1、1第第10章章 語音編碼語音編碼-波形編碼波形編碼210.1 概述概述 對(duì)語音信號(hào)直接采用模對(duì)語音信號(hào)直接采用模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行編碼時(shí)，傳輸數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行編碼時(shí)，傳輸或存儲(chǔ)語音的數(shù)據(jù)量太大，為了降低傳輸或存儲(chǔ)的費(fèi)用，或存儲(chǔ)語音的數(shù)據(jù)量太大，為了降低傳輸或存儲(chǔ)的費(fèi)用，就必須對(duì)其進(jìn)行壓縮。各種編碼技術(shù)的目的就是為了減少就必須對(duì)其進(jìn)行壓縮。各種編碼技術(shù)的目的就是為了減少傳輸碼率或存儲(chǔ)量，以提高傳輸或存儲(chǔ)的效率。經(jīng)過這樣傳輸碼率或存儲(chǔ)量，以提高傳輸或存儲(chǔ)的效率。經(jīng)過這樣的降低數(shù)據(jù)量的編碼后，同樣的信道容量就能傳輸更多路的降低數(shù)據(jù)量的編碼后，同樣的信道容量就能傳輸更多路的信號(hào)，并且需要的存儲(chǔ)器容量也

2、會(huì)減小，因而這類編碼的信號(hào)，并且需要的存儲(chǔ)器容量也會(huì)減小，因而這類編碼又稱為壓縮編碼。又稱為壓縮編碼。310.1 概述概述 實(shí)際上，壓縮編碼需要在保持可懂度和音質(zhì)、降低實(shí)際上，壓縮編碼需要在保持可懂度和音質(zhì)、降低數(shù)碼率、降低編碼過程的計(jì)算代價(jià)這數(shù)碼率、降低編碼過程的計(jì)算代價(jià)這3方面進(jìn)行折中。方面進(jìn)行折中。近近10年來固定電話和移動(dòng)通信高速發(fā)展，信道使用效年來固定電話和移動(dòng)通信高速發(fā)展，信道使用效率成為一項(xiàng)關(guān)鍵因素，這促使語音壓縮編碼技術(shù)不斷發(fā)率成為一項(xiàng)關(guān)鍵因素，這促使語音壓縮編碼技術(shù)不斷發(fā)展。展。410.1 概述概述l起于起于60年前，窄帶電話線語音信號(hào)傳送系統(tǒng)的發(fā)展需要。年前，窄帶電話線語音

3、信號(hào)傳送系統(tǒng)的發(fā)展需要。早期的聲碼器是基于對(duì)語音信號(hào)基音周期和頻譜的分析，通早期的聲碼器是基于對(duì)語音信號(hào)基音周期和頻譜的分析，通過周期脈沖或隨機(jī)噪聲激勵(lì)過周期脈沖或隨機(jī)噪聲激勵(lì)10個(gè)帶通濾波器（表示聲道模個(gè)帶通濾波器（表示聲道模型）合成語音信號(hào)。型）合成語音信號(hào)。l20世紀(jì)世紀(jì)50年代后期，著重于線性語音源系統(tǒng)的生成模型。年代后期，著重于線性語音源系統(tǒng)的生成模型。源系統(tǒng)是一個(gè)自回歸時(shí)序模型，聲道是全極點(diǎn)濾波器，參數(shù)源系統(tǒng)是一個(gè)自回歸時(shí)序模型，聲道是全極點(diǎn)濾波器，參數(shù)通過通過LPC得到。得到。l20世紀(jì)世紀(jì)6、70年代，由于年代，由于VLSI技術(shù)的出現(xiàn)和數(shù)字信號(hào)處技術(shù)的出現(xiàn)和數(shù)字信號(hào)處理理論的發(fā)

