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1、第二章：语音信号数字化 编码n2.1 语音信号编码的基本概念及分类n2.2 脉冲编码调制PCMn2.3 差值脉冲编码调制DPCMn2.4 子带编码SBCn2.5 参量编码n2.6 IP电话系统简介及IP电话系统语音编码技 术的应用标准n2.1 语音信号编码的基本概念及分类n2.2 脉冲编码调制PCMn2.3 差值脉冲编码调制DPCMn2.4 子带编码SBCn2.5 参量编码n2.6 IP电话系统简介及IP电话系统语音编码技 术的应用标准2.1 语音信号编码的基本概念及分类n目前通信业务主要有电话业务和图像（传真、 电视）业务等，这两种通信业务的信源信息都 是在时间和幅度上均匀连续的模拟信号，要
2、实 现数字化的传输和交换，首先要把模拟信号转 换为数字信号。电话信号的数字化称为语音编 码，图像信号的数字化称为图像编码。语音编码概念n最简单的语音编码调制为脉冲编码调制（PCM）。其 工作过程如下图n我们主要研究A/D变换，即模拟信号数字化过程。主 要包括三个阶段：抽样、量化、编码。q抽样：将模拟信号在时间域上离散化q量化：将模拟信号在幅度域上离散化q编码：将量化后的样值用一定的二进制代码来表示语音信号编码的分类n根据语音信号的特点及编码的实现方式，语音 编码可以分为：q波形编码（PCM）n对信号的波形进行编码。q参量编码（LPC）n提取语音信号的一些特征，对其进行编码。q混合编码（SBC）
3、n介于波形编码与参量编码之间，在参量编码的基础上，引 入一定的波形编码的特征。n2.1 语音信号编码的基本概念及分类n2.2 脉冲编码调制PCMn2.3 差值脉冲编码调制DPCMn2.4 子带编码SBCn2.5 参量编码n2.6 IP电话系统简介及IP电话系统语音编码技 术的应用标准2.2 脉冲编码调制PCMnPCM的概念q脉冲编码调制是实现模拟信号数字化的一种方式。 其信号变换和处理过程如下n抽样、量化、编码信 号 输 入抽样量化编码传输解码平滑滤波信 号 输 出抽样n将时间域上连续的信号处理成时间域上离散的 信号的过程称为抽样。n抽样示意图为n电路模型为低通信号n低通信号定义q低通信号是指
4、低端频率从0或某一低限频率f0到某一 高限频率fM的带限信号，并有f01, 1-0由误码噪声引起的信 噪比随着音量的下降 而恶化对中，高音的信号，误 码噪声的信噪比差异较 小，而对低音量的信号 而言其差异显著折叠二进制编码优于一般二进制编码 和循环二进制编码（原因：后两种编 码的码组中最高比特的误码总是对应 于量化范围1/2处的大噪声，而折叠 码最高比特位的误码相当于信号的极 性反转）编码n编码把模拟信号样值变化为对应的二进制码组n从概念上讲，编码过程可以用天平称某一物体 重量的过程类比。q3个标准砝码，4g, 2g, 1gq物体重量： 5gq过程：测试，保留or去掉，测试，保留or去掉物体砝
5、码线性编解码n对应于均匀量化特性的编码电路叫做线性编码 电路，其特点是码组中各码位权值是定数，它 不随着输入信号幅度的变化而变化n实现方法：级联逐次比较型编码，反馈型编码 等n下面介绍编码电路及其工作原理级联逐次比较型编码（1）n编码电路构成框图如下图：n图中各级的幅度鉴别阈值和标准电压分别等于 输入信号最大幅度值的1/2, , 1/8,。如输入 信号最大幅度值为7V，用3位编码，各级的幅 度值和标准电压分别为：7/2, 7/4, 7/8级联逐次比较型编码（2）n编码器的工作工程如下：q假定输入样值幅度值为4.8Vn（1）送入第一级编码电路的时延电路和幅度鉴别电路。 幅度鉴别：4.8V 7/2
