第四講 語音信號(hào)數(shù)字化及壓縮編碼

1、1第第8講講2 抽樣技術(shù) 量化技術(shù) 語音信號(hào)波形匹 配與線 性近似逼近 PCM編碼原理 增量調(diào)制原理31. 抽樣與量化抽樣與量化l抽樣時(shí)間域量化（時(shí)間尺度離散化）l量化幅度離散化4(1) 抽樣抽樣A.低通抽樣l一個(gè)頻帶限制在內(nèi)的連續(xù)信號(hào) ，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(fù)原始信號(hào) 。Hf , 0)(txsfHf2snTx)(tx5設(shè) 為低通信號(hào)，抽樣脈沖序列是一個(gè)周期性沖激函數(shù) 。抽樣過程是 與 相乘的過程，即抽樣后信號(hào) )(tx)(tT)(tT)(tx)()()(ttxtxTs6由頻域卷積定理可知 其中, 為低通信號(hào)的頻譜，)()(21)(TsXX)(X)(2)

2、(nssTnT7)(1 )()(1)(nssnsssnXTnXTX所以從頻域上看，抽樣后信號(hào)經(jīng)過傳遞函數(shù)為 的理想低通濾波器后，其頻譜為)(HHssoTHXX )()()(8其中 , 0 , 1)(HHH從時(shí)域上看，重建信號(hào)可以表達(dá)為nsHsHssnssHHssnTtnTtnTxTnTtnTxttTtxthtx)()(sin)(1 )()(sin1)()()( 9B.帶通抽樣帶通抽樣定理告訴我們，對(duì)于帶通信號(hào)，抽樣頻率 應(yīng)滿足下列關(guān)系式：其中， 的最大正整數(shù)。由此可知，必有0M1時(shí)最佳量化電平正好在分層電平的中點(diǎn)。此時(shí)，2, 1,optkoptkoptkxxykkxkxpP)(23C .量化噪

3、聲LkkkLkkkkkkkkxxkkkLkxxxkqPyxyxPdxyxPdxxpyxkkkk121331L12122121 3)(3)( )()()(1124當(dāng) 很小時(shí)，可寫成積分形式為最大量化電平注：超過（V，V）時(shí)，稱為量化過載量化過載過載噪聲kV )()(12122dxxpVVxkqVxVVxxqodxxpVxdxxpVxdxxpVx)()(2 )()()()(222225總量化噪聲以上是計(jì)算量化噪聲的一般公式。222qoqqs262.脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(1)均勻量化這是一種特殊情況，此時(shí)各分層間隔 L為分層數(shù)有此時(shí)量化噪聲與信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)LVk2222121223121212

4、1LVPPLkkLkkkq27例 1. 若量化器輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，Am為幅度量化信噪比 , 為編碼位數(shù)（二進(jìn)制） 令歸一化有效值22222223)3(2LVALVASmmqnL2最大量化電平信號(hào)有效值 2VADmn28則 用dB來表示 時(shí)，剛發(fā)生過載此時(shí)增加1位， 增大6dB2223LDSqnDDSndBq02. 6lg2077. 42lg20lg203lg102nSdBq02. 676. 1 max2n2qS21D29例 2. 實(shí)際語音信號(hào)語音信號(hào)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(hào) 的均方根值。xxxxexp221)(xx30當(dāng)D0.2時(shí)，過載噪聲很小，有當(dāng)信號(hào)

5、有效值很大時(shí)，過載噪聲將起主要作用，于是DnLDSdBqslg2077. 402. 631lg10222DSdBqs1 . 6231電話語音信號(hào)電話語音信號(hào)的均方值變動(dòng)范圍即語音動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)（4050）dB，高質(zhì)量電話（長途電話）的 至少應(yīng)大于25dB以上。如果采用均勻量化，為了滿足在4050dB的范圍內(nèi)的 大于25dB的要求，必須采用n=12位的均勻量化器。dBqsS2dBqsS232(2)非均勻量化非均勻量化對(duì)于語音信號(hào)而言，采用均勻量化是不合理的，小信號(hào)出現(xiàn)概率大，對(duì)噪聲功率的貢獻(xiàn)也大，為了使 提高，應(yīng)當(dāng)減小小信號(hào)時(shí)的量化間隔。為此，應(yīng)采用非均勻量化，小信號(hào)時(shí)量化“細(xì)”，大信號(hào)時(shí)量化“粗

6、”。即采用“瞬時(shí)壓擴(kuò)”的概念，以改善信噪比。2qS33令壓縮特性最佳 可保證最大的量化信噪比，但可行的動(dòng)態(tài)范圍較小，難以滿足工程要求。因此，較大的動(dòng)態(tài)范圍適應(yīng)性和穩(wěn)定的高信噪比輸出是工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。研究表明：好的壓縮函數(shù)為對(duì)數(shù)函數(shù)。)(xfz 34注：采用理想的對(duì)數(shù)壓擴(kuò)函數(shù)時(shí)量化器輸出的信噪比與輸入信號(hào)無關(guān)。從而對(duì)系統(tǒng)工程化應(yīng)用有實(shí)質(zhì)上的指導(dǎo)作用。35 (3) 對(duì)數(shù)壓縮特性及折線近似對(duì)數(shù)壓縮特性及折線近似在實(shí)際工程中不采用上述理想對(duì)數(shù)特性，而是采用以下兩種對(duì)數(shù)壓縮特性。a. A律對(duì)數(shù)壓縮特性11,ln1ln110,ln1)(xAAAxAxAAxxf3616)(,1xfAx相當(dāng)于信噪比增加了24

