语声信号数字化编码

语声信号数字化编码第一节语声信号编码基本概念及分类第二节脉冲编码调制——PCM

第三节差值脉冲编码调制——DPCM第四节子带编码——SBC第五节参量编码第六节GSM及IP电话系统语声编码技术应用及标准语声信号数字化编码第1页第一节语声信号编码基本概念及分类一、语声信号编码概念 现以一个简单语声信号脉冲编码调制(PCM)编码，解码过程说明语声信号编码概念，示意图如图2.1所表示。语声信号数字化编码第2页图2.1PCM编解码框图语声信号数字化编码第3页 图中A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。(1)抽样 抽样是将模拟信号在时间上离散化过程。(2)量化 量化是将模拟信号在幅度上离散化过程。语声信号数字化编码第4页(3)编码 编码是指将每个量化后样值用一定二进制代码来表示。二、语声信号编码分类 语声信号编码可划分为三大类型。 ·波形编码，是对信号波形进行编码，前述PCM方式即为波形编码一个。语声信号数字化编码第5页·参量编码是提取语声信号一些特征参量，对其进行编码。·混合编码，介于波形编码与参量编码之间一个编码，即在参量编码基础上，引入了一定波形编码特征，以到达改进自然度目标。语声信号数字化编码第6页第二节脉冲编码调制——PCM一、概述 脉冲编码调制系统中信号变换和处理过程如图2.2所表示。图2.2PCM系统中信号处理过程语声信号数字化编码第7页二、抽样 模拟信号数字化第一步是在时间上对信号进行离散化处理，即将时间上连续信号处理成时间上离散信号，这一过程称之为抽样。1.抽样定义及实现抽样电路模型 连续信号在时间上离散化抽样过程如图2.3所表示。语声信号数字化编码第8页图2.3连续信号抽样示意图语声信号数字化编码第9页图2.4抽样器及抽样波形示意语声信号数字化编码第10页图2.5相乘器抽样模型语声信号数字化编码第11页图2.6开关函数语声信号数字化编码第12页2.抽样定理(1)低通型信号抽样 设时间连续信号f(t)，其最高截止频率为fM。假如用时间间隔为TS≤1/2fM开关信号对f(t)进行抽样，则f(t)就可被样值信号fS(t)=f(nTS)来唯一地表示。或者说，要从样值序列无失真地恢复原时间连续信号，其抽样频率应选为fS≥2fM。这就是著名奈奎斯特抽样定理，简称抽样定理。语声信号数字化编码第13页 所谓理想抽样是指以式2.1中开关函数ST(t)为单位高度周期冲激脉冲序列，其波形图如图2.7所表示。图2.7单位冲激脉冲序列语声信号数字化编码第14页图2.8理想抽样样值序列频谱语声信号数字化编码第15页图2.9三种不一样抽样频率时样值序列频谱语声信号数字化编码第16页至此，我们能够用下述两种被此等价方式来表示有限能量频带受限信号抽样定理。①对于频谱分量低于fM有限能量信号，能够用间隔小于或等于1/2fM该信号瞬时样值来完全描述。②对于频谱分量低于fM有限能量信号，能够从抽样速率大于或等于2fM该信号瞬时样值序列中完全地恢复，即抽样频率应为fS≥2fM。语声信号数字化编码第17页(2)带通型信号抽样图2.10带通型信号示意语声信号数字化编码第18页图2.11带通型信号样值序频谱语声信号数字化编码第19页(3)与抽样相关误差 前面所讨论抽样定理是基于以下三个前提： ·对语声信号带宽限制是充分； ·实施抽样开关函数是单位冲激脉冲序列，即理想抽样； ·经过理想低通滤波器恢复原语声信号。语声信号数字化编码第20页①抽样折叠噪声 抽样定理指出，抽样序列无失真恢复原信号条件是fS≥2fM。为了满足抽样定理，对语声信号抽样时先将语声信号频谱限制在fM以内。为此，在抽样之前，先设置一个前置低通滤波器将输入信号频带限制在3400Hz以下，然后再进行抽样。②抽样展宽孔径效应失真语声信号数字化编码第21页图2.12抽样折叠噪声示意语声信号数字化编码第22页图2.13自然抽样与抽样展宽语声信号数字化编码第23页图2.14抽样展宽电路框图语声信号数字化编码第24页图2.15展宽孔径效应失真语声信号数字化编码第25页三、量化1.量化定义及描述 量化是把信号在幅度域上连续取值变换为幅度域上离散取值过程。 量化过程是一个近似表示过程，即无限个数取值模拟信号用有限个数值离散信号近似表示。语声信号数字化编码第26页图2.16量化示意图语声信号数字化编码第27页2.均匀量化及量化噪声计算 量化就是将幅度值为连续信号变换为幅度值为有限个离散值过程。 各量化分级间隔相等量化方式即为均匀量化。 图2.17(a)所表示阶梯状特征中一个台阶高度称为一个量化级。如图所表示，均匀量化时在整个输入信号幅度范围内量化级大小都是相等。量化误差所产生量化噪声也应有两部分：非过载量化噪声和过载量化噪声。语声信号数字化编码第28页图2.17均匀量化特征与量化误差特征语声信号数字化编码第29页 设量化间隔为Δ，则Δ=2U/N 在非过载区内最大量化误差为emax(u)=Δ/2语声信号数字化编码第30页图2.18语声信号幅度概率分布语声信号数字化编码第31页图2.19语声信号分级间隔及量化值语声信号数字化编码第32页图2.20量化信噪比随l、X

