第2章 數(shù)字終端編碼技術(shù)-語聲信號數(shù)字化

第2章

數(shù)字終端編碼技術(shù)——語聲信號數(shù)字化語聲信號編碼的基本概念2.1脈沖編碼調(diào)制（PCM）2.2

自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）2.3子帶編碼（SBC）2.4

本章首先簡單介紹語聲信號編碼的基本概念，接著詳細分析PCM，然后討論ADPCM的主要問題，最后簡單介紹一下子帶編碼。2.1語聲信號編碼的基本概念2.1.1語聲信號編碼的概念

所謂語聲信號的編碼指的就是模擬話音信號的數(shù)字化，即信源編碼。

2.1.2語聲信號編碼的分類

根據(jù)語聲信號的特點及編碼的實現(xiàn)方法，語聲信號的編碼可分為三大類型。1．波形編碼

波形編碼是根據(jù)語聲信號波形的特點，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

常見的波形編碼有脈沖編碼調(diào)制（PCM）、差值脈沖編碼調(diào)制（DPCM）、自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）、增量調(diào)制（DM）等。2．參量編碼

參量編碼是提取語聲信號的一些特征參量，對其進行編碼。3．混合編碼

混合編碼是介于波形編碼和參量編碼之間的一種編碼，即在參量編碼的基礎(chǔ)上，引入一定的波形編碼的特征。

子帶編碼屬于混合編碼。

2.2脈沖編碼調(diào)制（PCM）2.2.1PCM通信系統(tǒng)的構(gòu)成1．脈沖編碼調(diào)制（PCM）的概念

脈沖編碼調(diào)制（PCM）是模／數(shù)變換（A／D變換）的一種方法，它是對模擬信號的瞬時抽樣值量化、編碼，以將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。2．PCM通信系統(tǒng)的構(gòu)成

圖2-1PCM通信系統(tǒng)的構(gòu)成方框圖(基帶傳輸)

它由三個部分構(gòu)成：（1）模／數(shù)變換抽樣——是把模擬信號在時間上離散化，變?yōu)槊}沖幅度調(diào)制（PAM）信號。量化——是把PAM信號在幅度上離散化，變?yōu)榱炕担ü灿?/p>

個量化值）。編碼——是用二進碼來表示

個量化值，每個量化值編

位碼，則有

。（2）信道部分

信道部分包括傳輸線路及再生中繼器。（3）數(shù)／模變換

解碼——是編碼的反過程，解碼后還原為PAM信號（假設(shè)忽略量化誤差——量化值與PAM信號樣值之差）。低通——收端低通的作用是恢復(fù)或重建原模擬信號。2.2.2抽樣1．抽樣的概念及分類（1）抽樣的概念

抽樣就是每隔一定的時間間隔T，抽取模擬信號的一個瞬時幅度值（樣值）。

圖2-2抽樣過程（2）抽樣的分類

抽樣可以分為低通型信號的抽樣和帶通型信號的抽樣。

設(shè)模擬信號

的頻率范圍為

∽

，

。稱為低通型信號（話音信號等屬于低通型信號）；

則稱為帶通型信號。2．低通型信號的抽樣

圖2-2所示的抽樣即為低通型信號的抽樣，而且它為自然抽樣。

所謂自然抽樣是其抽樣脈沖有一定的寬度，樣值也就有一定的寬度，且樣值的頂部隨模擬信號的幅度變化。

實際采用的是自然抽樣。

為了分析方便，要借助于理想抽樣分析。

采用理想的單位沖激脈沖序列作為抽樣脈沖（即用沖激脈沖近似表示有一定寬度的抽樣脈沖）時，稱為理想抽樣。

借助于理想抽樣得出低通型信號的抽樣頻譜的結(jié)論：（理想抽樣）

（2-8），抽樣頻率為圖2-4抽樣頻率對頻譜的影響接收端只要用一個低通濾波器把原始模擬信號（頻帶為0～

）取出，就可獲得原始模擬信號的重建。為了避免產(chǎn)生折疊噪聲，對頻帶為0～

的模擬信號，其抽樣頻率

必須滿足下列條件：

，即

（抽樣定理）

留有一定寬度的防衛(wèi)帶不滿足抽樣定理的后果是PAM信號產(chǎn)生折疊噪聲，收端就無法用低通濾波器準確地恢復(fù)原模擬話音信號。話音信號頻率范圍：300∽3400，