7、dB（20lg16=24）。ITU G.712建議中取A87.6，此時(shí)37b.律對(duì)數(shù)壓縮特性10)1ln()1ln()(xxxfITU G.712建議中取 255，小信號(hào)時(shí)改善33.5dB。38上述兩種特性仍難以實(shí)現(xiàn)，因而實(shí)際中采用折線近似。折線近似，用數(shù)字電路容易實(shí)現(xiàn)。A律與 律量化特性起始段不同我國采用A律。394PCM編碼原理編碼原理A.ITU建議采用折疊二進(jìn)碼FBC（Folded Binary Code）與其它碼相比， 在小電平時(shí)，抗誤碼性能好。若采用普通二進(jìn)碼，信號(hào)為均勻分布，可計(jì)算得到有誤碼時(shí)的量化信噪比FBCenpLLS) 1(4122240其中由上式得 時(shí)， 下降3dB。 22

8、2222tqtqtqneEeEeeE) 1(412Lpe2nS6108 . 32568epLn時(shí)，41B. Folded Binary Code 編碼規(guī)律1 511111 411101 311011 211001110111 0101091001810007000060001500104001130100201011011000111 42A律律段落碼電平碼段落號(hào)M2M3M4起始電平M5M6M7M8量化間隔00000168422100132168422201064321684430111286432168841002561286432161651015122561286432326110102

9、4512256128646471112048102451225612812843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 M404410245121250 M5010242561250 M6010241281250 M711024128641250 M81決定電平碼解碼輸出為：102412864321248，這里32為 /2， 是最佳量化特性所要求的。C.對(duì)數(shù)與線性之間的轉(zhuǎn)換A律13位律14位PCMPCM455.增量調(diào)制（，DeltaM）M(1)簡單增量調(diào)制可以認(rèn)為是 一位編碼時(shí)的特例，但編碼的是差值信號(hào)。編

10、碼過程MPCM重建值前一樣值前一樣值重建值本地譯碼值預(yù)測值輸入信號(hào)樣值 )() 1()( )( )(nSnSnSnSnSle46Q數(shù)碼形成Z-1C(n)S(n)e(n)-+Sl(n)( ne)(nS47解碼)( ne)(nC)(nS1ZM原理圖48差值信號(hào) 0)( ,)( 0)(1)( ,)( 0)() 1()()()()(nCnenenCnenenSnSnSnSnel則編碼過程49)()()( )( ),()() 1()()()( 1)()( 0)(nSnSnenenCnCnSnenSnenCnenC因而傳輸過程無誤碼時(shí)則譯碼過程50實(shí)際編碼譯碼器常用簡單RC積分器和比較器來實(shí)現(xiàn) 和1Z Q

11、(2)斜率過載和量化信噪比當(dāng)信號(hào)變化速率超出 波形變化速率時(shí)，會(huì)出現(xiàn)斜率過載現(xiàn)象，以單頻信號(hào)為例M51為抽樣頻率最大值為sssfffTAAtAtSdtAtS 2 T1 sin)(cos)(maxsmax量化信噪比52量化噪聲M)12(321 21( )()(2222222qqqPCMdeeeptedeepe時(shí)此時(shí)，）間均勻分布，則，在（若53通常認(rèn)為 在 內(nèi)均勻分布，則低通濾波 后q) , 0(sf)(LPF帶寬為LPFfffBsBq3225414log10log20log30)(038. 0832101010max232322maxmax2maxmaxBsBsBsqfffdBSNRfffff

12、fSSNRAS臨界過載時(shí)55dBSNRkHzfkHzfkHzfsB1615 16 4 1例：結(jié)論： 與 三次方成正比， 提 高一倍， 增大9 與 成反比，信號(hào)頻率提高一倍， 下降6SNRsfsfSNRdBSNR2fSNRdB566簡單增量調(diào)制的性能改進(jìn)簡單增量調(diào)制有兩個(gè)問題： 斜率過載 動(dòng)態(tài)范圍57(1).數(shù)字壓擴(kuò)自適應(yīng)增量調(diào)制可同時(shí)解決動(dòng)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(xiàn)多個(gè)“1”，即可認(rèn)為信號(hào)有出現(xiàn)過載的可能，從而增大，使其本地譯碼信號(hào)跟上變化。PCM58數(shù)字壓擴(kuò)又稱CVSD連續(xù)可變斜率可采用音節(jié)壓擴(kuò)，而不是瞬時(shí)壓擴(kuò)。一音節(jié)（520）msPCM59(2).增量總和調(diào)制可解決斜率過載問題其要點(diǎn)是：將信號(hào)先進(jìn)行積分，改變其頻率響應(yīng)。使高頻分量幅度下降（與預(yù)加重相反），然后再進(jìn)行 編碼。為此，在接收端為了不失真恢復(fù)原信號(hào)，需要將解碼后信號(hào)進(jìn)行微分。)(M又稱M607、信道誤碼對(duì) 的影響對(duì)簡單 有MMdBSNRfBffpfffpSSN