數(shù)字通信原理 第2章

1、1第2 2章 語音信號編碼（PCMPCM）2第2 2章 語音信號編碼（PCMPCM）2.1 語聲信號編碼的基本概念2.2 脈沖編碼調(diào)制（）通信系統(tǒng)的構(gòu)成2.3 抽樣2.4 量化2.5 編碼與解碼2.6 單片集成PCM編解碼器3u波形編碼：對信號的波形進行的編碼。u參量編碼：提取語聲信號的一些特征參量，對其進行的編碼。u混合編碼：介于波形編碼和參量編碼之間的一種編碼。既在參量編碼的基礎上，引入了一定的波形編碼的特征，以達到改善自然度的目的。 語音信號編碼的基本概念41. 語音信號的波形編碼原理： 從語音信號波形的特點出發(fā)，在時間軸上對模擬語音按一定的速率抽樣，對波形的采樣值，或其預測值，或其預測

2、的誤差值進行量化并編碼，編碼后的信號為二進制數(shù)字序列。解碼是其反過程，將收到的數(shù)字序列經(jīng)過解碼和濾波恢復成模擬信號。一、語音編碼的方法5特點：以重構(gòu)語音波形為目的，力圖使重建語音波形保持原語音信號的波形形狀。適應能力強、語音質(zhì)量好。編碼速率高。在16至64kbit/s的速率上獲得較高的編碼質(zhì)量，當速率進一步下降時，其性能會下降較快。一、語音編碼的方法6常見的波形編碼方式：脈沖編碼調(diào)制（PCM）、增量調(diào)制（M）自適應增量調(diào)制（ADM）、自適應預測編碼（APC）、自適應差分編碼（ADPCM）子帶編碼（SBC）一、語音編碼的方法72. 語音信號的參量編碼原理：從語音信號的產(chǎn)生機理出發(fā)，構(gòu)造語音信號的

3、模型，提取描述語音信號的特征參數(shù)，對模型參數(shù)或其預測值進行編碼。在收端，根據(jù)特征參數(shù)通過模型重構(gòu)語音信號。 一、語音編碼的方法8特點：編碼速率低，編碼速率低，可壓縮到可壓縮到2kbit/s-800bit/s2kbit/s-800bit/s；合成的話音質(zhì)量差，只能達到中等，自然度較低；合成的話音質(zhì)量差，只能達到中等，自然度較低；不以重構(gòu)語音波形為目的，在解碼端重構(gòu)一個新的有相似聲不以重構(gòu)語音波形為目的，在解碼端重構(gòu)一個新的有相似聲音但波形不盡相同的語音信號。音但波形不盡相同的語音信號。常見的方式： 線性預測編碼（LPC），及其各種改進型，如MBE等。一、語音編碼的方法93. 語音信號的混合編碼原

4、理： 混合編碼將波形編碼和參量編碼組合起來，克服了原有波形編碼和參量編碼的弱點，結(jié)合各自的長處，力圖保持波形編碼的高質(zhì)量和參量編碼的低速率，目前在1.2-16Kbit/s速率上能夠得到高質(zhì)量的合成語音。特點： 低速率、高質(zhì)量一、語音編碼的方法10常見混合編碼方式： 多脈沖激勵線性預測編碼（MPLPC） 規(guī)則脈沖激勵線性預測編碼（RPELPC） 碼本激勵線性預測編碼（CELP） 矢量和激勵線性預測編碼（VSELP） 多帶激勵（MBE）及改進型IMBE（Improved MBE）和AMBE(Advanced MBE) 混合激勵線性預測（MELP）一、語音編碼的方法11說明語音編碼器的分類方法只是一

5、種較通用的方法，并非十分嚴格。除了傳統(tǒng)的波形編碼器和參數(shù)編碼器以外，許多新型的語音編碼技術(shù)都比較復雜，很難嚴格分類?；诜治龊铣杉夹g(shù)的線性預測編碼器則既可以視為參量編碼，也可以視為混合編碼。一、語音編碼的方法12第2 2章 語音信號編碼（PCMPCM）2.1 語聲信號編碼的基本概念2.2 脈沖編碼調(diào)制（）通信系統(tǒng)的構(gòu)成2.3 抽樣2.4 量化2.5 編碼與解碼2.6 單片集成PCM編解碼器13脈沖編碼調(diào)制-PCM-PCM脈沖編碼調(diào)制是實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的一種方式。脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)中的信號變換和處理過程如圖所示。再生中繼抽樣量化編碼解碼濾波輸入語音信號輸出語音信號圖2.1 PCM系統(tǒng)的信號處理過