6、V, 脉冲形成电路输出逻辑“1”，产生 标准电压3.5V。相减4.8-3.5=1.3V，送入第二级编码电路n（2）1.3V送入第二级编码电路的时延电路和幅度鉴别电 路。幅度鉴别：1.3V 7/8V, 脉冲形成电路输出逻辑“1”， 产生标准电压7/8V。相减得0.425V n编码输出“101”，绝对误差0.425V反馈型线性编码器n目前反馈性编码器主要采用数字电路方式实现 ，它主要由比较器和本地解码器两部分组成。q本地解码器对输出的编码信号逐位解码，其解码输 出与输入样值进行比较，比较一次有一位编码输出 ，直至使输入样值与所有码位的解码加权总和之差 很小，或接近零，这样一个样值的编码完成。q下面
7、以7位反馈型线性编码器为例说明其工作原理7位反馈型线性编码器（1）n图时钟脉冲P8用做抽样和清除7位反馈型线性编码器（2）n构成单元q抽样保持电路：在一个抽样时间内保持抽样的瞬时 幅度不变q本地解码网络：完成对输入编码的本地解码，以提 供进行比较的基准电压n禁止门：11-0, 10-0, 01 -1n或门：11-1, 01 - 1, 00 - 0n触发器（FF）n控制开关（SA）q比较器：使输入样值幅度与本地解码输出的基准电 压进行比较，如前大于后，输出“1”，反之，输出 “0”7位反馈型线性编码器编码示例n输入样值93时钟脉冲P1触发器FF1 -“1”控制开关SA1关闭本地解码“64” 比较
8、器93-64=290比较器输出“1”“1“使得禁止门关闭FF1保持”1“时钟脉冲P2触发器FF2 “1” -“1”控制开关SA2关闭本地解码“64+32” 比较器93-96=-3比较器输出“0”编码结果：1011101时钟脉冲P3(1)使FF2置”0“,(2)触发器FF3 “1”-“1”控制开关SA3关闭 本地解码“64+16”比较器93-80=130比较器输出“1”加权求和解码网络n解码网络是把PCM数字码组转换成相应的电 压或电流幅度。其电路结构如下图：n变换过程：每一位码控制一个开关，当相应的 码位i为“1”是，则对应的开关SAi就倒向标准电 压E；反之，若码位为“0”，对应开关接地。加
9、权求和解码网络计推导n该网络是一个线性叠加网络，故可用叠加定理 来分析。q设任意第i位码为1，则对应开关SAi接标准电压E， 其他开关均接地。这时，输出的等效电压为：q按叠加原理，总的等效电势是各分量电势之和推导：见讲义电流推导：自学非线性编解码：A律13折线的编解码（ 1）nA律13折线编码q每码字8bit（将归一化电压分为2*2048段）q（1）极性码8bit中最高位 1或0，表示 信号极性；q（2）段落码除表示了正负极性外，量化的8 段，需由（ ）3位码元表示，即000 001111 表示量化值处于8段中的哪1段；q（3）段内码8段中每段均有16个不同电平， 由低4位（ ）表示量化值在某
10、段中第几个电平 。A律13折线的编解码（2）极性码 段落码 段内码编码示例n过载电压为4v，一个语音信号电压1.4v。求其 A律13折线编码码组。716.8 512 段落码在第7段 编码为110716.8 0 极性码为正 编码为1第7段段内最小间隔为512/16 = 32此信号剩余电压数为716.8 512 = 204.8需要编的段内码为204.8/32 = 6.4 段内码在第7段 编码为0110所求码组为11010110解码示例n过载电压为4v，一个语音信号A律13折线编码 码组为01101010。求其电压。0 110 1010 极性码负段落码第7段 代表电压数为512段内码第11段 代表电
