聲音和語(yǔ)音編碼課件

1、第二章 聲音和語(yǔ)音編碼1*第1頁(yè)，共98頁(yè)。本章主要內(nèi)容聲音概述聲音的數(shù)字化電子合成音樂(lè)語(yǔ)音編碼脈沖編碼調(diào)制（PCM）PCM應(yīng)用其它編碼方法2*第2頁(yè)，共98頁(yè)。2.1 聲音概述聲音是一種連續(xù)的波，具有普通波的一切特性：反射、折射、衍射等。聲音信號(hào)是由許多頻率不同的信號(hào)組成聲波的分類(lèi)（按頻率）次聲波 ( 0 20 Hz )聲波 (20 20 KHz) 人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)范圍超聲波 ( 20KHz ) 強(qiáng)的方向性應(yīng)用：B超、探測(cè)儀、主動(dòng)聲納3*第3頁(yè)，共98頁(yè)。2.1 聲音概述（續(xù)）聲音的幅度人類(lèi)能夠感知的范圍是：0120dB之間超出120dB人耳可能會(huì)感動(dòng)疼痛補(bǔ)充：什么是dB（分貝）數(shù)？4*第4頁(yè)，共9

2、8頁(yè)。什么是dB（分貝）數(shù)？一種相對(duì)量單位，在專(zhuān)業(yè)音響設(shè)備的調(diào)節(jié)刻度上經(jīng)常會(huì)遇到，例如增益大小、衰減量、提升量、電平量等。其定義是：dB數(shù)=20lgA/B但在功率級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)及能量級(jí)中，其定義是：dB數(shù)=10lgA/B式中，A是被比較的絕對(duì)量，例如電壓、電流等；B為比較的標(biāo)準(zhǔn)量。采用dB數(shù)表示量值的優(yōu)點(diǎn)是縮小了數(shù)值大小，使量值表示更簡(jiǎn)單更具體，使運(yùn)算簡(jiǎn)化。同時(shí)，對(duì)一些變化范圍很寬的物理量作圖表示或刻度與非常方便，一目了然。5*第5頁(yè)，共98頁(yè)。2.1 聲音概述（續(xù)）音寬與頻帶：頻帶寬度或稱(chēng)為帶寬，它是描述組成復(fù)合信號(hào)的頻率范圍。 圖2.1 聲音的頻帶6*第6頁(yè)，共98頁(yè)。2.1.1 音頻信號(hào)的指

3、標(biāo) 一. 頻帶寬度：音頻信號(hào)的頻帶越寬，所包含的音頻信號(hào)分量越豐富，音質(zhì)越好。 圖2.2 聲音的頻帶寬度7*第7頁(yè)，共98頁(yè)。2.1.1 音頻信號(hào)的指標(biāo) (續(xù))二動(dòng)態(tài)范圍: 動(dòng)態(tài)范圍越大，信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)變化范圍越大，音響效果越好。 音質(zhì)效果 AM廣播FM廣播數(shù)字電話 CDDA 動(dòng)態(tài)范圍（dB） 406050100動(dòng)態(tài)范圍20log（信號(hào)的最大強(qiáng)度 / 信號(hào)的最小強(qiáng)度） 單位：（dB） 表2.1 聲音的動(dòng)態(tài)范圍抑揚(yáng)頓挫8*第8頁(yè)，共98頁(yè)。2.1.1 音頻信號(hào)的指標(biāo) (續(xù))三信噪比：信噪比SNR（Signal to Noise Ratio）是有用信號(hào)與噪聲之比的簡(jiǎn)稱(chēng)。噪音可分為環(huán)境噪音和設(shè)備噪音

4、。信噪比越大，聲音質(zhì)量越好 9*第9頁(yè)，共98頁(yè)。本章主要內(nèi)容聲音概述聲音的數(shù)字化電子合成音樂(lè)語(yǔ)音編碼脈沖編碼調(diào)制（PCM）PCM應(yīng)用其它編碼方法10*第10頁(yè)，共98頁(yè)。2.2 聲音的數(shù)字化模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)聲音信號(hào)的數(shù)字化采樣頻率采樣精度聲音質(zhì)量與數(shù)據(jù)率11*第11頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.1 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)時(shí)間上、幅度上均連續(xù)的 信號(hào)。采樣 在某一時(shí)刻對(duì)模擬信號(hào)的幅度進(jìn)行測(cè)量，將其時(shí)間上離散化量化 將采樣得到的信號(hào)幅度的取值離散化。如采樣得到的幅度為0,255,一種離散化的方法是取值0,1,2,255采樣和量化后得到的信號(hào)就是數(shù)字信號(hào)12*第12頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.1 模擬信號(hào)

