語(yǔ)音編碼信道編碼及交織課件

1、第5章 語(yǔ)音編碼、信道編碼和交織技術(shù)5.1 語(yǔ) 音 編 碼5.2 信 道 編 碼5.3 交 織 編 碼 牛牛文庫(kù)文檔分享5.1 語(yǔ) 音 編 碼5.1.1 概述5.1.2 語(yǔ)音信號(hào)特征5.1.3 聲碼器5.1.4 線性預(yù)測(cè)編碼器5.1.5 移動(dòng)通信中語(yǔ)音編碼器的選擇5.1.6 GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器5.1.7 IS-95系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器 牛牛文庫(kù)文檔分享5.1.1 概述 語(yǔ)音編碼技術(shù)通常分為三類：波形編碼、聲源編碼（或參量編碼）和混合編碼。波形編碼的目的在于盡可能精確地再現(xiàn)原來(lái)的語(yǔ)音波形。聲源編碼是將語(yǔ)音信息用特定的聲源模型表示。混合編碼把波形編碼的高質(zhì)量和聲碼器的高效壓縮性融為一體，尤其在16bi

2、t/s8kbit/s范圍內(nèi)達(dá)到了良好的語(yǔ)音質(zhì)量。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.1.2 語(yǔ)音信號(hào)特征 圖5-1 語(yǔ)音信號(hào)的產(chǎn)生模型 牛牛文庫(kù)文檔分享5.1.3 聲碼器 聲碼器是以人類語(yǔ)音的產(chǎn)生模型為基礎(chǔ)，分析表征語(yǔ)音激勵(lì)源和聲道等的特征參數(shù)，再運(yùn)用這些特征參數(shù)重新合成語(yǔ)音信號(hào)的設(shè)備。聲碼器又稱為“參量編碼器”。聲碼器的數(shù)碼率可以壓縮到2.4kbit/s以下，但其語(yǔ)音質(zhì)量，特別是自然度，大大下降。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.1.3 聲碼器 圖5-2 線性預(yù)測(cè)編碼聲碼器原理框圖 牛牛文庫(kù)文檔分享5.1.4 線性預(yù)測(cè)編碼器 圖5-3 三種不同激勵(lì)的語(yǔ)言合成模型 牛牛文庫(kù)文檔分享1多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（MPLPC）

3、 圖5-4 MPLPC算法基本原理 牛牛文庫(kù)文檔分享1多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（MPLPC） MPLPC方案是在給定的一幀N個(gè)激勵(lì)樣本中，保留M個(gè)，并確定其幅度與位置，使合成語(yǔ)音和原始輸入語(yǔ)音之間的感知加權(quán)誤差最小。感知加權(quán)就是通過(guò)線性濾波使客觀誤差在不重要的頻段上有所衰減，而在一些重要的頻段上得以加強(qiáng)。 牛牛文庫(kù)文檔分享1多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（MPLPC） 加上感知加權(quán)濾波器后，主觀聽(tīng)覺(jué)上的語(yǔ)音質(zhì)量有明顯的提高。MPLPC必須進(jìn)行量化編碼，它傳輸?shù)膬?nèi)容包括多脈沖激勵(lì)的脈沖位置和幅度、長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)預(yù)測(cè)器系數(shù)、音調(diào)周期等。MPLPC產(chǎn)生的語(yǔ)音質(zhì)量和比特率取決于提供一幀語(yǔ)音激勵(lì)信號(hào)的脈沖數(shù)目。多脈沖

4、激勵(lì)方式要優(yōu)化眾多脈沖的位置與幅度參數(shù)，計(jì)算量大。 牛牛文庫(kù)文檔分享1多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（MPLPC）圖5-5 RPE編碼方式激勵(lì)可能模式 牛牛文庫(kù)文檔分享2碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（CELPC） 圖5-6 CELPC的基本工作原理圖 牛牛文庫(kù)文檔分享2碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（CELPC） CELPC應(yīng)用了矢量量化技術(shù)。在數(shù)字移動(dòng)通信中，碼激勵(lì)的一種變型即矢量和激勵(lì)（VSELP）已成為美國(guó)和日本數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.1.5 移動(dòng)通信中語(yǔ)音編碼器的選擇 在低比特率語(yǔ)音編碼中，有4個(gè)參數(shù)是很重要的，即比特率、質(zhì)量、復(fù)雜度和處理時(shí)延。1語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估當(dāng)前世界上流行的語(yǔ)音

