第三讲语音信号数字化及信源编码

1、n 主要内容主要内容抽样技术抽样技术量化技术量化技术 PCM编码原理编码原理 增量调制原理增量调制原理信源压缩编码信源压缩编码第三讲第三讲 语音信号数字化及信源编码语音信号数字化及信源编码抽样的基本定理和方法是什么？量化的性能衡量标准是什么？最佳量化的设计方法是什么？为什么要采用非均匀量化？PCM系统的完整过程是什么？增量调制的基本原理是什么？信源编码的主要目的是什么？研究对象研究对象 格式化 信源 编码 加密 信道 编码 多路 复用 脉冲 调制 带通 调制 频率 扩展 复用 多址 接入 格式化 信源 译码 解密 信道 译码 多路 分接 检测 解调 采样 频率 解扩 复用 多址 接入 信源 信

2、宿 消息码元 数字输入消息码元 消息码元 数字输出消息码元 比特流 数字基带波形 数字频带波形 信 道 同步 n 研究对象在数字通信系统中的位置研究对象在数字通信系统中的位置以语音信号的数字化过程为例着重介绍，基本原理可适用于其他模拟信源的数字化PCM基本原理基本原理n 脉冲编码调制脉冲编码调制数字通信中的基本问题之一数字通信中的基本问题之一预滤波预滤波限制原始语音频带限制原始语音频带抽样抽样时间离散化时间离散化量化量化幅度离散化幅度离散化编码编码量化信号形成传输码组量化信号形成传输码组n 复习低通抽样定理复习低通抽样定理一个频带限制在内的连续信号一个频带限制在内的连续信号 ，如果抽样频率，如

3、果抽样频率 大于或等于大于或等于 ，则可以由抽样序列，则可以由抽样序列 无失真地重建恢无失真地重建恢复原始信号复原始信号数学描述数学描述抽样信号：抽样信号：抽样信号的频谱：抽样信号的频谱：低通抽样低通抽样)()()(ttxtxTs)()(21)(TsXX)(2)(nssTnTHf , 0)(txsfHf2snTx)(tx)(1 )()(1)(nssnsssnXTnXTX频谱不混叠！ 原始信号的重建原始信号的重建滤波得到原始信号频谱：滤波得到原始信号频谱：重建信号的时域表达式：重建信号的时域表达式： , 0 , 1)(HHHnsHsHssnssHHssnTtnTtnTxTnTtnTxttTtxt

4、htx)()(sin)(1 )()(sin1)()()( HssoHXX )()()(低通抽样低通抽样n 低通抽样定理带来的启示低通抽样定理带来的启示抽样信号的频谱是原始信号频谱的复制和搬移抽样信号的频谱是原始信号频谱的复制和搬移只要频谱不发生混叠，就可以无失真恢复原始信号只要频谱不发生混叠，就可以无失真恢复原始信号n 带通信号的抽样带通信号的抽样带通抽样带通抽样-fH-fLfLfH-fL+kfs-fH+(k+1)fsn 带通信号的抽样带通信号的抽样保证频谱不混叠的条件保证频谱不混叠的条件HsHLsLffkffkff) 1(带通抽样带通抽样LsHfkfkf)11 (2) 1(2HLLHHfMN

5、fffMNBMNf)11 ()()(HsHfMNkfkf)11)(11 (2) 1(21)11)(11 (MNk11kNkMNBNMNfNMBfMNMNNffNsHsH112)1 (211122带通抽样带通抽样n 带通抽样定理带通抽样定理对于带通信号，抽样频率对于带通信号，抽样频率 应满足下列关系式：应满足下列关系式： 其中，其中， N为不超过为不超过 的最大正整数的最大正整数带通抽样定理给出了带通信号抽样的最低频率带通抽样定理给出了带通信号抽样的最低频率带通信号最低抽样频率在带通信号最低抽样频率在2B4B之间之间除最低抽样频率外，仍可能有小于除最低抽样频率外，仍可能有小于2倍最高频率的其他抽

6、样倍最高频率的其他抽样频率频率当最高频率是带宽的整数倍时，最低抽样频率总为当最高频率是带宽的整数倍时，最低抽样频率总为2BsfNMBNMfffLHs121)(2，NfffffBLHHLH)(M)(LHHfffn 自然抽样自然抽样 抽样脉冲为任意形状脉冲抽样脉冲为任意形状脉冲 表达式表达式抽样脉冲序列：抽样脉冲序列：抽样序列：抽样序列：抽样信号频谱：抽样信号频谱：)()(snnTtptc)(tpnssnTtptxtctxtx)()()()()(实际抽样实际抽样nsnsnXCX)()(频谱形状不变，幅度乘以系数实际抽样实际抽样n 平顶抽样抽样保持平顶抽样抽样保持 每个抽样脉冲顶部不随信号变化每个抽

7、样脉冲顶部不随信号变化抽样保持电路实现抽样保持电路实现 可以等价为理想抽样后再经过一个冲激响应为矩形的网络来形成可以等价为理想抽样后再经过一个冲激响应为矩形的网络来形成 表达式表达式 0, t0 A,)(其他thejAH22)2sin()(n 平顶抽样平顶抽样理想抽样序列：理想抽样序列：平顶抽样序列：平顶抽样序列：平顶抽样序列频谱：平顶抽样序列频谱： 平顶抽样在频谱上引入孔径失真，在收端必须进行频率补偿，抵消失真。补偿平顶抽样在频谱上引入孔径失真，在收端必须进行频率补偿，抵消失真。补偿滤波器的传递函数滤波器的传递函数 为使输出最大，取为使输出最大，取实际抽样实际抽样nsTsnTttxttxtx

