第07講_規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測編碼

1、物理層關(guān)鍵技術(shù)1信源編碼移動通信信源編碼基本概念信源編碼是利用信源的統(tǒng)計(jì)特性，解除信源的相關(guān)性，去掉信源多余的冗余信息，達(dá)到壓縮信源信息率，提高系統(tǒng)效率（有效性）的目的。移動通信的頻譜資源十分稀少珍貴，為了提高頻譜利用率，需積極開發(fā)低速率、高質(zhì)量信源編碼技術(shù)，即高效信源編碼技術(shù)。第二代移動通信主要是語音業(yè)務(wù)，所以信源編碼主要指語音壓縮編碼。第三代移動通信中的信源編碼將不僅包含語音壓縮編碼，還包含各類圖像壓縮編碼和多媒體數(shù)據(jù)壓縮等方面內(nèi)容。數(shù)據(jù)壓縮目的：在保證一定圖像（或聲音）質(zhì)量的條件下，以最小的數(shù)據(jù)率來表達(dá)和傳送圖像或聲音信息。數(shù)據(jù)能夠壓縮的可能性在于：原始數(shù)據(jù)中存在著大量的冗余信息（時(shí)間冗

2、余、空間冗余、統(tǒng)計(jì)冗余）；人的視覺和聽覺器官都具有某種不敏感性，舍去人的感官所不敏感的信息，對圖像或聲音質(zhì)量的影響很小，在某些情況下甚至可以忽略不計(jì)。移動通信語音編碼技術(shù)概述語音編碼：移動通信數(shù)字化的基礎(chǔ)，第1/2 代蜂窩系統(tǒng)的根本區(qū)別。語音編碼的意義：提高通話質(zhì)量（數(shù)字化+信道編碼糾錯(cuò)）；提高頻譜利用率（低碼率編碼）；提高系統(tǒng)容量（低碼率，語音激活技術(shù)）。移動通信對語音編碼的要求：編碼速率低，語音質(zhì)量好；有較強(qiáng)的抗噪聲干擾和抗誤碼的性能；編譯碼延時(shí)小，總延時(shí)在65ms 以內(nèi)；編譯碼器復(fù)雜度低，便于大規(guī)模集成化；功耗小，便于應(yīng)用于手持機(jī)。語音編碼的分類波形編碼將時(shí)間域信號直接變換為數(shù)字代碼，目

3、的是盡可能精確地再現(xiàn)原來的話音波形PCM、M參量編碼(聲源編碼)將信源信號在正交變換域提取特征參量，并將其變換為數(shù)字代碼線性預(yù)測編碼LPC混合編碼波形編碼+參量編碼數(shù)字語音信號中既有語音特征參量又有部分波形編碼波形編碼質(zhì)量最高，其質(zhì)量幾乎與壓縮處理之前相同，適用于公用骨干(固定)通信網(wǎng)。參量編碼質(zhì)量最差，僅適合于特殊通信系統(tǒng)，比如軍事與保密通信系統(tǒng)?；旌途幋a質(zhì)量介于兩者之間，目前主要用于移動通信網(wǎng)。用于移動通信的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)類型服務(wù)類型 語音編碼語音編碼速率（速率（bps）GSM蜂窩RPE-LTP規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編碼13CD-900蜂窩SBC子帶編碼16IS-54蜂窩VSELP矢量

4、和激勵線性預(yù)測編碼8IS-95蜂窩CELP碼本激勵線性預(yù)測編碼1.29.6PDC蜂窩VSELP矢量和激勵線性預(yù)測編碼4.5，6.7，11.2CT2無繩ADPCM32DECT無繩ADPCM32PHS無繩ADPCM32PCS-1800蜂窩RPE-LTP規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編碼13PACS個(gè)人通信 ADPCM32WCDMA蜂窩AMR信息率信息率-失真理論失真理論 information rate-distortion theory研究在限定失真下為了恢復(fù)信源符號所必需的信息率，簡稱率失真理論。率失真理論就是用以計(jì)算不同類型的信源在各種失真限度下所需的最小信息率。率失真函數(shù)-計(jì)算率失真函數(shù)是率失真理論