5、質(zhì)量評(píng)估方法是采用原CCITT提議的從1分到5分的主觀評(píng)定的方法。這就是“平均評(píng)價(jià)得分”（Mean Opinion Score），簡(jiǎn)稱MOS。 牛牛文庫(kù)文檔分享1語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估圖5-7 語(yǔ)音編碼的現(xiàn)狀 牛牛文庫(kù)文檔分享2語(yǔ)音編碼器的復(fù)雜度和處理時(shí)延 語(yǔ)音數(shù)字編碼的算法通常用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)實(shí)現(xiàn)。編碼硬件的成本通常隨著復(fù)雜度的提高而增加。 牛牛文庫(kù)文檔分享2語(yǔ)音編碼器的復(fù)雜度和處理時(shí)延 牛牛文庫(kù)文檔分享5.1.6 GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器 1GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器性能要求（1）語(yǔ)音質(zhì)量對(duì)語(yǔ)音編碼最基本的要求就是用戶角度測(cè)試，在可工作的范圍內(nèi)，平均語(yǔ)音質(zhì)量應(yīng)至少不低于900MHz模擬移動(dòng)系統(tǒng)。語(yǔ)

6、音編碼算法應(yīng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)頻譜以及電平變化的能力。 牛牛文庫(kù)文檔分享1GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器性能要求語(yǔ)音編碼器能夠不受環(huán)境噪聲以及很多語(yǔ)音信號(hào)混雜的干擾。在移動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)接移動(dòng)臺(tái)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩套編/譯碼器復(fù)接的情況。 牛牛文庫(kù)文檔分享1GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器性能要求（2）碼速率仍然使用8kHz取樣率，以便于和PSTN的接口連接。基于對(duì)頻率利用率和語(yǔ)音質(zhì)量相矛盾的協(xié)調(diào)，將16kbit/s作為可接受的工作比特率。 牛牛文庫(kù)文檔分享1GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器性能要求（3）碼變換GSM系統(tǒng)所確定的基本語(yǔ)音編碼的變碼器可將13位線性PCM碼流變換成16kbit/s的無(wú)線傳輸比特率。在GSM語(yǔ)音編碼器網(wǎng)絡(luò)一端將完成A律或

7、律的PCM變換。 牛牛文庫(kù)文檔分享1GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器性能要求（4）非話信號(hào)的傳輸語(yǔ)音編譯碼器沒(méi)有對(duì)語(yǔ)音頻段的數(shù)據(jù)做出要求，然而，必須要求語(yǔ)音編譯器能夠傳輸由網(wǎng)絡(luò)提供給用戶的各種音頻信號(hào)音，如撥號(hào)音、振鈴音、忙音等。 牛牛文庫(kù)文檔分享1GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器性能要求考慮到中、低比特率的編譯碼器將盡量利用語(yǔ)音中的一些特征，將語(yǔ)音以及語(yǔ)音頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)一起協(xié)調(diào)的編碼算法必將降低語(yǔ)音的質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)語(yǔ)音編碼器時(shí)，應(yīng)首先考慮語(yǔ)音的質(zhì)量，而對(duì)于語(yǔ)音頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)信號(hào)，則通過(guò)特殊的終端適配器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 牛牛文庫(kù)文檔分享1GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器性能要求（5）傳輸時(shí)延造成傳輸時(shí)延的主要原因有以下兩方面。 語(yǔ)音編碼

