G.標(biāo)準(zhǔn)ADPCM編碼方法研究與仿真

1、G.726標(biāo)準(zhǔn)ADPCM編碼方法研究與仿真摘要摘 要 本設(shè)主要利用MATLAB，設(shè)計(jì)一個(gè)ADPCM編碼系統(tǒng)，使其符合G.726標(biāo)準(zhǔn)。自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（Adaptive Differential Pulse Code Modultion）采用自適應(yīng)量化方法和自適應(yīng)預(yù)測(cè)方法，對(duì)PCM語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行再壓縮，是一種有效的語(yǔ)音信號(hào)波形編碼壓縮方案。而本設(shè)計(jì)從自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制編碼基礎(chǔ)理論出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了G.726標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音壓縮編碼算法，并在該算法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制解碼器程序。本文重點(diǎn)敘述標(biāo)準(zhǔn)中的各個(gè)算法模塊的實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)將編碼算法從整體上劃分為自適應(yīng)量化和自適應(yīng)預(yù)測(cè)兩個(gè)模塊：在自適應(yīng)

2、量化模塊中，分別實(shí)現(xiàn)了輸入PCM格式轉(zhuǎn)換、差分信號(hào)計(jì)算、量化定標(biāo)因子自適應(yīng)、自適應(yīng)速度控制、單音信號(hào)和轉(zhuǎn)移（瞬變）檢測(cè)以及自適應(yīng)量化6個(gè)子算法；在自適應(yīng)預(yù)測(cè)模塊中，實(shí)現(xiàn)了反向自適應(yīng)量化以及自適應(yīng)預(yù)測(cè)和重建信號(hào)子算法。 關(guān)鍵詞：G.726標(biāo)準(zhǔn)；ADPCM；自適應(yīng)量化；自適應(yīng)預(yù)測(cè)G.726 STANDARD ADPCM CODING AND SIMULATIONABSTRACTAdaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM) is an effective algorithm of speech coding.It adopts the met

3、hod of adaptive quantization and adaptive prediction to compress pulse code modulation (PCM) signal.In this thesis, we implemented the algorithm of speech compression coding in recommendation G.726 and a program of ADPCM encoder.Otherwise,this thesis discussed the implementation of ADPCM decoder.Eac

4、h algorithm module in the recommendation algorithm has been implemented.This part is the key point in this thesis.We divide the algorithm into two modules.One is adaptive quantization,and another is adaptive prediction.In adaptive quantization algorithm,six sub-modules have been implemented.They are

5、 Input PCM Format Conversion,Difference Signal Computation,Quantizer Scale Factor Adaptation,Adaptation Speed Control,Tone And Transition Detector and Adaptive Quantizer.In adaptive prediction algorithm,two sub-modules,Inverse Adaptive Quantizer,and Adaptive Predictor And Reconstructed Signal Calcul

6、ator,are implemented.Key words: G.726 Standard; ADPCM；Adaptive Quantization ；Adaptive Predic目 錄1 引言11.1 課題背景及目的11.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況21.3 課題研究方法21.4 本文的仿真軟件Matlab61.5 G.726標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介61.6 內(nèi)容安排72 ADPCM編碼器的原理82.1 G.726編碼器算法總體概述82.2 自適應(yīng)預(yù)測(cè)語(yǔ)音波形編碼器的設(shè)計(jì)83 ADPCM編碼器自適應(yīng)量化模塊的原理83.1 輸入PCM格式轉(zhuǎn)換93.2 差分信號(hào)計(jì)算123.3 自適應(yīng)量化器123.4 量化器定標(biāo)因子自

7、適應(yīng)133.5自適應(yīng)速度控制143.6 單音和轉(zhuǎn)移檢測(cè)器174 ADPCM編碼器自適應(yīng)預(yù)測(cè)模塊的原理4.1 自適應(yīng)預(yù)測(cè)器和重建信號(hào)計(jì)算器164.2 逆自適應(yīng)量化器175 程序流程以及分析185.1 encode()編碼函數(shù)185.2 輸入PCM格式轉(zhuǎn)換195.3 差分信號(hào)計(jì)算195.4 自適應(yīng)量化器205.5 逆自適應(yīng)量化器235.6 量化器定標(biāo)因子自適應(yīng)235.7 自適應(yīng)速度控制245.8 自適應(yīng)預(yù)測(cè)器和重建信號(hào)計(jì)算器265.9 單音和轉(zhuǎn)移檢測(cè)器295.10 decoder()解碼函數(shù)306 結(jié)束語(yǔ)337 參考文獻(xiàn)348 致謝369 附錄37 附錄137 附錄243 附錄348 附錄4531

8、 引言1.1 課題背景及目的當(dāng)今社會(huì)的人們生活在一個(gè)信息時(shí)代，多媒體技術(shù)的發(fā)展更是日新月異。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其和通信技術(shù)的結(jié)合，現(xiàn)代多媒體技術(shù)和通信手段有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。語(yǔ)音信號(hào)處理領(lǐng)域也是這樣，新的技術(shù)和方法層出不窮。時(shí)代的進(jìn)步使得信息的傳輸與存儲(chǔ)成為人們生活中不可缺少的一部分。而語(yǔ)音作為人們傳遞信息、交流思想最方便快捷的手段，在高速發(fā)達(dá)的信息社會(huì)中占有重要的地位?，F(xiàn)代的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、微波接力通信和信息高速公路等均涉及數(shù)字化語(yǔ)音的傳輸與存儲(chǔ)。然而，過(guò)多的語(yǔ)音信號(hào)數(shù)據(jù)量會(huì)消耗大量的通信頻率帶寬和存儲(chǔ)空間。而且，通信事業(yè)的不斷發(fā)展，使得有限的頻率帶寬資源越來(lái)

