DPCM编码的原理

DPCM编码的原理•DPCM采用预测编码的方式传输信号，所谓预测编码就是根据过去的信号样值来预测下一个信号样值，并仅把预测值与现实样值的差值加以量化，编码后进行数字信号传输。在接收端经过和发送端相同的预测操作，低通滤波器便可恢复出与原始信号相近的波形。•DPCM是采用固定预测器与固定量化器的差值脉冲调制，它是分析ADPCM工作原理的基础。DPCM编码的原理－发送端量化器编码器预测器++-)(ndq)(nd)(ns)(nI)(nsp)(nsr的代码。是是量化后的差值信号，积累。构可以避免量化误差的采用这种结系统是一个反馈系统，中产生的量化误差。来补偿过去编码信号进行量化编码，用实际上就是对这个差值系统。为差值信号或余量信号是预测误差信号，也称是预测语音信号，入信号。下一个信号估计值的输预测器确定是重建语音信号，作为是输入语音信号，)()()()()()()(ndnIndDPCMDPCMndnsnsnsqqprDPCM编码的原理－接收端解码器预测器+)('nI)(ndq)(nsp)(nsrDPCM编码的原理•在DPCM系统中，采用线性预测的方法得到预测信号，可以采用N阶全极点预测器，预测信号由前n时刻之前的P个重建语音样点线性组合得到。•重建信号：piiinxax1)(~piiinxanenxnenx1)()(ˆ)(~)(ˆ)(DPCM编码的原理•其Z变换形式为：•H(Z)称为重构滤波器，是一个全极点滤波器。除了全极点预测器外，DPCM也可以采用全零点预测器或者零极点预测器。)()()(11)(1ZEZHZEZaZXpiiiDPCM编码的原理－全零点预测器量化器)(ns+-)(nspMjqjjndb1)()(ndq)(nd)(nsr)(nspMjqjjndb1)()(ndqDPCM编码的原理－全零点预测器•对于全零点预测器，预测信号由n时刻之前的M个量化后的差值信号线性组合得到：•重建信号为：•重建滤波器为MiqjpjndbnS1)()(MjqjqpqrjndbndnSndnS1)()()()()(MjjjZbZH11)(DPCM编码的原理－零极点预测器量化器+-)(nd)(nsr)(nsp)(ndq)(nsMjqjjndb1)(Niriinsa1)(DPCM编码的原理－零极点预测器)(nsr)(nspMjqjjndb1)()(ndqNiriinsa1)(DPCM编码的原理－零极点预测器•对于零极点混合预测器：•重建信号为：•重建滤波器为：MjqjNiripjndbinsans11)()()(MjqjNiriqqprjndbinsandndnsns11)()()()()()(NiiiMjjjZaZbZH1111)(ADPCM编码•G.711使用A律或μ律PCM方法对采样率为8kHz的声音数据进行压缩，压缩后的数据率为64kb/s。为了充分利用线路资源，而又不明显降低传送话音信号的质量，就要对它作进一步压缩，方法之一就是采用ADPCM。•ADPCM综合了APCM的自适应特性和DPCM系统的差分特性，是一种性能比较好的波形编码。它的核心想法是：–利用自适应的思想改变量化阶的大小，即用小的量化阶去编码小的差值，使用大的量化阶去编码大的差值；–用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。•接收端的译码器使用与发送端相同的算法，利用传送来的信号来确定量化器和逆量化器中的量化阶大小，并且用它来预测下一个接收信号的预测值。ADPCM编码•ADPCM编码技术能根据接收到的语音信号波形来预测下一个语音信号，这样它只需编码每一个接收信号中与之不同的部分，从而减少编码的位长。•其编码的过程是这样的：ADPCM编码器接收到每秒8000次的语音信号抽样值。每接收到一个语音信号，它根据语音信号的PCM编码按照一定算法得到下次信号的预测值。