對采樣率為8kHz的聲音數(shù)據(jù)進行壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)率為64kb/s。為了充分利用線路資源，而又不

5、明顯降低傳送話音信號的質(zhì)量，就要對它作進一步壓縮，方法之一就是采用ADPCM。 ADPCM綜合了APCM的自適應(yīng)特性和DPCM系統(tǒng)的差分特性，是一種性能比較好的波形編碼。它的核心想法是：利用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小，即用小的量化階去編碼小的差值，使用大的量化階去編碼大的差值；用過去的樣本值估算下一個輸入樣本的預(yù)測值，使實際樣本值和預(yù)測值之間的差值總是最小。 接收端的譯碼器使用與發(fā)送端相同的算法，利用傳送來的信號來確定量化器和逆量化器中的量化階大小，并且用它來預(yù)測下一個接收信號的預(yù)測值。12ADPCM編碼 ADPCM編碼技術(shù)能根據(jù)接收到的語音信號波形來預(yù)測下一個語音信號，這樣它只需編碼每一個

6、接收信號中與之不同的部分，從而減少編碼的位長。 其編碼的過程是這樣的：ADPCM編碼器接收到每秒8000次的語音信號抽樣值。每接收到一個語音信號，它根據(jù)語音信號的PCM編碼按照一定算法得到下次信號的預(yù)測值。最簡單的預(yù)測方式就是把上次的語音信號的PCM編碼值與上次的預(yù)測值進行對比，得到一個信號的差值，這個差值可以用很少的位長來表示。13CCITT G.721 32kb/s ADPCM CCITT推薦的G.721ADPCM標準是一個代碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。它使 用ADPCM轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)64kb/s A律或律PCM速率和32kb/s速率的ADPCM之間的相互轉(zhuǎn)換。G.721算法的話音質(zhì)量接近于A律或律64k

7、b/s PCM的話音質(zhì)量，MOS分為4.1，達到網(wǎng)絡(luò)等級。采樣頻率為8KHz，每個樣點采用4比特編碼。CCITT G.721 32kb/s ADPCM 主要用來實現(xiàn)對現(xiàn)有的PCM信道擴容，把2個2048kb/s 30路PCM基群信號轉(zhuǎn)換為一個2048kb/s 60路ADPCM信號。因此對ADPCM編碼器輸出和輸入都是采用A律或者律的PCM信號。14G.721 32kb/s ADPCM-編碼器輸入格式轉(zhuǎn)換差值信號計算自適應(yīng)量化自適應(yīng)逆量化自適應(yīng)預(yù)測器量化器自適應(yīng)定標因子自適應(yīng)速度控制單頻與瞬變檢測重建信號計算器PCM碼輸入)(nc)(nsl)(nd)(nIADPCM輸出)(ndq)(nsp)(n

8、sr)(2na)(ntr)(ntd)(ny)(nal在編碼器中先將輸入的8位PCM碼轉(zhuǎn)換為14位線性碼同預(yù)測信號相減產(chǎn)生差值信號對差值信號進行自適應(yīng)量化產(chǎn)生4比特的ADPCM代碼I(n) 一方面把I(n)送給解碼器， 另一方面利用I(n)進行本地解碼，得到量化后的差值信號，同預(yù)測信號相加得到重建信號。自適應(yīng)預(yù)測器采用二階極點，六階零點的混合預(yù)測器為了使量化能適應(yīng)語音、帶內(nèi)數(shù)據(jù)以及信令等具有不同統(tǒng)計特性以及不同幅度的輸入信號，自適應(yīng)要依據(jù)輸入信號的特性自動改變自適應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)來控制量階，這一功能由量化器定標因子自適應(yīng)、自適應(yīng)速度控制、單頻以及瞬變檢測等功能單元完成。15G.721 32kb/s A

9、DPCM-解碼器輸出格式轉(zhuǎn)換自適應(yīng)逆量化自適應(yīng)預(yù)測器量化器自適應(yīng)定標因子自適應(yīng)速度控制單頻與瞬變檢測重建信號計算器ADPCM碼輸入)(nI)(ndq)(nsr)(ntr)(ntd)(ny)(nal同步編碼調(diào)整)(nsPCM)(nsd)(nyl解碼器的解碼過程實際已經(jīng)包含在編碼過程中，但是增加了線性碼到PCM碼的轉(zhuǎn)換和同步編碼調(diào)整單元。同步編碼調(diào)整的作用是防止多級同步級聯(lián)編碼工作時產(chǎn)生誤差積累，以保持較高的轉(zhuǎn)換質(zhì)量。16G.721 ADPCM-自適應(yīng)量化G.721算法是針對采用16比特字長、定點運算的硬件實現(xiàn)來設(shè)計的。為了使自適應(yīng)量化器有較大的動態(tài)范圍以及將乘除運算轉(zhuǎn)換為加、減運算，自適應(yīng)量化在

