第六章-语音编码技术课件

1、移动通信原理与应用黑龙江大学电子工程学院杨杰2022/7/251目 录第一章 概 述第二章 蜂窝移动通信系统第三章 无线移动通信信道第四章 移动通信的调制技术第五章 抗衰落技术第六章 语音编码技术第七章 移动通信中的多址接入技术第八章 移动通信网第九章 GSM通信系统第十章 IS-95 CDMA移动通信及其标准介绍第十一章 第三代移动通信及其标准介绍2第六章 语音编码技术6.1 概 述 6.1.1 语音编码技术 6.1.2 语音评价6.2 语音波形编码 6.2.1 语音波形编码概述 6.2.2 脉冲编码调制6.3参量编码 6.3.1 参量编码的基本原理 6.3.2 线性预测6.4 激励线性预测

2、和矢量编码 6.4.1 激励源和混合编码 6.4.2 规则脉冲激励长期预测编码 6.4.3 矢量量化编码 6.4.4 码激励线性预测编码 6.4.5 矢量和激励线性预测编码36.1 概 述6.1.1 语音编码技术移动通信对语音编码的要求是：(1) 编码的速率要适合在移动信道内传输，纯编码速率应低于16kbit/s。(2) 在一定编码速率下语音质量应尽可能高，即解码后的复原语音的保真度要高，主观评分MOS（Mean Opinion Score）应不低于3.5分（按长途语音质量要求）。(3) 编解码时延要短，总时延不得超过65ms。(4) 要能适应衰落信道的传输，即抗误码性能要好，以保持较好的语音

3、质量。(5) 算法的复杂程度要适中，应易于大规模电路集成。4语音编码：移动通信数字化的基础 第1/2代蜂窝系统的根本区别语音编码的意义：提高通话质量(数字化+信道编码纠错)提高频谱利用率(低码率编码)提高系统容量 (低码率、语音激活技术)移动通信对语音编码的要求：编码速率低，语音质量好有较强的抗噪声干扰和抗误码的性能编译码延时小、总延时在65ms以内编译码器复杂度低，便于大规模集成化功耗小，便于应用于手持机56.1.2 语音评价客观评定方法用客观测量的手段来评价语音编码的质量，常用的方法有信噪比、加权信噪比、平均分段信噪比等。主观评定方法是主观评定等级（Subjective Opinion S

4、cale），或称平均评定得分（MOS）。MOS得分采用五级评分标准，其方法是由数十名试听者在相同信道环境中试听并给予评分，然后对评分进行统计处理，求出平均得分。 质量等级 分数 收听注意力等级 优 5可完全放松，不需要注意力 良 4需要注意，但不需要明显集中注意力 满意(正常) 3中等程度的注意力 差 2需要集中注意力 劣 1即使努力去听，也很难听懂表6.1 主观评定等级6语音编码技术分类7语音编码技术分类波形编码：将时域模拟话音的波形信号经过采样、量化和编码形成数字语音信号 编码速率较高：16k64k包括：PCM、ADPCM、M、CVSDM、APC等占用较高带宽，适合有线参量编码：基于人类语

5、音的产生机理建立数学模型，根据输入语音得出模型参数并传输，在收端恢复。编码速率较低：1.2k4.8kbps包括各种线性预测编码（LPC）方法和余弦声码器等语音质量中等，不满足商用要求混合编码：波形编码+参量编码（LPAS）包括GSM的RPE-LPC编码和VSELP编码8用于移动通信的语音编码9语音编码标准G.711 PCM(64kbps)G.721 ADPCM(32kbps)G.722 7kHz带宽64kbps速率内的音频编码G.723 6.3k/5.6k双速率多媒体语音编码G.728 16kbps语音编码LD-CELPG.729 8kbps多媒体语音编码10语音编码的发展极低速率语音编码，6

6、00bps高保真语音编码自适应多速率语音编码新的编码分析技术：非线性预测多精度时频分析技术（子波分析技术）高阶统计分析技术 116.2 语音波形编码人的语音频带范围为3003400Hz（一般为03400Hz）。波形编码是直接在时间域上将模拟的语音信号变换为数字信号。图6.2示出了语音波形数字编码的原理框图。图6.2 语音波形编码原理图波形编码包括两个基本过程：抽样和量化，而这两个过程也是所有语音编码的基础。6.2.1 语音波形编码概述126.2.2 脉冲编码调制脉冲编码调制（PCM：Pulse Coded Modulati-on）定义:直接将样值编码为信号的方法.图6.3 PCM的组成 在有线

