语音信号数字处理：第1章 绪论

1、第1章 绪论1.2语音信号处理的发展及应用 1.1概述1.4语音编码标准的发展 1.3语音编码算法综述第1章绪论 1.1概述第1章绪论1.1概述 语音是人类交流信息最直接、最方便、最有效的工具 是人类获取信息的重要来源和利用信息的重要手段，语音通信是人类通信最基本、最重要的方式之一。通信系统中最常见的数据形式就是语音。语音的数字化传输和存储，在可靠性、抗干扰能力、快速交换、安全性等方面远胜于模拟化，且灵活方便、价格低廉。1950年代以来，数字语音在通信系统中的比重越来越大。语音（压缩）编码是数字语音通信中的一项关键技术。应用语音编码（语音压缩编码）， 同样的信道带宽能传输更多路的语音， 同样的

2、存储空间能存储更长时间的语音。第1章绪论 1.1概述语音编码的应用：有线电话、无线电话、语音保密通信、 会议电视、网络语音传输、玩具、语音存储等。音频编码的应用：数字高清电视、高保真音乐、CD、DVD、 数字电影、MP3、MP4等。语音数字化通信：信息产业中发展最快、普及面最广的业务。通信的三种指标：有效性、可靠性、安全性。有效性：指用尽可能少的信道资源（如频段、时隙和功率）， 传送尽可能多的信息；可靠性：在传输中抵抗各类干扰的能力 （军事通信中含电子对抗）；安全性：指在传输中的安全保密性能， 即收端防窃听、发端防伪造和篡改的能力等。通信技术以解决其有效性、可靠性和安全性为目标而发展。 第1章

3、绪论 1.1概述无线通信的有效性问题突出。原因：信道的频率资源有限；系统传输容量增加。解决方法之一：更有效的信源编码（语音压缩编码）对语音编码算法的要求：低码率、高音质、满足时延等。语音编码分：固定码率语音压缩编码、变速率语音压缩编码。固定码率语音压缩编码：广泛应用，标准众多，成熟。变速率语音压缩编码：已开始应用，是目前研究热点，已公布一批标准。变速率编码更适于未来技术的发展。工程中要根据要求，在码率和合成语音质量两方折衷，最大限度地发挥系统的效能。第1章绪论1.2语音信号处理的发展及应用 语音信号处理：研究用数字技术处理语音信号的一门学科。包括两个方面：研究语音的产生和感知； 与语音学、语言

4、学、认知科学、心理学、生理学等密不可分。将语音视为一种信号来进行处理。 与数字信号处理、应用数学、电子技术、计算机等密不可分。有多个分支：语音分析、语音编码、语音合成、语音识别、 说话人识别、语种识别、语音增强、语音理解等。核心内容：认识和描述语音和语言的基本特征，即语音分析。 第1章绪论 1.2语音信号处理的发展及应用 发展历程：1876年Bell发明电话，用声电、电声技术实现语音传输。1939年Dudley发明声码器，用模型产生语音。有划时代意义。1947年Bell实验室Potter等发明语谱仪，用语谱图表述语音。 1952年Bell实验室Davis等研制识别10个英语数字的装置。1956

5、年Olson等研制简单的语音打字机（根据频谱参数识别）1960年代初Fant、Stevens，奠定了语音生成理论的基础。1960年代中期，一系列数字信号处理方法和技术应用于语音，如数字滤波器、FFT等。随计算机、微处理器的发展， 硬件处理方法逐渐转为软件处理方法。第1章绪论 1.2语音信号处理的发展及应用 A. G. Bell1947-19221970年代初板仓（Itakura）等提出的动态时间规整技术， 使语音识别技术取得重大进展；1970年代期线性预测技术、隐马尔可夫模型用于语音处理。1970年代末，Linda、Buzo、Gray 等解决了矢量量化的实用技术（LBG算法）问题。1980年代