6、程PAMPAMPCMPCM14再生中繼器 碼型正變換調(diào)制編碼量化抽樣非電/電 變換信源信宿電/非電 變換低通譯碼 碼型反變換解調(diào)再生中繼器噪聲A/DD/A 圖2.2 PCM編解碼框圖PAMPCMPAM為什么需要再生中繼器？15圖中的A/D變換包含三個部分：抽樣、量化和編碼。（1）抽樣：將模擬信號在時間上離散化的過程。（2）量化：將模擬在幅度上離散化的過程。（3）編碼：將每個量化后的樣值用一定的二進制代碼來表示。 編碼后的數(shù)字信號攜帶的是原始信號的信息，就相當于將模擬信號信息“調(diào)制”到了代碼上，而代碼是由信號抽樣得到的脈沖序列再量化編碼得到的，因此，稱此數(shù)字通信為脈沖編碼調(diào)制（PCM）通信。16

7、第2 2章 語音信號編碼（PCMPCM）2.1 語聲信號編碼的基本概念2.2 脈沖編碼調(diào)制（）通信系統(tǒng)的構(gòu)成2.3 抽樣2.4 量化2.5 編碼與解碼2.6 單片集成PCM編解碼器172.3.1 2.3.1 抽樣的概念及分類抽樣的概念連續(xù)信號在時間上的離散化的抽樣過程如圖。18連續(xù)時間連續(xù)時間信號信號離散時間離散時間信號信號采樣采樣內(nèi)插內(nèi)插1.1. 信號經(jīng)過采樣以后，將發(fā)生一些什么變化？例信號經(jīng)過采樣以后，將發(fā)生一些什么變化？例如，信號頻譜將發(fā)生怎樣變化；如，信號頻譜將發(fā)生怎樣變化；2.2. 經(jīng)過采樣后信號內(nèi)容會不會有丟失；經(jīng)過采樣后信號內(nèi)容會不會有丟失；3.3. 如果信號沒有被丟失，其反變換

8、應該怎樣進行，如果信號沒有被丟失，其反變換應該怎樣進行，即由數(shù)字信號恢復成模擬信號應該具備那些條件等。即由數(shù)字信號恢復成模擬信號應該具備那些條件等。 2.3.1 2.3.1 抽樣的概念及分類19S)(txa)( txa)()()(tPtxtxaaT0tT2T)( txa0tP(t)T0txa(t)最高頻率為最高頻率為fc 抽樣過程（自然抽樣）)( tP200理想采樣理想采樣)()()(tPtxtxaannTttP)()(naanTtnTxtx)()()()(txa)( txa)( tP理想采樣xa(t)P(t)0txa(t)0t0tT1T21. . . 低通型信號抽樣 信號頻率 ，并且 。 M

9、ff 000fffM設時間連續(xù)信號 ， 其最高截止頻率為 。如果用時間間隔為 的開關(guān)信號對 進行抽樣， 則 就可被樣值信號 來唯一的表示?；蛘哒f，要從樣值序列無失真的恢復原時間連續(xù)信號，其抽樣頻率應選為 。這就是著名的奈奎斯特抽樣定理。)(tfMfMsfT21)(tf)(tf)()(ssnTftfMsff2 將抽樣的開關(guān)函數(shù)用理想的單位沖擊脈沖來代替，我們來看一下抽樣以后的信號頻譜。22nsssnFTF)(1)(上式表明：一個頻帶受限的信號經(jīng)抽樣后其樣值序列的頻譜將展寬，既產(chǎn)生了一系列的上、下邊帶。也可用圖來表示。)(tf)(F)(tfs)(sF圖 2.8 理想抽樣值序列頻譜23頻譜發(fā)生了周期

