語聲信號數(shù)字化編碼

語聲信號數(shù)字化編碼第一節(jié)語聲信號編碼基本概念及分類第二節(jié)脈沖編碼調(diào)制——PCM

第三節(jié)差值脈沖編碼調(diào)制——DPCM第四節(jié)子帶編碼——SBC第五節(jié)參量編碼第六節(jié)GSM及IP電話系統(tǒng)語聲編碼技術(shù)應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)語聲信號數(shù)字化編碼第1頁第一節(jié)語聲信號編碼基本概念及分類一、語聲信號編碼概念 現(xiàn)以一個簡單語聲信號脈沖編碼調(diào)制(PCM)編碼，解碼過程說明語聲信號編碼概念，示意圖如圖2.1所表示。語聲信號數(shù)字化編碼第2頁圖2.1PCM編解碼框圖語聲信號數(shù)字化編碼第3頁 圖中A/D變換包含三個部分：抽樣、量化和編碼。(1)抽樣 抽樣是將模擬信號在時間上離散化過程。(2)量化 量化是將模擬信號在幅度上離散化過程。語聲信號數(shù)字化編碼第4頁(3)編碼 編碼是指將每個量化后樣值用一定二進制代碼來表示。二、語聲信號編碼分類 語聲信號編碼可劃分為三大類型。 ·波形編碼，是對信號波形進行編碼，前述PCM方式即為波形編碼一個。語聲信號數(shù)字化編碼第5頁·參量編碼是提取語聲信號一些特征參量，對其進行編碼?！せ旌暇幋a，介于波形編碼與參量編碼之間一個編碼，即在參量編碼基礎(chǔ)上，引入了一定波形編碼特征，以到達改進自然度目標(biāo)。語聲信號數(shù)字化編碼第6頁第二節(jié)脈沖編碼調(diào)制——PCM一、概述 脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)中信號變換和處理過程如圖2.2所表示。圖2.2PCM系統(tǒng)中信號處理過程語聲信號數(shù)字化編碼第7頁二、抽樣 模擬信號數(shù)字化第一步是在時間上對信號進行離散化處理，即將時間上連續(xù)信號處理成時間上離散信號，這一過程稱之為抽樣。1.抽樣定義及實現(xiàn)抽樣電路模型 連續(xù)信號在時間上離散化抽樣過程如圖2.3所表示。語聲信號數(shù)字化編碼第8頁圖2.3連續(xù)信號抽樣示意圖語聲信號數(shù)字化編碼第9頁圖2.4抽樣器及抽樣波形示意語聲信號數(shù)字化編碼第10頁圖2.5相乘器抽樣模型語聲信號數(shù)字化編碼第11頁圖2.6開關(guān)函數(shù)語聲信號數(shù)字化編碼第12頁2.抽樣定理(1)低通型信號抽樣 設(shè)時間連續(xù)信號f(t)，其最高截止頻率為fM。假如用時間間隔為TS≤1/2fM開關(guān)信號對f(t)進行抽樣，則f(t)就可被樣值信號fS(t)=f(nTS)來唯一地表示?；蛘哒f，要從樣值序列無失真地恢復(fù)原時間連續(xù)信號，其抽樣頻率應(yīng)選為fS≥2fM。這就是著名奈奎斯特抽樣定理，簡稱抽樣定理。語聲信號數(shù)字化編碼第13頁 所謂理想抽樣是指以式2.1中開關(guān)函數(shù)ST(t)為單位高度周期沖激脈沖序列，其波形圖如圖2.7所表示。