4、展。語音的分析合成采用了短時(shí)傅里葉變換理理論的發(fā)展。語音的分析合成采用了短時(shí)傅里葉變換（SIFT）、變換編碼（）、變換編碼（TC）和子帶編碼（）和子帶編碼（SBC），并且基），并且基于線性預(yù)測(cè)的語音編碼技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。于線性預(yù)測(cè)的語音編碼技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。510.1 概述概述l針對(duì)提出的魯棒性、低碼率和高質(zhì)量的要求。出現(xiàn)了新的編針對(duì)提出的魯棒性、低碼率和高質(zhì)量的要求。出現(xiàn)了新的編碼技術(shù)：余弦分析合成技術(shù)、多帶激勵(lì)聲碼器、碼技術(shù)：余弦分析合成技術(shù)、多帶激勵(lì)聲碼器、LPC中的多中的多脈沖和矢量激勵(lì)和矢量量化。脈沖和矢量激勵(lì)和矢量量化。l當(dāng)前的研究集中在當(dāng)前的研究集中在4kbit/s碼

5、率以下的高音質(zhì)、低延遲的聲碼率以下的高音質(zhì)、低延遲的聲碼器，提高在噪聲信道中低碼率編碼器的性能，并能傳輸多碼器，提高在噪聲信道中低碼率編碼器的性能，并能傳輸多種信號(hào)，包括音頻信號(hào)。種信號(hào)，包括音頻信號(hào)。610.1 概述概述信源信宿（用戶）信道編碼信源解碼信源編碼解調(diào)傳輸信道調(diào)制信道解碼噪聲圖圖10-1 10-1 數(shù)字傳輸系統(tǒng)數(shù)字傳輸系統(tǒng)710.1 概述概述o 信源編碼：主要是解決有效性問題。通過對(duì)信源的壓縮、信源編碼：主要是解決有效性問題。通過對(duì)信源的壓縮、擾亂、加密等處理力求用最少的數(shù)碼率傳遞最大的信息擾亂、加密等處理力求用最少的數(shù)碼率傳遞最大的信息量。也就是用最少的數(shù)碼表示信源所發(fā)的信號(hào)，

6、減少容量。也就是用最少的數(shù)碼表示信源所發(fā)的信號(hào)，減少容納給定信息集合或數(shù)據(jù)采樣集合的信號(hào)空間。納給定信息集合或數(shù)據(jù)采樣集合的信號(hào)空間。o 信道編碼：主要是解決可靠性問題。即盡量使處理過的信道編碼：主要是解決可靠性問題。即盡量使處理過的信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中不出錯(cuò)或者少出錯(cuò)，即使出錯(cuò)也要信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中不出錯(cuò)或者少出錯(cuò)，即使出錯(cuò)也要能自動(dòng)檢錯(cuò)和盡量糾錯(cuò)。能自動(dòng)檢錯(cuò)和盡量糾錯(cuò)。810.1 概述概述低數(shù)碼率的數(shù)字語音具有以下優(yōu)點(diǎn)：低數(shù)碼率的數(shù)字語音具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以在窄帶信道上傳輸，有效地適應(yīng)了信號(hào)電纜帶寬窄的特點(diǎn)。可以在窄帶信道上傳輸，有效地適應(yīng)了信號(hào)電纜帶寬窄的特點(diǎn)。更能克服信道失真，這意味著可以

7、采用更簡(jiǎn)單的調(diào)制解碼器。更能克服信道失真，這意味著可以采用更簡(jiǎn)單的調(diào)制解碼器。多數(shù)信道中，當(dāng)誤碼率給定時(shí)，低數(shù)碼率比高數(shù)碼率所需要的發(fā)射功率更小。多數(shù)信道中，當(dāng)誤碼率給定時(shí)，低數(shù)碼率比高數(shù)碼率所需要的發(fā)射功率更小。給定容量的復(fù)接電路或復(fù)按網(wǎng)絡(luò)允許通過更多的信道。給定容量的復(fù)接電路或復(fù)按網(wǎng)絡(luò)允許通過更多的信道。為了存貯一定的語音所需要的存貯器容量將更少。為了存貯一定的語音所需要的存貯器容量將更少。當(dāng)和差錯(cuò)糾正與擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，將具有更大的抗噪聲與抗干擾能力。當(dāng)和差錯(cuò)糾正與擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，將具有更大的抗噪聲與抗干擾能力。910.1 概述概述語音壓縮編碼的應(yīng)用：語音壓縮編碼的應(yīng)用：（1）語音