5、到數(shù)字信號(hào)為什么要從模擬信號(hào)過(guò)渡到數(shù)字信號(hào)？以前聲音長(zhǎng)途傳輸用電信號(hào)來(lái)模擬聲波，對(duì)電信號(hào)的處理，采用模擬電氣元件，受環(huán)境影響很大（溫度、電磁場(chǎng)干擾），難以糾錯(cuò)。采用數(shù)字信號(hào)，采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，受環(huán)境影響較小，可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)處理。13*第13頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.1 數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)數(shù)字信號(hào)計(jì)算是一種精確的計(jì)算方法，不受時(shí)間和環(huán)境變化的影響；用數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)（模擬）原來(lái)的物理部件的功能相對(duì)比較容易可以通過(guò)改變數(shù)學(xué)運(yùn)算的方法，實(shí)現(xiàn)不同的功能，而不需更換物理部件(DSP)。即只需對(duì)DSP編程。14*第14頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.2 聲音信號(hào)的數(shù)字化聲音信號(hào)的數(shù)字化步驟：采樣 得

6、到一個(gè)個(gè)時(shí)間上離散的幅度值量化 得到一個(gè)個(gè)離散的幅度值連續(xù)時(shí)間的離散化通過(guò)采樣，一般采用均勻采樣(uniform sampling) 連續(xù)幅度的離散化通過(guò)量化，可采用線性量化, 或非線性量化 15*第15頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.2 聲音信號(hào)的數(shù)字化 (圖)圖2.3 聲音信號(hào)的數(shù)字化16*第16頁(yè)，共98頁(yè)。采樣和量化示例如有一聲音信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行采樣和量化。量化表用 1，2，3，4，5，6，7，8 ，四舍五入方法。結(jié)果如下表2.2采樣序列1.532.203.614.83量化序列224517*第17頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.2聲音信號(hào)的數(shù)字化目前應(yīng)用較為廣泛的采樣方式:奈奎斯特(Nyquist)采樣正交

7、采樣帶通采樣Sigma-Delta()采樣等18*第18頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.2 聲音信號(hào)的數(shù)字化需要解決的兩個(gè)問(wèn)題：采樣頻率應(yīng)該是多少？量化的精度？bps(bit per sample)19*第19頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.3 采樣頻率采樣頻率是指一秒鐘內(nèi)采樣的次數(shù)。奈奎斯特采樣定理(Nyquist theory):如果對(duì)某一模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，則采樣后可還原的最高信號(hào)頻率只有采樣頻率的一半；或者說(shuō)只要采樣頻率高于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍，就能從采樣信號(hào)系列重構(gòu)原始信號(hào)。 20*第20頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.3 采樣頻率奈奎斯特采樣定理:fs = 2 fmax fs為采樣頻率，fmax為信號(hào)最高頻率對(duì)

8、聲音信號(hào)而言，fmax為聲音信號(hào)的最高頻率。在實(shí)際應(yīng)用中，為了使前級(jí)抗混疊濾波器易于實(shí)現(xiàn)，提高輸入信號(hào)的信噪比，一般fs取fmax的2.5倍以上。 21*第21頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.3 采樣頻率根據(jù)斯特采樣定理，CD 激光唱盤(pán)采樣頻率為44KHz，可記錄的最高音頻為22KHz，這樣的音質(zhì)與原始聲音相差無(wú)幾，也就是我們常說(shuō)的超級(jí)高保真音質(zhì)。聲音采樣的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率分別為：44.1KHz22.05KHz 11.025KHz。 22*第22頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.3 采樣頻率人耳聽(tīng)覺(jué)上限是20KHz，根據(jù)奈奎斯特的理論，數(shù)碼音頻的取樣頻率應(yīng)當(dāng)是40 KHz，可為何定了44.1 KHz這么一個(gè)特殊的標(biāo)準(zhǔn)？