=3400，這時滿足抽樣定理的最低的抽樣頻率應(yīng)為6800，為了留有一定的防衛(wèi)帶，CCITT（ITU-T）規(guī)定話音信號的抽樣頻率為

＝8000，

。3．帶通型信號的抽樣圖2-7帶通型信號樣值序列的頻譜

為了即不會產(chǎn)生折疊噪聲，又不使信道利用率下降，由圖2-7采用試湊法得出：（2-10）

式中

為

的整數(shù)部分，用

表示，則

（2-11）

如要求原始信號頻帶與其兩側(cè)相鄰的頻帶間隔相等，則

（2-12）2.2.3量化

量化是將時間域上幅度連續(xù)的樣值序列變換為時間域上幅度離散的樣值序列信號（即量化值）。

量化分為均勻量化和非均勻量化兩種。1．均勻量化

均勻量化是在量化區(qū)內(nèi)（即從-U～+U）均勻等分

個小間隔。U為過載電壓，

稱為量化級數(shù)，每一小間隔稱為量化間隔

。由此可得：

（2-13）

下面以N=8為例說明均勻量化特性。參見圖2-9。

圖2-9量化值與量化誤差

抽樣值（連續(xù)值）量化值量化級數(shù)量化值數(shù)目

量化區(qū)(0～

)(～

)(～

)(～

)

8

8

過載區(qū)(～

)

表2-1抽樣值值與量化值的關(guān)系（N=8）

通過量化可以將PAM信號在幅度上離散化，量化值的數(shù)目等于量化級數(shù)

（量化后對

個量化值要用二進制編碼，編碼的碼位數(shù)為

，顯然

）。

由量化而產(chǎn)生的誤差叫量化誤差

，

量化誤差=量化值-樣值=。

（量化區(qū)）

（過載區(qū)）

均勻量化的特點是：在量化區(qū)內(nèi)，大、小信號的量化間隔相同，最大量化誤差也就相同，所以小信號的量化信噪比小，大信號的量化信噪比大。

在

（或

）大小適當(dāng)時，均勻量化小信號的量化信噪比太小，不滿足要求，而大信號的量化信噪比較大，遠遠滿足要求。

為了解決這個問題，若仍采用均勻量化，需增大

（或

），但

過大時，一是使編碼復(fù)雜，二是使信道利用率下降。

所以引出了非均勻量化。

2．非均勻量化

非均勻量化的宗旨是：在不增大量化級數(shù)

的前提下，利用降低大信號的量化信噪比來提高小信號的量化信噪比。

為了達到這一目的，非均勻量化大、小信號的量化間隔不同。

信號幅度小時，量化間隔小，其量化誤差也??；信號幅度大時，量化間隔大，其量化誤差也大。

實現(xiàn)非均勻量化的方法有兩種：模擬壓擴法和直接非均勻編解碼法。（1）模擬壓擴法

模擬壓擴法方框圖如圖2-11所示。圖2-11模擬壓擴法方框圖

（2）直接非均勻編解碼法

實現(xiàn)非均勻量化的方法，目前一般采用直接非均勻編解碼法。

所謂直接非均勻編解碼法就是：發(fā)端根據(jù)非均勻量化間隔的劃分直接將樣值編碼（非均勻編碼），在編碼的過程中相當(dāng)于實現(xiàn)了非均勻量化，收端進行非均勻解碼。3．量化信噪比

量化信噪比的定義式為：

（2-14）

式中：

為話音信號平均功率；

為總量化噪聲功率

（2-15）為量化區(qū)內(nèi)的量化噪聲功率；為過載區(qū)內(nèi)的量化噪聲功率。（1）均勻量化信噪比

根據(jù)推導(dǎo)得出以下結(jié)論（令

，為話音信號電壓有效值。①當(dāng)

