数字电子电路第三章.ppt

第三章第三章 语音信号的压缩编码语音信号的压缩编码231适应差值脉冲编码调制适应差值脉冲编码调制ADPCMADPCM差值脉冲编码调制差值脉冲编码调制DPCMDPCM234子带编码子带编码SBCSBC、参量编码、参量编码GSMGSM及及IPIP电话系统语声编码电话系统语声编码技术的应用及标准技术的应用及标准第三章课堂作业第三章课堂作业1.回答什么是DPCM?2.什么叫做预测编码,分析零点预测和极点预测机制,画出编解码框图和对应的预测器.3.画出DPCM系统框图.4.DPCM系统是否优于PCM系统?从DPCM系统SNR上进行分析,并说明什么是Gp和SNRq.5.什么叫做最佳预测?最佳预测如何反映?6.什么叫做最佳量化?最佳量化如何反映?第一节第一节 差值脉冲编码调制差值脉冲编码调制DPCMDPCMDPCM原理及实现DPCM就是考虑利用语声信号的相关性找出可反映信号变化特征的一个差值量进行编码的。差值编码一般是以预测的方式来实现的。定义：对差值序列进行量化编码的方法基本原理发端：将样值序列转化为差值序列发端：将样值序列转化为差值序列 从从前前n个个差差值值序序列列中中估估算算出出第第n个样值个样值收端：将差值序列还原成样值序列收端：将差值序列还原成样值序列 预测实现当由冗余性信号的一部分就可以对区域部分进行推断和估计：预测编码：语音信号的相邻杨值点间存在幅度相关性，根据前些时刻的样值来预测现时刻的样值，只要传输样值与预测值之差，不需要对每个样值都传输，接收端把差值叠加在预测序列上，就可恢复原始序列.图2.42 实现预测的横截的横截滤波器波器图2.43是DPCM实现的原理框图。如前面所述，DPCM方式的发送端就是将现有样值与预测值之差进行量化编码的方式来实现的，而在接收端为了恢复原信号也必须进行与发送端相同的预测。由输入信号预测的DPCM系统 预测值根据输入的信号预测得出由解码信号预测的由解码信号预测的DPCM系统系统 由解码信号预测的DPCM系统 解码器将历史编码还原成样值输入给预测器，进行现值预测。一、自适应差值脉冲编码调制ADPCM 自适应量化的基本思想是：让量化间隔(t)的变化，与输入信号方差相匹配，即量化器阶距随输入信号的方差而变化，它正比于量化器输入信号的方差。第二节第二节 自适应差值脉冲编码自适应差值脉冲编码调制调制ADPCMADPCM自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制ADPCMADPCM原理自适应量化比非自适应量化的S/N改善4 7dB；自适应预测使差分PCM的S/N改善达610dB，将以上两种技术结合在一起，可进一步压缩数码率。作用S/N进一步提高；在较低编码位数情况下取得满意通信质量。自适应量化自适应量化基本原理对输入信号的瞬时功率加以监 测，并随时改变量化器量化级差大小，使之“匹配”信号的变化。分类前向自适应后向自适应图2.44前前馈自自适适应量量化化ADPCM前向自适应图2.45反反馈自自适适应量量化化ADPCM后向自适应自适应预测自适应预测图2.46 固定和自适固定和自适应DPCM系系统性能性能二、32kbit/sADPCM系统1984年ITU-T公布了G.721 32kbit/s ADPCM标准，并于1986年做了进一步的修改。图2.47G.721 32kbit/s ADPCM工工作作原原理理框框图三、单片集成ADPCM编解码器1.MC145532 ADPCM代码转换器(1)技术特点 满足ITU-T建议G.7211988；全双工、单信道工作；选择引脚律或A律编码；同步或异步工作；容易与摩托罗拉的PCM编解码器、滤波器等接口；串行PCM和ADPCM数据传输速率为64kbit/s5120kbit/s；省电能力用于低电流的消耗；简单时隙分配定时用于代码转换器；单5V电源。(2)MC145532引脚符号与功能(3)应用电路图2.48 MC145532引引脚脚排排列列图图2.49 MC145532ADPCM应用用电路路2.MC145540ADPCM编/解码器(1)技术特点 单电源工作(2.75.25V)；3V时典型功耗为60mW，省电时为15W；最小噪音的差分模拟电路设计；完全律或A律压扩PCM编解码器滤波器；64，32，24和16kbit/s数据率ADPCM代码转换器；通用可编程双音频发生器；可编程发送增益、接收增益和侧音增益；用于与话筒接口的低噪声、高增益、三端输入运算放大器；(2)MC145540引脚符号与功能(3)应用电路图2.50 MC145540引引脚脚排排列列图图2.51 MC14550手持机手持机应用用电路路第三节第三节 子带编码子带编码SBCSBC一、子带编码的基本概念及工作原理子带编码是首先将输入信号分割成几个不同的频带分量，然后再分别进行编码，这类编码方式称为频域编码。