圖2.7單位沖激脈沖序列語聲信號數(shù)字化編碼第14頁圖2.8理想抽樣樣值序列頻譜語聲信號數(shù)字化編碼第15頁圖2.9三種不一樣抽樣頻率時樣值序列頻譜語聲信號數(shù)字化編碼第16頁至此，我們能夠用下述兩種被此等價方式來表示有限能量頻帶受限信號抽樣定理。①對于頻譜分量低于fM有限能量信號，能夠用間隔小于或等于1/2fM該信號瞬時樣值來完全描述。②對于頻譜分量低于fM有限能量信號，能夠從抽樣速率大于或等于2fM該信號瞬時樣值序列中完全地恢復(fù)，即抽樣頻率應(yīng)為fS≥2fM。語聲信號數(shù)字化編碼第17頁(2)帶通型信號抽樣圖2.10帶通型信號示意語聲信號數(shù)字化編碼第18頁圖2.11帶通型信號樣值序頻譜語聲信號數(shù)字化編碼第19頁(3)與抽樣相關(guān)誤差 前面所討論抽樣定理是基于以下三個前提： ·對語聲信號帶寬限制是充分； ·實施抽樣開關(guān)函數(shù)是單位沖激脈沖序列，即理想抽樣； ·經(jīng)過理想低通濾波器恢復(fù)原語聲信號。語聲信號數(shù)字化編碼第20頁①抽樣折疊噪聲 抽樣定理指出，抽樣序列無失真恢復(fù)原信號條件是fS≥2fM。為了滿足抽樣定理，對語聲信號抽樣時先將語聲信號頻譜限制在fM以內(nèi)。為此，在抽樣之前，先設(shè)置一個前置低通濾波器將輸入信號頻帶限制在3400Hz以下，然后再進行抽樣。②抽樣展寬孔徑效應(yīng)失真語聲信號數(shù)字化編碼第21頁圖2.12抽樣折疊噪聲示意語聲信號數(shù)字化編碼第22頁圖2.13自然抽樣與抽樣展寬語聲信號數(shù)字化編碼第23頁圖2.14抽樣展寬電路框圖語聲信號數(shù)字化編碼第24頁圖2.15展寬孔徑效應(yīng)失真語聲信號數(shù)字化編碼第25頁三、量化1.量化定義及描述 量化是把信號在幅度域上連續(xù)取值變換為幅度域上離散取值過程。 量化過程是一個近似表示過程，即無限個數(shù)取值模擬信號用有限個數(shù)值離散信號近似表示。語聲信號數(shù)字化編碼第26頁圖2.16量化示意圖語聲信號數(shù)字化編碼第27頁2.均勻量化及量化噪聲計算 量化就是將幅度值為連續(xù)信號變換為幅度值為有限個離散值過程。 各量化分級間隔相等量化方式即為均勻量化。 圖2.17(a)所表示階梯狀特征中一個臺階高度稱為一個量化級。如圖所表示，均勻量化時在整個輸入信號幅度范圍內(nèi)量化級大小都是相等。量化誤差所產(chǎn)生量化噪聲也應(yīng)有兩部分：非過載量化噪聲和過載量化噪聲。語聲信號數(shù)字化編碼第28頁圖2.17均勻量化特征與量化誤差特征語聲信號數(shù)字化編碼第29頁 設(shè)量化間隔為Δ，則Δ=2U/N 在非過載區(qū)內(nèi)最大量化誤差為emax(u)=Δ/2語聲信號數(shù)字化編碼第30頁圖2.18語聲信號幅度概率分布語聲信號數(shù)字化編碼第31頁圖2.19語聲信號分級間隔及量化值語聲信號數(shù)字化編碼第32頁圖2.20量化信噪比隨l、X

