数字通信原理2013-第3章 语音压缩编码.pdf

第第1 1章章 绪论绪论 第第2 2章章 语音信号编码语音信号编码 脉冲编码调制脉冲编码调制PCMPCM 第第3 3章章 语声信号压缩编码语声信号压缩编码 第第4 4章章 时分多路复用及时分多路复用及PCM30 32PCM30 32路系统路系统 第第5 5章章 数字信号复接数字信号复接 PDHPDH和和SDHSDH 第第6 6章章 数字信号传输数字信号传输 第第7 7章章 差错控制理论差错控制理论 课程内容 第第3章章语音信号压缩编码语音信号压缩编码 3 1语音压缩编码的语音压缩编码的基基本概念本概念 3 2 DPCMDPCM和和ADPCMADPCM 3 3 SBCSBC子带编码子带编码 3 4 参量编码参量编码 3 1 语音信号压缩编码的基本概念语音信号压缩编码的基本概念 极低速率语音编码极低速率语音编码 比特率低于比特率低于2400bps的编码的编码 保密通信 语音邮件 网络通信 保密通信 语音邮件 网络通信 IP电话电话 变速率语音编码变速率语音编码 在合成语音质量和系统容量中灵活折中在合成语音质量和系统容量中灵活折中 CDMA通信系统中 且前景广阔通信系统中 且前景广阔 不压缩语音编码不压缩语音编码 压缩费用超过传输费用压缩费用超过传输费用 光纤通信 微波通信光纤通信 微波通信 压缩的意义压缩的意义 为什么需要压缩编码技术为什么需要压缩编码技术 PCM编码占用带宽大编码占用带宽大 8000Hz采样速率 每样本采样速率 每样本8位码位码 数码率 数码率 64kbps 有线传输中可以找到大容量传输介质 光纤有线传输中可以找到大容量传输介质 光纤 无线接入侧的频谱资源相当紧张无线接入侧的频谱资源相当紧张 理论基础理论基础 定义 定义 低于低于64kbps的编码方案称为语音压缩编码的编码方案称为语音压缩编码 压缩依据压缩依据 语音信号中存在的冗余语音信号中存在的冗余 人类的听觉感知机理人类的听觉感知机理 信号冗余信号冗余 采样数据之间的相关采样数据之间的相关 8kHz速率时 相邻样值相关系数高达速率时 相邻样值相关系数高达0 85 周期相关 周期相关 浊音的准周期性浊音的准周期性 幅度的非均匀分布幅度的非均匀分布 小幅度概率高 信息集中在低功率小幅度概率高 信息集中在低功率 语音间隙的存在语音间隙的存在 声道的形状及其变化速率有限声道的形状及其变化速率有限 听觉感知机理听觉感知机理 人耳对不同频段的声音敏感度不同人耳对不同频段的声音敏感度不同 低频比高频更敏感低频比高频更敏感 人耳对语音信号的相位不敏感人耳对语音信号的相位不敏感 人耳有掩蔽效应人耳有掩蔽效应 masking effect 强音抑制弱音强音抑制弱音 语音编码的极限速率语音编码的极限速率 语音最基本元素语音最基本元素 音素音素 大约大约128 256个个 通常说话速度 每秒平均发通常说话速度 每秒平均发10个音素个音素 信息率 信息率 I log2 256 10 bps 80bps 把发音看成是以语音速率传送 则语音编码的极限把发音看成是以语音速率传送 则语音编码的极限 速率为速率为80bps80bps 从数字化标准的编码速率从数字化标准的编码速率64kbps64kbps 到极限速率 到极限速率 80bps80bps之间的距离 压缩比可达之间的距离 压缩比可达64kbps 80bps 80064kbps 80bps 800 对于理论研究和实践有着极大的吸引力对于理论研究和实践有着极大的吸引力 压缩编码方法分类压缩编码方法分类 波形编码波形编码 原理简单 失真小原理简单 失真小 数码率高数码率高 参数编码参数编码 数码率低数码率低 音质较差 复杂度高音质较差 复杂度高 混合编码混合编码 较低的比特率上获得较高的语音质量较低的比特率上获得较高的语音质量 语音信号压缩编码的评价系统语音信号压缩编码的评价系统 语音质量语音质量 1 广播级 广播级 宽带宽带 0 7000Hz 高质量的语音 感觉不出噪声存高质量的语音 感觉不出噪声存 在在 