第6-差分脈沖編碼調(diào)制課件

以較低的速率獲得高質(zhì)量編碼，一直是語(yǔ)音編碼追求的目標(biāo)。通常，人們把話路速率低于64kb/s的語(yǔ)音編碼方法，稱為語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)。自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制是語(yǔ)音壓縮中復(fù)雜度較低的一種編碼方法，它可在32kb/s的比特率上達(dá)到64kb/s的PCM數(shù)字電話質(zhì)量。近年來(lái)，ADPCM已成為長(zhǎng)途傳輸中一種新型的國(guó)際通用的語(yǔ)音編碼方法。

ADPCM是在差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)壓縮的概念壓縮的可能性？

任何信號(hào),不論語(yǔ)音或圖像,采用直接采樣-量化-編碼的方式進(jìn)行編碼,都會(huì)發(fā)現(xiàn)碼組之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性。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?稱為冗余。當(dāng)利用PCM方式編碼時(shí)，這些相鄰樣本很可能在一個(gè)量化級(jí)，或只差1、2個(gè)量化級(jí)，這樣的PCM碼序列，就產(chǎn)生了“冗余”信息。

這意味著夾雜有重復(fù)信息傳輸而浪費(fèi)傳輸能力。如果設(shè)法在編碼前就去掉這些相關(guān)性很強(qiáng)的冗余，則可進(jìn)行更為有效的信息傳輸。具有此種功能而普遍采用的編碼機(jī)制，稱為差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）。實(shí)現(xiàn)差分編碼的一個(gè)好辦法是根據(jù)前面的k個(gè)樣值預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的樣值。編碼信號(hào)只是當(dāng)前樣值與預(yù)測(cè)值之間的差值的量化編碼。

編碼器中的預(yù)測(cè)器與解碼器中的預(yù)測(cè)器完全相同。DPCM原理方框圖6.2差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）DPCM預(yù)測(cè)原理DPCM系統(tǒng)中，總量化誤差只和差值信號(hào)的量化誤差有關(guān)

編碼器：圖6-1給出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)DPCM功能的系統(tǒng)框圖。它實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)編碼的基本設(shè)計(jì)構(gòu)思是，對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化后，編成PCM碼傳輸。這一差值的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)當(dāng)說(shuō)比PCM的絕大多數(shù)樣本值小的多。PAM序列的所用的參考值來(lái)自于帶有預(yù)測(cè)器，而不斷累積的階梯波輸出，是在以前所有累積值與差值量化值相加的結(jié)果。因此階梯波總是在不斷近似追蹤輸入序列PAM信號(hào)的各值。圖6-1DPCM功能系統(tǒng)框圖1.各量值之間關(guān)系（1）系統(tǒng)輸入的瞬時(shí)樣本值與累積階梯波之差為誤差值，即

(6-1)（2）比較器輸出的誤差值經(jīng)M個(gè)量化電平的量化器量化后為，它等于誤差值與量化誤差值之和，即式中，表示差值的量化誤差（量化噪聲）。（6-2）（3）預(yù)測(cè)器的輸入值等于階梯波累積值與差值的量化值之和

(6-3)（4）通過(guò)系統(tǒng)中的預(yù)測(cè)處理后，的最終損失為量值不大的差值量化噪聲，則有

(6-4)或

(6-5)（5）由于預(yù)測(cè)輸出（通過(guò)分析階梯波）是個(gè)累積過(guò)程，因此，式（6-1）可寫(xiě)為

(6-6)式中，表示單位幅度的正負(fù)權(quán)值系數(shù)。以兩位編碼(N=2)來(lái)說(shuō)明DPCM的編碼過(guò)程。由于N=2，所以誤差信號(hào)的量化電平數(shù)。假設(shè)4個(gè)量化電平分別為，，，它們分別由二進(jìn)制脈沖(雙極性信號(hào))++,+-,-+,--表示。誤差信號(hào)的抽樣、量化和編碼過(guò)程如圖所示。圖(a)表示對(duì)誤差信號(hào)的抽樣、量化，圖中的紅色空心圓點(diǎn)表示誤差信號(hào)的抽樣值，圖中的藍(lán)色實(shí)心圓點(diǎn)表示誤差信號(hào)量化后的值。當(dāng)，量化為當(dāng)，量化為