9、越寶貴，這就向語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。語(yǔ)音編碼追求：用盡可能低的比特率，盡可能小的復(fù)雜度，盡可能短的時(shí)延，獲得盡可能好的語(yǔ)音質(zhì)量。這些追求之間存在著或多或少的矛盾，語(yǔ)音編碼技術(shù)一直是在平衡這些矛盾中發(fā)展的。在現(xiàn)今的電子信息技術(shù)領(lǐng)域，音頻信號(hào)數(shù)字化之后，其數(shù)字信號(hào)在存儲(chǔ)、傳輸、抗噪等方面較之于模擬信號(hào)有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是它所面臨的一個(gè)問(wèn)題是巨大的數(shù)據(jù)量。數(shù)字化的多媒體信息尤其是數(shù)字視頻、音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量特別龐大。巨大的數(shù)據(jù)量為存儲(chǔ)和傳輸帶來(lái)了壓力，為了降低傳輸或存儲(chǔ)的費(fèi)用，就必須對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行編碼壓縮，以使得多媒體信息得到更廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代通信中，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像、數(shù)據(jù)等

10、非話音信息在通信信息總量中所占的比例大大提高，而且這種提高的趨勢(shì)仍然會(huì)繼續(xù)下去。因此，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)亦已成為當(dāng)今數(shù)字通信、廣播、存儲(chǔ)和多媒體娛樂(lè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵的共性技術(shù)。同時(shí)也取得了不少好的成果。目前，國(guó)內(nèi)語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)主要有兩個(gè)努力方向：一方面是中低速率的語(yǔ)音編碼的實(shí)用化，及如何使用化過(guò)程中進(jìn)一步減低編碼速率和提高它的抗干擾、抗噪聲能力；另一方面是如何進(jìn)一步地降低語(yǔ)音壓縮的編碼速率目前的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)已經(jīng)能夠在5kbps6kbps的速率上獲得較高質(zhì)量的重建語(yǔ)音，下一個(gè)目標(biāo)則是要在4kbps的速率上獲得短延時(shí)、高質(zhì)量的重建語(yǔ)音。到目前為止，音頻信號(hào)經(jīng)壓縮后的數(shù)碼率降低到32 kbps至256kbp

11、s，語(yǔ)音低至8kbps以下，個(gè)別甚至到2kbps。但碼率不一，于斯，為使編碼后的音頻信息可被廣泛地使用，進(jìn)行音頻信息編碼時(shí)需要采用標(biāo)準(zhǔn)的算法。因而，需要對(duì)音頻編碼進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。 G.726有四種碼率：40 kbps、32kbps、24kbps和16kbps ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation)，最為常用的是32kbps。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀經(jīng)過(guò)多年的努力，業(yè)界在語(yǔ)音編碼領(lǐng)域取得了很多重要的進(jìn)展。目前在語(yǔ)音編碼領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，一方面是在保證語(yǔ)音質(zhì)量的前提下，降低比特率。在采用的技術(shù)方面從基于線性預(yù)測(cè)，使用合成一分析法向采用參數(shù)編碼

12、技術(shù)方向轉(zhuǎn)變。主要的應(yīng)用目標(biāo)是蜂窩電話和應(yīng)答機(jī)。另一方面是對(duì)傳統(tǒng)的語(yǔ)音編碼器進(jìn)行全頻帶擴(kuò)展，使其適應(yīng)音頻的應(yīng)用。例如，AMR從NB發(fā)展到WB，再到最新的WB+，現(xiàn)正在進(jìn)行全頻帶的擴(kuò)展工作；G.729已發(fā)展到G.729.1，目前也在啟動(dòng)全頻帶的擴(kuò)展工作；G.722.1也已發(fā)展到G.722.1 Annex E，已經(jīng)完成了全頻帶的擴(kuò)展工作。除此之外，為適應(yīng)在Internet上傳送語(yǔ)音的需要， ITU-T SG 16（國(guó)際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化部）組已經(jīng)研究和制定可變速率的語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)。變速率的語(yǔ)音編碼將是近期語(yǔ)音編碼發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。同時(shí)近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，尤其是第四代移動(dòng)通信的發(fā)展，對(duì)語(yǔ)音壓縮編碼算

13、法提出了更高的要求，不但要求編碼速率較低以增加系統(tǒng)容量，而且要求合成語(yǔ)音音質(zhì)較高以保證通話質(zhì)量。用傳統(tǒng)的壓縮編碼方式，很難同時(shí)滿足這兩個(gè)要求，在這種形勢(shì)下，提出了變速率語(yǔ)音壓縮編碼的方法。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用變速率語(yǔ)音壓縮編碼，可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)整編碼速率，在合成語(yǔ)音質(zhì)量和系統(tǒng)容量中取得靈活的折衷，最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的效能。在當(dāng)前應(yīng)用廣泛、前景廣闊的碼分多址（Code Division Multiple Access）移動(dòng)通信系統(tǒng)中，采用的變速率語(yǔ)音編碼算法對(duì)于系統(tǒng)的容量和通話質(zhì)量有非常重要的影響。由于移動(dòng)通信市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，對(duì)變速率語(yǔ)音編碼的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)，近幾年來(lái)變速率語(yǔ)音編碼技