10、對數(shù)域中進行。取對數(shù)后：歸一化信號采用15電平非均勻量化器量化)(log)(2ndndl)()()(lnnyndndl歸一化信號)(log)(2nny稱為量化器定標因子17G.721 ADPCM-自適應(yīng)量化歸一化輸入輸出代碼I(n) 歸一化輸出73.3262.9152.5242.1331.6621.0510.0310-,12. 312. 3,72. 272. 2 ,34. 234. 2 ,91. 1 91. 1 ,38. 1 38. 1 ,98. 098. 0 ,62. 062. 0 ,18G.721 ADPCM-自適應(yīng)量化自適應(yīng)逆量化是自適應(yīng)量化的逆過程，先進行：再作指數(shù)運算，加上d(n)的

11、符號位，得到量化后的預(yù)測余量信號。)()()(logln2nyndndqqA律或律PCM輸入信號轉(zhuǎn)換成均勻的PCM。差分信號等于均勻的PCM輸入信號與預(yù)測信號之差?！白赃m應(yīng)量化器”用4位二進制數(shù)表示差分信號，但只用其中的15個數(shù)(即15個量級)來表示差分信號，這是為防止出現(xiàn)全“0”信號?！澳孀赃m應(yīng)量化器”從這4位相同的代碼中產(chǎn)生量化差分信號。預(yù)測信號和這個量化差分信號相加產(chǎn)生重構(gòu)信號?！白赃m應(yīng)預(yù)測器”根據(jù)重構(gòu)信號和量化差分信號產(chǎn)生輸入信號的預(yù)測信號，這樣就構(gòu)成了一個負反饋回路。19量化器的自適應(yīng)定標因子 G.721的量化器定標因子采用運算量小，性能好的抗擾乘子自適應(yīng)算法。其特點是能按照輸入信號

12、統(tǒng)計特性改變量化器的自適應(yīng)速度，對短時能量變化較快的語音信號采用快速自適應(yīng)，對短時能量變化較慢的帶內(nèi)數(shù)據(jù)信號等采用慢速自適應(yīng)。 快速非鎖定標度因子能夠隨量化情況較快的變化，適應(yīng)于短時能量變化較快的語音信號。20量化器的自適應(yīng)定標因子 控制量階大小的定標因子為： 是自適應(yīng)速度控制參數(shù)，是通過I(n)幅度的長、短時平均值的差求出的，反映了預(yù)測余量信號的變化率。取值范圍為：0,1。對于語音信號，趨向于1，為快速自適應(yīng)，對于平穩(wěn)信號，趨向于0，為慢速自適應(yīng)。) 1()(1 ) 1()()(nynanynanyllul)(nal21自適應(yīng)預(yù)測 為了使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，并且對各類輸入信號都能有較好的預(yù)測效

13、果，預(yù)測器采用6階零點，2階極點預(yù)測器，預(yù)測信號為： 重建信號為：6121)() 1()() 1()(jqjiipjndnbinsnans)()()(ndnsnsqpr22單頻和瞬變檢測一些調(diào)制解調(diào)器采用的是FSK信號，其模型：如果用ADPCM傳輸這種信號，當信號從一個頻率跳變到另一個頻率時，預(yù)測系數(shù)仍停留在一個頻率狀態(tài)，預(yù)測增益很小。G.721采用單頻和瞬變監(jiān)測器，分兩步處理這種情況。第一步判斷是否傳輸?shù)氖菃晤l信號， 如果是，則驅(qū)動量化器向快速自適應(yīng)量化轉(zhuǎn)化；第二步檢測是否有窄帶信號瞬變，如果發(fā)生了頻率瞬變，強制量化器處于快速自適應(yīng)狀態(tài)，)cos()(twAtsi”碼時當數(shù)據(jù)為“”碼時當數(shù)據(jù)