e关系曲线语声信号数字化编码第33页3.非均匀量化及压缩扩张技术(1)非均匀量化及实现 采取均匀分级量化时其量化信噪比随信号电平减小而下降。 非均匀量化特点是：信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。 非均匀量化特点是：信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。语声信号数字化编码第34页图2.21非均匀量化特征及量化误差语声信号数字化编码第35页图2.22非均匀量化实现框图语声信号数字化编码第36页图2.23压缩扩张特征语声信号数字化编码第37页(2)μ律和A律压缩特征①μ律压扩特征②A律压扩特征语声信号数字化编码第38页图2.24语声信号数字化编码第39页图2.25A=87.6时(S/Nq)dB(A)曲线语声信号数字化编码第40页③A律13折线压扩特征 详细实现方法是：对X轴在0～1(归一化)范围内以1/2递减规律分成8个不均匀段，其分段点是1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64和1/128。语声信号数字化编码第41页图2.268段折线分段示意语声信号数字化编码第42页图2.27A律13折线压缩特征语声信号数字化编码第43页图2.28A律13折线量化信噪比语声信号数字化编码第44页四、编码与解码1.二进制码组及编码基本概念 当前使用二进制码组编码关系有3种： ·普通二进制码编码 ·循环码编码 ·折叠二进制码编码语声信号数字化编码第45页图2.29几个编码方案误码信噪比语声信号数字化编码第46页图2.30天平称重示意图语声信号数字化编码第47页2.线性编码与解码(1)级联逐次比较型编码电路 级联逐次比较型编码器就是参考前述天平称重原理组成。语声信号数字化编码第48页图2.31级联逐次比较编码器原理框图语声信号数字化编码第49页(2)反馈型线性编码器 反馈型线性编码器原理框图如图2.32所表示。 反馈型编码器是采取样值与当地解码输出逐次比较方法进行编码，每一比特比较一次并编出一个码元，这种编码器编码过程是逐次迫近。语声信号数字化编码第50页图2.32反馈型线性编码器原理框图语声信号数字化编码第51页图2.33编码过程波形语声信号数字化编码第52页(3)加权求和解码网络 解码网络作用是把PCM数字码组转换成对应电压或电流幅度。前述反馈型线性编码器中当地解码所用解码网络是电流相加型解码网络，它是加权求和解码网络变型。语声信号数字化编码第53页图2.34加权求和解码网络语声信号数字化编码第54页图2.35电流相加型解码网络语声信号数字化编码第55页3.非线性编码与解码 含有均匀量化特征编码叫做线性编码，与之对应含有非均匀量化特征编码就叫做非线性编码。(1)A律13折线编码码字安排 前述已说明A律13折线分段是对输入信号归一化范围(0～1)分为8个不均匀段，故要表示不一样段落号就需要有三位码。语声信号数字化编码第56页 采取A律13折线编码时所需码位数是8，其详细安排是：

a1 a2a3a4

a5a6a7a8 极性码 段落码 段内电平码

a1=1，表示正极性；a1=0，表示负极性；

a2a3a4为000～111共有8种组合，分别表示对应8个分段，即第1段至第8段；

a5a6a7a8为0000～1111共有16种组合，表示每段16个分级。语声信号数字化编码第57页(2)A律13折线编码方法①判定值确实定规律和提供方法 极性码判决： 极性码判定值为零，它依据输入信号IS(以电流表示)极性来决定，即

