第四讲语音信号数字化及压缩编码

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1、第8讲 1 抽样技术 量化技术 语音信号波形匹 配与 线 性近似逼近 PCM编码原理 增量调制原理21. 抽样与量化l抽样时间域量化(时间尺度离散化)l量化幅度离散化3(1) 抽样A.低通抽样l一个频带限制 在内的连续信号 ,如果抽样频率 大于或等于 ,则可以由抽样序列 无失真地重建恢复原始信号 。4设 为低通信号,抽样脉冲序列是一个周期性冲激函数 。抽样过程是 与 相乘的过程,即抽样后信号 5由频域卷积定理可知其中, 为低通信号的频谱,6所以从频域上看,抽样后信号经过传递函数为 的理想低通滤波器后,其频谱为7其中从时域上看,重建信号可以表达为8B.带通抽样带通抽样定理告诉我们,对于带通信号,

2、抽样频率 应满足下列关系式:其中, 的最大正整数。由此可知,必有0M1时 最佳量化电平正好在分层电平的中点。此时,22C .量化噪声23当 很小时,可写成积分形式为最大量化电平注:超过(V,V)时,称为量化过载过载噪声24总量化噪声以上是计算量化噪声的一般公式。252. 脉冲编码调制(1)均匀量化这是一种特殊情况,此时各分层间隔L为分层数有此时量化噪声与信号统计特性无关26例 1. 若量化器输入信号为正弦信号,Am为幅度量化信噪比, 为编码位数(二进制)令归一化有效值 27则 用dB来表示时,刚发生过载此时 增加1位, 增大6dB 28例 2. 实际语音信号语音信号幅度的概率密度可近似地用拉普

3、拉斯分布来表示,即这里, 是信号 的均方根值。29当D0.2时,过载噪声很小,有当信号有效值很大时,过载噪声将起主要作用,于是30电话语音信号的均方值变动范围即语音动态范围可达(4050)dB,高质量电话(长途电话)的 至少应大于25dB以上。如果采用均匀量化,为了满足在4050dB的范围内的 大于25dB的要求,必须采用n=12位的均匀量化器。31(2) 非均匀量化对于语音信号而言,采用均匀量化是不合理的,小信号出现概率大,对噪声功率的贡献也大,为了使 提高,应当减小小信号时的量化间隔。为此,应采用非均匀量化,小信号时量化“细”,大信号时量化“粗”。即采用“瞬时压扩”的概念,以改善信噪比。3

4、2令压缩特性 最佳 可保证最大的量化信噪比,但可行的动态范围较小,难以满足工程要求。因此,较大的动态范围适应性和稳定的高信噪比输出是工程实现的基础。研究表明:好的压缩函数为对数函数。33注:采用理想的对数压扩函数时 量化器输出的信噪比与输入信号无 关。从而对系统工程化应用有实质上 的指导作用。34(3) 对数压缩特性及折线近似在实际工程中不采用上述理想对数特性,而是采用以下两种对数压缩特性。a. A律对数压缩特性35相当于信噪比增加了24dB(20lg16=24)。ITU G.712建议中取A87.6,此时36b.律对数压缩特性ITU G.712建议中取 255,小信号时改善33.5dB。37

5、上述两种特性仍难以实现,因而实际中采用折线近似。折线近似,用数字电路容易实现。A律与 律量化特性起始段不同我国采用A律。384 PCM编码原理A.ITU建议采用折叠二进码FBC(Folded Binary Code)与其它码相比,在小电平时,抗误码性能好。若采用普通二进码,信号为均匀分布,可计算得到有误码时的量化信噪比39其中由上式得 时, 下降3dB。40B. Folded Binary Code 编码规律41A律42以1250为例编码步骤如下12500 M11 决定极性码1250256 M21 12501024 M31 决定段落码12502048 M40 4310245121250 M50

6、 10242561250 M60 10241281250 M71 1024128641250 M81 决定电平码解码输出为:102412864321248,这里32为 /2, 是最佳量化特性所要求的。C.对数 与线性 之间的转换 A律13位律14位445. 增量调制( ,DeltaM)(1)简单增量调制可以认为是 一位编码时的特例,但编码的是差值信号。编码过程45Q数码 形成Z-1C(n)S(n)e(n) -+Sl(n)46解码M原理图47差值信号48译码过程49实际编码译码器常用简单RC积分器和比 较器来实现 和(2)斜率过载和量化信噪比当信号变化速率超出 波形变化速率时,会出现斜率过载现象

7、,以单频信号为例50量化信噪比51量化噪声52通常认为 在 内均匀分布,则低通滤波 后53临界过载时54例:结论: 与 三次方成正比, 提 高一倍, 增大9 与 成反比,信号频率提高一倍, 下降6556简单增量调制的性能改进简单增量调制有两个问题: 斜率过载 动态范围56(1).数字压扩自适应增量调制可同时解决动态范围和斜率过载问题。其基本概念是,如同非均匀 中那样,改变量化间隔。连续出现多个“1”,即可认为信号有出现过载的可能,从而增大,使其本地译码信号跟上变化。57数字压扩又称CVSD连续可变斜率可采用音节压扩,而不是瞬时压扩。一音节(520)ms58(2).增量总和调制可解决斜率过载问题其要点是:将信号先进行积分,改变其频率响应。使高频分量幅度下降(与预加重相反),然后再进行 编码。为此,在接收端为了不失真恢复原信号,需要将解码后信号进行微分。597、信道误码对 的影响对简单 有60例如:抗误码性能优于概念上来看:个别误码不会引起信号严重恶化61思考题:带通信号的最高抽样频率是否可以任意 大?如果给定其可行的抽样频率为3.5 倍带宽,能否估计出信号的最高截止频 率?为什么?62

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