e關(guān)系曲線語聲信號數(shù)字化編碼第33頁3.非均勻量化及壓縮擴張技術(shù)(1)非均勻量化及實現(xiàn) 采取均勻分級量化時其量化信噪比隨信號電平減小而下降。 非均勻量化特點是：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。 非均勻量化特點是：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。語聲信號數(shù)字化編碼第34頁圖2.21非均勻量化特征及量化誤差語聲信號數(shù)字化編碼第35頁圖2.22非均勻量化實現(xiàn)框圖語聲信號數(shù)字化編碼第36頁圖2.23壓縮擴張?zhí)卣髡Z聲信號數(shù)字化編碼第37頁(2)μ律和A律壓縮特征①μ律壓擴特征②A律壓擴特征語聲信號數(shù)字化編碼第38頁圖2.24語聲信號數(shù)字化編碼第39頁圖2.25A=87.6時(S/Nq)dB(A)曲線語聲信號數(shù)字化編碼第40頁③A律13折線壓擴特征 詳細實現(xiàn)方法是：對X軸在0～1(歸一化)范圍內(nèi)以1/2遞減規(guī)律分成8個不均勻段，其分段點是1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64和1/128。語聲信號數(shù)字化編碼第41頁圖2.268段折線分段示意語聲信號數(shù)字化編碼第42頁圖2.27A律13折線壓縮特征語聲信號數(shù)字化編碼第43頁圖2.28A律13折線量化信噪比語聲信號數(shù)字化編碼第44頁四、編碼與解碼1.二進制碼組及編碼基本概念 當(dāng)前使用二進制碼組編碼關(guān)系有3種： ·普通二進制碼編碼 ·循環(huán)碼編碼 ·折疊二進制碼編碼語聲信號數(shù)字化編碼第45頁圖2.29幾個編碼方案誤碼信噪比語聲信號數(shù)字化編碼第46頁圖2.30天平稱重示意圖語聲信號數(shù)字化編碼第47頁2.線性編碼與解碼(1)級聯(lián)逐次比較型編碼電路 級聯(lián)逐次比較型編碼器就是參考前述天平稱重原理組成。語聲信號數(shù)字化編碼第48頁圖2.31級聯(lián)逐次比較編碼器原理框圖語聲信號數(shù)字化編碼第49頁(2)反饋型線性編碼器 反饋型線性編碼器原理框圖如圖2.32所表示。 反饋型編碼器是采取樣值與當(dāng)?shù)亟獯a輸出逐次比較方法進行編碼，每一比特比較一次并編出一個碼元，這種編碼器編碼過程是逐次迫近。語聲信號數(shù)字化編碼第50頁圖2.32反饋型線性編碼器原理框圖語聲信號數(shù)字化編碼第51頁圖2.33編碼過程波形語聲信號數(shù)字化編碼第52頁(3)加權(quán)求和解碼網(wǎng)絡(luò) 解碼網(wǎng)絡(luò)作用是把PCM數(shù)字碼組轉(zhuǎn)換成對應(yīng)電壓或電流幅度。前述反饋型線性編碼器中當(dāng)?shù)亟獯a所用解碼網(wǎng)絡(luò)是電流相加型解碼網(wǎng)絡(luò)，它是加權(quán)求和解碼網(wǎng)絡(luò)變型。語聲信號數(shù)字化編碼第53頁圖2.34加權(quán)求和解碼網(wǎng)絡(luò)語聲信號數(shù)字化編碼第54頁圖2.35電流相加型解碼網(wǎng)絡(luò)語聲信號數(shù)字化編碼第55頁3.非線性編碼與解碼 含有均勻量化特征編碼叫做線性編碼，與之對應(yīng)含有非均勻量化特征編碼就叫做非線性編碼。(1)A律13折線編碼碼字安排 前述已說明A律13折線分段是對輸入信號歸一化范圍(0～1)分為8個不均勻段，故要表示不一樣段落號就需要有三位碼。語聲信號數(shù)字化編碼第56頁 采取A律13折線編碼時所需碼位數(shù)是8，其詳細安排是：