8、)()()()()(nsssssfnTthnTxdthxthtxtx)()()()()()()(ssssfTHnXHXX)()()()()(njsssfenXTAX22)2sin()()()(/1HsT在数字化过程中，抽样没有引起失真！n 标量量化标量量化 称为分层电平或判决阈值。通常把称为分层电平或判决阈值。通常把 称称 为量化间为量化间隔。可采用量化特性曲线描述量化器输出隔。可采用量化特性曲线描述量化器输出 与输入与输入 的关系。的关系。 连续幅值无限数集合到离散幅值有限数集合的映射连续幅值无限数集合到离散幅值有限数集合的映射标量量化标量量化L.,1,2,.k ,)(1kkkyxxxQxQ

9、ykxkkkxx1yxn 标量量化噪声标量量化噪声 量化引入的失真量化误差量化引入的失真量化误差量化噪声的度量量化噪声的度量 量化器设计的任务量化器设计的任务最佳量化器：在给定输入信号概率密最佳量化器：在给定输入信号概率密 与量化电平数与量化电平数L的的条件下，求出一组分层电平值条件下，求出一组分层电平值 与量化电平值与量化电平值 使均方误差使均方误差 最小最小)(xQxyxqqdxxpxQxxQxExq)()()(222标量量化噪声标量量化噪声Lkxxxkqkkdxxpyx1221)()()(xpx kx ky2q在数字化过程中，量化引入了失真，需要把这种失真最小化！n 矢量量化矢量量化 输

10、入是一个连续幅值的随机矢量输入是一个连续幅值的随机矢量 输出是离散幅度的矢量输出是离散幅度的矢量 ，称为码本或重建码本，称为码本或重建码本，L为码本尺度为码本尺度 把把N维随机矢量空间分为维随机矢量空间分为L个子空间，每个子空间对应一个码本矢量个子空间，每个子空间对应一个码本矢量 矢量量化的失真度量矢量量化的失真度量 最佳矢量量化最佳矢量量化量化矢量选择：量化矢量选择：总平均失真最小：总平均失真最小：矢量量化矢量量化21)(1)()(1),(yxkNkkTNyxyxNyxd,.,21xxxNx )1(,.,21LiyyyyiNiiyCiixQx)( ijiyxQLjijyxdyxd)(1 ,)

11、,(),(则如果xdxpyxdyxdEDiCxi)(),(),(n 矢量量化与标量量化的比较矢量量化与标量量化的比较 矢量量化是把量化矢量（码字）分别存储在编码和译码两端的码矢量量化是把量化矢量（码字）分别存储在编码和译码两端的码书中，而信道中传输的不是量化矢量本身，而是码字的编号书中，而信道中传输的不是量化矢量本身，而是码字的编号 在相同的失真条件下，矢量量化所需要的速率比标量量化低得多，在相同的失真条件下，矢量量化所需要的速率比标量量化低得多，其编码效率更高其编码效率更高 在相同的速率下，矢量量化的失真比标量量化的失真明显的小在相同的速率下，矢量量化的失真比标量量化的失真明显的小 矢量量化

12、的复杂度随维数成指数增长，其复杂度比标量量化高矢量量化的复杂度随维数成指数增长，其复杂度比标量量化高n 矢量量化的应用矢量量化的应用 低速率语音压缩编码低速率语音压缩编码提取的语音参数进行联合矢量量化，降低语音编码速率提取的语音参数进行联合矢量量化，降低语音编码速率困难在于码本的设计及码本的快速搜索困难在于码本的设计及码本的快速搜索 图像压缩编码图像压缩编码矢量量化与标量量化的比较矢量量化与标量量化的比较n 量化噪声量化噪声n 量化器设计的约束条件量化器设计的约束条件 信号的概率分布信号的概率分布 量化电平数量化电平数n 量化器设计的优化目标量化器设计的优化目标 最小化均方误差最小化均方误差n

13、 量化器设计的可控变量量化器设计的可控变量 分层电平分层电平 量化电平量化电平1221()( )kkLxqkxxkxypx dx最佳量化最佳量化最佳量化器的分层电平与量化电平与信号的概率密度函数有关，与量化电平数有关！没有统一的量化电平分割方法，这给工程实现带来很大的困难！如何解决这个问题？近似！n 分层电平分层电平物理意义：分层电平在相邻重建电平的中点物理意义：分层电平在相邻重建电平的中点n 重建电平重建电平物理意义：重建电平在分层电平的质心物理意义：重建电平在分层电平的质心L2,3,.k )(210, 1,2 optkoptkoptkkqyyxx.L1,2,3,. k )()(0, 1,

14、1,2optkoptkoptkoptkxxxxxxoptkkqdxxpdxxxpyy最佳量化器的求解最佳量化器的求解求解方法：迭代！2, 1,optkoptkoptkxxykkxkxpP)(最佳量化器的求解最佳量化器的求解n 讨论特殊情况讨论特殊情况 L1时，时， 相邻分层电平间隔区的概率密度可认为是常数相邻分层电平间隔区的概率密度可认为是常数物理意义：最佳量化电平正好在分层电平的中点物理意义：最佳量化电平正好在分层电平的中点n 最佳量化器的量化噪声最佳量化器的量化噪声 不过载噪声不过载噪声dxxpPyxyxPdxyxPdxxpyxxVVkLkkkLkkkkkkkkxxkkkLkxxxkqkk

