《語音壓縮編碼》課件

語音壓縮編碼語音壓縮編碼是數(shù)字信號處理領(lǐng)域的重要技術(shù)，它可以有效地降低語音信號的存儲和傳輸成本，提高傳輸效率。課程大綱1.語音信號的特性語音信號的物理特性，包括人耳的頻率響應(yīng)、語音信號的時域特性和頻域特性。2.語音信號的數(shù)字化語音信號的量化和編碼，以及標準化的語音編碼格式。3.語音編碼的基本原理介紹常見的語音編碼技術(shù)，包括分析和合成、線性預(yù)測編碼和變換編碼等。4.語音編碼技術(shù)介紹具體的語音編碼技術(shù)，如PCM編碼、ADPCM編碼、LPC編碼和CELP編碼。語音信號的特性時域特性語音信號的時域特性是指語音信號隨時間變化的規(guī)律。頻域特性語音信號的頻域特性是指語音信號的頻率成分及其分布。人耳的頻率響應(yīng)人耳對不同頻率的聲音有不同的敏感度，這會影響語音信號的感知質(zhì)量。1.1人耳的頻率響應(yīng)頻率范圍20Hz-20kHz敏感度對1kHz-4kHz頻率最敏感頻率分辨率在低頻段較低，在高頻段較高語音信號的時域特性短時平穩(wěn)性語音信號在短時間內(nèi)可以視為平穩(wěn)信號，長時則不平穩(wěn)。周期性元音信號是準周期性的，濁音信號具有周期性。1.3語音信號的頻域特性1頻譜語音信號頻譜集中在300Hz-3400Hz2基音頻率男性80-150Hz，女性160-250Hz3共振峰元音決定，幫助辨別語音4清濁音清音能量低，濁音能量高2.語音信號的數(shù)字化模擬信號來自麥克風的語音信號是模擬的，它隨時間連續(xù)變化。數(shù)字化將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便計算機處理。數(shù)字信號數(shù)字信號由一系列離散值表示，適合存儲和傳輸。2.1量化和編碼1量化將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號的過程。2編碼將量化后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為適合傳輸或存儲的代碼的過程。2.2標準化語音編碼格式多種音頻格式滿足不同應(yīng)用場景。標準化格式確保兼容性，提高效率。廣泛應(yīng)用于通信和多媒體領(lǐng)域。語音編碼的基本原理1分析和合成將語音信號分解成基本特征，并利用這些特征重建語音信號。2線性預(yù)測編碼利用語音信號的短時自相關(guān)性進行預(yù)測，并壓縮預(yù)測誤差。3變換編碼將語音信號變換到另一個域，并對變換系數(shù)進行壓縮。分析和合成1合成基于分析得到的模型重建語音信號2分析提取語音信號的特征參數(shù)3語音信號原始語音信號3.2線性預(yù)測編碼預(yù)測利用過去語音信號樣本預(yù)測當前樣本的值.預(yù)測誤差計算預(yù)測值和實際值之間的差異,誤差較小則預(yù)測更準確.編碼僅傳輸預(yù)測誤差,而不是原始語音信號.解碼接收端使用預(yù)測誤差和過去的樣本重建原始信號.3.3變換編碼1變換域?qū)⑿盘枏臅r域轉(zhuǎn)換到頻域，例如離散余弦變換（DCT）。2量化對變換系數(shù)進行量化，保留重要信息，減少數(shù)據(jù)量。3編碼對量化后的系數(shù)進行編碼，例如熵編碼，進一步壓縮數(shù)據(jù)。4.語音編碼技術(shù)PCM編碼脈沖編碼調(diào)制(PCM)是一種基本的語音編碼方法，它直接將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。ADPCM編碼自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)是一種改進的PCM方法，它利用前一個樣本的信息來壓縮數(shù)據(jù)。LPC編碼線性預(yù)測編碼(LPC)通過分析語音信號的特性來預(yù)測未來的樣本，并只傳輸預(yù)測的誤差。CELP編碼碼激勵線性預(yù)測(CELP)是最先進的語音編碼技術(shù)之一，它使用一種稱為碼本的代碼庫來生成語音信號。4.1PCM編碼脈沖編碼調(diào)制(PCM)PCM編碼是一種最簡單的語音編碼方式。它將模擬語音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并以固定比特率進行傳輸。