《无线通信系统 chart6 语音编码》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线通信系统 chart6 语音编码（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、移动通信侯华第六章 语音编码第六章 语音编码?6.1 语音信号的特征语音信号的特征 ?6.2 量化技术量化技术 ?6.3 自适应差分脉冲编码调制（自适应差分脉冲编码调制（ADPCM） ?6.4 频域语音编码频域语音编码 ?6.5 声码器声码器 ?6.6 线性预测编码（线性预测编码（LPC） ?6.7 移动通信系统中语音编解码器的选择移动通信系统中语音编解码器的选择 ?6.8 GSM语音编解码器语音编解码器 ?6.9 USDC（IS-54）语音编解码器）语音编解码器 ?6.10 语音编码器的性能评估语音编码器的性能评估6.1 语音信号的特征语音信号的特征? 语音波形是带限的（使抽样成为可能）。语
2、音波形是带限的（使抽样成为可能）。 ? 以下特性使得量化操作能以很高的效率实现：以下特性使得量化操作能以很高的效率实现：? 语音幅度的非均匀概率分布：长时：双边指数（拉普拉斯）函数， 短时：高斯函数。语音幅度的非均匀概率分布：长时：双边指数（拉普拉斯）函数， 短时：高斯函数。 ? 连续语音抽样信号之间的非零自相关性：差分和预测编码连续语音抽样信号之间的非零自相关性：差分和预测编码 ? 语音频谱的非平坦特性：频域内压缩，高频分量贡献小语音频谱的非平坦特性：频域内压缩，高频分量贡献小? 语音中的清音和浊音成分语音中的清音和浊音成分 ? 语音信号的类周期性语音信号的类周期性12211182500NN
3、Nkk kkth kSFMSSNSPSDkSFMSFM=频谱平坦检测：是语音信号的频率样点长时值为 ，短时长时值为 6.2 量化技术量化技术?6.2.1 均匀量化均匀量化?6.2.2 非均匀量化非均匀量化?6.2.3 自适应量化自适应量化?6.2.4 矢量量化矢量量化6.2.1 均匀量化均匀量化?把一个信号的连续幅值分割成一系列有限的离散 幅值。把一个信号的连续幅值分割成一系列有限的离散 幅值。?与采样不同，量化引入畸变。与采样不同，量化引入畸变。?幅度量化是语音编码中的重要一步，它在很大程 度上决定总的畸变，以及表示语音波形所需的比 特率。幅度量化是语音编码中的重要一步，它在很大程 度上决定
4、总的畸变，以及表示语音波形所需的比 特率。?任何量化产生的畸变直接与量化阶梯大小的平方 成比例，反过来说，对于给定的幅度，与量化电 平数成反比。任何量化产生的畸变直接与量化阶梯大小的平方 成比例，反过来说，对于给定的幅度，与量化电 平数成反比。?量化使用量化使用n个比特，有个比特，有M=2n个离散的幅度电平。个离散的幅度电平。6.2.1 均匀量化均匀量化?一个最常用的测量量化畸变得方法是均方误差一个最常用的测量量化畸变得方法是均方误差MSE：?量化噪声经常建模成加性噪声量化噪声经常建模成加性噪声?测量量化输出信噪比测量量化输出信噪比SQNR来测试量化器的性能来测试量化器的性能?PCM编码器是语
5、音幅度采样的量化器，它的编码器是语音幅度采样的量化器，它的SQNR为：为：()2201( )( )( )( )( )TQQQMSEExfxfxx tdxTx tfx=是原始信号，是量化后的语音信号()6.02,4.770dBSQNRnSQNRSQNR=+=表示了的峰值， 为平均6.2.2 非均匀量化非均匀量化? 根据输入波形的根据输入波形的pdf分布来量化，对分布来量化，对pdf为为p(x)的信号，其的信号，其? Lloyd最大算法：迭代地改变量化电平来决定最佳量化电平最大算法：迭代地改变量化电平来决定最佳量化电平? 为了使量化信噪比与信号电平无关，量化电平应采用对数 形式分布。为了使量化信噪
