數(shù)字電子電路第三章

第三章語(yǔ)音信號(hào)的壓縮編碼 2 3 適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制 ADPCM 差值脈沖編碼調(diào)制 DPCM 子帶編碼 SBC 參量編碼 GSM及IP電話系統(tǒng)語(yǔ)聲編碼技術(shù)的應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn) 第三章課堂作業(yè) 1 回答什么是DPCM 2 什么叫做預(yù)測(cè)編碼 分析零點(diǎn)預(yù)測(cè)和極點(diǎn)預(yù)測(cè)機(jī)制 畫出編解碼框圖和對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)器 3 畫出DPCM系統(tǒng)框圖 4 DPCM系統(tǒng)是否優(yōu)于PCM系統(tǒng) 從DPCM系統(tǒng)SNR上進(jìn)行分析 并說(shuō)明什么是Gp和SNRq 5 什么叫做最佳預(yù)測(cè) 最佳預(yù)測(cè)如何反映 6 什么叫做最佳量化 最佳量化如何反映 第一節(jié)差值脈沖編碼調(diào)制 DPCM DPCM原理及實(shí)現(xiàn)DPCM就是考慮利用語(yǔ)聲信號(hào)的相關(guān)性找出可反映信號(hào)變化特征的一個(gè)差值量進(jìn)行編碼的 差值編碼一般是以預(yù)測(cè)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的 定義 對(duì)差值序列進(jìn)行量化編碼的方法基本原理 預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn) 當(dāng)由冗余性信號(hào)的一部分就可以對(duì)區(qū)域部分進(jìn)行推斷和估計(jì) 預(yù)測(cè)編碼 語(yǔ)音信號(hào)的相鄰楊值點(diǎn)間存在幅度相關(guān)性 根據(jù)前些時(shí)刻的樣值來(lái)預(yù)測(cè)現(xiàn)時(shí)刻的樣值 只要傳輸樣值與預(yù)測(cè)值之差 不需要對(duì)每個(gè)樣值都傳輸 接收端把差值疊加在預(yù)測(cè)序列上 就可恢復(fù)原始序列 圖2 42實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的橫截濾波器 圖2 43是DPCM實(shí)現(xiàn)的原理框圖 如前面所述 DPCM方式的發(fā)送端就是將現(xiàn)有樣值與預(yù)測(cè)值之差進(jìn)行量化編碼的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的 而在接收端為了恢復(fù)原信號(hào)也必須進(jìn)行與發(fā)送端相同的預(yù)測(cè) 由輸入信號(hào)預(yù)測(cè)的DPCM系統(tǒng)預(yù)測(cè)值根據(jù)輸入的信號(hào)預(yù)測(cè)得出 由解碼信號(hào)預(yù)測(cè)的DPCM系統(tǒng) 由解碼信號(hào)預(yù)測(cè)的DPCM系統(tǒng)解碼器將歷史編碼還原成樣值輸入給預(yù)測(cè)器 進(jìn)行現(xiàn)值預(yù)測(cè) 一 自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制 ADPCM自適應(yīng)量化的基本思想是 讓量化間隔 t 的變化 與輸入信號(hào)方差相匹配 即量化器階距隨輸入信號(hào)的方差而變化 它正比于量化器輸入信號(hào)的方差 第二節(jié)自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制 ADPCM 自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制ADPCM 原理自適應(yīng)量化比非自適應(yīng)量化的S N改善4 7dB 自適應(yīng)預(yù)測(cè)使差分PCM的S N改善達(dá)6 10dB 將以上兩種技術(shù)結(jié)合在一起 可進(jìn)一步壓縮數(shù)碼率 作用S N進(jìn)一步提高 在較低編碼位數(shù)情況下取得滿意通信質(zhì)量 自適應(yīng)量化 基本原理對(duì)輸入信號(hào)的瞬時(shí)功率加以監(jiān)測(cè) 并隨時(shí)改變量化器量化級(jí)差大小 