第6-差分脉冲编码调制课件

以较低的速率获得高质量编码，一直是语音编码追求的目标。通常，人们把话路速率低于64kb/s的语音编码方法，称为语音压缩编码技术。自适应差分脉冲编码调制是语音压缩中复杂度较低的一种编码方法，它可在32kb/s的比特率上达到64kb/s的PCM数字电话质量。近年来，ADPCM已成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。

ADPCM是在差分脉冲编码调制(DPCM)的基础上发展起来的。自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)压缩的概念压缩的可能性？

任何信号,不论语音或图像,采用直接采样-量化-编码的方式进行编码,都会发现码组之间具有很强的相关性。由于相关性的存在,传输数据中存在大量不需要传输的信息,称为冗余。当利用PCM方式编码时，这些相邻样本很可能在一个量化级，或只差1、2个量化级，这样的PCM码序列，就产生了“冗余”信息。

这意味着夹杂有重复信息传输而浪费传输能力。如果设法在编码前就去掉这些相关性很强的冗余，则可进行更为有效的信息传输。具有此种功能而普遍采用的编码机制，称为差分脉冲编码调制（DPCM）。实现差分编码的一个好办法是根据前面的k个样值预测当前时刻的样值。编码信号只是当前样值与预测值之间的差值的量化编码。

编码器中的预测器与解码器中的预测器完全相同。DPCM原理方框图6.2差分脉冲编码调制（DPCM）DPCM预测原理DPCM系统中，总量化误差只和差值信号的量化误差有关

编码器：图6-1给出了一个实现DPCM功能的系统框图。它实现预测编码的基本设计构思是，对预测误差进行量化后，编成PCM码传输。这一差值的动态范围应当说比PCM的绝大多数样本值小的多。PAM序列的所用的参考值来自于带有预测器，而不断累积的阶梯波输出，是在以前所有累积值与差值量化值相加的结果。因此阶梯波总是在不断近似追踪输入序列PAM信号的各值。图6-1DPCM功能系统框图1.各量值之间关系（1）系统输入的瞬时样本值与累积阶梯波之差为误差值，即

(6-1)（2）比较器输出的误差值经M个量化电平的量化器量化后为，它等于误差值与量化误差值之和，即式中，表示差值的量化误差（量化噪声）。（6-2）（3）预测器的输入值等于阶梯波累积值与差值的量化值之和

(6-3)（4）通过系统中的预测处理后，的最终损失为量值不大的差值量化噪声，则有

(6-4)或

(6-5)（5）由于预测输出（通过分析阶梯波）是个累积过程，因此，式（6-1）可写为

(6-6)式中，表示单位幅度的正负权值系数。以两位编码(N=2)来说明DPCM的编码过程。由于N=2，所以误差信号的量化电平数。假设4个量化电平分别为，，，它们分别由二进制脉冲(双极性信号)++,+-,-+,--表示。误差信号的抽样、量化和编码过程如图所示。图(a)表示对误差信号的抽样、量化，图中的红色空心圆点表示误差信号的抽样值，图中的蓝色实心圆点表示误差信号量化后的值。当，量化为当，量化为

当，量化为

当，量化为图(b)表示经抽样与量化后的信号波形，图(c)是编码器输出的DPCM码。若设正脉冲表示二进制数字"0",负脉冲表示"1",则编码器输出的DPCM码为:0101010000000。

2.DPCM编码由式（6-1）产生的预测误差虽然与样本值比较一般是不大的量，但由于信号某段中可能增、减斜率较大，因此阶梯波追踪能力就显不足，会导致瞬时差值较大，况且通过量化器得到的量化值又有新的损失量。因此对于各时刻的正负不等的差值需进行编码。

分析证明，对于动态范围远小于原信号动态范围的量化差值编制PCM码（线性），要比直接利用PCM系统所需的编码位数要少。

3.DPCM解码

DPCM解码方式如图6-3所示。接收端将差值PCM信号通过解码器变换为差值序列，然后经过预测器进行累加积分，恢复原信号的近似值，生成阶梯波，再由低通滤波器（LPF）平滑后，可得原信号的估值信号。图6-3DPCM解码方式DPCM系统的性能设信号m(t)的平均功率为在DPCM系统中，由于误差范围被量化为M个电平，所以，所以下面求DPCM系统的量化噪声功率此时误差信号的量化误差的范围为参见118页5-26，量化噪声功率为假设量化后的误差信号具有均匀的功率谱密度，而DPCM系统输出数字信号的码元速率为，所以可以认为噪声频谱均匀地分布于频带宽度为，的范围内，所以可求得此时的单边功率谱密度为经截止频率为fm的低通滤波器后，得到噪声功率为最后算出DPCM系统的输出信噪比为比较DPCM和PCM系统的性能PCM系统的输出信噪比为

