數(shù)字通信第三章語音信號(hào)的壓縮編碼

1、數(shù)字通信原理與技術(shù)數(shù)字通信原理與技術(shù)LCU1第第3章章語音信號(hào)的壓縮編碼語音信號(hào)的壓縮編碼數(shù)字通信數(shù)字通信LCU2PCM音頻流的碼率是采樣率值音頻流的碼率是采樣率值采樣大小值采樣大小值聲道數(shù)聲道數(shù) bps。 采用采用PCM脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字電話的數(shù)碼率為脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字電話的數(shù)碼率為64kb/s； 視頻視頻:如如320233窗口中，以窗口中，以25幀幀/秒速度播放秒速度播放1分鐘顏色數(shù)為分鐘顏色數(shù)為8bit的視頻信號(hào)，其數(shù)據(jù)量為：的視頻信號(hào)，其數(shù)據(jù)量為： 320 233 82560/(81024 1024) 107(M) 對(duì)一首長(zhǎng)約對(duì)一首長(zhǎng)約4分鐘的歌曲采樣，將其存儲(chǔ)在磁盤上，以分鐘的歌曲采

2、樣，將其存儲(chǔ)在磁盤上，以CD音質(zhì)音質(zhì)的的WAV格式抽樣，抽樣率為格式抽樣，抽樣率為44.1kHz，即每秒鐘接收，即每秒鐘接收44100個(gè)值，個(gè)值，立體聲，每次抽樣數(shù)據(jù)為立體聲，每次抽樣數(shù)據(jù)為16位（位（2字節(jié)），則這首歌占的空間為：字節(jié)），則這首歌占的空間為： 44100 x2聲道聲道x2字節(jié)字節(jié)x60秒秒x4分鐘分鐘=40.4MB 如果下載傳輸率為如果下載傳輸率為56kbps，則下載時(shí)間為：，則下載時(shí)間為： 40.4x106x8/56x103x60= 96分鐘分鐘 即使是即使是1M的寬帶網(wǎng)也需的寬帶網(wǎng)也需5分鐘分鐘以上以上。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU3一、無損壓縮一、無損壓縮 以以香農(nóng)第一定理香

3、農(nóng)第一定理作為理論基礎(chǔ)，即在一定的概率模型下，無損作為理論基礎(chǔ)，即在一定的概率模型下，無損壓縮的編碼長(zhǎng)度不可能小于信息熵。壓縮的編碼長(zhǎng)度不可能小于信息熵。Shannon 編碼編碼-Fano-Huffman編碼編碼 Ziv 和和 Lempel 于于 1977 年發(fā)表題為年發(fā)表題為“順序數(shù)據(jù)壓縮的一個(gè)通用順序數(shù)據(jù)壓縮的一個(gè)通用算法算法”的論文，提出了的論文，提出了 LZ77 算法算法。 LZLZ算法被認(rèn)為是字符串匹配的算法。算法被認(rèn)為是字符串匹配的算法。例如：在一段文本中某字例如：在一段文本中某字符串經(jīng)常出現(xiàn)，并且可以通過前面文本中出現(xiàn)的字符串指針來符串經(jīng)常出現(xiàn)，并且可以通過前面文本中出現(xiàn)的字符串

4、指針來表示。當(dāng)然這個(gè)想法的前提是指針應(yīng)該比字符串本身要短。表示。當(dāng)然這個(gè)想法的前提是指針應(yīng)該比字符串本身要短。 例如，在上一段短語例如，在上一段短語“字符串字符串”經(jīng)常出現(xiàn)，可以將除第一個(gè)字經(jīng)常出現(xiàn)，可以將除第一個(gè)字符串之外的所有用第一個(gè)字符串引用來表示，從而節(jié)省一些空符串之外的所有用第一個(gè)字符串引用來表示，從而節(jié)省一些空間。間。 一個(gè)字符串引用通過下面的方式來表示：一個(gè)字符串引用通過下面的方式來表示： 1 唯一的標(biāo)記唯一的標(biāo)記2 偏移數(shù)量偏移數(shù)量3 字符串長(zhǎng)度字符串長(zhǎng)度類似字典中的頁碼和行號(hào)代替文章中每個(gè)單詞類似字典中的頁碼和行號(hào)代替文章中每個(gè)單詞 應(yīng)用：應(yīng)用： PKZIP 、 WinZIP

5、 、 WinRAR 、 gzip 等壓縮工具等壓縮工具數(shù)字通信數(shù)字通信LCU4二、有損壓縮二、有損壓縮 香農(nóng)第三定理香農(nóng)第三定理- -限失真信源編碼定理限失真信源編碼定理 如果在壓縮這一類圖像數(shù)據(jù)時(shí)允許改變一些不太重要的像素如果在壓縮這一類圖像數(shù)據(jù)時(shí)允許改變一些不太重要的像素值，或者說允許損失一些精度我們就有可能在壓縮效果上獲值，或者說允許損失一些精度我們就有可能在壓縮效果上獲得突破性的進(jìn)展。得突破性的進(jìn)展。 在壓縮通用數(shù)據(jù)時(shí)，我們絕不會(huì)容忍任何精度上的損失，但在壓縮和在壓縮通用數(shù)據(jù)時(shí)，我們絕不會(huì)容忍任何精度上的損失，但在壓縮和顯示一幅數(shù)碼照片時(shí)，如果一片樹林里某些樹葉的顏色稍微變深了一顯示一

6、幅數(shù)碼照片時(shí)，如果一片樹林里某些樹葉的顏色稍微變深了一些，看照片的人通常是察覺不到的些，看照片的人通常是察覺不到的 通過在用戶的忍耐范圍內(nèi)損失一些精度，我們可以把圖像通過在用戶的忍耐范圍內(nèi)損失一些精度，我們可以把圖像（也包括音頻和視頻）壓縮到原大小的（也包括音頻和視頻）壓縮到原大小的十分之一、百分之一十分之一、百分之一甚至千分之一甚至千分之一，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了通用壓縮算法的能力極限。，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了通用壓縮算法的能力極限。-退一步海闊天空退一步海闊天空數(shù)字通信數(shù)字通信LCU52.1 JPEG 在圖像壓縮領(lǐng)域，著名的在圖像壓縮領(lǐng)域，著名的 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)是有損壓縮算標(biāo)準(zhǔn)是有損壓縮算法中的經(jīng)典。法中的經(jīng)

7、典。 JPEG 以以離散余弦變換（離散余弦變換（ DCT ）為核心算法，通過為核心算法，通過調(diào)整質(zhì)量系數(shù)控制圖像的精度和大小。調(diào)整質(zhì)量系數(shù)控制圖像的精度和大小。 對(duì)于照片等連續(xù)變化的灰度或彩色圖像，對(duì)于照片等連續(xù)變化的灰度或彩色圖像， JPEG 在在保證圖像質(zhì)量的前提下，一般可以將圖像壓縮到原保證圖像質(zhì)量的前提下，一般可以將圖像壓縮到原大小的大小的十分之一到二十分之一十分之一到二十分之一。如果不考慮圖像質(zhì)。如果不考慮圖像質(zhì)量，量， JPEG 甚至可以將圖像壓縮到甚至可以將圖像壓縮到“無限小無限小”。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU6YUV顏色模式顏色模式-RGB圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般采用的采樣比例

8、是一般采用的采樣比例是2：1：1或或4：2：2。采。采樣后圖像數(shù)據(jù)量將壓縮為原來的一半。樣后圖像數(shù)據(jù)量將壓縮為原來的一半。DCT（DiscreteConsineTransform）是將圖）是將圖像信號(hào)在頻率域上進(jìn)行變換，分離出高頻像信號(hào)在頻率域上進(jìn)行變換，分離出高頻和低頻信息的處理過程。然后再對(duì)圖像的和低頻信息的處理過程。然后再對(duì)圖像的高頻部分（即圖像細(xì)節(jié)）進(jìn)行壓縮，以達(dá)高頻部分（即圖像細(xì)節(jié)）進(jìn)行壓縮，以達(dá)到壓縮圖像數(shù)據(jù)的目的。變換后得到一個(gè)到壓縮圖像數(shù)據(jù)的目的。變換后得到一個(gè)頻率系數(shù)矩陣，其中的頻率系數(shù)都是浮點(diǎn)頻率系數(shù)矩陣，其中的頻率系數(shù)都是浮點(diǎn)數(shù)。數(shù)。頻率系數(shù)量化頻率系數(shù)量化-整數(shù)。質(zhì)量因

