語音的波形編碼(課件)

3.語音的波形編碼2021/10/10星期日1波形編碼概述語音信號數(shù)字表示的優(yōu)點便于存儲電子器件價格下降抗干擾可以利用通信網(wǎng)傳輸便于保密和計算機語言輸出語音信號的數(shù)字表示的方法波形編碼參數(shù)編碼

2021/10/10星期日2本章內(nèi)容概要脈沖編碼調(diào)制（ＰＣＭ）差分編碼調(diào)制（ＤＰＣＭ）自適應(yīng)技術(shù)在波形編碼中的應(yīng)用壓縮比特率的其他方法2021/10/10星期日3脈沖編碼調(diào)制ＰＣＭ

（pulsecodemodulation）原理圖2021/10/10星期日43.1脈沖編碼調(diào)制（ＰＣＭ）語音信號的取樣語音信號的量化減小量化噪聲的方法2021/10/10星期日5語音信號的取樣奈奎斯特取樣定律所謂抽樣，就是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。語音信號的頻譜范圍實際語音取樣的方法2021/10/10星期日6語音信號的量化量化和編碼信號－量化噪聲比的估算傳輸或存儲高質(zhì)量語音所需的比特率2021/10/10星期日7均勻量化均勻量化均勻量化就是采用相同的“等分尺”來度量采樣得到的幅度，也稱為線性量化。

量化后的樣本值Y和原始值X的差E=Y-X稱為量化誤差或量化噪聲。

2021/10/10星期日8均勻量化的缺點用這種方法量化輸入信號時，無論對大的輸入信號還是小的輸入信號一律都采用相同的量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號，同時又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對話音信號來說，大信號出現(xiàn)的機會并不多，增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。為了克服這個不足，就出現(xiàn)了非均勻量化的方法，這種方法也叫做非線性量化。2021/10/10星期日9非均勻量化非線性量化對輸入信號進(jìn)行量化時，大的輸入信號采用大的量化間隔，小的輸入信號采用小的量化間隔。這樣就可以在滿足精度要求的情況下用較少的位數(shù)來表示。聲音數(shù)據(jù)還原時，采用相同的規(guī)則。

2021/10/10星期日10m律壓擴(kuò)和A律壓擴(kuò)在非線性量化中，采樣輸入信號幅度和量化輸出數(shù)據(jù)之間定義了兩種對應(yīng)關(guān)系：一種稱為m律壓擴(kuò)(companding)算法，另一種稱為A律壓擴(kuò)算法。2021/10/10星期日11m律壓擴(kuò)m律(m-Law)壓擴(kuò)(G.711)主要用在北美和日本等地區(qū)的數(shù)字電話通信中式中：x為輸入信號幅度，規(guī)格化成-1≤x≤1;

sgn(x)為x的極性；

m為確定壓縮量的參數(shù)，它反映最大量化間隔和最小量化間隔之比。由于m律壓擴(kuò)的輸入和輸出關(guān)系是對數(shù)關(guān)系，所以這種編碼又稱為對數(shù)PCM。2021/10/10星期日12A律壓擴(kuò)A律(A-Law)壓擴(kuò)(G.711)主要用在歐洲和中國大陸等地區(qū)的數(shù)字電話通信中，按下面的式子確定量化輸入和輸出的關(guān)系：

式中：x為輸入信號幅度，sgn(x)為x的極性；

A為確定壓縮量的參數(shù)，它反映最大量化間隔和最小量化間隔之比。A律壓擴(kuò)的前一部分是線性的，其余部分與m律壓擴(kuò)相同。2021/10/10星期日13信號－量化噪聲比的估算2021/10/10星期日14傳輸或存儲高質(zhì)量語音所需的

比特率2021/10/10星期日15減小量化噪聲的方法高頻顫動法非均勻量化方法2021/10/10星期日163.2差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）DPCM原理差分脈沖編碼調(diào)制DPCM(differentialpulsecodemodulation)是利用樣本與樣本之間存在的信息冗余度來進(jìn)行編碼的一種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。差分脈沖編碼調(diào)制的思想是，根據(jù)過去的樣本去估算(estimate)下一個樣本信號的幅度大小，這個值稱為預(yù)測值，然后對實際信號值與預(yù)測值之差進(jìn)行量化編碼，從而就減少了表示每個樣本信號的位數(shù)。它與脈沖編碼調(diào)制(PCM)不同的是，PCM是直接對采樣信號進(jìn)行量化編碼，而DPCM是對實際信號值與預(yù)測值之差進(jìn)行量化編碼，存儲或者傳送的是差值而不是幅度絕對值，這就降低了傳送或存儲的數(shù)據(jù)量。此外，它還能適應(yīng)大范圍變化的輸入信號。2021/10/10星期日17DPCM原理圖2021/10/10星期日18DPCM信噪比2021/10/10星期日193.3增量調(diào)制（DM）增量調(diào)制也稱△調(diào)制(deltamodulation，DM)，它是一種預(yù)測編碼技術(shù)，是PCM編碼的一種變形。PCM是對每個采樣信號的整個幅度進(jìn)行量化編碼，因此它具有對任意波形進(jìn)行編碼的能力；DM是對實際的采樣信號與預(yù)測的采樣信號之差的極性進(jìn)行編碼，將極性變成“0”和“1”這兩種可能的取值之一。如果實際的采樣信號與預(yù)測的采樣信號之差的極性為“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位對話音信號進(jìn)行編碼，所以DM編碼系統(tǒng)又稱為“1位系統(tǒng)”。2021/10/10星期日20DM波形編碼的原理2021/10/10星期日21DM缺點在輸入信號變化快的區(qū)域，斜率過載是關(guān)心的焦點，而在輸入信號變化慢的區(qū)域，關(guān)心的焦點是粒狀噪聲。為了盡可能避免出現(xiàn)斜率過載，就要加大量化階Δ，但這樣做又會加大粒狀噪聲；相反，如果要減小粒狀噪聲，就要減小量化階Δ，這又會使斜率過載更加嚴(yán)重。這就促進(jìn)了對自適應(yīng)增量調(diào)制(adaptivedeltamodulation，ADM)的研究。2021/10/10星期日223.4自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用一般原理：問題的提出：幅度快變化，音節(jié)變化。自適應(yīng)技術(shù)的原理：根據(jù)輸入語音信號的幅度和方差來控制量化器或者預(yù)測