6、比与信号电平无关，量化电平应采用对数 形式分布。? 商用非均匀量化：美国商用非均匀量化：美国律，欧洲律，欧洲 A律压缩技术律压缩技术()22( )( )( )( )QQDExfxfxx tp x dx=均方畸变() += 1)(1,ln1)(1ln1)(0 ,ln1)()(0 twAAtwAAtwAtwAtv() ()0ln 1( )( )ln 1w tv t+=+， 是最大量化阶距与最小量化阶距之比6.2.3 自适应量化自适应量化?语音的非稳定性与随时间变化的特性，实 际动态范围在语音的非稳定性与随时间变化的特性，实 际动态范围在40dB以上。以上。?随时间变化的量化方式有效。随时间变化的量
7、化方式有效。?根据输入信号功率改变量化步长。根据输入信号功率改变量化步长。6.2.4 矢量量化矢量量化?标量量化器性能并不能达到理论上的极限。标量量化器性能并不能达到理论上的极限。?Shannon指出在同一时刻对多个抽样值进行编码， 而不是只对一个抽样值进行编码，会有更好的性能。指出在同一时刻对多个抽样值进行编码， 而不是只对一个抽样值进行编码，会有更好的性能。?一组（矢量）的抽样数量被称为矢量量化器的尺寸一组（矢量）的抽样数量被称为矢量量化器的尺寸 L，矢量量化器的比率，矢量量化器的比率R定义为：定义为：2log2RLnRnnL=比特/抽样值, 为矢量量化器码本大小，6.3 自适应差分脉冲编
8、码调制（自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）? ADPCM是一种更有效解决语音信号种冗余度的方法。是一种更有效解决语音信号种冗余度的方法。? 语音波形相邻抽样之间有很强的相关性。语音波形相邻抽样之间有很强的相关性。? ADPCM允许用允许用32Kbps比特率编码。（ 标准比特率编码。（ 标准64Kbps PCM）? ADPCM编码标准：编码标准：CCITT标准标准G.721。? ADPCM要用信号预测技术来实现。要用信号预测技术来实现。4bit自适应量化器自适应预测器自适应比例因 子产生器自适应逆量化器D(k)S(k)y(k)I(k)( )eS k)(kSr)(kDq+ _ _( )eS k6
9、.4 频域语音编码频域语音编码?6.4.1 子带编码（子带编码（SBC）?6.2.2 自适应变换编码（自适应变换编码（ATC）?6.2.3 自适应量化自适应量化?6.2.4 矢量量化矢量量化6.4 频域语音编码频域语音编码?频域语音编码是另一类语音编码方法，它 利用人的感觉及语音产生模型。频域语音编码是另一类语音编码方法，它 利用人的感觉及语音产生模型。?在这类编码中语音信号被分成一系列频率 成分，它们单独进行量化和编码。在这类编码中语音信号被分成一系列频率 成分，它们单独进行量化和编码。?根据每个频带的感知标准，不同的频率采 用不同的编码优先权 。根据每个频带的感知标准，不同的频率采 用不同
10、的编码优先权 。?优点是每个频带用于编码的比特数可以动 态地改变，并且在不同的频率上共享 。优点是每个频带用于编码的比特数可以动 态地改变，并且在不同的频率上共享 。6.4.1 子带编码（子带编码（SBC）?子带编码把语音信号分成许多小的子带，然后根 据感知标准给每个子带编码。子带编码把语音信号分成许多小的子带，然后根 据感知标准给每个子带编码。?在信号频谱上控制和分布量化噪声的方法。在信号频谱上控制和分布量化噪声的方法。?子带编码的比特率为子带编码的比特率为9.6kbps到到32kbps之间。之间。低通变换抽取器编码器低通变换抽取器编码器多路复用s(t)编码器解码器解码器内插器带通变换解码器
