数字通信技术.ppt

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1、数字通信技术数字通信技术现在学习的是第1页，共63页现在学习的是第2页，共63页 2.1 2.1 语音编码的方法、性能和标准语音编码的方法、性能和标准 2.2 2.2 信号的采样和量化信号的采样和量化 2.3 2.3 语音的产生模型和语音的产生模型和LPCLPC声码器声码器 2.4 2.4 语音编码的语音编码的A-b-SA-b-S方法方法 2.5 2.5 几种混合编码方法几种混合编码方法内容内容现在学习的是第3页，共63页了解语音信号数字化的目的和要求；理解语音信号的了解语音信号数字化的目的和要求；理解语音信号的波形编码、参数编码、混合编码的定义；掌握对语音波形编码、参数编码、混合编码的定义；

2、掌握对语音编码信号性能的评价方法。编码信号性能的评价方法。理解标量量化和矢量量化的原理及异同点。理解标量量化和矢量量化的原理及异同点。了解语音信号的参数模型；掌握线性预测的概念、线性预了解语音信号的参数模型；掌握线性预测的概念、线性预测声码器的工作原理。测声码器的工作原理。掌握参数编码中合成分析算法的基本原理和优缺点；了掌握参数编码中合成分析算法的基本原理和优缺点；了解常用的语音信号的混合编码方法。解常用的语音信号的混合编码方法。要求要求现在学习的是第4页，共63页2.1 2.1 语音编码的方法、性能和标准语音编码的方法、性能和标准现在学习的是第5页，共63页波形编码参数编码混合编码一、语音编

3、码的方法一、语音编码的方法现在学习的是第6页，共63页1.1.语音信号的波形编码语音信号的波形编码 从语音信号波形的特点出发，在时间轴上对模拟语音按从语音信号波形的特点出发，在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，对波形的采样值，或其预测值，或其预一定的速率抽样，对波形的采样值，或其预测值，或其预测的误差值进行量化并编码，编码后的信号为二进制数字测的误差值进行量化并编码，编码后的信号为二进制数字序列。解码是其反过程，将收到的数字序列经过解码和滤序列。解码是其反过程，将收到的数字序列经过解码和滤波恢复成模拟信号。波恢复成模拟信号。一、语音编码的方法一、语音编码的方法现在学习的是第7页，共63页以重

4、构语音波形为目的，力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状。适应能力强、语音质量好。编码速率高。在16至64kbit/s的速率上获得较高的编码质量，当速率进一步下降时，其性能会下降较快。一、语音编码的方法一、语音编码的方法现在学习的是第8页，共63页脉冲编码调制（PCM）、增量调制（M）自适应增量调制（ADM）、自适应预测编码（APC）、自适应差分编码（ADPCM）子带编码（SBC）一、语音编码的方法一、语音编码的方法现在学习的是第9页，共63页2.2.语音信号的参量编码语音信号的参量编码从语音信号的产生机理出发，构造语音信号的模型，从语音信号的产生机理出发，构造语音信号的模型，提取描述语音

5、信号的特征参数，对模型参数或其预测值提取描述语音信号的特征参数，对模型参数或其预测值进行编码。在收端，根据特征参数通过模型重构语音信进行编码。在收端，根据特征参数通过模型重构语音信号。号。一、语音编码的方法一、语音编码的方法现在学习的是第10页，共63页编码速率低，可压缩到2kbit/s-800bit/s；合成的话音质量差，只能达到中等，自然度较低；不以重构语音波形为目的，在解码端重构一个新的有相似声音但波形不尽相同的语音信号。线性预测编码（线性预测编码（LPCLPC），及其各种改进型，如），及其各种改进型，如MBEMBE等。等。一、语音编码的方法一、语音编码的方法现在学习的是第11页，共63

6、页3.3.语音信号的混合编码语音信号的混合编码 混合编码将波形编码和参量编码组合起来，克服了原有波形编混合编码将波形编码和参量编码组合起来，克服了原有波形编码和参量编码的弱点，结合各自的长处，力图保持波形编码的高码和参量编码的弱点，结合各自的长处，力图保持波形编码的高质量和参量编码的低速率，目前在质量和参量编码的低速率，目前在1.2-16Kbit/s速率上能够得到速率上能够得到高质量的合成语音。高质量的合成语音。低速率、高质量低速率、高质量一、语音编码的方法一、语音编码的方法现在学习的是第12页，共63页多脉冲激励线性预测编码（MPLPC）规则脉冲激励线性预测编码（RPELPC）码本激励线性预