把语声信号分成若干子带进行编码主要的优点。子带编码实现的原理框图如图2.52所示。在子带编码中，用带通滤波器将语声频带分割为若干个子带，每个子带经过调制将各子带变成低通型信号(图中未画出)。这样就可使抽样速率降低到各子带频宽的两倍。图2.52 子子带编码原理方框原理方框图二、子带编码的比特分配及编码速率在子带编码中，各子带的带宽Bk可以是相同的，也可以是不同的。前者称为等带宽子带编码，后者称为变带宽子带编码。等带宽子带编码的优点是易于用硬件实现，也便于进行理论分析。在这种情况下带宽Bk等于Bk=B=B/m式中，k=1,2,3,m,m是子带总数，B是编码信号总的带宽。三、子带的划分语声信号各子带的带宽应考虑到各频段对主观听觉贡献相等的原则做合理的分配。四、16、24、32kbit/s电话语声子带编码该标准采用三种编码速率，即48、56及64kbit/s。输入语声信号带宽为507000Hz，分成两个等宽的子带。第四节第四节 参量编码参量编码参量编码的原理和设计思想与波形编码完全不同。波形编码的基本思路是忠实地再现话音的时域波形，为了降低比特率，可充分利用抽样点之间的信息冗余性对差分信号进行编码，在不影响话音质量的前提下，比特率可以降至32kbit/s。一、语声形成机理及语声信号分析语声形成的大致过程可如图2.54所示。从语声信号分析可知，音素分为两类：伴有声带振动的音称为浊音；声带不振动的音称为清音。图2.54 语声声形形成成过程程1.浊音与基音浊音又称有声音，语声发声时声带在气流的作用下激励起准周期的声波，如图2.55所示。由图可见浊音声波具有明显的准周期特性，这一准周期音称为基音，其基音周期为418ms相当于基音频率在50250Hz范围内。图2.55 波音声波波形图图2.56 浊音音频谱示意示意2.清音清音又称无声音。图2.57 清音波形清音波形图清音没有周期特性，典型的清音波形频谱如图2.58所示。从清音的频谱分析可知，清音中不含具有周期或准周期特性的基音及其谐波成分。图2.58 清音频谱示意3.语声信号产生模型图2.59 语声信号声信号产生模型生模型二、线性预测编码(LPC)的基本概念在发送端，原始语声输入A/D变换器，以8kHz速率抽样并变换成数字化语声。然后以每180个样值为一帧(帧周期22.5ms)，以帧为处理单元逐帧进行线性预测系数分析，并作相应的清/浊音判决和基音提取，最后把这些参量进行量化、编码并送入信道传送。图2.60 线性性预测LPC编译码方框方框图在接收端，经参量解码分出参量ai、G、P和u/v等。G、P以及u/v用作语声信号的合成产生，ai用作形成合成滤波器的参数。最后将合成产生的数字化语声信号再经D/A变换即还原为接收端合成产生的语声信号。图2.61所示是简化的LPC原理框图。图2.61 简化化LPC原理框原理框图三、线性预测合成分析编码1.结构原理激励生成器产生的激励信号经线性预测器后得到重构的话音信号(i)，线性预测器模拟声道特性，加强了激励信号的某些频率域，减弱了另一些频率域，体现了语声信号的短时相关性。激励信号则体现了语声信号的长时相关性，输入线性预测器的激励信号是量化后的增益和基音信号。图2.62 LPAS声声码器原理器原理结构构2.激励信号生成及表示激励信号的产生有如下几种：(1)多脉冲激励(MPE)(2)规则脉冲激励(RPE)(3)码本激励激励信号最终要量化后以二进制的形式发送出去。量化有两种类型。一种是标量量化，也就是对每个参数独立地进行量化，然后通过组合确定参数集。另一种是矢量量化，也就是将所有参数组合起来作为一个整体进行量化，在数学上就用矢量来表示参数的组合。第五节第五节 GSMGSM及及IPIP电话系统语声编码技术的应用电话系统语声编码技术的应用及标准及标准一、G.728声码器G.728是16kbit/s的LPAS声码器，采用低时延码本激励线性预测(LD-CELP)方式。1.G.728编码器G.728的LD-CELP编码器的简化结构如图2.63所示。图2.63 G.728编码器器结构构2.G.728解码器图2.64G.728解解码器器结构构二、G.729声码器1.G.729声码器性能特点G.729是8kbit/s的LPAS声码器，线性预测采用前馈型前向自适应技术。2.G.729编码器G.729编码器如图2.65所示。模拟话音信号经话带滤波后，按8kHz频率抽样并变换成16bit线性PCM信号，这就是图中编码器的输入话音信号。图2.65 G.729编码器器结构构3.G.729解码器图2.66 G.729解解码器器结构构三、G.723.1声码器G.723.1是双速率LPAS声码，低速率的编码比特率为5.3kbit/s，高速率为6.3kbit/s，线性预测也是采用前馈型前向自适应，并使用了预视技术。