14、術(shù)發(fā)展得十分迅速，并不斷有新的國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)公布出來(lái)。隨著技術(shù)的成熟，它的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣闊，不僅限于移動(dòng)通信系統(tǒng)，在IP電話、互聯(lián)網(wǎng)等方面也有很好的應(yīng)用前景。1.3 課題研究方法1.3.1 PCM的基本原理波形編碼是人們應(yīng)用最早、人們最熟悉的語(yǔ)音編碼技術(shù)。因此，波形編碼是一種經(jīng)典的語(yǔ)音編碼技術(shù)。波形編碼通常包括時(shí)域波形編碼、頻域波形編碼以及變換域波形編碼三種類型。以PCM為代表的時(shí)域波形編碼是出現(xiàn)的最早和應(yīng)用最廣泛的一種語(yǔ)音編碼技術(shù)，對(duì)于數(shù)字通信的發(fā)展和普及曾經(jīng)起過(guò)極為重要的作用，也是現(xiàn)代語(yǔ)音編碼的技術(shù)發(fā)展的起點(diǎn)和基礎(chǔ)。在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，例如從二十世紀(jì)五十年代末至八十年代初的幾十年間，P

15、CM一直在語(yǔ)音編碼中占據(jù)統(tǒng)治地位，對(duì)于通信的數(shù)字化起過(guò)極為重要的推動(dòng)作用。近年來(lái)語(yǔ)音編碼技術(shù)取得一系列突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了許多嶄新的編碼算法和技術(shù)，已經(jīng)動(dòng)搖了PCM的這種統(tǒng)治地位，但是在通信和信息系統(tǒng)中，PCM的應(yīng)用依然相當(dāng)普遍。PCM的基本原理課描述為：在編碼端，輸入模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)取樣、量化和編碼，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，變換成為數(shù)字信號(hào)；到了譯碼端，再將接收到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)譯碼、低通平滑濾波實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，恢復(fù)為模擬信號(hào)。輸入的語(yǔ)音信號(hào)是隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)，要將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，就必須首先通過(guò)取樣，將它變換為時(shí)間上不連續(xù)的信號(hào)，取樣的目的就是為了使模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)取樣后，雖然在時(shí)

16、間上已離散化了，但是取樣制信號(hào)的脈沖幅度值仍然是取決于輸入的模擬信號(hào)，這種PAM信號(hào)仍然是屬于模擬信號(hào)。所以依舊需要對(duì)PAM信號(hào)進(jìn)行變換，使其在幅度上取值離散化。量化的目的，是為了使取樣值在幅度取值上離散化，使之變?yōu)槿≈禒顟B(tài)有限的離散信號(hào)。語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)量化已經(jīng)變換為在時(shí)間上、幅度取值上都已經(jīng)離散化的數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)數(shù)字化的過(guò)程基本已經(jīng)完成。量化樣值信號(hào)雖然已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)，但是它是一種多進(jìn)制信號(hào)，一般來(lái)說(shuō)，它并不適合在數(shù)字通信線路中傳輸，所以還必須將它轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號(hào)。編碼的目的就是為了將這種多進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號(hào)。編碼器輸出的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字通信信道傳輸?shù)浇邮斩?，還必須恢復(fù)為模擬

17、信號(hào)，才能送給用戶。譯碼的目的就是為了將接收到的數(shù)字信號(hào)還原為發(fā)送端發(fā)送的量化樣值脈沖序列。這個(gè)量化樣值脈沖序列再經(jīng)過(guò)低通濾波平滑濾波，取出該脈沖序列的包絡(luò)，就得到了非常接近于發(fā)送端原始輸入語(yǔ)音信號(hào)的模擬信號(hào)。1.3.2 DPCM的基本原理 語(yǔ)音信號(hào)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。分析表明，當(dāng)取樣頻率為8kHz時(shí)，相鄰樣值之間的相關(guān)系數(shù)通常在0.85以上。在波形編碼中，利用這種相關(guān)性，可以降低編碼熟慮，一個(gè)非常明顯的事實(shí)是，相鄰樣值之間的差值遠(yuǎn)小于取樣值本身。據(jù)此，可以設(shè)計(jì)一種新的波形編碼方法，對(duì)相鄰樣值之間的差值進(jìn)行編碼，而不是對(duì)取樣值本身進(jìn)行編碼，這樣就能降低編碼速率，這種編碼方法稱為差分脈沖調(diào)制(D

18、ifferential Pulse Code Modulation)。實(shí)現(xiàn)DPCM的最簡(jiǎn)單的方法，是存儲(chǔ)前一次的取樣值，然后用本次取樣值去相減，產(chǎn)生差值，再對(duì)差值進(jìn)行量化編碼。在譯碼端前則進(jìn)行相反的變換恢復(fù)出原信號(hào)。由于量化器產(chǎn)生的量化噪聲積累起來(lái)并且疊加到下一次的輸出中。如果量化器噪聲始終是同一方向，那么輸出信號(hào)就會(huì)愈來(lái)愈偏離正常信號(hào)。為避免這一問(wèn)題，編碼器應(yīng)當(dāng)用前一次譯碼器的取樣值代替前一次的取樣值，用來(lái)生成差分信號(hào)：即，若一個(gè)取樣點(diǎn)的量化噪聲信號(hào)為正，重構(gòu)的取樣值必須大于取樣點(diǎn)，在下一時(shí)刻，由于用重構(gòu)的取樣值計(jì)算查分，使得差分信號(hào)變小，從而抵消上一次量化噪聲的影響。這種方法消除了量化噪聲