7、测编码（CELP）矢量和激励线性预测编码（VSELP）多带激励（MBE）及改进型IMBE（Improved MBE）和AMBE(Advanced MBE)混合激励线性预测（MELP）一、语音编码的方法一、语音编码的方法现在学习的是第13页，共63页说明说明上述语音编码器的分类方法只是一种较通用的方法，上述语音编码器的分类方法只是一种较通用的方法，并非十分严格。并非十分严格。除了传统的波形编码器和参数编码器以外，许多新型除了传统的波形编码器和参数编码器以外，许多新型的语音编码技术都比较复杂，很难严格分类。的语音编码技术都比较复杂，很难严格分类。基于分析合成技术的线性预测编码器则既可以视为参量编码

8、，基于分析合成技术的线性预测编码器则既可以视为参量编码，也可以视为混合编码。也可以视为混合编码。一、语音编码的方法一、语音编码的方法现在学习的是第14页，共63页 1、语音编码质量 2、编码速率 3、编解码的复杂度 4、编解码延时 在给定编码速率的条件下，用尽量小的编解码延时和复杂度，得到尽量好的重建语音质量。二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价现在学习的是第15页，共63页1、语音编码质量 语音编码质量是衡量语音编码算法优劣的关键性能之一，在数字通信中常把语音质量分为四级：广播级质量 长途电话质量 通信质量 合成语音质量二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价现在学习的是第16页

9、，共63页语音编码质量用质量评估指标衡量，分为以客观评定方法和主观评定方法两大类。是以人类听话时对语音质量的感觉来评定。国际上常用的主观评定标准主要有：平均意见得分MOS（Mean Opinion Score）判断韵字测试DRT（Diagnostic Rhyme Test）判断满意度测量DAM（Diagnostic Acceptability Measure）可懂度指数AI(Articulation Index)二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价现在学习的是第17页，共63页 由于语音质量高低的直接感受者是听众的主观感觉，因此目前广泛采用的评定方法是MOS。获取MOS的方法是，由数十

10、名试听者在不同的信道环境中试听并给予评分，然后求出统计平均分。采用5级分制：5分为优，4分为良，3分为中，2分为差，1分为不可接受。4分以及4分以上为高质量语音编码，达到长途电话质量，3.5分左右为通信级质量，3分以及3分以下为合成语音质量。二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价现在学习的是第18页，共63页对应于主观评定等级，还有一个收听注意力等级（Listening Effort Scale）。表2.1给出了主观评定等级制的质量等级、分数和相应的收听注意力等级。二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价现在学习的是第19页，共63页时域：信噪比、加权信噪比、平均分段信噪比等频域：谱

11、失真测度、LPC倒谱距离测度等 以上方法都建立在度量均方误差的基础上，其特点是计算简单，但不能完全反映人对语音质量的感觉，对于速率为16kb/s以下的中低速率语音编码尤为突出。主要适用于速率较高的波形编码的质量测量。二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价现在学习的是第20页，共63页2.2.编码速率编码速率语言编码后的速率用语言编码后的速率用“比特比特/秒秒”度量或用度量或用“比特比特/样点样点”度度量。后者表示平均每个样点所需的编码比特数。量。后者表示平均每个样点所需的编码比特数。通常编码速率高，则编码后的语音质量高，但所需的传输带通常编码速率高，则编码后的语音质量高，但所需的传输带宽

12、就宽。宽就宽。二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价好的语音编码方法，是在保持语音质量的前提下降低速率。现在学习的是第21页，共63页3.3.编解码的复杂程度编解码的复杂程度编解码的复杂度与算法有关。编解码的复杂度与算法有关。通常算法复杂，则话音质量好，编码速率低，但实现复杂，通常算法复杂，则话音质量好，编码速率低，但实现复杂，且体积大、功耗高、成本高，甚至编解码延时大。且体积大、功耗高、成本高，甚至编解码延时大。二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价现在学习的是第22页，共63页二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价4.4.编解码延时编解码延时编解码延时也与算法有关。通常算

13、法复杂，则编解码延时大。也有专为减小延时的短通常算法复杂，则编解码延时大。也有专为减小延时的短延时算法。不过，质量好、延时短的算法，相应的编码速率也延时算法。不过，质量好、延时短的算法，相应的编码速率也高。高。现在学习的是第23页，共63页5.对语音编码的要求在满足用户对语音质量要求的前提下，编码速率尽可能低。在强噪声环境中，算法应有较好的抗误码性能，也就是说，当误码率较低时（例如为10-2）仍能保持良好的话音质量。编、解码延迟应控制在几十毫秒之内，越短越好。复杂性要适度，以便于使用大规模集成器件。二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价现在学习的是第24页，共63页二、语音编码性能的评价

