語音信號(hào)處理 第4版 第9章 語音編碼 思考題答案

第9章語音編碼思考題答案1、什么叫量化、編碼、解碼?它們是如何實(shí)現(xiàn)的?為什么說在取樣率受限于信號(hào)帶寬時(shí)傳輸數(shù)碼率取決于語音信號(hào)的概率分布?常用的語音信號(hào)的概率函數(shù)是什么?量化：量化是將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)的過程。編碼：編碼是將量化后的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼的過程。解碼：解碼是編碼的逆過程，它將接收到的二進(jìn)制代碼重新轉(zhuǎn)換成原始的模擬信號(hào)。在取樣率受限于信號(hào)帶寬的情況下，傳輸數(shù)碼率取決于語音信號(hào)的概率分布，因?yàn)樾盘?hào)的傳輸效率與信號(hào)中信息的不確定性有關(guān)。如果信號(hào)的概率分布不均勻，那么可以通過優(yōu)化編碼方案來減少對(duì)高概率事件的編碼比特?cái)?shù)，從而提高編碼效率。常用的語音信號(hào)的概率函數(shù)包括：均勻分布、高斯分布、拉普拉斯分布2、什么是信源編碼?信源編碼主要解決什么問題?什么是信道編碼?信道編碼主要解決什么問題?信源編碼和信源解碼統(tǒng)稱為信源編碼。信源編碼主要解決有效性問題，通過對(duì)信源的壓縮、擾亂、加密等一系列處理，力求用最少的數(shù)碼率傳遞最大的信息量，使信號(hào)更適宜傳輸和存儲(chǔ)。信道編碼和信道解碼也統(tǒng)稱為信道編碼。信道編碼主要解決可靠性問題，即盡量使處理過的信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中不出錯(cuò)或者少出錯(cuò)，即使出了錯(cuò)也要能自動(dòng)檢錯(cuò)和盡量糾錯(cuò)。3、語音編碼通常分為哪幾類?波形編碼、參數(shù)編碼與混合編碼各有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?語音編碼可以分為波形編碼、參數(shù)編碼、混合編碼三大類。波形編碼力圖使重建后的語音時(shí)域信號(hào)的波形與原語音信號(hào)波形保持一致，它具有適應(yīng)能力強(qiáng)、語音質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但需要用到的編碼速率高。參數(shù)編碼的優(yōu)點(diǎn)是編碼速率低，可以低到2.4kbit/s甚至以下。其主要問題是合成語音質(zhì)量差，特別是自然度較低；另外對(duì)說話環(huán)境的噪聲較敏感，需要較安靜的環(huán)境才能給出較高的可懂度?；旌暇幋a也是基于語音產(chǎn)生模型的假定并采用了分析合成技術(shù)，但同時(shí)它又利用了語音的時(shí)間波形信息，增強(qiáng)了重建語音的自然度，使得語音質(zhì)量有明顯的提高，代價(jià)是編碼速率相應(yīng)上升，一般在2.4~16kbit/s。4、什么叫PCM的均勻量化和非均勻量化?后者比前者有什么優(yōu)點(diǎn)?常用的有哪幾種非均勻量化方式?PCM的均勻量化：不論信號(hào)幅度的大小，它都采用同等的量化階距進(jìn)行量化，即采用均勻量化。非均勻量化：對(duì)大幅度的樣本使用大的量化階距，對(duì)小幅度的樣本使用小的量化階距，在接收端按此還原。在信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大而方差較小時(shí)，后者信噪比相較于前者要高得多。常用的非均勻量化方式：Ａ律壓縮擴(kuò)張技術(shù)和μ律壓縮擴(kuò)張技術(shù)5、在語音編碼中，如何使用自適應(yīng)技術(shù)?有哪些參數(shù)可以被“自適應(yīng)”?什么叫前饋?zhàn)赃m應(yīng)和反饋?zhàn)赃m應(yīng)?畫出它們的系統(tǒng)框圖。自適應(yīng)PCM（APCM）使量化器的特性自適應(yīng)于輸入信號(hào)的幅值變化，也就是量化間隔Δ匹配于輸入信號(hào)的方差值，或使量化器的增益G隨著幅值而變化，從而使量化前信號(hào)的能量為恒定值?？