使之 匹配 信號(hào)的變化 分類前向自適應(yīng)后向自適應(yīng) 圖2 44前饋?zhàn)赃m應(yīng)量化ADPCM 前向自適應(yīng) 圖2 45反饋?zhàn)赃m應(yīng)量化ADPCM 后向自適應(yīng) 自適應(yīng)預(yù)測(cè) 圖2 46固定和自適應(yīng)DPCM系統(tǒng)性能 二 32kbit sADPCM系統(tǒng)1984年ITU T公布了G 72132kbit sADPCM標(biāo)準(zhǔn) 并于1986年做了進(jìn)一步的修改 圖2 47G 72132kbit sADPCM工作原理框圖 三 單片集成ADPCM編解碼器1 MC145532ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器 1 技術(shù)特點(diǎn) 滿足ITU T建議G 721 1988 全雙工 單信道工作 選擇引腳 律或A律編碼 同步或異步工作 容易與摩托羅拉的PCM編解碼器 濾波器等接口 串行PCM和ADPCM數(shù)據(jù)傳輸速率為64kbit s 5120kbit s 省電能力用于低電流的消耗 簡(jiǎn)單時(shí)隙分配定時(shí)用于代碼轉(zhuǎn)換器 單5V電源 2 MC145532引腳符號(hào)與功能 3 應(yīng)用電路 圖2 48MC145532 引腳排列圖 圖2 49MC145532ADPCM應(yīng)用電路 2 MC145540ADPCM編 解碼器 1 技術(shù)特點(diǎn) 單電源工作 2 7 5 25V 3V時(shí)典型功耗為60mW 省電時(shí)為15 W 最小噪音的差分模擬電路設(shè)計(jì) 完全 律或A律壓擴(kuò)PCM編解碼器濾波器 64 32 24和16kbit s數(shù)據(jù)率ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器 通用可編程雙音頻發(fā)生器 可編程發(fā)送增益 接收增益和側(cè)音增益 用于與話筒接口的低噪聲 高增益 三端輸入運(yùn)算放大器 2 MC145540引腳符號(hào)與功能 3 應(yīng)用電路 圖2 50MC145540引腳排列圖 圖2 51MC14550手持機(jī)應(yīng)用電路 第三節(jié)子帶編碼 SBC 一 子帶編碼的基本概念及工作原理 子帶編碼是首先將輸入信號(hào)分割成幾個(gè)不同的頻帶分量 然后再分別進(jìn)行編碼 這類編碼方式稱為頻域編碼 把語(yǔ)聲信號(hào)分成若干子帶進(jìn)行編碼主要的優(yōu)點(diǎn) 子帶編碼實(shí)現(xiàn)的原理框圖如圖2 52所示 在子帶編碼中 用帶通濾波器將語(yǔ)聲頻帶分割為若干個(gè)子帶 每個(gè)子帶經(jīng)過(guò)調(diào)制將各子帶變成低通型信號(hào) 圖中未畫出 這樣就可使抽樣速率降低到各子帶頻寬的兩倍 圖2 52子帶編碼原理方框圖 二 子帶編碼的比特分配及編碼速率在子帶編碼中 各子帶的帶寬 Bk可以是相同的 也可以是不同的 前者稱為等帶寬子帶編碼 后者稱為變帶寬子帶編碼 等帶寬子帶編碼的優(yōu)點(diǎn)是易于用硬件實(shí)現(xiàn) 也便于進(jìn)行理論分析 在這種情況下帶寬 Bk等于 Bk B B m式中 k 1 2 3 m m是子帶總數(shù) B是編碼信號(hào)總的帶寬 三 子帶的劃分 語(yǔ)聲信號(hào)各子帶的帶寬應(yīng)考慮到各頻段對(duì)主觀聽(tīng)覺(jué)貢獻(xiàn)相等的原則做合理的分配 四 16 24 32kbit s電話語(yǔ)聲子帶編碼該標(biāo)準(zhǔn)采用三種編碼速率 即48 56及64kbit s 輸入語(yǔ)聲信號(hào)帶寬為50 7000Hz 分成兩個(gè)等寬的子帶 第四節(jié)參量編碼 參量編碼的原理和設(shè)計(jì)思想與波形編碼完全不同 波形編碼的基本思路是忠實(shí)地再現(xiàn)話音的時(shí)域波形 為了降低比特率 可充分利用抽樣點(diǎn)之間的信息冗余性對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行編碼 在不影響話音質(zhì)量的前提下 比特率可以降至32kbit s 一 語(yǔ)聲形成機(jī)理及語(yǔ)聲信號(hào)分析 語(yǔ)聲形成的大致過(guò)程可如圖2 54所示 從語(yǔ)聲信號(hào)分析可知 音素分為兩類 伴有聲帶振動(dòng)的音稱為濁音 聲帶不振動(dòng)的音稱為清音 