最简单的预测方式就是把上次的语音信号的PCM编码值与上次的预测值进行对比，得到一个信号的差值，这个差值可以用很少的位长来表示。CCITTG.72132kb/sADPCMCCITT推荐的G.721ADPCM标准是一个代码转换系统。它使用ADPCM转换技术，实现64kb/sA律或μ律PCM速率和32kb/s速率的ADPCM之间的相互转换。G.721算法的话音质量接近于A律或μ律64kb/sPCM的话音质量，MOS分为4.1，达到网络等级。采样频率为8KHz，每个样点采用4比特编码。CCITTG.72132kb/sADPCM主要用来实现对现有的PCM信道扩容，把2个2048kb/s30路PCM基群信号转换为一个2048kb/s60路ADPCM信号。因此对ADPCM编码器输出和输入都是采用A律或者μ律的PCM信号。G.72132kb/sADPCM-编码器输入格式转换差值信号计算自适应量化自适应逆量化自适应预测器量化器自适应定标因子自适应速度控制单频与瞬变检测重建信号计算器PCM码输入)(nc)(nsl)(nd)(nIADPCM输出)(ndq)(nsp)(nsr)(2na)(ntr)(ntd)(ny)(nal•在编码器中先将输入的8位PCM码转换为14位线性码•同预测信号相减产生差值信号•对差值信号进行自适应量化产生4比特的ADPCM代码I(n)–一方面把I(n)送给解码器，–另一方面利用I(n)进行本地解码，得到量化后的差值信号，同预测信号相加得到重建信号。•自适应预测器采用二阶极点，六阶零点的混合预测器•为了使量化能适应语音、带内数据以及信令等具有不同统计特性以及不同幅度的输入信号，自适应要依据输入信号的特性自动改变自适应数据参数来控制量阶，这一功能由量化器定标因子自适应、自适应速度控制、单频以及瞬变检测等功能单元完成。G.72132kb/sADPCM-解码器•解码器的解码过程实际已经包含在编码过程中，但是增加了线性码到PCM码的转换和同步编码调整单元。•同步编码调整的作用是防止多级同步级联编码工作时产生误差积累，以保持较高的转换质量。G.721ADPCM-自适应量化•G.721算法是针对采用16比特字长、定点运算的硬件实现来设计的。•为了使自适应量化器有较大的动态范围以及将乘除运算转换为加、减运算，自适应量化在对数域中进行。•取对数后：•归一化信号采用15电平非均匀量化器量化)(log)(2ndndl)()()(lnnyndndl归一化信号)(log)(2nny称为量化器定标因子G.721ADPCM-自适应量化归一化输入输出代码I(n)归一化输出73.3262.9152.5242.1331.6621.0510.0310-∞,12.312.3,72.2]72.2,34.2[]34.2,91.1[]91.1,38.1[]38.1,98.0[]98.0,62.0[]62.0,[G.721ADPCM-自适应量化•自适应逆量化是自适应量化的逆过程，先进行：•再作指数运算，加上d(n)的符号位，得到量化后的预测余量信号。)()()(logln2nyndndqqA律或μ律PCM输入信号转换成均匀的PCM。差分信号等于均匀的PCM输入信号与预测信号之差。“自适应量化器”用4位二进制数表示差分信号，但只用其中的15个数(即15个量级)来表示差分信号，这是为防止出现全“0”信号。“逆自适应量化器”从这4位相同的代码中产生量化差分信号。预测信号和这个量化差分信号相加产生重构信号。“自适应预测器”根据重构信号和量化差分信号产生输入信号的预测信号，这样就构成了一个负反馈回路。量化器的自适应定标因子•G.721的量化器定标因子采用运算量小，性能好的抗扰乘子自适应算法。其特点是能按照输入信号统计特性改变量化器的自适应速度，对短时能量变化较快的语音信号采用快速自适应，对短时能量变化较慢的带内数据信号等采用慢速自适应。