第2章 数字终端编码技术-语声信号数字化

第2章

数字终端编码技术——语声信号数字化语声信号编码的基本概念2.1脉冲编码调制（PCM）2.2

自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）2.3子带编码（SBC）2.4

本章首先简单介绍语声信号编码的基本概念，接着详细分析PCM，然后讨论ADPCM的主要问题，最后简单介绍一下子带编码。2.1语声信号编码的基本概念2.1.1语声信号编码的概念

所谓语声信号的编码指的就是模拟话音信号的数字化，即信源编码。

2.1.2语声信号编码的分类

根据语声信号的特点及编码的实现方法，语声信号的编码可分为三大类型。1．波形编码

波形编码是根据语声信号波形的特点，将其转换为数字信号。

常见的波形编码有脉冲编码调制（PCM）、差值脉冲编码调制（DPCM）、自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）、增量调制（DM）等。2．参量编码

参量编码是提取语声信号的一些特征参量，对其进行编码。3．混合编码

混合编码是介于波形编码和参量编码之间的一种编码，即在参量编码的基础上，引入一定的波形编码的特征。

子带编码属于混合编码。

2.2脉冲编码调制（PCM）2.2.1PCM通信系统的构成1．脉冲编码调制（PCM）的概念

脉冲编码调制（PCM）是模／数变换（A／D变换）的一种方法，它是对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以将模拟信号转化为数字信号。2．PCM通信系统的构成

图2-1PCM通信系统的构成方框图(基带传输)

它由三个部分构成：（1）模／数变换抽样——是把模拟信号在时间上离散化，变为脉冲幅度调制（PAM）信号。量化——是把PAM信号在幅度上离散化，变为量化值（共有

个量化值）。编码——是用二进码来表示

个量化值，每个量化值编

位码，则有

。（2）信道部分

信道部分包括传输线路及再生中继器。（3）数／模变换

解码——是编码的反过程，解码后还原为PAM信号（假设忽略量化误差——量化值与PAM信号样值之差）。低通——收端低通的作用是恢复或重建原模拟信号。2.2.2抽样1．抽样的概念及分类（1）抽样的概念

抽样就是每隔一定的时间间隔T，抽取模拟信号的一个瞬时幅度值（样值）。

图2-2抽样过程（2）抽样的分类

抽样可以分为低通型信号的抽样和带通型信号的抽样。

设模拟信号

的频率范围为

∽

，

。称为低通型信号（话音信号等属于低通型信号）；

则称为带通型信号。2．低通型信号的抽样

图2-2所示的抽样即为低通型信号的抽样，而且它为自然抽样。

所谓自然抽样是其抽样脉冲有一定的宽度，样值也就有一定的宽度，且样值的顶部随模拟信号的幅度变化。

实际采用的是自然抽样。

为了分析方便，要借助于理想抽样分析。

采用理想的单位冲激脉冲序列作为抽样脉冲（即用冲激脉冲近似表示有一定宽度的抽样脉冲）时，称为理想抽样。

借助于理想抽样得出低通型信号的抽样频谱的结论：（理想抽样）

（2-8），抽样频率为图2-4抽样频率对频谱的影响接收端只要用一个低通滤波器把原始模拟信号（频带为0～

）取出，就可获得原始模拟信号的重建。为了避免产生折叠噪声，对频带为0～

的模拟信号，其抽样频率

必须满足下列条件：

，即

（抽样定理）

留有一定宽度的防卫带不满足抽样定理的后果是PAM信号产生折叠噪声，收端就无法用低通滤波器准确地恢复原模拟话音信号。话音信号频率范围：300∽3400，

=3400，这时满足抽样定理的最低的抽样频率应为6800，为了留有一定的防卫带，CCITT（ITU-T）规定话音信号的抽样频率为

＝8000，

。3．带通型信号的抽样图2-7带通型信号样值序列的频谱

为了即不会产生折叠噪声，又不使信道利用率下降，由图2-7采用试凑法得出：（2-10）

式中

为

的整数部分，用

表示，则

（2-11）

如要求原始信号频带与其两侧相邻的频带间隔相等，则

（2-12）2.2.3量化

量化是将时间域上幅度连续的样值序列变换为时间域上幅度离散的样值序列信号（即量化值）。

量化分为均匀量化和非均匀量化两种。1．均匀量化

均匀量化是在量化区内（即从-U～+U）均匀等分

个小间隔。U为过载电压，

称为量化级数，每一小间隔称为量化间隔

。由此可得：

（2-13）

下面以N=8为例说明均匀量化特性。参见图2-9。

图2-9量化值与量化误差

抽样值（连续值）量化值量化级数量化值数目

量化区(0～

)(～

)(～

)(～

)