15、kk)()(1211213)(3)( )()()(2121331L1212211V为量化器最大量化电平思考题：此时量化有什么特征？最佳量化器的求解最佳量化器的求解n 最佳量化器的量化噪声最佳量化器的量化噪声 过载噪声过载噪声 总量化噪声总量化噪声 量化信噪比量化信噪比VxVVxxqodxxpVxdxxpVxdxxpVx)()(2 )()()()(2222222qoqqs2qqSSNR量化信噪比是衡量量化器噪声的重要指标！是数字传输系统的整体噪声的组成部分之一！n 均匀量化均匀量化 在量化范围内，量化间隔相等在量化范围内，量化间隔相等 不过载量化噪声不过载量化噪声引用引用L1时量化噪声的结论，且

16、噪声独立时量化噪声的结论，且噪声独立均匀量化均匀量化LVk22221212231212121LVPPLkkLkkkq量化噪声与信号统计特性无关！只有在信号均匀分布条件下，均匀量化器才是严格意义上的最佳量化器！n 量化信噪比量化信噪比 一般表达式一般表达式 量化比特数量化比特数 规一化有效值规一化有效值 dB表示式表示式22222223)3(2LVALVASmmqnL2最大量化电平信号有效值 2VADmn正弦信号的均匀量化正弦信号的均匀量化nDDSndBq02. 6lg2077. 42lg20lg203lg102均匀量化情况下，量化比特数增加一位，量化信噪比增加6dB！6dBn 语音信号的概率密

17、度分布语音信号的概率密度分布 拉普拉斯分布拉普拉斯分布 随机信号，必定存在过载噪声随机信号，必定存在过载噪声 语音信号功率语音信号功率 量化信噪比量化信噪比过载噪声很小过载噪声很小过载噪声很大过载噪声很大语音信号的均匀量化语音信号的均匀量化xxxxexp221)(22)(SxdxxpxVx/D)31lg(10/2222xVdBqseLDSxxVxVxxqoedxeVx222222)(2DnLDSdBqslg2077. 402. 631lg10222DSdBqs1 . 62 语音信号的均匀量化语音信号的均匀量化n 关于关于D的讨论的讨论 动态范围：满足量化信噪比输出要求的输入信号功率的变化范围动

18、态范围：满足量化信噪比输出要求的输入信号功率的变化范围 对量化的要求对量化的要求 最大的量化电平应尽可能参照最大的信号设定最大的量化电平应尽可能参照最大的信号设定 量化信噪比在最小信号下也应满足要求量化信噪比在最小信号下也应满足要求 均匀量化器不过载量化噪声与信号分布无关，是一个固定值，因此在小信号时均匀量化器不过载量化噪声与信号分布无关，是一个固定值，因此在小信号时量化信噪比会很低，从而影响动态范围量化信噪比会很低，从而影响动态范围n 关于量化比特数的讨论关于量化比特数的讨论 均匀量化的比特数与量化信噪比的关系是确定均匀量化的比特数与量化信噪比的关系是确定6dB/比特比特 语音动态范围可达（

19、4050）dB，高质量电话（长途电话）的SNR至少应大于25dB以上。如果采用均匀量化，为了满足在50dB的范围内的SNR大于25dB的要求，必须采用n=12位的均匀量化器 通信带宽要求：128K96Kbps，带宽要求大于48KHz 5077. 402. 625n要寻求其他的量化方法，降低带宽需求！非均匀量化非均匀量化n 概念概念量化间隔不相等量化间隔不相等对于语音信号而言，采用均匀量化是不合理的，小信号出现对于语音信号而言，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，为了使概率大，对噪声功率的贡献也大，为了使SNR 提高，应当提高，应当减小小信号时的量化间隔。为此，应采用

20、非均匀量化，小信减小小信号时的量化间隔。为此，应采用非均匀量化，小信号时量化号时量化“细细”，大信号时量化，大信号时量化“粗粗”。即采用。即采用“瞬时压扩瞬时压扩”的概念，以改善信噪比的概念，以改善信噪比非均匀量化非均匀量化n 采用压扩特性的量化噪声采用压扩特性的量化噪声原始信号经过压缩特性变化后进行均匀量化原始信号经过压缩特性变化后进行均匀量化最佳非均匀量化最佳非均匀量化求解压扩特性求解压扩特性 ，使量化信噪比最大化，使量化信噪比最大化)(xfz )(xkdxxpxfdxxpxfdxxpxxfdxdzxLLVxVVVxzVVxkqkz)()(6)()(121)()(121)(/)(/1/20

21、222222z时，)(xfn 最佳非均匀量化的求解最佳非均匀量化的求解利用拉格朗日乘子法，求得利用拉格朗日乘子法，求得n 均匀分布的最佳压缩特性均匀分布的最佳压缩特性n 语音信号最佳压缩特性语音信号最佳压缩特性最佳非均匀量化最佳非均匀量化xxf)(Vxqdxxxfp0222)()(6minVVdxxfdxxfdzst0)()( .即33102min231)(32)()(dxxpLdxxpKxfVxqxx 语音信号的最佳压缩特性提供的动态范围太小，不能满足要求！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，但具有放大小信号、压缩大信号的作用，可用于工程应用！2222202022220

22、22312)(2)(6)()(61)(ln1)(VBLBSNRdxxpxSdxxpxBdxxpxfBxxfxBxfxVxVxVq对数压扩非均匀量化对数压扩非均匀量化n 对数压扩特性下的量化信噪比对数压扩特性下的量化信噪比11,ln1ln110,ln1)(xAAAxAxAAxxfA律对数压缩特性量化律对数压缩特性量化n 压缩特性压缩特性小信号段，信噪比增加了24dB（20lg16=24） 律对数压缩特性量化律对数压缩特性量化10)1ln()1ln()(xxxf n 压缩特性压缩特性小信号段，信噪比增加了33.5dBn A律压缩特性的数字化实现律压缩特性的数字化实现折线近似折线近似13折线段折线段