6、语音信号处理技术趋于成熟。1990年语音信号处理的实用化取得实质性进展。 语音识别走向实用化。新的研究热点： 语音信号中的情感信息、 语音的抗噪声技术、 说话人识别、 语种辨识等。第1章绪论 1.2语音信号处理的发展及应用 R. M. GrayY. Linde板仓Fumitada Itakura第1章绪论1.3语音编码算法综述语音数字化，产生大量数据，必需压缩。语音编码：减少传输码率或存储量，提高传输或存储的效率。传输码率的定义：传输每秒钟语音信号所需要的比特数； 也称为数码率、码率、编码速率等。语音编码需要在语音的可懂度和音质、码率、编码解码代价三方面进行折衷。第1章绪论 1.3语音编码算法

7、综述语音的传输是通信过程。图1.1：数字传输系统模型，可用语音通信。信源编码和信源解码即为本书的研究内容，统称为信源编码；信源编码（数据压缩）主要解决有效性问题；信源编码部分含压缩、扰乱、加密等一系列处理。 信道编码主要解决可靠性问题。信道编码由编码理论或信息论课程研究。调制、解调由通信原理课程研究。第1章绪论 1.3语音编码算法综述图1.1数字传输系统模型噪声信源编码信源解码传输通道信道编码信道解码调 制解 调信 源信宿(用户)语音编码分：波形编码、参数编码、混合编码三类。波形编码：使重建后的语音时域波形与原信号波形保持一致优点：适应性强、音质好等，缺点：编码速率较高。代表算法：PCM、DP

8、CM、ADPCM、M等。 参数编码：通常称为“声码器技术”。 用语音的模型参数表示语音，在可懂性原则下重建语音，不要求在波形上与原始信号匹配。优点：编码速率较低、在某些工程环境下可满足音质要求。缺点：合成语音质量差，自然度较低，对环境噪声较敏感。代表算法：通道声码器、共振声码器、LPC10、LPC10-e等。混合编码：基于语音模型，采用合成-分析技术，同时利用 语音模型和时间波形信息。特点：性能介于波形编码和参数编码之间。 代表算法：MPE-LPC、RPE-LPC、CELP等，算法众多。第1章绪论 1.3语音编码算法综述语音编码的研究起于70年前。主要是适应窄带电话线语音信号传送系统的发展需要

9、。语音编码要求：高鲁棒性、低码率、高质量。语音编码重要进展取得的原因： (1) 对语音产生机理和语音信号结构的更深入理解。 (2) 对听觉系统的深入理解，如人耳的掩蔽效应、 听觉加权滤波器的使用。 (3) 更好的量化技术，特别是合成分析的技术。 (4) 数字信号处理芯片的广泛使用。第1章绪论 1.3语音编码算法综述表1.1波形编码与参数编码的比较波形编码参数编码编码信息波形模型参数比特率9.6 64 kbit/s2.4 9.6 kbit/s音质评价方法信噪比谱失真和主观听音缺点随着量化粗糙，音质下降合成音质较低，处理复杂度高第1章绪论1.4语音编码标准的发展 工业产品的标准化是非常重要的。通信

10、标准化更为重要，因为要互通、互连。各国及组织，制造商、服务商和用户都要认可。经济利益是重要的。需有国际标准化组织协调。标准主要有两种产生方法：制造商、服务商先产生和使用，占领市场后再逐步形成技术标准，是传统方法。由国际或国家标准化组织根据需要，提出需求，征集标准。第1章绪论 1.4语音编码标准的发展ITU（国际电信联盟）：属于联合国经济、科学、文化组织， 负责制定全球通信标准。 最初，ITU由CCITT和CCIR组成。 CCITT：国际电话电报咨询委员会，负责建立电信标准， 包括语音编码标准。 CCIR：国际无线电咨询委员会，负责建立无线电标准。 1993年ITU重组，CCITT变成ITU电信标准部门（ ITU-T） 的一部分。ITU-T的15研究组（SG15 ）负责制定语音编码标准； 12研究组（SG12）负责测试这些标准在网上的性能。 ITU-R是无线电标准化部门。第1章绪论 1.4语音编码标准的发展数字蜂窝电话标准由一些地方标准化组织建立的。欧洲电信标准研究所(ETSI)负责制定数字蜂窝标准。在北美，这项工作是由电信工业组(TIA)负责执行。在日本，由无线系统开发和研究中心(RCR)组织这些标准化的工作另外