9、對(duì)模擬聲音信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，20KHz處有比較明顯的衰減，因此把信號(hào)截止頻率提高到22 KHz 為使交流電紋波的負(fù)面影響降到最低，需要取一個(gè)既大于44 KHz,又為50Hz和60Hz(國(guó)際通行的兩種交流電頻率)公倍數(shù)的數(shù)據(jù)。23*第23頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.4 量化精度 量化位數(shù)量化位數(shù)是對(duì)模擬音頻信號(hào)的幅度軸進(jìn)行數(shù)字化，它決定了模擬信號(hào)數(shù)字化以后的動(dòng)態(tài)范圍。由于計(jì)算機(jī)按字節(jié)運(yùn)算，一般的量化位數(shù)為8位和16位。量化位越高，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍越大，數(shù)字化后的音頻信號(hào)就越可能接近原始信號(hào)，但所需要的存貯空間也越大。 類(lèi)似于你銀行的存款位數(shù)24*第24頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.4 量化精度 量化位數(shù) 例如用8

10、位表示一個(gè)聲音采樣的樣本，則樣本值是0到255之間的256個(gè)整數(shù)值，此時(shí)采樣精度就是1/256.量化精度、存儲(chǔ)空間、聲音質(zhì)量、處理速度之間的矛盾。（理解）25*第25頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.4 量化精度 信噪比表示信噪比SNR(signal-to-noise ratio)公式： SNR= 10 log(Vsignal)2/(Vnoise)2 = 20 log(Vsignal /Vnoise)說(shuō)明：Vsignal表示信號(hào)電壓Vnoise表示噪聲電壓SNR的單位為分貝(dB)如何理解信噪比公式 (思考題)26*第26頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.4 量化精度 信噪比計(jì)算舉例：假設(shè)Vnoise=1;采樣精度為

11、1bit時(shí)，Vsignal21，此時(shí)它的信噪比： SNR= 20 log(Vsignal /Vnoise) = 20 log( 21 / 1 ) = 20 log 2 = 20 *0.3 = 6 dB27*第27頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.4 量化精度 信噪比計(jì)算舉例：假設(shè)Vnoise=1;采樣精度為8bit時(shí)，Vsignal28，此時(shí)它的信噪比： SNR= 20 log(Vsignal /Vnoise) = 20 log( 28 / 1 ) = 20* 8 *log 2 = 20 * 8 *0.3 = 48 dB28*第28頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.4 采樣精度 （表）表2-3 采樣位數(shù)與信噪比對(duì)照表

12、量化位 等份 信噪比(dB)應(yīng) 用 126825648數(shù)字電話166553696CD-DA29*第29頁(yè)，共98頁(yè)。2.2.5 聲音質(zhì)量與數(shù)據(jù)率聲道數(shù)：有單聲道和雙聲道之分。雙聲道又稱(chēng)為立體聲，在硬件中要占兩條線路，音質(zhì)、音色好，但立體聲數(shù)字化后所占空間比單聲道多一倍。數(shù)據(jù)率：為每秒bit數(shù)，(bps). 數(shù)據(jù)率是計(jì)算機(jī)處理時(shí)要掌握的基本技術(shù)參數(shù)。聲音質(zhì)量與數(shù)據(jù)率的對(duì)應(yīng) 參見(jiàn)教材表2-1 p1130*第30頁(yè)，共98頁(yè)。本章主要內(nèi)容聲音概述聲音的數(shù)字化電子合成音樂(lè)語(yǔ)音編碼脈沖編碼調(diào)制PCM應(yīng)用其它編碼方法31*第31頁(yè)，共98頁(yè)。2.3 電子合成音樂(lè) MIDI樂(lè)器數(shù)字接口MIDI（Musica

13、l Instrument Digital Interface），泛指數(shù)字音樂(lè)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它是音樂(lè)與計(jì)算機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。MIDI不是把音樂(lè)的波形進(jìn)行數(shù)字化采樣和編碼，而是將數(shù)字式電子樂(lè)器的彈奏過(guò)程記錄下來(lái)，如按了哪一個(gè)鍵、力度多大、時(shí)間多長(zhǎng)等等。當(dāng)需要播放這首樂(lè)曲時(shí)，根據(jù)記錄的樂(lè)譜指令，通過(guò)音樂(lè)合成器生成音樂(lè)聲波，經(jīng)放大后由揚(yáng)聲器播出。 32*第32頁(yè)，共98頁(yè)。2.3.1 MIDI術(shù)語(yǔ)一、音樂(lè)合成器（Musical Synthesizer）：用來(lái)產(chǎn)生并修改正弦波形的疊加，然后通過(guò)聲音產(chǎn)生器和揚(yáng)聲器發(fā)出特定的聲音。泛音的合成決定聲音音質(zhì)。二、復(fù)調(diào)聲音：簡(jiǎn)稱(chēng)為復(fù)音（Polyphony），指合成器同時(shí)