23、规一化信号幅度在正区间分成不均匀规一化信号幅度在正区间分成不均匀8个区间个区间区间长度以区间长度以2倍递增倍递增A律律13折线段近似压缩量化折线段近似压缩量化 思考：为什么？编码编码n 量化电平变为二进制码组量化电平变为二进制码组常用二进制码组常用二进制码组编码编码n 编码对信噪比的影响编码对信噪比的影响 信道传输过程中产生误码信道传输过程中产生误码 在信号恢复过程中产生失真，即噪声在信号恢复过程中产生失真，即噪声 常用常用FBC语音信号的小信号出现概率大语音信号的小信号出现概率大小信号时小信号时FBC产生的解码误差要小产生的解码误差要小 解码输出的总噪声为量化噪声与信道传输误码噪声之和！n

24、传输误码对信噪比的影响（均匀量化、传输误码对信噪比的影响（均匀量化、NBC码）码） 误码导致均方误差为误码导致均方误差为 考虑低误码率情况，此时仅考虑出现每个码组出现一个误码考虑低误码率情况，此时仅考虑出现每个码组出现一个误码 若采用自然码，且量化电平等该出现，第若采用自然码，且量化电平等该出现，第k位出错产生的误差为位出错产生的误差为 接收端信噪比接收端信噪比2211()LLtijijiiiyyP P2log2211()LLtijeiiiyyPP12k22loglog221221211111( 2)43LLLkkteeeiiiLPPPL 22222222() /12/12(1)/314(1)

25、qteeSLLP LP L编码编码SNR下降3dB的误比特率是衡量指标！A律编码表律编码表12345678 MMMMMMMM 极性码段落码电平码n1250的编解码的编解码编码编码12500 M11决定极性码1250256M21 12501024 M31决定段落码12502048 M4010245121250 M5010242561250 M60决定电平码10241281250 M711024128641250 M81解码解码102412864321248A律编解码举例律编解码举例最佳量化：重建电平在分层电平的中点！n 模拟语音模拟语音 信号频带在信号频带在10Hz20kHz，主要集中在低频段，

26、主要集中在低频段n 预滤波预滤波 截取语音信号频谱最丰富的区域截取语音信号频谱最丰富的区域300Hz3400Hzn 抽样抽样 低通抽样，低通抽样，8KHz抽样率抽样率n 量化量化 A律或律或u律折线近似对数压缩量化律折线近似对数压缩量化 ，8比特比特 8KHz8bit64Kbpsn 编解码编解码 折线近似编码表，最佳量化特性解码折线近似编码表，最佳量化特性解码n 波形重建波形重建 消除孔径失真，采用补偿滤波器消除孔径失真，采用补偿滤波器PCM 模拟语音 预滤波 抽样 量化 编码 数字信道 解码 波形重建 模拟语音 增量调制增量调制 n 增量调制的特点增量调制的特点实现简单，码率低实现简单，码率

27、低在比特率低时，增量调制的量化信噪比高于在比特率低时，增量调制的量化信噪比高于PCM增量调制的抗噪声能力强，能工作于较高误比特率信道增量调制的抗噪声能力强，能工作于较高误比特率信道广泛应用于军事通信、卫星通信等广泛应用于军事通信、卫星通信等n 基本原理基本原理对信号变化趋势编码！n 编码器编码器 输入信号抽样值输入信号抽样值 本地译码信号的重建抽样值（接收端重建样值）本地译码信号的重建抽样值（接收端重建样值） 差值信号差值信号 差值信号的量化结果差值信号的量化结果 单单bit数码表示数码表示Q数码形成Z-1C(n)S(n)e(n)-+Sl(n)( ne)(nS( )S n( )(1)lS nS

28、 n( )e n( )( )(1)e nS nS n( )e n( )0( )( )0e ne ne n( )C n1( )( )0( )e nC ne n 增量调制的编解码增量调制的编解码 对信号下一时刻值进行预测，然后对实际值与预测值的差值进行编码！n 解码器解码器 工作原理工作原理 考虑理想的无误码信道考虑理想的无误码信道解码)(ne)(nC)(nS1Z( )1 ( )( )0C ne nC n( )( )(1)S ne nS n( )( )C nC n( )( )e ne n( )( )S nS n实际编码译码器常用简单RC积分器和比较器来实现延时和量化,实现非常简单!增量调制的编解码

29、增量调制的编解码 解码器就是编码的预测部分！n 满载情况满载情况信号幅度以很大斜率上升时，可能出现差值一直为正的情信号幅度以很大斜率上升时，可能出现差值一直为正的情况，出现连续的况，出现连续的1输出输出信号幅度以很大斜率下降时，可能出现差值一直为负的情信号幅度以很大斜率下降时，可能出现差值一直为负的情况，出现连续的况，出现连续的0输出输出n 过载情况过载情况即使用连续的即使用连续的1或者或者0，也跟不上实际信号变化的情况，也跟不上实际信号变化的情况临界过载条件临界过载条件|()( )|f tNf tN( )/sf tT 增量调制的工作条件分析增量调制的工作条件分析出现过载，则会导致量化信噪比大

30、幅下降！n 考虑单频信号考虑单频信号 其斜率为其斜率为 最大斜率为最大斜率为n 临界过载（满载）条件临界过载（满载）条件 对于给定的重建电平，增大采样频率可以提高临界过载频率对于给定的重建电平，增大采样频率可以提高临界过载频率 对于给定的采样频率，增大重建电平可以提高临界过载频率对于给定的采样频率，增大重建电平可以提高临界过载频率n 增大重建电平和采样频率的代价是什么增大重建电平和采样频率的代价是什么 增大采样频率会导致信源速率的提升增大采样频率会导致信源速率的提升 增大重建电平会导致量化噪声的增加增大重建电平会导致量化噪声的增加 信源速率和量化噪声之间存在某种折中信源速率和量化噪声之间存在某