2 网络或电话级 网络或电话级 200Hz 3200Hz 信噪比大于信噪比大于30db 3 通信级 通信级 完全可以听懂 但和长途电话相比 有明显失真 完全可以听懂 但和长途电话相比 有明显失真 4 合成级 合成级 80 90 可懂度 音质较差 听起来像机器讲可懂度 音质较差 听起来像机器讲 话 失去了讲话者的个人特征 话 失去了讲话者的个人特征 语音信号压缩编码的评价指标语音信号压缩编码的评价指标 编码质量编码质量 MOS Mean Opinion Score 编码速率编码速率 适当选取适当选取 编解码复杂度编解码复杂度 不影响实时处理不影响实时处理 编解码时延编解码时延 不能超过不能超过100ms 若超过必须采取回声抵消或回声抑制等措施若超过必须采取回声抵消或回声抑制等措施 ITU T的正式标准的正式标准 G 711 1972 64kbps PCM 用于固网用于固网 G 721 1984 32kbps ADPCM 用于卫星 海缆用于卫星 海缆 G 728 1992 16kbps LD CELP 低延迟低延迟 码激励线性预测码激励线性预测 无绳电话 无绳电话 SCSC卫星 海事卫星 卫星 海事卫星 DSI设备 录音 移动系统等设备 录音 移动系统等 G 729 1996 8kbps CS ACELP 共轭结构共轭结构 代数数码激励线性预测技术代数数码激励线性预测技术 可与可与32kbps的的ADPCM同质量同质量 用于个人移动通信 低用于个人移动通信 低C N卫星 高质量移动无线通信 分组语音卫星 高质量移动无线通信 分组语音 G 722 2 AMR ACELP 自适应多速率自适应多速率 用于用于WCDMA和和TD SCDMA系统系统 现状现状 主流 主流 CELP 码激励线性预测 码激励线性预测 4 8kbps的数码率上获得较高质量的语音的数码率上获得较高质量的语音 发展方向发展方向 中低速率的语音编码的实用化中低速率的语音编码的实用化 降低复杂度降低复杂度 减少时延减少时延 提高抗干扰 抗噪声能力提高抗干扰 抗噪声能力 进一步降低编码速率进一步降低编码速率 目前目前5 6kbps的速率的速率 较高质量重建语音较高质量重建语音 目标目标4kbps得到短时延 高质语音得到短时延 高质语音 发展方向发展方向 中长延时编码中长延时编码 400 1200bps得到高质语音得到高质语音 新算法新算法 正弦变换编码 正弦变换编码 STC 混合激励线性预测编码 混合激励线性预测编码 MELPC 时频域插值编码 时频域插值编码 TFI 基音同步激励线性预测编码 基音同步激励线性预测编码 PSELP 新分析技术新分析技术 非线性预测非线性预测 多精度时频分析多精度时频分析 高阶统计分析高阶统计分析 3 2 DPCM编码编码 差分差分PCM编码编码 对相邻样本的差进行对相邻样本的差进行PCM编码编码 由于样本差值的动态范围远小于样本动态范围 由于样本差值的动态范围远小于样本动态范围 因此达到相似性能可以减小编码位数因此达到相似性能可以减小编码位数 技术实现关键问题技术实现关键问题 编码位数的选取编码位数的选取 预测器系数选取 预测器系数选取 LMS 预测器 减法器 加法器 nxny 预测器 减法器 加法器 可以证明 DPCM的实质 对d n 进行量化编码 nxnd 使量化级数N 编码后编码位数l l N2 而 没变 量化误差没变 2 max e V N 2 量化噪声没变 压缩编码后的通信质量没变 ADPCM 自适应自适应DPCM 自适应预测系数调整自适应预测系数调整 自适应编码位数调整自适应编码位数调整 技术实现关键技术实现关键 自适应预测器 指预测器的预测系数能随话音瞬自适应预测器 指预测器的预测系数能随话音瞬 时变化作自适应调整 从而得到高预测增益时变化作自适应调整 从而得到高预测增益 自适应量化器 指量化器的量化级 阶距 能随自适应量化器 指量化器的量化级 阶距 能随 话音瞬时变化作自适应调整 从而得到高的量化话音瞬时变化作自适应调整 从而得到高的量化 