語音信號處理 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?它們是如何實現(xiàn)的?為什么說在取樣率受限于信號帶寬時傳輸數(shù)碼率取決于語音信號的概率分布?常用的語音信號的概率函數(shù)是什么?量化：量化是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號的過程。編碼：編碼是將量化后的離散信號轉(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。在取樣率受限于信號帶寬的情況下，傳輸數(shù)碼率取決于語音信號的概率分布，因為信號的傳輸效率與信號中信息的不確定性有關(guān)。如果信號的概率分布不均勻，那么可以通過優(yōu)化編碼方案來減少對高概率事件的編碼比特數(shù)，從而提高編碼效率。常用的語音信號的概率函數(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，使信號更適宜傳輸和存儲。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在傳輸?shù)倪^程中不出錯或者少出錯，即使出了錯也要能自動檢錯和盡量糾錯。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)點和缺點?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域信號的波形與原語音信號波形保持一致，它具有適應(yīng)能力強(qiáng)、語音質(zhì)量好等優(yōu)點，但需要用到的編碼速率高。參數(shù)編碼的優(yōu)點是編碼速率低，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。混合編碼也是基于語音產(chǎn)生模型的假定并采用了分析合成技術(shù)，但同時它又利用了語音的時間波形信息，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?常用的有哪幾種非均勻量化方式?PCM的均勻量化：不論信號幅度的大小，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：對大幅度的樣本使用大的量化階距，對小幅度的樣本使用小的量化階距，在接收端按此還原。在信號動態(tài)范圍較大而方差較小時，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)”?什么叫前饋自適應(yīng)和反饋自適應(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)于輸入信號的幅值變化，也就是量化間隔Δ匹配于輸入信號的方差值，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)前饋自適應(yīng)是指Δ(n)或G(n)是通過對輸入信號估計得到的，而反饋自適應(yīng)是由估計量化器的輸出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?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分割成若干個子頻帶，然后用調(diào)制的方法對濾波后的信號即子帶信號進(jìn)行頻譜平移變成低通信號（即基帶信號），以利于降低取樣率進(jìn)行抽?。辉倮媚慰固厮俾蕦ζ溥M(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：（1）對不同子帶合理地分配比特數(shù)，可以使重建信號的量化誤差譜適應(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數(shù)。（2）各子帶內(nèi)的量化噪聲相互獨立，這樣就避免了輸入電平較低的子帶信號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)制的方法對濾波后的信號即子帶信號進(jìn)行頻譜平移變成低通信號（即基帶信號），以利于降低取樣率進(jìn)行抽取；再利用奈奎斯特速率對其進(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：首先將整個語音帶分成兩個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個子帶。這個過程可按需要重復(fù)，以產(chǎn)生任何2k個子帶。采用正交鏡像濾波器技術(shù)，其處理既簡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)測聲碼器最常用的是線性預(yù)測聲碼器。8、請畫出線性預(yù)測聲碼器的原理框圖。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)由語音信號的統(tǒng)計特性決定，而且對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)信號的概率分布來優(yōu)化編碼長度，減少平均比特率。變幀率LPC聲碼器：它根據(jù)語音信號的特性動態(tài)調(diào)整編碼幀的速率。在語音信號變化不大（如穩(wěn)定元音）時，可以增加幀與幀之間的間隔，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；而在語音信號變化劇烈（如輔音或音素過渡）時，減少幀間隔，以保持語音質(zhì)量。9、什么是碼激勵聲碼器?有什么優(yōu)缺點?碼激勵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）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，它們被存儲在數(shù)據(jù)庫中。在合成語音時，系統(tǒng)會根據(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：（1）高自然度：由于使用的是真實的語音片段，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）易于實現(xiàn)：相對于其他復(fù)雜的語音合成方法，碼激勵聲碼器的實現(xiàn)相對簡單。缺點：（1）存儲需求：需要存儲大量的語音碼，這可能導(dǎo)致較高的存儲需求；（2）拼接不自然：在碼之間進(jìn)行拼接時可能會產(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、混合激勵線性預(yù)測編碼(MELP)的原理是什么?畫出它的系統(tǒng)框圖。原理：混合激勵由一個多帶混合模型來實現(xiàn)，對于濁音激勵源，多帶混合激勵吸取了多帶激勵（MBE）語音產(chǎn)生模型的特點，將整個頻段分成固定的幾個頻帶，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。而對于清音譜，仍采用平坦的白噪聲譜作為激勵源。這樣，混合激勵比較細(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)，同時減少傳輸所需的帶寬。（2）低延遲：實時通信系統(tǒng)，如電話會議和在線游戲，要求語音編碼技術(shù)具有低延遲特性，以保證通信的實時性和交互性。（3）高質(zhì)量：用戶對語音通信的音質(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現(xiàn)高質(zhì)量的語音編碼，以減少數(shù)據(jù)傳輸量和存儲需求。（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：（1）特征表示：深度學(xué)習(xí)模型，尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對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：選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對于模型的性能至關(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)和評估指標(biāo)：選擇合適的損失函數(shù)和評估指標(biāo)對于訓(xùn)練有效的模型至關(guān)重要。對于語音編碼，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