数字通信原理-第3章.ppt

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第三章第三章语言信号压缩编码语言信号压缩编码3.1语言信号压缩编码的基本概念3.2自适应差值脉冲编码调制3.3参量编码3.4混合编码3.5低速率语言压缩编码的应用一.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。

以以语语音音信信号号为为例例，模模拟拟形形式式下下带带宽宽一一般般不不到到4KHz4KHz，经过调制后，所需传输带宽不会超过，经过调制后，所需传输带宽不会超过8KHz8KHz。

但但是是以以8KHz8KHz抽抽样样，并并且且每每个个样样值值用用88位位二二进进制制代代码码表表示示时时，即即采采用用AA率率1313折折线线PCMPCM数数字字语语音音信信号号时时，信信息息速速率率为为64Kbit/s64Kbit/s。

利利用用二二进进制制理理想想基基带带传传输输系系统统传传输输一一路路这这样样的的数数字字语语音音信信号号。

所所占占系统的最小频带宽度为系统的最小频带宽度为32KHz32KHz。

频带利用率频带利用率=传输速率传输速率/带宽带宽二.什么是语音压缩编码？

把数码率低于64Kbit/s64Kbit/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波形编码参数编码参数编码混合编码混合编码了解语音信号数字化的目的和要求；理解语音信号的波形编码、参数编码、混合编码的定义；掌握对语音编码信号性能的评价方法。

理解标量量化和矢量量化的原理及异同点。

了解语音信号的参数模型；掌握线性预测的概念、线性预测声码器的工作原理。

掌握参数编码中合成分析算法的基本原理和优缺点；了解常用的语音信号的混合编码方法。

要求语音编码方法的分类：

波形编码参数编码混合编码一、语音编码的方法1.语音信号的波形编码原理：

从语音信号波形的特点出发，在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，对波形的采样值，或其预测值，或其预测的误差值进行量化并编码，编码后的信号为二进制数字序列。

解码是其反过程，将收到的数字序列经过解码和滤波恢复成模拟信号。

一、语音编码的方法特点：

以重构语音波形为目的，力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状。

适应能力强、语音质量好。

编码速率高。

在16至64kbit/s的速率上获得较高的编码质量，当速率进一步下降时，其性能会下降较快。

一、语音编码的方法常见的波形编码方式：

脉冲编码调制（PCM）、增量调制（M）自适应增量调制（ADM）、自适应预测编码（APC）、自适应差分编码（ADPCM）子带编码（SBC）一、语音编码的方法2.语音信号的参量编码原理：

从语音信号的产生机理出发，构造语音信号的模型，提取描述语音信号的特征参数，对模型参数或其预测值进行编码。

在收端，根据特征参数通过模型重构语音信号。

一、语音编码的方法特点：

编码速率低，可压缩到2kbit/s-800bit/s；合成的话音质量差，只能达到中等，自然度较低；不以重构语音波形为目的，在解码端重构一个新的有相似声音但波形不尽相同的语音信号。

常见的方式：

线性预测编码（LPC），及其各种改进型，如MBE等。

一、语音编码的方法3.语音信号的混合编码原理：

混合编码将波形编码和参量编码组合起来，克服了原有波形编码和参量编码的弱点，结合各自的长处，力图保持波形编码的高质量和参量编码的低速率，目前在1.2-16Kbit/s速率上能够得到高质量的合成语音。

特点：

低速率、高质量一、语音编码的方法常见混合编码方式：

多脉冲激励线性预测编码（MPLPC）规则脉冲激励线性预测编码（RPELPC）码本激励线性预测编码（CELP）矢量和激励线性预测编码（VSELP）多带激励（MBE）及改进型IMBE（ImprovedMBE）和AMBE（AdvancedMBE）混合激励线性预测（MELP）一、语音编码的方法说明上述语音编码器的分类方法只是一种较通用的方法，并非十分严格。