杀弧白赃m應(yīng)”的參數(shù)：量化間隔Δ(n)、量化器的增益G(n)前饋?zhàn)赃m應(yīng)是指Δ(n)或G(n)是通過對(duì)輸入信號(hào)估計(jì)得到的，而反饋?zhàn)赃m應(yīng)是由估計(jì)量化器的輸出x(n)或編碼器的輸出c(n)系統(tǒng)框圖如下所示：6、子帶編碼的基本思想是什么?它比一般的PCM有什么優(yōu)點(diǎn)?在各子帶內(nèi)，SBC用的是什么編碼方式?什么叫整數(shù)帶取樣法?它能解決什么問題?什么叫二次鏡像濾波法?它又能得到什么好處?畫出SBC-QMF的系統(tǒng)框圖。子帶編碼（SBC）首先使用帶通濾波器組將語音信號(hào)分割成若干個(gè)子頻帶，然后用調(diào)制的方法對(duì)濾波后的信號(hào)即子帶信號(hào)進(jìn)行頻譜平移變成低通信號(hào)（即基帶信號(hào)），以利于降低取樣率進(jìn)行抽??；再利用奈奎斯特速率對(duì)其進(jìn)行取樣，最后再分別進(jìn)行編碼處理。SBC相較于一般的PCM的優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)不同子帶合理地分配比特?cái)?shù)，可以使重建信號(hào)的量化誤差譜適應(yīng)人耳聽覺特性，獲得更好的主觀聽音質(zhì)量。由于語音的基音和共振峰主要集中在低頻段，所以可以給低頻段的子帶分配較多的比特?cái)?shù)。（2）各子帶內(nèi)的量化噪聲相互獨(dú)立，這樣就避免了輸入電平較低的子帶信號(hào)被其他子帶的量化噪聲所淹沒。各子帶內(nèi)，使用調(diào)制用調(diào)制的方法對(duì)濾波后的信號(hào)即子帶信號(hào)進(jìn)行頻譜平移變成低通信號(hào)（即基帶信號(hào)），以利于降低取樣率進(jìn)行抽??；再利用奈奎斯特速率對(duì)其進(jìn)行取樣，最后再分別進(jìn)行編碼處理。整數(shù)帶取樣法：整數(shù)帶分割是指各子帶的下截止頻率fik恰好是該子帶寬度的整數(shù)倍。二次鏡像濾波法：首先將整個(gè)語音帶分成兩個(gè)相等部分而形成子帶的，然后這些子帶被同樣分割以形成４個(gè)子帶。這個(gè)過程可按需要重復(fù)，以產(chǎn)生任何2k個(gè)子帶。采用正交鏡像濾波器技術(shù)，其處理既簡(jiǎn)單又能消除頻譜混疊。SBC-QMF系統(tǒng)框圖如下圖所示：7、什么叫聲碼器?其傳輸數(shù)碼率可低達(dá)多少?目前已研究出哪幾種類型聲碼器?其中最常用的是哪一種?聲碼器：利用參數(shù)編碼實(shí)現(xiàn)語音通信的設(shè)備通常稱為聲碼器。其傳輸數(shù)碼率可低達(dá)2.4kbit/s以下。聲碼器類型：通道聲碼器、共振峰聲碼器、同態(tài)聲碼器、線性預(yù)測(cè)聲碼器最常用的是線性預(yù)測(cè)聲碼器。8、請(qǐng)畫出線性預(yù)測(cè)聲碼器的原理框圖。在LPC聲碼器中，最好的量化參數(shù)是什么?在LPC聲碼器中如何使用矢量量化技術(shù)來進(jìn)一步降低數(shù)碼率?除書中介紹方法之外，還有什么方法嗎?什么叫變幀率LPC聲碼器?線性預(yù)測(cè)聲碼器的原理框圖如下圖所示：LPC聲碼器中，最好的量化參數(shù)是對(duì)數(shù)面積比。使用矢量量化技術(shù)降低數(shù)碼率：如果分別用Pn、Pl表示第ｎ幀和第l幀LPC參數(shù)構(gòu)成的列矢量，那么度量這兩幀參數(shù)變化的最簡(jiǎn)單的方法是求歐氏距離(Pn-Pl)T(Pn-Pl)，或者更一般的歐氏距離(Pn-Pl)TＷ-1(Pn-Pl)。其中Ｗ-1是一個(gè)正定加權(quán)矩陣Ｗ的逆矩陣，Ｗ的引入使得起主要作用的參數(shù)給予較重的權(quán)。矩陣Ｗ應(yīng)由語音信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性決定，而且對(duì)于不同的語音段和講話人都應(yīng)該有不同的選擇。如果該距離超過了某一門限，表明發(fā)生了足夠大的變化，此時(shí)必須傳送新的一幀LPC參數(shù)，否則不需傳送?？梢越柚鼐幋a，如霍夫曼編碼，根據(jù)信號(hào)的概率分布來優(yōu)化編碼長(zhǎng)度，減少平均比特率。變幀率LPC聲碼器：它根據(jù)語音信號(hào)的特性動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼幀的速率。