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1、多媒体技术基本期末论文 题目：语音压缩编码及其在通信系统中应用 专业： 通 信 工 程 姓名： 张 娴 学号： 1 2 3 0 7 1 3 0 4 4 9 5月24日在当代通信中，随着科学技术迅速发展，图像、数据等非话音信息在通信信息总量中所占比例大大提高，并且这种提高趋势依然会继续下去。例如说，此前手机基本上只可以打电话，发短信，不能接受文献，不能观看视频，但是当前3G手机甚至4G手机，可以看视频，接发文献，尚有诸多应用软件。语音信号所占传播比例确是大大减小。但是，到当前为止，在大多数通信系统中，传播最多信息依然是语音信号。例如说咱们经常打电话，用语音发微信，听音乐，看视频等等。在可以预见将
2、来通信中，尽管语音信号在通信信息总量中所占比例会有所下降，但依然会是传播最多信息。语音信号是模仿信号，不能直接在数字通信系统中传播，必要先进行模/数转换再进行数/模转换，这种转换就称为语音编译码（简称语音编码），其作用是将语音模仿信号转换为数字信号，到了接受端，再将收到语音数字信号还原为语音模仿信号。可见，语音编码技术在数字通信中具备十分重要作用，随着计算机技术与超大规模集成电路技术飞速发展和广泛应用，信号数字解决、数字传播和数字存储日益显示出巨大优越性。数字化技术应用范畴迅速扩大到各个科学技术领域，渗入到工农业生产和社会生活各个方面。因而，尽量减少信号占有带宽、持续时间和存储容积，以节约信号
3、在传播、解决和存储中开销，具备巨大经济价值。因此，语音编码技术，特别是语音压缩编码技术（编码速率在16kbit/s如下），近年来受到人们广泛关注和注重，有着极为迫切客观需求。正是在这种强大客观需求推动下，近二十几年来，随着计算机技术、微电子技术、信号解决技术以及编码理论发展和进步，语音编码技术获得了许多突破性进展，提出了许多新编码技术和算法，并迅速得到了广泛应用。由于各种通信网络工作环境各不相似，传播信息也不完全同样，顾客状况更是千差万别，因而对语音编码提出规定也就不尽相似。综合各种通信网络对语音编码共同规定，大体有几下几点。（1）编码速率要适合在惯用话音信道内传播，普通规定编码速率在2kbi
4、t/s到16kbit/s之间。（2）在一定编码速率下，语音质量要尽量高，即译码后恢复语音保真度要尽量高。（3）编译码时延要小。总时延普通规定不不不大于65ms。（4）编译码算法复杂度不能太大，以合用于大规模集成电路实现。（5）坚韧性好，有较好抗误码性能。然而上述这些规定之间往往又是互相矛盾。例如，为了使语音质量好，编码速率就应当要高某些，但这又会使其占用信道带宽增大，信道带宽是有限，编码速率过高就不能在信道内传播。因而，在实际应用中要依照详细状况综合分析和比较，在各个规定之间进行一定折衷，选取最佳编码方案。当前语音编码已获得非常广泛应用，语音编码系统构成也各种各样。归纳起来可以分为两大类：第一
5、类，编码存储回放系统，又称为数字语音录放系统，例如发声字典；第二类，编码传播译码系统，又称为数字电话通信系统。下图分别画出了这两种语音编码系统原理方框图。语 音译码器数字存储媒介语 音编码器输入 输出语音 语音数字语音录放系统原理方框图 调制器信 道编码器语 音编码器输入语音传播设备及信道解调器信 道译码器语 音译码器输出语音数字电话通信系统原理方框图数字语音录放系统与模仿语音录放系统相比，具备灵活性高、可控性强、寿命长等有点。在此类语音编码系统中，对编码实时性规定不高，但规定有较高数据压缩率，以减少数字存储容量。对译码器则规定算法尽量简朴，成本尽量低，可以实时译码或基本实时译码，以减少响应时