8、的時(shí)延。 無(wú)線分系統(tǒng)中的時(shí)延。為此對(duì)這兩種時(shí)延的限定各自可不超過(guò)65ms。 牛牛文庫(kù)文檔分享1GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器性能要求考慮到二四線轉(zhuǎn)換阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致反射現(xiàn)象發(fā)生，上述的時(shí)延將給用戶帶來(lái)令人厭煩的回聲，因此需要采用回波抑制器來(lái)消除時(shí)延的影響。 牛牛文庫(kù)文檔分享1GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器性能要求（6）硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音編碼器的要求主要來(lái)自手持機(jī)。為了保障手持機(jī)的輕小和長(zhǎng)期工作，需要硬件能夠在一塊VLSI芯片上實(shí)現(xiàn)，并要求功率消耗盡可能的低。 牛牛文庫(kù)文檔分享2GSM系統(tǒng)語(yǔ)音處理功能結(jié)構(gòu)RPE-LTP編譯碼器特性如下。 取樣速率為8kHz。 幀長(zhǎng)為20ms，每幀編碼成為260bit/s。每幀分為4個(gè)子

9、幀，每個(gè)子幀長(zhǎng)5ms。 純比特率為13kbit/s。 牛牛文庫(kù)文檔分享2GSM系統(tǒng)語(yǔ)音處理功能結(jié)構(gòu) 語(yǔ)音比特分為兩類。第一類含182bit/s，它們對(duì)誤碼是敏感的，即這些比特中發(fā)生差錯(cuò)會(huì)對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這些比特受到循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）碼和一個(gè)具有恒定長(zhǎng)度為5的1/2率卷積碼的保護(hù)。第二類含78bit，它們抗差錯(cuò)的能力強(qiáng)，不受保護(hù)。同時(shí)，為了抗突發(fā)差錯(cuò)，編碼語(yǔ)音塊的交積跨越了8個(gè)TDMA幀。 牛牛文庫(kù)文檔分享2GSM系統(tǒng)語(yǔ)音處理功能結(jié)構(gòu)分配給編譯碼器的最大時(shí)延為30ms。端對(duì)端的最大時(shí)延在75ms左右，其中40ms以上分配給時(shí)隙交織和信道編譯碼。為了進(jìn)行不連續(xù)的傳輸，可應(yīng)用語(yǔ)音激活檢測(cè)

10、器。 牛牛文庫(kù)文檔分享2GSM系統(tǒng)語(yǔ)音處理功能結(jié)構(gòu)GSM系統(tǒng)對(duì)每個(gè)用戶，其總比特率為33.85kbit/s，具體分配如下。 語(yǔ)音編譯碼13.0kbit/s 語(yǔ)音的誤差保護(hù)9.8kbit/s 慢速隨路控制信道SACCH（總數(shù)）0.95kbit/s 保護(hù)時(shí)間、同步等10.1kbit/s（約占總速率的30%） 牛牛文庫(kù)文檔分享2GSM系統(tǒng)語(yǔ)音處理功能結(jié)構(gòu)在較好條件下，RPE-LTP編譯碼器的語(yǔ)音質(zhì)量（MOS）為4分。載干比(C/I)為10dB時(shí)，可覺(jué)察到語(yǔ)音質(zhì)量的下降，MOS約下降0.2分0.8分。C/I為4dB時(shí)，語(yǔ)音質(zhì)量下降很明顯，MOS降為2分。時(shí)延理論值為20ms，實(shí)測(cè)值為22.65ms28

11、ms。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.1.7 IS-95系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器 QCELP是Qualcomm公司CDMA系統(tǒng)中的語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)IS-95。QCELP主要是使用碼表矢量量化差值信號(hào)，然后基于語(yǔ)音的激活程度產(chǎn)生一個(gè)可變的輸出數(shù)據(jù)速率。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.1.7 IS-95系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器 QCELP方案即碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)的可變速率混合編碼方案，其特點(diǎn)如下。 基于線性預(yù)測(cè)編碼。 使用矢量碼表替代簡(jiǎn)單線性預(yù)測(cè)中產(chǎn)生的濁音準(zhǔn)周期脈沖的脈沖位置和幅度，即使用碼表矢量量化差值信號(hào)。 可變速率。 參量編碼的主要參量分為三類，且每幀不斷更新。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.1.7 IS-95系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器語(yǔ)音編碼是提取語(yǔ)音參數(shù)