IS≥0时，a1=“1”码；

IS＜0时，a1=“0”码。语声信号数字化编码第58页 段落码判决： 对A律13折线编码是将编码电平范围(归一化0～1)以量化段或量化级为单位，逐次对分，对分点电流(或电压)即为判定值IR。 段内电平码判决： 当段落码确定之后，接着确定出该量化段起始电平IBi和该量化段量化间隔Δi，由此，就能够进行段内电平码判决了。语声信号数字化编码第59页图2.36段落码码字判决过程语声信号数字化编码第60页②编码方法

A律13折线编码采取逐次反馈编码。③逐次渐近型编码器 ·比较判决和码形成电路 ·判定值提供电路——当地解码器语声信号数字化编码第61页图2.37逐次渐近型编码器原理框图语声信号数字化编码第62页图2.38D1～D8时序关系语声信号数字化编码第63页④编码端量化误差分析⑤A律13折线解码 ·增加了极性控制部分 ·数字扩张部分由7/11变换变为7/12变换 ·增加了读出控制电路语声信号数字化编码第64页图2.39A律13折线解码器方框图语声信号数字化编码第65页五、单片集成PCM编解码器 ·发送部分 发送部分包含：输入运放、带通滤波器、抽样保持和DAC(数模转换)、比较器、逐次迫近存放器、输出存放器以及A/D控制逻辑、参考电源等。语声信号数字化编码第66页图2.402914功效框图语声信号数字化编码第67页 ·接收部分 接收部分包含：输入存放器、D/A控制逻辑、抽样保持和DAC、低通滤波器和输出功放等。 ·控制部分 控制部分主要是一个控制逻辑单元，经过PDN(低功耗选择)、CLKO(主时钟选择)、LOOP(模拟信号环回)三个外接控制端控制芯片工作状态。语声信号数字化编码第68页图2.412914经典实用电路语声信号数字化编码第69页第三节差值脉冲编码调制

——DPCM一、DPCM原理及实现

DPCM就是考虑利用语声信号相关性找出可反应信号改变特征一个差值量进行编码。 差值编码普通是以预测方式来实现。语声信号数字化编码第70页图2.42实现预测横截滤波器语声信号数字化编码第71页图2.43是DPCM实现原理框图。如前面所述，DPCM方式发送端就是将现有样值与预测值之差进行量化编码方式来实现，而在接收端为了恢复原信号也必须进行与发送端相同预测。语声信号数字化编码第72页图2.43DPCM系统原理框图语声信号数字化编码第73页二、自适应差值脉冲编码调制