19、的積累。而上所討論的是一種簡(jiǎn)單的DPCM形式，即它僅僅利用了兩個(gè)相鄰樣值之間的相關(guān)性。實(shí)際上，當(dāng)前的取樣值不僅與上一時(shí)刻的取樣值相關(guān)，而且與前面若干個(gè)取樣值都想關(guān)。只有充分利用這些相關(guān)性，才能更好的壓縮編碼速率。這可以通過(guò)用過(guò)去的一些取樣值的線性組合來(lái)預(yù)測(cè)和推斷當(dāng)前的取樣值，得到一組線性預(yù)測(cè)系數(shù)以及預(yù)測(cè)誤差信號(hào)。預(yù)測(cè)的階數(shù)越高，預(yù)測(cè)誤差就越小，相應(yīng)的編碼速率就可以降低。DPCM由于是對(duì)預(yù)測(cè)誤差信號(hào)進(jìn)行編碼，而預(yù)測(cè)誤差信號(hào)的能量比輸入信號(hào)的能量小得多，因此量化限幅電平也可以小得多。這樣，在量化電平數(shù)不變的條件下，量化器的量化間隔就比輸入信號(hào)的量化間隔小得多，使得量化噪聲減小。而在保持信噪比不變的

20、情況下，DPCM就可以通過(guò)減少量化比特?cái)?shù)，降低編碼速率。1.3.3 ADPCM的基本原理DCPM的編碼速率能夠降低到何種程度，主要取決于其預(yù)測(cè)精度，也就是取決于其預(yù)測(cè)誤差的大小。根據(jù)前面所述的DCPM的基本原理可知，由于DPCM采用的是固定預(yù)測(cè)系數(shù)的預(yù)測(cè)器，當(dāng)輸入語(yǔ)音信號(hào)起伏變化時(shí)，無(wú)法保證與測(cè)試中處于最佳預(yù)測(cè)狀態(tài)，使得誤差為最小。解決這一問(wèn)題的比較好的方法，一是采用自適應(yīng)技術(shù)動(dòng)態(tài)的調(diào)整預(yù)測(cè)系數(shù)，以便保證預(yù)測(cè)器始終處于最佳預(yù)測(cè)狀態(tài)；二是采用自適應(yīng)量化技術(shù)對(duì)差分信號(hào)（即預(yù)測(cè)誤差信號(hào)）進(jìn)行量化，以便進(jìn)一步降低編碼速率。這種采用自適應(yīng)量化以及高階自適應(yīng)預(yù)測(cè)技術(shù)的DPCM稱為自適應(yīng)差分脈沖調(diào)制，即AD

21、PCM。自適應(yīng)線性預(yù)測(cè)以幀為單位進(jìn)行，根據(jù)本幀語(yǔ)音波形的時(shí)間相關(guān)性確定預(yù)測(cè)系數(shù)，使得預(yù)測(cè)誤差信號(hào)的方差為最小。據(jù)上可知，自適應(yīng)差值脈沖調(diào)制（ADPCM）中的量化器與預(yù)測(cè)器均采用自適應(yīng)方式，即量化器與預(yù)測(cè)器的參數(shù)能根據(jù)輸入信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性以自適應(yīng)于最佳參數(shù)狀態(tài)。通常，人們把低于64kbps數(shù)碼率的語(yǔ)音編碼方法稱為語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)，語(yǔ)音壓縮編碼方法很多，自適應(yīng)差值脈沖調(diào)制（ADPCM）是語(yǔ)音壓縮編碼中復(fù)雜程度較低的一種方法。它能在32kbps數(shù)碼率上達(dá)到符合64kbps數(shù)碼率的語(yǔ)音質(zhì)量要求，也就是符合長(zhǎng)途電話的質(zhì)量要求。ADPCM編碼首先將輸入的A率或率PCM 信號(hào)轉(zhuǎn)換成14位線性PCM碼，然后與預(yù)

22、測(cè)信號(hào)相減產(chǎn)生差分信號(hào)，再對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)量化，產(chǎn)生25比特ADPCM 碼；一方面將產(chǎn)生的ADPCM 碼送至解碼器，另一方面利用ADPCM 碼進(jìn)行本地解碼以獲得量化后的差分信號(hào)，編碼器將量化之后的差分信號(hào)與預(yù)測(cè)信號(hào)相加得到本地重建信號(hào)。在G.726編碼器中使用的自適應(yīng)預(yù)測(cè)器為二階極點(diǎn)、六階零點(diǎn)混合模型（Auto Regressive Moving Average模型），利用本地重建信號(hào)和量化之后的差分信號(hào)產(chǎn)生預(yù)測(cè)信號(hào)。為了使量化器能適應(yīng)語(yǔ)音帶內(nèi)數(shù)據(jù)及信令等具有不同統(tǒng)計(jì)特性以及不同幅度的輸入信號(hào)，自適應(yīng)量化器要依輸入信號(hào)的特性自動(dòng)改變自適應(yīng)速度參數(shù)以控制量化階。這一功能由量化器定標(biāo)因子自適應(yīng)