12、，并將參數(shù)量化的過(guò)程。該過(guò)程應(yīng)當(dāng)使最后合成的語(yǔ)音與原始語(yǔ)音的差別盡量少。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.2 信 道 編 碼 移動(dòng)通信系統(tǒng)使用信道編碼技術(shù)可以降低信道突發(fā)的和隨機(jī)的差錯(cuò)。信道編碼是通過(guò)在發(fā)送信息時(shí)加入冗余的數(shù)據(jù)位來(lái)改善信道鏈路的性能的。在發(fā)射機(jī)的基帶部分，信道編碼器按照某種確定的約束規(guī)則，把一段數(shù)字信息映射成另一段包含更多數(shù)字比特的碼序列，然后把已被編碼的碼序列進(jìn)行調(diào)制以便在無(wú)線信道中傳送。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.2 信 道 編 碼 接收機(jī)可以用信道編碼的約束規(guī)則來(lái)檢測(cè)或糾正由于在無(wú)線信道中傳輸而引入的一部分或全部的誤碼。由于解碼是在接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)之后執(zhí)行的，所以信道編碼是一種后檢測(cè)技術(shù)。

13、牛牛文庫(kù)文檔分享5.2 信 道 編 碼 編碼增加了數(shù)據(jù)比特，這使得信道中傳輸?shù)目偟臄?shù)據(jù)速率提高，也就會(huì)占用更大的信道帶寬。信道編碼通常有兩類：分組編碼和卷積編碼。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.2 信 道 編 碼 5.2.1 信道編碼原理5.2.2 分組碼5.2.3 卷積碼5.2.4 其他信道編碼 牛牛文庫(kù)文檔分享5.2.1 信道編碼原理信道編碼的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)是利用傳輸數(shù)據(jù)的冗余量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用于檢測(cè)錯(cuò)誤的信道編碼稱做檢錯(cuò)編碼；可糾錯(cuò)的信道編碼被稱做糾錯(cuò)編碼。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.2.1 信道編碼原理對(duì)于加性高斯白噪聲信道，額定帶寬為B(Hz)、接收信號(hào)功率為P(W)及噪聲譜密度為 P(W/Hz)，其信道容

14、量可由下面的香農(nóng)公式給出： 牛牛文庫(kù)文檔分享5.2.1 信道編碼原理信道編碼是通過(guò)增加相關(guān)的冗余數(shù)據(jù)來(lái)提高系統(tǒng)性能，也就是以增加傳輸帶寬為代價(jià)來(lái)取得編碼增益的。檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼有兩種基本類型：分組碼和卷積碼。圖5-8中分別列出幾種編碼方案的性能。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.2.1 信道編碼原理圖5-8 幾種編碼方案的性能 牛牛文庫(kù)文檔分享5.2.2 分組碼 要使信道編碼具有一定的檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力，必須加入一定的多余碼元。信息碼元先按組進(jìn)行劃分，然后對(duì)各信息組按一定規(guī)則加入多余碼元，這些附加監(jiān)督碼元僅與本組的信息碼元有關(guān)，而與其他碼組的信息無(wú)關(guān)，這種編碼方法稱為分組編碼。 牛牛文庫(kù)文檔分享1編碼效率、冗余

15、度、碼重與碼距 在分組碼中，數(shù)據(jù)每k個(gè)信息比特分為一組，k個(gè)信息位與增加的（nk）個(gè)比特組成一個(gè)n比特的碼組（或碼字），這種碼叫做(n，k)分組碼。分組中(n-k)/k比值稱為碼的冗余度，k/n比值稱為編碼效率。編碼效率可表示分組中信息比特所占的比例。 牛牛文庫(kù)文檔分享1編碼效率、冗余度、碼重與碼距除編碼效率k/n外，碼字的另一個(gè)重要參數(shù)是碼重，即碼字中非零的碼元數(shù)目。不同類型的分組碼具有不同的特性。 線性分組碼 系統(tǒng)碼 循環(huán)碼 牛牛文庫(kù)文檔分享2BCH碼 BCH碼是循環(huán)碼的一個(gè)重要子類，具有多種碼率，可獲得很大的編碼增益，BCH碼有嚴(yán)密的代數(shù)理論，是目前研究最透徹的一類碼。（1）戈雷碼（Go