14、演奏若干音符時(shí)發(fā)出的聲音。它著重于同時(shí)演奏的音符數(shù)。33*第33頁(yè)，共98頁(yè)。2.3.1 MIDI術(shù)語(yǔ)三、多音色（Timbre）：指同時(shí)演奏幾種不同樂(lè)器時(shí)發(fā)出的聲音。它著重于同時(shí)演奏的樂(lè)器數(shù)。四、MIDI標(biāo)準(zhǔn)1、MIDI電子樂(lè)器：能產(chǎn)生特定聲音的合成器，其數(shù)據(jù)傳送符合MIDI通信約定。34*第34頁(yè)，共98頁(yè)。2.3.1 MIDI術(shù)語(yǔ)2、MIDI消息 ( message ) 或指令：樂(lè)譜的一種記錄格式，相當(dāng)于樂(lè)譜語(yǔ)言。3、MIDI接口（interface）：MIDI硬件通信協(xié)議4、MIDI通道 ( channel )：共16個(gè)通道，每種通道對(duì)應(yīng)一種邏輯的合成器35*第35頁(yè)，共98頁(yè)。2.3.

15、1 MIDI術(shù)語(yǔ) 5、MIDI文件：由控制數(shù)據(jù)和樂(lè)譜信息數(shù)據(jù)構(gòu)成6、音序器 ( Sequencer )：用來(lái)記錄、編輯和播放MIDI文件的軟件。36*第36頁(yè)，共98頁(yè)。2.3.2 計(jì)算機(jī)上MIDI的產(chǎn)生過(guò)程 MIDI電子樂(lè)器通過(guò)MIDI接口與計(jì)算機(jī)相連。計(jì)算機(jī)可通過(guò)音序器軟件來(lái)采集MIDI電子樂(lè)器發(fā)出的一系列指令。這一系列指令可記錄到MIDI文件中。在計(jì)算機(jī)上音序器可對(duì)MIDI文件進(jìn)行編輯和修改。最后，將MIDI指令送往音樂(lè)合成器，由合成器將MIDI指令符號(hào)進(jìn)行解釋并產(chǎn)生波形，然后通過(guò)聲音發(fā)生器送往揚(yáng)聲器播放出來(lái)。37*第37頁(yè)，共98頁(yè)。2.3.2 計(jì)算機(jī)上MIDI的產(chǎn)生過(guò)程圖2.4 MI

16、DI的產(chǎn)生過(guò)程38*第38頁(yè)，共98頁(yè)。2.3.3 MIDI合成的產(chǎn)生方式1、頻率調(diào)制合成( Frequency Modulation ) 通過(guò)硬件產(chǎn)生正弦信號(hào)，再經(jīng)處理合成音樂(lè)。合成的方式是將波形組合在一起，理論上可以有無(wú)限多組波形，但實(shí)際上做不到。其泛音的合成與模擬比較困難，實(shí)際的質(zhì)量不高。2、波形表（Wavetable）合成 其原理是在ROM中已存儲(chǔ)各種實(shí)際樂(lè)器的聲音樣本，需要時(shí)，調(diào)用相應(yīng)樣本來(lái)合成該樂(lè)器的樂(lè)音。ROM的容量越大，合成效果越好，價(jià)格也越貴。 39*第39頁(yè)，共98頁(yè)。2.3.4 兩種音頻文件的比較 表2-4 MIDI和WAVE文件的比較MIDIWAVE文件內(nèi)容 MIDI指

17、令數(shù)字音頻數(shù)據(jù)音源 MIDI樂(lè)器Mic,磁帶,CD唱盤(pán),音響容量 小與音質(zhì)成正比 效果與聲卡質(zhì)量有關(guān) 與編碼指標(biāo)有關(guān) 適用性 易編輯 聲源受限 數(shù)據(jù)量很小 不易編輯聲源不限 數(shù)據(jù)量大 40*第40頁(yè)，共98頁(yè)。本章主要內(nèi)容聲音概述聲音的數(shù)字化電子合成音樂(lè)語(yǔ)音編碼 (教材第三章)脈沖編碼調(diào)制PCM 應(yīng)用其它編碼方法41*第41頁(yè)，共98頁(yè)。2.4 語(yǔ)音編碼實(shí)現(xiàn)方法波形編碼將波形直接變換成數(shù)字碼流。特點(diǎn)：比特率較高、解碼后質(zhì)量較高、延時(shí)較小?？梢苑譃椋簳r(shí)域波形編碼，如PCM、ADPCM、M等；頻域波形編碼，如子帶編碼（SBC）、自適應(yīng)變換編碼等。參數(shù)編碼 從信源信號(hào)的某個(gè)域中提取特征參數(shù)，并變換成