5、的中心問題。率失真函數(shù)只指出限失真條件下所必需的最小信息率。從理論上講，尚應(yīng)能證明實(shí)際存在一種編碼方法，用這樣的信息率就能實(shí)現(xiàn)限失真的要求。限失真信源編碼定理限失真信源編碼定理：只要信源符號序列長度N足夠大，當(dāng)每個(gè)符號的信息率大于R(D)，必存在一種編碼方法，其平均失真可無限逼近D；反之，若信息率小于R(D)，則任何編碼的平均失真必將大于D。利用信息論中連續(xù)(模擬)有記憶信源的信息率-失真R(D)函數(shù)理論可以分析波形編碼的性能。 波形編碼的性能估計(jì)信息率-失真R(D)為：D：最大允許失真，2：方差，相關(guān)系數(shù)廣義平穩(wěn)遍歷馬氏鏈信源且有上式的計(jì)算結(jié)果如下表所示2221(1)()log2R DD2(

6、 )01R 信噪比(dB)35322825232017R(D)(bit/樣點(diǎn)) 43.52.52.34 21.5 1壓縮倍數(shù)K22.28 3.23.42 45.3 8波形編碼的性能估計(jì)由上述分析結(jié)果可以得到如下結(jié)論：當(dāng)語音質(zhì)量達(dá)到進(jìn)入公網(wǎng)要求標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即2/D26dB,其K=3.4 倍。若進(jìn)一步考慮實(shí)際語音分布與主觀因素的影響(因?yàn)檎龖B(tài)分布R(D)其壓縮倍數(shù)可以進(jìn)一步增大，取K=4 (保守值)這時(shí)語音速率可以從未壓縮的PCM 64Kbps降至1/4速率的16Kbps。目前已實(shí)用化的DPCM為32Kbps。 參量編碼的性能估計(jì)語音可以采用各種不同形式的參量來表達(dá)。為了分析方便，采用最基本的參量“音

7、素”。以英語音素為例進(jìn)行分析。英語中共有音素27=128 28=256 。按照通常講話速率，每秒大約平均發(fā)送10個(gè)音素。由信息量計(jì)算公式，對于等概率事件有：I=log2N ，N為總組合數(shù)，則：最后可計(jì)算出壓縮比K為：1012210222loglog (256)80loglog (128)70INbpsINbps(上限)(下限)64914 80070 80KbpsKbps倍混合編碼的性能估計(jì)顯然混合編碼的理論壓縮比是介于上述兩類編碼之間，且與語音質(zhì)量需求有關(guān)。若要求混合編碼偏重于個(gè)性特征，則其壓縮比靠近波形編碼的壓縮比值，若要求混和編碼偏重于共性，則其壓縮比靠近于參量編碼。移動通信中的語音編碼高

8、質(zhì)量的混合編碼是移動通信中的優(yōu)選方案。移動通信頻譜資源有限，低碼率、高壓縮比至關(guān)重要；加入公用網(wǎng)信噪比又不能太低。決定混合編碼的4 個(gè)主要參量：比特率、質(zhì)量、復(fù)雜度和處理時(shí)延。比特率：度量信源壓縮率和通信系統(tǒng)性的主要指標(biāo)；話音質(zhì)量：國際流行的MOS 法，5 級評分制；復(fù)雜度：指完成語音編碼所需的加法、乘法的運(yùn)算次數(shù)，一般可用MIPS 表示；處理時(shí)延：復(fù)雜度高處理時(shí)延大。數(shù)據(jù)比特率(bps)數(shù)據(jù)比特率越低壓縮倍數(shù)就越大，可通信的話路數(shù)也就越多，移動通信系統(tǒng)也就越有效。 數(shù)據(jù)比特率降低，語音質(zhì)量也隨之相應(yīng)降低，為了補(bǔ)償質(zhì)量的下降，可采用提高設(shè)備硬件復(fù)雜度和算法軟件復(fù)雜度的辦法。 降低比特速率另一種

9、有效方法是采用可變速率的自適應(yīng)傳輸，它可以大大降低語音的平均傳送率。 還可以進(jìn)一步采用語音激活技術(shù)，充分利用至少3/8的有效空隙，可獲得大致約2.67dB的有效增益。 14語音質(zhì)量 度量方法不外乎客觀與主觀兩個(gè)角度：客觀度量可以采用信噪比、誤碼率、誤幀率，相對而言簡單、可行。 主觀度量是由人耳主觀特性來判斷，比客觀度量復(fù)雜。目前國際上常采用的主觀評判方法稱為MOS方法 。 15復(fù)雜度與處理時(shí)延 語音編碼硬件復(fù)雜度取決于DSP處理能力，而軟件復(fù)雜度則主要體現(xiàn)在算法復(fù)雜度上。算法復(fù)雜度增大，也會帶來更長的運(yùn)算時(shí)間和更大的處理時(shí)延 。如下所示，我們給出幾種已知低數(shù)據(jù)比特率語音編碼的上述四個(gè)參數(shù)與性能

