[工学]数字通信02聊城大学.ppt

数字通信,第二章 语音编码技术,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 2,第二章 信源编码,2.2.0压缩编码概述 2.2.1语音编码概述 2.2.2语音信号的波形编码 2.2.3语音信号的参数编码 2.2.4语音信号的混合编码,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 3,2.2.0 压缩编码概述,一.压缩编码原因 信号的压缩编码是研究如何降低信号编码速率的问题。 以语音信号为例，模拟形式下带宽一般不到4KHz，经过调制后，所需传输带宽不会超过8KHz。 但是以8KHz抽样，并且每个样值用8位二进制代码表示时，即采用A率13折线PCM数字语音信号时，信息速率为64Kbit/s。利用二进制理想基带传输系统传输一路这样的数字语音信号。所占系统的最小带宽为32KHz。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 4,2.2.0 压缩编码概述,二、信源编码技术的核心 研究压缩编码算法，用尽可能低的传信率获得尽可能好的信号质量。 即在相同质量指标的条件下，降低传输速率，从而达到提高频带利用率的目的 三、信源压缩编码方法的种类 按照处理方式的不同，信源压缩编码的方法有： （1）概率匹配编码 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 例：子带编码,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 5,2.2.0 压缩编码概述,（2）预测编码 利用信号之间的相关性，预测未来的信号，对预测的误差进行编码 例：（DPCM，ADPCM） （3）变换编码 利用信号在不同函数空间分布的不同，选择合适的函数变换将信号从一种信号空间变换到另一种更有利用压缩编码的信号空间，再进行编码。 （4）识别编码 分解文字，语音和图像的基本特征，与汇集这些基本特征的样本集对照识别，选择失真最小的样本编码传送。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 6,一、语音编码的性能指标 （1）语音质量 （2）编码速率 （3）编解码延时 （4）算法复杂度 二、语音编码分类 根据编码器的实现机理，语音编码分成三大类： （1）波形编码 （2）参数编码 （3）混合编码,2.2.1语音编码概述,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 7,2.2.1语音编码概述,波形编码 原理：在信源端以波形逼近为原则对语音信号进行采样、量化、压缩编码，解码端根据这些编码后的数字序列恢复出语音信号的波形。 优点：重建语音质量好，抗干扰能力强等。 缺点：信息量大，编码速率高，一般在1664kbps之间, 在传输时占用较多的带宽资源。 类型：PCM，DM,ADM(自适应增量调制），DPCM（差值脉冲编码调制）ADPCM（自适应差值脉冲编码调制）子带编码（SBC），自适应预测编码（APC),自适应变换编码（ATC)等。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 8,2.2.1语音编码概述,参数编码 原理：参数编码是分析并提取信源信息模型中必要的、关键的但不是全部的特征参数，将上述参数信息通过采样、量化、编码，然后合成发送出去；在接收端通过接收到的参数取值的编码，还原出信源信息。 优点：压缩比大，编码速率低，传输带宽占用少，一般在2.4kbs以下。 缺点：计算量大，语音质量差。 类型：LPC线性预测编码，多带激励（MBE）编码，正弦变换编码（STC），混合激励线性预测编码（MELP） 。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 9,2.2.1语音编码概述,混合编码 原理：混合编码就是结合波形编码和参数编码的优点，总体上使用参数编码的保留低带宽需求优点，在重点的部分信息应用波形编码获得较高质量的合成语音，增强了语音的自然度。 特点：有一定抗噪和抗误码的性能，但时延较大。编码速率可在2.416kbs之间选择。 类型:子带编码，多脉冲线性预测编码（MPLPC）、规则脉冲激励线性预测编码（RPELPC）、码本激励线性预测编码（CELPC）、低时延的码本激励线性预测编码（LD-CELPC）,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 10,2.2.2语音信号的波形编码,一、脉冲编码调制（PCM) 无压缩的信源编码 二、差分脉冲编码调制（DPCM) 1.预测编码的目的：降低编码的比特率 2.预测编码的原理： 连续变化的信号，相邻抽样值有较大的相关性，冗余度大 预测器就是利用前面的几个抽样值预测当前的抽样值 显然，两者不能相等，但两者之差值变化范围就很小了,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 11,仅传输此差值，可以使用少几位的编码，降低了比特率,量化,编 码,预测值,差值,抽样值,差值的量化值,0,1,1,0,0,重建信号,2.2.2语音信号的波形编码,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 12,3.差分脉冲编码调制原理 DPCM：Differential Pulse Code Modulation DPCM 是应用广泛的一种基本的预测编码 DPCM 是ADPCM (Adaptive DPCM) 的基础,量化,编 码,0,1,1,0,0,（1）d(n)越小，在相同的编码位数时信噪比越高。 （2）收发端必须有相同的减去量 。,2.2.2语音信号的波形编码,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 13,4.预测 利用前面的几个抽样值来预测当前的抽样值，则称为预测。 假如有一个信号x(t),用速率1/TS进行采样，那么在时刻t=nTs，我们可以掌握此前N个样值序列 x(nTs-Ts), x(nTs-2Ts),x(nTs-NTs)。根据前N个样值对x(nTs)进行预测,定义为:,Wi预测系数,-x(nTs)的预测值。,N预测阶数,2.2.2语音信号的波形编码,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 14,预测过程可用横截滤波器实现,预测器模拟框图,2.2.2语音信号的波形编码,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 15,5.预测器的结构 线性预测网络可分为极点预测器和零点预测器两种 (1).极点预测器（ 用重建信号 进行的预测） a:极点预测器的方框图,2.2.2语音信号的波形编码,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 16,b:预测器传递函数P(z) N阶预测器公式： 进行Z变换后得： 则预测器的传递函数为：,2.2.2语音信号的波形编码,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 17,2.2.2语音信号的波形编码,C:重建滤波器,重 建 滤 波 器,由于重建滤波器传递函数只有极点没有零点,故称为全极点预测器.,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 18,2.2.2语音信号的波形编码,(2).零点预测器（ 用 差值量化值 进行预测） a:零点预测器的方框图,d(n),数字通信 聊城大学理工学院李晓红 19,2.2.2语音信号的波形编码,b:预测器传递函数P(z) N阶预测器公式： 进行Z变换后得： 则预测器的传递函数为：,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 20,2.2.2语音信号的波形编码,c:重建滤波器,重建滤波器,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 21,2.2.2语音信号的波形编码,d(n),+,量化器,+,零点预测器,极点预测器,+,x(n),d(n),d(n),x(n),（3）极零点预测器（把零点和极点预测器组合起来） (a)零极点预测器的方框图,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 22,2.2.2语音信号的波形编码,b:重建滤波器方框图,零点预测器,极点预测器,d(n),x(n),重建滤波器,c:重建滤波器的传输函数,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 23,2.2.2语音信号的波形编码,6、DPCM系统的抗噪声性能分析 DPCM的总误差定义为 根据原理框图： 所以 DPCM系统总误差只和差值信号的量化误差有关。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 24,2.2.2语音信号的波形编码,DPCM系统信噪比 为预测器增益 Gp1 预测器有增益 Gp1 加预测后反而不利 量化器的量化信噪比,=,=,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 25,2.2.2语音信号的波形编码,要使信号总信噪比大,就要使预测增益大,也就是使差值d(n)减小，增加预测的准确性；同时还要求降低e(n)，达到最佳量化. 只有采用自适应系统，才能得到最佳性能。 有自适应系统的DPCM称为ADPCM(自适应差值脉码调制),数字通信 聊城大学理工学院李晓红 26,2.2.2语音信号的波形编码,1.ADPCM实质：在DPCM的基础上加上自适应量化和自适应预测。 2.ADPCM定义：能够实现自适应预测功能，或者自适应量化功能或者同时实现两种自适应功能的DPCM系统称为ADPCM系统。,固定预测 固定量化,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 27,2.2.2语音信号的波形编码,3.最佳预测 预测系数取何值时预测器是最佳预测器？ 预测值 越接近实际值 越好。 即差值 越小越好。 能够使 最小的预测器为最佳预测器。 a.一阶固定线性预测 求预测系数h1=1的一阶固定线性预测器的预测增益Gp,N=1,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 28,2.2.2语音信号的波形编码,同除以 得：,相关系数,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 29,2.2.2语音信号的波形编码,b.一阶最佳线性预测 求一阶线性预测器的最佳预测系数h1opt及预测增益Gpopt 令 得最佳预测系数：h1opt=p1,最佳线性预测器是预测误差最小的预测器， 可获得最大预测增益GP。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 30,2.2.2语音信号的波形编码,则一阶线性预测器的最佳预测增益为： c.