18、數(shù)字碼流。特點(diǎn)：比特率較低、解碼后質(zhì)量較低、延時(shí)較大。如：各種聲碼器。 線性預(yù)測(cè)編碼(LPC)42*第42頁(yè)，共98頁(yè)。2.4 語(yǔ)音編碼實(shí)現(xiàn)方法混合編碼將以上二種方法混合，特點(diǎn)：以較低的比特率獲得較高的質(zhì)量，延時(shí)適中，復(fù)雜。如：GSM的語(yǔ)音編碼。 43*第43頁(yè)，共98頁(yè)。語(yǔ)音編碼歷史：數(shù)字電話（1） 波形編碼 PCM原理（37年，法Alec Reeres）電子管PCM（46年，Bell實(shí)驗(yàn)室）晶體管PCM（62年，市話擴(kuò)容，64kb/s）單片IC PCM（70年代，微波、衛(wèi)星、光纖） 增量編碼原理（46年，法De Loraine）自適應(yīng)增量 CVSD（60年代末，軍用，32、16kb/s）

19、Continuously Variable Slope Delta Modulator 連續(xù)變化斜率增量調(diào)制器 其他編碼（70年代，ADPCM、SubBand、ATC、APC等） 在16kb/s以上得到較好的話音質(zhì)量。 特點(diǎn)：話音質(zhì)量好，且編碼速率高。44*第44頁(yè)，共98頁(yè)。語(yǔ)音編碼歷史：數(shù)字電話（2） 參數(shù)編碼 波形編碼通道聲碼器（39年，Dudly，二次大戰(zhàn)保密電話） LPC聲碼器（67年，Atal、Schroeder） 共振峰聲碼器（71年，Rabiner、Schafer、Elanagan） 波形插值（91年，W.B. Kleijn） 特點(diǎn)：編碼速率低，自然度差。 混合編碼器利用線性預(yù)

20、測(cè)、VQ、A-B-S、感覺(jué)加權(quán)、后濾波等技術(shù)。 規(guī)則脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（RPELP 1985 Deprettere、Kroon） 碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（CELP 1985 Manfred、Schroeder、Atal） 特點(diǎn)：話音質(zhì)量高、編碼速率低，但算法復(fù)雜。45*第45頁(yè)，共98頁(yè)。語(yǔ)音編碼的優(yōu)點(diǎn) 提高傳輸?shù)馁|(zhì)量 便于處理使用靈活，便于多種媒體（視頻、音頻、文字、數(shù)據(jù)）相結(jié)合應(yīng)用 易于加密 適合大規(guī)模集成 可靠性高、體積功耗小 價(jià)格便宜46*第46頁(yè)，共98頁(yè)。表2.2 語(yǔ)音編碼的應(yīng)用47*第47頁(yè)，共98頁(yè)。壓縮的必要性表2.3 幾種類(lèi)型信號(hào)的參數(shù)88.125KB/s（一般了解）48*第48頁(yè)

21、，共98頁(yè)。語(yǔ)音壓縮依據(jù)1) 冗余度時(shí)域樣點(diǎn)之間相關(guān)（短時(shí)、長(zhǎng)時(shí)）頻域譜的非平坦性（譜包絡(luò)、譜離散）統(tǒng)計(jì)特性2) 人耳聽(tīng)覺(jué)特性人耳分辨能力人耳對(duì)不同頻段聲音的敏感程度不同，通常對(duì)低頻比對(duì)高頻更敏感人耳對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的相位不敏感人耳掩蔽效應(yīng) Masking Effect （一般了解）49*第49頁(yè)，共98頁(yè)。語(yǔ)音壓縮依據(jù)說(shuō)明： 對(duì)人耳聽(tīng)不到或感知極不靈敏的聲音分量都不妨視為冗余。利用聽(tīng)覺(jué)心理特性、感覺(jué)加權(quán)、量化、去除多余分量、后濾波、。（一般了解）50*第50頁(yè)，共98頁(yè)。語(yǔ)音編碼性能評(píng)價(jià)（1）1) 編碼速率：（Kbps、Kb/s） 信號(hào)帶寬： 可懂度、自然度、透明度。 2003400Hz,5070