10、比較表格。16 編碼器類型數(shù)據(jù)比特率(Kbps)復(fù)雜度(MIPS)時(shí)延(ms)質(zhì)量(MOS)脈碼調(diào)制PCM640.0104.3自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制ADPCM320.104.1自適應(yīng)子帶編碼161254多脈沖線性預(yù)測編碼810353.5隨機(jī)激勵線性預(yù)測編碼4100353.5線性預(yù)測聲碼器21353.1語音壓縮編碼原理語音壓縮編碼原理波形編碼的基本原理 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)是建立在差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)的基礎(chǔ)上，而DPCM又是建立在脈沖編碼調(diào)制(PCM)的基礎(chǔ)上。 PCM可分為三個(gè)基本步驟：取樣、量化與編碼。 DPCM不直接傳送PCM數(shù)字化信號，而改為傳送其取樣值與預(yù)測值(通過

11、前面樣點(diǎn)值經(jīng)線性預(yù)測求得的)的差值，并將其量化、編碼后傳送。 ADPCM與DPCM原理一樣，主要差別在于ADPCM中的量化器和預(yù)測器引入了自適應(yīng)控制機(jī)制。同時(shí)在譯碼器中多加上一個(gè)同步編碼調(diào)整器，其作用是為了在同步級聯(lián)時(shí)不產(chǎn)生誤差積累。 17ADPCM波形編碼ADPCM是利用樣本與樣本之間的高度相關(guān)性和量化階自適應(yīng)來壓縮數(shù)據(jù)的一種波形編碼技術(shù)。該算法利用了語音信號樣點(diǎn)間的相關(guān)性，并針對語音信號的非平穩(wěn)特點(diǎn)，使用了自適應(yīng)預(yù)測和自適應(yīng)量化，在32kbps/8kHz速率上能夠給出網(wǎng)絡(luò)等級話音質(zhì)量。ADPCM標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)代碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng),它使用ADPCM轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)64Kb/s A律或u律PCM(脈沖編碼調(diào)制

12、)速率和32Kb/s速率之間的相互轉(zhuǎn)換。應(yīng)用：WAV，MP3，G.721等ADPCM基本思想利用自適應(yīng)改變量化階的大小,即使用小的量化階去編碼小的差值,使用大的量化階去編碼大的差值,使用過去的樣本值估算下一個(gè)輸入樣本的預(yù)測值,使實(shí)際樣本值和預(yù)測值之間的差值總是最小。ADPCM記錄的量化值不是每個(gè)采樣點(diǎn)的幅值,而是該點(diǎn)的幅值與前一個(gè)采樣點(diǎn)幅值之差。IMA ADPCM算法對量化步長的調(diào)整使用了簡單的查表方法，對于一個(gè)輸入的PCM值X(n)，將其與前一時(shí)刻的X(n-1)預(yù)測值做差值 得到d(n)，然后根據(jù)當(dāng)前的量化步長對d(n)進(jìn)行編碼，再用此樣點(diǎn)的編碼值調(diào)整量化步長，同時(shí)還要得到當(dāng)前樣點(diǎn)的預(yù)測值供

13、下一樣點(diǎn)編碼使用。ADPCM編碼原理ADPCM編碼原理32Kbps ADPCM編碼原理如下圖所示21ADPCM編碼原理ADPCM解碼原理32Kbps ADPCM譯碼原理如下圖所示23參量編碼的基本原理 參量編碼不直接傳送語音波形，而是傳送產(chǎn)生、激勵語音波形的基本參量。 根據(jù)語音產(chǎn)生機(jī)理，采用下列物理模型：24反映語言特征的主要參數(shù)基音頻率與基金周期：聲帶振動頻率、周期共振峰頻率：聲道的諧振頻率語音強(qiáng)度：濁音/清音判決濁音：有聲音英語元音、漢語韻母清音：無聲音英語多數(shù)輔音、漢語多數(shù)聲母時(shí)變?yōu)V波器的參數(shù)線性預(yù)測編碼LPC分幀處理：1020ms語音分析：基音提取濁音/清音判決，基音周期提取短時(shí)線性分