在語音信號(hào)變化不大（如穩(wěn)定元音）時(shí)，可以增加幀與幀之間的間隔，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；而在語音信號(hào)變化劇烈（如輔音或音素過渡）時(shí)，減少幀間隔，以保持語音質(zhì)量。9、什么是碼激勵(lì)聲碼器?有什么優(yōu)缺點(diǎn)?碼激勵(lì)聲碼器是一種語音合成方法，它使用預(yù)先錄制的小型語音片段（稱為碼或激勵(lì)）來合成語音。這些碼通常包括各種語音的基元，如清音、濁音、摩擦音等，它們被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。在合成語音時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)語音合成算法選擇適當(dāng)?shù)拇a，并按照語音的韻律和語調(diào)特征進(jìn)行拼接和調(diào)整，以生成連續(xù)的語音輸出優(yōu)點(diǎn)：（1）高自然度：由于使用的是真實(shí)的語音片段，合成的語音聽起來更自然，更接近真人發(fā)音；（2）靈活性：可以通過調(diào)整碼的組合和拼接方式來控制合成語音的韻律和語調(diào)；（3）易于實(shí)現(xiàn)：相對(duì)于其他復(fù)雜的語音合成方法，碼激勵(lì)聲碼器的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：（1）存儲(chǔ)需求：需要存儲(chǔ)大量的語音碼，這可能導(dǎo)致較高的存儲(chǔ)需求；（2）拼接不自然：在碼之間進(jìn)行拼接時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生不自然的過渡，尤其是在語速較快或語調(diào)變化復(fù)雜的情況下；（3）有限的表達(dá)能力：由于依賴于預(yù)先錄制的語音片段，聲碼器可能難以表達(dá)非常規(guī)的語音或情感。10、混合激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(MELP)的原理是什么?畫出它的系統(tǒng)框圖。原理：混合激勵(lì)由一個(gè)多帶混合模型來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于濁音激勵(lì)源，多帶混合激勵(lì)吸取了多帶激勵(lì)（MBE）語音產(chǎn)生模型的特點(diǎn)，將整個(gè)頻段分成固定的幾個(gè)頻帶，分別控制各頻帶的脈沖和噪聲譜的混合比例，以更好地逼近殘差譜。而對(duì)于清音譜，仍采用平坦的白噪聲譜作為激勵(lì)源。這樣，混合激勵(lì)比較細(xì)致地合成了濁音譜形狀，使合成語音變得較為自然。系統(tǒng)框圖如下：11、現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)語音編碼技術(shù)提出了什么要求?當(dāng)前語音編碼的研究主要致力于解決什么問題?現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)語音編碼技術(shù)提出了以下要求：（1）高效率：隨著通信帶寬的增加和用戶數(shù)量的上升，需要更高效的編碼技術(shù)來處理更多的語音數(shù)據(jù)，同時(shí)減少傳輸所需的帶寬。（2）低延遲：實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，如電話會(huì)議和在線游戲，要求語音編碼技術(shù)具有低延遲特性，以保證通信的實(shí)時(shí)性和交互性。（3）高質(zhì)量：用戶對(duì)語音通信的音質(zhì)要求越來越高，語音編碼技術(shù)需要在保持低比特率的同時(shí)提供高質(zhì)量的語音輸出。（4）魯棒性：通信環(huán)境可能存在各種干擾和噪聲，語音編碼技術(shù)需要具備良好的魯棒性，以確保在惡劣環(huán)境下也能保持穩(wěn)定的性能。（5）靈活性：不同的通信應(yīng)用可能需要不同的編碼參數(shù)和性能指標(biāo)，語音編碼技術(shù)應(yīng)具有靈活性，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。