14、為“0121wwwi23同步編碼調(diào)整 同步編碼調(diào)整是指在數(shù)字等級上實現(xiàn)PCM和ADPCM之間的轉(zhuǎn)接。G.721采用同步調(diào)整的方法減少多次同步級聯(lián)時的誤差積累。 同步編碼調(diào)整的思想：在同步級聯(lián)中，如果每次ADPCM編出的碼字都相同就不會出現(xiàn)誤差積累。 在ADPCM解碼器中對輸出的PCM碼進行調(diào)整，使下一級ADPCM編出的碼字與這一級輸入的ADPCM碼字相同。24同步編碼調(diào)整工作的原理重建信號首先轉(zhuǎn)換為PCM碼，再進行逆轉(zhuǎn)換重新轉(zhuǎn)換為線性碼，然后計算差值信號，對差值信號進行量化。根據(jù)判斷 和 是否相同來確定真正的解碼器輸出的PCM碼這種調(diào)整方法是以兩級ADPCM處于同一工作狀態(tài)為前提的。)(nId

15、x)(nI)()()()()()()()()()(nInInsnInInsnInInsnSdxPCMdxPCMdxPCMd碼幅度高一個量化電平的是比PCMnsnsPCMPCM)()(PCM編碼PCM解碼相減log量化同步調(diào)整)(nsr)(nsPCM)(nslx)(ndx)(ndlx)(nsp)(nI)(nsdA律或U律A律或U律A律或U律)(nIdx25ADPCM G.721 ADPCM編譯碼器的輸入信號是G.711 PCM代碼，采樣率是8kHz，每個代碼用8位表示，因此它的數(shù)據(jù)率為64kb/s。而G.721 ADPCM的輸出代碼是“自適應(yīng)量化器”的輸出，該輸出是用4位表示的差分信號，它的采樣

16、率仍然是8kHz，它的數(shù)據(jù)率為32kb/s，這樣就獲得了21的數(shù)據(jù)壓縮。26子帶編碼（SBC） PCM，DPCM都是不對輸入信號頻帶做任何分割的前提下，在時域中進行的處理，這類編碼方式稱為整帶時域編碼。 子帶編碼首先使用帶通濾波器組將輸入信號分割成幾個不同的子帶信號，再對這些子帶信號分別進行頻譜平移，然后分別對各子帶進行量化、編碼，這類編碼方式稱為頻域編碼。頻域編碼將信號分解成不同頻帶分量的過程去除了信號的多余度，得到一組不相關(guān)的信號。27子帶編碼的優(yōu)點 把語音信號分割為若干子帶進行編碼的主要優(yōu)點： 如果對不同的子帶合理分配比特數(shù)，就可能分別控制各子帶的量化電平數(shù)目以及相應(yīng)的重建信號的量化誤差

17、，使誤差譜的形狀適應(yīng)人耳聽覺特性，得到更好的主觀聽覺質(zhì)量。由于語音的基音和共振峰主要集中在低頻段，所以對低頻段采用較多的比特數(shù)來表示樣值，而高頻段則采用較少的比特數(shù)。 子帶編碼的另一個優(yōu)點是各個子帶內(nèi)的量化噪聲相互獨立，可以避免輸入電平較低的子帶信號被其他子帶的量化噪聲所淹沒。28子帶編碼的應(yīng)用 子帶編碼已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在語音和音頻編碼中。在語音通信中,1632kb/s的子帶編碼能給出高質(zhì)量的重建語音，在9.6kb/s的速率上，能得到中等的通信質(zhì)量。 子帶編碼存在的問題是編解碼的延時比較長，約在幾10100ms之間，這主要是濾波器組的延時造成的，這種延時對于一些通信系統(tǒng)是不能接受的，因此子帶編碼

18、主要用于聲頻存儲、數(shù)字聲廣播以及一些允許延時較長的電話傳輸系統(tǒng)中。29子帶編碼的工作原理帶通濾波頻率搬移量化編碼帶通濾波頻率搬移量化編碼量化編碼頻率搬移帶通濾波合路112 wfs222 wfsMw1w2w首先用一組帶通濾波器將輸入信號分成若干子帶信號，然后將這些子帶信號通過頻率搬移變成基帶信號，再對它們分別進行采樣，量化編碼后再將子帶的信碼合路成一個總信碼傳輸?shù)浇邮斩?。量化編碼可以采用PCM、DPCM等方式。30子帶編碼的工作原理帶通濾波頻率搬移譯碼帶通濾波頻率搬移譯碼譯碼頻率搬移帶通濾波分路112 wfs222 wfsMw1w2wMsMwf 2在接收端，把總信碼分成各子帶信碼，再進行插值，頻