a1 a2a3a4

a5a6a7a8 極性碼 段落碼 段內(nèi)電平碼

a1=1，表示正極性；a1=0，表示負極性；

a2a3a4為000～111共有8種組合，分別表示對應(yīng)8個分段，即第1段至第8段；

a5a6a7a8為0000～1111共有16種組合，表示每段16個分級。語聲信號數(shù)字化編碼第57頁(2)A律13折線編碼方法①判定值確實定規(guī)律和提供方法 極性碼判決： 極性碼判定值為零，它依據(jù)輸入信號IS(以電流表示)極性來決定，即

IS≥0時，a1=“1”碼；

IS＜0時，a1=“0”碼。語聲信號數(shù)字化編碼第58頁 段落碼判決： 對A律13折線編碼是將編碼電平范圍(歸一化0～1)以量化段或量化級為單位，逐次對分，對分點電流(或電壓)即為判定值IR。 段內(nèi)電平碼判決： 當(dāng)段落碼確定之后，接著確定出該量化段起始電平IBi和該量化段量化間隔Δi，由此，就能夠進行段內(nèi)電平碼判決了。語聲信號數(shù)字化編碼第59頁圖2.36段落碼碼字判決過程語聲信號數(shù)字化編碼第60頁②編碼方法

A律13折線編碼采取逐次反饋編碼。③逐次漸近型編碼器 ·比較判決和碼形成電路 ·判定值提供電路——當(dāng)?shù)亟獯a器語聲信號數(shù)字化編碼第61頁圖2.37逐次漸近型編碼器原理框圖語聲信號數(shù)字化編碼第62頁圖2.38D1～D8時序關(guān)系語聲信號數(shù)字化編碼第63頁④編碼端量化誤差分析⑤A律13折線解碼 ·增加了極性控制部分 ·數(shù)字擴張部分由7/11變換變?yōu)?/12變換 ·增加了讀出控制電路語聲信號數(shù)字化編碼第64頁圖2.39A律13折線解碼器方框圖語聲信號數(shù)字化編碼第65頁五、單片集成PCM編解碼器 ·發(fā)送部分 發(fā)送部分包含：輸入運放、帶通濾波器、抽樣保持和DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)、比較器、逐次迫近存放器、輸出存放器以及A/D控制邏輯、參考電源等。語聲信號數(shù)字化編碼第66頁圖2.402914功效框圖語聲信號數(shù)字化編碼第67頁 ·接收部分 接收部分包含：輸入存放器、D/A控制邏輯、抽樣保持和DAC、低通濾波器和輸出功放等。 ·控制部分 控制部分主要是一個控制邏輯單元，經(jīng)過PDN(低功耗選擇)、CLKO(主時鐘選擇)、LOOP(模擬信號環(huán)回)三個外接控制端控制芯片工作狀態(tài)。語聲信號數(shù)字化編碼第68頁圖2.412914經(jīng)典實用電路語聲信號數(shù)字化編碼第69頁第三節(jié)差值脈沖編碼調(diào)制

——DPCM一、DPCM原理及實現(xiàn)

DPCM就是考慮利用語聲信號相關(guān)性找出可反應(yīng)信號改變特征一個差值量進行編碼。 差值編碼普通是以預(yù)測方式來實現(xiàn)。語聲信號數(shù)字化編碼第70頁圖2.42實現(xiàn)預(yù)測橫截濾波器語聲信號數(shù)字化編碼第71頁圖2.43是DPCM實現(xiàn)原理框圖。如前面所述，DPCM方式發(fā)送端就是將現(xiàn)有樣值與預(yù)測值之差進行量化編碼方式來實現(xiàn)，而在接收端為了恢復(fù)原信號也必須進行與發(fā)送端相同預(yù)測。語聲信號數(shù)字化編碼第72頁圖2.43DPCM系統(tǒng)原理框圖語聲信號數(shù)字化編碼第73頁二、自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制