當(dāng)前語音編碼的研究主要致力于解決以下問題：（1）低比特率編碼：研究如何在更低的比特率下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的語音編碼，以減少數(shù)據(jù)傳輸量和存儲(chǔ)需求。（2）噪聲抑制和魯棒性：提高語音編碼技術(shù)在噪聲環(huán)境下的性能，通過算法優(yōu)化減少噪聲對(duì)語音質(zhì)量的影響。（3）可擴(kuò)展性和適應(yīng)性：研究語音編碼算法的可擴(kuò)展性，使其能夠適應(yīng)不同的通信環(huán)境和應(yīng)用需求。（4）感知編碼：基于人類聽覺系統(tǒng)的感知特性，開發(fā)感知編碼技術(shù)，以提高語音的主觀質(zhì)量和用戶滿意度。（5）深度學(xué)習(xí)在語音編碼中的應(yīng)用：探索深度學(xué)習(xí)技術(shù)在語音編碼中的潛力，以實(shí)現(xiàn)更智能、更高效的語音處理。12、基于深度學(xué)習(xí)的語音編碼主要分為哪兩類?它們各自的特點(diǎn)是什么?一類是將深度學(xué)習(xí)技術(shù)與傳統(tǒng)編碼方法結(jié)合，該方法通過深度學(xué)習(xí)算法取代或優(yōu)化傳統(tǒng)編碼方法中的某一模塊，從而使語音編碼性能得到提高。另一類是端到端的語音編碼，該方法采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)編碼的整個(gè)流程，將編碼問題轉(zhuǎn)化為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化問題。13、在傳統(tǒng)語音編碼中應(yīng)用深度學(xué)習(xí)，需要注意什么?能否將傳統(tǒng)語音編碼產(chǎn)生的特征直接輸入深度網(wǎng)絡(luò)?如果不能應(yīng)當(dāng)如何處理?在傳統(tǒng)語音編碼中應(yīng)用深度學(xué)習(xí)，需要注意以下幾點(diǎn)：（1）特征表示：深度學(xué)習(xí)模型，尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)輸入特征的表示非常敏感。傳統(tǒng)語音編碼產(chǎn)生的特征（如LPC系數(shù)、MFCC等）可能需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理或轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)深度學(xué)習(xí)模型的要求。（2）數(shù)據(jù)量和多樣性：深度學(xué)習(xí)模型通常需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)復(fù)雜的模式。因此，確保有足夠的、多樣化的數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練模型是非常重要的。（3）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)于模型的性能至關(guān)重要。這可能包括選擇合適的層數(shù)、每層的神經(jīng)元數(shù)量、激活函數(shù)類型等。對(duì)于語音編碼任務(wù)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）或其變體（如LSTM、GRU）可能是合適的選擇。（4）訓(xùn)練策略：深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練需要仔細(xì)的策略，包括學(xué)習(xí)率的選擇、批大小的設(shè)置、正則化技術(shù)的應(yīng)用等，以防止過擬合和確保模型的泛化能力。（5）損失函數(shù)和評(píng)估指標(biāo)：選擇合適的損失函數(shù)和評(píng)估指標(biāo)對(duì)于訓(xùn)練有效的模型至關(guān)重要。對(duì)于語音編碼，可能需要考慮感知損失函數(shù)，以更好地捕捉人類聽覺系統(tǒng)的感知特性。不能將傳統(tǒng)語音編碼產(chǎn)生的特征直接輸入深度網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)行以下幾種可能的處理：（1）特征轉(zhuǎn)換：將傳統(tǒng)特征轉(zhuǎn)換為深度學(xué)習(xí)模型更容易處理