8、信號(hào)的數(shù)字傳輸。）語音信號(hào)的數(shù)字傳輸。 -數(shù)字通信系統(tǒng)、移動(dòng)無線電、蜂窩電話和保密話音系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)、移動(dòng)無線電、蜂窩電話和保密話音系統(tǒng)（2）語音信號(hào)的數(shù)字存儲(chǔ)。）語音信號(hào)的數(shù)字存儲(chǔ)。 -數(shù)字錄音電話、語音信箱、電子留言簿、發(fā)聲字典、多媒體查數(shù)字錄音電話、語音信箱、電子留言簿、發(fā)聲字典、多媒體查 詢系統(tǒng)詢系統(tǒng)1010.1 概述概述語音編碼大致可分為三類：語音編碼大致可分為三類： -波形編碼波形編碼 -參數(shù)編碼參數(shù)編碼 -混合編碼混合編碼1110.1 概述概述 波形編碼波形編碼：將時(shí)域模擬話音的波形信號(hào)經(jīng)過采樣、量：將時(shí)域模擬話音的波形信號(hào)經(jīng)過采樣、量化和編碼形成數(shù)字語音信號(hào)，恢復(fù)的語音信號(hào)基

9、本上化和編碼形成數(shù)字語音信號(hào)，恢復(fù)的語音信號(hào)基本上與輸入語音信號(hào)波形相同。與輸入語音信號(hào)波形相同。n 編碼速率較高：編碼速率較高：9.6k64kbit/sn包括：包括：PCM、ADPCM、DM、ADM、SBC等等n適應(yīng)能力強(qiáng)、語音質(zhì)量好；編碼速率高適應(yīng)能力強(qiáng)、語音質(zhì)量好；編碼速率高1210.1 概述概述 參數(shù)編碼參數(shù)編碼：基于人類語音的產(chǎn)生機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型，：基于人類語音的產(chǎn)生機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)輸入語音得出模型參數(shù)并傳輸，在收端恢復(fù)，重根據(jù)輸入語音得出模型參數(shù)并傳輸，在收端恢復(fù)，重建的語音信號(hào)與原始信號(hào)樣本之間沒有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。建的語音信號(hào)與原始信號(hào)樣本之間沒有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 n編碼速率較

10、低：編碼速率較低：2.4k4.8kbit/sn包括各種線性預(yù)測(cè)編碼（包括各種線性預(yù)測(cè)編碼（LPC）方法和余弦聲碼器等）方法和余弦聲碼器等n編碼速率低；語音質(zhì)量差、自然度低、對(duì)環(huán)境噪聲敏感編碼速率低；語音質(zhì)量差、自然度低、對(duì)環(huán)境噪聲敏感1310.1 概述概述混合編碼混合編碼：波形編碼：波形編碼+參數(shù)編碼（參數(shù)編碼（LPAS）n編碼速率較低：編碼速率較低：16k2.4kbit/sn包括多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼包括多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(MPLPC)、規(guī)則脈沖激勵(lì)線、規(guī)則脈沖激勵(lì)線性編碼性編碼(RPE-LPC)、碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼、碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(CELP)1410.2 語音信號(hào)的壓縮編碼原理

11、語音信號(hào)的壓縮編碼原理10.2.1 語音壓縮的基本原理語音壓縮的基本原理一、語音壓縮的基本原理一、語音壓縮的基本原理 對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼的基本依據(jù)是語音信號(hào)的冗對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼的基本依據(jù)是語音信號(hào)的冗余度和人的聽覺感知機(jī)理。余度和人的聽覺感知機(jī)理。1510.2 語音信號(hào)的壓縮編碼原理語音信號(hào)的壓縮編碼原理對(duì)語音進(jìn)行壓縮編碼的基本依據(jù)有兩個(gè)：對(duì)語音進(jìn)行壓縮編碼的基本依據(jù)有兩個(gè)： -語音信號(hào)中存在大量的冗余語音信號(hào)中存在大量的冗余 -人耳的聽覺特性人耳的聽覺特性1610.2 語音信號(hào)的壓縮編碼原理語音信號(hào)的壓縮編碼原理1、語音信號(hào)中存在大量的冗余語音信號(hào)中存在大量的冗余 語音信號(hào)樣本間的