22、00Hz,1020000HZ 采樣速率：8KHz,16KHz,32KHz,44.1/48KHz。 編碼位數(shù)：R（b/樣點(diǎn)），總速率I（kb/s）。 （一般了解）51*第51頁(yè)，共98頁(yè)。語(yǔ)音編碼性能評(píng)價(jià)（2）2）重建語(yǔ)音質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)： 信噪比 分段信噪比 （一般15dB以上較好，20dB以上相當(dāng)好） 主觀評(píng)價(jià): MOS分（Mean Opinion Score） 51分： Excellent、Good、Fair、Poor、Bad如： 4分：長(zhǎng)途通信質(zhì)量 （一般了解）52*第52頁(yè)，共98頁(yè)。語(yǔ)音編碼性能評(píng)價(jià)（3）3) 編解碼延時(shí)（ms） 公眾網(wǎng)（25ms） 回聲控制或回聲抵消 正常通話秩序 與重

23、建質(zhì)量關(guān)系4) 算法復(fù)雜度 硬件、成本 浮點(diǎn)、定點(diǎn) 5) 其他 抗隨機(jī)誤碼和突發(fā)誤碼能力 抗丟包和丟幀能力 對(duì)不同信號(hào)編碼能力 級(jí)聯(lián)或轉(zhuǎn)接能力（一般了解）53*第53頁(yè)，共98頁(yè)。本章主要內(nèi)容聲音概述聲音的數(shù)字化電子合成音樂(lè)語(yǔ)音編碼脈沖編碼調(diào)制PCM應(yīng)用其它編碼方法54*第54頁(yè)，共98頁(yè)。2.5 脈沖編碼調(diào)制 PCM概念：在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，連續(xù)測(cè)量信號(hào)的幅度值，并對(duì)測(cè)量值編碼。原理：（見(jiàn)下圖）55*第55頁(yè)，共98頁(yè)。2.5 脈沖編碼調(diào)制 PCM步驟三個(gè)步驟: 抽 樣 即采樣量 化 測(cè)量采樣值編 碼 對(duì)量化值進(jìn)行處理并記錄56*第56頁(yè)，共98頁(yè)。2.5.1 PCM 量化概念1、定義：將幅

24、度連續(xù)變化的信號(hào)變成幅度離散信號(hào)的處理過(guò)程稱(chēng)為量化。2、量化器的基本參數(shù) 1）量化范圍 如V1，V2，語(yǔ)音信號(hào)為雙極性對(duì)稱(chēng)信號(hào)，通常量化范圍是-V，+V2）量化級(jí)數(shù)N，在V1，V2內(nèi)分N個(gè)段落。57*第57頁(yè)，共98頁(yè)。2.5.2 PCM 量化參數(shù)3）量化間隔i，也稱(chēng)量階，量化級(jí) 4）量化值 5）編碼位數(shù)n，二進(jìn)制編碼時(shí)，需滿足 2n N 6）量化方法 均勻量化： 量化間隔相等； 非均勻量化：量化間隔不相等。 58*第58頁(yè)，共98頁(yè)。2.5.3 量化器特性 1）量化器特性曲線：量化器的輸入和輸出之 間的關(guān)系曲線2）量化器誤差特性曲線：量化器的輸入與量化誤差之間的關(guān)系曲線。59*第59頁(yè)，共9

25、8頁(yè)。2.5.3 均勻量化器的特性曲線和誤差曲線60*第60頁(yè)，共98頁(yè)。2.5.3 均勻量化的特點(diǎn)及其應(yīng)用特點(diǎn)： 1）量化信噪比與信號(hào)功率成正比 2）編碼位數(shù)多。應(yīng)用：用于信號(hào)分布范圍小且較均勻的場(chǎng)合。如遙測(cè)、遙控、儀表等方面。結(jié)論：在通信系統(tǒng)中，語(yǔ)音信號(hào)不適合采用均勻量化編碼改進(jìn)方法：采用非均勻量化。 61*第61頁(yè)，共98頁(yè)。2.5.4 非均勻量化 非均勻量化 基本思想： 在對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行量化時(shí)候，大的輸入信號(hào)采用大的量化間隔，小的輸入信號(hào)采用小的量化間隔。非均勻量化有兩種方法： 1. 律壓擴(kuò) 2. A 律壓擴(kuò)62*第62頁(yè)，共98頁(yè)。2.5.4 壓擴(kuò)壓縮與擴(kuò)展壓縮與擴(kuò)張的過(guò)程如下:1.

