自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制語(yǔ)音編碼

本文格式為Word版，下載可任意編輯——自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制語(yǔ)音編碼自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）語(yǔ)音編

碼

摘要:在過(guò)去的幾十年中人類(lèi)在語(yǔ)音數(shù)字化和數(shù)字化壓縮領(lǐng)域研究摸索中取得了輝煌的成就。開(kāi)

辟了嶄新的信息數(shù)字化時(shí)代。

1972年CCITT制定了G.71164kb/sPCM語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)，CCITTG.711A規(guī)定的A律和μ律PCM采用非線性量化，在64kb/s的速率語(yǔ)音質(zhì)量能夠達(dá)到網(wǎng)絡(luò)等級(jí)，當(dāng)前已廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字通信系統(tǒng)中。由于它是一維統(tǒng)計(jì)語(yǔ)音信號(hào)，當(dāng)速率進(jìn)一步減小時(shí)，將達(dá)不到網(wǎng)絡(luò)等級(jí)所要求的話音質(zhì)量。對(duì)于大量應(yīng)用，特別在長(zhǎng)途傳輸系統(tǒng)中，64kb/s的速率所占用的頻帶太寬以至通信費(fèi)用昂貴，因此人們一直尋求能夠在更低的速率上獲得高質(zhì)量語(yǔ)音編碼質(zhì)量的方法。于是在1984年CCITT又提出了32kb/s標(biāo)準(zhǔn)的G.721ADPCM編碼。

ADPCM充分地使用了語(yǔ)音信號(hào)樣點(diǎn)間的相關(guān)性，利用自適應(yīng)預(yù)計(jì)和量化來(lái)解決語(yǔ)音信號(hào)的非平穩(wěn)特點(diǎn)，在32kb/s速率上能夠給出符合公用網(wǎng)的要求的網(wǎng)絡(luò)等級(jí)語(yǔ)音質(zhì)量。

本文對(duì)PCM、DPCM、DM、ADM以及ADPCM的編碼、譯碼原理進(jìn)行探討，并對(duì)它們性能進(jìn)行比較，然后著重闡述基于ADPCM的語(yǔ)音壓縮算法，并介紹了ADPCM編碼在藍(lán)牙技術(shù)上的使用，最終對(duì)ADPCM在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用做個(gè)總結(jié)與展望。

1脈沖編碼調(diào)制及差分脈沖編碼調(diào)制

1.1脈沖編碼調(diào)制(PCM)

脈沖編碼調(diào)制PCM（PulseCodeModulation）是把模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)的一種調(diào)

制方式。其功能是完成模-數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)連續(xù)消息數(shù)字化。在PCM的調(diào)制過(guò)程中，將輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行取樣，量化和編碼。經(jīng)量化后的樣值進(jìn)一步變換為表示量化電平大小的二進(jìn)制，即用二進(jìn)制的大小來(lái)代表模擬信號(hào)的幅度(一個(gè)二進(jìn)制碼是一組有限的“0〞、“1〞脈沖序列)。在接收端再將這些編碼的二進(jìn)制數(shù)還原為原來(lái)的模擬信號(hào)。由于二進(jìn)制PCM便于應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，且具有抗噪性能好的優(yōu)點(diǎn)，因此是一種最常用的PCM形式。

1.2差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)

DPCM（DifferentialPCM）是指采用固定預(yù)計(jì)器與固定量化器的差值脈沖調(diào)制，它是利用樣本與樣本之間存在的信息冗余度來(lái)進(jìn)行編碼的一種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，它記錄的不是信號(hào)的絕對(duì)大小而是相對(duì)大小。它是分析ADPCM工作原理的基礎(chǔ)。

DPCM采用預(yù)計(jì)編碼技術(shù)，將信號(hào)抽樣值與信號(hào)預(yù)計(jì)值的差值進(jìn)行量化、編碼后傳輸。在DPCM中是用n位二進(jìn)碼表示增量，因此它是介于DM和PCM之間的一種編碼方式。DPCM相對(duì)于PCM信噪比有所改觀，與DM相比，由于增加了量化級(jí)，因此改善量化噪聲方面也優(yōu)于DM，DPCM的缺點(diǎn)是較易受到傳輸線路噪聲的干擾。

2增量調(diào)制及自適應(yīng)增量調(diào)制

2.1增量調(diào)制(DM)

增量調(diào)制(Deltamodulation,簡(jiǎn)稱(chēng)為DM)是只保存每一信號(hào)樣值與其預(yù)計(jì)值之差的符號(hào)，并用一位二進(jìn)制數(shù)編碼的差分脈沖編碼調(diào)制。DM的工作原理，將信號(hào)瞬時(shí)值與前一個(gè)抽樣時(shí)刻的量化值之差進(jìn)行量化，而且只對(duì)這個(gè)差值的符號(hào)進(jìn)行編碼，而不對(duì)差值的大我碼。因此編碼反映的不是原始的信號(hào)，而是差分本身。在DM中由電平的量化誤差產(chǎn)生的噪聲稱(chēng)為顆粒噪聲。而由于輸入信號(hào)的斜率過(guò)大，調(diào)制器跟蹤不及而產(chǎn)生的噪聲稱(chēng)為斜率過(guò)載噪聲。