31、种折中max( )/ssStATf ( )cosS tAt( )sinS tAt max( )StA增量调制的工作条件分析增量调制的工作条件分析增量调制的量化噪声增量调制的量化噪声 量化误差量化误差 均方误差均方误差 设量化噪声功率谱在设量化噪声功率谱在 范围内均匀分布，收端滤波器带宽范围内均匀分布，收端滤波器带宽 输出量化噪声输出量化噪声 在临界过载条件下的最大量化信噪比在临界过载条件下的最大量化信噪比321)(2222deedeepeq( )( )( ) (, )le tS tS tU (0 , )sfBf223Bqsff2sfAfAmax2sfAf223maxmax2228sAfSf33

32、maxmax222230.0388ssqBBSffSNRf ff fmax101010()30log20log10log14sBSNRdBfffn 误码引起的噪声误码引起的噪声 解码结果的累积和表示解码结果的累积和表示 若在若在n时刻发生误码，则时刻发生误码，则 则产生误码相当于叠加噪声功率则产生误码相当于叠加噪声功率 假设滤波器带宽内功率谱是平的，则其功率谱密度假设滤波器带宽内功率谱是平的，则其功率谱密度1( )( )(0)nkS nb kS1( )1( )1( )0C nb nC n( )( )( )pe ne nen2( )1 ( )2( )0pC nenC n 22(2 )tbP222

33、(2 )8( )/2bbtssPPfffRC积分电路2222bstLPff增量调制的抗误码能力增量调制的抗误码能力 回顾临界过载时的单频信号功率回顾临界过载时的单频信号功率 存在误码时，增量调制的最大信噪比存在误码时，增量调制的最大信噪比 考虑工程实例考虑工程实例 若信噪比下降若信噪比下降3dB 对于对于223maxmax2228sAfSf3100,300BLfHz fHz32sfkHz31.5 10bP64sfkHz43.74 10bP6,3.81 10b PCMPdBSNRfBffpfffpSSNRsLbLsbq3661max22222maxmax下降时B增量调制的抗误码能力增量调制的抗误

34、码能力增量调制的抗噪声能力远高于PCM！增量调制的改进增量调制的改进n 数字压扩自适应增量调制数字压扩自适应增量调制CVSD 利用斜率的不可突变性利用斜率的不可突变性 当连续出现当连续出现“1”或或“0”，即可认为信号有出现过载的可能，从而增大，即可认为信号有出现过载的可能，从而增大 当信号的斜率不会发生突变时，这一反馈过程可以当信号的斜率不会发生突变时，这一反馈过程可以使其本地译码信号跟上变化使其本地译码信号跟上变化n 增量总和调制增量总和调制 低频信号能够容忍较小的重建电平低频信号能够容忍较小的重建电平 抑制高频分量可以减小过载的可能性抑制高频分量可以减小过载的可能性max( )/ssSt

35、ATf PCM与简单增量调制的比较与简单增量调制的比较n 抽样频率抽样频率 PCM系统的抽样频率系统的抽样频率8K 增量调制系统的抽样频率不能根据抽样定理来确定，而需要根增量调制系统的抽样频率不能根据抽样定理来确定，而需要根据斜率过载条件以及信噪比来确定，一般情况下，为保证不发据斜率过载条件以及信噪比来确定，一般情况下，为保证不发生斜率过载以及保证与生斜率过载以及保证与PCM系统有相同的信噪比，增量调制的系统有相同的信噪比，增量调制的抽样频率将远高于抽样频率将远高于PCM系统系统n 带宽带宽 PCM码速率码速率64Kbit/s，带宽需求，带宽需求32K 如要求与如要求与PCM有相同的传输质量，

36、则增量调制要求抽样频率有相同的传输质量，则增量调制要求抽样频率100K以上，带宽要求以上，带宽要求50K 增量调制一般速率为增量调制一般速率为32Kbit/s或或16Kbit/s，但质量不如，但质量不如PCM n 量化信噪比（比较单频正弦情况）量化信噪比（比较单频正弦情况）n 抗信道误码性能：抗信道误码性能： 优于优于PCMPCMM5nPCMM43 .10lg30,3,8008)038. 0lg(102623信噪比差于时，在信噪比优于时，在可以看出则可以得到，并取可以设定编码速率的情况下，在保证占用相同带宽即nnSNRKHzfHzfnffffSNRnSNRMBsBsMPCMMPCM与简单增量调

37、制的比较与简单增量调制的比较DPCM产生的原因产生的原因n 降低语音编码速率的必要性降低语音编码速率的必要性模拟单边带多路载波电话的带宽模拟单边带多路载波电话的带宽4K，而，而PCM的带宽的理论的带宽的理论值为值为32K在频带受限的应用场合经济性太低，如卫星通信、移动通信在频带受限的应用场合经济性太低，如卫星通信、移动通信等等PCM占用高带宽的原因分析占用高带宽的原因分析为满足语音信号的高动态范围而采用了多位的量化为满足语音信号的高动态范围而采用了多位的量化对每个采样点都进行量化，没有考虑语音信号的前后相对每个采样点都进行量化，没有考虑语音信号的前后相关性关性增量调制对差值信号只进行一位编码，