12、相關(guān)性很強(qiáng)，即其短時(shí)譜不平坦。語音信號(hào)樣本間的相關(guān)性很強(qiáng)，即其短時(shí)譜不平坦。 濁音語音段具有準(zhǔn)周期性濁音語音段具有準(zhǔn)周期性 聲道的形狀及其變化比較緩慢。聲道的形狀及其變化比較緩慢。 傳輸碼值的概率分布是非均勻的。傳輸碼值的概率分布是非均勻的。1710.2 語音信號(hào)的壓縮編碼原理語音信號(hào)的壓縮編碼原理2、人的聽覺感知機(jī)理。主要表現(xiàn)在：、人的聽覺感知機(jī)理。主要表現(xiàn)在：人類聽覺系統(tǒng)（人類聽覺系統(tǒng)（HAS）具有掩蔽效應(yīng)：?jiǎn)我舻穆暭?jí)越高，）具有掩蔽效應(yīng)：?jiǎn)我舻穆暭?jí)越高，對(duì)其周圍頻率聲音的掩蔽作用越強(qiáng)。利用這一性質(zhì)可抑制與對(duì)其周圍頻率聲音的掩蔽作用越強(qiáng)。利用這一性質(zhì)可抑制與信號(hào)同時(shí)存在的量化噪聲。信號(hào)同時(shí)

13、存在的量化噪聲。人耳對(duì)不同頻段聲音的敏感程度不同：強(qiáng)的低頻音能妨礙同人耳對(duì)不同頻段聲音的敏感程度不同：強(qiáng)的低頻音能妨礙同時(shí)存在的高頻音。時(shí)存在的高頻音。人耳對(duì)語音信號(hào)的相位變化不敏感：人耳能做短時(shí)的頻率分人耳對(duì)語音信號(hào)的相位變化不敏感：人耳能做短時(shí)的頻率分析，對(duì)信號(hào)的周期性即音調(diào)很敏感但對(duì)信號(hào)相位感知卻不敏析，對(duì)信號(hào)的周期性即音調(diào)很敏感但對(duì)信號(hào)相位感知卻不敏感。人耳聽不到或感知很不靈敏的聲音分量都可視為冗余信感。人耳聽不到或感知很不靈敏的聲音分量都可視為冗余信號(hào)。號(hào)。1810.2 語音信號(hào)的壓縮編碼原理語音信號(hào)的壓縮編碼原理 總之，利用冗余度或者語音聽覺上的制約，可以壓縮表示總之，利用冗余度或

14、者語音聽覺上的制約，可以壓縮表示語音信號(hào)的必要信息，從而可以降低傳輸速率或存儲(chǔ)容量。語音信號(hào)的必要信息，從而可以降低傳輸速率或存儲(chǔ)容量。1910.2 語音信號(hào)的壓縮編碼原理語音信號(hào)的壓縮編碼原理10.2.2 語音通信中的語音質(zhì)量語音通信中的語音質(zhì)量 語音壓縮編碼考慮的因素有：語音壓縮編碼考慮的因素有： 輸入語音信號(hào)的特點(diǎn)。輸入語音信號(hào)的特點(diǎn)。 傳輸比特率的限制。傳輸比特率的限制。 對(duì)輸出重構(gòu)語音的音質(zhì)要求。對(duì)輸出重構(gòu)語音的音質(zhì)要求。2010.2 語音信號(hào)的壓縮編碼原理語音信號(hào)的壓縮編碼原理在語音通信中，語音質(zhì)量分為以下四等：在語音通信中，語音質(zhì)量分為以下四等：廣播質(zhì)量廣播質(zhì)量：寬帶，帶寬為寬帶