6、延。数字电话通信系统与模仿电话通信系统相比，具备抗干扰能力强、保密性好、易于集成化等长处。在数字电话通信系统中，普通都规定实时编码和译码，同步对算法复杂度、抗误码能力等均有一定规定。语音编码按照老式分类办法普通分为3类：波形编码、参数编码和混合编码。波形编码是最基本语音编码方式，也是最早提出和实现编码技术，应用很广。它将时间或频域（或变换域）信号直接变换成数字信号，力求使重建语音波形保持原始语音信号波形形状。具备语音质量好、抗干扰性能强等有点。其缺陷是所需用编码速率高，普通在16kbit/s到64kbit/s之间。波形编码当其编码速率进一步减少时，其语音质量等性能指标下降不久，但是若编码速率过
7、高，又会使占用信道带宽增大。参数编码又称为声源编码或声码器，有时还称分析综合编码，它将信源信号在频域或其她变换域提取特性参数，然后对这些特性参数进行编码和传播，在译码端再将收到数字信号译成特性参数，依照这些特性参数重建语音信号。参数编码通过对语音信号特性参数提取和编码，力求使重建语音信号具备尽量高可懂度，即保持原语音信号语意，但重建语音信号波形与原语音信号波形却相差甚远。参数编码长处是可实现低速率语音编码，其编码速率可低至2.4kbit/s一下。其缺陷是语音质量差，自然度较低，虽然是熟人普通也听不出发言人是谁。此外，参数编码坚韧性也不够好。混合编码是在采用线性预测编码（LPC）技术语音参数编码
8、基本上，通过许多改进办法，并引入波形编码原理，使用合成分析法而形成一种新编码技术，它将波形编码和参数编码结合起来，克服了它们缺陷，借鉴了它们长处，是近年来在语音编码技术上一种突破性进展，它在4kbit/s到16kbit/s速率上可以得到高质量合成语音。混合编码技术在当代通信系统中得到了广泛应用并正处在迅速发展之中，当前仍有许多新编码算法不断浮现。语音编码所要解决基本问题，是在给定编码速率条件下，如何得到尽量好重建语音质量（或称编码质量），同步应尽量减少编译码算法复杂度和时延，并使编译码系统有较好坚韧性；或是在给定编码质量、编译码复杂度和时延以及坚韧性规定条件下，如何尽量减少语音编码所需速率等。
9、这5个方面规定，就是衡量语音编码性能重要指标。在不同应用中，对各个指标规定侧重点也有所不同。编码速率可以用“比特/秒”（bit/s）来度量，它代表了编码总速率，普通用V表达。编码速率也可以用“比特/样点”（bit/p）表达，它代表了平均每个语音样点用多少比特编码，普通用R表达，V和R可以通过取样速率联系起来： V=R其中取样速率普通依照Nyquist定理由信号带宽决定。显然，平均每样点比特数R越高，语音波形或参数量化就越精细，话音质量也就越好，相应地对传播带宽或存储容量规定也就越高。编码和译码算法复杂限度同语音编码话音质量有非常密切关系。在同样数码率状况下，采用复杂某些算法将会获得更好话音质量
10、；而对于相似话音质量，采用复杂一点算法可以减少编码所需速率。编解码算法复杂限度同硬件实现也有密切关系，它将决定硬件实现复杂限度、体积、功耗以及成本等。增长算法复杂限度可以提高语音编码质量，但往往也随着着增长编译码时延。在实时语音通信系统中，语音编译码时延对系统通话质量有很大影响。例如在卫星通信中，一跳传播时延约0.5s，发言后再听到对方回答需要1s，已明显感到对方反映“迟钝”。如果时延再大，正常交谈都会发生困难。时延影响通话质量另一种因素是回声。当时延比较小时，回声同话机侧音及房间交混回响声想混，因而感觉不到。当来回总时延超过约100ms左右，发话就可以从手机中听到自己回声。如果回声传播途径损