時，

，此時

，則有

（2-16）②當(dāng)

時，

此時

，則有

（2-17）

根據(jù)式（2-16）和式（2-17）可定性地畫出均勻量化信噪比曲線，如圖2-13所示。圖2-13均勻量化信噪比曲線（2）非均勻量化信噪比

重點分析A律壓縮特性的

，為分析簡化，忽略過載時的量化噪聲功率

。①

律壓縮特性圖2-16律壓縮特性

直線

段的方程：，

（2-19）其斜率

（2-20）

曲線

段的方程：

（2-21），其斜率一般取A=87．6。

（2-22）②

律壓縮特性的非均勻量化信噪比

根據(jù)推導(dǎo)得出

律壓縮特性的非均勻量化信噪比為：

（2-24）其中令

叫信噪比改善量。段：

（2-25），段：，

（2-26）

設(shè)

，可畫出

律壓縮特性的非均勻量化信噪比如圖2-18所示。圖2-18律縮特性的非均勻量化信噪比時③

律13折線壓縮特性圖2-19律13折線壓縮特性段號12345678斜率161684211/21/4Q（dB）2424181260-6-12表2-3律13折線壓縮特性各段折線的斜率及信噪比改善量2.2.4編碼與解碼1．二進制碼組及編碼的基本概念（1）二進制碼組

①一般二進碼（簡稱二進碼）

在一般二進碼中，各位碼（幅度碼）有一固定的權(quán)值。設(shè)

位碼的碼字為

，其權(quán)值依次是

。

一般二進碼簡單易記，但對于雙極性的信號來講，不如折疊二進碼方便。②折疊二進碼

在折疊碼中，只要樣值的絕對值相同，則其幅度碼也相同。

用它來表示雙極性的量化電平是很方便的，可以簡化編碼設(shè)備。

另外，從統(tǒng)計的觀點看，折疊二進碼的抗誤碼性比一般二進碼強。③格雷碼

格雷碼也具有折疊碼的優(yōu)點，但在電路實現(xiàn)上較折疊碼要復(fù)雜一些。

當(dāng)前在PCM系統(tǒng)中廣泛采用折疊二進碼。（2）編碼的基本概念①編碼的概念

編碼是把模擬信號樣值變換成對應(yīng)的二進制碼組（實際的編碼器都是直接對樣值編碼，在編碼的過程中相當(dāng)于實現(xiàn)了量化）。②編碼的分類

編碼可分為以下兩種：線性編碼與解碼——具有均勻量化特性的編碼與解碼，即根據(jù)均勻量化間隔的劃分直接對樣值編碼。非線性編碼與解碼——具有非均勻量化特性的編碼與解碼，即根據(jù)非均勻量化間隔的劃分直接對樣值編碼。

以下重點介紹的是非線性編碼與解碼，而且是根據(jù)A律13折線非均勻量化間隔的劃分直接對樣值編碼，收端再解碼。2．A律13折線的碼字安排A律13折線，它在正軸從0到

（歸一化后為1）逐次對分為8段，每一段稱為一個量化段。A律13折線的正、負共有16個量化段。

為了減少編碼誤差，每一量化段內(nèi)又均勻等分為16份，每一份稱為一個量化級，其長度為量化間隔

（1∽8）。

所以A律13折線的量化級數(shù)因為，所以

極性碼

幅

度

碼信號為正時，

信號為負時，

段落碼

段內(nèi)碼

表2-7碼字安排A律13折線采用折疊二進碼進行編碼，絕對值相同的正或負樣值其幅度碼相同。令量化段序號電平范圍（

）段落碼起始電平（

）量化間隔

（

）

段內(nèi)碼對應(yīng)權(quán)值（

）

81024∽2048111102464512256128647512∽10241105123225612864326256∽512101256161286432165128∽25610012886432168464∽128011644321684332∽6401032216842216∽32001161842110∽16000018421表2-8A律13折線正8段的電平范圍、起始電平、量化間隔和對應(yīng)碼字