•快速非锁定标度因子能够随量化情况较快的变化，适应于短时能量变化较快的语音信号。量化器的自适应定标因子•控制量阶大小的定标因子为：•是自适应速度控制参数，是通过I(n)幅度的长、短时平均值的差求出的，反映了预测余量信号的变化率。取值范围为：[0,1]。对于语音信号，趋向于1，为快速自适应，对于平稳信号，趋向于0，为慢速自适应。)1()](1[)1()()(nynanynanyllul)(nal自适应预测•为了使系统能够稳定工作，并且对各类输入信号都能有较好的预测效果，预测器采用6阶零点，2阶极点预测器，预测信号为：•重建信号为：6121)()1()()1()(jqjiipjndnbinsnans)()()(ndnsnsqpr单频和瞬变检测•一些调制解调器采用的是FSK信号，其模型：•如果用ADPCM传输这种信号，当信号从一个频率跳变到另一个频率时，预测系数仍停留在一个频率状态，预测增益很小。G.721采用单频和瞬变监测器，分两步处理这种情况。•第一步判断是否传输的是单频信号，如果是，则驱动量化器向快速自适应量化转化；第二步检测是否有窄带信号瞬变，如果发生了频率瞬变，强制量化器处于快速自适应状态，)cos()(twAtsi”码时当数据为“”码时当数据为“0121同步编码调整•同步编码调整是指在数字等级上实现PCM和ADPCM之间的转接。G.721采用同步调整的方法减少多次同步级联时的误差积累。•同步编码调整的思想：在同步级联中，如果每次ADPCM编出的码字都相同就不会出现误差积累。•在ADPCM解码器中对输出的PCM码进行调整，使下一级ADPCM编出的码字与这一级输入的ADPCM码字相同。同步编码调整工作的原理•重建信号首先转换为PCM码，再进行逆转换重新转换为线性码，然后计算差值信号，对差值信号进行量化。根据判断和是否相同来确定真正的解码器输出的PCM码•这种调整方法是以两级ADPCM处于同一工作状态为前提的。)(nIdx)(nI)()()()()()()()()()(nInInsnInInsnInInsnSdxPCMdxPCMdxPCMd码幅度高一个量化电平的是比PCMnsnsPCMPCM)()(PCM编码PCM解码相减log量化同步调整)(nsr)(nsPCM)(nslx)(ndx)(ndlx)(nsp)(nI)(nsdA律或U律A律或U律A律或U律)(nIdxADPCM•G.721ADPCM编译码器的输入信号是G.711PCM代码，采样率是8kHz，每个代码用8位表示，因此它的数据率为64kb/s。而G.721ADPCM的输出代码是“自适应量化器”的输出，该输出是用4位表示的差分信号，它的采样率仍然是8kHz，它的数据率为32kb/s，这样就获得了2∶1的数据压缩。子带编码（SBC）•PCM，DPCM都是不对输入信号频带做任何分割的前提下，在时域中进行的处理，这类编码方式称为整带时域编码。•子带编码首先使用带通滤波器组将输入信号分割成几个不同的子带信号，再对这些子带信号分别进行频谱平移，然后分别对各子带进行量化、编码，这类编码方式称为频域编码。频域编码将信号分解成不同频带分量的过程去除了信号的多余度，得到一组不相关的信号。子带编码的优点•把语音信号分割为若干子带进行编码的主要优点：–如果对不同的子带合理分配比特数，就可能分别控制各子带的量化电平数目以及相应的重建信号的量化误差，使误差谱的形状适应人耳听觉特性，得到更好的主观听觉质量。由于语音的基音和共振峰主要集中在低频段，所以对低频段采用较多的比特数来表示样值，而高频段则采用较少的比特数。–子带编码的另一个优点是各个子带内的量化噪声相互独立，可以避免输入电平较低的子带信号被其他子带的量化噪声所淹没。子带编码的应用•子带编码已经广泛的应用在语音和音频编码中。在语音通信中,16~32kb/s的子带编码能给出高质量的重建语音，在9.6kb/s的速率上，能得到中等的通信