11、耗不够大，就会听到多次回声，从而严重影响通话质量。近年来，一方面由于社会进步和科技发展所带来强大客观需求推动，另一方面由于计算机技术、通信技术、信号解决技术和微电子技术飞速发展提供了良好条件，语音编码技术在许多方面都获得了突破性进展，有诸多研究和发展热点课题。其中，倍受人们关注和注重、具备重要应用前景和价值几种热点课题是：极低速率语音编码技术；宽频带高音质声频编码技术。下面简要简介这两个热点课题研究和发展状况。一、极低语音编码技术编码速率低于1200bit/s语音编码，称为极低速率语音编码。为了满足日益增长对通信巨大客观需求，当代通信一方面在努力建设新通信线路，扩大通信信道带宽，增大通信容量，
12、实现宽带通信；另一方面也在努力压缩信号编码速率，减少其传播占用带宽，提高通信信道运用率，增大通信容量。但是事实上，有通信信道难以扩展并且质量很差，如短波通信；有信道正在广泛应用，短期内无法或很难更新或扩展，如市话通信和载波通信；有信号十分昂贵，如宇宙通信、卫星通信等，新建和扩展信道耗费过大；在这些状况下，低速率语音编码是一种最佳选取，每压缩一比特速率都会带来巨大经济利益；尚有些特殊通信，如在强大人为干扰下或环境噪声极强条件下军用通信、数字语音保密通信等，无法或很难新建或扩展信道，在这种条件下，极低速率语音编码就成为唯一选取。综上所述可见，在保证良好语音质量前提下，大力压缩语音编码速率，实现极低
13、速率语音编码，有重大经济价值，具备巨大吸引力和辽阔应用前景。1、1200bit/s到400bit/s语音编码技术速率在1200bit/s到400bit/s语音编码技术，其编码算法普通是在2.4kbit/s声码器基本上，运用帧间有关性和矢量量化技术进一步进行数据压缩，实现极低速率语音编码。（1） 帧填充技术在速率为2.4kbit/s声码器码序列中，其相邻帧之间仍存在较大有关性，特别是在语音平稳段，如浊音段，帧与帧之间变化不大。若每隔一帧作一次编码和传播，并告知接受端在空白帧（未编码传播帧）中填充哪一帧（是其前相邻帧或后相邻帧），即可将编码速率几乎压缩一半。依照这种思路，再配合采用某些其她解决技术
14、，就可以进一步压缩编码速率，并能使语音质量基本保持不变。 （2） 运用矢量量化技术 运用矢量量化（VQ）技术，可以进一步减小帧间参数有关性。其基本思路是：把一帧或几帧需要编码传播参数划分为一组，构成一种矢量，依照感觉加权最小失真原则，在一种已训练、设计好码书中，搜索该矢量相应最佳码字，作为该矢量量化矢量，对此码字编码和传播则仅对该码字序号（在码书中标号或地址）进行编码传播。这样就可以进一步减少编码速率，又不会过多影响语音质量。2、400bit/s如下语音编码技术 虽然从信息论观点来看，语音编码信息速率下限是50bit/s左右，但是，大量研究成果表白，若是将比特率减少到400bit/s如下，当前
15、低速率语音编码中所使用基于LP分析合成各种算法都难以满足规定，其所提供语音质量主线无法达到公众可以接受限度。所觉得使语音编码速率减少至400bit/s如下，甚至逼近50bit/s左右下界，只有采用语音辨认与合成技术，构成辨认合成型声码器。 （1）辨认合成型声码器基本原理 辨认合成型声码器，采用语音辨认与合成技术对语音基元进行编码。语音基元可以是音素、音节或词，任何一种语言音素或音节是一种有限数目集合（例如说汉语拼音里面声母、韵母等，又例如英语中音标），用其作为基元进行编码，就可以实现无限词汇语音编码。这种声码器在发送端采用语音辨认技术进行语音基元辨认和编码，接受端依照收到语音基元代码和某些附加韵律信息再重新合成语音。由于这种声码器需要编码传播参数很少，而在接受端又是按规则合成语音，因此其传播速率很低，并且接受端恢复出合成语音其质量非常好。当前已研制成功汉语辨认合成型声码器，其速率低于200bit/s