7、数字通信中，常用64kbit/s PCM码传输数字语音信号。对于无线传输来说，由于受频带的限制，必须采用低速率、高质量的编码技术方法，所以，在数字峰窝网中的有线无线接口处，要进行64kbit/s PCM码与其他编码体制的转换。13 模数转换要经过抽样、量化和编码三个步骤。 脉冲编码调制PCM基本原理14 模拟信源预滤波器抽样器波形编码器量化、编码x(t)x(n)模拟信源重建滤波器抽样保持，低通波形解码器数字信道脉冲编码调制(PCM)简称脉码调制。包括三个过程：抽样、量化、编码。抽样是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号；量化是把离散时间连续幅度的抽样信号转换成离散时间离散幅度的数

8、字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。3.23.92.83.41.24.22022/7/2515模拟话音采样时钟PAM 信号PCM 信号采样电路量化和编码 数字化声音 话音信道带宽 2倍话音最大频率) 量化级数：256级 (8位二进制码表示) 数据率：8000次/s*8bit = 64Kb/s 每路PCM信号的速率 = 64000bps例：语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：采样、量化、编码。编码后的信号称为PCM（Pulse Coded Modulation）信号（脉码调制信号）16PCM转换过程举例 原始信号 PAM脉冲 PCM

9、脉冲 （有量化误差）011100011011001100 PCM 输出3.23.92.83.41.24.234331401110001101100110017 PCM编码原理 常见的PCM二进制码组有三种： 自然二进制码组NBC；-十进制正整数的二进制表示。 折叠二进制码组FBC；-左边第一位表示正负号，“1”表示正。 格雷二进制码组RBC；特点：任何相邻电平的码组只有一位发生变化。 2022/7/2518量化值序号自然二进制码折叠二进制码格雷码151413121110981111111011011100101110101001100011111110110111001011101010011

10、0001000100110111010111011111101110076543210011101100101010000110010000100000000000100100011010001010110011101000101011101100010001100010000三种码组 对于NBC：码组第一位出错，幅度误差为最大幅度的1/2倍； 对于FBC：码组第一位出错，小信号的失真误差要小得多； 对于RBC：码组中一位出错，误差幅度只相差一个量化间隔。2022/7/25196.3 参 量 编 码6.3.1 参量编码的基本原理图6.4 语音产生模型在图6.4所示的模型中，包括了三个部分：激励

11、源、声道模型和辐射模型，正好模拟了人的发声器官中喉、声道和嘴。1. 语音信号的产生模型206.3.1 参量编码的基本原理声道模型V（Z）是离散时域的声道传输函数，它在大多数情况下是一个全极点函数辐射模型R（Z）与嘴形有关，可以表示成一个固定的模型函数2. 特征参量的提取常用的短时处理技术包括加窗技术、基音周期估计等。216.3.2 线性预测2. 线性预测编码线性预测技术用于语音编码就构成线性预测编码（LPC：Linear Prediction Coding）。图6.5是LPC的原理框图。图6.5 LPC声码器22线性预测编码的基本原理原理:模型化人类语音信号产生的机制,提取模型参数,并且只传输

12、模型的参数.语音信号的产生模型:语音的产生,声带和声道不同语音产生的原因:声音激励源和声道不同声音分类:浊音和清音发声过程口腔和鼻腔形成时变滤波器234.2.2 浊音和清音24语音产生模型语音模型的建立：1、产生激励，2、响应模型参数：基音，共振峰频率及强度，清浊音判决低码率编码 码率降低有限 合成的语音波形失去了自然度和音质25不同激励语音合成模型长时延相关滤波器：产生浊音的音调结构，即频谱的精细结构，而短时延相关滤波器则用来恢复语音的短时频包络。在发端引入合成装置，合成/分析法264.2.5 自适应多速率语音编码（AMR）为什么研究AMR编码?WCDMA将支持多媒体业务,并支持电路交换、分组交换方式移动信道的变化，系统不能工作在最佳的信源和信道编码速率。如GSM