第三章语音信号的压缩编码.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章语音信号的压缩编码,一,.,压缩编码原因,语音信号的压缩编码是研究如何降低语音信号编码速率的问题。,以语音信号为例，模拟形式下带宽一般不到,4KHz,，经过调制后，所需传输带宽不会超过,8KHz,。,但是以,8KHz,抽样，并且每个样值用,8,位二进制代码表示时，即采用,A,率,13,折线,PCM,数字语音信号时，信息速率为,64Kbit/s,。,利用二进制理想基带传输系统传输一路这样的数字语音信号。所占系统的最小频带宽度为,32KHz,。,频带利用率,=,传输速率,/,带宽,二,.,什么是语音压缩编码？,把数码率低于,64Kbit/s,的语音编码方法称为语音压缩编码技术,三,.,语音编码分类,根据编码器的实现机理，分成三大类,波形编码,参数编码,混合编码,1,、波形编码,从语音信号的波形出发，对波形的抽样值、预测值、预测误差进行编码，它以重建语音波形为目的，力图使重建波形接近原信号波形。,特点：利用抽样定理，恢复原始信号的波形,优点：,适应能力强，重建语音质量好,缺点：,编码速率较高,类型：,PCM,，,自适应增量调制（,ADM,），,自适应差分编码调制（,ADPCM,），,自适应预测编码,APC,速率通常在,16-64kbit/s,范围,2.,参数编码,提取语音的一些特征信息进行编码，在收端利用这些特征参数合成语音。,优点：,编码速率低。,缺点：,语音的音质和自然度较差，很难辨别说话人。（有一定的可懂度,),类型,:,LPC,线性预测编码,速率通常是在,4.8kbit/s,以下,3.,混合编码,介于波形编码和参数编码的一种编码。即在参数编码的基础上引入了波形编码的一些特征。,波形编码,+,参数编码,可在,4-16kbit/s,范围内达到良好的语音质量,类型：,子带编码,3.1,自适应差值脉冲编码调制原理（,ADPCM,）,3.1.1,差值脉冲编码（,DPCM,）,1.,编码思想,提高通信质量,必须,减小量化误差,减小量化级,当抽样值范围确定时,增加编码,位数,N,增加编码位数可获得大的信噪比,在编码位数固定时，减小抽样值的变化范围，也同样可以提高信噪比,即：若缩小抽样值（被编码信号）的变化范围，就可以在保证信噪比不变的情况下，减小编码的位数。这就是差值编码的中心思想,二、差值编码模型图,在原来的抽样值中减去某一个值，然后对两者之差进行编码。在接收端将解码值再加上发送端所减去的值便可恢复出原始值。,x(n,),+,d(n,),c(n,),d(n,),x(n,）,-,x(n,),x(n,),差值编码模型,译码,+,编码,+,图中：,x(n,),是原始样值（,n,时刻的抽样值）,x(n,),为减去量,d(n,)=,x(n)-x(n,),为差值,可以看出：,（,1,）、,d(n,),越小，在相同的编码位数时信噪比越大,（,2,）、收发端必须有相同的减去量,x(n,),根据前些时刻的样值来预测现时刻的样值，只要传递预测值和实际值之差，而不需要每个样值的编码都传。这种方法就称为,DPCM,编码。,三、,DPCM,系统,1,、,DPCM,系统的概念：,举例来说,设以,1/Ts,的速率对信号,S,（,t,）,抽样,在 时刻前可得到 ，,，等一组样值,.,以前面,N,个样值作为基础对 的预测值是,不同时刻样值的加权系数,:,根据相关性情况，可设 为常量或变量,2,、实现预测的横向滤波器（,N,阶预测器）,在每个抽样时刻到来时，滤波器输出将会给出下一个样值的预测值。,一般来说，在抽样时刻,t=,nTs,时所得的预测值 与真正的样值 并不相同。,N,阶预测器输出：,差值脉冲编码就是对真正的样值 与过去的样值为基础得到的估值 之间的差值进行量化和编码。,3,、,DPCM,系统模型框图,量化器,预测器,预测器,下张,图中：,x(n,),为抽样信号的实际值,d(n,)=,x(n)-x(n,),图,x(n,)=,x(n)+d(n,),该系统的量化误差可以表示为：,e(n,)=,x(n)-x(n,),=,d(n)+x(n)-x(n)+d(n,),=,d(n)-d(n,),上式表明：系统的传输误差就是差值（）的量化误差,4,、,DPCM,系统的抗噪声性能分析,系统信噪比定义为：,=,=,预测器增益,量化器的量化信噪比,G,P,1,预测器有增益,加预测器后反而不利,G,P,：,DPCM,系统相对于,PCM,系统而言的信噪比增益。,量化器产生的信噪比,即非预测的,PCM,系统的量化信噪比,提高系统信噪比采取的措施,减小,x(n,),精确,d(n,),d(n,)=,x(n)-x(n,),最佳预测,量化误差,最佳量化,小结,一,.,压缩编码的原因,二,.,什么是语音压缩编码,三,.,语音编码分类,3.1ADPCM,系统,3.3.1DPCM,一,.,差值编码思想,二,.,差值编码系统模型图,三,.DPCM,系统,1.,概念,2.,预测器模型图,3.DPCM,系统模型,4.DPCM,系统的抗噪声性能分析,3.1,自适应差值脉冲编码调制（,ADPCM,）,1,、实质：,DPCM+,自适应量化和自适应预测,固定预测 固定量化,2,、定义,能够实现自适应预测功能，或者自适应量化功能或者同时实现两种自适应功能的,DPCM,系统称为,ADPCM,系统。