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1、第2章 语声信号数字化技术,2.1 语声信号数字化方式 2.2 抽 样 2.3 量 化 2.4 编码与解码 2.5 差值脉冲编码调制 2.6 参量编码 2.7 子带编码,2.1 语声信号数字化方式,2.1.1 PCM通信系统,脉冲编码调制通信（PCM）是数字通信系统中主要形式之一。,图2-1 PCM通信系统,（1） 第一部分相当于信源编码部分的模/数变换(AD)，它包括抽样、量化和编码。,（2） 第二部分相当于信道部分的信道和再生中继器。,（3） 第三部分相当于信源解码部分的数/模变换(DA)，它包括再生、解码和低通滤波。,各部分的作用。 1 抽样 抽样就是每隔一定的时间间隔T，抽取模拟信号的
2、一个瞬时幅度值(样值)，样值序列或样值信号。,2 量化 将PAM信号在幅度上离散化，处理成为时间上和幅度上都是离散的符号序列，这个过程就是量化。 量化级，量化方法有四舍五入法、舍去法和补足法。,图2-2 模拟信号被抽样过程,图2-3 采用舍去法的量化,由于量化而导致的量化值和样值的差称为量化误差。 量化误差大小与量化间隔有关。量化误差的影响会在电路中形成噪声，称作量化噪声。,3 编码 编码就是将离散抽样值变成二进制码元的过程。 码字就是几位二进制码元(1，0)的具体组合。一个码字中所包含的比特数n，量化级数N N=2n,图2-4 编码过程,4 再生中继 再生中继器将由终端设备输出的经过一段线路
3、传输后产生了失真并叠加了干扰的数字信号，通过在再生中继器中加以均衡和再生，将信息码恢复成和发送端一样的脉冲再传送到下一站。,图2-5 再生中继,5 解码与低通滤波 解码是将PCM信号还原为量化PAM信号， 滤除离散脉冲中的谐波分量，取出其包络线（低频分量） 重建PAM 低通滤波器,图2-6 解码与低通滤波,2.1.2 语声信号编码的分类,3大类。,1 波形编码 根据语声波形的幅度进行编码称波形编码，如PCM，M，ADPCM，SBC和VQ等,特点是有较高重建信号的质量,2 参量编码 参量编码(声码器)是直接提取语声信号的一些特征参量，并对其编码。,3 混合编码 混合编码是介于波形编码和参量编码之
4、间的一种编码，即在参量编码的基础上,引入了一定的波形编码的特征,来达到改善自然度的目的。,2.2 抽样,2.2.1 抽样定理,“抽样定理”是数字通信原理中十分重要的定理之一，是模拟信号数字化、时分多路复用及信号分析处理等技术的理论依据之一。,图2-7 抽样过程的原理示意图,时间离散信号fs(t)。 输入信号f (t) Ts是开关的开闭周期；抽样时间宽度。,图2-8 抽样电路的模型,抽样电路的模型可用一个乘法器表示 fs ( t ) = f ( t ) S ( t ),图2-9 抽样脉冲序列,图2-10 抽样信号的频谱,1 低通型抽样定理 即抽样脉冲S的重复频率fs必须不小于模拟信号最高频率的两
5、倍，这就是低通型抽样定理。,图2-11 折叠噪声,2 带通型抽样定理 低频率分量fL 高频率分量fH 低通型信号 带通型信号。,图2-12 带通型信号示意图,当抽样频率满足下列条件时，可使fs2fH,并使抽样的样值序列频谱不产生重叠。,2fH 2fL fs n + 1 n,n 取 fl / B 的整数部分, B = fH fL,2 ( f L+ f h ) F s = 2n + 1,图2-13 带通型样值信号频谱,2.2.2 抽样、保持电路,抽样由开关电路实现，保持则依靠储能元件实现。,1 抽样门 抽样电路一般称为抽样开关或简称抽样门。,抽样门的电路种类很多，既可用分立元件（如二极管、三极管和