15、，帶寬為0-7200Hz，語音質(zhì)量高，感覺不出噪聲，語音質(zhì)量高，感覺不出噪聲存在。存在。長(zhǎng)途電話質(zhì)量長(zhǎng)途電話質(zhì)量：指通過電話網(wǎng)傳輸后得到的語音質(zhì)量，帶寬為指通過電話網(wǎng)傳輸后得到的語音質(zhì)量，帶寬為200-3200Hz，信噪比大于，信噪比大于30dB，諧波失真小于，諧波失真小于2%-3%。通信質(zhì)量通信質(zhì)量：可以聽懂，但和長(zhǎng)途電話質(zhì)量相比，明顯有較大失真。可以聽懂，但和長(zhǎng)途電話質(zhì)量相比，明顯有較大失真。合成質(zhì)量合成質(zhì)量：80%-90%可懂度，音質(zhì)較差，聽起來像機(jī)器說話，可懂度，音質(zhì)較差，聽起來像機(jī)器說話，失去了講話者的個(gè)人特征。失去了講話者的個(gè)人特征。2110.2 語音信號(hào)的壓縮編碼原理語音信號(hào)的壓

16、縮編碼原理10.2.3 兩種壓縮編碼方式兩種壓縮編碼方式 波形編碼的語音質(zhì)量好，因?yàn)檫@種方法保留了信號(hào)原始樣本波形編碼的語音質(zhì)量好，因?yàn)檫@種方法保留了信號(hào)原始樣本的細(xì)節(jié)變化，從而保留了信號(hào)的各種過渡特征，所以解碼語音的細(xì)節(jié)變化，從而保留了信號(hào)的各種過渡特征，所以解碼語音質(zhì)量一般較高。但這種方法降低比特率困難。質(zhì)量一般較高。但這種方法降低比特率困難。 參數(shù)編碼解碼后合成的語音信號(hào)與原始語音信號(hào)之間沒有一參數(shù)編碼解碼后合成的語音信號(hào)與原始語音信號(hào)之間沒有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因而音質(zhì)的好壞要由主觀進(jìn)行評(píng)價(jià)，而缺乏客一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因而音質(zhì)的好壞要由主觀進(jìn)行評(píng)價(jià)，而缺乏客觀標(biāo)準(zhǔn)。語音的自然度、可懂度差，較少

17、地保留講話人的特觀標(biāo)準(zhǔn)。語音的自然度、可懂度差，較少地保留講話人的特征，受噪聲和誤碼的影響大，算法復(fù)雜。征，受噪聲和誤碼的影響大，算法復(fù)雜。2210.3 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(PCM)及其自適應(yīng)及其自適應(yīng)10.3.1 10.3.1 均勻均勻PCMPCM 不論信號(hào)幅度的大小，都采用同等的量化階距進(jìn)行量化，即采用均勻量化。 完全沒有利用語音的性質(zhì)，信號(hào)沒有得到壓縮。 語音是非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，電話語音電平變化超過40dB。對(duì)于小信號(hào)電平輸入，信噪比應(yīng)保證約20-30dB，即最大信噪比應(yīng)需60-70dB。由第二章知識(shí)，信號(hào)對(duì)量化噪聲的信噪比可近似寫為：其中，B為量化器字長(zhǎng)。由上式可看出，信噪比取決于

18、量化字長(zhǎng)。當(dāng)要求60dB的SNR時(shí)，B至少應(yīng)取11bit。此時(shí)，對(duì)于帶寬為4kHz的電話語音信號(hào)，若采樣率為8kHz，則PCM要求的速率為88Kbit/s。(10-2)2310.3 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(PCM)及其自適應(yīng)及其自適應(yīng) 2. 2.非均勻非均勻PCMPCM 均勻量化的缺點(diǎn)是不論語音信號(hào)的幅度大小而量化階距保持不變。這樣在信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大而方差較小時(shí)，其信噪比將下降。根據(jù)觀測(cè)到的語音信號(hào)概率密度可知，語音信號(hào)大量集中在低幅度上。這樣，就可以設(shè)想利用非均勻量化來彌補(bǔ)均勻量化的缺點(diǎn)?；舅枷耄簩?duì)大幅度的樣本使用大的 ，對(duì)小幅度的樣本使用小的 ，在接收端按此還原。(a) 均勻量化特性(