8

8

过载区(～

)

表2-1抽样值值与量化值的关系（N=8）

通过量化可以将PAM信号在幅度上离散化，量化值的数目等于量化级数

（量化后对

个量化值要用二进制编码，编码的码位数为

，显然

）。

由量化而产生的误差叫量化误差

，

量化误差=量化值-样值=。

（量化区）

（过载区）

均匀量化的特点是：在量化区内，大、小信号的量化间隔相同，最大量化误差也就相同，所以小信号的量化信噪比小，大信号的量化信噪比大。

在

（或

）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。

为了解决这个问题，若仍采用均匀量化，需增大

（或

），但

过大时，一是使编码复杂，二是使信道利用率下降。

所以引出了非均匀量化。

2．非均匀量化

非均匀量化的宗旨是：在不增大量化级数

的前提下，利用降低大信号的量化信噪比来提高小信号的量化信噪比。

为了达到这一目的，非均匀量化大、小信号的量化间隔不同。

信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。

实现非均匀量化的方法有两种：模拟压扩法和直接非均匀编解码法。（1）模拟压扩法

模拟压扩法方框图如图2-11所示。图2-11模拟压扩法方框图

（2）直接非均匀编解码法

实现非均匀量化的方法，目前一般采用直接非均匀编解码法。

所谓直接非均匀编解码法就是：发端根据非均匀量化间隔的划分直接将样值编码（非均匀编码），在编码的过程中相当于实现了非均匀量化，收端进行非均匀解码。3．量化信噪比

量化信噪比的定义式为：

（2-14）

式中：

为话音信号平均功率；

为总量化噪声功率

（2-15）为量化区内的量化噪声功率；为过载区内的量化噪声功率。（1）均匀量化信噪比

根据推导得出以下结论（令

，为话音信号电压有效值。①当

时，

，此时

，则有

（2-16）②当

时，

此时

，则有

（2-17）

根据式（2-16）和式（2-17）可定性地画出均匀量化信噪比曲线，如图2-13所示。图2-13均匀量化信噪比曲线（2）非均匀量化信噪比

重点分析A律压缩特性的

，为分析简化，忽略过载时的量化噪声功率

。①

律压缩特性图2-16律压缩特性

直线

段的方程：，

（2-19）其斜率

（2-20）

曲线

段的方程：

（2-21），其斜率一般取A=87．6。

（2-22）②

律压缩特性的非均匀量化信噪比

根据推导得出

律压缩特性的非均匀量化信噪比为：

（2-24）其中令

叫信噪比改善量。段：

（2-25），段：，

（2-26）

设

，可画出

律压缩特性的非均匀量化信噪比如图2-18所示。图2-18律缩特性的非均匀量化信噪比时③

律13折线压缩特性图2-19律13折线压缩特性段号12345678斜率161684211/21/4Q（dB）2424181260-6-12表2-3律13折线压缩特性各段折线的斜率及信噪比改善量2.2.4编码与解码1．二进制码组及编码的基本概念（1）二进制码组

①一般二进码（简称二进码）

在一般二进码中，各位码（幅度码）有一固定的权值。设

位码的码字为

，其权值依次是

。

一般二进码简单易记，但对于双极性的信号来讲，不如折叠二进码方便。②折叠二进码

在折叠码中，只要样值的绝对值相同，则其幅度码也相同。

用它来表示双极性的量化电平是很方便的，可以简化编码设备。

另外，从统计的观点看，折叠二进码的抗误码性比一般二进码强。③格雷码

格雷码也具有折叠码的优点，但在电路实现上较折叠码要复杂一些。

当前在PCM系统中广泛采用折叠二进码。（2）编码的基本概念①编码的概念

编码是把模拟信号样值变换成对应的二进制码组（实际的编码器都是直接对样值编码，在编码的过程中相当于实现了量化）。②编码的分类

编码可分为以下两种：线性编码与解码——具有均匀量化特性的编码与解码，即根据均匀量化间隔的划分直接对样值编码。非线性编码与解码——具有非均匀量化特性的编码与解码，即根据非均匀量化间隔的划分直接对样值编码。