23、、自適應(yīng)速度控制、單音及轉(zhuǎn)移（過(guò)渡）音檢測(cè)等三個(gè)功能單元完成。據(jù)上知G.726有四種碼率：40 kbps、32kbps、24kbps和16kbps Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM)，最為常用的方式是 32 kbps（G.721標(biāo)準(zhǔn)中倡導(dǎo)），但由于其只是 G.711速率的一半，所以可將網(wǎng)絡(luò)的可利用空間增加了一倍。G.726具體規(guī)定了一個(gè) 64 kbps A律或 律 PCM 信號(hào)是如何被轉(zhuǎn)化為40 kbps、32kbps、24kbps和16 kbps的 ADPCM 通道的。在這些通道中， 16 kbps 的通道被用于數(shù)字電路倍增

24、設(shè)備(DCME)中的語(yǔ)音傳輸，而40 kbps 通道則被用于 DCME 中的數(shù)據(jù)解調(diào)信號(hào)（尤其是4800 kbps 或更高的調(diào)制解調(diào)器）。 G.726 encoder 輸入一般都是G.711 encoder的輸出：64kbps A律或者 u律.其算法實(shí)質(zhì)就是一個(gè)ADPCM， 自適應(yīng)量化算法。1.4 本文的仿真軟件MatlabMATLAB 是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，和Mathema

25、tica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯?/p>

26、調(diào)用,用戶也可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫(xiě)了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。1.5 G.726標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介1984年國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（Consultative Committee for International Telegraph and Telephone）公布了 G.721建議，這一建議規(guī)定了關(guān)于高音質(zhì)的32 kbps ADPCM 語(yǔ)音編解碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這種算法十分接近G.711 A律或u律64 kbpsPCM的語(yǔ)音質(zhì)量，其抗誤碼性能優(yōu)于PCM，帶內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸率能達(dá)到4800 bps，其音頻帶寬為20

27、03400 Hz，采樣頻率為8 kHz，每一樣點(diǎn)用4 bit編碼。國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)公布了G.721建議的高質(zhì)量的32 kbps ADPCM之后，1990年在G.726 標(biāo)準(zhǔn)中擴(kuò)充編碼速率到16kbps，形成了從16 kbps到 40 kbps的一套完整速率ADPCM 算法。G.726標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)充后的編碼算法同語(yǔ)音插空技術(shù)相結(jié)合，采用變速率ADOCM可以使得原有PCM信道擴(kuò)容到810倍，這成為數(shù)字化路倍增設(shè)備（Digital Circuit Multiplication Equipment）。這種設(shè)備使用與點(diǎn)到點(diǎn)之間的固定線路擴(kuò)容，例如衛(wèi)星或者海纜的數(shù)字化路倍增設(shè)備系統(tǒng)（Digital Cir

28、cuit Multiplication Equipment System）。而后CCITT通過(guò)的G.727標(biāo)準(zhǔn)是在G.726標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，采用語(yǔ)音包裝傳輸系統(tǒng)它不僅具有DCME系統(tǒng)的擴(kuò)容能力，并且適合交換，便于成網(wǎng)，于此就不再細(xì)述（具體內(nèi)容可參考有關(guān)書(shū)籍）。G .726標(biāo)準(zhǔn)利用語(yǔ)音信號(hào)的相關(guān)性和非平穩(wěn)性,使用自適應(yīng)預(yù)測(cè)和適應(yīng)量化技術(shù)，能夠在低比特率上達(dá)到網(wǎng)絡(luò)等級(jí)的話音質(zhì)量，從而在語(yǔ)音存儲(chǔ)和語(yǔ)音傳輸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。G.726語(yǔ)音編碼器首先將輸入的8位PCM碼轉(zhuǎn)換成14位線性碼,然后同預(yù)測(cè)信號(hào)相減產(chǎn)生差分信號(hào)，再對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)量化，產(chǎn)生2到5比特ADPCM碼；一方面要把ADPCM碼送至解

29、碼器，另一方面利用ADPCM碼進(jìn)行本地解碼得到量化后的差分信號(hào)，將量化之后的差分信號(hào)與預(yù)測(cè)信號(hào)相加得到本地重建信號(hào)。自適應(yīng)預(yù)測(cè)器采用二階極點(diǎn)、六階零點(diǎn)混合模型（Auto Regressive Moving Average模型），利用本地重建信號(hào)和量化之后的差分信號(hào)產(chǎn)生預(yù)測(cè)信號(hào) 。為了使量化器能適應(yīng)語(yǔ)音帶內(nèi)數(shù)據(jù)及信令等具有不同統(tǒng)計(jì)特性以及不同幅度的輸入信號(hào)，自適應(yīng)量化器要依輸入信號(hào)的特性自動(dòng)改變 自適應(yīng)速度參數(shù)來(lái)控制量階。這一功能由量化器定標(biāo)因子自適應(yīng)、自適應(yīng)速度控制、單音及轉(zhuǎn)移（過(guò)渡）音檢測(cè)等三個(gè)功能單元完成 。 1.6 內(nèi)容安排 本文第二章主要為 ADPCM編碼器的原理的總體論述；第三章論述