9、子的選取值過大，整數(shù)。質(zhì)量因子的選取值過大，可以大幅度提高壓縮比，但是圖像質(zhì)量就比較可以大幅度提高壓縮比，但是圖像質(zhì)量就比較差；反之，質(zhì)量因子越?。ㄗ钚椴睿环粗?，質(zhì)量因子越?。ㄗ钚?），圖像），圖像重建質(zhì)量越好，但是壓縮比越低。重建質(zhì)量越好，但是壓縮比越低。 編碼采用兩種機(jī)制：一是編碼采用兩種機(jī)制：一是0值的行程長(zhǎng)度編值的行程長(zhǎng)度編碼；二是熵編碼（碼；二是熵編碼（EntropyCoding）。）。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU72.2 mp3 人耳感受聲音的頻率范圍是人耳感受聲音的頻率范圍是20Hz-20kHz，MP3截掉了大量的截掉了大量的冗余信號(hào)和無關(guān)的信號(hào)，編碼器通過混合濾波器組將原始聲冗余

10、信號(hào)和無關(guān)的信號(hào)，編碼器通過混合濾波器組將原始聲音變換到頻率域，利用心理聲學(xué)模型，估算剛好能被察覺到音變換到頻率域，利用心理聲學(xué)模型，估算剛好能被察覺到的噪聲水平，再經(jīng)過量化，轉(zhuǎn)換成的噪聲水平，再經(jīng)過量化，轉(zhuǎn)換成Huffman編碼，形成編碼，形成MP3位流。位流。 MP3音頻壓縮包含音頻壓縮包含編碼編碼和和解碼解碼兩個(gè)部分。編碼是將兩個(gè)部分。編碼是將WAV文件文件中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高壓縮率的位流形式，解碼是接受位流并將中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高壓縮率的位流形式，解碼是接受位流并將其重建到其重建到WAV文件中。文件中。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU8在在MP3編碼中編碼中 ,輸入的數(shù)字音頻信號(hào)即輸入的數(shù)字音頻信號(hào)即

11、PCM采樣信號(hào)進(jìn)入子帶采樣信號(hào)進(jìn)入子帶濾波器組后濾波器組后 ,被分成被分成 32 個(gè)子帶信號(hào)個(gè)子帶信號(hào) MDCT(改進(jìn)離散余弦變換改進(jìn)離散余弦變換)把子帶的輸出在頻域里進(jìn)一步地細(xì)把子帶的輸出在頻域里進(jìn)一步地細(xì)分成分成 18 個(gè)頻線個(gè)頻線 ,這樣共產(chǎn)生這樣共產(chǎn)生 576 個(gè)頻線個(gè)頻線.然后利用然后利用 心理聲學(xué)模心理聲學(xué)模型計(jì)算出子帶信號(hào)的信掩比型計(jì)算出子帶信號(hào)的信掩比 ,根據(jù)這些信掩比決定分配給根據(jù)這些信掩比決定分配給 576個(gè)個(gè)頻線的比特?cái)?shù)頻線的比特?cái)?shù) ,分別對(duì)他們進(jìn)行比特分配和可變步長(zhǎng)量化分別對(duì)他們進(jìn)行比特分配和可變步長(zhǎng)量化.量化量化后的樣值再經(jīng)過無失真的哈夫曼編碼后的樣值再經(jīng)過無失真的哈

12、夫曼編碼 ,以提高編碼效率以提高編碼效率 ,并與比并與比特分配和量化產(chǎn)生的邊信息一起組成一幀數(shù)據(jù)特分配和量化產(chǎn)生的邊信息一起組成一幀數(shù)據(jù).MP3 編碼的一幀數(shù)據(jù)包括兩個(gè)組編碼的一幀數(shù)據(jù)包括兩個(gè)組 ,每組有每組有576個(gè)頻線和與他們個(gè)頻線和與他們相關(guān)的邊信息相關(guān)的邊信息 ,邊信息被存儲(chǔ)在每一幀的幀頭中邊信息被存儲(chǔ)在每一幀的幀頭中.對(duì)這樣一幀一對(duì)這樣一幀一幀組成的比特流幀組成的比特流 ,MP3解碼器可以獨(dú)立的進(jìn)行解碼解碼器可以獨(dú)立的進(jìn)行解碼 ,而不需要額而不需要額外的信息了外的信息了.數(shù)字通信數(shù)字通信LCU9本章內(nèi)容本章內(nèi)容 自適應(yīng)差值脈沖調(diào)制自適應(yīng)差值脈沖調(diào)制 32kbps 增量調(diào)制增量調(diào)制 3

13、2kbps 子帶編碼子帶編碼 16kbps 矢量量化編碼矢量量化編碼* 1.2kbps 參數(shù)編碼參數(shù)編碼 4.8kbps以下以下把數(shù)碼率低于把數(shù)碼率低于64kbps的語音編碼方法稱為的語音編碼方法稱為語音壓縮編碼語音壓縮編碼技術(shù)。技術(shù)。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU10第第1節(jié)節(jié)DPCM學(xué)習(xí)提綱學(xué)習(xí)提綱 （1 1）差分脈沖編碼調(diào)制原理和方框圖，差值信號(hào)、預(yù)測(cè)信）差分脈沖編碼調(diào)制原理和方框圖，差值信號(hào)、預(yù)測(cè)信號(hào)、重建信號(hào)的含義，差分脈沖編碼調(diào)制的編碼增益；號(hào)、重建信號(hào)的含義，差分脈沖編碼調(diào)制的編碼增益； （2 2）線性預(yù)測(cè)原理，極點(diǎn)預(yù)測(cè)和零點(diǎn)預(yù)測(cè)的基本概念和物）線性預(yù)測(cè)原理，極點(diǎn)預(yù)測(cè)和零點(diǎn)預(yù)測(cè)的基本概念

14、和物理意義；理意義； （3 3）自適應(yīng)預(yù)測(cè)和自適應(yīng)量化的基本概念和物理意義。）自適應(yīng)預(yù)測(cè)和自適應(yīng)量化的基本概念和物理意義。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU11一、一、 DPCM的基本原理的基本原理 一般一般PCM對(duì)樣值信號(hào)編碼都是按照樣值幅度獨(dú)立進(jìn)行，每對(duì)樣值信號(hào)編碼都是按照樣值幅度獨(dú)立進(jìn)行，每一編碼碼組允許的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍就是原信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，它一編碼碼組允許的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍就是原信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，它比較大，需要較多編碼位數(shù)。比較大，需要較多編碼位數(shù)。 任何信號(hào)任何信號(hào),不論語音或圖像不論語音或圖像,采用直接采樣采用直接采樣-量化量化-編碼的方式進(jìn)編碼的方式進(jìn)行編碼行編碼,都會(huì)發(fā)現(xiàn)碼組之間具有很強(qiáng)的都會(huì)發(fā)現(xiàn)

15、碼組之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性相關(guān)性. 由于相關(guān)性的存在由于相關(guān)性的存在,傳輸數(shù)據(jù)中存在大量不需要傳輸?shù)男畔鬏敂?shù)據(jù)中存在大量不需要傳輸?shù)男畔?稱為稱為冗余冗余.數(shù)字通信數(shù)字通信LCU12差值脈沖編碼調(diào)制（差值脈沖編碼調(diào)制（DPCM）就是考慮利用信號(hào)相關(guān)性找到）就是考慮利用信號(hào)相關(guān)性找到可以反映信號(hào)變化特征的一個(gè)差值進(jìn)行編碼?？梢苑从承盘?hào)變化特征的一個(gè)差值進(jìn)行編碼。（通過（通過預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)和和差差值編碼值編碼方式來減少冗余方式來減少冗余,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的目的）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的目的） 編碼：編碼： 對(duì)信號(hào)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的差值進(jìn)行量化編碼并傳輸對(duì)信號(hào)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的差值進(jìn)行量化編碼并傳輸. 譯碼：譯碼： 接收端