二阶最佳线性预测,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 31,2.2.2语音信号的波形编码,除去 之外，二阶预测的误差总比一阶预测的小。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 32,作业题,1、已知一阶固定的DPCM系统，其预测系数h1=1，归一化系数p1定义为： 其中 为相关系数，求该系统的预测增益Gp。,2、上题中若取一阶预测系数h1=h1opt，试求Gpopt,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 33,2.2.2语音信号的波形编码,2.已知输入信号的功率 ，相关系数R(1),R(2)，求二阶固定极点预测器DPCM系统的最大预测增益Gpopt,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 34,2.2.2语音信号的波形编码,d:N阶最佳线性预测 求偏微分，并令为零,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 35,2.2.2语音信号的波形编码,所以得到一组线性方程,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 36,2.2.2语音信号的波形编码,差值信号在预测系数取最佳值时最小，最佳预测增益有：,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 37,2.2.2语音信号的波形编码,4、 自适应预测 预测系数在预测过程中实时调整，使预测器总是达到最佳。 前向自适应预测算法 根据相关特性R(i),求最佳预测系数的方法。 特点:运算量大，延迟时间大，不能用于高速系统。 后向序贯自适应预测算法 最佳预测系数是根据量化后的编码数据X(n)进行估值，可以快速修正系数。如果由一个样值至一个样值逐个修正则称为序贯后向自适应预测。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 38,2.2.2语音信号的波形编码,LMS算法（最小均方算法）,梯度系数，它决定了预测系数自适应速率,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 39,2.2.2语音信号的波形编码,梯度符号算法,极点预测器,零点预测器,衰减因子(抗误码因子),数字通信 聊城大学理工学院李晓红 40,2.2.2语音信号的波形编码,5. 自适应量化 1、最佳量化 分层电平为相邻量化电平的中点 量化电平是该量化间隔内经常出现的瞬时电平值 2、自适应量化 自适应量化指量化器的量化间隔（阶距）能随信号的瞬时值作自适应调整,以达到最佳量化。 为使量化器始终处于最佳状态或接近最佳状态，量化器参数（量化电平yk、分级判决电平xk、量阶）能够自适应差值信号d(n)变化。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 41,2.2.2语音信号的波形编码,3、实现方法 （1）前向自适应量化（AQF） 严格根据输入方差确定量化器分级判决电平xk与量化器的量化电平yk值，称为前向自适应。 这种方法在实时系统不易实现。 优点：量化误差小，信噪比大 缺点：量阶的信息要与话音信号一起送到收端 译码器，否则，收端无法知道该时刻的量阶值。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 42,2.2.2语音信号的波形编码,（2）后向自适应量化 根据前一时刻的输出数字码C(n-1)或量化器输出值y(n-1)来确定本次x(n)与y(n)，称为后向自适应。 优点：接收端不需要量阶的信息，因为量阶的信息可以从接收码中提取，码速率低，实现容易。 缺点：因为量化误差影响量化值得准确度，即信 噪比下降，但影响较小。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 43,2.2.2语音信号的波形编码,Jayant提出的后向自适应算法： 本次量化间隔=前一次量化间隔量化调整因子 M| I(n-1) |-量化间隔调整因子 上式算法在有传输误码情况下,会产生误码扩散问题,因此采用修正式: -抗误码因子,（n-1）时刻 幅度I的函数，与此时量化电平有关,下一量阶,现在量阶,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 44,2.2.2语音信号的波形编码,两边取对数得： 为量化器的定标因子。,分为快速定标因子（语音） 慢速定标因子（数据）,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 45,2.2.2语音信号的波形编码,动态锁定DLQ（双模式自适应量化器）,自适应速度控制参数,对语音信号：,对数据信号：,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 46,2.2.2语音信号的波形编码,6、32kbit/s的ADPCM编译码系统 ADPCM技术指标：满足G.712的语音质量要求；经4次音频转换后MOS应大于3.5分；在Pe小于1e-3下能稳定工作 ADPCM主要改进：量化器和预测器均采用自适应方式。抽样频率为8KHz，每一样值编4位码。 