語音信號數字化及壓縮編碼(

1、62782690語音波形編碼1第四講 樊平毅( 6278269062782690語音波形編碼2 抽樣技術 量化技術 語音信號波形匹 配與線 性近似逼近 PCM編碼原理 增量調制原理62782690語音波形編碼31. 抽樣與量化 抽樣時間域量化（時間尺度離散化） 量化幅度離散化62782690語音波形編碼4(1) 抽樣A.低通抽樣 一個頻帶限制在內的連續(xù)信號 ，如果抽樣頻率 大于或等于 ,則可以由抽樣序列 無失真地重建恢復原始信號 。Hf , 0)(txsfHf2snTx)(tx62782690語音波形編碼5設 為低通信號，抽樣脈沖序列是一個周期性沖激函數 。抽樣過程是 與 相乘的過程，即抽樣后

2、信號 )(tx)(tT)(tT)(tx)()()(ttxtxTs62782690語音波形編碼6由頻域卷積定理可知 其中, 為低通信號的頻譜，)()(21)(TsXX)(X)(2)(nssTnT62782690語音波形編碼7)(1 )()(1)(nssnsssnXTnXTX所以從頻域上看，抽樣后信號經過傳遞函數為 的理想低通濾波器后，其頻譜為)(HHssoTHXX )()()(62782690語音波形編碼8其中 , 0 , 1)(HHH從時域上看，重建信號可以表達為nsHsHssnssHHssnTtnTtnTxTnTtnTxttTtxthtx)()(sin)(1 )()(sin1)()()( 6

3、2782690語音波形編碼9B.帶通抽樣帶通抽樣定理告訴我們，對于帶通信號，抽樣頻率 應滿足下列關系式：其中， 的最大正整數。由此可知，必有0M1時最佳量化電平正好在分層電平的中點。此時，2, 1,optkoptkoptkxxykkxkxpP)(62782690語音波形編碼23C .量化噪聲 LkkkLkkkkkkkkxxkkkLkxxxkqPyxyxPdxyxPdxxpyxkkkk121331L12122121 3)(3)( )()()(1162782690語音波形編碼24當 很小時，可寫成積分形式為最大量化電平注：超過（V，V）時，稱為量化過載量化過載過載噪聲kV )()(12122dxx

4、pVVxkqVxVVxxqodxxpVxdxxpVxdxxpVx)()(2 )()()()(222262782690語音波形編碼25總量化噪聲以上是計算量化噪聲的一般公式。222qoqqs62782690語音波形編碼262.脈沖編碼調制(1)均勻量化這是一種特殊情況，此時各分層間隔 L為分層數有此時量化噪聲與信號統(tǒng)計特性無關LVk22221212231212121LVPPLkkLkkkq62782690語音波形編碼27例 1. 若量化器輸入信號為正弦信號，Am為幅度量化信噪比 , 為編碼位數（二進制） 令歸一化有效值22222223)3(2LVALVASmmqnL2最大量化電平信號有效值 2V

5、ADmn62782690語音波形編碼28則 用dB來表示 時，剛發(fā)生過載此時增加1位， 增大6dB2223LDSqnDDSndBq02. 6lg2077. 42lg20lg203lg102nSdBq02. 676. 1 max2n2qS21D62782690語音波形編碼29例 2. 實際語音信號語音信號幅度的概率密度可近似地用拉普拉斯分布來表示，即 這里， 是信號 的均方根值。xxxxexp221)(xx62782690語音波形編碼30當D0.2時，過載噪聲很小，有當信號有效值很大時，過載噪聲將起主要作用，于是DnLDSdBqslg2077. 402. 631lg10222DSdBqs1 .

6、6262782690語音波形編碼31電話語音信號電話語音信號的均方值變動范圍即語音動態(tài)范圍可達（4050）dB，高質量電話（長途電話）的 至少應大于25dB以上。如果采用均勻量化，為了滿足在4050dB的范圍內的 大于25dB的要求，必須采用n=12位的均勻量化器。dBqsS2dBqsS262782690語音波形編碼32(2)非均勻量化對于語音信號而言，采用均勻量化是不合理的，小信號出現概率大，對噪聲功率的貢獻也大，為了使 提高，應當減小小信號時的量化間隔。為此，應采用非均勻量化，小信號時量化“細”，大信號時量化“粗”。即采用“瞬時壓擴”的概念，以改善信噪比。2qS62782690語音波形編碼

7、33令壓縮特性最佳 可保證最大的量化信噪比，但可行的動態(tài)范圍較小，難以滿足工程要求。因此，較大的動態(tài)范圍適應性和穩(wěn)定的高信噪比輸出是工程實現的基礎。研究表明：好的壓縮函數為對數函數。)(xfz 62782690語音波形編碼34注：采用理想的對數壓擴函數時量化器輸出的信噪比與輸入信號無關。從而對系統(tǒng)工程化應用有實質上的指導作用。62782690語音波形編碼35 (3) 對數壓縮特性及折線近似在實際工程中不采用上述理想對數特性，而是采用以下兩種對數壓縮特性。a. A律對數壓縮特性11,ln1ln110,ln1)(xAAAxAxAAxxf62782690語音波形編碼3616)(,1xfAx相當于信噪