16、將接收到的差值和恢復(fù)的預(yù)測(cè)值相加得到此次接收端將接收到的差值和恢復(fù)的預(yù)測(cè)值相加得到此次采樣值采樣值. 由于只傳輸動(dòng)態(tài)范圍較小的差值由于只傳輸動(dòng)態(tài)范圍較小的差值,所以編碼的碼組不需太長(zhǎng)所以編碼的碼組不需太長(zhǎng),在在DPCM中中,一般采用一般采用4位位.數(shù)碼率為數(shù)碼率為8k*4bit=32kbps1.差值脈沖編碼調(diào)制（差值脈沖編碼調(diào)制（ Differential Pulse Code Modulation ）的概念）的概念數(shù)字通信數(shù)字通信LCU131）預(yù)測(cè)）預(yù)測(cè):指當(dāng)知道有冗余性（相關(guān)性）信號(hào)的一部分時(shí)就可以對(duì)指當(dāng)知道有冗余性（相關(guān)性）信號(hào)的一部分時(shí)就可以對(duì)其余部分進(jìn)行推斷和估計(jì)。其余部分進(jìn)行推斷和

17、估計(jì)。（通過前幾次的樣值來預(yù)測(cè)后一次（通過前幾次的樣值來預(yù)測(cè)后一次的樣值）的樣值） 假如有一個(gè)信號(hào)假如有一個(gè)信號(hào)x(t),用速率用速率1/TS進(jìn)行采樣，那么進(jìn)行采樣，那么在時(shí)刻在時(shí)刻t=nTs，我們可以掌握此前，我們可以掌握此前N個(gè)樣值序列個(gè)樣值序列 x(nTs-Ts), x(nTs-2Ts),x(nTs-NTs) 根據(jù)前根據(jù)前N個(gè)樣值對(duì)個(gè)樣值對(duì)x(nTs)進(jìn)行預(yù)測(cè)進(jìn)行預(yù)測(cè),定義為定義為:1()()Nsissix nTW x nTiTWi-加權(quán)常數(shù)，可為常數(shù)或變量加權(quán)常數(shù)，可為常數(shù)或變量-x(nTs)的預(yù)測(cè)值。的預(yù)測(cè)值。()sx nT數(shù)字通信數(shù)字通信LCU14預(yù)測(cè)過程可用預(yù)測(cè)過程可用橫截濾波器

18、橫截濾波器實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信數(shù)字通信LCU15 所謂差值脈沖編碼就是所謂差值脈沖編碼就是對(duì)真正樣值對(duì)真正樣值x(nTs)與以過去與以過去樣值為基礎(chǔ)得到的估計(jì)值樣值為基礎(chǔ)得到的估計(jì)值 之間的差值進(jìn)行之間的差值進(jìn)行量化和編碼。量化和編碼。 在每個(gè)抽樣時(shí)刻到來時(shí)，濾波器輸出將會(huì)給出下一在每個(gè)抽樣時(shí)刻到來時(shí)，濾波器輸出將會(huì)給出下一個(gè)樣值的預(yù)測(cè)值。個(gè)樣值的預(yù)測(cè)值。注意：預(yù)測(cè)值與實(shí)際值并不相同。注意：預(yù)測(cè)值與實(shí)際值并不相同。()sx nT數(shù)字通信數(shù)字通信LCU162、DPCM的系統(tǒng)原理框圖的系統(tǒng)原理框圖 后向序貫自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法后向序貫自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法量化后的差值量化后的差值輸入端抽樣信號(hào)輸入端抽樣信號(hào)接收端重

19、建接收端重建信號(hào)信號(hào)預(yù)測(cè)信號(hào)預(yù)測(cè)信號(hào)DPCM輸出碼字輸出碼字差值差值數(shù)字通信數(shù)字通信LCU17編碼器和譯碼器中的預(yù)測(cè)器應(yīng)完全相同。編碼器和譯碼器中的預(yù)測(cè)器應(yīng)完全相同。DPCM的的總量化誤差總量化誤差定義為定義為( )( )( )e nx nx n根據(jù)原理框圖：根據(jù)原理框圖：( )( )( )x nd nx n ( )( )( )d nx nx n 所以有所以有( )( )( )e nd nd nDPCM系統(tǒng)總量化誤差只和差值信號(hào)的量化誤差有關(guān)。系統(tǒng)總量化誤差只和差值信號(hào)的量化誤差有關(guān)。圖圖3.1.3說明了預(yù)測(cè)原理說明了預(yù)測(cè)原理數(shù)字通信數(shù)字通信LCU18舉例：舉例：4-DPCM系統(tǒng)編碼器系統(tǒng)編碼

20、器量化器特性量化器特性3()20()2( )2()03()2qqqqdkTsdkTsd ndkTsdkTs ( )310( )( )01( )00( )3d nd nc nd nd n 試分別畫出試分別畫出 的的c(n)波形波形( )2.7d t 編碼器特性編碼器特性數(shù)字通信數(shù)字通信LCU19線性預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)線性預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可分為可分為極點(diǎn)預(yù)測(cè)器極點(diǎn)預(yù)測(cè)器和和零點(diǎn)預(yù)測(cè)器零點(diǎn)預(yù)測(cè)器兩種兩種（1 1）極點(diǎn)預(yù)測(cè)器極點(diǎn)預(yù)測(cè)器（即采用重建信號(hào)（即采用重建信號(hào) 進(jìn)行的預(yù)測(cè)）進(jìn)行的預(yù)測(cè)）3.3.極點(diǎn)與零點(diǎn)預(yù)測(cè)極點(diǎn)與零點(diǎn)預(yù)測(cè)( )x nP88 圖圖3.1.4設(shè)發(fā)送系統(tǒng)預(yù)測(cè)器傳遞函數(shù)為設(shè)發(fā)送系統(tǒng)預(yù)測(cè)器傳遞函數(shù)為P(Z)

21、1()()Njjjx Za x Z Z1P(Z)=Njjja Z預(yù)測(cè)器傳遞函數(shù)為：+-( )x n( )x n( )d n( )d n1Njjja Z+1( )()Njjx na x nj數(shù)字通信數(shù)字通信LCU20式中式中 是一組預(yù)測(cè)系數(shù)。是一組預(yù)測(cè)系數(shù)。ja 由于重建濾波器傳遞函數(shù)由于重建濾波器傳遞函數(shù)只有極點(diǎn)沒有零點(diǎn)只有極點(diǎn)沒有零點(diǎn),故稱為故稱為全極點(diǎn)預(yù)測(cè)器全極點(diǎn)預(yù)測(cè)器.( )( )( ) ( )x Zd Zx Z P Z重建信號(hào) 1( )1H( )( )(1)Njjjx Zzd Za z重建濾波器的傳函：數(shù)字通信數(shù)字通信LCU21（2 2）零點(diǎn)預(yù)測(cè)器）零點(diǎn)預(yù)測(cè)器（即采用重建信號(hào)（即采用重

22、建信號(hào) 進(jìn)行的預(yù)測(cè)）進(jìn)行的預(yù)測(cè)）( )d nP89 圖圖3.1.51()()Mjjjx Zb d Z Z 重建濾波器的傳遞函數(shù)重建濾波器的傳遞函數(shù)只有零點(diǎn)沒有極點(diǎn)只有零點(diǎn)沒有極點(diǎn)，稱稱為為全零點(diǎn)預(yù)測(cè)器。全零點(diǎn)預(yù)測(cè)器。1( )( )(1)Mjjjx Zd Zb Z重建信號(hào) 1( )H( )1( )Mjjjx Zzb Zd Z 重建濾波器的傳函：1( )()Mjjx nb d nj數(shù)字通信數(shù)字通信LCU22（3）極零點(diǎn)預(yù)測(cè)器（把零點(diǎn)和極點(diǎn)預(yù)測(cè)器組合起來）極零點(diǎn)預(yù)測(cè)器（把零點(diǎn)和極點(diǎn)預(yù)測(cè)器組合起來） P89 圖圖3.1.61111( )()()1H ( )1NMjjjjMjjjNjjjx na x n