14、二、语音编码性能的评价6.几种语音编码的质量比较现在学习的是第25页，共63页LD-CELP：低时延-码激励线性预测MP-MLQ：多脉冲最大似然量化ACELP：代数码激励线性预测CS-ACELP：共轭结构-代数码激励线性预测三、语音编码的标准三、语音编码的标准现在学习的是第26页，共63页表表 2-4 数字蜂窝语音编码标准数字蜂窝语音编码标准 标准标准 ETSI-GSM 全速率 ETSI-TCH-HS 半速率 TIA IS54 TIA IS96 RCR PDC 全速率 RCR PDC 半速率 时间时间 1987 1994 1989 1993 1990 1993 比特率比特率（kb/s）13 5

15、.6 7.95 8.5，4.0 2.0，0.8 6.7 3.45 编码算法编码算法 RPE-LTP VSELP VSELP QCELP VSELP PSI-CELP MIPS RAM（byte）4.5 1K 30 4K 20 2K 20 2K 20 2K 48 6K 帧长（帧长（ms）20 20 20 20 20 40 ETSI：欧洲电信标准协会TIA：（北美）电信工业协会RCR：（日本）无线通信系统研究发展中心DVSI：数字声音系统公司三、语音编码的标准三、语音编码的标准现在学习的是第27页，共63页三、语音编码的标准 窄带保密电话应用于带宽受限信道，目前只有美国公布了所用保密电话的标准。F

16、S-1015标准：2.4kb/s的LPC声码器，DRT为90%FS-1016标准：4.8kb/s的CELP声码器，比FS-1015具有好得多的自然度及环境噪声能力。混合激励线性预测（MELP）标准：编码速率为2.4kb/s，语音质量优于FS-1016。现在学习的是第28页，共63页三、语音编码的标准现在学习的是第29页，共63页2.2 2.2 信号的采样和量化信号的采样和量化现在学习的是第30页，共63页是将一个时间连续的信号变换为时间离散的信号是将一个时间连续的信号变换为时间离散的信号，即用间隔均匀的样点表示时间连续的信号。，即用间隔均匀的样点表示时间连续的信号。就是把连续取值的采样幅度变成

17、有限取值。就是把连续取值的采样幅度变成有限取值。信号的采样和量化信号的采样和量化现在学习的是第31页，共63页对于一个最高频率为WH的 低 通 信 号m(t)，如果以T1/2WH秒的间隔对它进行等间隔采样，则m(t)将被所得到的采样值完全确定，即模拟信号m(t)可以从它的采样值中重构。采样间隔的倒数称为采样速率，用fs表示，则fs应满足：fs 2WH。如果fs 2WH，则会产生失真，这种失真称为混叠失真。低通信号的均匀采样定理一、采样一、采样现在学习的是第32页，共63页hfTs21抽样间隔应满足：否则，抽样信号的频谱将发生混叠。用低通滤波器还原出m(t)，见图（g）一、采样一、采样现在学习的

18、是第33页，共63页一、采样一、采样现在学习的是第34页，共63页带通信号的采样 信号频谱分布在 B=fh-f1 范围内的带通信号，其采样频率取为：)nk1(B2fs 其中k、n的定义如下：fh=KB,K=k+n，n是K的整数部分，k是K的小数部分。如果取fs=2fh，虽然没有错误，但却非常浪费频带。一、采样一、采样现在学习的是第35页，共63页一、采样一、采样现在学习的是第36页，共63页一、采样一、采样当f1远远大于B时，可以认为fs 2B现在学习的是第37页，共63页一、采样一、采样音频信号的采样频率信号类型频率范围(Hz)采样频率(kHz)bit样值比特率（kbit/s）电话频带语音

19、30034008864宽带语音5070001614224宽带音频信号 10200004816768三类音频信号基本参数的典型值 通常将语音信号的频带限制在话带内，这样做将使能量损失约1%。现在学习的是第38页，共63页均匀量化非均匀量化自适应量化差分量化量化的实现方式有多种二、量化二、量化现在学习的是第39页，共63页1.标量量化：对每个采样值分别进行量化称为标量量化。从数学角度看，就是将取连续值的无限集合x通过变换Q映射到一个只有L个离散值的集合yk，k=1，2，L。二、量化二、量化现在学习的是第40页，共63页 当量化器Q的输入落入（xk，xk+1）时，量化器的输出为yk，即：y=Q(x)