30、ADPCM編碼器中自適應(yīng)量化模塊的算法實(shí)現(xiàn)共包括輸入PCM格式轉(zhuǎn)換模塊、差分信號(hào)計(jì)算模塊、量化定標(biāo)因子自適應(yīng)模塊、自適應(yīng)速度控制模塊、單音信號(hào)和轉(zhuǎn)移（瞬變）檢測(cè)模塊以及自適應(yīng)量化模塊六個(gè)子模塊；第四章主要論述自適應(yīng)預(yù)測(cè)模塊的算法實(shí)現(xiàn)含反向自適應(yīng)量化模塊以及自適應(yīng)預(yù)測(cè)模塊和重建信號(hào)模塊；第五章為ADPCM編碼器實(shí)現(xiàn)的程序流程以及分析；后續(xù)章節(jié)為結(jié)束語(yǔ)、參考文獻(xiàn)以及附錄程序等。2 ADPCM編碼器的原理2.1 G.726編碼器算法總體概述G.726編碼器算法主要包括有8個(gè)主功能模塊：輸入PCM格式轉(zhuǎn)換，差分信號(hào)計(jì)算，自適應(yīng)量化，反向自適應(yīng)量化，自適應(yīng)預(yù)測(cè)和重建信號(hào)計(jì)算器，單音信號(hào)和轉(zhuǎn)移檢測(cè)，自適應(yīng)

31、速度控制，量化器定標(biāo)因子自適應(yīng)。由于ADPCM編碼器主要用來(lái)對(duì)現(xiàn)有PCM信道進(jìn)行擴(kuò)容，因此輸入采用標(biāo)準(zhǔn)A律或律PCM編碼。首先將輸入8位PCM碼轉(zhuǎn)換成14位線性碼，然后同預(yù)測(cè)信號(hào)相減產(chǎn)生差分信號(hào)，自適應(yīng)量化器以量化定標(biāo)因子自適應(yīng)產(chǎn)生的定標(biāo)因子來(lái)定標(biāo)，對(duì)進(jìn)行量化產(chǎn)生5、4、3、2比特的ADPCM編碼。一方面作為編碼輸出，另一方面反向自適應(yīng)量化器利用得到量化后的差分信號(hào)，再同重建信號(hào)計(jì)算器產(chǎn)生的重建信號(hào)一起，送到自適應(yīng)預(yù)測(cè)器，產(chǎn)生預(yù)測(cè)信號(hào)，自適應(yīng)預(yù)測(cè)器采用二階極點(diǎn)、六階零點(diǎn)的混合預(yù)測(cè)器，它利用,以及前幾個(gè)時(shí)刻的值，對(duì)下一時(shí)刻將要輸入的信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算出預(yù)測(cè)值。為了使量化器自適應(yīng)語(yǔ)音帶內(nèi)數(shù)據(jù)及信令

32、等具有不同統(tǒng)計(jì)特性以及不同幅度的輸入信號(hào)，自適應(yīng)還要依輸入信號(hào)的特性自動(dòng)改變自適應(yīng)速度參數(shù)來(lái)控制量階。這些功能由量化器標(biāo)度因子自適應(yīng)、自適應(yīng)速度控制、單音信號(hào)和轉(zhuǎn)移（瞬變）檢測(cè)器等三個(gè)功能模塊來(lái)完成。2.2 自適應(yīng)預(yù)測(cè)語(yǔ)音波形編碼器的設(shè)計(jì)G.726協(xié)議是原國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)于1990年提出的關(guān)于把64kbps非線性PCM信號(hào)轉(zhuǎn)換為40kbps、32kbps、24kbps和16kbps的ADPCM信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)，其中的自適應(yīng)包含自適應(yīng)預(yù)測(cè)和自適應(yīng)量化。G.726建議的編碼器組成框圖如圖2.1所示。ADPCM輸出yt(k)td(k)tr(k)a1(k)y(k)Se(k)a2(k)Sr(k)dq(k

33、)I(k)d(k)Sl(k)S(k)轉(zhuǎn)換成均勻碼差分信號(hào)自適應(yīng)量化器逆自適應(yīng)量化器自適應(yīng)預(yù)測(cè)器重建信號(hào)計(jì)算器單音和轉(zhuǎn)移檢測(cè)自適應(yīng)速度控制定標(biāo)因子自適應(yīng)量化器圖2.1 G.726 ADPCM語(yǔ)音編碼器組成框圖ADPCM編碼器的壓縮原理是：由于差分信號(hào)消除了相鄰采樣信號(hào)的相關(guān)性，得到了高階熵，因此在保證一定信噪比的情況下，可以減小量化器的字長(zhǎng)。當(dāng)采樣速率為8kHz情況時(shí)，如果量化器為5位，則得到的編碼速率是40kbps；如果量化器為4位，則得到是32kbps；如果量化器為3位，則得到24kbps；如果量化器為2位，則得到16kbps。與輸入的64kbps的非線性PCM信號(hào)（A律或律）相比，比特率減