10、延拓頻譜幅度是原來的fs倍奈奎斯特采樣定理頻譜混疊Ns臨界采樣頻率？不能太小sNaa,)j(X )t (x0為帶限信號，且若 - NN)(jXc 0 - ss)(2jS/T)2()(NsjXssNNs - - T1 )2()(NsjXssNNs - - T1 )( jXa()j24 Nyquist Nyquist 采樣定理 )( 0 )( :Nyquist s完全恢復?？蓮膭t，若那么，是帶限信號，即設準則)nT(xtx2T2.)j(XtxaaNNaa稱 為奈奎斯特采樣頻率N2s25 信 號 重 構(gòu) 頻域 . ,T/,T)j(H )j(X)j(X)j(H)j(Y as其它式中，重構(gòu)的頻域表示0

11、T T)j(H T )2 ( - - )( T1/T ssNNsNsjX前提：滿足采樣定理2s2s原連續(xù)信號頻譜？2627 與 三種不同取值的情況。即 、 和 。 從圖中可以看出，對于 和 的情況，兩個相鄰頻帶之間都是不產(chǎn)生重疊的，而對于 的情況，兩個相鄰邊帶之間有一部分要相互重疊。因此對于前兩種情況，都可以用一個適當?shù)牡屯V波器取出一個完整的不受干擾的原信號頻譜。sfMfMsff2Msff2Msff2Msff2Msff2Msff2n語音信號的最高頻率限制在3400Hz，這時滿足抽樣定理的最低抽樣頻率應為： Hz。為了留有一定的防衛(wèi)帶，規(guī)定的抽樣頻率為8000Hz。 6800minsf低通信號

12、的抽樣定理一個頻帶限制在以下的連續(xù)信號，可以唯一的用間隔秒的抽樣序列來確定。Mf)(tmMfT2128. . .帶通型信號的抽樣為什么帶通型信號抽樣和低通型不一樣？以帶通信號為例，頻帶范圍12.517.5kHz2930（1） ，即（2） 既 MMsfffn ) 1(對帶通型信號抽樣時，抽樣頻率不一定要大于 。Mf2抽樣頻率可以在下述的范圍內(nèi)：00ffnfsnffs0(2上限）12nffMs（下限）故：nffnfsM0212如果要求原始信號頻帶與其相鄰的頻帶相等，可有：)(1220Msffnf31. . .與抽樣有關(guān)的誤差為了滿足抽樣定理，對語音信號抽樣時先將語音信號的頻譜限制在fM內(nèi)，為此，在

13、抽樣之前，先設置一個前置低通濾波器將輸入信號的頻帶限制在3400Hz以下，然后再進行抽樣，如果設置不好，將產(chǎn)生折疊噪聲。為了更安全，抽樣頻率fS取得稍大些，使其留有富余量，一般選8000Hz。3233抽樣展寬的孔徑效應失真實際系統(tǒng)中不宜直接使用較寬的脈沖進行抽樣。3435抽樣展寬電路框圖36展寬孔徑效應失真37-2fs -fs 0 fs 2fsfs-fHfs+fH Ms(f)f抽樣頻率fs對頻譜Ms(f)的影響復習低通模擬信號的抽樣定理低通信號的抽樣定理：低通信號的抽樣定理： 一個頻帶限制在0 fH內(nèi)的低通信號m(t)，如果抽樣頻率fs 2 fH，則可以由抽樣序列無失真地重建原始信號m(t)

14、。fs2fHf-2 f s - f s -fH 0 fH fs 2fs Ms(f)fs-fHfs+fHfs IW 時，輸出時，輸出“l(fā)”碼；碼；反之輸出反之輸出“0”碼，直到碼，直到IW 和抽樣值和抽樣值 IS 逼近為止，從而完成逼近為止，從而完成對輸入樣值的非線性量化和編碼。對輸入樣值的非線性量化和編碼。 q 實現(xiàn)實現(xiàn)A律律13折線壓擴特性的逐次比較型編碼器由整流器、極折線壓擴特性的逐次比較型編碼器由整流器、極性判決、保持電路、比較器及本地譯碼電路等組成。性判決、保持電路、比較器及本地譯碼電路等組成。 極性極性判決電路用來確定信號的極性。輸入判決電路用來確定信號的極性。輸入PAM 信號樣值為