19、b) 非均勻量化特性2410.3 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(PCM)及其自適應(yīng)及其自適應(yīng) 現(xiàn)在非均勻現(xiàn)在非均勻PCM一般采用兩種壓縮擴(kuò)張非均勻量化方法：一般采用兩種壓縮擴(kuò)張非均勻量化方法：A律和律和 律壓縮律壓縮擴(kuò)張技術(shù)。其中，擴(kuò)張技術(shù)。其中， 律律PCM主要在北美和日本使用，主要在北美和日本使用，A律律PCM用于其他國家和用于其他國家和地區(qū)。地區(qū)。 設(shè)設(shè) 為語音波形的取樣值，則為語音波形的取樣值，則 律壓縮的定義為律壓縮的定義為 x n式中， 是 的最大幅度； 是表示壓縮程度的參量， =0表示沒有壓縮， 越大壓縮率越高，故稱之為 律壓縮。通常 在100500之間取值。取 =255，可以對(duì)電話

20、質(zhì)量語音進(jìn)行編碼，其音質(zhì)與12位均勻量化的音質(zhì)相當(dāng)。maxX x n2510.3 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(PCM)及其自適應(yīng)及其自適應(yīng) 我國則采用我國則采用A律壓縮，其壓縮公式為律壓縮，其壓縮公式為 律壓縮輸入輸出特性圖如下圖： 圖10-5 律壓擴(kuò)特性2610.3 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(PCM)及其自適應(yīng)及其自適應(yīng)3.3.自適應(yīng)自適應(yīng)PCM(APCM)PCM(APCM) 基本原理：使量化器的特性自適應(yīng)于輸入信號(hào)的幅值變化，也就基本原理：使量化器的特性自適應(yīng)于輸入信號(hào)的幅值變化，也就是量化間隔是量化間隔 匹配于輸入信號(hào)的方差值，或使量化器的增益匹配于輸入信號(hào)的方差值，或使量化器的增益 G隨

21、著幅值而變化，從而使量化前信號(hào)的能量為恒定值。隨著幅值而變化，從而使量化前信號(hào)的能量為恒定值。圖10-6 兩種自適應(yīng)量化的框圖 匹配自適應(yīng) G 匹配自適應(yīng)2710.3 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(PCM)及其自適應(yīng)及其自適應(yīng) 如果按自適應(yīng)參數(shù)如果按自適應(yīng)參數(shù) 或或 的來源劃分，自適應(yīng)量化又分為前饋?zhàn)缘膩碓磩澐郑赃m應(yīng)量化又分為前饋?zhàn)赃m應(yīng)和反饋?zhàn)赃m應(yīng)。適應(yīng)和反饋?zhàn)赃m應(yīng)。 前饋?zhàn)赃m應(yīng)是指前饋?zhàn)赃m應(yīng)是指 或或 是通過對(duì)輸入信號(hào)估計(jì)而得到是通過對(duì)輸入信號(hào)估計(jì)而得到 反饋?zhàn)赃m應(yīng)是指由估計(jì)量化器的輸入反饋?zhàn)赃m應(yīng)是指由估計(jì)量化器的輸入 或編碼器的輸出或編碼器的輸出 得到得到 n G n G n n x n c

22、 n圖10-7 匹配的前饋和反饋?zhàn)赃m應(yīng)系統(tǒng)框圖2810.3 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(PCM)及其自適應(yīng)及其自適應(yīng) 前饋?zhàn)赃m應(yīng)是計(jì)算信號(hào)有效值并決定最合適的量化間隔，用這個(gè)量化間隔控前饋?zhàn)赃m應(yīng)是計(jì)算信號(hào)有效值并決定最合適的量化間隔，用這個(gè)量化間隔控制量化器制量化器 ，并將量化間隔信息發(fā)送給接收端；，并將量化間隔信息發(fā)送給接收端； 反饋?zhàn)赃m應(yīng)是由編碼器輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)是由編碼器輸出 來決定量化間隔來決定量化間隔 ，而在接收端由，而在接收端由量化傳輸來的幅度信息自動(dòng)生成量化間隔。量化傳輸來的幅度信息自動(dòng)生成量化間隔。顯然，反饋與前饋相比的優(yōu)點(diǎn)是不需要將量化間隔傳送到信道中去，但對(duì)誤差顯然，反饋與前饋

