语音信号数字化及压缩编码(

1、62782690语音波形编码1第四讲 樊平毅( 6278269062782690语音波形编码2 抽样技术 量化技术 语音信号波形匹 配与线 性近似逼近 PCM编码原理 增量调制原理62782690语音波形编码31. 抽样与量化 抽样时间域量化（时间尺度离散化） 量化幅度离散化62782690语音波形编码4(1) 抽样A.低通抽样 一个频带限制在内的连续信号 ，如果抽样频率 大于或等于 ,则可以由抽样序列 无失真地重建恢复原始信号 。Hf , 0)(txsfHf2snTx)(tx62782690语音波形编码5设 为低通信号，抽样脉冲序列是一个周期性冲激函数 。抽样过程是 与 相乘的过程，即抽样后

2、信号 )(tx)(tT)(tT)(tx)()()(ttxtxTs62782690语音波形编码6由频域卷积定理可知 其中, 为低通信号的频谱，)()(21)(TsXX)(X)(2)(nssTnT62782690语音波形编码7)(1 )()(1)(nssnsssnXTnXTX所以从频域上看，抽样后信号经过传递函数为 的理想低通滤波器后，其频谱为)(HHssoTHXX )()()(62782690语音波形编码8其中 , 0 , 1)(HHH从时域上看，重建信号可以表达为nsHsHssnssHHssnTtnTtnTxTnTtnTxttTtxthtx)()(sin)(1 )()(sin1)()()( 6

3、2782690语音波形编码9B.带通抽样带通抽样定理告诉我们，对于带通信号，抽样频率 应满足下列关系式：其中， 的最大正整数。由此可知，必有0M1时最佳量化电平正好在分层电平的中点。此时，2, 1,optkoptkoptkxxykkxkxpP)(62782690语音波形编码23C .量化噪声 LkkkLkkkkkkkkxxkkkLkxxxkqPyxyxPdxyxPdxxpyxkkkk121331L12122121 3)(3)( )()()(1162782690语音波形编码24当 很小时，可写成积分形式为最大量化电平注：超过（V，V）时，称为量化过载量化过载过载噪声kV )()(12122dxx

4、pVVxkqVxVVxxqodxxpVxdxxpVxdxxpVx)()(2 )()()()(222262782690语音波形编码25总量化噪声以上是计算量化噪声的一般公式。222qoqqs62782690语音波形编码262.脉冲编码调制(1)均匀量化这是一种特殊情况，此时各分层间隔 L为分层数有此时量化噪声与信号统计特性无关LVk22221212231212121LVPPLkkLkkkq62782690语音波形编码27例 1. 若量化器输入信号为正弦信号，Am为幅度量化信噪比 , 为编码位数（二进制） 令归一化有效值22222223)3(2LVALVASmmqnL2最大量化电平信号有效值 2V

5、ADmn62782690语音波形编码28则 用dB来表示 时，刚发生过载此时增加1位， 增大6dB2223LDSqnDDSndBq02. 6lg2077. 42lg20lg203lg102nSdBq02. 676. 1 max2n2qS21D62782690语音波形编码29例 2. 实际语音信号语音信号幅度的概率密度可近似地用拉普拉斯分布来表示，即 这里， 是信号 的均方根值。xxxxexp221)(xx62782690语音波形编码30当D0.2时，过载噪声很小，有当信号有效值很大时，过载噪声将起主要作用，于是DnLDSdBqslg2077. 402. 631lg10222DSdBqs1 .

6、6262782690语音波形编码31电话语音信号电话语音信号的均方值变动范围即语音动态范围可达（4050）dB，高质量电话（长途电话）的 至少应大于25dB以上。如果采用均匀量化，为了满足在4050dB的范围内的 大于25dB的要求，必须采用n=12位的均匀量化器。dBqsS2dBqsS262782690语音波形编码32(2)非均匀量化对于语音信号而言，采用均匀量化是不合理的，小信号出现概率大，对噪声功率的贡献也大，为了使 提高，应当减小小信号时的量化间隔。为此，应采用非均匀量化，小信号时量化“细”，大信号时量化“粗”。即采用“瞬时压扩”的概念，以改善信噪比。2qS62782690语音波形编码

7、33令压缩特性最佳 可保证最大的量化信噪比，但可行的动态范围较小，难以满足工程要求。因此，较大的动态范围适应性和稳定的高信噪比输出是工程实现的基础。研究表明：好的压缩函数为对数函数。)(xfz 62782690语音波形编码34注：采用理想的对数压扩函数时量化器输出的信噪比与输入信号无关。从而对系统工程化应用有实质上的指导作用。62782690语音波形编码35 (3) 对数压缩特性及折线近似在实际工程中不采用上述理想对数特性，而是采用以下两种对数压缩特性。a. A律对数压缩特性11,ln1ln110,ln1)(xAAAxAxAAxxf62782690语音波形编码3616)(,1xfAx相当于信噪