15、正時，信號樣值為正時，輸出輸出“ l”碼；樣值為負時，輸出碼；樣值為負時，輸出“0”碼；同時將該信號經(jīng)碼；同時將該信號經(jīng)過全波整流變?yōu)閱螛O性信號。過全波整流變?yōu)閱螛O性信號。104逐次比較型編碼器原理圖逐次比較型編碼器原理圖105q 比較器是編碼器的核心。它的作用是通過比較樣值電流比較器是編碼器的核心。它的作用是通過比較樣值電流IS 和標準電流和標準電流IW ，從而對輸入信號抽樣值實現(xiàn)非線性量化和，從而對輸入信號抽樣值實現(xiàn)非線性量化和編碼。每比較一次輸出一位二進代碼，且當編碼。每比較一次輸出一位二進代碼，且當 IS IW 時，輸時，輸出出“l(fā)”碼；反之輸出碼；反之輸出“0”碼。對一個輸入信號的抽

16、樣值需要碼。對一個輸入信號的抽樣值需要進行進行7 次比較。每次所需的標準電流次比較。每次所需的標準電流 IW 均由本地譯碼電路均由本地譯碼電路提供。提供。 q 本地譯碼電路包括記憶電路、本地譯碼電路包括記憶電路、7/11 變換電路和恒流源。記變換電路和恒流源。記憶電路用來寄存二進代碼，因除第一次比較外，其余各次憶電路用來寄存二進代碼，因除第一次比較外，其余各次比較都要依據(jù)前幾次比較的結(jié)果來確定標準電流比較都要依據(jù)前幾次比較的結(jié)果來確定標準電流 IW 值。因值。因此，此，7位碼組中的前位碼組中的前6位狀態(tài)均應由記憶電路寄存下來。位狀態(tài)均應由記憶電路寄存下來。106q 恒流源也稱恒流源也稱11位線

17、性解碼電路或電阻網(wǎng)絡，它用來產(chǎn)生各位線性解碼電路或電阻網(wǎng)絡，它用來產(chǎn)生各種標準電流種標準電流 IW 。在恒流源中有。在恒流源中有11個基本的權(quán)值電流支路，個基本的權(quán)值電流支路，每個支路都由一個控制開關(guān)。每次應該哪個開關(guān)接通形成每個支路都由一個控制開關(guān)。每次應該哪個開關(guān)接通形成比較用的標準電流比較用的標準電流 IW ，由前面的比較結(jié)果經(jīng)變換后得到的，由前面的比較結(jié)果經(jīng)變換后得到的控制信號來控制?？刂菩盘杹砜刂啤 7/11變換電路就是將變換電路就是將7位非線性碼轉(zhuǎn)換成位非線性碼轉(zhuǎn)換成11位線性碼，以便位線性碼，以便于恒流源產(chǎn)生權(quán)值電流。于恒流源產(chǎn)生權(quán)值電流。 q 保持電路的作用是在整個比較過程中

18、保持輸入信號的幅度保持電路的作用是在整個比較過程中保持輸入信號的幅度不變。由于逐次比較型編碼器編不變。由于逐次比較型編碼器編7位碼位碼(極性碼除外極性碼除外)需要在需要在一個抽樣周期一個抽樣周期Ts 以內(nèi)完成以內(nèi)完成 IS 與與 IW 的的7次比較，在整個比較次比較，在整個比較過程中都應保持輸入信號的幅度不變，因此要求將樣值脈過程中都應保持輸入信號的幅度不變，因此要求將樣值脈沖展寬并保持。沖展寬并保持。 107q 例：例：設輸入信號抽樣值設輸入信號抽樣值 IS = +1260 （其中（其中 為一個量化單為一個量化單位，表示輸入信號歸一化值的位，表示輸入信號歸一化值的1/2048），采用逐次比較

19、型），采用逐次比較型編碼器，按編碼器，按A律律13折線編成折線編成8位碼位碼C1C2C3C4C5C6C7C8 。 q 解：解：(1) 極性碼極性碼C1：由于輸入信號抽樣值：由于輸入信號抽樣值 IS為正，故為正，故C1=1。 (2) 段落碼段落碼C2 是用來表示是用來表示 IS 處于處于13折線折線8個段落中的前四段還個段落中的前四段還是后四段，故確定是后四段，故確定C2 的標準電流選為的標準電流選為 Iw =128。第一次比。第一次比較結(jié)果較結(jié)果 IS Iw ，故，故C2 =1；C3 是用來確定是用來確定 IS 處于處于56段還段還是是78段，故確定段，故確定C3 的標準電流選為的標準電流選為