——ADPCM 自適應(yīng)量化基本思想是：讓量化間隔Δ(t)改變，與輸入信號方差相匹配，即量化器階距隨輸入信號方差而改變，它正比于量化器輸入信號方差。語聲信號數(shù)字化編碼第74頁圖2.44前饋自適應(yīng)量化ADPCM語聲信號數(shù)字化編碼第75頁圖2.45反饋自適應(yīng)量化ADPCM語聲信號數(shù)字化編碼第76頁圖2.46固定和自適應(yīng)DPCM系統(tǒng)性能語聲信號數(shù)字化編碼第77頁三、32kbit/sADPCM系統(tǒng) 1984年ITU-T公布了G.72132kbit/sADPCM標(biāo)準(zhǔn)，并于1986年做了深入修改。語聲信號數(shù)字化編碼第78頁圖2.47G.72132kbit/sADPCM工作原理框圖語聲信號數(shù)字化編碼第79頁四、單片集成ADPCM編解碼器1.MC145532ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器(1)技術(shù)特點 ·滿足ITU-T提議G.721—1988； ·全雙工、單信道工作； ·選擇引腳μ律或A律編碼； ·同時或異步工作；語聲信號數(shù)字化編碼第80頁 ·輕易與摩托羅拉PCM編解碼器、濾波器等接口； ·串行PCM和ADPCM數(shù)據(jù)傳輸速率為64kbit/s～5120kbit/s； ·省電能力用于低電流消耗； ·簡單時隙分配定時用于代碼轉(zhuǎn)換器； ·單5V電源。(2)MC145532引腳符號與功效(3)應(yīng)用電路語聲信號數(shù)字化編碼第81頁圖2.48MC145532引腳排列圖語聲信號數(shù)字化編碼第82頁圖2.49MC145532ADPCM應(yīng)用電路語聲信號數(shù)字化編碼第83頁2.MC145540ADPCM編/解碼器(1)技術(shù)特點 ·單電源工作(2.7～5.25V)； ·3V時經(jīng)典功耗為60mW，省電時為15μW； ·最小噪音差分模擬電路設(shè)計； ·完全μ律或A律壓擴PCM編解碼器濾波器；語聲信號數(shù)字化編碼第84頁 ·64，32，24和16kbit/s數(shù)據(jù)率ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器； ·通用可編程雙音頻發(fā)生器； ·可編程發(fā)送增益、接收增益和側(cè)音增益； ·用于與話筒接口低噪聲、高增益、三端輸入運算放大器；(2)MC145540引腳符號與功效(3)應(yīng)用電路語聲信號數(shù)字化編碼第85頁圖2.50MC145540引腳排列圖語聲信號數(shù)字化編碼第86頁圖2.51MC14550手持機應(yīng)用電路語聲信號數(shù)字化編碼第87頁第四節(jié)子帶編碼——SBC一、子帶編碼基本概念及工作原理 子帶編碼是首先將輸入信號分割成幾個不一樣頻帶分量，然后再分別進行編碼，這類編碼方式稱為頻域編碼。 把語聲信號分成若干子帶進行編碼主要有兩個優(yōu)點。語聲信號數(shù)字化編碼第88頁 子帶編碼實現(xiàn)原理框圖如圖2.52所表示。在子帶編碼中，用帶通濾波器將語聲頻帶分割為若干個子帶，每個子帶經(jīng)過調(diào)制將各子帶變成低通型信號(圖中未畫出)。這么就可使抽樣速率降低到各子帶頻寬兩倍。語聲信號數(shù)字化編碼第89頁圖2.52子帶編碼原理方框圖語聲信號數(shù)字化編碼第90頁二、子帶編碼比特分配及編碼速率 在子帶編碼中，各子帶帶寬ΔBk能夠是相同，也能夠是不一樣。前者稱為等帶寬子帶編碼，后者稱為變帶寬子帶編碼。等帶寬子帶編碼優(yōu)點是易于用硬件實現(xiàn)，也便于進行理論分析。在這種情況下帶寬ΔBk等于ΔBk=ΔB=B/m 式中，k=1,2,3,…m,m是子帶總數(shù)，B是編碼信號總帶寬。語聲信號數(shù)字化編碼第91頁三、子帶劃分 語聲信號各子帶帶寬應(yīng)考慮到各頻段對主觀聽覺貢獻相等標(biāo)準(zhǔn)做合理分配。四、16、24、32kbit/s電話語聲子帶編碼 該標(biāo)準(zhǔn)采取三種編碼速率，即48、56及64kbit/s。輸入語聲信號帶寬為50～7000Hz，分成兩個等寬子帶。語聲信號數(shù)字化編碼第92頁第五節(jié)參量編碼