38、量化的精度不够，量增量调制对差值信号只进行一位编码，量化的精度不够，量化信噪比低，但其思想可以借鉴化信噪比低，但其思想可以借鉴n 预测编码的概念预测编码的概念 相邻样点之间可能只有一个量化间隔或少数个量化间隔的差别，相邻样点之间可能只有一个量化间隔或少数个量化间隔的差别，PCM传送的信息存在冗余传送的信息存在冗余 在编码前就去掉相关性很强的冗余，然后再进行编码传送在编码前就去掉相关性很强的冗余，然后再进行编码传送 预测编码：根据过去的信号样值预测下一个样值，并且把预测预测编码：根据过去的信号样值预测下一个样值，并且把预测值与现实的采样值之差进行量化加以编码和传送值与现实的采样值之差进行量化加以

39、编码和传送 在接收端，经过相同的预测和滤波，即可得到原始信号波形在接收端，经过相同的预测和滤波，即可得到原始信号波形 抽样 量化 预测 x(t) e(KTs) + - + + 编码 传输 解码 预测 滤波 输出 + + 预测编码预测编码 )()()()()()()()()()()(kdkdkSkSkekdkSkSkSkSkdqrqereDPCM基本原理基本原理n 原理框图原理框图n 数学描述数学描述n DPCM性能性能 一般总是大于一般总是大于1，称为，称为DPCM处理增益，其值主要取决于预测处理增益，其值主要取决于预测的效果的效果 由于量化的是样值与预测值的差值信号，因此动态范围可以减由于量

40、化的是样值与预测值的差值信号，因此动态范围可以减小，同时也可有效减小量化误差，从而使小，同时也可有效减小量化误差，从而使DPCM在较低的编码在较低的编码率下获得较高的信噪比质量率下获得较高的信噪比质量 需要研究的问题是：如何设计预测器获得更好的需要研究的问题是：如何设计预测器获得更好的SNR零点预测器零点预测器极点预测器极点预测器最佳预测器最佳预测器qpSNRGkeEkdEkdEkSEkeEkSESNR)()()()()()(222222pGDPCM的量化信噪比增益的量化信噪比增益n 极点预测器极点预测器 N阶预测器的输出是前阶预测器的输出是前N个预测值的线性组合个预测值的线性组合称为重建滤波

41、器如果不考虑量化误差NiiiqqrNiiirqNirieZaZHZHZdZDZdZSZaZSZdZDikSakS11111)()()()(/ )()(1)(/ )()()()(量化器编码解码全极点预测器)(ns)(nsp)(nsp)(nsr)(nsr)(nd)(ndq)(ndq)(nI全极点预测器DPCM工作原理图全极点预测器DPCM的预测器设计的预测器设计n 零点预测器零点预测器 M阶预测器的输出是前阶预测器的输出是前M个量化值的线性组合个量化值的线性组合零点预测器由于只有零点，称为全重建滤波器重建信号MiiiMiiiqqrMiqieZbZHZbZdZHZdZSikdbkS1111)()1)

42、()()()()()(全零点预测器量化器编码解码全零点预测器全零点预测器DPCM)(ns)(nd)(ndq)(ndq)(nsp)(nsp)(nsrDPCM的预测器设计的预测器设计DPCM的预测器设计的预测器设计全零点预测器全极点预测器量化器编码解码全零点预测器全极点预测器零极点混合预测器DPCM)(ns)(nd)(ndq)(ndq)(nsp)(nsp)(nsr)(nsrn 零极点预测器零极点预测器 把零点预测器和极点预测器组合在一起，即构成零极点预测器把零点预测器和极点预测器组合在一起，即构成零极点预测器MiiiMiiiZaZbZH11)1 ( / )1 ()(n 最佳预测器最佳预测器 确定一

43、组最佳预测系数，使得确定一组最佳预测系数，使得 最小最小 在全极点模型下，并忽略量化误差在全极点模型下，并忽略量化误差 最终输出的信噪比与预测阶数有关最终输出的信噪比与预测阶数有关2dE)()()()()2() 1 ()0() 1()2()0() 1 () 1() 1 ()0(.0) )()()()(121opt22122ikSkSEiRNRRRRNRNRRRNRRRrRaaaaadEikSakSEkSkSEdEssssNoptoptoptiiNiie其中由此可得最佳预测系数应满足DPCM的预测器设计的预测器设计ADPCMn 采用自适应的必要性采用自适应的必要性 由于不同的讲话人的语音信号的特

44、性各不相同由于不同的讲话人的语音信号的特性各不相同 语音信号只能认为是短时平稳语音信号只能认为是短时平稳 采用固定的预测系数不可能对所有的语音信号获得最好的采用固定的预测系数不可能对所有的语音信号获得最好的结果，因此有必要采取自适应的算法结果，因此有必要采取自适应的算法 ADPCM的设计思路的设计思路尽可能消除语音信号中的冗余尽可能消除语音信号中的冗余对消除冗余后的信号进行有效的比特分配，从自适应对消除冗余后的信号进行有效的比特分配，从自适应角度进行最佳编码角度进行最佳编码 自适应的方法自适应的方法自适应量化自适应量化自适应预测自适应预测n 自适应预测自适应预测 前向估值的自适应预测前向估值的

45、自适应预测利用未量化的采样信号提取预测信息，有编码延时及边信息利用未量化的采样信号提取预测信息，有编码延时及边信息传输等问题传输等问题 后向估值的自适应预测后向估值的自适应预测利用已量化的样本或发送数据更新预测系数利用已量化的样本或发送数据更新预测系数缓存器提取预测系数量化预测器前向自适应预测原理图)(ns+-量化器自适应预测逻辑预测器)(ns后向自适应预测原理图ADPCM自适应预测自适应预测n 自适应量化自适应量化针对被量化信号的变化状态，随时调节量化台阶大小针对被量化信号的变化状态，随时调节量化台阶大小以匹配输入信号的时变方差以匹配输入信号的时变方差前向估值的自适应量化前向估值的自适应量化