以下重点介绍的是非线性编码与解码，而且是根据A律13折线非均匀量化间隔的划分直接对样值编码，收端再解码。2．A律13折线的码字安排A律13折线，它在正轴从0到

（归一化后为1）逐次对分为8段，每一段称为一个量化段。A律13折线的正、负共有16个量化段。

为了减少编码误差，每一量化段内又均匀等分为16份，每一份称为一个量化级，其长度为量化间隔

（1∽8）。

所以A律13折线的量化级数因为，所以

极性码

幅

度

码信号为正时，

信号为负时，

段落码

段内码

表2-7码字安排A律13折线采用折叠二进码进行编码，绝对值相同的正或负样值其幅度码相同。令量化段序号电平范围（

）段落码起始电平（

）量化间隔

（

）

段内码对应权值（

）

81024∽2048111102464512256128647512∽10241105123225612864326256∽512101256161286432165128∽25610012886432168464∽128011644321684332∽6401032216842216∽32001161842110∽16000018421表2-8A律13折线正8段的电平范围、起始电平、量化间隔和对应码字

3．A律13折线编码方法（1）极性码时，时，（2）幅度码①编码规则设若，则若，则（）2∽8②判定值的确定

判定值是各量化段或量化级的分界点电平（表示为

）。

对

的编码器，判定值共有

种

判定值的确定规则为：段落码判定值的确定——以量化段为单位逐次对分，对分点电平依次为

～

的判定值。段内码判定值的确定——以某量化段（由段落码确定第几量化段）内量化级为单位逐次对分，对分点电平依次为

～

的判定值。

例2-4某A律13折线编码器，

＝８，一个样值为

，试将其编成相应的码字。解

段落码为100，样值在第5量化段，

码字为01000110

4．码字的对应电平（1）编码电平与编码误差（绝对值）①编码电平（码字电平）

编码器输出的码字所对应的电平称为编码电平（也叫码字电平），以

（或

）表示（取的是绝对值）。

以电流为例，编码电平为

（2-29）②编码误差

（2-30）（2）解码电平与解码误差（绝对值）①解码电平

解码电平是解码器的输出电平（有关解码器后面介绍）。以

（或

）表示（取的是绝对值）。

以电流为例，解码电平为

（2-31）②解码误差

（2-32）5．逐次渐近型编码器图2-22逐次渐近型编码器方框图

它的基本电路结构是由两大部分组成：码字判决与码形成电路和判定值的提供电路——本地解码器。（1）码字判决与码形成电路①极性判决②全波整流③比较码形成

根据比较结果形成

～

各位幅度码。

幅度码与极性码通过汇总电路（或门）汇总输出。（2）本地解码器①串／并变换记忆电路

先行码（反馈码）～

串行输入串／并变换记忆电路，其并行输出

～

。对于先行码（已编好的码）：对于当前码（正准备编的码）：对于后续码（尚未编的码）：

②7/11变换7/11变换是将7位非线性码

～

（相当于7位非线性幅度码）转换为11位线性幅度码

∽

。幅度码权值1024512256128643216

8

4

2

1

表2-9∽各位码的权值（11个权值称为恒流源）～码的判定值等于几个（可能1∽5个）恒流源相加，为了产生判定值，要得到11个恒流源，所以要7/11变换。

非线性码与线性码的变换原则是：变换前后非线性码与线性码的码字电平相等。

在进行7/11变换时，非线性码

～

看作是

～

，其码字电平如式（2-29）所示。而

∽11位线性码的码字电平为：

（2-33）

③11位线性解码网络11位线性解码网络的作用是将

所对应的权值（恒流源）相加，以产生相应的判定值。6．A律13折线解码器

解码的作用是把接收到的PCM信码还原成解码电平。

图2-24A律13折线解码器方框图A律13折线解码器和逐次渐近型编码器中的本地解码器不同点：（1）即

。（2）增加了极性控制部分。（3）数字扩张部分由7／11变换改成7／12变换。

编码电平也等于

∽

的11个权值（恒流源）中的几个相加，而解码电平又增加一个

，A律13折线第3～8段的

恰好在11个恒流源范围内，但第1、2段中的

，它不在11个恒流源范围之内，所以要增加一个恒流源

，令

的权值为

。因此，收端解码器要进行7／12变换，即将

～

变换成

∽

。（4）寄存读出是接收端解码器中所特有的。（5）线性