26、 f(x)壓縮器均勻量化編碼2. 譯碼擴(kuò)張器f(x) 63*第63頁(yè)，共98頁(yè)。2.5 律壓縮律1. 律壓縮律 律曲線為 越大，小信號(hào)的壓縮律越高。 64*第64頁(yè)，共98頁(yè)。2.5 A律壓縮律2 . A律壓縮律 A律壓縮曲線為 65*第65頁(yè)，共98頁(yè)。2.5 分段量化折線壓縮律 由于連續(xù)曲線的壓縮律電路實(shí)現(xiàn)較為困難，通常用折線來(lái)近似。 常用的有A13折線和15折線。 66*第66頁(yè)，共98頁(yè)。2.5 A13折線畫(huà)法A13折線畫(huà)法如下：1） x軸采用對(duì)折方式分16份2） y軸均勻分割16份3） 將x,y軸對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)連接起來(lái)， 得到16段折線。簡(jiǎn)稱(chēng)為A13折線。應(yīng)用：中國(guó)，歐洲等 67*第6

27、7頁(yè)，共98頁(yè)。2.5 A13折線畫(huà)法 （圖）82條 線段68*第68頁(yè)，共98頁(yè)。2.5 15折線壓縮律 15折線壓縮律是在曲線上取坐標(biāo)點(diǎn)，然后連成折線而得。 69*第69頁(yè)，共98頁(yè)。2.5 15折線畫(huà)法畫(huà)法如下：1）x軸坐標(biāo)點(diǎn)為，非均勻分割16份2）y軸均勻分割16份3）將x,y軸對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)連接起來(lái)， 得到16段折線。稱(chēng)為15折線。 應(yīng)用：日本，美國(guó)，加拿大等。 70*第70頁(yè)，共98頁(yè)。本章主要內(nèi)容聲音概述聲音的數(shù)字化電子合成音樂(lè)語(yǔ)音編碼脈沖編碼調(diào)制（PCM）PCM應(yīng)用其它編碼方法71*第71頁(yè)，共98頁(yè)。2.6 PCM在通信中的應(yīng)用 PCM編碼早期的最重要應(yīng)用就是話音通信中的多路復(fù)

28、用。一般來(lái)說(shuō)，電信網(wǎng)中傳輸媒體費(fèi)用約占總成本的65%，設(shè)備費(fèi)用約占成本的35%，因此提高線路利用率是一個(gè)重要課題.提高線路利用率通常用下面兩種方法： (1) 頻分多路復(fù)用FDM (frequency-division multiplexing)(2)時(shí)分多路復(fù)用TDM (time-division multiplexing) 72*第72頁(yè)，共98頁(yè)。2.6.1頻分多路復(fù)用FDM把傳輸信道的頻帶分成好幾個(gè)窄帶，每個(gè)窄帶傳送一路信號(hào):例如，一個(gè)信道的頻帶為1400 Hz，把這個(gè)信道分成4個(gè)子信道：820-990 Hz, 1230-1400 Hz, 1640-1810 Hz和2050-2220 H

29、z，相鄰子信道間相距240 Hz，用于確保子信道之間不相互干擾。每對(duì)用戶(hù)僅占用其中的一個(gè)子信道。這是模擬載波通信的主要手段。73*第73頁(yè)，共98頁(yè)。2.6.2 時(shí)分多路復(fù)用TDM把傳輸信道按時(shí)間來(lái)分割，為每個(gè)用戶(hù)指定一個(gè)時(shí)間間隔，每個(gè)間隔里傳輸信號(hào)的一部分，這樣就可以使許多用戶(hù)同時(shí)使用一條傳輸線路。這是數(shù)字通信的主要手段。例如，話音信號(hào)的采樣頻率f8000 Hz，它的采樣周期125 m s，這個(gè)時(shí)間稱(chēng)為1幀(frame)。在這個(gè)時(shí)間里可容納的話路數(shù)有兩種規(guī)格：24路制和30/32路制。74*第74頁(yè)，共98頁(yè)。24路制的重要參數(shù)如下 每秒鐘傳送8000幀，每幀125 m s。 12幀組成1復(fù)

