第04讲语音信号数字化及压缩编码(.ppt

1、语音波形编码,1,第四讲,樊平毅 62782690,语音信号数字化处理与压缩编码,清华大学电子工程系,语音波形编码,2,主要内容,抽样技术 量化技术 语音信号波形匹 配与线 性近似逼近 PCM编码原理 增量调制原理,语音波形编码,3,1. 抽样与量化,抽样时间域量化（时间尺度离散化） 量化幅度离散化,语音波形编码,4,(1)抽样,A.低通抽样 一个频带限制在内的连续信号 ，如果抽样频率 大于或等于 ,则可以由抽样序列 无失真地重建恢复原始信号 。,语音波形编码,5,设 为低通信号，抽样脉冲序列是一个周期性冲激函数 。抽样过程是 与 相乘的过程，即抽样后信号,语音波形编码,6,由频域卷积定理可知

2、 其中, 为低通信号的频谱，,语音波形编码,7,所以,从频域上看，抽样后信号经过传递函数 为 的理想低通滤波器后，其频谱为,语音波形编码,8,其中,从时域上看，重建信号可以表达为,语音波形编码,9,B.带通抽样 带通抽样定理告诉我们，对于带通信号，抽样频率 应满足下列关系式： 其中， 的最大正整数。由此可知，必有0M1。,语音波形编码,10,语音波形编码,11,讨论：,语音波形编码,12,语音波形编码,13,C.实际抽样 C.1自然抽样 设抽样脉冲序列 ，其中 是任意形状的脉冲。自然抽样时，抽样过程实际是相乘过程。即 实质上为周期性信号，可以展成傅氏 级数，,语音波形编码,14,其中 为抽样角

3、频率， 为抽样间隔。由此得 因此，自然抽样后信号的频谱,语音波形编码,15,C.2平顶抽样 平顶抽样中，每个抽样脉冲顶部不随信号变化。在实际应用中，平顶抽样是采用抽样保持电路来实现的。 平顶抽样可以看成是理想抽样后再经过一个冲激响应为矩形的网络来形成的，,语音波形编码,16,其中:,语音波形编码,17,矩形脉冲的,语音波形编码,18,(2)量化,A.量化过程可以表达为 这里 称为分层电平或判决阈值。通常把 称为量化间隔。 可采用量化特性曲线描述量化器输出 与输入的关系。,语音波形编码,19,量化器主要问题是量化误差 通常把量化误差 称为量化噪声，量化噪声一般用均方误差来度量。设输入信号 的概率

4、分布密度为 ，则量化噪声,语音波形编码,20,若把积分区域分割成L个量化间隔，则上式写成 这是计算量化误差的基本公式。 最佳量化器就是在给定输入信号概率密 与量化电平数L的条件下，求出一组分层电平值 与量化电平值 使均方误差 为最小值。,语音波形编码,21,B.最佳量化 由 物理意义：分层电平在量化电平的中点。,语音波形编码,22,物理意义：重建电平在量化间隔的质心。 讨论： L1时 最佳量化电平正好在分层电平的中点。 此时，,语音波形编码,23,C .量化噪声,语音波形编码,24,当 很小时，可写成积分形式 为最大量化电平 注：超过（V，V）时，称为量化过载 过载噪声,语音波形编码,25,总

5、量化噪声 以上是计算量化噪声的一般公式。,语音波形编码,26,2.脉冲编码调制,(1)均匀量化 这是一种特殊情况，此时各分层间隔 L为分层数 有 此时量化噪声与信号统计特性无关,语音波形编码,27,例 1. 若量化器输入信号为正弦信号，Am为幅度 量化信噪比 , 为编码位数（二进制） 令归一化有效值,语音波形编码,28,则 用dB来表示 时，刚发生过载 此时 增加1位， 增大6dB,语音波形编码,29,例 2. 实际语音信号 语音信号幅度的概率密度可近似地用拉普拉斯分布来表示，即 这里， 是信号 的均方根值。,语音波形编码,30,当D0.2时，过载噪声很小，有 当信号有效值很大时，过载噪声将起