工作原理PCM編碼通過對模擬信號進行采樣、量化和編碼來實現(xiàn)。優(yōu)點實現(xiàn)簡單，音質(zhì)好。缺點碼率高，存儲和傳輸效率低。4.2ADPCM編碼差分脈沖編碼調(diào)制ADPCM是一種利用信號樣本之間差異進行編碼的語音壓縮技術(shù)。它通過預(yù)測下一個樣本的值，并僅對預(yù)測誤差進行編碼，從而降低數(shù)據(jù)量。自適應(yīng)預(yù)測ADPCM使用自適應(yīng)預(yù)測器來估計下一個樣本的值，預(yù)測器參數(shù)會根據(jù)信號的變化進行調(diào)整。量化和編碼預(yù)測誤差會被量化并編碼成比特流，然后傳輸或存儲。4.3LPC編碼線性預(yù)測編碼利用語音信號的短時平穩(wěn)特性，通過線性預(yù)測模型來預(yù)測未來語音樣本。參數(shù)化編碼通過預(yù)測模型的參數(shù)來表示語音信號，而不是直接對語音樣本進行編碼。低碼率和高質(zhì)量LPC編碼能以較低的碼率實現(xiàn)較高的語音質(zhì)量。CELP編碼1代碼激勵線性預(yù)測CELP編碼使用代碼本激勵線性預(yù)測，以更準確地模擬語音信號。2低比特率CELP編碼可以實現(xiàn)較低的比特率，減少數(shù)據(jù)傳輸量。3高質(zhì)量語音CELP編碼在低比特率下仍能提供高質(zhì)量的語音，保證通話質(zhì)量。語音編碼標準和應(yīng)用ITU-T標準ITU-T是國際電信聯(lián)盟電信標準化部門，它制定了一系列語音編碼標準，例如G.711、G.729和G.722。這些標準在固定電話、移動電話和其他通信系統(tǒng)中廣泛使用。3GPP標準3GPP是第三代合作伙伴計劃，它制定了一系列語音編碼標準，例如AMR-NB、AMR-WB和EVS。這些標準在移動電話和其他無線通信系統(tǒng)中廣泛使用。ITU-T編碼標準1G.711PCM編碼，用于傳統(tǒng)電話系統(tǒng)，提供8kHz采樣率和8位量化。2G.729低比特率編碼，用于移動通信，提供8kHz采樣率和8kbps比特率。3G.722寬帶編碼，用于高保真語音傳輸，提供16kHz采樣率和48kbps比特率。4G.723.1自適應(yīng)編碼，用于低帶寬應(yīng)用，提供5.3kHz或6.3kHz采樣率和6.3kbps或5.3kbps比特率。3GPP編碼標準AMR-WB寬帶語音編解碼，提供更高的語音質(zhì)量和更自然的音調(diào)，適用于現(xiàn)代移動通信。EVS增強語音服務(wù)，提供更高的語音質(zhì)量和更清晰的音頻，適用于高清語音通信和視頻會議。AMR-NB窄帶語音編解碼，提供基本的語音質(zhì)量，適用于傳統(tǒng)的移動通信。5.3語音編碼在通信中的應(yīng)用移動通信語音編碼技術(shù)是移動通信系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它能有效地壓縮語音數(shù)據(jù)，節(jié)省帶寬。視頻會議高品質(zhì)的語音編碼能提供清晰自然的音頻體驗，讓視頻會議更加流暢高效。網(wǎng)絡(luò)電話語音編碼技術(shù)能夠在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實現(xiàn)高質(zhì)量的語音通話，克服網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的限制。語音編碼的發(fā)展趨勢更高質(zhì)量的語音編碼技術(shù)更靈活的自適應(yīng)編碼技術(shù)多通道語音編碼技術(shù)高質(zhì)量編碼技術(shù)高保真音頻為追求逼真度和自然感，高質(zhì)量編碼技術(shù)旨在最大限度地保留原始語音信號的細節(jié)和信息。高采樣率通過增加采樣率，高質(zhì)量編碼技術(shù)能夠捕捉到更豐富的頻率信息，從而提供更清晰、更細膩的音頻體驗。低延遲高質(zhì)量編碼技術(shù)通常采用低延遲算法，以確保語音信號的實時傳輸和播放，避免延時帶來的不適感。6.2自適應(yīng)編碼技術(shù)編碼參數(shù)根據(jù)語音信號的變化進行調(diào)整。提高編碼效率，降低碼率。改善語音質(zhì)量，提高抗噪性能。多通道編碼技術(shù)立體聲編碼立體聲編碼技術(shù)能更好地還原聲音的空間感和層