大工11秋《数字通信原理》辅导资料三.doc

大连理工大学网络教育学院数字通信原理辅导资料三主 题： 第二章 语声信号数字化编码（第1-2节）学习时间： 2011年10月17日10月23日内 容：第二章 概述 这周我们将学习第二章中的第1-2节，希望通过下面的内容能使同学们对语音信号数字化编码和脉冲编码调制（PCM）有一定的了解。第一节、 语声信号数字化编码的基本概念随着语音通信技术的发展，压缩语音信号的传输带宽，降低信道的传输速率，一直是人们追求的目标。语音编码在实现这一目标的过程中担当重要的角色。语声信号编码模拟话音信号的数字化。（属于信源编码）语声信号编码的分类：1、波形编码基本原理是在时间轴上对模拟话音信号按照一定的速率来抽样，然后将幅度样本分层量化，并使用代码来表示。在接收端将收到的数字序列经过解码恢复到原模拟信号，保持原始语音的波形形状。话音质量高，编码速率高。如PCM编码类（a率或u率PCM、ADPCM 、ADM)，编码速率为6416kb/s，语音质量好。2、参数编码根据语音信号产生的数学模型，通过对语音信号特征参数的提取后进行编码（将特征参数变换成数字代码进行传输）。在接收端将特征参数，结合数学模型，恢复语音，力图使重建语音保持尽可能高的可懂度，重建语音信号的波形同原始语音信号的波形可能会有相当大的区别。如线性预测（LPC）编码类。编码速率低，2.4-1.2kb/s，自然度低，对环境噪声敏感。3、混合编码(Hybrid coding)将波形编码与参数编码相结合，在2.4-1.2kb/s速率上能够得到高质量的合成语音。混合编码包括若干语音特征参量又包括部分波形编码信息，以达到波形编码的高质量和参量编码的低速率的优点。第二节、 脉冲编码调制（PCM）一、脉冲编码调制简介脉冲编码调制 (Pulse Code Modulation)是一种对模拟信号数字化的取样技术，将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。PCM 对信号每秒钟取样 8000 次；每次取样为 8 个位，总共 64 kbps。取样等级的编码有二种标准。北美洲及日本使用 Mu-Law 标准，而其它大多数国家使用 A-Law 标准。 脉冲编码调制主要经过3个过程：抽样、量化和编码。抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号，量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。 所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的所谓编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。二、抽样抽样：就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。抽样速率采用8Kbit/s。1、抽样定理：在一个频带限制在（0，f h）内的时间连续信号f（t），如果以1/2 f h的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号f（t）的频谱中最高频率不超过f h，当抽样频率f S2 f h时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。2、抽样过程抽样电路： fS(t):抽样输出序列，f(t):输入模拟信号，S(t):抽样脉冲说明：开关K周期性地在f(t)和接地点之间来回开闭，则输出为fS(t) 理想时，应该无限小，直至一个点。 3、低通型抽样定理：（1）低通信号和带通信号：设： fL:信号的低频分量，fH：信号的高频分量，则有 B= fH- fL若BfL 则为低通信号，BfL 则为带通信号。（2）低通型抽样定理：fs 2 fm ；fs：抽样频率 fm：原始信号的频谱范围 4、带通型抽样定理：抽样时，fs应满足： 式中，n取fL/B的整数部分，B= fH- fL ，通常 一般，任何带通信号都可以通过混频将其频谱转换为低通型的基带信号，以充分利用低频段而不至于浪费。 三、量化所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。1、 量化分类按照量化级的划分方式分，有均匀量化和非均匀量化。 均匀量化：ADC输入动态范围被均匀地划分为2n份。 非均匀量化：ADC输入动态范围的划分不均匀，一般用类似指数的曲线进行量化。 非均匀量化是针对均匀量化提出的，因为一般的语音信号中，绝大部分是小幅度的信号，且人耳听觉遵循指数规律。为了保证关心的信号能够被更精确的还原，我们应该将更多的bit用于表示小信号。 常见的非均匀量化有A律和率等，它们的区别在于量化曲线不同。A律13折线压缩特性实现方法：目前较多的是用数字电路的方式实现，如下图所示： 分段后，各段斜率计算： 13折线段与计算值的比较见下表：本节内容比较多，在此只做些简单的补充介绍，请同学们仔细的学习课件，本章属于比较重要的一章。习题：1、 均匀量化的缺点是什么?如何解决?答：均匀量化的缺点是：在N (或l)大小适当时，均匀量化小信号的量化信噪比太小，不满足要求，而大信号的量化信噪比较大，远远满足要求(数字通信系统中要求量化信噪比26dB)。为了解决这个问题，若仍采用均匀量化，需增大N (或l)，但l过大时，一是使编码复杂，二是使信道利用率