23、jb d njb Zza Z重 建 濾 波 器 的 傳 函 ：有零點(diǎn)有極點(diǎn)有零點(diǎn)有極點(diǎn),稱為稱為極零點(diǎn)預(yù)測(cè)器極零點(diǎn)預(yù)測(cè)器數(shù)字通信數(shù)字通信LCU23系統(tǒng)信噪比定義為：系統(tǒng)信噪比定義為：22()()E xnSN RE en=)()()()(2222neEndEndEnxE=qPSNRG 預(yù)測(cè)器增益預(yù)測(cè)器增益量化器的量化量化器的量化信噪比信噪比GP1預(yù)測(cè)器有預(yù)測(cè)器有增益增益加預(yù)測(cè)器后加預(yù)測(cè)器后反而不利反而不利2x2d2e4.4.預(yù)測(cè)增益預(yù)測(cè)增益數(shù)字通信數(shù)字通信LCU24 要使信號(hào)總信噪比大要使信號(hào)總信噪比大,就要使預(yù)測(cè)增益大就要使預(yù)測(cè)增益大,也就也就是使差值是使差值d(n)減小，增加預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性；同

24、時(shí)還要求減小，增加預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性；同時(shí)還要求降低降低e(n)，達(dá)到最佳量化，達(dá)到最佳量化. 只有采用自適應(yīng)系統(tǒng)，才能得到最佳性能。只有采用自適應(yīng)系統(tǒng)，才能得到最佳性能。有自適應(yīng)系統(tǒng)的有自適應(yīng)系統(tǒng)的DPCM稱為稱為ADPCM(自適應(yīng)差值脈碼自適應(yīng)差值脈碼調(diào)制調(diào)制)數(shù)字通信數(shù)字通信LCU25二、二、 自適應(yīng)量化自適應(yīng)量化 1、最佳量化、最佳量化 用用均方誤差均方誤差D衡量量化器對(duì)衡量量化器對(duì)x帶來的損傷帶來的損傷 使使D最小的量化特性為最小的量化特性為最佳量化特性最佳量化特性 y(n)有有N個(gè)可能的取值，可變?yōu)閭€(gè)可能的取值，可變?yōu)?2 ( ) ( )( ) DEe nEy nx n21( )( )

25、NkkDEy nx n121() ( )kkNxkxkyx p x dx數(shù)字通信數(shù)字通信LCU26說明：說明：1）最佳判決電平在相鄰量化電平中心上）最佳判決電平在相鄰量化電平中心上 2）量化電平在相應(yīng)間隔的功率密度函數(shù)的重）量化電平在相應(yīng)間隔的功率密度函數(shù)的重 心上心上max0min,Nxxxx11( )1,2,.,( )kkkkxxkxxxp x dxykNp x dx0kkDDxy可得11,2,.12kkkyyxkN 數(shù)字通信數(shù)字通信LCU27高斯分布，非均勻量化器最佳值高斯分布，非均勻量化器最佳值N=8xkoptykopt00.2640.510.7561.051.3441.7482.15

26、2數(shù)字通信數(shù)字通信LCU28介紹以下兩種方式：介紹以下兩種方式： 1）前向自適應(yīng)量化：）前向自適應(yīng)量化： 嚴(yán)格根據(jù)嚴(yán)格根據(jù)輸入方差輸入方差確定量化器分級(jí)判決電平確定量化器分級(jí)判決電平xk與量化器的量化電平與量化器的量化電平y(tǒng)k值，稱為前向自適應(yīng)。值，稱為前向自適應(yīng)。 這種方法在實(shí)時(shí)系統(tǒng)不易實(shí)現(xiàn)。這種方法在實(shí)時(shí)系統(tǒng)不易實(shí)現(xiàn)。2.自適應(yīng)量化自適應(yīng)量化 自適應(yīng)量化指自適應(yīng)量化指量化器的量化間隔（階距）能隨信號(hào)量化器的量化間隔（階距）能隨信號(hào)的瞬時(shí)值作自適應(yīng)調(diào)整的瞬時(shí)值作自適應(yīng)調(diào)整,以達(dá)到最佳量化。以達(dá)到最佳量化。 為使量化器始終處于最佳狀態(tài)或接近最佳狀態(tài)，量為使量化器始終處于最佳狀態(tài)或接近最佳狀態(tài)，

27、量化器參數(shù)（化器參數(shù)（量化電平量化電平y(tǒng)k、分級(jí)判決電平、分級(jí)判決電平xk、量、量階階 ）能夠自適應(yīng)差值信號(hào)）能夠自適應(yīng)差值信號(hào)d(n)變化。變化。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU292）后向自適應(yīng)量化）后向自適應(yīng)量化 根據(jù)前一時(shí)刻的輸出數(shù)字碼根據(jù)前一時(shí)刻的輸出數(shù)字碼C(n-1)或量化器輸出值或量化器輸出值y(n-1)來確定本次來確定本次x(n)與與y(n)稱為后向自適應(yīng)。稱為后向自適應(yīng)。 Jayant提出的一碼字后向自適應(yīng)算法：根據(jù)離量提出的一碼字后向自適應(yīng)算法：根據(jù)離量化器最近的化器最近的Rbit碼字，確定現(xiàn)在的量階碼字，確定現(xiàn)在的量階 (n)。(1)(1)(1)2(1)1,3,5.21Rny nI

28、 nI n其中已知：已知：( )| (1)|(1)nMI nn下一量階下一量階（n-1）時(shí)刻）時(shí)刻 幅度幅度I的的函數(shù)，與此時(shí)量化函數(shù)，與此時(shí)量化電平有關(guān)電平有關(guān)現(xiàn)在量階現(xiàn)在量階數(shù)字通信數(shù)字通信LCU30為解決誤碼擴(kuò)散為解決誤碼擴(kuò)散問題問題,因此采用修正式因此采用修正式:( )| (1)|(1)nM I nn -衰減因子（抗誤碼因子）衰減因子（抗誤碼因子）-量化間隔調(diào)整因子量化間隔調(diào)整因子| (1)|MI n圖圖3.1.8R=3M10.9M20.9M31.25M41.757(1)25(1)2(1).5(1)27(1)2nny nnn 數(shù)字通信數(shù)字通信LCU311、最佳線性預(yù)測(cè)器、最佳線性預(yù)測(cè)器

29、 預(yù)測(cè)器具有一組預(yù)測(cè)系數(shù)預(yù)測(cè)器具有一組預(yù)測(cè)系數(shù) , ,怎樣選擇這一怎樣選擇這一組數(shù)據(jù)，使組數(shù)據(jù)，使預(yù)測(cè)值更接近實(shí)際值預(yù)測(cè)值更接近實(shí)際值，使差值功率使差值功率Ed2 (n) 最小最小，實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)GP和和SNR的最大，是最佳預(yù)測(cè)器所要解決的最大，是最佳預(yù)測(cè)器所要解決的問題。的問題。jbja三、三、 自適應(yīng)預(yù)測(cè)自適應(yīng)預(yù)測(cè)數(shù)字通信數(shù)字通信LCU321）一階固定線性預(yù)測(cè)）一階固定線性預(yù)測(cè) 假定一階預(yù)測(cè)，即假定一階預(yù)測(cè)，即 , ,1N 1( )( )( )( )(1)d nx nx nx nh x n222211 1( )(12)dxE dnhp h1122min1optdxhpp 22110ddhh令，