除了传统的波形编码器和参数编码器以外，许多新型的语音编码技术都比较复杂，很难严格分类。

基于分析合成技术的线性预测编码器则既可以视为参量编码，也可以视为混合编码。

一、语音编码的方法语音编码性能评价的参量：

语音编码性能评价的参量：

语音编码性能评价的参量：

语音编码性能评价的参量：

1、语音编码质量、语音编码质量2、编码速率、编码速率3、编解码的复杂度、编解码的复杂度4、编解码延时、编解码延时语音编码的基本目标：

语音编码的基本目标：

语音编码的基本目标：

语音编码的基本目标：

在在给给定定编编码码速速率率的的条条件件下下，用用尽尽量量小小的的编编解解码码延延时时和和复杂度，得到尽量好的重建语音质量复杂度，得到尽量好的重建语音质量。

二、语音编码性能的评价11、语音编码质量、语音编码质量语语音音编编码码质质量量是是衡衡量量语语音音编编码码算算法法优优劣劣的的关关键键性性能能之一，在数字通信中常把语音质量分为四级：

之一，在数字通信中常把语音质量分为四级：

广播级质量广播级质量长途电话质量长途电话质量通信质量通信质量合成语音质量合成语音质量二、语音编码性能的评价语语音音编编码码质质量量用用质质量量评评估估指指标标衡衡量量，分分为为以以客客观观评评定定方法和主观评定方法两大类。

方法和主观评定方法两大类。

主主主主观观观观评评评评定定定定方方方方法法法法是是以以人人类类听听话话时时对对语语音音质质量量的的感感觉觉来来评评定。

国际上常用的主观评定标准主要有：

定。

国际上常用的主观评定标准主要有：

平均意见得分平均意见得分MOSMOS（MeanOpinionScoreMeanOpinionScore）判断韵字测试判断韵字测试DRTDRT（DiagnosticRhymeTestDiagnosticRhymeTest）判判断断满满意意度度测测量量DAMDAM（DiagnosticDiagnosticAcceptabilityAcceptabilityMeasureMeasure）可懂度指数可懂度指数AI（ArticulationIndex）AI（ArticulationIndex）二、语音编码性能的评价MOSMOSMOSMOS评定方法评定方法评定方法评定方法由于语音质量高低的直接感受者是听众的主观感觉，由于语音质量高低的直接感受者是听众的主观感觉，因此目前广泛采用的评定方法是因此目前广泛采用的评定方法是MOS。

获取。

获取MOS的方法是，的方法是，由数十名试听者在不同的信道环境中试听并给予评分，然由数十名试听者在不同的信道环境中试听并给予评分，然后求出统计平均分。

后求出统计平均分。

分数等级分数等级分数等级分数等级采用采用5级分制：

级分制：

5分为优，分为优，4分为良，分为良，3分为中，分为中，2分为差，分为差，1分为不可接受。

分为不可接受。

4分以及分以及4分以上为高质量语音编码，达到分以上为高质量语音编码，达到长途电话质量，长途电话质量，3.5分左右为通信级质量，分左右为通信级质量，3分以及分以及3分以下分以下为合成语音质量。

为合成语音质量。

二、语音编码性能的评价对对应应于于主主观观评评定定等等级级，还还有有一一个个收收听听注注意意力力等等级级（ListeningListeningEffortEffortScaleScale）。

表表2.12.1给给出出了了主主观观评评定定等等级级制制的质量等级、分数和相应的收听注意力等级。

的质量等级、分数和相应的收听注意力等级。

二、语音编码性能的评价客观评价的方法客观评价的方法客观评价的方法客观评价的方法:

时域：

信噪比、加权信噪比、平均分段信噪比等时域：

信噪比、加权信噪比、平均分段信噪比等频域：

谱失真测度、频域：

谱失真测度、LPC倒谱距离测度等倒谱距离测度等说明：

说明：

说明：

说明：

以上方法都建立在度量均方误差的基础上，其特点是以上方法都建立在度量均方误差的基础上，其特点是计算简单，但不能完全反映人对语音质量的感觉，对于计算简单，但不能完全反映人对语音质量的感觉，对于速率为速率为16kb/s以下的中低速率语音编码尤为突出。