當(dāng)，量化為

當(dāng)，量化為圖(b)表示經(jīng)抽樣與量化后的信號(hào)波形，圖(c)是編碼器輸出的DPCM碼。若設(shè)正脈沖表示二進(jìn)制數(shù)字"0",負(fù)脈沖表示"1",則編碼器輸出的DPCM碼為:0101010000000。

2.DPCM編碼由式（6-1）產(chǎn)生的預(yù)測(cè)誤差雖然與樣本值比較一般是不大的量，但由于信號(hào)某段中可能增、減斜率較大，因此階梯波追蹤能力就顯不足，會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)差值較大，況且通過(guò)量化器得到的量化值又有新的損失量。因此對(duì)于各時(shí)刻的正負(fù)不等的差值需進(jìn)行編碼。

分析證明，對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)小于原信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的量化差值編制PCM碼（線性），要比直接利用PCM系統(tǒng)所需的編碼位數(shù)要少。

3.DPCM解碼

DPCM解碼方式如圖6-3所示。接收端將差值PCM信號(hào)通過(guò)解碼器變換為差值序列，然后經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)器進(jìn)行累加積分，恢復(fù)原信號(hào)的近似值，生成階梯波，再由低通濾波器（LPF）平滑后，可得原信號(hào)的估值信號(hào)。圖6-3DPCM解碼方式DPCM系統(tǒng)的性能設(shè)信號(hào)m(t)的平均功率為在DPCM系統(tǒng)中，由于誤差范圍被量化為M個(gè)電平，所以，所以下面求DPCM系統(tǒng)的量化噪聲功率此時(shí)誤差信號(hào)的量化誤差的范圍為參見(jiàn)118頁(yè)5-26，量化噪聲功率為假設(shè)量化后的誤差信號(hào)具有均勻的功率譜密度，而DPCM系統(tǒng)輸出數(shù)字信號(hào)的碼元速率為，所以可以認(rèn)為噪聲頻譜均勻地分布于頻帶寬度為，的范圍內(nèi)，所以可求得此時(shí)的單邊功率譜密度為經(jīng)截止頻率為fm的低通濾波器后，得到噪聲功率為最后算出DPCM系統(tǒng)的輸出信噪比為比較DPCM和PCM系統(tǒng)的性能PCM系統(tǒng)的輸出信噪比為

DPCM系統(tǒng)的輸出信噪比為可以看出，當(dāng)N和fs/fc比較大時(shí)，DPCM系統(tǒng)的性能要優(yōu)于PCM。

DPCM與PCM的區(qū)別是，在PCM中用信號(hào)抽樣值進(jìn)行量化，編碼后傳輸。而DPCM則是用信號(hào)與的差值進(jìn)行量化，再進(jìn)行編碼。經(jīng)DPCM調(diào)制后的信號(hào)，抽樣值壓縮比大，并且比PCM信噪比改善14～17dB。

DPCM與區(qū)別是是：在中是用一位二進(jìn)制碼表示增量，而在DPCM中用幾位二進(jìn)制表示增量。由于它增多了量化級(jí)，因此在改善量化噪聲方面優(yōu)于。DPCM利用預(yù)測(cè)編碼，應(yīng)用范圍很廣，除了語(yǔ)音以外，更多地用于圖像無(wú)失真壓縮編碼，如目前流行的會(huì)議電視、可視電話等圖像處理采用二維多階DPCM處理。DPCM的缺點(diǎn)是易受信道噪聲的影響。

自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制（ADPCM）ADPCM，即自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制，它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(lái)壓縮數(shù)據(jù)的一種波形編碼技術(shù)。ADPCM采用自適應(yīng)預(yù)測(cè)和自適應(yīng)量化技術(shù)，可使誤差量化器的量化信噪比最大。CCITT為此制定了G.721推薦標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)叫做32kb/sADPCM。自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）綜合了APCM的自適應(yīng)特性和DPCM系統(tǒng)的差分特性。

如果將樣值之差仍用N位編碼傳送，則DPCM的量化信噪比顯然優(yōu)于PCM系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)差分編碼的一個(gè)好辦法是根據(jù)前面的k個(gè)樣值預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的樣值。編碼信號(hào)只是當(dāng)前樣值與預(yù)測(cè)值之間的差值的量化編碼。