30、幀(用于同步)。 每幀由24個(gè)時(shí)間片(信道)和1位同步位組成。 每個(gè)信道每次傳送8位代碼，1幀有24 8 1193位(比特)。 數(shù)據(jù)傳輸率R80001931544 kbps。 每一個(gè)話路的數(shù)據(jù)傳輸率80008=64 kbps。 律參看：教材P32 圖 31075*第75頁(yè)，共98頁(yè)。30路制的重要參數(shù)如下 每秒鐘傳送8000幀，每幀125 m s。 16幀組成1復(fù)幀(用于同步)。 每幀由32個(gè)時(shí)間片(信道)組成。 每個(gè)信道每次傳送8位代碼。 數(shù)據(jù)傳輸率：R80003282048 kbps。 每一個(gè)話路的數(shù)據(jù)傳輸率80008=64 kbps。 A律 76*第76頁(yè)，共98頁(yè)。應(yīng) 用 時(shí)分多路復(fù)用

31、(TDM)技術(shù)已廣泛用在數(shù)字電話網(wǎng)中，為反映PCM信號(hào)復(fù)用的復(fù)雜程度，通常用“群(group)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)表示，也稱(chēng)為數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的等級(jí)。 PCM通信方式發(fā)展很快，傳輸容量已由一次群(基群)的30路(或24路)，增加到二次群的120路(或96路)，三次群的480路(或384路)，。77*第77頁(yè)，共98頁(yè)。本章主要內(nèi)容聲音概述聲音的數(shù)字化電子合成音樂(lè)語(yǔ)音編碼 (教材第三章)脈沖編碼調(diào)制PCM 應(yīng)用其它編碼方法78*第78頁(yè)，共98頁(yè)。 7 .其它編碼方法DM /ADMAPCM/DPCM /ADPCM LPCRPE-LTP79*第79頁(yè)，共98頁(yè)。2.7.1增量調(diào)制與自適應(yīng)增量調(diào)制 由于DM編碼的簡(jiǎn)

32、單性，使它成為數(shù)字通信和壓縮存儲(chǔ)的一種重要方法，它鼓勵(lì)了很多人對(duì)最早發(fā)明的DM系統(tǒng)做了大量的改進(jìn)和提高工作。 最早的DM系統(tǒng)是在1946年發(fā)明的。 后來(lái)的自適應(yīng)增量調(diào)制ADM系統(tǒng)采用十分簡(jiǎn)單的算法就能實(shí)現(xiàn)32 kbps至48 kbps的數(shù)據(jù)率，而且可提供高質(zhì)量的重構(gòu)話音，它的MOS評(píng)分可達(dá)到4.3分左右。80*第80頁(yè)，共98頁(yè)。2.7.1增量調(diào)制(DM) 增量調(diào)制也稱(chēng)調(diào)制DM(delta modulation)，它是一種預(yù)測(cè)編碼技術(shù)，是PCM編碼的一種變形。 DM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

33、樣信號(hào)之差的極性為“正”，則用“1”表示；相反則用“0”表示，或者相反。 由于DM編碼只須用1比特對(duì)話音信號(hào)進(jìn)行編碼，所以DM編碼系統(tǒng)又稱(chēng)為“1比特系統(tǒng)”81*第81頁(yè)，共98頁(yè)。2.7.1增量調(diào)制(DM) （圖）82*第82頁(yè)，共98頁(yè)。2.7.1 自適應(yīng)增量調(diào)制ADM ADM定義：一種自動(dòng)調(diào)節(jié)量階的增量調(diào)制。 當(dāng)信號(hào)斜率大時(shí)，量階大， 當(dāng)信號(hào)斜率小時(shí)，量階小。 ADM具有動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)。 83*第83頁(yè)，共98頁(yè)。2.7.2 差值脈沖編碼調(diào)制（DPCM）DPCM：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，而不需每個(gè)樣值的編碼都傳。舉例說(shuō)明DPCM過(guò)程：84*第84頁(yè)，共98頁(yè)。 2.7.2 DPCM 框圖85*第85頁(yè)，共98頁(yè)。2.7.2差值脈沖編碼調(diào)制（DPCM）（圖）86*第86頁(yè)，共98頁(yè)。2.7.2差值脈沖編碼調(diào)制 (說(shuō)明)由于差值序列信息可以代替原始序列中的有效信息，二差值信