20、 Iw=512。第二次比。第二次比較結(jié)果較結(jié)果 IS Iw ，故，故C3 =1；C4 的標準電流選為的標準電流選為 Iw=1024，第三次比較結(jié)果第三次比較結(jié)果 IS Iw ，故，故C4 =1；結(jié)果；結(jié)果C2C3C4=“111”， IS 處于第處于第8段，按定義該段的起始電平為段，按定義該段的起始電平為1024 。 108(3) 第第8段的段的16量化級量化間隔均為量化級量化間隔均為8 =64。 C5 用來確定用來確定 IS 處于處于07級還是級還是815級，故確定級，故確定C3 的標準電流選為的標準電流選為 Iw=段段落起始電平落起始電平+8 (量化間隔量化間隔)=1024 +8 64 =1

21、536，第四次，第四次比較結(jié)果為比較結(jié)果為 IS Iw ，故，故C5 =0，IS 處于前處于前8級；同理，確定級；同理，確定C6 的標準電流為的標準電流為 Iw = 1024 + 4 64 = 1280，第五次比，第五次比較結(jié)果為較結(jié)果為 IS Iw ，故，故C7 =1， IS 處于處于處于處于23 級；級； 最后，確定最后，確定C8 的標的標準電流為準電流為 Iw =1024 + 3 64 = 1216，第七次比較結(jié)果為，第七次比較結(jié)果為 IS Iw ，故，故C8 =1，表示，表示Is 處于序號為處于序號為3的量化間隔。的量化間隔。 q 經(jīng)過以上七次比較，對于模擬抽樣值經(jīng)過以上七次比較，對于

22、模擬抽樣值 +1260，編出的，編出的PCM 碼組為碼組為 1 111 0011。它表示輸入信號抽樣值。它表示輸入信號抽樣值 IS 處于第八段處于第八段3量化級，其量化電平為量化級，其量化電平為1216， 故量化誤差等于故量化誤差等于44。 109q 進一步的討論進一步的討論 7位非線性碼位非線性碼1110011(1216)對應的對應的11位線位線性碼為性碼為10011000000。 上述編碼得到的碼組所對應的是輸上述編碼得到的碼組所對應的是輸入信號的分層電平入信號的分層電平mk ，為使落在該量化間隔內(nèi)的任意信號，為使落在該量化間隔內(nèi)的任意信號電平的量化誤差均小于電平的量化誤差均小于(i /2

23、)，在譯碼器中增加一個加，在譯碼器中增加一個加(i /2) 電路，等效于將量化電平移到量化間隔的中間，這時最大電路，等效于將量化電平移到量化間隔的中間，這時最大量化誤差不超過量化誤差不超過(i /2)。因此譯碼時，非線性碼與線性碼間。因此譯碼時，非線性碼與線性碼間的關(guān)系是的關(guān)系是7/12 變換關(guān)系。如上例中，變換關(guān)系。如上例中，IS 位于第位于第8段的序號為段的序號為3的量化級，的量化級，7位幅度碼位幅度碼1110011對應的分層電平為對應的分層電平為1216，則譯碼輸出為則譯碼輸出為 1216+ i /2=1216+64/2=1248，量化誤差，量化誤差為為 1260 -1248 =12 (

24、64/2)，即量化誤差小于量化間，即量化誤差小于量化間隔的一半。隔的一半。 這時，這時，7位非線性幅度碼位非線性幅度碼1110011 所對應的所對應的12 位線性幅度碼為位線性幅度碼為100111000000 。 110q 譯碼原理譯碼原理 譯碼的作用是把收到的譯碼的作用是把收到的PCM 信號還原成相應的信號還原成相應的PAM 樣值信號，即進行樣值信號，即進行D/A變換。變換。 111q A律律13折線譯碼器與逐次比較型編碼器中的本地譯碼器基本折線譯碼器與逐次比較型編碼器中的本地譯碼器基本相同，所不同的是增加了極性控制部分和帶有寄存讀出的相同，所不同的是增加了極性控制部分和帶有寄存讀出的7/1