3．A律13折線編碼方法（1）極性碼時，時，（2）幅度碼①編碼規(guī)則設(shè)若，則若，則（）2∽8②判定值的確定

判定值是各量化段或量化級的分界點電平（表示為

）。

對

的編碼器，判定值共有

種

判定值的確定規(guī)則為：段落碼判定值的確定——以量化段為單位逐次對分，對分點電平依次為

～

的判定值。段內(nèi)碼判定值的確定——以某量化段（由段落碼確定第幾量化段）內(nèi)量化級為單位逐次對分，對分點電平依次為

～

的判定值。

例2-4某A律13折線編碼器，

＝８，一個樣值為

，試將其編成相應(yīng)的碼字。解

段落碼為100，樣值在第5量化段，

碼字為01000110

4．碼字的對應(yīng)電平（1）編碼電平與編碼誤差（絕對值）①編碼電平（碼字電平）

編碼器輸出的碼字所對應(yīng)的電平稱為編碼電平（也叫碼字電平），以

（或

）表示（取的是絕對值）。

以電流為例，編碼電平為

（2-29）②編碼誤差

（2-30）（2）解碼電平與解碼誤差（絕對值）①解碼電平

解碼電平是解碼器的輸出電平（有關(guān)解碼器后面介紹）。以

（或

）表示（取的是絕對值）。

以電流為例，解碼電平為

（2-31）②解碼誤差

（2-32）5．逐次漸近型編碼器圖2-22逐次漸近型編碼器方框圖

它的基本電路結(jié)構(gòu)是由兩大部分組成：碼字判決與碼形成電路和判定值的提供電路——本地解碼器。（1）碼字判決與碼形成電路①極性判決②全波整流③比較碼形成

根據(jù)比較結(jié)果形成

～

各位幅度碼。

幅度碼與極性碼通過匯總電路（或門）匯總輸出。（2）本地解碼器①串／并變換記憶電路

先行碼（反饋碼）～

串行輸入串／并變換記憶電路，其并行輸出

～

。對于先行碼（已編好的碼）：對于當(dāng)前碼（正準備編的碼）：對于后續(xù)碼（尚未編的碼）：

②7/11變換7/11變換是將7位非線性碼

～

（相當(dāng)于7位非線性幅度碼）轉(zhuǎn)換為11位線性幅度碼

∽

。幅度碼權(quán)值1024512256128643216

8

4

2

1

表2-9∽各位碼的權(quán)值（11個權(quán)值稱為恒流源）～碼的判定值等于幾個（可能1∽5個）恒流源相加，為了產(chǎn)生判定值，要得到11個恒流源，所以要7/11變換。

非線性碼與線性碼的變換原則是：變換前后非線性碼與線性碼的碼字電平相等。

在進行7/11變換時，非線性碼

～

看作是

～

，其碼字電平如式（2-29）所示。而

∽11位線性碼的碼字電平為：

（2-33）

③11位線性解碼網(wǎng)絡(luò)11位線性解碼網(wǎng)絡(luò)的作用是將

所對應(yīng)的權(quán)值（恒流源）相加，以產(chǎn)生相應(yīng)的判定值。6．A律13折線解碼器

解碼的作用是把接收到的PCM信碼還原成解碼電平。

圖2-24A律13折線解碼器方框圖A律13折線解碼器和逐次漸近型編碼器中的本地解碼器不同點：（1）即

。（2）增加了極性控制部分。（3）數(shù)字擴張部分由7／11變換改成7／12變換。

編碼電平也等于

∽

的11個權(quán)值（恒流源）中的幾個相加，而解碼電平又增加一個

，A律13折線第3～8段的

恰好在11個恒流源范圍內(nèi)，但第1、2段中的

，它不在11個恒流源范圍之內(nèi)，所以要增加一個恒流源

，令

的權(quán)值為

。因此，收端解碼器要進行7／12變換，即將

～

變換成

∽

。（4）寄存讀出是接收端解碼器中所特有的。（5）線性