參量編碼原理和設(shè)計思想與波形編碼完全不一樣。波形編碼基本思緒是忠實地再現(xiàn)話音時域波形，為了降低比特率，可充分利用抽樣點之間信息冗余性對差分信號進行編碼，在不影響話音質(zhì)量前提下，比特率能夠降至32kbit/s。語聲信號數(shù)字化編碼第93頁一、語聲形成機理及語聲信號分析 語聲形成大致過程可如圖2.54所表示。 從語聲信號分析可知，音素分為兩類：伴有聲帶振動音稱為濁音；聲帶不振動音稱為清音。語聲信號數(shù)字化編碼第94頁圖2.54語聲形成過程語聲信號數(shù)字化編碼第95頁1.濁音與基音 濁音又稱有聲音，語聲發(fā)聲時聲帶在氣流作用下激勵起準(zhǔn)周期聲波，如圖2.55所表示。由圖可見濁音聲波含有顯著準(zhǔn)周期特征，這一準(zhǔn)周期音稱為基音，其基音周期為4～18ms相當(dāng)于基音頻率在50～250Hz范圍內(nèi)。語聲信號數(shù)字化編碼第96頁圖2.55波音聲波波形圖語聲信號數(shù)字化編碼第97頁圖2.56濁音頻譜示意語聲信號數(shù)字化編碼第98頁2.清音 清音又稱無聲音。圖2.57清音波形圖語聲信號數(shù)字化編碼第99頁 清音沒有周期特征，經(jīng)典清音波形頻譜如圖2.58所表示。從清音頻譜分析可知，清音中不含含有周期或準(zhǔn)周期特征基音及其諧波成份。圖2.58清音頻譜示意語聲信號數(shù)字化編碼第100頁3.語聲信號產(chǎn)生模型圖2.59語聲信號產(chǎn)生模型語聲信號數(shù)字化編碼第101頁二、線性預(yù)測編碼(LPC)基本概念 在發(fā)送端，原始語聲輸入A/D變換器，以8kHz速率抽樣并變換成數(shù)字化語聲。然后以每180個樣值為一幀(幀周期22.5ms)，以幀為處理單元逐幀進行線性預(yù)測系數(shù)分析，并作對應(yīng)清/濁音判決和基音提取，最終把這些參量進行量化、編碼并送入信道傳送。語聲信號數(shù)字化編碼第102頁圖2.60線性預(yù)測LPC編譯碼方框圖語聲信號數(shù)字化編碼第103頁在接收端，經(jīng)參量解碼分出參量｛ai｝、G、P和u/v等。G、P以及u/v用作語聲信號合成產(chǎn)生，｛ai｝用作形成合成濾波器參數(shù)。最終將合成產(chǎn)生數(shù)字化語聲信號再經(jīng)D/A變換即還原為接收端合成產(chǎn)生語聲信號。圖2.61所表示是簡化LPC原理框圖。語聲信號數(shù)字化編碼第104頁圖2.61簡化LPC原理框圖語聲信號數(shù)字化編碼第105頁三、線性預(yù)測合成份析編碼1.結(jié)構(gòu)原理 激勵生成器產(chǎn)生激勵信號經(jīng)線性預(yù)測器后得到重構(gòu)話音信號(i)，線性預(yù)測器模擬聲道特征，加強了激勵信號一些頻率域，減弱了另一些頻率域，表達了語聲信號短時相關(guān)性。激勵信號則表達了語聲信號長時相關(guān)性，輸入線性預(yù)測器激勵信號是量化后增益和基音