25、2位碼變換電路。位碼變換電路。 q 串串/并變換記憶電路的作用是將加進的串行并變換記憶電路的作用是將加進的串行PCM碼變?yōu)椴⑿写a變?yōu)椴⑿写a，并記憶下來，與編碼器中譯碼電路的記憶作用基本相碼，并記憶下來，與編碼器中譯碼電路的記憶作用基本相同。極性控制部分的作用是根據(jù)收到的極性碼同。極性控制部分的作用是根據(jù)收到的極性碼C1是是“1”還還是是“0”來控制譯碼后來控制譯碼后PAM信號的極性，恢復原信號極性。信號的極性，恢復原信號極性。7/12變換電路的作用是將變換電路的作用是將7位非線性碼轉(zhuǎn)變?yōu)槲环蔷€性碼轉(zhuǎn)變?yōu)?2位線性碼，位線性碼，用于恒流源的輸出控制。寄存讀出電路是將輸入的串行碼用于恒流源的輸出控

26、制。寄存讀出電路是將輸入的串行碼在存儲器中寄存起來，待全部接收后再一起讀出，送入解在存儲器中寄存起來，待全部接收后再一起讀出，送入解碼網(wǎng)絡。碼網(wǎng)絡。12位線性解碼電路主要是由恒流源和電阻網(wǎng)絡組位線性解碼電路主要是由恒流源和電阻網(wǎng)絡組成，與編碼器中解碼網(wǎng)絡類同。它是在寄存讀出電路的控成，與編碼器中解碼網(wǎng)絡類同。它是在寄存讀出電路的控制下，輸出相應的制下，輸出相應的PAM信號。信號。 1122.5.3 2.5.3 非線性編碼與解碼1、A律13折線編碼的碼字安排 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8a1：極性碼。0、1。a2a3a4：段落碼。000111。a5a6a7a8：段內(nèi)碼。0000

27、1111。113表2-8量化段序號電平范圍（）段落碼a2a3a4段落起始電平IBi（）量化間隔(I)段內(nèi)碼對應權(quán)值a5a6a7a88102420481111024645122561286475121024110512322561286432625651210125616128643216512825610012886432168464128011644321684332640103221684221632001161842110160000 184211142、A律13折線編碼方法 PCM編碼的方法類似于天平稱物體重量。首先要提供一套大小不等的判定值，既各段起始電平和段內(nèi)標準權(quán)值，以便與抽樣值

28、進行比較。a.判定值的確定規(guī)律和提供方法：（1）極性碼 a1=1; a1=0; 取絕對值：0si 0si ssiI115 （2）幅度碼編碼規(guī)則：判定值的確定：第一次對分點是128 ，；第二次對分點是512 （a2=1)和32 (a2=0) ；第三次對分點是： 1024 (a2=1,a3=1) 、256 (a2=1,a3=0)、 64 (a2=0,a3=1)、16 (a2=0,a3=0) 。1,iRisaII則若0,iRisaII則若432,RRRIII116RisII 編為1碼；RisII 編為0碼； 經(jīng)過3次比較，完成段落碼的編碼。根據(jù)段落碼編碼，確定了段落起始電平 和段落的量化間隔 。Bi

29、Ii117段落碼判定值的確定過程118iBiRII85iiBiRaII4586iiiBiRaaII264587iiiiBiRaaaII7264588 段內(nèi)碼判定值： 段內(nèi)碼編碼：RisII RisII 編碼：編為1碼編為0碼119 b.編碼方法：例題 P38 例題：假設輸入樣值 ，按A律13折線編8位碼，求具體碼字。第一次比較： ，故 。判定值為0。第二次比較：判定值 ，是14段和58段的對分點。 ，則 ，信號在58段。 444sI0444sI11a1282RI1284442RsII12a120第三次比較：判定值 ，是56段和78段的對分點。 則 ，信號在56段。 5123RI5124443RsII03a第四次比較：判定值 ，是第5段和第6段的對分點。 ，則 ，信號在第6段。比較結(jié)果，段落碼為101，說明信號在第6