——ADPCM 自适应量化基本思想是：让量化间隔Δ(t)改变，与输入信号方差相匹配，即量化器阶距随输入信号方差而改变，它正比于量化器输入信号方差。语声信号数字化编码第74页图2.44前馈自适应量化ADPCM语声信号数字化编码第75页图2.45反馈自适应量化ADPCM语声信号数字化编码第76页图2.46固定和自适应DPCM系统性能语声信号数字化编码第77页三、32kbit/sADPCM系统 1984年ITU-T公布了G.72132kbit/sADPCM标准，并于1986年做了深入修改。语声信号数字化编码第78页图2.47G.72132kbit/sADPCM工作原理框图语声信号数字化编码第79页四、单片集成ADPCM编解码器1.MC145532ADPCM代码转换器(1)技术特点 ·满足ITU-T提议G.721—1988； ·全双工、单信道工作； ·选择引脚μ律或A律编码； ·同时或异步工作；语声信号数字化编码第80页 ·轻易与摩托罗拉PCM编解码器、滤波器等接口； ·串行PCM和ADPCM数据传输速率为64kbit/s～5120kbit/s； ·省电能力用于低电流消耗； ·简单时隙分配定时用于代码转换器； ·单5V电源。(2)MC145532引脚符号与功效(3)应用电路语声信号数字化编码第81页图2.48MC145532引脚排列图语声信号数字化编码第82页图2.49MC145532ADPCM应用电路语声信号数字化编码第83页2.MC145540ADPCM编/解码器(1)技术特点 ·单电源工作(2.7～5.25V)； ·3V时经典功耗为60mW，省电时为15μW； ·最小噪音差分模拟电路设计； ·完全μ律或A律压扩PCM编解码器滤波器；语声信号数字化编码第84页 ·64，32，24和16kbit/s数据率ADPCM代码转换器； ·通用可编程双音频发生器； ·可编程发送增益、接收增益和侧音增益； ·用于与话筒接口低噪声、高增益、三端输入运算放大器；(2)MC145540引脚符号与功效(3)应用电路语声信号数字化编码第85页图2.50MC145540引脚排列图语声信号数字化编码第86页图2.51MC14550手持机应用电路语声信号数字化编码第87页第四节子带编码——SBC一、子带编码基本概念及工作原理 子带编码是首先将输入信号分割成几个不一样频带分量，然后再分别进行编码，这类编码方式称为频域编码。 把语声信号分成若干子带进行编码主要有两个优点。语声信号数字化编码第88页 子带编码实现原理框图如图2.52所表示。在子带编码中，用带通滤波器将语声频带分割为若干个子带，每个子带经过调制将各子带变成低通型信号(图中未画出)。这么就可使抽样速率降低到各子带频宽两倍。语声信号数字化编码第89页图2.52子带编码原理方框图语声信号数字化编码第90页二、子带编码比特分配及编码速率 在子带编码中，各子带带宽ΔBk能够是相同，也能够是不一样。前者称为等带宽子带编码，后者称为变带宽子带编码。等带宽子带编码优点是易于用硬件实现，也便于进行理论分析。在这种情况下带宽ΔBk等于ΔBk=ΔB=B/m 式中，k=1,2,3,…m,m是子带总数，B是编码信号总带宽。语声信号数字化编码第91页三、子带划分 语声信号各子带带宽应考虑到各频段对主观听觉贡献相等标准做合理分配。四、16、24、32kbit/s电话语声子带编码 该标准采取三种编码速率，即48、56及64kbit/s。输入语声信号带宽为50～7000Hz，分成两个等宽子带。语声信号数字化编码第92页第五节参量编码

参量编码原理和设计思想与波形编码完全不一样。波形编码基本思绪是忠实地再现话音时域波形，为了降低比特率，可充分利用抽样点之间信息冗余性对差分信号进行编码，在不影响话音质量前提下，比特率能够降至32kbit/s。语声信号数字化编码第93页一、语声形成机理及语声信号分析 语声形成大致过程可如图2.54所表示。 从语声信号分析可知，音素分为两类：伴有声带振动音称为浊音；声带不振动音称为清音。语声信号数字化编码第94页图2.54语声形成过程语声信号数字化编码第95页1.浊音与基音 浊音又称有声音，语声发声时声带在气流作用下激励起准周期声波，如图2.55所表示。由图可见浊音声波含有显著准周期特征，这一准周期音称为基音，其基音周期为4～18ms相当于基音频率在50～250Hz范围内。语声信号数字化编码第96页图2.55波音声波波形图语声信号数字化编码第97页图2.56浊音频谱示意语声信号数字化编码第98页2.清音 清音又称无声音。图2.57清音波形图语声信号数字化编码第99页 清音没有周期特征，经典清音波形频谱如图2.58所表示。从清音频谱分析可知，清音中不含含有周期或准周期特征基音及其谐波成份。图2.58清音频谱示意语声信号数字化编码第100页3.语声信号产生模型图2.59语声信号产生模型语声信号数字化编码第101页二、线性预测编码(LPC)基本概念 在发送端，原始语声输入A/D变换器，以8kHz速率抽样并变换成数字化语声。然后以每180个样值为一帧(帧周期22.5ms)，以帧为处理单元逐帧进行线性预测系数分析，并作对应清/浊音判决和基音提取，最终把这些参量进行量化、编码并送入信道传送。语声信号数字化编码第102页图2.60线性预测LPC编译码方框图语声信号数字化编码第103页在接收端，经参量解码分出参量｛ai｝、G、P和u/v等。G、P以及u/v用作语声信号合成产生，｛ai｝用作形成合成滤波器参数。最终将合成产生数字化语声信号再经D/A变换即还原为接收端合成产生语声信号。图2.61所表示是简化LPC原理框图。语声信号数字化编码第104页图2.61简化LPC原理框图语声信号数字化编码第105页三、线性预测合成份析编码1.结构原理 激励生成器产生激励信号经线性预测器后得到重构话音信号(i)，线性预测器模拟声道特征，加强了激励信号一些频率域，减弱了另一些频率域，表达了语声信号短时相关性。激励信号则表达了语声信号长时相关性，输入线性预测器激励信号是量化后增益和基音