11、内插器带通变换解复用器)(ts6.2.2 自适应变换编码（自适应变换编码（ATC）?ATC是另一种成功地用于语音编码的频域技术。是另一种成功地用于语音编码的频域技术。?每个输入信号段通过一组变换系数表示，且分别 量化和传输。每个输入信号段通过一组变换系数表示，且分别 量化和传输。?在接收端，量化系数被反变换产生一个原始输入 信号段的复制品。在接收端，量化系数被反变换产生一个原始输入 信号段的复制品。?一个常用的语音编码的变换是离散余弦变换 （一个常用的语音编码的变换是离散余弦变换 （DCT），通常使用快速计算），通常使用快速计算DCT的高效方法。的高效方法。?语音编码的比特率为语音编码的比特率
12、为9 .6kbps到到20kbps之间。之间。6.5 声码器声码器?6.5.1 信道声码器信道声码器?6.5.2 共振峰声码器共振峰声码器?6.5.3 倒频谱声码器倒频谱声码器?6.5.4 语音激励声码器语音激励声码器6.5 声码器声码器? 基于模型的语音编码基于模型的语音编码 ; ? 发端分析语音信号，然后传输分析得到的参数，在接收端 根据这些参数合成语音。发端分析语音信号，然后传输分析得到的参数，在接收端 根据这些参数合成语音。 ? 声码器比波形编码器要复杂，但能在传输比特率上得到较 高的效益。声码器比波形编码器要复杂，但能在传输比特率上得到较 高的效益。 ? 它的它的缺点缺点是缺乏稳定性
13、，以及其性能是依赖于说话者。是缺乏稳定性，以及其性能是依赖于说话者。 ? 传统的语音生成模型如下：传统的语音生成模型如下：噪声源脉冲源声道滤 波器语音输出分析器传输语音 输入第二源6.5.1 信道声码器信道声码器?信道声码器几乎是一个实际的语音分析-合 成系统。信道声码器几乎是一个实际的语音分析-合 成系统。?它是频域编码器，确定了许多频带语音信 号的包络，再抽样、编码，采样值与其它 滤波器的编码输出相乘。它是频域编码器，确定了许多频带语音信 号的包络，再抽样、编码，采样值与其它 滤波器的编码输出相乘。?抽样在每抽样在每10ms到到30ms同步进行。每个频 带的能量信息、语音清同步进行。每个频
14、 带的能量信息、语音清/浊音以及基音频率 一起传输。浊音以及基音频率 一起传输。6.5.2 共振峰声码器共振峰声码器?共振峰声码器传送频谱包括的峰（共振峰） 的位置，而不是传送功率谱包括的抽样。共振峰声码器传送频谱包括的峰（共振峰） 的位置，而不是传送功率谱包括的抽样。?比信道声码器的比特率低（比信道声码器的比特率低（1.2kbps）。）。6.5.3 倒频谱声码器倒频谱声码器?倒频谱声码器通过对数能量谱的反傅里叶 变换生成信号倒频谱，分离激励和声道频 谱。倒频谱声码器通过对数能量谱的反傅里叶 变换生成信号倒频谱，分离激励和声道频 谱。6.5.4 语音激励声码器语音激励声码器?它不需要进行基音提
15、取和语音检测。它不需要进行基音提取和语音检测。?用一个低频带用一个低频带PCM传输和高频信道编码的 混合形式。传输和高频信道编码的 混合形式。?通过矫正、带通滤波以及消除基带信号， 产生一个能量分布在谐波处，并且频谱平 坦的信号而再生语音。通过矫正、带通滤波以及消除基带信号， 产生一个能量分布在谐波处，并且频谱平 坦的信号而再生语音。?它的设计速率为它的设计速率为7.2kbps到到9.6kbps，并且 质量优于传统的基音激励声码器。，并且 质量优于传统的基音激励声码器。6.6 线性预测编码（线性预测编码（LPC）?6.6.1 LPC编码声码器编码声码器?6.6.2 多脉冲激励多脉冲激励LPC（MPELPC）?6.6.3 码激励码激励LPC（CELP）?6.6.4 剩余激励剩余激励LPC（RELPC）6.6 线性预测编码（线性预测编码（LPC）?它是时域声码器，从时间波形中提取重要 的语音特征。它是时域声码器，从时间波形中提取重要 的语音特征。?LPC声码器的计算是相当精确的，它在低 比特声码器中最流行，可用声码器的计算是相当精确的，它在低 比特声码器中最流行，可用4.8kbps比特率 传输高质量的语音。比特率 传输高质量的语音。6.6.1 LPC编码声码器编码声码器?把语音模拟成为一个全极点线性滤波器；把语音模拟成为一个全极点线性滤波器；?滤波器的激励