30、可以求得最佳 ，使得最小12 ( ) (1)( )E x n x npE xn數(shù)字通信數(shù)字通信LCU3322 ( ) (2)( )E x n x npE xn2)二階固定預(yù)測(cè)器二階固定預(yù)測(cè)器 12( )( )(1)(2)d nx nh x nh x n22( )dE dn222212min121()1dxpppp21221122211(1)()(1)(1)optoptpppphhpp除去除去 之外，二階預(yù)測(cè)的誤差總比一之外，二階預(yù)測(cè)的誤差總比一階預(yù)測(cè)的小階預(yù)測(cè)的小 212pp222121200dddhhhh令，可以求得最佳 ， ，使得最小數(shù)字通信數(shù)字通信LCU348KHz抽樣的語音信號(hào)的相關(guān)系

31、數(shù)抽樣的語音信號(hào)的相關(guān)系數(shù)p01.00p10.79p20.38p30.05p4-0.08p5-0.16數(shù)字通信數(shù)字通信LCU35求偏微分，并令為零求偏微分，并令為零2221( ) ( )( ) ( )() NjjE dnEx nx nEx nh x nj2( )01,2,.jE dnjNh3)N階最佳線性預(yù)測(cè)階最佳線性預(yù)測(cè) 最佳線性預(yù)測(cè)器是最佳線性預(yù)測(cè)器是均方預(yù)測(cè)誤差最小均方預(yù)測(cè)誤差最小的預(yù)測(cè)器，的預(yù)測(cè)器，可獲得最大預(yù)測(cè)增益可獲得最大預(yù)測(cè)增益GP和最大信噪比。和最大信噪比。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU36所以得到一組線性方程所以得到一組線性方程12(1)(0)(1).(1)(2)(1)(0).(2)

32、.(1) (2) .(0)()optoptNoptRhRRR NRhRRR NR NR NRhR N 1optxxxxhRr數(shù)字通信數(shù)字通信LCU37 差值信號(hào)在差值信號(hào)在預(yù)測(cè)系數(shù)取最佳值時(shí)預(yù)測(cè)系數(shù)取最佳值時(shí)最小，有最小，有12(1)(0)(1).(1)(2)(1)(0).(2).,.(1) (2) .(0)()optoptxxxxopthRRRR NhRRRR NR NR NRR N rRh其中.Nopth最佳預(yù)測(cè)增益最佳預(yù)測(cè)增益2221( )1( )( )1( )PoptNjoptiE xnGRjE dnhE xn( ) ( ) ()1,2,.1R jE x n x njjN數(shù)字通信數(shù)字通

33、信LCU384)GP與預(yù)測(cè)階數(shù)的關(guān)系與預(yù)測(cè)階數(shù)的關(guān)系 預(yù)測(cè)通常要選用前多少次的樣值來參與，見下圖預(yù)測(cè)通常要選用前多少次的樣值來參與，見下圖 當(dāng)階數(shù)大于當(dāng)階數(shù)大于2時(shí)，最佳預(yù)測(cè)增益就趨于飽和，時(shí)，最佳預(yù)測(cè)增益就趨于飽和，飽和值一般為飽和值一般為6-12dB數(shù)字通信數(shù)字通信LCU392、 自適應(yīng)預(yù)測(cè)自適應(yīng)預(yù)測(cè) 為了獲得最大的預(yù)測(cè)增益為了獲得最大的預(yù)測(cè)增益,通常采用通常采用自適應(yīng)預(yù)測(cè)自適應(yīng)預(yù)測(cè)方方式式,預(yù)測(cè)系數(shù)在預(yù)測(cè)過程中實(shí)時(shí)調(diào)整預(yù)測(cè)系數(shù)在預(yù)測(cè)過程中實(shí)時(shí)調(diào)整.l 前向自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法前向自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法l后向序貫自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法后向序貫自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法 最佳預(yù)測(cè)系數(shù)是根據(jù)量化后的編碼數(shù)據(jù)最佳預(yù)測(cè)系數(shù)是根據(jù)量

34、化后的編碼數(shù)據(jù)x(n)進(jìn)行估值，可進(jìn)行估值，可以快速修正系數(shù)。如果由一個(gè)樣值至一個(gè)樣值逐個(gè)修正則稱為以快速修正系數(shù)。如果由一個(gè)樣值至一個(gè)樣值逐個(gè)修正則稱為序貫后向自適應(yīng)預(yù)測(cè)序貫后向自適應(yīng)預(yù)測(cè)。推導(dǎo)過程：搜索底部頂點(diǎn)的過程（利用梯度），圖推導(dǎo)過程：搜索底部頂點(diǎn)的過程（利用梯度），圖3.1.10數(shù)字通信數(shù)字通信LCU402(1)( )( )/2snnn hhd梯度法中，按樣值順序逐個(gè)重新調(diào)整梯度法中，按樣值順序逐個(gè)重新調(diào)整n時(shí)刻給定時(shí)刻給定的矢量的矢量h(n),每次的調(diào)整量正比于梯度估值的負(fù)數(shù)。每次的調(diào)整量正比于梯度估值的負(fù)數(shù)。 均方差期望梯度均方差期望梯度估值矢量估值矢量調(diào)整步長(zhǎng)，常數(shù)調(diào)整步長(zhǎng)，

35、常數(shù)數(shù)字通信數(shù)字通信LCU41四、四、32kbit/s的的ADPCM編譯碼系統(tǒng)編譯碼系統(tǒng) ADPCM主要改進(jìn)：量化器和預(yù)測(cè)器均采用自主要改進(jìn)：量化器和預(yù)測(cè)器均采用自適應(yīng)方式，使量化器和預(yù)測(cè)器的參數(shù)能隨輸適應(yīng)方式，使量化器和預(yù)測(cè)器的參數(shù)能隨輸入信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性自適應(yīng)于最佳或接近于最入信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性自適應(yīng)于最佳或接近于最佳參數(shù)狀態(tài)。佳參數(shù)狀態(tài)。 ADPCM編譯碼器原理框圖編譯碼器原理框圖 P99數(shù)字通信數(shù)字通信LCU42 自適應(yīng)量化自適應(yīng)量化 自適應(yīng)預(yù)測(cè)自適應(yīng)預(yù)測(cè)（6個(gè)零點(diǎn)和個(gè)零點(diǎn)和2個(gè)極點(diǎn)）個(gè)極點(diǎn)）數(shù)字通信數(shù)字通信LCU43數(shù)字通信原理與技術(shù)數(shù)字通信原理與技術(shù)LCU443.2 增量調(diào)制增量調(diào)制 M

36、數(shù)字通信數(shù)字通信LCU45單元概述 增量調(diào)制可以看成是增量調(diào)制可以看成是DPCM的一種特例。的一種特例。 簡(jiǎn)單增量調(diào)制存在斜率過載問題和顆粒噪聲問題，簡(jiǎn)單增量調(diào)制存在斜率過載問題和顆粒噪聲問題，因而演變出因而演變出自適應(yīng)增量調(diào)制自適應(yīng)增量調(diào)制和和音節(jié)壓擴(kuò)自適應(yīng)調(diào)音節(jié)壓擴(kuò)自適應(yīng)調(diào)制。制。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU46單元學(xué)習(xí)提綱 （1）簡(jiǎn)單增量調(diào)制）簡(jiǎn)單增量調(diào)制(M)原理，預(yù)測(cè)信號(hào)、重建信原理，預(yù)測(cè)信號(hào)、重建信號(hào)、量化器輸出電平、量化噪聲、斜率過載的概號(hào)、量化器輸出電平、量化噪聲、斜率過載的概念；念； （2）簡(jiǎn)單增量調(diào)制抽樣周期、量階與信號(hào)的關(guān)系；）簡(jiǎn)單增量調(diào)制抽樣周期、量階與信號(hào)的關(guān)系； （3）A