圖2 54語(yǔ)聲形成過(guò)程 1 濁音與基音 濁音又稱有聲音 語(yǔ)聲發(fā)聲時(shí)聲帶在氣流的作用下激勵(lì)起準(zhǔn)周期的聲波 如圖2 55所示 由圖可見(jiàn)濁音聲波具有明顯的準(zhǔn)周期特性 這一準(zhǔn)周期音稱為基音 其基音周期為4 18ms相當(dāng)于基音頻率在50 250Hz范圍內(nèi) 圖2 55波音聲波波形圖 圖2 56濁音頻譜示意 2 清音 清音又稱無(wú)聲音 圖2 57清音波形圖 清音沒(méi)有周期特性 典型的清音波形頻譜如圖2 58所示 從清音的頻譜分析可知 清音中不含具有周期或準(zhǔn)周期特性的基音及其諧波成分 圖2 58清音頻譜示意 3 語(yǔ)聲信號(hào)產(chǎn)生模型 圖2 59語(yǔ)聲信號(hào)產(chǎn)生模型 二 線性預(yù)測(cè)編碼 LPC 的基本概念在發(fā)送端 原始語(yǔ)聲輸入A D變換器 以8kHz速率抽樣并變換成數(shù)字化語(yǔ)聲 然后以每180個(gè)樣值為一幀 幀周期22 5ms 以幀為處理單元逐幀進(jìn)行線性預(yù)測(cè)系數(shù)分析 并作相應(yīng)的清 濁音判決和基音提取 最后把這些參量進(jìn)行量化 編碼并送入信道傳送 圖2 60線性預(yù)測(cè)LPC編譯碼方框圖 在接收端 經(jīng)參量解碼分出參量 ai G P和u v等 G P以及u v用作語(yǔ)聲信號(hào)的合成產(chǎn)生 ai 用作形成合成濾波器的參數(shù) 最后將合成產(chǎn)生的數(shù)字化語(yǔ)聲信號(hào)再經(jīng)D A變換即還原為接收端合成產(chǎn)生的語(yǔ)聲信號(hào) 圖2 61所示是簡(jiǎn)化的LPC原理框圖 圖2 61簡(jiǎn)化LPC原理框圖 三 線性預(yù)測(cè)合成分析編碼1 結(jié)構(gòu)原理 激勵(lì)生成器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)線性預(yù)測(cè)器后得到重構(gòu)的話音信號(hào) i 線性預(yù)測(cè)器模擬聲道特性 加強(qiáng)了激勵(lì)信號(hào)的某些頻率域 減弱了另一些頻率域 體現(xiàn)了語(yǔ)聲信號(hào)的短時(shí)相關(guān)性 激勵(lì)信號(hào)則體現(xiàn)了語(yǔ)聲信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)相關(guān)性 輸入線性預(yù)測(cè)器的激勵(lì)信號(hào)是量化后的增益和基音信號(hào) 圖2 62LPAS聲碼器原理結(jié)構(gòu) 2 激勵(lì)信號(hào)生成及表示 激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生有如下幾種 1 多脈沖激勵(lì) MPE 2 規(guī)則脈沖激勵(lì) RPE 3 碼本激勵(lì) 激勵(lì)信號(hào)最終要量化后以二進(jìn)制的形式發(fā)送出去 量化有兩種類型 一種是標(biāo)量量化 也就是對(duì)每個(gè)參數(shù)獨(dú)立地進(jìn)行量化 然后通過(guò)組合確定參數(shù)集 另一種是矢量量化 也就是將所有參數(shù)組合起來(lái)作為一個(gè)整體進(jìn)行量化 在數(shù)學(xué)上就用矢量來(lái)表示參數(shù)的組合 第五節(jié)GSM及IP電話系統(tǒng)語(yǔ)聲編碼技術(shù)的應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn) 一 G 728聲碼器 G 728是16kbit s的LPAS聲碼器 采用低時(shí)延碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè) LD CELP 方式 1 G 728編碼器 G 728的LD CELP編碼器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖2 63所示 圖2 63G 728編碼器結(jié)構(gòu) 2 G 728解碼器 圖2 64G 728解碼器結(jié)構(gòu) 二 G 729聲碼器 1 G 729聲碼器性能特點(diǎn) G 729是8kbit s的LPAS聲碼器 線性預(yù)測(cè)采用前饋型前向自適應(yīng)技術(shù) 2 G 729編碼器 G 729編碼器如圖2 65所示 模擬話音