DPCM系統(tǒng)原理框圖預(yù)測(cè)器輸出線性預(yù)測(cè)法ADPCM中的預(yù)測(cè)信號(hào)是用線性預(yù)測(cè)的方法產(chǎn)生的。線性預(yù)測(cè)器分極點(diǎn)預(yù)測(cè)器和零點(diǎn)預(yù)測(cè)器。1）極點(diǎn)預(yù)測(cè)器其N階預(yù)測(cè)器的輸出Se(k)是N個(gè)Se(k-i)值的線性組合。即其中，ai是一組預(yù)測(cè)系數(shù)。預(yù)測(cè)誤差濾波器的傳遞函數(shù)：（不考慮量化誤差）而重建濾波器的傳遞函數(shù)：（只有極點(diǎn)）2、零點(diǎn)預(yù)測(cè)器若M階預(yù)測(cè)器的輸出為：

系統(tǒng)的重建信號(hào)

利用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小，即使用小的量化階(step-size)去編碼小的差值，使用大的量化階去編碼大的差值,使用過(guò)去的樣本值估算下一個(gè)輸入樣本的預(yù)測(cè)值，使實(shí)際樣本值和預(yù)測(cè)值之間的差值總是最小。圖6-4為ADPCM編碼器的基本結(jié)構(gòu)圖：（148頁(yè)）它由PCM碼/線性碼變換器、自適應(yīng)量化器、自適應(yīng)逆量化器、自適應(yīng)預(yù)測(cè)器及量化尺度適配器組成。編碼器輸入的信號(hào)為非線性PCM碼，根據(jù)用戶要求，可以使A律和U律PCM碼，為了便于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)運(yùn)算處理，首先將8位非線性PCM變?yōu)?2位線性碼，然后進(jìn)入ADPCM部分，線性PCM信號(hào)與預(yù)測(cè)信號(hào)相減獲得預(yù)測(cè)誤差信號(hào)。自適應(yīng)量化器將該差值信號(hào)進(jìn)行量化并編成4位ADPCM碼輸出。

圖6-4ADPCM編碼器ADPCM譯碼器由自適應(yīng)量化器、自適應(yīng)預(yù)測(cè)器、線形碼/pcm變換器、量化尺度適配器以及同步編碼調(diào)整組成。譯碼器中的譯碼過(guò)程和編碼有相同的電路，只是多了一個(gè)同步編碼調(diào)整，其作用是使級(jí)聯(lián)工作時(shí)不產(chǎn)生誤差的累積。ADPCM譯碼器的結(jié)構(gòu)如圖6-5所表示

圖6-5ADPCM譯碼器總量化誤差總量化信噪比

式中，(S/N)q是把差值序列作為信號(hào)時(shí)量化器的量化信噪比，與PCM系統(tǒng)考慮量化誤差時(shí)所計(jì)算的信噪比相當(dāng)。Gp可理解為DPCM系統(tǒng)相對(duì)于PCM系統(tǒng)而言的信噪比增益，稱為預(yù)測(cè)增益。如果能夠選擇合理的預(yù)測(cè)規(guī)律，差值功率就能遠(yuǎn)小于信號(hào)功率，Gp就會(huì)大于1，該系統(tǒng)就能獲得增益。對(duì)DPCM系統(tǒng)的研究就是圍繞著如何使Gp和(S/N)q這兩個(gè)參數(shù)取最大值而逐步完善起來(lái)的。通常Gp約為6～11dB。自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)值得注意的是，DPCM系統(tǒng)性能的改善是以最佳的預(yù)測(cè)和量化為前提的。但對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)和量化是復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，這是因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化。為了能在相當(dāng)寬的變化范圍內(nèi)獲得最佳的性能，只有在DPCM基礎(chǔ)上引入自適應(yīng)系統(tǒng)。有自適應(yīng)系統(tǒng)的DPCM稱為自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制，簡(jiǎn)稱ADPCM。

ADPCM的主要特點(diǎn)是用自適應(yīng)量化取代固定量化，用自適應(yīng)預(yù)測(cè)取代固定預(yù)測(cè)。

自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)

自適應(yīng)量化指量化臺(tái)階隨信號(hào)的變化而變化，使量化誤差減?。蛔赃m應(yīng)預(yù)測(cè)指預(yù)測(cè)器系數(shù)｛ai｝可以隨信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性而自適應(yīng)調(diào)整，提高了預(yù)測(cè)信號(hào)