37、DM、CVSD原理；原理； 數(shù)字通信數(shù)字通信LCU471 1、簡(jiǎn)單增量調(diào)制的原理、簡(jiǎn)單增量調(diào)制的原理 M可以看成是可以看成是DPCM的一種特例，也稱為的一種特例，也稱為1bit量量化的差值編碼?；牟钪稻幋a。 量化器把預(yù)測(cè)差值量化器把預(yù)測(cè)差值d(n)僅量化成僅量化成+1或或-1，預(yù)測(cè)器，預(yù)測(cè)器常用常用一階預(yù)測(cè)一階預(yù)測(cè)，用積分器實(shí)現(xiàn)。，用積分器實(shí)現(xiàn)。 它只用一位二進(jìn)制碼表示幅度量化，這一位碼它只用一位二進(jìn)制碼表示幅度量化，這一位碼表示的是前后抽樣值的變化趨勢(shì)（增加或減小，稱表示的是前后抽樣值的變化趨勢(shì)（增加或減小，稱為增量），故稱為為增量），故稱為增量調(diào)制。增量調(diào)制。 為減小量化誤差，增量調(diào)制為

38、減小量化誤差，增量調(diào)制必須采用比必須采用比PCM高高很多的抽樣頻率很多的抽樣頻率。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU48編碼電路如圖所示：編碼電路如圖所示：1)預(yù)測(cè)：取前一次的重建值，預(yù)測(cè)：取前一次的重建值，a1=1，稱為一階預(yù)測(cè)，稱為一階預(yù)測(cè)器。器。( )(1)x nx n數(shù)字通信數(shù)字通信LCU492）量化）量化 若差值信號(hào)若差值信號(hào)d(n)大于零大于零（本次樣值大于預(yù)測(cè)值）（本次樣值大于預(yù)測(cè)值）( )d n ( ) 0c n 若差值信號(hào)若差值信號(hào)d(n)小于零小于零（本次樣值小于（本次樣值小于預(yù)測(cè)值預(yù)測(cè)值）( ) 1c n ( )( )( )( )(1)d nx nx nx nx n( )d n (

39、)( )( )sgn ( )d nb nb nd n數(shù)字通信數(shù)字通信LCU50數(shù)字通信數(shù)字通信LCU51顯然，顯然， 可看作可看作 和和 的累加和。的累加和。( )x n(1)x n1( )(1)(1)x na x nx n( )( )( )(1)( )x nx nd nx nb n 因?yàn)橐驗(yàn)榈玫降玫?）重建信號(hào)）重建信號(hào)數(shù)字通信數(shù)字通信LCU52 增量調(diào)制的基本思想是用一個(gè)增量調(diào)制的基本思想是用一個(gè)階梯波階梯波去逼近一個(gè)模擬信號(hào)，去逼近一個(gè)模擬信號(hào)，如圖所示。如圖所示。如果抽樣頻率足夠高，臺(tái)階電壓足夠小，則階梯波形如果抽樣頻率足夠高，臺(tái)階電壓足夠小，則階梯波形 近似為近似為 ，而上升臺(tái)階和下

40、降臺(tái)階的二進(jìn)制代碼分別，而上升臺(tái)階和下降臺(tái)階的二進(jìn)制代碼分別用用“0和和“1表示。表示。( )qm t( )m t數(shù)字通信數(shù)字通信LCU534）如要求）如要求 準(zhǔn)確跟蹤準(zhǔn)確跟蹤x(n)，需要滿足，需要滿足( )x nmax( )sdx nTdt M存在存在斜率過載斜率過載問題問題: 當(dāng)采樣周期決定的固有斜率當(dāng)采樣周期決定的固有斜率 /TS比輸入信號(hào)的斜率比輸入信號(hào)的斜率小時(shí)小時(shí),固定量階的積分跟不上輸入信號(hào)幅度變化時(shí)固定量階的積分跟不上輸入信號(hào)幅度變化時(shí),將產(chǎn)將產(chǎn)生生斜率過載斜率過載或或過載噪聲過載噪聲.max( )sdx nTdt若數(shù)字通信數(shù)字通信LCU54 在信號(hào)變化比較緩慢的區(qū)域內(nèi)，編碼

41、后得到的序列在信號(hào)變化比較緩慢的區(qū)域內(nèi)，編碼后得到的序列會(huì)是會(huì)是“1”和和“0”交替變化交替變化的，這種現(xiàn)象稱為的，這種現(xiàn)象稱為顆粒噪顆粒噪聲聲。失真的大小與信號(hào)的性質(zhì)、量階大小、抽樣頻失真的大小與信號(hào)的性質(zhì)、量階大小、抽樣頻率有關(guān)。率有關(guān)。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU55數(shù)字通信數(shù)字通信LCU565）其接收解調(diào)原理圖如：）其接收解調(diào)原理圖如：數(shù)字通信數(shù)字通信LCU572 2、數(shù)字壓擴(kuò)自適應(yīng)增量調(diào)制、數(shù)字壓擴(kuò)自適應(yīng)增量調(diào)制 簡(jiǎn)單增量調(diào)制有兩大問題簡(jiǎn)單增量調(diào)制有兩大問題 1、信號(hào)頻率高，量階相對(duì)小，量化跟不上變化，、信號(hào)頻率高，量階相對(duì)小，量化跟不上變化，產(chǎn)生過載失真。產(chǎn)生過載失真。 2、信號(hào)頻率低，

42、量階相對(duì)大，產(chǎn)生量化失真、信號(hào)頻率低，量階相對(duì)大，產(chǎn)生量化失真（顆粒噪聲）。（顆粒噪聲）。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU58瞬時(shí)壓擴(kuò)增量調(diào)制瞬時(shí)壓擴(kuò)增量調(diào)制ADM( )( )d nn ( ) 0c n ( ) 1c n ( )( )d nn 階距信息階距信息 無論在發(fā)送端還是在接收端，都是從碼字序列中無論在發(fā)送端還是在接收端，都是從碼字序列中提取的，其大小由提取的，其大小由自適應(yīng)邏輯部分自適應(yīng)邏輯部分控制，即碼字信號(hào)經(jīng)階距控制，即碼字信號(hào)經(jīng)階距邏輯系統(tǒng)后調(diào)整邏輯系統(tǒng)后調(diào)整 的大小。圖的大小。圖3.2.3( )n( )n( )(1)npnp為為c(n)和和c(n-1)二者的函數(shù)二者的函數(shù)P114 圖圖3

43、.2.4數(shù)字通信數(shù)字通信LCU59連續(xù)可變連續(xù)可變斜率增量調(diào)制斜率增量調(diào)制音節(jié)：音節(jié)：指信號(hào)幅度包絡(luò)的變化周期，對(duì)于語音指信號(hào)幅度包絡(luò)的變化周期，對(duì)于語音信號(hào)，就是音量變化的周期。信號(hào)，就是音量變化的周期。音節(jié)壓擴(kuò)：音節(jié)壓擴(kuò)：使量階使量階(n)隨著每個(gè)音節(jié)時(shí)間間隔內(nèi)的隨著每個(gè)音節(jié)時(shí)間間隔內(nèi)的 信號(hào)平均斜率變化，稱為連續(xù)可變斜率信號(hào)平均斜率變化，稱為連續(xù)可變斜率 增量調(diào)制增量調(diào)制 數(shù)字通信數(shù)字通信LCU60比較器：比較器：使帶限的語音信號(hào)與預(yù)測(cè)濾波器輸出的預(yù)測(cè)使帶限的語音信號(hào)與預(yù)測(cè)濾波器輸出的預(yù)測(cè) 信號(hào)之間產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)信號(hào)之間產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)量化器：量化器：階距受一音節(jié)壓擴(kuò)器的控制。階距受一