6、场效应管）组成，也可以选择集成抽样门电路。,图2-14 二极管桥型双向抽样门电路,图2-15 抽样电路波形,2 抽样与保持 “保持”就是将脉冲宽度展宽，其目的是为了编码。,图2-16 具有脉宽的PAM信号,图2-17 抽样保持电路,图2-18 CMOS4016四路双向模拟开关集成电放,图2-19 LE398抽样保持集成电路,2.2.3 分路、重建,在PCM系统中，设每一路的抽样频率为 fs ,当PCM系统是 n 路复用时，每一路的时间间隔为 1 fs n,为了在每一路时隙内将每一抽样值编成8 位码的码字，需要将每一路抽样值进行编码 1 的保持时间安排在 fs 内。 n,1 各路每隔 fs 时间
7、轮流进行抽样保持一 n 次，不会重叠，发端在第 n 路抽样的信号一定会 在第路分离还原， 分路门,重建PAM信号是由不同幅度的窄脉冲组成的，滤波器积分平滑作用的结果会使其输出值明显减小。,输出的复原信号发生严重的衰减，信噪比明显变差。必须对重建PAM信号的每个样值在时间轴方向展宽保持，,抽样展宽电路用来形成矩形脉冲，为了解决孔径效应失真问题，在接收端恢复原模拟信号时，应加入具有孔径均衡特性的均衡网络。,图2-20 接收端的分路、展宽和均衡框图,2.3 量化,量化就是把信号在幅度域上连续取值变换为幅度域上离散取值的过程。 量化误差 量化噪声,2.3.1 均匀量化及量化噪声计算,1 均匀量化 量化
8、电平u 量化级差或量化间隔（阶距），简写为。 2 U = N,N表示量化级数，是指最大样值信号幅度量化分层的区间数。,均匀量化是指在量化区内均匀等分N个小间隔，相邻各量化级之间的量化级差相等的量化，也称线性量化。,量化误差 e (t) = u0 u 量化误差所产生的量化噪声就是由过载量化噪声和非过载量化噪声组成的。,图2-21均匀量化特性曲线和量化误差特性,2 量化噪声计算 均匀量化噪声包括过载量化噪声和非过载量化噪声两部分，,非过载区内的最大量化误差为 emax(u) = 2,过载区内的量化误差，即过载量化误差会 大于 。而它的量化输出不再变化， 2,量化误差所产生的量化噪声的大小常用它的均
9、方值即量化噪声功率表示 要减小量化噪声,只能增加量化级数, 减小量化间隔。,图2-22 量化噪声功率计算,3 均匀量化信噪比 量化信噪比即量化器输出端的平均 信号功率与量化噪声功率( u2e )与量 化噪声功率( Np )之比,S 表示为 ,其中 S = u 2e ,则 Np S U2 u2 = u2e / ( + e ue ) Np 3N2,S 当分贝表示的量化信噪比( ) 为 Np dB S ( U/ue)2 u2 ( ) = 10lg + e ue Np dB 3 M2,ue 1 S 当在 时,( ) 主要 U 10 Np dB 由过载项决定。,均匀量化噪声功率与信号大小无关，只由量化级
10、差决定，,通信系统要求：在信号动态范围达到40dB Um （即20lg = 40 dB）的条件下，量化 U 信噪比不应低于26dB，n = 11.,均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。均匀量化信噪比的特点是小信号信噪比小，对提高通信质量不利。,2.3.2 非均匀量化及其实现方法,1 非均匀量化 非均匀量化是对大小信号采用不同的量化级差，即在量化时对大信号采用大量化级差，对小信号采用小量化级差，非均匀量化特性,图2-23 非均匀量化特性（幅值为正时）,非均匀量化的特点是：信号幅度小，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。,2 非均匀量化实现的方法 实现非均匀