16、lay） （2）擴(kuò)展BCH碼（3）截短BCH碼 牛牛文庫(kù)文檔分享3RS碼RS碼是Reed-Solomon（里德索洛蒙）碼的簡(jiǎn)稱，它是一種多進(jìn)制BCH碼。它能夠糾突發(fā)錯(cuò)誤，通常在連續(xù)編碼系統(tǒng)中采用。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.2.3 卷積碼 圖5-9 卷積編碼器的通用結(jié)構(gòu)圖 牛牛文庫(kù)文檔分享1卷積碼的基本特性 卷積碼常記作(n，k，N )，它的編碼效率為Rc=k/n。參數(shù)N被稱做約束長(zhǎng)度，它指明了當(dāng)前的輸出數(shù)據(jù)多少與輸入數(shù)據(jù)有關(guān)，決定了編碼復(fù)雜度。卷積碼的糾錯(cuò)能力也與碼距相關(guān)，卷積碼有兩種碼距：最小距dmin和自由距dfree。 牛牛文庫(kù)文檔分享1卷積碼的基本特性編碼后長(zhǎng)度為nN碼元中各個(gè)序列之間的漢

17、明距稱為最小距dmin；編碼后任意長(zhǎng)度的碼元中各個(gè)序列之間的漢明距稱為自由距dfree。描述卷積碼的方法有圖解法和解析法。解析法可以采用生成矩陣和生成多項(xiàng)式這兩種方法，圖解法可以采用樹(shù)狀圖、網(wǎng)格圖、狀態(tài)圖和邏輯表等方法。 牛牛文庫(kù)文檔分享2卷積碼的解碼 卷積碼的解碼思想是：信息序列和碼序列之間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；而且，任何信息序列和碼序列將與網(wǎng)格圖中的唯一的一條路徑相聯(lián)系。因而卷積譯碼器的工作就是找到網(wǎng)格圖中的這一條路徑。解卷積碼的技術(shù)有許多種，常用的是Viterbi算法、序貫譯碼法。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.2.4 其他信道編碼 1網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM）網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)是通過(guò)把有限狀態(tài)編碼器和有冗

18、余度的多進(jìn)制調(diào)制器結(jié)合起來(lái)，可在不擴(kuò)展占用帶寬的前提下獲得可觀的編碼增益。 牛牛文庫(kù)文檔分享2Turbo碼 Turbo碼的基本原理是通過(guò)編碼器的巧妙構(gòu)造，即多個(gè)子碼通過(guò)交織器進(jìn)行并行或串行級(jí)聯(lián)（PCC/SCC），然后以類似內(nèi)燃機(jī)引擎廢氣反復(fù)利用的機(jī)理進(jìn)行迭代譯碼，從而獲得卓越的糾錯(cuò)性能，Turbo碼也因此得名。 牛牛文庫(kù)文檔分享2Turbo碼Turbo碼的基本原理是通過(guò)編碼器的巧妙構(gòu)造，即多個(gè)子碼通過(guò)交織器進(jìn)行并行或串行級(jí)聯(lián)（PCC/SCC），然后以類似內(nèi)燃機(jī)引擎廢氣反復(fù)利用的機(jī)理進(jìn)行迭代譯碼，從而獲得卓越的糾錯(cuò)性能，Turbo碼也因此得名。它不僅在信噪比較低的高噪聲環(huán)境下性能優(yōu)越，而且具有很強(qiáng)的抗衰落、抗干擾能力，其糾錯(cuò)性能接近香農(nóng)極限。這使得Turbo碼在信道條件較差的移動(dòng)通信系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。 牛牛文庫(kù)文檔分享2Turbo碼圖5-10 Turbo碼編碼原理圖 牛牛文庫(kù)文檔分享2Turbo碼圖5-11 Turbo碼譯碼原理圖 牛牛文庫(kù)文檔分享5.3 交 織 編 碼 突發(fā)錯(cuò)誤是指一個(gè)錯(cuò)誤序列，錯(cuò)誤序列的長(zhǎng)度稱為突發(fā)長(zhǎng)度。交織編碼設(shè)計(jì)思路不是為了適應(yīng)信道，而是為了改造信道；它是通過(guò)交織與去交織將一個(gè)有記憶的突發(fā)信道，改造為基本上是無(wú)記憶的隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)的信道，然后再用隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)的糾錯(cuò)碼來(lái)糾錯(cuò)。 牛牛文庫(kù)文檔分享5.3