14、析線性濾波器系數(shù)OR格型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以及增益線性預(yù)測分析：一個(gè)語音抽樣能夠用過去若干個(gè)語音抽樣的線性組合逼近，使在有限時(shí)間內(nèi)的實(shí)際語音抽樣與線性預(yù)測抽樣之間的差值平方最小均方預(yù)測誤差最小。估計(jì)模型參數(shù)的基礎(chǔ)：最小均方誤差準(zhǔn)則。LPC的基本原理典型參量編碼的線性預(yù)測LPC方案如圖所示為了降低LPC的碼率，提高穩(wěn)定性，可采用以下兩種方法：采用一類反射系數(shù)格形算法采用矢量量化技術(shù) 27混合編碼的基本原理 混合編碼是介于波形編碼與參量編碼之間的一種編碼方法，兼有參量編碼低速率與波形編碼的高質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)現(xiàn)混合編碼的基本思想是以參量編碼原理，特別是以LPC原理為基礎(chǔ)，保留參量編碼低速率的優(yōu)點(diǎn)，并適當(dāng)?shù)奈?/p>

15、收波形編碼中能部分反映波形個(gè)性特征的因素。重點(diǎn)改善自然度性能。 改進(jìn)LPC主要從三方面入手：改進(jìn)語音生成物理模型、激勵源結(jié)構(gòu)和合成濾波器結(jié)構(gòu)，提高語音質(zhì)量；改進(jìn)參量量化和傳輸方法，進(jìn)一步壓縮傳輸速率；采用自適應(yīng)技術(shù)，進(jìn)一步解決系統(tǒng)與信源和信道之間的統(tǒng)計(jì)匹配。28 移動通信中的語音編碼移動通信中的語音編碼本節(jié)將結(jié)合第二代(2G)的GSM與IS-95系統(tǒng)以及第三代(3G)的WCDMA和CDMA2000等不同系統(tǒng)所采用的語音編碼具體方案，著重從原理上來闡述移動通信中的語音編碼。GSM系統(tǒng)的RPE-LTP聲碼器采用等間隔，相位與幅度優(yōu)化的規(guī)則脈沖作為激勵源，以便使合成后的波形更接近原始信號。該方案結(jié)合

16、長期預(yù)測以消除信號的冗余度，降低編碼速率，同時(shí)其算法較簡單，計(jì)算量適中且易于硬件實(shí)現(xiàn)。2930GSM系統(tǒng)的系統(tǒng)的RPE-LTP聲碼器原理聲碼器原理REP-LTP編碼器包括下 列五個(gè)部分：預(yù)處理，線性預(yù)測分析，短時(shí)分析濾波，長時(shí)預(yù)測以及規(guī)則脈沖激勵編碼，其編碼器原理如圖所示。 GSM 語音編碼框圖預(yù)處理除去輸入信號中的直流分量，并進(jìn)行高頻分量預(yù)加重。組成：偏移補(bǔ)償和預(yù)加重偏移補(bǔ)償：陷波濾波器高頻分量的預(yù)加重：采用一階FIR 濾波濾波器。目的是更好地進(jìn)行LPC 分分析。LPC 分析分析主要目的是提取LPC 參數(shù)。參數(shù)。分幀：分幀：語音信號在分幀緩沖器中分成不交疊的20ms幀，按幀進(jìn)行處理，每幀16

17、0 個(gè)取樣值。預(yù)測濾波器采用8 階階FIR 格型濾波器；格型濾波器；先算出9 個(gè)自相關(guān)系數(shù)；個(gè)自相關(guān)系數(shù)；然后用Schur 遞歸算法求出遞歸算法求出8 階反射系數(shù)階反射系數(shù)；再變換成對數(shù)面積比系數(shù)（LAR）利用折線進(jìn)行近似，最后對LAR 量化編碼得到量化編碼得到LARc，并將其作為邊信息（，并將其作為邊信息（36bits/20ms）傳）傳給接收端。LARc 還用來經(jīng)解碼后恢復(fù)量化后的反射系還用來經(jīng)解碼后恢復(fù)量化后的反射系數(shù)，供短時(shí)分析濾波器用。，供短時(shí)分析濾波器用。短時(shí)分析濾波目的在于得出短時(shí)殘差信號d：使用預(yù)測濾波器系數(shù)，以5ms 子幀為間子幀為間隔，求出預(yù)測值，并由此產(chǎn)生短時(shí)殘差。首先將量