23、相比的優(yōu)點(diǎn)是不需要將量化間隔傳送到信道中去，但對(duì)誤差的靈敏度要求較高。通常，采用了自適應(yīng)技術(shù)之后可得到約的靈敏度要求較高。通常，采用了自適應(yīng)技術(shù)之后可得到約46dB的編碼增益。的編碼增益。 Q c n n 不論前饋?zhàn)赃m應(yīng)還是反饋?zhàn)赃m應(yīng)，其參數(shù) 或 均由下式產(chǎn)生： (7-13) 即 正比于方差 ，而 反比于 。同時(shí) 正比于信號(hào)的短時(shí)能量，即或 (7-14) n G n 0nn 0/G nGn n n G n n n 22mnxm h nm 22mncm h nm2910.4 預(yù)測(cè)編碼及其自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼及其自適應(yīng)APC10.4.1 預(yù)測(cè)編碼及自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼預(yù)測(cè)編碼及自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼(APC)原理原理

24、基本原理：因?yàn)轭A(yù)測(cè)誤差基本原理：因?yàn)轭A(yù)測(cè)誤差 的動(dòng)態(tài)范圍和平均能量均比輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和平均能量均比輸入信號(hào) 小，對(duì)小，對(duì) 進(jìn)行量化和編碼可以減少量化比特?cái)?shù)。在接收端，只進(jìn)行量化和編碼可以減少量化比特?cái)?shù)。在接收端，只要使用與發(fā)送端相同的預(yù)測(cè)器就可恢復(fù)原信號(hào)要使用與發(fā)送端相同的預(yù)測(cè)器就可恢復(fù)原信號(hào) ?；谶@種原理。基于這種原理的編碼方式稱為預(yù)測(cè)編碼的編碼方式稱為預(yù)測(cè)編碼(PC)；當(dāng)預(yù)測(cè)系數(shù)自適應(yīng)隨語音信號(hào)變化；當(dāng)預(yù)測(cè)系數(shù)自適應(yīng)隨語音信號(hào)變化時(shí)，又稱為自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼時(shí)，又稱為自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼(APC)。 e n x n e n x n圖10-8 自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼APC系統(tǒng)框圖3010.4 預(yù)測(cè)編碼及

25、其自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼及其自適應(yīng)APC 下面說明預(yù)測(cè)編碼能改善信噪比的原因。根據(jù)信號(hào)量化噪聲比的定義下面說明預(yù)測(cè)編碼能改善信噪比的原因。根據(jù)信號(hào)量化噪聲比的定義其中，其中， 、 和和 分別為信號(hào)、預(yù)測(cè)誤差和量化噪聲的平均能量分別為信號(hào)、預(yù)測(cè)誤差和量化噪聲的平均能量 。式中，式中， 是由量化器決定的信噪比，而是由量化器決定的信噪比，而 反映了線性預(yù)測(cè)帶來的增益，稱為預(yù)測(cè)增益。由于引入了線性預(yù)測(cè)，反映了線性預(yù)測(cè)帶來的增益，稱為預(yù)測(cè)增益。由于引入了線性預(yù)測(cè)，SNR將得到改將得到改善。善。 2E sn 2E e n 2E q n 22/E enE qn 22/PGE snE en3110.4 預(yù)測(cè)編碼及其自

26、適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼及其自適應(yīng)APC自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼中包含了兩種預(yù)測(cè)：短時(shí)預(yù)測(cè)和長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)。自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼中包含了兩種預(yù)測(cè)：短時(shí)預(yù)測(cè)和長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)。短時(shí)預(yù)測(cè)是利用比較相鄰的樣本值進(jìn)行預(yù)測(cè)。短時(shí)預(yù)測(cè)是利用比較相鄰的樣本值進(jìn)行預(yù)測(cè)。 長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)是根據(jù)濁音信號(hào)具有準(zhǔn)周期性，相鄰周期的樣本之間長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)是根據(jù)濁音信號(hào)具有準(zhǔn)周期性，相鄰周期的樣本之間具有很大的相關(guān)性，在進(jìn)行短時(shí)預(yù)測(cè)之后，預(yù)測(cè)誤差序列仍保持具有很大的相關(guān)性，在進(jìn)行短時(shí)預(yù)測(cè)之后，預(yù)測(cè)誤差序列仍保持這種準(zhǔn)周期性，可以通過再次預(yù)測(cè)的方法來壓縮比特率，也就是這種準(zhǔn)周期性，可以通過再次預(yù)測(cè)的方法來壓縮比特率，也就是根據(jù)前面預(yù)測(cè)誤差中的脈沖消除基音的周期性。根據(jù)前面預(yù)測(cè)