,3.,设计的目的,ADPCM,充分利用了语音波形的统计特征和人耳听觉特性,其设计思路主要瞄准了两个目标,:,a:,尽可能去掉语音信号中的冗余信号,b:,以有效的方式将可用比特分配给语音信号,对消除冗余后的信号,从自适应角度进行最佳编码,1.1,预测的自适应,(1).,极点预测器,1.,预测器的结构,(,用重建信号,x(n,),进行的预测）,+,量化器,预测器,+,X(n,),X(n,),d(n,),d(n,),编码,X(n,),P,（,Z,）,X,（,n,）,a:,极点预测器的方框图,b:,预测器传递函数,P(z,),N,阶预测器公式：,X(n,)=,进行,Z,变换后得：,则预测器的传递函数为：,为预测系数,c:,重建滤波器,+,预测器,x(n,),x(n,),X(n,),d(n,),H(Z),重建滤波器,=,=E x(n)+Ex(n-1)-2Ex(n)x(n-1),2,2,=2E x(n)-2Ex(n)x(n-1),2,分析：,=,=,（）一阶,最佳,线性预测,求最佳预测系数,h1,N=1,时；,X(n,)=,h,1,x(n-1),则差值信号为：,d(n,)=x(n)-h,1,x(n-1),+,Ed,(n)=,2,=,Ex(n,)-h,1,x(n-1),2,=E x(n)+h,1,Ex(n-1)-2h,1,Ex(n)x(n-1),2,2,=,2,-,=,2,求使,最小的,h,1,的值,2,令,得最佳预测系数,h,1opt,=p,1,当,N=1,时的最大预测增益为：,b.,二阶线性预测（,N=2,）,d(n,)=x(n)-h,1,x(n-1)-h,2,x(n-2),=,Ed,(n),2,=,Ex(n,)-h,1,x(n-1)-h,2,(n-2),2,令,得最佳,h1,h2,大于或者等于零,故二阶预测器总是优于一阶预测器,C,：,N,阶最佳线性预测,求偏,微分，并令为零,=,Ed,(k),2,所以得到一组线性方程,差值信号在,预测系数取最佳值时,最小,最佳预测增益,2.,自适应预测,1),前向自适应预测算法,根据短时间的相关特性,R(i,),求短时的最佳预测系数,特点,:,运算量大，延迟时间大，不能用于高速系统。,采用不断修正预测系数,h,i,(n,),的方法来减小瞬时平方差,Ed(n,),使,h,i,(n,),逐步的接近,h,i,opt(n,).,2,）后向序贯自适应预测算法,2,LMS,算法（最小均方算法）,梯度系数，它决定了预测系数自适应速率,梯度符号算法,极点预测器,零点预测器,衰减因子,(,抗误码因子,),1.2,量化的自适应,1,、最佳量化,分层电平为相邻量化电平的中点,量化电平是该量化间隔内经常出现的瞬时电平值,固定量化器,+,可变增益放大器,2,、自适应量化的基本思想,自适应量化的基本思想是使量化器的量化级（阶距）能够随着输入信号,d(n,),瞬时值得变化作自适应调整，从而使量化误差的均方值最小。,即,:,自适应量化指量化台阶随信号变化而变化，使量化误差减小,3,、实现方法,前向自适应量化（,AQF),优点：,量化误差小，信噪比大,缺点：,量阶的信息要与话音信号一起送到收端译码器，否则，收端无法知道该时刻的量阶值,优点：,接收端不需要量阶的信息，因为量阶的信息可以从接收码中提取，码速率低，实现容易。,后向自适应量化,(AQB),缺点：,因为量化误差影响量化值得准确度，即信噪比下降，但影响较小。,Jayant,提出的后向自适应算法：,本次量化间隔,=,前一次量化间隔,量化调整因子,M|I(n-1)|,-,量化间隔调整因子,不同量化电平,L,时,DPCM,量化器的,M,值见下表,上式算法在有传输误码情况下,会产生误码扩散问题,因此采用修正式,:,-,抗误码因子,两边取对数得：,令,为量化器的定标因子,分为快速定标因子（语音）,慢速定标因子（数据）,动态锁定,DLQ,（双模式自适应量化器）,自适应速度控制参数,对语音信号：,对数据信号：,短时,平均,长时,平均,比较器,线性,非线性滤波,线性组合,低通滤波器,y,u,(n,),运算,d(n,),y,l,(n,),y(n,),去自适应量化器,32kb/sADPCM,编译码系统,Ccittg.721,建议提出了能和已有的,PCM,数字电话网兼容的,32kb/sADPCM,算法。该算法主要技术指标如下：,（,1,）语音信号经过,ADPCM,编码后，客观测量,SNR,应完全符合,PCM,系统的指标要求，主观听觉测试性能非常接近于,PCM,质量。,（,2,）经过四次音频转接后，主观语音测试质量良好，主观平均分（,MOS,）大于,3.5,以上。,（,3,）在信道误码低于,0.001,的情况下能稳定工作,作业题,1,、已知一阶固定的,DPCM,系统，其预测系数,h1=1,，归一化系数,p1,定义为：,其中 为相关系数，求该系统的预测增益,Gp,。,2,、上题中若取一阶预测系数,h,1,=h,1opt,，试求,G,popt,2,、已知输入信号的功率 ，相关系数,R,（,1,），,R,（,2,），求二阶固定极点预测器,DPCM,系统的最大预测增益,G,popt,