DPCM系统的输出信噪比为可以看出，当N和fs/fc比较大时，DPCM系统的性能要优于PCM。

DPCM与PCM的区别是，在PCM中用信号抽样值进行量化，编码后传输。而DPCM则是用信号与的差值进行量化，再进行编码。经DPCM调制后的信号，抽样值压缩比大，并且比PCM信噪比改善14～17dB。

DPCM与区别是是：在中是用一位二进制码表示增量，而在DPCM中用几位二进制表示增量。由于它增多了量化级，因此在改善量化噪声方面优于。DPCM利用预测编码，应用范围很广，除了语音以外，更多地用于图像无失真压缩编码，如目前流行的会议电视、可视电话等图像处理采用二维多阶DPCM处理。DPCM的缺点是易受信道噪声的影响。

自适应差分脉码调制（ADPCM）ADPCM，即自适应差分脉码调制，它是利用样本与样本之间的高度相关性和量化阶自适应来压缩数据的一种波形编码技术。ADPCM采用自适应预测和自适应量化技术，可使误差量化器的量化信噪比最大。CCITT为此制定了G.721推荐标准，这个标准叫做32kb/sADPCM。自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）综合了APCM的自适应特性和DPCM系统的差分特性。

如果将样值之差仍用N位编码传送，则DPCM的量化信噪比显然优于PCM系统。实现差分编码的一个好办法是根据前面的k个样值预测当前时刻的样值。编码信号只是当前样值与预测值之间的差值的量化编码。

DPCM系统原理框图预测器输出线性预测法ADPCM中的预测信号是用线性预测的方法产生的。线性预测器分极点预测器和零点预测器。1）极点预测器其N阶预测器的输出Se(k)是N个Se(k-i)值的线性组合。即其中，ai是一组预测系数。预测误差滤波器的传递函数：（不考虑量化误差）而重建滤波器的传递函数：（只有极点）2、零点预测器若M阶预测器的输出为：

系统的重建信号

利用自适应的思想改变量化阶的大小，即使用小的量化阶(step-size)去编码小的差值，使用大的量化阶去编码大的差值,使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。图6-4为ADPCM编码器的基本结构图：（148页）它由PCM码/线性码变换器、自适应量化器、自适应逆量化器、自适应预测器及量化尺度适配器组成。编码器输入的信号为非线性PCM码，根据用户要求，可以使A律和U律PCM码，为了便于进行数字信号运算处理，首先将8位非线性PCM变为12位线性码，然后进入ADPCM部分，线性PCM信号与预测信号相减获得预测误差信号。自适应量化器将该差值信号进行量化并编成4位ADPCM码输出。

图6-4ADPCM编码器ADPCM译码器由自适应量化器、自适应预测器、线形码/pcm变换器、量化尺度适配器以及同步编码调整组成。译码器中的译码过程和编码有相同的电路，只是多了一个同步编码调整，其作用是使级联工作时不产生误差的累积。ADPCM译码器的结构如图6-5所表示

图6-5ADPCM译码器总量化误差总量化信噪比

式中，(S/N)q是把差值序列作为信号时量化器的量化信噪比，与PCM系统考虑量化误差时所计算的信噪比相当。Gp可理解为DPCM系统相对于PCM系统而言的信噪比增益，称为预测增益。如果能够选择合理的预测规律，差值功率就能远小于信号功率，Gp就会大于1，该系统就能获得增益。对DPCM系统的研究就是围绕着如何使Gp和(S/N)q这两个参数取最大值而逐步完善起来的。通常Gp约为6～11dB。自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)值得注意的是，DPCM系统性能的改善是以最佳的预测和量化为前提的。但对语音信号进行预测和量化是复杂的技术问题，这是因为语音信号在较大的动态范围内变化。为了能在相当宽的变化范围内获得最佳的性能，只有在DPCM基础上引入自适应系统。有自适应系统的DPCM称为自适应差分脉冲编码调制，简称ADPCM。

ADPCM的主要特点是用自适应量化取代固定量化，用自适应预测取代固定预测。

自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)

自适应量化指量化台阶随信号的变化而变化，使量化误差减小；自适应预测指预测器系数｛ai｝可以随信号的统计特性而自适应调整，提高了预测信号