44、音節(jié)壓擴(kuò)器的控制。壓擴(kuò)器：壓擴(kuò)器：檢測(cè)到連續(xù)檢測(cè)到連續(xù)3個(gè)或個(gè)或4個(gè)個(gè)1或或0的碼元，產(chǎn)生一個(gè)的碼元，產(chǎn)生一個(gè)V 伏脈沖，激勵(lì)音節(jié)濾波器；否則無脈沖伏脈沖，激勵(lì)音節(jié)濾波器；否則無脈沖預(yù)測(cè)器：預(yù)測(cè)器：一個(gè)在一個(gè)在16Hz以上具有以上具有3dB衰減的積分器衰減的積分器CVSD原理圖原理圖CVSD主要組成部分主要組成部分?jǐn)?shù)字通信數(shù)字通信LCU61數(shù)字通信數(shù)字通信LCU62 1、檢測(cè)編碼輸出信號(hào)的連、檢測(cè)編碼輸出信號(hào)的連“1”或連或連“0”，連，連“1”過多或連過多或連“0”過多，說明信號(hào)的斜率大。過多，說明信號(hào)的斜率大。 2、將所檢出的脈沖送入平滑電路（積分器，、將所檢出的脈沖送入平滑電路（積分器，

45、時(shí)常數(shù)為時(shí)常數(shù)為5-20ms)，產(chǎn)生一緩慢變化電壓，這個(gè)電，產(chǎn)生一緩慢變化電壓，這個(gè)電壓與語音信號(hào)的平均斜率成正比。壓與語音信號(hào)的平均斜率成正比。 3、將這個(gè)電壓對(duì)輸入脈沖串進(jìn)行調(diào)幅，當(dāng)連碼、將這個(gè)電壓對(duì)輸入脈沖串進(jìn)行調(diào)幅，當(dāng)連碼多導(dǎo)致平滑電路輸出電平高（輸入信號(hào)斜率大），調(diào)多導(dǎo)致平滑電路輸出電平高（輸入信號(hào)斜率大），調(diào)幅器輸出信號(hào)大，擴(kuò)張了量化電平。幅器輸出信號(hào)大，擴(kuò)張了量化電平。CVSD原理圖原理圖數(shù)字通信數(shù)字通信LCU63(1)( )(1) ( ) ( )x nax nan c n( )sgn ( )( )c nx nx n輸出數(shù)碼；a 漏泄常數(shù)；( )x nn第 個(gè)輸入抽樣值；( )n

46、n第 個(gè)階距，它是通過音節(jié)壓擴(kuò)產(chǎn)生的。 V-編碼器產(chǎn)生了編碼器產(chǎn)生了3個(gè)或個(gè)或4個(gè)連續(xù)個(gè)連續(xù)1或或0碼元時(shí)，自適應(yīng)邏輯碼元時(shí)，自適應(yīng)邏輯 的輸出電壓值的輸出電壓值 V1-加到加到V上的一個(gè)恒定電壓，以保證最小階距不是零上的一個(gè)恒定電壓，以保證最小階距不是零 音節(jié)濾波器的系數(shù)音節(jié)濾波器的系數(shù) 算法公式：算法公式：1(1)( )(1)()nnVV數(shù)字通信數(shù)字通信LCU64數(shù)字壓擴(kuò)增量調(diào)制對(duì)信噪比的改進(jìn)情況如圖所示數(shù)字壓擴(kuò)增量調(diào)制對(duì)信噪比的改進(jìn)情況如圖所示數(shù)字通信原理與技術(shù)數(shù)字通信原理與技術(shù)LCU65四、四、 子帶編碼子帶編碼數(shù)字通信數(shù)字通信LCU66單元學(xué)習(xí)提綱 （1）子帶編碼原理；）子帶編碼原理

47、； （2）子帶傳輸速率的計(jì)算；）子帶傳輸速率的計(jì)算； （3）子帶的劃分方法；）子帶的劃分方法； （4）正交鏡象濾波器）正交鏡象濾波器 數(shù)字通信數(shù)字通信LCU671 1、子帶編碼原理、子帶編碼原理 子帶編碼（子帶編碼（SBC，Sub-band Coding）是一種在）是一種在頻率頻率域域中進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的方法。中進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的方法。 在子帶編碼中，首先用一組帶通濾波器將輸入信號(hào)分在子帶編碼中，首先用一組帶通濾波器將輸入信號(hào)分成若干個(gè)在不同頻段上的子帶信號(hào)成若干個(gè)在不同頻段上的子帶信號(hào); 然后將這些子帶信號(hào)經(jīng)過頻率搬移轉(zhuǎn)變成基帶信號(hào)，然后將這些子帶信號(hào)經(jīng)過頻率搬移轉(zhuǎn)變成基帶信號(hào)，再對(duì)它們?cè)谀慰固厮?/p>

48、率上分別重新取樣。再對(duì)它們?cè)谀慰固厮俾噬戏謩e重新取樣。 每個(gè)子帶取樣后的信號(hào)經(jīng)過單獨(dú)的自適應(yīng)每個(gè)子帶取樣后的信號(hào)經(jīng)過單獨(dú)的自適應(yīng)PCM編碼，編碼，并合并成一個(gè)總的碼流傳送給接收端。并合并成一個(gè)總的碼流傳送給接收端。 數(shù)字通信數(shù)字通信LCU68編碼器編碼器APCM工作原理圖工作原理圖數(shù)字通信數(shù)字通信LCU69 在接收端，首先把碼流分成與原來的各子帶信號(hào)相對(duì)在接收端，首先把碼流分成與原來的各子帶信號(hào)相對(duì)應(yīng)的子帶碼流，然后解碼、將頻譜搬移至原來的位置，應(yīng)的子帶碼流，然后解碼、將頻譜搬移至原來的位置，最后經(jīng)帶通濾波、相加，得到重建的信號(hào)。最后經(jīng)帶通濾波、相加，得到重建的信號(hào)。解碼器解碼器數(shù)字通信數(shù)字

49、通信LCU70對(duì)每個(gè)子帶分別編碼的好處對(duì)每個(gè)子帶分別編碼的好處（1 1）可以利用人耳（或人眼）對(duì)不同頻率信號(hào)的感知）可以利用人耳（或人眼）對(duì)不同頻率信號(hào)的感知靈敏度不同的特性，在人的聽覺（或視覺）不敏感的靈敏度不同的特性，在人的聽覺（或視覺）不敏感的頻段采用較粗糙的量化，從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。頻段采用較粗糙的量化，從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。 例如：例如：音調(diào)和共振峰音調(diào)和共振峰，用較小的量化階、較多的量，用較小的量化階、較多的量化級(jí)數(shù)，即分配較多的比特?cái)?shù)來表示樣本值?；?jí)數(shù)，即分配較多的比特?cái)?shù)來表示樣本值。 而而話音中的摩擦音和類似噪聲的聲音話音中的摩擦音和類似噪聲的聲音，通常出現(xiàn)在，通常出現(xiàn)

50、在高頻子帶中，用較大量化階距，分配較少的比特?cái)?shù)。高頻子帶中，用較大量化階距，分配較少的比特?cái)?shù)。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU71 （2 2）每個(gè)子帶使用獨(dú)立的量化階距，這就可以避免）每個(gè)子帶使用獨(dú)立的量化階距，這就可以避免能量較小的頻帶內(nèi)的信號(hào)被其他頻帶中的量化噪聲所能量較小的頻帶內(nèi)的信號(hào)被其他頻帶中的量化噪聲所掩蓋。掩蓋。 （3 3）通過頻帶分裂，各個(gè)子帶的取樣頻率可以成倍）通過頻帶分裂，各個(gè)子帶的取樣頻率可以成倍下降。下降。16kbps SBC26.5kbps ADPCM9.6kbps SBC19kbps ADMMp3編碼器編碼器數(shù)字通信數(shù)字通信LCU722 2、傳輸速率、傳輸速率 在子帶編碼中，

51、若各個(gè)子帶的帶寬在子帶編碼中，若各個(gè)子帶的帶寬Wk是相同的，則是相同的，則稱為稱為等帶寬子帶編碼等帶寬子帶編碼，否則，稱為，否則，稱為變帶寬子帶編碼變帶寬子帶編碼。 1/MskkkIf Rbit s/22/kskkMfM 假設(shè)每個(gè)子帶波形抽樣為假設(shè)每個(gè)子帶波形抽樣為fsk,每個(gè)抽樣用每個(gè)抽樣用Rk比特編比特編碼，則碼，則總的傳輸速率等于每個(gè)子帶的編碼比特率總的傳輸速率等于每個(gè)子帶的編碼比特率的總和。的總和。在等帶寬子帶編碼中在等帶寬子帶編碼中式中式中W為總帶寬，單位是赫茲；為總帶寬，單位是赫茲；M為子帶的數(shù)目為子帶的數(shù)目數(shù)字通信數(shù)字通信LCU73 由于第由于第k個(gè)子帶的抽樣率為個(gè)子帶的抽樣率為