11、量化的方法之一是采用压缩扩张技术，通常是将抽样样值通过压缩再进行均匀量化。,图2-24 非均匀量化实现方框图,图2-25 压缩与扩张特性（正向部分）,目前PCM通信系统中采用两种描述压缩扩张特性的方法：一种是以作为参量的压扩特性，叫做律特性；另一种是以A作为参量的压扩特性，叫做A律特性。,3 理想压缩特性 理想的压缩特性应使量化信噪比不随模拟输入信号的幅度而变，,图2-26（a） 归一化压缩器特性曲线,图2-26（b）理想压缩特性曲线,图2-26（c） 压缩律曲线,理想压缩特性曲线不能直接用于语声信号的编码，要做适当的修正。,4.律压缩特性 律压缩特性表示式为 In( 1 + x) y = ，
12、 0x 1 In( 1 + ),y = 压缩器的输出电压 / 过载电压 x = 压缩器的输入电压 / 过载电压,图2-27 对应不同值的压缩特性,5.A律压缩特性 （1） A律特性 以A为参量的压缩特性叫做A律特性，A律特性是以分区定义的函数来描述的。, 0a段 Ax 1 y = , 0 x 1+lnA A, ab段 1 1+lnAx 1 Y=1+ lnx= , x1 1+lnA 1+lnA A,A律压缩特性公式。 式中A为压缩系数，表示压缩的程度。,（2） A律13折线压缩特性 具体实现的方法是：先把x轴的第一象限区间以1/2递减规律分为8个不均匀段，其分段点是1，1/2，1/4，1/8，1
13、/16，1/32，1/64和1/128；,然后将y轴的0，1区间均匀分段，其分段点为1，7/8，6/8，5/8，4/8，3/8，2/8和1/8，将y轴分别与x轴的8段一一对应，就可以做出由8段直线构成的一条折线，该折线和A压缩律特性近似。,图2-28 A律坟缩特性,图2-29 8段折线的分段示意图,由于第三象限和第一象限的，斜率均相同，可将此4段视为一条直线，所以两个象限总共有13段折线，称为13折线。,表2-2 A=87.6与折线压缩特性的比较,图2-30 A律13折压缩特性,（3）A律13折线压缩特性对小信号信噪比的改善 S S ( ) =( ) + 20lgki MP dB(非均匀) N
14、p Db(均匀),20lg ki是相同码字位数情况下非均匀量化相对均匀量化信噪比的改善量。,表2-3 各段斜率及信噪比改善量,表2-4 n=7时非均匀量化信噪比的值,2.4 编码和解码,编码，就是把量化后的信号转换成代码的过程。 编码过程是模/数变换，记作A/D； 解码是指数字信号还原成模拟信号，解码过程是数/模变换，记作D/A。,2.4.1 码型,码型指的是把量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，列出各自对应的码字，这个整体就称为码型。,表2-5 3种常用的二进制码型的编码,(1) 普通二进制码 普通二进制码其编码与一般的二进制数相对应。,(2) 循环二进制码(格雷码) 循环二
15、进制码的特点是相邻两个量化级的码字之间只有1位码发生变化，即相邻码字的码距恒为l，为单位距离码。,(3) 折叠二进制码 折叠二进制码是绝对值相同的量化值，即折叠码以“零电平”为轴，其幅度码是镜像对称的。,在PCM通信编码中，实际编码方案采用折叠二进制码的编码方案。,2.4.2 线性编码与解码,1 线性编码 线性编码的码组中码位的权值是固定的，它不随输入信号的变化而变化，码字所表示的量值（称码字电平）与输入信号幅度成线性变化关系。,（1） 级联逐次比较型编码 级联逐次比较型电路编码精度高，速度快，但电路复杂，各个编码电路的标准电压都不同，要求使用的比较器较多。,图2-31 天平称重示意图,图2-32 级联线性逐次比较型编码器方框图,（2） 逐次反馈型线性编码 整个编码器由抽样保持电路、极性判决、
