数字通信原理第3章

第三章语言信号压缩编码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11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。22理解标量量化和矢量量化的原理及异同点。33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。44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：1、语音编码质量2、编码速率3、编解码的复杂度4、编解码延时语音编码的基本目标：在给定编码速率的条件下，用尽量小的编解码延时和复杂度，得到尽量好的重建语音质量。二、语音编码性能的评价1、语音编码质量语音编码质量是衡量语音编码算法优劣的关键性能之一，在数字通信中常把语音质量分为四级：广播级质量长途电话质量通信质量合成语音质量二、语音编码性能的评价语音编码质量用质量评估指标衡量，分为以客观评定方法和主观评定方法两大类。主观评定方法是以人类听话时对语音质量的感觉来评定。国际上常用的主观评定标准主要有：平均意见得分MOS（MeanOpinionScore）判断韵字测试DRT（DiagnosticRhymeTest）判断满意度测量DAM（DiagnosticAcceptabilityMeasure）可懂度指数AI(ArticulationIndex)二、语音编码性能的评价MOS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，因此目前广泛采用的评定方法是MOS。获取MOS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，然后求出统计平均分。分数等级采用5级分制：5分为优，4分为良，3分为中，2分为差，1分为不可接受。4分以及4分以上为高质量语音编码，达到长途电话质量，3.5分左右为通信级质量，3分以及3分以下为合成语音质量。二、语音编码性能的评价对应于主观评定等级，还有一个收听注意力等级（ListeningEffortScale）。表2.1给出了主观评定等级制的质量等级、分数和相应的收听注意力等级。表2.1主观评定等级质量等级分数收听注意力等级失真级别优5可完全松弛，不需要注意力不察觉良4需要注意，但不需要明显集中注意力刚有察觉中（正常）3需要中等程度注意力有明显察觉且稍觉可厌差2需要集中注意力有明显察觉且可厌但可以忍受劣1即使努力去听，也很难听懂不可忍受二、语音编码性能的评价客观评价的方法:时域：信噪比、加权信噪比、平均分段信噪比等频域：谱失真测度、LPC倒谱距离测度等说明：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，对于速率为16kb/s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。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的语音编码方法，是在保持语音质量的前提下降低速率。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.对语音编码的要求在满足用户对语音质量要求的前提下，编码速率尽可能低。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10-2）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，越短越好。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表2.2几种语言编码的质量比较编码速率（kbit/s）6432161384.82.43.6标准制定年代1972198619911988198919891975标准制定组织CCITTCCITTCCITTGSMCTIANSANSA海事卫星编码方法PCMADPCMLD-CELPRPE-LTPVSELPCELPLPCAMBEMOS4.34.14.03.83.73.0+2.5*4.0-DRT959494*93+93-90语音质量DAM736870*68*67-54主要用途通信网移动通信语音邮件保密电话移动通信注：CTIA—CellularTechnologyIndustryAssociation，蜂窝技术工业协会NSA—NationalSecurityAgency，国家安全局“*”——估计值，“-”——上界，“+”——下界二、语音编码性能的评价6.几种语音编码的质量比较表2-3现有ITU-T语音编码标准标准CCITTG.711CCITTG.721G.723G.726G.727ITU-TG.728ITU-TG.723.1ITU-TG.728时间19721984,1986,1988,19901992,199419951995编码算法PCMADPCMLD-CELPMP-MLQACELPCS-ACELP比特率（kb/s）6416，32，24，40166.3，5.38质量长途长途长途长途长途MIPSRAM（byte）111.2550302K202K22.14K帧长（ms）0.1250.1250.6253010LD-CELP：低时延-码激励线性预测MP-MLQ：多脉冲最大似然量化ACELP：代数码激励线性预测CS-ACELP：共轭结构-代数码激励线性预测三、语音编码的标准表2-4数字蜂窝语音编码标准标准ETSI-GSM全速率ETSI-TCH-HS半速率TIAIS54TIAIS96RCRPDC全速率RCRPDC半速率时间198719941989199319901993比特率（kb/s）135.67.958.5，4.02.0，0.86.73.45编码算法RPE-LTPVSELPVSELPQCELPVSELPPSI-CELPMIPSRAM（byte）4.51K304K202K202K202K486K帧长（ms）202020202040ETSI：欧洲电信标准协会TIA：（北美）电信工业协会RCR：（日本）无线通信系统研究发展中心DVSI：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，目前只有美国公布了所用保密电话的标准。FS-1015标准：2.4kb/s的LPC声码器，DRT为90%FS-1016标准：4.8kb/s的CELP声码器，比FS-1015具有好得多的自然度及环境噪声能力。混合激励线性预测（MELP）标准：编码速率为2.4kb/s，语音质量优于FS-1016。各种语音编码标准的相对效果三、语音编码的标准第三章语言信号压缩编码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）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snTtsSTnTSsSTnTS2sSNTnTSSnTSSSNiiSiTnTSWnTS1~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iWiW2、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。SnTS~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。SnTSSSNiiSiTnTSWnTS1~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