46、对输入信号尚未量化的样本计算出其前向估值大小对输入信号尚未量化的样本计算出其前向估值大小需要缓存训练的样本，并传送相关的边信息，因此需要缓存训练的样本，并传送相关的边信息，因此引入了编码延时和占用了一定的信道容量引入了编码延时和占用了一定的信道容量后向估值的自适应量化后向估值的自适应量化利用量化器的输出样本计算输出信号的方差估值并利用量化器的输出样本计算输出信号的方差估值并确定量化台阶确定量化台阶没有延时，但影响估值的追踪速度没有延时，但影响估值的追踪速度ADPCM自适应量化自适应量化语音信号数字化的研究思路语音信号数字化的研究思路信源编码信源编码n 信源编码的目的信源编码的目的 减少信源输出

47、符号序列的冗余度，提高符号的平均信息量减少信源输出符号序列的冗余度，提高符号的平均信息量n 信源编码的思想信源编码的思想 针对信源输出的符号序列的统计特性，寻找一定的方法把信源针对信源输出的符号序列的统计特性，寻找一定的方法把信源输出序列符号变换为最短的码字序列，使每个码元所携带的平输出序列符号变换为最短的码字序列，使每个码元所携带的平均信息量为最大，同时又尽可能保证无失真的恢复出原来的符均信息量为最大，同时又尽可能保证无失真的恢复出原来的符号序列号序列 信源编码的核心就是研究信源编码的核心就是研究压缩编码压缩编码算法，用尽可能低的传输码算法，用尽可能低的传输码率获得尽可能好的质量率获得尽可能

48、好的质量信源编码的目的：压缩冗余，提高带宽利用效率！信源编码是现代数字通信的重要组成部分！n 信源编码的主要方法信源编码的主要方法 匹配编码匹配编码 根据编码对象出现的概率分配不同长度的代码，以保证总的代码长度最短根据编码对象出现的概率分配不同长度的代码，以保证总的代码长度最短 需要知道信号的概率分布，可采用数学模型建模的方式或根据大量样本信需要知道信号的概率分布，可采用数学模型建模的方式或根据大量样本信号进行统计得到号进行统计得到 典型编码算法：典型编码算法：Huffman编码编码 预测编码预测编码 利用信号之间的相关性，预测未来的信号，对预测的残差信号进行编码利用信号之间的相关性，预测未来

49、的信号，对预测的残差信号进行编码 变换编码变换编码 利用信号在不同的函数空间分布的不同，选择合适的函数将信号从一种信利用信号在不同的函数空间分布的不同，选择合适的函数将信号从一种信号空间变换到另一种有利于压缩编码的信号空间，再进行编码号空间变换到另一种有利于压缩编码的信号空间，再进行编码 常用的函数变换：常用的函数变换：DFT、Walsh、DCT、Haar 识别编码识别编码 分解文字、语音、图象的基本特征，与汇集这些基本特征的样本集进行对分解文字、语音、图象的基本特征，与汇集这些基本特征的样本集进行对照识别，选择失真最小的样本编码传送照识别，选择失真最小的样本编码传送 可用于印刷、打印等标准形

50、状的文字、符号和数据的编码可用于印刷、打印等标准形状的文字、符号和数据的编码信源编码信源编码n 信源编码算法信源编码算法 信源编码定理信源编码定理一个熵为一个熵为H的信源，当信源速率为的信源，当信源速率为R时，只要时，只要RH，则能够，则能够以任意小的错误概率进行编码；反之，如果以任意小的错误概率进行编码；反之，如果RH，则无论采，则无论采用多么复杂的编码器和译码器，错误概率都不可能达到任意用多么复杂的编码器和译码器，错误概率都不可能达到任意小小Shannon在在1948年证明了该定理，但并没有指出具体的编解码年证明了该定理，但并没有指出具体的编解码算法算法n 信源编码失真度量信源编码失真度量

51、 编码失真编码失真原始信号原始信号x经过编码以及解码后恢复成经过编码以及解码后恢复成x，失真量即为，失真量即为x与与x之之间的保真度或近似度的度量间的保真度或近似度的度量常用的失真度量：汉明失真、均方误差等常用的失真度量：汉明失真、均方误差等以一定的、可以接受的失真换取较高的信源压缩效率以一定的、可以接受的失真换取较高的信源压缩效率信源编码信源编码语音与图像压缩编码语音与图像压缩编码类型带宽KHZ采样率KHZ比特/样点比特率kb/s电话语音0.33.48864宽带语音0.0571614224调频广播0.02 153216512CD光盘0.01 2044.116705.6DAB/DAT0.01

52、204816768n 常用语音信号的编码速率常用语音信号的编码速率类型格式分辨率帧频HZ比特/像素比特率Mb/s电视电话QCIF17614429.97129.1会议电视CIF35228829.971236.4常规电视ITU-R6017205762516165.9HDTVITU-R709192011522516884.7语音与图像压缩编码语音与图像压缩编码n 常用图像信号的编码速率常用图像信号的编码速率图像压缩编码图像压缩编码n 图像压缩编码的必要性图像压缩编码的必要性 图像的数据量巨大，一般必须进行压缩编码图像的数据量巨大，一般必须进行压缩编码n 图像压缩编码的依据图像压缩编码的依据 图像信号