11、压数为10*32=320 共有电压数为512+320=832 改换为实际电压值832*2/1024=1.625 又其极性为负 所以，所求电压为-1.625第7段段内最小间隔 为512/16 = 32n2.1 语音信号编码的基本概念及分类n2.2 脉冲编码调制PCMn2.3 差值脉冲编码调制DPCMn2.4 子带编码SBCn2.5 参量编码n2.6 IP电话系统简介及IP电话系统语音编码技 术的应用标准差值脉冲编码调制DPCMn差分脉冲编码是具有预 测能力的编码机制，所 谓的预测编码指的是利 用传输信号之间的相关 信息，在编码前去掉这 些相关性很强的冗余， 然后进行编码。nDPCM实现方式为对预
12、 测误差进行编码 DM系统n增量调制（DM或M）是DPCM家族中的一 个质量级别最低，而结构最为简单的一种预测 编码方式。DPCM的瞬时误差 信号尚经过 量化后仍需编为K比特PCM的码字，而增量调 制却以一个双向硬限幅器二电平“量化”，代替 DPCM的多层电平量化，于是DM编码每码字 只有K=1比特。当信号的变化速率过大，DM系统追踪能力时受到了限制，产生误差， 这就是所谓的“斜率过载”。不产生斜率过载的条件是： n2.1 语音信号编码的基本概念及分类n2.2 脉冲编码调制PCMn2.3 差值脉冲编码调制DPCMn2.4 子带编码SBCn2.5 参量编码n2.6 IP电话系统简介及IP电话系统
13、语音编码技 术的应用标准子带编码SBC（1）n子带编码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n把语音信号分成若干子带进行编码主要有两个 优点q如果对不同的子带合理分配比特数，可以控制各子 带的量化电平数目，以及相应的重建信号的量化误 差方差值，以获得更好的主观听音质量q各子带的量化噪声相互独立，被束缚在自己的子带 内，不影响其它子带的量化噪声子带编码SBC（2）子带编码SBC（3）n影响子带编码效率的因数q子带数目、子带划分、编码参数、子带中比特的分配、每样 值编码比特、带宽n分类q等带宽子带编码n各子带的带宽 是相同的，其优点是易于硬件实现，
14、便于理论 分析。q其中，k= 1, 2, 3 , m为子带总数，B编码信号总带宽q变带宽子带编码n各子带带宽是不同的，常用的子带划分是令各子带宽度随K的 增加而增加 （低频段子带带宽窄，高频段宽），其优点 是对不同的子带分配的比特数不同，能获得很好的质量子带编码总速率（1）n每一个子带信号 按照频率 经过抽样后，其每个样 点 使 用比特来进行数字编码，因此编码所需要的总速 率I为：n对于等带宽子带编码有： ，则：n如果R表示各子带每样点编码所用的比特数平均值：即子带编码总速率（2）n一个4个子带的SBC系统，子带分别为1-800， 1600-2400， 2400- 3200 忽略同步的边带信息
15、，子带的比特分配分别为3，2，1，0比特/ 样值，求SBC编码系统总的传输速率， 以及全样取样编码的平均比 特数：子带的划分n语音信号各子带的带宽应考虑到个频段对主观 听觉贡献相等的原则来做合理的分配，通常语 声信号经带通滤波器组滤波后分成4-6个子带 ，子带之间允许有小的间隙。n2.1 语音信号编码的基本概念及分类n2.2 脉冲编码调制PCMn2.3 差值脉冲编码调制DPCMn2.4 子带编码SBCn2.5 参量编码n2.6 IP电话系统简介及IP电话系统语音编码技 术的应用标准参量编码n参量编码根据对语音形成机理的分析，着眼于 构造语音生成模型，该模型以一定精度模拟发 出语声的语音声道，接收端根据该模型还原生 成发话者的音素。n音素的分类：q浊音：伴有声带振动q清音：声带不振动n2.1 语音信号编码的基本概念及分类n2.2 脉冲编码调制PCMn2.3 差值脉冲编码调制DPCMn2.4 子带编码SBCn2.5 参量编码n2.6 IP电话系统简介及IP电话系统语音编码技 术的应用标准2.6 IP电话系统简介及IP电话系统语音 编码技术的应用标准nIP电话泛指在以IP（internet protocol）为网络 层协议的计算机网络中进行话音通信的系统， 它采用的技