8、比增加了24dB（20lg16=24）。ITU G.712建议中取A87.6，此时62782690语音波形编码37b.律对数压缩特性10)1ln()1ln()(xxxfITU G.712建议中取 255，小信号时改善33.5dB。62782690语音波形编码38上述两种特性仍难以实现，因而实际中采用折线近似。折线近似，用数字电路容易实现。A律与 律量化特性起始段不同我国采用A律。62782690语音波形编码394PCM编码原理A.ITU建议采用折叠二进码FBC（Folded Binary Code）与其它码相比， 在小电平时，抗误码性能好。若采用普通二进码，信号为均匀分布，可计算得到有误码时的

9、量化信噪比FBCenpLLS) 1(4122262782690语音波形编码40其中由上式得 时， 下降3dB。 222222tqtqtqneEeEeeE) 1(412Lpe2nS6108 . 32568epLn时，62782690语音波形编码41B. Folded Binary Code 编码规律1 511111 411101 311011 211001110111 0101091001810007000060001500104001130100201011011000111 62782690语音波形编码42A律段落码电平码段落号M2M3M4起始电平M5M6M7M8量化间隔0000016842

10、21001321684222010643216844301112864321688410025612864321616510151225612864323261101024512256128646471112048102451225612812862782690语音波形编码43以1250为例编码步骤如下12500 M11决定极性码1250256M21 12501024 M31决定段落码12502048 M4062782690语音波形编码4410245121250 M5010242561250 M6010241281250 M711024128641250 M81决定电平码解码输出为：10241

11、2864321248，这里32为 /2， 是最佳量化特性所要求的。C.对数与线性之间的转换A律13位律14位PCMPCM62782690语音波形编码455.增量调制（，DeltaM）M(1)简单增量调制可以认为是 一位编码时的特例，但编码的是差值信号。编码过程MPCM重建值前一样值前一样值重建值本地译码值预测值输入信号样值 )() 1()( )( )(nSnSnSnSnSle62782690语音波形编码46Q数码形成Z-1C(n)S(n)e(n)-+Sl(n)( ne)(nS62782690语音波形编码47解码)( ne)(nC)(nS1ZM原理图62782690语音波形编码48差值信号 0)

12、( ,)( 0)(1)( ,)( 0)() 1()()()()(nCnenenCnenenSnSnSnSnel则编码过程62782690语音波形编码49)()()( )( ),()() 1()()()( 1)()( 0)(nSnSnenenCnCnSnenSnenCnenC因而传输过程无误码时则译码过程62782690语音波形编码50实际编码译码器常用简单RC积分器和比较器来实现 和1Z Q(2)斜率过载和量化信噪比当信号变化速率超出 波形变化速率时，会出现斜率过载现象，以单频信号为例M62782690语音波形编码51为抽样频率最大值为sssfffTAAtAtSdtAtS 2 T1 sin)(

13、cos)(maxsmax量化信噪比62782690语音波形编码52量化噪声M)12(321 21( )()(2222222qqqPCMdeeeptedeepe时此时，）间均匀分布，则，在（若62782690语音波形编码53通常认为 在 内均匀分布，则低通滤波 后q) , 0(sf)(LPF带宽为LPFfffBsBq32262782690语音波形编码5414log10log20log30)(038. 0832101010max232322maxmax2maxmaxBsBsBsqfffdBSNRffffffSSNRAS临界过载时62782690语音波形编码55dBSNRkHzfkHzfkHzfsB

14、1615 16 4 1例：结论： 与 三次方成正比， 提 高一倍， 增大9 与 成反比，信号频率提高一倍， 下降6SNRsfsfSNRdBSNR2fSNRdB62782690语音波形编码566简单增量调制的性能改进简单增量调制有两个问题： 斜率过载 动态范围62782690语音波形编码57(1).数字压扩自适应增量调制可同时解决动态范围和斜率过载问题。其基本概念是，如同非均匀 中那样，改变量化间隔。连续出现多个“1”，即可认为信号有出现过载的可能，从而增大，使其本地译码信号跟上变化。PCM62782690语音波形编码58数字压扩又称CVSD连续可变斜率可采用音节压扩，而不是瞬时压扩。一音节（520）msPCM62782690语音波形编码59(2).增量总和调制可解决斜率过载问题其要点是：将信号先进行积分，改变其频率响应。使高频分量幅度下降（与预加重相反），然后再进行 编码。为此，在接收端为了不失真恢复原信号，需要将解码后信号进行微分。)(M又称M62782690语音波形编码607、信道误码对 的影响对简单 有MMdBSNRfBffpfffpSSNRsLbLsbq3661max22