6、主要作用，于是,语音波形编码,31,电话语音信号的均方值变动范围即语音动态范围可达 （4050）dB，高质量电话（长途电话）的 至少应大于25dB以上。如果采用均匀量化，为了满足在4050dB的范围内的 大于25dB的要求，必须采用n=12位的均匀量化器。,语音波形编码,32,(2)非均匀量化,对于语音信号而言，采用均匀量化是不合理的，小信号出现概率大，对噪声功率的贡献也大，为了使 提高，应当减小小信号时的量化间隔。为此，应采用非均匀量化，小信号时量化“细”，大信号时量化“粗”。即采用“瞬时压扩”的概念，以改善信噪比。,语音波形编码,33,令压缩特性 最佳 可保证最大的量化信噪比，但可行的动态

7、范围较小，难以满足工程要求。因此，较大的动态范围适应性和稳定的高信噪比输出是工程实现的基础。研究表明：好的压缩函数为对数函数。,语音波形编码,34,注：采用理想的对数压扩函数时 量化器输出的信噪比与输入信号无 关。从而对系统工程化应用有实质上 的指导作用。,语音波形编码,35,(3) 对数压缩特性及折线近似,在实际工程中不采用上述理想对数特性，而是采用以下两种对数压缩特性。 a.A律对数压缩特性,语音波形编码,36,相当于信噪比增加了24dB（20lg16=24）。,ITU G.712建议中取A87.6，此时,语音波形编码,37,b.,律对数压缩特性,ITU G.712建议中取 255，小信号

8、时改善33.5dB。,语音波形编码,38,上述两种特性仍难以实现，因而实际中采用折线近似。折线近似，用数字电路容易实现。 A律与 律量化特性起始段不同 我国采用A律。,语音波形编码,39,4PCM编码原理,A.ITU建议采用折叠二进码FBC （Folded Binary Code）与其它码相比， 在小电平时，抗误码性能好。 若采用普通二进码，信号为均匀分布，可计算得到有误码时的量化信噪比,语音波形编码,40,其中 由上式得 时， 下降3dB。,语音波形编码,41,B. Folded Binary Code 编码规律,语音波形编码,42,A律,语音波形编码,43,以1250为例 编码步骤如下 1

9、2500 M11决定极性码 1250256M21 12501024 M31决定段落码 12502048 M40,语音波形编码,44,10245121250 M50 10242561250 M60 10241281250 M71 1024128641250 M81,决定电平码,解码输出为：102412864321248， 这里32为 /2， 是最佳量化特性所要求的。,C.对数与线性之间的转换 A律13位 律14位,语音波形编码,45,5.增量调制（，DeltaM）,(1)简单增量调制 可以认为是 一位编码时的特例，但编码的是差值信号。 编码过程,语音波形编码,46,语音波形编码,47,M原理图,

10、语音波形编码,48,差值信号,语音波形编码,49,译码过程,语音波形编码,50,实际编码译码器常用简单RC积分器和比较器来实现 和,(2)斜率过载和量化信噪比 当信号变化速率超出 波形变化速率时，会出现斜率过载现象，以单频信号为例,语音波形编码,51,量化信噪比,语音波形编码,52,量化噪声,语音波形编码,53,通常认为 在 内均匀分布，则低通滤波 后,语音波形编码,54,临界过载时,语音波形编码,55,例：,结论： 与 三次方成正比， 提 高一倍， 增大9 与 成反比，信号频率提高一倍， 下降6,语音波形编码,56,6简单增量调制的性能改进 简单增量调制有两个问题： 斜率过载 动态范围,语音波形编码,57,(1).数字压扩自适应增量调制 可同时解决动态范围和斜率过载问题。 其基本概念是，如同非均匀 中那样，改变量化间隔。 连续出现多个“1”，即可认为信号有出现过载的可能，从而增大，使其本地译码信号跟上变化。,语音波形编码,58,数字压扩又称CVSD连续可变斜率 可采用音节压扩，而不是瞬时压扩。 一音节（520）ms,语音波形编码,59,(2).增量总和调制 可解决斜率过载问题 其要点是：将信号先进行积分，改变其频率响应。使高频分量幅度下降（与预加重相反），然后再进行 编码。 为此，在接收端为了不失真恢复原信号，需要将解码后信号进行微分