主要以下的中低速率语音编码尤为突出。

主要适用于速率较高的波形编码的质量测量。

适用于速率较高的波形编码的质量测量。

二、语音编码性能的评价2.编码速率语言编码后的速率用“比特/秒”度量或用“比特/样点”度量。

后者表示平均每个样点所需的编码比特数。

通常编码速率高，则编码后的语音质量高，但所需的传输带宽就宽。

二、语音编码性能的评价好好的的语语音音编编码码方方法法，是是在在保保持持语语音音质质量量的的前前提提下下降低速率。

降低速率。

3.编解码的复杂程度编解码的复杂度与算法有关。

通常算法复杂，则话音质量好，编码速率低，但实现复杂，且体积大、功耗高、成本高，甚至编解码延时大。

二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价4.编解码延时编解码延时也与算法有关。

通常算法复杂，则编解码延时大。

也有专为减小延时的短延时算法。

不过，质量好、延时短的算法，相应的编码速率也高。

5.5.对语音编码的要求对语音编码的要求在满足用户对语音质量要求的前提下，编码速率在满足用户对语音质量要求的前提下，编码速率尽可能低。

尽可能低。

在强噪声环境中，算法应有较好的抗误码性在强噪声环境中，算法应有较好的抗误码性能，也就是说，当误码率较低时（例如为能，也就是说，当误码率较低时（例如为10-2）仍能保持良好的话音质量。

仍能保持良好的话音质量。

编、解码延迟应控制在几十毫秒之内，越短越编、解码延迟应控制在几十毫秒之内，越短越好。

好。

复杂性要适度，以便于使用大规模集成器件。

复杂性要适度，以便于使用大规模集成器件。

二、语音编码性能的评价二、语音编码性能的评价6.6.几种语音编码的质量比较几种语音编码的质量比较LD-CELP：

低时延：

低时延-码激励线性预测码激励线性预测MP-MLQ：

多脉冲最大似然量化：

多脉冲最大似然量化ACELP：

代数码激励线性预测：

代数码激励线性预测CS-ACELP：

共轭结构：

共轭结构-代数码激励线性预测代数码激励线性预测三、语音编码的标准ETSI：

欧洲电信标准协会：

欧洲电信标准协会TIA：

（北美）电信工业协会：

（北美）电信工业协会RCR：

（日本）无线通信系统研究发展中心：

（日本）无线通信系统研究发展中心DVSI：

数字声音系统公司：

数字声音系统公司三、语音编码的标准保密电话语音编码标准保密电话语音编码标准三、语音编码的标准窄带保密电话应用于带宽受限信道，目前只有美国公窄带保密电话应用于带宽受限信道，目前只有美国公布了所用保密电话的标准。

布了所用保密电话的标准。

FS-1015FS-1015标准：

标准：

2.4kb/s2.4kb/s的的LPCLPC声码器，声码器，DRTDRT为为90%90%FS-1016FS-1016标准：

标准：

4.8kb/s4.8kb/s的的CELPCELP声码器，比声码器，比FS-1015FS-1015具具有好得多的自然度及环境噪声能力。

有好得多的自然度及环境噪声能力。

混合激励线性预测（混合激励线性预测（MELPMELP）标准：

编码速率为）标准：

编码速率为2.4kb/s2.4kb/s，语音质量优于，语音质量优于FS-1016FS-1016。

各种语音编码标准的相对效果各种语音编码标准的相对效果三、语音编码的标准第三章第三章语言信号压缩编码语言信号压缩编码3.1语言信号压缩编码的基本概念3.2自适应差值脉冲编码调制3.3参量编码3.4混合编码3.5低速率语言压缩编码的应用自适应差值脉冲编码调制原理（ADPCM）3.1.1差值脉冲编码（DPCM）v1.编码思想编码思想提高通信质量提高通信质量必须必须减小量化误差减小量化误差减小量化级减小量化级当抽样值范围确定时当抽样值范围确定时增加编码增加编码位数位数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。

这就是差值编况下，减小编码