34、小了，即壓縮了比特率。同一量化電平用不同字長(zhǎng)的量化器進(jìn)行量化，量化字長(zhǎng)短的產(chǎn)生量化誤差大，由該碼字恢復(fù)的語(yǔ)音信號(hào)音質(zhì)差。ADPCM編碼器的基本工作原理是：輸入的A律或律非線性PCM信號(hào)經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后，變成線性PCM信號(hào)，然后把線性PCM信號(hào)與預(yù)測(cè)信號(hào)相減得到二者的差分信號(hào)，最后對(duì)該差分信號(hào)進(jìn)行量化編碼得到ADPCM碼流，其速率由量化器字長(zhǎng)決定。圖2-1的逆自適應(yīng)量化器作用是根據(jù)輸出的I(k)得到差分信號(hào)，自適應(yīng)預(yù)測(cè)器再根據(jù)差分信號(hào)和重建信號(hào)得到預(yù)測(cè)信號(hào)。單音和轉(zhuǎn)移（瞬變）檢測(cè)、自適應(yīng)速度控制和量化器定標(biāo)因子自適應(yīng)這3個(gè)單元的作用是使自適應(yīng)量化器、逆自適應(yīng)量化器能根據(jù)不用的輸入信號(hào)對(duì)自適應(yīng)速度進(jìn)行

35、調(diào)整，以得到更好的編碼質(zhì)量。下面分別對(duì)ADPCM編碼器各組成部分進(jìn)行具體介紹。3 ADPCM編碼器自適應(yīng)量化模塊的原理3.3 輸入PCM格式轉(zhuǎn)換作用是把輸入的A律或律非線性PCM信號(hào)。作用是把輸入的A律或律非線性PCM信號(hào)轉(zhuǎn)化為線性PCM信號(hào)。ADPCM編碼器的輸入和解碼器的輸出信號(hào)都是標(biāo)準(zhǔn)的A律或律64 kbps采樣頻率為8kHz，量化字長(zhǎng)是8 bit的PCM信號(hào)。由于標(biāo)準(zhǔn)64kbps PCM是經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)壓縮后的數(shù)字信號(hào)，不能直接進(jìn)行一般的算術(shù)運(yùn)算，所以，在進(jìn)入ADPCM編碼前，必須把A律或律PCM碼變換成自然二進(jìn)制碼（便于進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算），即線性PCM碼。其中A律對(duì)數(shù)壓縮特性為：表3.1 8位

36、PCM碼排列M1M2 M3 M4M5 M6 M7 M8極性碼段落碼電平碼表3.2 A律PCM與線性PCM的變換關(guān)系線性PCMA律對(duì)數(shù)PCMb12b11b10b9b8b7b6b5b4b3b2b1b0M1M2M3M4M5M6M7M80OOOOOOWXYZ1000WXYZ0OOOOO1WXYZ1001WXYZ0OOOO1WXYZ010WXYZ0OOO1WXYZ011WXYZ0OO1WXYZ100WXYZ0O1WXYZ101WXYZ01WXYZ110WXYZ1WXYZ111WXYZ表3.3 律PCM與線性PCM的變換關(guān)系線性PCM律對(duì)數(shù)PCMb13b12b11b10b9b8b7b6b5b4b3b2b1

37、b0M2M2M3M4M5M6M7M800000001WXYZ1000WXYZ0000001WXYZ1001WXYZ000001WXYZ1010WXYZ00001WXYZ1011WXYZ0001WXYZ1100WXYZ001WXYZ1101WXYZ01WXYZ1110WXYZ1WXYZ1111WXYZ （3.1）式中常數(shù)A為壓縮系數(shù)，由上式可知，在范圍內(nèi)，是一段直線，也就是說(shuō)相當(dāng)于均勻量化特性：的范圍內(nèi)，是一條對(duì)數(shù)特性曲線，A在國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)建議中取87.56。律對(duì)數(shù)壓縮特性為： （3.2）其中，為壓縮系數(shù)，在國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)建議中取255。8位A律或律PCM的具體排列如表3.2以

38、及表3.3所示。A律PCM和律PCM與線性PCM的變換關(guān)系分別如表3.2和表3.3所示。在這兩個(gè)表中，略去了符號(hào)位，WXYZ分別代表相應(yīng)的M5 M6 M7 M8，表示為任意值。3.4 差分信號(hào)計(jì)算這部分的作用是通過(guò)線性PCM信號(hào)和估計(jì)信號(hào)計(jì)算差分信號(hào)。其公式如下： d(k) =Sl(k) Se(k) （3.3） 由于語(yǔ)音信號(hào)具有很大的冗余度，如果在量化和編碼之前去掉這些多余的信息量，在量化電平數(shù)一定的情況下，量化器的量化階距要小，因而產(chǎn)生的量化誤差也有所減小。這意味著，在保證一定信噪比的條件下，允許減小量化器的字長(zhǎng)，即壓縮了比特率。3.5 自適應(yīng)量化器自適應(yīng)量化器是指量階可以根據(jù)輸入信號(hào)的短時(shí)

39、方差進(jìn)行調(diào)整以使其大小能和輸入信號(hào)電平相匹配的量化器。實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)量化時(shí)，首先需要解決對(duì)輸入信號(hào)的方差進(jìn)行估值。根據(jù)估值采用的方法，自適應(yīng)量化可以分為兩類，即前向自適應(yīng)量化（Forward Adaptive Quantiser）和后向自適應(yīng)量化（Backward Adaptive Quantiser）。如嚴(yán)格根據(jù)輸入信號(hào)方差來(lái)確定量化電平和分層電平則稱之為前向自適應(yīng)量化；如根據(jù)前一時(shí)刻輸出數(shù)字碼或量化器輸出的量化電平來(lái)確定當(dāng)前時(shí)刻的量化電平和分層電平，則稱之為后向自適應(yīng)量化。前向自適應(yīng)量化估值方法不受量化噪聲的影響，因而估計(jì)值可靠。但它意味著量階的信息需要用額外的比特傳送到解碼器，稱為邊信息。典