20、=yk，当 x(xk，xk+1)时，k=1，2，L。xk：第k个分层电平或判决电平 k：第k个量化间隔或量化区间，k=xk+1-xk yk：第k个量化电平或重建电平 L：量化电平数二、量化二、量化现在学习的是第41页，共63页 1）对采样值直接量化 2）量化间隔k相等 3）量化电平取各量化区间的中点，即 yk=(xk+1+xk)/2 4）方法简单，易于实现，但量化后数据速率高。二、量化二、量化现在学习的是第42页，共63页 1）对采样值直接量化 2）在输入信号的概率密度比较高的区域内选择较小的量化间隔，在概率密度比较低的区域选择较大的量化间隔。3）实现复杂度：高；量化后数据速率：中；语音信号是

21、非平稳的随机信号，其短时均方差值变化超过40dB，考虑不同人，不同的语态以及不同的用户线长度，动态范围会更大，因此最佳量化器不适合对语音信号的直接量化。二、量化二、量化现在学习的是第43页，共63页 原理：在发送端，先将信号按照对数特性使信号压缩，然后均匀量化，在接收端，将译码后的样植经过反对数扩张，恢复应有的量化值。特点：对小信号的量化间隔小，对大信号的量化间隔大，但量化级数保持不变。性能：最大量化信噪比没有均匀量化器高，但输入信号电平在相当大的一段范围内变化时，其输出量化信噪比几乎不变，并能维持在较高的水平上。二、量化二、量化现在学习的是第44页，共63页 横坐标是输入信号与最大输入信号之

22、比的dB值；纵坐标是量化信噪比的dB值。对数量化均匀量化二、量化二、量化典型标准有：A率压扩和律压扩现在学习的是第45页，共63页 对采样值直接量化。量化间隔根据输入信号的短时方差进行调整，使得量化间隔的大小和输入信号电平相匹配。实现复杂度：高；量化后数据速率：中；适应的动态范围大；量化信噪比：较高。二、量化二、量化现在学习的是第46页，共63页 自适应量化可视为瞬时均匀量化系统，在一个估值的时段内，对每个样值都是均匀量化。注意：非均匀量化虽然对大信号和小信号的量化阶距各不相同，但不调整阶距。二、量化二、量化说明现在学习的是第47页，共63页对未量化的信号x(n)进行能量估计，即进行前向估值。

23、特点：能量估计不受量化噪声的影响，因而比较准确可靠，但是要用额外的比特来传送量阶信息。二、量化二、量化现在学习的是第48页，共63页对量化的信号y(n)进行能量估计，即进行后向估值。特点：不需要传输边信息。估值精度受量化噪声的影响，而且随着量化粗糙性的增加，其影响加剧；另外对码序列中由于传输产生的误差比较敏感，且会产生扩散，所得信噪比比前向自适应量化要差。二、量化二、量化现在学习的是第49页，共63页 对输入信号的预测残差信号进行量化；量化间隔相等；去除相邻样点之间的相关性，减小信号的动态范围，从而提高量化精度或减小编码比特数；实现复杂度：高；量化后数据速率：低；适应的动态范围大；量化信噪比：

24、较高；如果差分和非差分方案中采用相同的量化器，而且信号相邻样点间的相关性较高，那么差分量化器的性能将比非差分量化器的性能大大提高。对于语音信号，差分量化器的精度可以改善 4dB-7dB。二、量化二、量化现在学习的是第50页，共63页2.矢量量化前面所说的量化是标量量化，量化处理对单个抽样值进行，抽样值与量化值之间是一到一的映射。矢量量化则是一种多维空间的映射。它将若干个时间离散幅度连续的采样值分为一组，形成多维空间的一个矢量，再将此矢量在矢量空间中进行整体量化处理从而提高量化效率，降低数码率。二、量化二、量化现在学习的是第51页，共63页二、量化二、量化 设设 X=x X=x1 1,x,x2

25、2,x,x3 3,.,.，x xN N T T 是一个是一个N N维实数矢量，其中的元维实数矢量，其中的元素是幅度连续的随机变量。在矢量量化器中，矢量素是幅度连续的随机变量。在矢量量化器中，矢量X X用另一个幅用另一个幅度离散的度离散的N N维实数矢量维实数矢量Y Y匹配，即匹配，即X X被量化成被量化成Y Y。通常。通常Y Y选自一个有选自一个有限集合限集合S=YS=Yi i（1 1 i i M M），其中），其中Yi=yYi=yi1i1,y,yi2i2,y,yi3i3,.,.，y yiNiN T T 。集合集合S S称为称为码本码本(codebook)(codebook)；YiYi是码本中