27、誤差中的脈沖消除基音的周期性。3210.5 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)及自適應(yīng)增量調(diào)制及自適應(yīng)增量調(diào)制10.5.1 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM) DPCM基本原理：由于在相鄰的語音樣本之間存在著明顯的相基本原理：由于在相鄰的語音樣本之間存在著明顯的相關(guān)性，因此，對(duì)相鄰樣本間的差信號(hào)進(jìn)行編碼，便可獲得信息量關(guān)性，因此，對(duì)相鄰樣本間的差信號(hào)進(jìn)行編碼，便可獲得信息量的壓縮，因?yàn)椴罘中盘?hào)比原語音信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和平均能量都小。的壓縮，因?yàn)椴罘中盘?hào)比原語音信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和平均能量都小。而且，僅對(duì)兩者之差進(jìn)行編碼和傳送，這樣就大大降低了信道負(fù)而且

28、，僅對(duì)兩者之差進(jìn)行編碼和傳送，這樣就大大降低了信道負(fù)載。載。3310.5 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)及自適應(yīng)增量調(diào)制及自適應(yīng)增量調(diào)制10.5.1 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)DPCM實(shí)際上是最簡(jiǎn)單的一階線性預(yù)測(cè)，即實(shí)際上是最簡(jiǎn)單的一階線性預(yù)測(cè)，即 當(dāng)當(dāng) =1時(shí)，被量化的編碼是時(shí)，被量化的編碼是 111A za z1a 1d nx nx n圖10-13 DPCM系統(tǒng)框圖3410.5 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)及自適應(yīng)增量調(diào)制及自適應(yīng)增量調(diào)制DPCM中的預(yù)測(cè)器是固定預(yù)測(cè)器，其預(yù)測(cè)系數(shù)是根據(jù)長(zhǎng)時(shí)統(tǒng)計(jì)參數(shù)中的

29、預(yù)測(cè)器是固定預(yù)測(cè)器，其預(yù)測(cè)系數(shù)是根據(jù)長(zhǎng)時(shí)統(tǒng)計(jì)參數(shù)求出的，盡管總的預(yù)測(cè)增益大于求出的，盡管總的預(yù)測(cè)增益大于1，但同語音短時(shí)段不匹配，使得一，但同語音短時(shí)段不匹配，使得一些段的預(yù)測(cè)增益比較小，甚至小于些段的預(yù)測(cè)增益比較小，甚至小于1。 是固定的，它不可能對(duì)所有講話者和語音內(nèi)容都是最佳的。是固定的，它不可能對(duì)所有講話者和語音內(nèi)容都是最佳的。比較好的方法是采用高階自適應(yīng)預(yù)測(cè)。采用自適應(yīng)量化及高階自適比較好的方法是采用高階自適應(yīng)預(yù)測(cè)。采用自適應(yīng)量化及高階自適應(yīng)預(yù)測(cè)的應(yīng)預(yù)測(cè)的DPCM稱為自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制稱為自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)。 實(shí)踐表明，實(shí)踐表明，DPCM可獲得約可獲得約10dB的信噪比增益，而的信噪比增益，而ADPCM可可獲得約獲得約14dB的增益。的增益。ADPCM通常使用的是后向自適應(yīng)預(yù)測(cè)通常使用的是后向自適應(yīng)預(yù)測(cè)(APB)，它的編碼結(jié)構(gòu)如下圖：，它的編碼結(jié)構(gòu)如下圖：1a3510.5 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)及自適應(yīng)增量調(diào)制及自適應(yīng)增量調(diào)制10.5.2 增量調(diào)制增量調(diào)制(DM)及自適應(yīng)增量調(diào)制及自適應(yīng)增量調(diào)制(A