2.2自適應(yīng)增量調(diào)制(ADM)

自適應(yīng)增量調(diào)制(AdaptiveDM,簡(jiǎn)稱(chēng)ADM)。為兼顧過(guò)載噪聲和量化噪聲，而采用了ADM，它的基本方法是檢測(cè)輸入信號(hào)的斜率變化，自動(dòng)改變預(yù)計(jì)信號(hào)和量化臺(tái)階，使預(yù)計(jì)信號(hào)總能跟蹤上輸入信號(hào)的變化。近年來(lái)，在ADM體制上提出了幾種實(shí)用有效的算法，例如：(1)常因子自適應(yīng)增量調(diào)制(CFDM)算法；(2)高信息自適應(yīng)增量調(diào)制(HIDM)算法；(3)Song算法；(4)混合自適應(yīng)增量調(diào)制(HCDM)算法；(5)CVSD算法。

3自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)

自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(AdaptiveDifferentialPulseCodeModulation，簡(jiǎn)稱(chēng)ADPCM)最早使用于數(shù)字通信系統(tǒng)中。目前我們所使用的IMAADPCM算法簡(jiǎn)單實(shí)用，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字錄音筆和音樂(lè)盒中，更是應(yīng)用于衛(wèi)星通信IDR系統(tǒng)及小型站衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)。

自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制用預(yù)計(jì)編碼來(lái)壓縮數(shù)據(jù)量。它是一種結(jié)合了ADM的差分信號(hào)與PCM的二進(jìn)制碼的方法的波形編碼。由于ADPCM主要用來(lái)對(duì)現(xiàn)有的PCM信道擴(kuò)容，即把2個(gè)2Mkb/sPCM基群信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)2Mkb/s60路ADPCM編碼器輸出與解碼器輸出都采用標(biāo)準(zhǔn)A律或μ律PCM碼。而經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)壓縮后的64kb/sPCM信號(hào)是不能直接進(jìn)行一般算術(shù)運(yùn)算的，進(jìn)入編碼前，需要將A律或μ律PCM碼通過(guò)內(nèi)在關(guān)系轉(zhuǎn)換成線性PCM碼(即自然二進(jìn)制碼)。在接收端，則需要將ADPCM碼解碼得到的自然二進(jìn)制碼重建信號(hào)變換成A律或μ律對(duì)數(shù)PCM信號(hào)輸出。它的編碼簡(jiǎn)化框圖如圖1所示：

圖1.ADPCM編碼示意圖

其編碼過(guò)程為：①為了便于數(shù)字運(yùn)算，在編碼器中先將輸入的PCM碼轉(zhuǎn)換成14位線性碼Sl(k)，然后與預(yù)計(jì)信號(hào)Se(k)求差得到信號(hào)D(k)②將D(k)進(jìn)行自適應(yīng)差分量化，得到4比特ADPCM代碼I(k)。③先把I(k)送到量化階調(diào)整器，算得新的量化標(biāo)度因子Y(k)。④再把I(k)送到解碼器，同時(shí)將I(k)進(jìn)行本地解碼得到量化后的差值信號(hào)Dq(k)與預(yù)計(jì)信號(hào)Se(k)求和得到本地重建信號(hào)Sr(k)，將Sr(k)輸入自適應(yīng)預(yù)計(jì)器，得到二階極點(diǎn)和六階零點(diǎn)的混合預(yù)計(jì)系數(shù)，它利用Dq(k)、Sr(k)以及前幾次運(yùn)算的值對(duì)下一個(gè)輸入信號(hào)S1+l(k)進(jìn)行預(yù)計(jì)，計(jì)算出Se+l(k)。解碼是實(shí)現(xiàn)解壓縮功能，即編碼的逆過(guò)程，解碼與編碼有一致的電路，只是多了一個(gè)同步編碼調(diào)整，其作用是使級(jí)聯(lián)工作時(shí)不產(chǎn)生誤差累積。解碼器最終輸出的碼是8位A律或μ律PCM碼，因此在得到重建信號(hào)Se(k)，還需將它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PCM碼。解碼簡(jiǎn)化框圖如圖2所示：

圖2.ADPCM解碼示意圖

4語(yǔ)音壓縮編碼

現(xiàn)代通信的重要標(biāo)志是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。對(duì)模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信首先要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。這一過(guò)程對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的變換叫語(yǔ)音編碼。衡量語(yǔ)音壓縮編碼性能的主要指標(biāo)是語(yǔ)音編碼質(zhì)量、編碼速率、編碼算法及繁雜程度和編解碼延時(shí)。對(duì)這些指標(biāo)的要求往往是相互矛盾的，必需根據(jù)實(shí)際狀況權(quán)衡。

