数字电子电路第三章

第三章语音信号的压缩编码 2 3 适应差值脉冲编码调制 ADPCM 差值脉冲编码调制 DPCM 子带编码 SBC 参量编码 GSM及IP电话系统语声编码技术的应用及标准 第三章课堂作业 1 回答什么是DPCM 2 什么叫做预测编码 分析零点预测和极点预测机制 画出编解码框图和对应的预测器 3 画出DPCM系统框图 4 DPCM系统是否优于PCM系统 从DPCM系统SNR上进行分析 并说明什么是Gp和SNRq 5 什么叫做最佳预测 最佳预测如何反映 6 什么叫做最佳量化 最佳量化如何反映 第一节差值脉冲编码调制 DPCM DPCM原理及实现DPCM就是考虑利用语声信号的相关性找出可反映信号变化特征的一个差值量进行编码的 差值编码一般是以预测的方式来实现的 定义 对差值序列进行量化编码的方法基本原理 预测实现 当由冗余性信号的一部分就可以对区域部分进行推断和估计 预测编码 语音信号的相邻杨值点间存在幅度相关性 根据前些时刻的样值来预测现时刻的样值 只要传输样值与预测值之差 不需要对每个样值都传输 接收端把差值叠加在预测序列上 就可恢复原始序列 图2 42实现预测的横截滤波器 图2 43是DPCM实现的原理框图 如前面所述 DPCM方式的发送端就是将现有样值与预测值之差进行量化编码的方式来实现的 而在接收端为了恢复原信号也必须进行与发送端相同的预测 由输入信号预测的DPCM系统预测值根据输入的信号预测得出 由解码信号预测的DPCM系统 由解码信号预测的DPCM系统解码器将历史编码还原成样值输入给预测器 进行现值预测 一 自适应差值脉冲编码调制 ADPCM自适应量化的基本思想是 让量化间隔 t 的变化 与输入信号方差相匹配 即量化器阶距随输入信号的方差而变化 它正比于量化器输入信号的方差 第二节自适应差值脉冲编码调制 ADPCM 自适应差分脉码调制ADPCM 原理自适应量化比非自适应量化的S N改善4 7dB 自适应预测使差分PCM的S N改善达6 10dB 将以上两种技术结合在一起 可进一步压缩数码率 作用S N进一步提高 在较低编码位数情况下取得满意通信质量 自适应量化 基本原理对输入信号的瞬时功率加以监测 并随时改变量化器量化级差大小 使之 匹配 信号的变化 分类前向自适应后向自适应 图2 44前馈自适应量化ADPCM 前向自适应 图2 45反馈自适应量化ADPCM 后向自适应 自适应预测 图2 46固定和自适应DPCM系统性能 二 32kbit sADPCM系统1984年ITU T公布了G 72132kbit sADPCM标准 并于1986年做了进一步的修改 图2 47G 72132kbit sADPCM工作原理框图 三 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建议G 721 1988 全双工 单信道工作 选择引脚 律或A律编码 同步或异步工作 容易与摩托罗拉的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的消耗 简单时隙分配定时用于代码转换器 单5V电源 2 MC145532引脚符号与功能 3 应用电路 图2 48MC145532 引脚排列图 图2 49MC145532ADPCM应用电路 2 MC145540ADPCM编 解码器 1 技术特点 单电源工作 2 7 5 25V 3V时典型功耗为60mW 省电时为15 W 最小噪音的差分模拟电路设计 完全 律或A律压扩PCM编解码器滤波器 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 用于与话筒接口的低噪声 高增益 三端输入运算放大器 2 MC145540引脚符号与功能 3 应用电路 图2 50MC145540引脚排列图 图2 51MC14550手持机应用电路 第三节子带编码 SBC 一 子带编码的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同的频带分量 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的优点 子带编码实现的原理框图如图2 52所示 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 这样就可使抽样速率降低到各子带频宽的两倍 图2 52子带编码原理方框图 二 子带编码的比特分配及编码速率在子带编码中 各子带的带宽 Bk可以是相同的 也可以是不同的 前者称为等带宽子带编码 后者称为变带宽子带编码 等带宽子带编码的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 Bk等于 Bk B B m式中 k 1 2 3 m m是子带总数 B是编码信号总的带宽 三 子带的划分 语声信号各子带的带宽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 四 16 24 32kbit s电话语声子带编码该标准采用三种编码速率 即48 56及64kbit s 输入语声信号带宽为50 7000Hz 分成两个等宽的子带 第四节参量编码 参量编码的原理和设计思想与波形编码完全不同 波形编码的基本思路是忠实地再现话音的时域波形 为了降低比特率 可充分利用抽样点之间的信息冗余性对差分信号进行编码 在不影响话音质量的前提下 比特率可以降至32kbit s 一 语声形成机理及语声信号分析 语声形成的大致过程可如图2 54所示 从语声信号分析可知 音素分为两类 伴有声带振动的音称为浊音 声带不振动的音称为清音 图2 54语声形成过程 1 浊音与基音 浊音又称有声音 语声发声时声带在气流的作用下激励起准周期的声波 如图2 55所示 由图可见浊音声波具有明显的准周期特性 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 图2 55波音声波波形图 图2 56浊音频谱示意 2 清音 清音又称无声音 图2 57清音波形图 清音没有周期特性 典型的清音波形频谱如图2 58所示 从清音的频谱分析可知 清音中不含具有周期或准周期特性的基音及其谐波成分 图2 58清音频谱示意 3 语声信号产生模型 图2 59语声信号产生模型 二 线性预测编码 LPC 的基本概念在发送端 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 并作相应的清 浊音判决和基音提取 最后把这些参量进行量化 编码并送入信道传送 图2 60线性预测LPC编译码方框图 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用作语声信号的合成产生 ai 用作形成合成滤波器的参数 最后将合成产生的数字化语声信号再经D A变换即还原为接收端合成产生的语声信号 图2 61所示是简化的LPC原理框图 图2 61简化LPC原理框图 三 线性预测合成分析编码1 结构原理 激励生成器产生的激励信号经线性预测器后得到重构的话音信号 i 线性预测器模拟声道特性 加强了激励信号的某些频率域 减弱了另一些频率域 体现了语声信号的短时相关性 激励信号则体现了语声信号的长时相关性 输入线性预测器的激励信号是量化后的增益和基音信号 图2 62LPAS声码器原理结构 2 激励信号生成及表示 激励信号的产生有如下几种 1 多脉冲激励 MPE 2 规则脉冲激励 RPE 3 码本激励 激励信号最终要量化后以二进制的形式发送出去 量化有两种类型 一种是标量量化 也就是对每个参数独立地进行量化 然后通过组合确定参数集 另一种是矢量量化 也就是将所有参数组合起来作为一个整体进行量化 在数学上就用矢量来表示参数的组合 第五节GSM及IP电话系统语声编码技术的应用及标准 一 G 728声码器 G 728是16kbit s的LPAS声码器 采用低时延码本激励线性预测 LD CELP 方式 1 G 728编码器 G 728的LD CELP编码器的简化结构如图2 63所示 图2 63G 728编码器结构 2 G 728解码器 图2 64G 728解码器结构 二 G 729声码器 1 G 729声码器性能特点 G 729是8kbit s的LPAS声码器 线性预测采用前馈型前向自适应技术 2 G 729编码器 G 729编码器如图2 65所示 模拟话音