26、的一个矢量，也叫是码本中的一个矢量，也叫码字码字；M M是码本的大小，称为是码本的大小，称为码本容量码本容量。码本容量相当于标。码本容量相当于标量量化中量量化中的量化电平数。的量化电平数。现在学习的是第52页，共63页二、量化二、量化现在学习的是第53页，共63页二、量化二、量化 失真测度的目的是减小量化失真。失真的测度方法分为客观方法和主观方法。主观法是以人的主观感受来衡量量化处理后信号质量的下降程度。),(minYXdED 客观的方法客观的方法是在给定比特率的情况下，使量化产是在给定比特率的情况下，使量化产生生 的畸变的统计平均值的畸变的统计平均值D达到最小。达到最小。现在学习的是第54页

27、，共63页二、量化二、量化 最常用的衡量畸变统计平均值的算法是均方误差（MSE）算法，计算式如下：NiiiTyxNNd121)()(1,yxyxyx 还有其它的衡量方法，例如，加权均方误差准则。该准则可以与人的主观感觉相关联。现在学习的是第55页，共63页二、量化二、量化设计矢量量化器就是设计一个码本系统。为了使量化失真D最小，矢量量化需要解决两个问题：如何划分量化区域，形成合理的胞腔；如何确定某个胞腔中的一个矢量作为码字。LBG算法该算法所遵循的原则是：“最近邻原则”和“畸变最小原则”。现在学习的是第56页，共63页二、量化二、量化（1 1）“最近邻原则最近邻原则”“最近邻原则最近邻原则”的

28、数学表达式是：的数学表达式是：),(min),(jjiYXdYXd 可以这样理解，矢量Yi 是胞腔Ci 中的码字，如果输入矢量X 与(初始)码本中矢量Yi 之间的失真小于X 与其它任何码本矢量Yj 之间的失真，则X 属于胞腔Ci。也就是说Ci可以最佳地表示X。现在学习的是第57页，共63页二、量化二、量化（2 2）“最小畸变原则最小畸变原则”“最小畸变原则最小畸变原则”的数学表达式是：的数学表达式是：“畸变最小原则”的思想是：如果胞腔Ci 内所有输入矢量X 的集合为Ri，则该胞腔内的码本矢量Yi 应使此集合中所有矢量X与Yi之间的畸变平均值最小。如果X 与Yi之间的畸变等于它们的欧氏距离，那么

29、可以证明，Yi应该是胞腔Ci 中的所有矢量的“质心”。iXNYiRXii,1其中Ni使是Ri中包含的矢量个数现在学习的是第58页，共63页二、量化二、量化根据上述两个原则来建立码本，要有一个根据上述两个原则来建立码本，要有一个。方方法法是：将大量欲处理的信号矢量根据概率分布进行统计划分，是：将大量欲处理的信号矢量根据概率分布进行统计划分，得到胞腔，然后进一步确定这些胞腔所对应的中心矢量值，这些得到胞腔，然后进一步确定这些胞腔所对应的中心矢量值，这些中心矢量值就是码字，所有的码字就组成了码本。中心矢量值就是码字，所有的码字就组成了码本。矢量量化器的设计过程实际上是根据上述两个原则进行反复迭代矢量

30、量化器的设计过程实际上是根据上述两个原则进行反复迭代的过程。的过程。最佳矢量量化器的迭代过程就是最佳矢量量化器的迭代过程就是LBG算法。（具体可参见教材算法。（具体可参见教材2.3.3.3）现在学习的是第59页，共63页 矢量量化优于标量量化，在相同的编码速率下，矢量量化的量化误差小，矢量维数越大优度越高，矢量中各元素之间的相关性越大，优度越高。在保证相同的量化误差下，所需的编码速率比标量量化低。实现矢量量化所需要的存储量和计算量比标量量化大得多，而且维数越高，所需要的存储量和计算量就 越大。矢量量化的维数为1时，退化为标量量化。二、量化二、量化现在学习的是第60页，共63页总结总结本次课主要讲解了以下内容本次课主要讲解了以下内容语言编码的方法、性能和标准信号的采样和量化现在学习的是第61页，共63页2.1 对语音信号进行编码的目的是什么？2.2 简述语音信号波形编码和参量编码的基本原理与特点。2.3 如何评价语音编码的质量？2.4 评价语音编码性能的指标有哪些？对语音编码的要 求是什么？2.5 什么叫标量量化？你知道的标量量化有几种形式？各有什么特点？2.6 什么叫矢量量化？作业与思考题现在学习的是第62页，共63页 谢谢 谢！谢！现在学习的是第63页，共63页