4.1語(yǔ)音壓縮編碼方法

語(yǔ)音編碼技術(shù)可以分為兩大類(lèi)：波形編碼和參數(shù)編碼。波形編碼是將時(shí)間域信號(hào)直接變換為數(shù)字代碼，其特點(diǎn)是再建信號(hào)的波形。這種方案中信號(hào)的質(zhì)量較高，而其編碼的比特率在64-16kb/s范圍內(nèi)，PCM、DM等均屬于這一類(lèi)。參量編碼又叫模型基信源編碼。它不傳送信號(hào)的取樣值，而是傳送語(yǔ)音生成模型的基本參數(shù)以及適當(dāng)?shù)墓奈栊盘?hào)。在接收端則從數(shù)字代碼恢復(fù)特征參量，再?gòu)膮⒘恐亟ㄕZ(yǔ)音信號(hào)。這種方法的特點(diǎn)是質(zhì)量較前者低，但可大大壓

縮比特速率，多用于窄帶信道，如在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用日益廣泛。

圖3：語(yǔ)音生成模型

4.2語(yǔ)音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)

H.323(由國(guó)際電信聯(lián)盟ITU推薦)建議定義的多媒體會(huì)議系統(tǒng)工作的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)是一個(gè)基于分組交換的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，如X.25網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)和IP網(wǎng)等。目前IP網(wǎng)發(fā)展迅速，公用IP網(wǎng)和專(zhuān)用IP網(wǎng)都在大規(guī)模建設(shè)，使得IP網(wǎng)在通信信息領(lǐng)域越來(lái)越重要。H.323建議用于分組交換網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)然也用在IP網(wǎng)中。

H.323會(huì)議系統(tǒng)的語(yǔ)音編碼主要有6種，即G.711、G.722、G.723.1、G.728、G.729和MPEGaudio，其中G7.11是必備的，即系統(tǒng)中的終端與MCU都必需支持G.711編碼，其他5種是可選用的。除了上述6種編碼外，也可以通過(guò)能力協(xié)商來(lái)采用其他編碼形式。(1)G.711，其編碼速率為64kb/s，采用PCM編碼方式，采樣速率為8kHz，每個(gè)樣值用8bit非線性的A律或μ律進(jìn)行編碼，總速率為64kbit/s。

(2)G.728，基于低時(shí)延的代數(shù)編碼鼓舞線性預(yù)計(jì)(LD-ACELP)壓縮原則16kbit/s編碼標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)壓縮算法。

(3)G.729和G.729a，基于共軛結(jié)構(gòu)-代數(shù)編碼鼓舞線性預(yù)計(jì)(CS-ACELP)壓縮原則

8kbit/s編碼標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)壓縮算法。由于G.729a是G.729的簡(jiǎn)化版本，算法繁雜度低且執(zhí)行時(shí)間短而受到了廣大網(wǎng)關(guān)廠商的青睞。G.729標(biāo)準(zhǔn)采用的算法，可以僅用8kbit/s帶寬傳輸話音，而話音質(zhì)量與32kbit/sADPCM一致。

(4)G.723.1，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了5.3kbit/s和6.3kbit/s兩種不同速率。其中5.3kbit/s速率是以ACELP代數(shù)碼鼓舞線性預(yù)計(jì)編碼算法為基礎(chǔ)。

圖4：音編碼標(biāo)準(zhǔn)

5突破藍(lán)牙ADPCM語(yǔ)音編碼

CSR公司為解決CVSD作為語(yǔ)音流量編碼方法所帶來(lái)的局限，在第六代藍(lán)牙技術(shù)中引入了射頻掃描等改進(jìn)技術(shù),同時(shí)開(kāi)發(fā)通過(guò)eSCO連接采用自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）CODEC來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的音頻質(zhì)量的最領(lǐng)先的技術(shù)——AuriStream，由于其速率只有32Kbps,卻可執(zhí)行完全一致的功能，使手機(jī)的藍(lán)牙功耗節(jié)省一半。ADPCM被視為對(duì)CVSD(連續(xù)可變斜率增量調(diào)制)的理想補(bǔ)充的一種已被廣泛接受的CODEC技術(shù)。

ADPCM不同于CVSD：它能夠以相對(duì)較慢的取樣速度發(fā)現(xiàn)樣本間的差異。ADPCM以相對(duì)于CVSD速率一半的較低速率傳輸固定電話質(zhì)量的信號(hào)，為藍(lán)牙傳輸器和接收器儉約了大約一半的運(yùn)行時(shí)間。該方法為藍(lán)牙系統(tǒng)減少了40%的功耗。ADPCM使藍(lán)牙連接的語(yǔ)音通話能夠達(dá)到固定電話的通話質(zhì)量。

CSR公司BlueCore6所采用的AuriStream技術(shù)的耳機(jī)與采用同樣技術(shù)的手機(jī)相連接，在嘈雜的環(huán)境里也能使語(yǔ)音撥號(hào)變得更為確切簡(jiǎn)單。這表達(dá)了ADPCM編碼在質(zhì)量方面的優(yōu)越性。BlueCore6上所采用的AuriStream技術(shù)可支持僅為一半CVSD的數(shù)據(jù)速率的的ADPCM，這就使它能夠有潛力支持多達(dá)七個(gè)更高質(zhì)量的eSCO語(yǔ)音信道。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)上僅支持三個(gè)

同步SCO語(yǔ)音信道。

6結(jié)論與展望

ADPCM算法能夠很好地壓