ADPCM编译码器原理框图 P99,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 47,47,自适应量化 自适应预测（6个零点和2个极点）,编码器,2.2.2语音信号的波形编码,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 48,48,译码器,2.2.2语音信号的波形编码,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 49,49,2.2.2语音信号的波形编码 子带编码（SBC）,一、什么是子带编码 子带编码（SBC，Sub-band Coding）是一种在频率域中进行数据压缩的方法。 在子带编码中，首先用一组带通滤波器将输入信号分成若干个在不同频段上的子带信号; 然后将这些子带信号经过频率搬移转变成基带信号，再对它们在奈奎斯特速率上分别重新取样。 每个子带取样后的信号经过单独的自适应PCM编码，并合并成一个总的码流传送给接收端。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 50,子带编码（SBC）,二.子带编码的原理框图,APCM,编码器,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 51,51,在接收端，首先把码流分成与原来的各子带信号相对应的子带码流，然后解码、将频谱搬移至原来的位置，最后经带通滤波、相加，得到重建的信号。,解码器,子带编码（SBC）,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 52,52,三、对每个子带分别编码的好处 （1）可以利用人耳（或人眼）对不同频率信号的感知灵敏度不同的特性，在人的听觉（或视觉）不敏感的频段采用较粗糙的量化，从而达到数据压缩的目的。 例如：音调和共振峰，用较小的量化阶、较多的量化级数，即分配较多的比特数来表示样本值。 而话音中的摩擦音和类似噪声的声音，通常出现在高频子带中，用较大量化阶距，分配较少的比特数。,子带编码（SBC）,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 53,53,（2）每个子带使用独立的量化阶距，这就可以避免能量较小的频带内的信号被其他频带中的量化噪声所掩盖。 （3）通过频带分裂，各个子带的取样频率可以成倍下降。,16kbps SBC,26.5kbps ADPCM,9.6kbps SBC,19kbps ADM,Mp3编码器,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 54,四.分类 按照子带划分的不同，可分为： 等带宽子带编码 变带宽子带编码,各子带的带宽相同,各子带的带宽不相同,子带编码（SBC）,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 55,(1).等带宽子带编码 子带划分 式中k1，2，3，m， m是子带总数， B是编码信号总的带宽。 (2).变带宽编码 常用的子带划分是令各子带宽度随k的增加而增加,子带编码（SBC）,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 56,五.传输速率 假设每个子带波形抽样频率为fsk,每个抽样值用Rk比特编码，则总的传输速率等于每个子带的编码比特率的总和。 对于等带宽子带编码有：,子带编码（SBC）,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 57,如果R表示平均每个子带的比特数，即 全带编码传输速率的表达式 这是全带编码时的传输速率表示式，R为对全带采样编码时的平均比特数。,子带编码（SBC）,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 58,58,子带编码存在的问题是编解码的延时比较长，约在几十100ms之间，这主要是滤波器组的延时造成的，这种延时对于一些通信系统是不能接受的，因此子带编码主要用于声频存储、数字声广播以及一些允许延时较长的电话传输系统中。,子带编码（SBC）,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 59,例题,1.一个4子带的SBC系统，子带分别为0800,8001600,16002400,24003200,如果忽略同步码的边带信息，子带的比特分配分别为3，2，1，0 比特/样值,求总的传输速率和全带采样时的平均比特数。 2.一个4子带的SBC系统，子带的分割如下：225450,450900,16002400,24003200,如果忽略同步码的边带信息，子带的比特分配分别为4，3，2，1 比特/样值,求总的传输速率和全带采样时的平均比特数。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 60,2.2.3参数编码,1.原理：参数编码是分析并提取语音信号模型中必要的、关键的但不是全部的特征参数，将上述参数信息通过采样、量化、编码，然后合成发送出去；在接收端通过接收到的参数取值的编码，还原出信源信息。 2.语声信号分析 语声形成的大致过程是：从肺部压出的空气由气管到达声门，气流流经声门时形成声音，然后再经咽腔，由口腔或鼻腔送出。其中咽腔、口腔、鼻腔等构成声道，当腔体呈不同形状，舌、齿、唇等处于不同位置时，相当于形成一个具有不同零极点分布的滤波器，气流通过该滤波器后产生相应的频响输出，从而发出不同的音素。,数字通信 聊城大学理工学院李晓红 www.tx.lct