信噪比 信噪比 3 1 子带编码 Subband Code SBC 子带编码 SBC 是首先用带通滤波器将语音信 号分割成几个不同的频带分量 子带 再分别对每 个子带进行抽样和编码 编码后的码流通过复接器 复接 送到信道上传输 接收端再将它们分接 译 码 并组合起来重建原始的输入信号 下图就是子 带编码的原理方框图 在语音信号的子带划分上 应考虑到各频段对主观听在语音信号的子带划分上 应考虑到各频段对主观听 觉贡献相等的原则做合理的分配 使低频段的子带宽度较觉贡献相等的原则做合理的分配 使低频段的子带宽度较 窄 高频段的子带宽度较宽 通常语音信号经带通滤波器窄 高频段的子带宽度较宽 通常语音信号经带通滤波器 组滤波后分成组滤波后分成4 6个子带 子带之间允许有小的间隙 如个子带 子带之间允许有小的间隙 如 图所示 图所示 子带编码原理 在子带编码器的设计中 必须考虑子带数目 子带划分 编码的参数 子带中的比特分配以及带宽等主要参数 设一个子带编码系统包括m个子带 各子带带宽为 Bk k 1 m 每个子带信号经过频率为fsk 2Bk的抽样后 使用Rk个比特来进行量化和编码 那么该系统总的编码速 率I应为式 3 3 mBBf kk 22 s m k kskR fI 1 各子带带宽相等 即等带宽子带编码 有式 3 4 式 3 3 可化简为式 3 5 m k k R m B I 1 2 例 一个4子带的SBC系统 子带分别为 0 800Hz 800Hz 1600Hz 1600Hz 2400Hz 2400Hz 3200Hz 如果忽略同步的 边带信息 子带的比特分配分别为3 2 1 0比特 样值 则 SBC编码系统总的传输速率为 m k k R m B I 1 2 设B 3200Hz m 4 R1 3 R2 2 R3 1 R4 0 代入上式 kbit s6 90123 4 32002 I 全带抽样编码的平均比特数为 m k k R m R 1 bit5 10123 4 11 语音信号产生模型语音信号产生模型 清清 浊开关浊开关 声道模拟声道模拟 滤波器滤波器 基音周期基音周期 脉冲序列脉冲序列 发生器发生器 随机噪声随机噪声 发生器发生器 LPCLPC系数系数 增益增益G u n u n 输出输出 语音语音s n s n 050100150200 清音语音 浊音语音 振 幅 时间 样点 清音清音 浊音示意图浊音示意图 a a1 1 语音语音 输出输出 x x n n 线性线性 预测预测 分析分析 基音提取基音提取 清清 浊音判别浊音判别 参数参数 合成合成 a a2 2 a ap p 基音频率基音频率 输入输入 语音语音 x n x n 清清 浊音标志浊音标志 G G 1 knxanuGnx q k k 模型中的参数模型中的参数 清浊音判决清浊音判决 基音周期基音周期 时变滤波器时变滤波器 增益常数增益常数G 数字滤波器参数数字滤波器参数ai 特点 随时间缓慢变化特点 随时间缓慢变化 优点优点 能够用线性预测分析方法对滤波器参数能够用线性预测分析方法对滤波器参数ai和和 增益常数增益常数G进行非常直接和高效的计算 进行非常直接和高效的计算 数字移动通信语音编码技术简介数字移动通信语音编码技术简介 PCM编码特点编码特点 带宽约为64kHz 适合有线PDH SDH传输 不适合移动通信 移动通信特点移动通信特点 频率资源紧张 需要开发低速率的 编码技术 移动通信系统中采用的编码 移动通信系统中采用的编码 1 规则脉冲线性预测编码 REP LPC GSM典型 的编码方案 标准速率为13Kb s 2 码激励线性预测 CELP 采用混合编码技术 在速率为4 16Kb s速率下可以得到更高质量的语 音质量 目前广泛使用 IP电话语音编码技术简介电话语音编码技术简介 IP电话 电话 泛指以泛指以IP为网络协议的计算机网路中进行为网络协议的计算机网路中进行 语音通信的系统 采用的技术统称语音通信的系统 采用的技术统称VOIP 低码速率语音编码 低码速率语音编码 ITU