53、在结构和统计上存在大量的冗余度图像信号在结构和统计上存在大量的冗余度 结构冗余度：空间和时间上的强相关性结构冗余度：空间和时间上的强相关性 统计冗余度：被编码信号概率分布的不均匀统计冗余度：被编码信号概率分布的不均匀 基于人眼的视觉特性基于人眼的视觉特性 人眼对某些失真较不敏感，察觉不到图像的某些细微变化人眼对某些失真较不敏感，察觉不到图像的某些细微变化n 图像压缩编码的评价图像压缩编码的评价 压缩效率：压缩前后编码速率的比值压缩效率：压缩前后编码速率的比值 压缩质量：恢复图像的质量压缩质量：恢复图像的质量 编码算法的复杂度编码算法的复杂度 编解码延时编解码延时n 图像编码采取的主要技术措施图

54、像编码采取的主要技术措施 利用离散余弦变换，去除各象素点在空间域的相关性利用离散余弦变换，去除各象素点在空间域的相关性 通过帧间预测差分编码，去除活动图像的时间相关性通过帧间预测差分编码，去除活动图像的时间相关性 采用熵编码技术，使编码域信源的概率模型相匹配采用熵编码技术，使编码域信源的概率模型相匹配 利用人眼的视觉特性，进行自适应量化编码利用人眼的视觉特性，进行自适应量化编码 通过缓冲存储器实现变长码输入与定长码输出之间的匹配通过缓冲存储器实现变长码输入与定长码输出之间的匹配图像压缩编码方法图像压缩编码方法小波编码分形编码子带编码其他倾斜变换哈达码变换沃尔什变换离散余弦变换离散傅立叶变换变换

55、法算术编码游程编码编码统计编码压帧法压场法亚行法亚抽样法内插法运动补偿内插运动补偿预测运动估值条件帧补充预测法图像编码SlantHTWTDCTDFThuffmanDPCM图像压缩编码举例图像压缩编码举例n Huffman编码编码 基本思想基本思想对出现概率较大的信源符号编以较短的代码，对出现概率较小的对出现概率较大的信源符号编以较短的代码，对出现概率较小的信源符号编以较长的代码信源符号编以较长的代码JPEG、H.261、MPEG-1、 MPEG-2中对量化后的中对量化后的DCT系数进行系数进行Huffman编码编码 编码算法编码算法 初始化，根据符号概率的大小按由大到小顺序对符号进行排序；初始

56、化，根据符号概率的大小按由大到小顺序对符号进行排序；把概率最小的两个符号组成一个节点；把概率最小的两个符号组成一个节点；重复步骤重复步骤2，形成一棵，形成一棵“树树” ；从根节点开始到相应于每个符号的从根节点开始到相应于每个符号的“树叶树叶”，从上到下标上，从上到下标上“0”(上枝上枝)或者或者“1”(下枝下枝)，至于哪个为，至于哪个为“1”哪个为哪个为“0”则无关紧则无关紧要，最后的结果仅仅是分配的代码不同，而代码的平均长度是相要，最后的结果仅仅是分配的代码不同，而代码的平均长度是相同的；同的；1. 从根节点开始顺着树枝到每个叶子分别写出每个符号的代码从根节点开始顺着树枝到每个叶子分别写出每

57、个符号的代码 信源符号 出现概率 a1 0.20 a2 0.19 a3 0.18 a4 0.17 a5 0.15 a6 0.10 a7 0.01 0.11 1 0 1 0 0.26 1 0 0.35 1 0 0.61 0.39 0 1 1 0 编码输出 01 00 111 110 101 1001 1000 编码特点编码特点霍夫曼码的码长虽然是可变的，但却不需要另外附加同步代码。如果事霍夫曼码的码长虽然是可变的，但却不需要另外附加同步代码。如果事先编写出一本解释各种代码意义的先编写出一本解释各种代码意义的“词典词典”，即码簿，那么就可以根据，即码簿，那么就可以根据码簿一个码一个码地依次进行译码

58、。码簿一个码一个码地依次进行译码。霍夫曼码没有错误保护功能，如果码串中有错误，哪怕是霍夫曼码没有错误保护功能，如果码串中有错误，哪怕是1位出现错误，位出现错误，会出现错误传播会出现错误传播(error propagation)。霍夫曼码是可变长度码，因此很难随意查找或调用压缩文件中间的内容，霍夫曼码是可变长度码，因此很难随意查找或调用压缩文件中间的内容，然后再译码，这就需要在存储代码之前加以考虑然后再译码，这就需要在存储代码之前加以考虑图像压缩编码举例图像压缩编码举例n 预测变换编码预测变换编码 利用图像信号的空间和时间冗余特性，用已知的相邻象素或图像利用图像信号的空间和时间冗余特性，用已知的

59、相邻象素或图像块预测当前象素值，再对预测误差进行量化、编码和传输块预测当前象素值，再对预测误差进行量化、编码和传输 帧内预测编码，在一帧图像内进行预测，消除图像在空间的相关帧内预测编码，在一帧图像内进行预测，消除图像在空间的相关性性 帧间预测编码，在多幅图像之间进行预测，消除图像在时间域上帧间预测编码，在多幅图像之间进行预测，消除图像在时间域上的相关性的相关性 关键在于预测算法的选取关键在于预测算法的选取n 游程长度编码游程长度编码 编码对象为信源符号在信息流中连续出现的长度，根据其出现概编码对象为信源符号在信息流中连续出现的长度，根据其出现概率的不同编成不同长度的码字率的不同编成不同长度的码

60、字 常用于文件传真系统中常用于文件传真系统中图像压缩编码举例图像压缩编码举例Standard OrganizationVideo Coding StandardTypical Range of Bit RatesTypical ApplicationsITU-TH.261P*64 k bits/sISDN Video ConferencingITU-TH.263, H.263+, H.263+Wide rangePSTN Video PhoneITU-TH.26L64kbits/sWide rangeISO11172-2MPEG-1 Video1.5 M bits/sCD-ROMISO1381