18、化和編碼后得到LARc 的進(jìn)行譯碼；的進(jìn)行譯碼；然后對當(dāng)前及以前的系數(shù)在5ms 周期內(nèi)進(jìn)行線周期內(nèi)進(jìn)行線性內(nèi)插，以避免不平滑的過渡； 最后經(jīng)內(nèi)插后的LAR再變換成反射系數(shù)再變換成反射系數(shù)上述計(jì)算每20ms 重復(fù)一次，并輸出重復(fù)一次，并輸出4次，產(chǎn)生160 個(gè)預(yù)測殘差信號樣本值個(gè)預(yù)測殘差信號樣本值d，由預(yù)測濾波器輸出。長期預(yù)測（LTP）分析）分析1利用殘差信號的相關(guān)性，每5ms 計(jì)算計(jì)算一次對長期分析濾波器的修正值，使對輸出的殘差信號估值更加精確，進(jìn)一步去除冗余度從重建的激勵信號e中計(jì)算出殘差信號中計(jì)算出殘差信號d的估值d；長期預(yù)測濾波器輸出為增益b 和時(shí)延樣和時(shí)延樣本數(shù)N。b為為b的量化值的量

19、化值。計(jì)算參數(shù)b 和和N 按子幀進(jìn)行，即按子幀進(jìn)行，即5ms 為一個(gè)為一個(gè)子幀（40 個(gè)樣本值），共個(gè)樣本值），共4 個(gè)子幀，個(gè)子幀，20ms 共共產(chǎn)生160 個(gè)長個(gè)長期殘差樣本。期殘差樣本。長期預(yù)測（LTP）分析）分析2長期預(yù)測根據(jù)當(dāng)前子幀的殘差d 及及恢復(fù)出的短時(shí)殘差信號d進(jìn)行預(yù)進(jìn)行預(yù)測：先計(jì)算出40 個(gè)樣本個(gè)樣本d 和和d的互相關(guān)的互相關(guān)值，并由其極大值確定最佳時(shí)延N。增益系數(shù)b 由互相關(guān)值由互相關(guān)值R(N) 和和40個(gè)抽樣值d平平方和之比得出。方和之比得出。N 和和b 最后分別經(jīng)最后分別經(jīng)7 比特及比特及2 比特比特編碼(9bit/5ms)，作為邊信息送，作為邊信息送到解碼器。規(guī)則脈沖

20、激勵（RPE）編碼）編碼1所謂規(guī)則脈沖激勵，就是用短時(shí)殘差估值去選擇位置和幅度都優(yōu)化了的脈沖序列來代替短時(shí)殘差信號，并將所選的RPE 脈沖序列作為激勵脈沖序列作為激勵信號，其相應(yīng)的編碼參數(shù)（RPE 47bit/5ms）輸出至接收端。由此）輸出至接收端。由此可降低計(jì)算量，并具有相當(dāng)好的譯碼話音質(zhì)量。規(guī)則脈沖激勵（RPE）編碼）編碼2將長期預(yù)測得出的余量信號e 進(jìn)行規(guī)則進(jìn)行規(guī)則脈沖序列提取及量化編碼。這里也是按子幀40 個(gè)樣本進(jìn)行處理。個(gè)樣本進(jìn)行處理。e 經(jīng)過加權(quán)濾波器產(chǎn)生加權(quán)信號經(jīng)過加權(quán)濾波器產(chǎn)生加權(quán)信號X，然后在，然后在RPE 序列選擇器中按序列選擇器中按3:1 取樣，得到只含取樣，得到只含1

21、3 個(gè)非零個(gè)非零樣本的樣本的4 個(gè)序列；個(gè)序列；選取其中能量最大的序列為規(guī)則脈沖激勵序列。將其網(wǎng)格位置Mc 及及13 個(gè)非零樣本量個(gè)非零樣本量化編碼的信息送到解碼器。規(guī)則脈沖激勵（RPE）編碼）編碼3非零樣本量化采用ADPCM 方式：方式：先找到最大非零樣本，用6 比特編碼得到比特編碼得到XMAXc，解碼后用它來對解碼后用它來對13 個(gè)非零樣本作個(gè)非零樣本作歸一化處理；每個(gè)歸一化后的樣本值用3 比特編碼產(chǎn)生比特編碼產(chǎn)生XMc；在編碼器中對XMc 也要解碼，在也要解碼，在ADPCM逆量化器中進(jìn)行，以產(chǎn)生量化后的規(guī)則激勵脈沖序列e；e再與長期預(yù)測值再與長期預(yù)測值d相加得到的相加得到的d供下供下一個(gè)子幀長期預(yù)測用。40RPE-LTP編碼器的核心任務(wù)是給接收端傳送一組六個(gè)基本參量M、XM(i)、Xmax、Nj 、bj、LAR(i)。六個(gè)基本參量的信息比特分配如下。 參 數(shù) 數(shù) 量 比特/參數(shù) 比特?cái)?shù) LPC系數(shù)L