40、型值每個(gè)量階需要用5到8bit編碼，因此估值的頻率不能太高，否則總碼率增加太多。前向自適應(yīng)量化方法的另一個(gè)問(wèn)題是引入較長(zhǎng)的編碼延時(shí)，因此常用于分幀編碼處理。它的問(wèn)題是估值精度受到量化噪聲的影響，因此后向自適應(yīng)量化方法一般用于質(zhì)量較高的短延時(shí)語(yǔ)音編碼中。本編碼器中的自適應(yīng)量化器采用后向自適應(yīng)量化方法，作用是把差分信號(hào)分別量化成16kbps的ADPCM碼。由于差分信號(hào)接近于高斯分布，所以采用輸入為高斯分布的最佳非均勻量化器。為便于進(jìn)行自適應(yīng)運(yùn)算，采用引入定標(biāo)因子（由量化器自適應(yīng)定標(biāo)因子單元產(chǎn)生）的方法。為避免進(jìn)行除法運(yùn)算，將差分信號(hào)的歸一化運(yùn)算在對(duì)數(shù)域上進(jìn)行，即： （3.4）下面分別對(duì)量化結(jié)果為4

41、0kbps、32kbps、24kbps和16kbps的情況給以說(shuō)明G.726建議規(guī)定對(duì)于ADPCM情況：1.用5位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示量化電平，則其中4位表示幅度，1位表示符號(hào)（2的補(bǔ)碼形式）。這5位量化器輸出，形成40kbit/s輸出信號(hào)。同時(shí)，也反饋到逆自適應(yīng)量化器。2.用4位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示量化電平，則其中3位表示幅度，1位表示符號(hào)（2的補(bǔ)碼形式）。這4位量化器輸出，形成32kbit/s輸出信號(hào)。同時(shí)，也反饋到逆自適應(yīng)量化器。3.用3位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示量化電平，則其中2位表示幅度，1位表示符號(hào)（2的補(bǔ)碼形式）。這3位量化器輸出，形成24kbit/s輸出信號(hào)。同時(shí)也反饋到逆自適應(yīng)量化器。 4.用2位

42、二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示量化電平，則其中1位表示幅度，1位表示符號(hào)（2的補(bǔ)碼形式）。這2位量化器輸出，形成16kbps輸出信號(hào)。同時(shí)，也反饋到逆自適應(yīng)量。3.6 量化器定標(biāo)因子自適應(yīng)作用是計(jì)算量化器和逆量化器的定標(biāo)因子。由于數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器（MODEM）和音頻信令信號(hào)的功率電平變動(dòng)范圍遠(yuǎn)小于語(yǔ)音信號(hào)功率電平的變動(dòng)范圍，為了使量化器對(duì)兩種信號(hào)都能獲得最佳自適應(yīng)特性，必須采用兩種不同定標(biāo)因子的自適應(yīng)算法，即使用雙模自適應(yīng)量化器。自適應(yīng)算法中，量化器的定標(biāo)原則是：1.對(duì)短時(shí)能量變化較快的語(yǔ)音信號(hào)，使用快速自適應(yīng)；2.對(duì)短時(shí)能量變化較慢的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)或音頻信令信號(hào)，使用慢速自適應(yīng)。對(duì)短時(shí)能量變化較快的語(yǔ)音信號(hào)，量

43、化器的自適應(yīng)速度需變快，算法是： （3.6）式中，稱為快速非鎖定定標(biāo)因子，取值范圍是：1.0610.00。在式（3.6）中離散函數(shù)是量化間隔調(diào)整因子在對(duì)數(shù)域上的表現(xiàn)形式，取決于量化器輸出碼字，即量化電平等級(jí)。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)，得到40kbps和16kbps的ADPCM信號(hào)不同的值。如表3.4表3.7所示。對(duì)短時(shí)能量變化較慢的信號(hào)，量化器的自適應(yīng)速度需要變慢，采用的算法是： （3.7）式中稱為鎖定定標(biāo)因子，由對(duì)再次平滑而得。由和結(jié)合起來(lái)形成合成的量化器定標(biāo)因子，共同控制自適應(yīng)速度。 （3.8）式中是自適應(yīng)速度控制參數(shù)，其取值范圍規(guī)定為01。對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)，1，這樣，這時(shí)為快速自適應(yīng)；對(duì)于MODEM信號(hào)

44、，0，這樣，為慢速自適應(yīng)。表3.4 對(duì)于40kbit/sADPCM, 的定義1514131211109843.5033.0627.5022.3817.5013.6911.198.81765432106.253.632.562.502.441.500.880.88表3.5 對(duì)于32kbit/sADPCM, 的定義7654321070.1322.1912.387.004.002.561.13-0.75表3.6 對(duì)于24kbit/sADPCM, 的定義321036.388.561.88-0.75表3.7 對(duì)于16kbit/sADPCM, 的定義1027.44-1.383.7自適應(yīng)速度控制作用是計(jì)算自適應(yīng)速度控制參數(shù)。對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)，趨向于1對(duì)于MODEM信號(hào)，趨向于0。是通過(guò)比較差分信號(hào)的短時(shí)平均值和長(zhǎng)時(shí)平均值的差異來(lái)確定的。和的計(jì)算公式如下： （3.9） （3.10