19、率搬移到原來的位置，帶通濾波然后相加得到重建信號。31子帶編碼的工作原理各子帶的帶寬可以是相同的也可以是不相同的，相同的稱為等帶寬子帶編碼，不同的稱為變帶寬子帶編碼。等帶寬子帶編碼的優(yōu)點是便于硬件實現(xiàn)。變帶寬編碼中，常用的子帶劃分方法是令各子帶的寬度隨頻率的增加而增加。也就是低頻子帶寬度較窄，高頻寬度較大。這種劃分方法不僅和語音信號的功率相匹配，也和語音信號的可懂度或清晰度隨頻率變化的關(guān)系相匹配。語音信號頻帶中具有相同帶寬的子帶對語音可懂度的影響不同，低頻的影響大一些，高頻的影響小一些。在等帶寬分割時，對不同子帶分配不同的比特數(shù)，等帶寬編碼也能獲得比較好的重建語音質(zhì)量。32線性預(yù)測編碼（LPC

20、） 語音信號存在兩種相關(guān)性： 樣點之間的短時相關(guān)性； 相鄰基音周期之間的長時相關(guān)性。 聲碼器（Vocoder）是聲音編碼的簡稱。但通常它僅指低傳輸數(shù)碼率（約2.4Kbps/s左右）的、傳輸?shù)氖怯邢迋€語音參數(shù)的這一類語音編碼器。它主要用于窄帶信道的語音通信中。為了達到如此低的傳輸數(shù)據(jù)率，聲碼器只能提取和傳送那些攜帶聽覺上最重要部分信息的參數(shù)，同時必須對它們進行高效的編碼才行。聲碼器中比較有價值的是線性預(yù)測聲碼器，這是因為它較好的解決了傳輸數(shù)碼率與所得到的語音質(zhì)量之間的矛盾。33線性預(yù)測編碼 利用線性預(yù)測（LPC）方法對語音信號進行兩種相關(guān)性的去相關(guān)處理后，得到的是預(yù)測余量信號。 如果用預(yù)測余量信

21、號作為激勵信號源，輸入長時預(yù)測綜合濾波器1/P(Z)，再將其輸出作為短時預(yù)測綜合濾波器1/A(Z)的輸入， 即可在輸出端得到合成語音信號。激勵發(fā)生器1/A(Z)1/P(Z)合成語音34語音的短時預(yù)測 語音信號的短時相關(guān)性（譜包絡(luò)）可以用一個全極點模型來描述，其傳遞函數(shù)為： 預(yù)測系數(shù)從語音信號中利用線性預(yù)測分析的方法計算得到，預(yù)測系數(shù)隨時間逐幀更新，更新速率為30100次/秒。piiiZaZAZH111)(1)(線性預(yù)測綜合濾波器LP分析濾波器或綜合濾波器35語音信號的長時預(yù)測 濾波器1/P(Z)是表示語音信號長時相關(guān)性（譜的精細結(jié)構(gòu)）的模型，形式一般為： 延時參數(shù)D就是基音周期。bi是語音信號

22、的長時預(yù)測系數(shù)，通常長時預(yù)測系數(shù)的個數(shù)取1(q=r=0)到3(q=r=1)之間，延時參數(shù)和長時預(yù)測系數(shù)可以從語音信號中直接提取，也可以從去除了短時相關(guān)性所得的余量信號中提取，這些系數(shù)隨時間更新，更新速率為50200次/秒。rqiiDiZbZP)(11)(136激勵信號源 求得短時和長時預(yù)測信號后，將語音信號輸入短時和長時線性預(yù)測逆濾波器A(Z)和P(Z)中，可以去除語音信號的短時和長時相關(guān)性，在其輸出端得到類似噪聲的波形，即LP余量信號。 對于濁音段，余量信號中往往還存在以基音周期重復的尖峰脈沖。 與原始語音相比，余量信號的頻譜起伏要小得多，因此有可能對余量信號進行低速編碼。 如果以余量信號作

23、為激勵信號源，則可無失真的恢復語音信號，但是為了壓縮數(shù)碼率，不可能直接用LP余量信號作為激勵信號。37線性預(yù)測聲碼器的概念 如果采用簡單的二元激勵，即濁音語音段用間隔為基音周期的脈沖序列，清音語音段用隨機噪聲序列代替余量信號作為激勵信號源，這樣的編碼系統(tǒng)稱為線性預(yù)測聲碼器（LPC，Linear Predictive Coding）。LPC對語音產(chǎn)生模型的特征參數(shù)進行編碼，故稱為參數(shù)編碼或模型編碼。 LPC編碼算法雖然可以得到清晰可懂的合成語音，但是自然度不夠理想，即使提高編碼率也無濟于事。 在有噪聲的情況下，LPC很難提取出準確的基音周期及正確的判決清/濁音，這給合成語音帶來災(zāi)難性的影響。38合成-分析法（A