8、比增加了24dB（20lg16=24）。ITU G.712建議中取A87.6，此時62782690語音波形編碼37b.律對數壓縮特性10)1ln()1ln()(xxxfITU G.712建議中取 255，小信號時改善33.5dB。62782690語音波形編碼38上述兩種特性仍難以實現，因而實際中采用折線近似。折線近似，用數字電路容易實現。A律與 律量化特性起始段不同我國采用A律。62782690語音波形編碼394PCM編碼原理A.ITU建議采用折疊二進碼FBC（Folded Binary Code）與其它碼相比， 在小電平時，抗誤碼性能好。若采用普通二進碼，信號為均勻分布，可計算得到有誤碼時的

9、量化信噪比FBCenpLLS) 1(4122262782690語音波形編碼40其中由上式得 時， 下降3dB。 222222tqtqtqneEeEeeE) 1(412Lpe2nS6108 . 32568epLn時，62782690語音波形編碼41B. Folded Binary Code 編碼規(guī)律1 511111 411101 311011 211001110111 0101091001810007000060001500104001130100201011011000111 62782690語音波形編碼42A律段落碼電平碼段落號M2M3M4起始電平M5M6M7M8量化間隔0000016842

10、21001321684222010643216844301112864321688410025612864321616510151225612864323261101024512256128646471112048102451225612812862782690語音波形編碼43以1250為例編碼步驟如下12500 M11決定極性碼1250256M21 12501024 M31決定段落碼12502048 M4062782690語音波形編碼4410245121250 M5010242561250 M6010241281250 M711024128641250 M81決定電平碼解碼輸出為：10241

11、2864321248，這里32為 /2， 是最佳量化特性所要求的。C.對數與線性之間的轉換A律13位律14位PCMPCM62782690語音波形編碼455.增量調制（，DeltaM）M(1)簡單增量調制可以認為是 一位編碼時的特例，但編碼的是差值信號。編碼過程MPCM重建值前一樣值前一樣值重建值本地譯碼值預測值輸入信號樣值 )() 1()( )( )(nSnSnSnSnSle62782690語音波形編碼46Q數碼形成Z-1C(n)S(n)e(n)-+Sl(n)( ne)(nS62782690語音波形編碼47解碼)( ne)(nC)(nS1ZM原理圖62782690語音波形編碼48差值信號 0)

12、( ,)( 0)(1)( ,)( 0)() 1()()()()(nCnenenCnenenSnSnSnSnel則編碼過程62782690語音波形編碼49)()()( )( ),()() 1()()()( 1)()( 0)(nSnSnenenCnCnSnenSnenCnenC因而傳輸過程無誤碼時則譯碼過程62782690語音波形編碼50實際編碼譯碼器常用簡單RC積分器和比較器來實現 和1Z Q(2)斜率過載和量化信噪比當信號變化速率超出 波形變化速率時，會出現斜率過載現象，以單頻信號為例M62782690語音波形編碼51為抽樣頻率最大值為sssfffTAAtAtSdtAtS 2 T1 sin)(

13、cos)(maxsmax量化信噪比62782690語音波形編碼52量化噪聲M)12(321 21( )()(2222222qqqPCMdeeeptedeepe時此時，）間均勻分布，則，在（若62782690語音波形編碼53通常認為 在 內均勻分布，則低通濾波 后q) , 0(sf)(LPF帶寬為LPFfffBsBq32262782690語音波形編碼5414log10log20log30)(038. 0832101010max232322maxmax2maxmaxBsBsBsqfffdBSNRffffffSSNRAS臨界過載時62782690語音波形編碼55dBSNRkHzfkHzfkHzfsB

14、1615 16 4 1例：結論： 與 三次方成正比， 提 高一倍， 增大9 與 成反比，信號頻率提高一倍， 下降6SNRsfsfSNRdBSNR2fSNRdB62782690語音波形編碼566簡單增量調制的性能改進簡單增量調制有兩個問題： 斜率過載 動態(tài)范圍62782690語音波形編碼57(1).數字壓擴自適應增量調制可同時解決動態(tài)范圍和斜率過載問題。其基本概念是，如同非均勻 中那樣，改變量化間隔。連續(xù)出現多個“1”，即可認為信號有出現過載的可能，從而增大，使其本地譯碼信號跟上變化。PCM62782690語音波形編碼58數字壓擴又稱CVSD連續(xù)可變斜率可采用音節(jié)壓擴，而不是瞬時壓擴。一音節(jié)（520）msPCM62782690語音波形編碼59(2).增量總和調制可解決斜率過載問題其要點是：將信號先進行積分，改變其頻率響應。使高頻分量幅度下降（與預加重相反），然后再進行 編碼。為此，在接收端為了不失真恢復原信號，需要將解碼后信號進行微分。)(M又稱M62782690語音波形編碼607、信道誤碼對 的影響對簡單 有MMdBSNRfBffpfffpSSNRsLbLsbq3661max22