52、 ,則則總傳輸速率總傳輸速率簡(jiǎn)化為：簡(jiǎn)化為：2k12/MkkIRbit sM 上式為等帶寬分割時(shí)的傳輸率。上式為等帶寬分割時(shí)的傳輸率。 如果將總比特?cái)?shù)表示為如果將總比特?cái)?shù)表示為1MkkRMR則則2/IRbit s 這是這是全帶編碼時(shí)的傳輸速率表示式全帶編碼時(shí)的傳輸速率表示式，R為對(duì)全帶采樣編碼為對(duì)全帶采樣編碼 時(shí)的平均比特?cái)?shù)。時(shí)的平均比特?cái)?shù)。11MkkRRM數(shù)字通信數(shù)字通信LCU74例題例題 一個(gè)一個(gè)4子帶的子帶的SBC系統(tǒng)，子帶分別為系統(tǒng)，子帶分別為0800,8001600,16002400,24003200,如如果忽略同步碼的邊帶信息，子帶的比特分配分別為果忽略同步碼的邊帶信息，子帶的比特

53、分配分別為3，2，1，0 比特比特/樣值樣值,求總的傳輸速率和全帶采樣時(shí)的求總的傳輸速率和全帶采樣時(shí)的平均比特?cái)?shù)。平均比特?cái)?shù)。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU75 正交鏡象濾波器正交鏡象濾波器(QMF)是數(shù)字濾波器中的一種特殊是數(shù)字濾波器中的一種特殊的新型濾波系統(tǒng)，它由一個(gè)低通濾波器和一個(gè)與的新型濾波系統(tǒng)，它由一個(gè)低通濾波器和一個(gè)與其正交的鏡象高通濾波器構(gòu)成，其最大優(yōu)點(diǎn)是在其正交的鏡象高通濾波器構(gòu)成，其最大優(yōu)點(diǎn)是在對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波選抽分解和反濾波插值重構(gòu)時(shí)不對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波選抽分解和反濾波插值重構(gòu)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生因頻率混疊而帶來的信號(hào)失真。會(huì)產(chǎn)生因頻率混疊而帶來的信號(hào)失真。 由于分割頻帶所用的濾波器不是理想的濾波

54、器，由于分割頻帶所用的濾波器不是理想的濾波器，經(jīng)過分帶、編碼、譯碼后合成的輸出音頻信號(hào)會(huì)經(jīng)過分帶、編碼、譯碼后合成的輸出音頻信號(hào)會(huì)有混迭效應(yīng)。采用正交鏡象濾波器來劃分頻帶，有混迭效應(yīng)。采用正交鏡象濾波器來劃分頻帶，混迭效應(yīng)在最后合成時(shí)可以抵消?；斓?yīng)在最后合成時(shí)可以抵消。3 3、正交鏡象濾波器正交鏡象濾波器數(shù)字通信數(shù)字通信LCU76 QMF簡(jiǎn)化的幅頻特性簡(jiǎn)化的幅頻特性 ( )()2sHLfHfHf數(shù)字通信數(shù)字通信LCU77 圖中，用圖中，用QMF把全帶音頻信號(hào)分割成兩個(gè)等帶寬子把全帶音頻信號(hào)分割成兩個(gè)等帶寬子帶。帶。hH(n)和和hL(n)分別表示高通濾波器和低通濾波器，分別表示高通濾波器和

55、低通濾波器，它們組成一對(duì)正交鏡象濾波器。這兩個(gè)濾波器也叫做它們組成一對(duì)正交鏡象濾波器。這兩個(gè)濾波器也叫做分析濾波器。分析濾波器。 用正交鏡象濾波器分割頻帶的子帶編譯碼簡(jiǎn)化框圖。用正交鏡象濾波器分割頻帶的子帶編譯碼簡(jiǎn)化框圖。數(shù)字通信數(shù)字通信LCU784 4、子帶的劃分、子帶的劃分 下面以下面以語音子帶編碼為例語音子帶編碼為例說明其過程。音頻頻帶的說明其過程。音頻頻帶的分割可以用樹型結(jié)構(gòu)的式樣進(jìn)行劃分。分割可以用樹型結(jié)構(gòu)的式樣進(jìn)行劃分。 首先把整個(gè)音頻信號(hào)帶寬分成兩個(gè)相等帶寬的子帶：首先把整個(gè)音頻信號(hào)帶寬分成兩個(gè)相等帶寬的子帶：高頻子帶和低頻子帶。然后對(duì)這兩個(gè)子帶用同樣的高頻子帶和低頻子帶。然后對(duì)

56、這兩個(gè)子帶用同樣的方法劃分，形成方法劃分，形成4個(gè)子帶。這個(gè)過程可按需要重復(fù)下個(gè)子帶。這個(gè)過程可按需要重復(fù)下去。用這種辦法可以產(chǎn)生等帶寬的子帶，也可以生去。用這種辦法可以產(chǎn)生等帶寬的子帶，也可以生成不等帶寬的子帶。成不等帶寬的子帶。 P121 圖圖3.3.6數(shù)字通信數(shù)字通信LCU79 子帶編碼存在的問題是子帶編碼存在的問題是編解碼的延時(shí)比較長(zhǎng)編解碼的延時(shí)比較長(zhǎng)，約在，約在幾十幾十100ms之間，這主要是濾波器組的延時(shí)造成的，之間，這主要是濾波器組的延時(shí)造成的，這種延時(shí)對(duì)于一些通信系統(tǒng)是不能接受的，因此子這種延時(shí)對(duì)于一些通信系統(tǒng)是不能接受的，因此子帶編碼主要用于聲頻存儲(chǔ)、數(shù)字聲廣播以及一些允帶編

57、碼主要用于聲頻存儲(chǔ)、數(shù)字聲廣播以及一些允許延時(shí)較長(zhǎng)的電話傳輸系統(tǒng)中。許延時(shí)較長(zhǎng)的電話傳輸系統(tǒng)中。數(shù)字通信原理與技術(shù)數(shù)字通信原理與技術(shù)LCU80六、六、 參數(shù)編碼參數(shù)編碼數(shù)字通信數(shù)字通信LCU81PCM ADPCM16 64/LPC/kbit skbit skbit s波形編碼：、語音編碼 參數(shù)編碼：聲碼器編碼方式以下其他編碼：SBC等 4.816數(shù)字通信數(shù)字通信LCU82單元學(xué)習(xí)提綱 （1）了解語音信號(hào)模型的相關(guān)概念；）了解語音信號(hào)模型的相關(guān)概念； （2）理解線性預(yù)測(cè)聲碼器的基本原理；）理解線性預(yù)測(cè)聲碼器的基本原理； （3）了解）了解LPC聲碼器的缺點(diǎn)聲碼器的缺點(diǎn) 數(shù)字通信數(shù)字通信LCU831 1、語音信號(hào)模型、語音信號(hào)模型 1 1）濁音濁音：又稱聲音。聲帶在氣流的作用下準(zhǔn)周期地：又稱聲音。聲帶在氣流的作用下準(zhǔn)周期地閉合或開啟，從而在聲帶中激勵(lì)起準(zhǔn)周期的聲波。閉合或開啟，從而在聲帶中激勵(lì)起準(zhǔn)周期的聲波。具有明顯的準(zhǔn)周期特性。具有明顯的準(zhǔn)周期特性。 濁音信號(hào)的能量主要集中在各基音的諧波頻率附近，濁音信號(hào)的能量主要集中在各基音的諧波頻率附近，而且主要集中于低于而且主要集中于低于3KHz的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。P