数字通信原理 第2章

第2章 语音信号编码（PCM）
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第2章 语音信号编码（PCM）
2.1 语声信号编码的基本概念
2.2 脉冲编码调制（ＰＣＭ）通信系统的构成
2.3 抽样
2.4 量化
2.5 编码与解码
2.6 单片集成PCM编解码器
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语音信号编码的基本概念
波形编码：对信号的波形进行的编码。 参量编码：提取语声信号的一些特征参量， 对其进行的编码。 混合编码：介于波形编码和参量编码之间的 一种编码。既在参量编码的基础上，引入了一 定的波形编码的特征，以达到改善自然度的目 的。
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信 号 重 构 － 频域
重构的频域表示 Y ( j ) H ( j ) X s ( j ) X a ( j ) T , / T , 式中， H ( j ) 其它. 0,

T
H ( j )
T
T
s 2
T X s ( j )
前提：满足 采样定理
连续时间 信号
采样 内插
离散时间 信号
1. 信号经过采样以后，将发生一些什么变化？例 如，信号频谱将发生怎样变化；
2. 经过采样后信号内容会不会有丢失；
3. 如果信号没有被丢失，其反变换应该怎样进行， 即由数字信号恢复成模拟信号应该具备那些条件等。
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抽样过程（自然抽样）
xa(t) 最高频率为fc
特点：
低速率、高质量
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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（Improved MBE）和AMBE(Advanced MBE)
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第2章 语音信号编码（PCM）
2.1 语声信号编码的基本概念
2.2 脉冲编码调制（ＰＣＭ）通信系统的构成
2.3 抽样
2.4 量化
2.5 编码与解码
2.6 单片集成PCM编解码器
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2.3.1 抽样的概念及分类
抽样的概念 连续信号在时间上的离散化的抽样过程如图。
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2.3.1 抽样的概念及分类

原连续信 号频谱？
1/T - s - N N ( s 2 N )
s 2
s

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f s 与 f M 三种不同取值的情况。即 f s 2 f M、 f s 2 f M 和 fs 2 fM 。 从图中可以看出，对于 f s 2 f M 和 f s 2 f M 的情 况，两个相邻频带之间都是不产生重叠的，而对于 f s 2 f M 的情况，两个相邻边带之间有一部分要相互重叠。因此对于 前两种情况，都可以用一个适当的低通滤波器取出一个完整 的不受干扰的原信号频谱。
语音信号的最高频率限制在3400Hz，这时满足抽样定理的最 低抽样频率应为： f s min 6800 Hz。为了留有一定的防卫带， 规定的抽样频率为8000Hz。
低通信号的抽样定理
一个频带限制在 f M 以下的连续信号 m(t ) ，可以唯一的 用间隔 T 1 秒的抽样序列来确定。
2 fM
常见的方式：
线性预测编码（LPC），及其各种改进型，如MBE等。
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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 1.216Kbit/s速率上能够得到高质量的合成语音。
…
f 2 fs
-fH 0 fH
-fH
0
fH
f
抽样频率fs对频谱Ms(f)的影响
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复习 带通模拟信号的抽样定理
设带通模拟信号的频带限制在fL和fH之间，即其频谱最低频率大于fL，最高 频率小于fH，信号带宽B = fH － fL。此带通模拟信号所需最小抽样频率为
k f s 2 B(1 ) n
2 f0 f s ( 上限） n 2 fM f s（下限） n 1
2 f0 2 fM fs 故： n 1 n
如果要求原始信号频带与其相邻的频带相等，可有：
2 fs ( f0 f M ) 2n 1
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２.３.３ 与抽样有关的误差
为了满足抽样定理，对语音信号抽样时先将语音信号的频谱限制在 fM 内，为此，在抽样之前，先设置一个前置低通滤波器将输入信号的频 带限制在3400Hz以下，然后再进行抽样，如果设置不好，将产生折叠 噪声。 为了更安全 ， 抽样频率 f S 取得稍大些 ， 使其留有富余量 ，一般选 8000Hz。
噪 声
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图中的A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。
（1）抽样：将模拟信号在时间上离散化的过程。 （2）量化：将模拟在幅度上离散化的过程。 （3）编码：将每个量化后的样值用一定的二进制代码 来表示。 编码后的数字信号携带的是原始信号的信息，就 相当于将模拟信号信息“调制”到了代码上，而代码 是由信号抽样得到的脉冲序列再量化编码得到的，因 此，称此数字通信为脉冲编码调制（PCM）通信。
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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。
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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。
一个频带限制在0~ fH内的低通 信号m(t)，如果抽样频率fs ≥ 2 fH，则 可以由抽样序列无失真地重建原始 信号m(t) 。 fs=2fH
Ms(f)
-fH 0 fH
f
fs<2fH
…
-2fs 2fs -fs
Ms(f)
…
0 fs-fH M'(f) f fs fs + fH f
பைடு நூலகம்
…
-2 f s - f s -fH 0 fH M'(f) fs

奈奎斯特采样定理
临界采样 频率？
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Nyquist 采样定理
Nyquist 准则 : 设 xa (t ) 是带限信号，即 X a ( j ) 0， N . 那么， 若 2 2 N T 则， xa (t ) 可从xa ( nT )完全恢复。 s
称 s 2 N 为奈奎 斯特采样频率
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抽样展宽的孔径效应失真
实际系统中不宜直接使用较宽的脉冲进行抽样。
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抽样展宽电路框图
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展宽孔径效应失真
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复习低通模拟信号的抽样定理
fs≥2fH
-2 f s 2 fs
Ms(f)
低通信号的抽样定理：
…
fs
f fs + fH
- f s -fH 0 fH
fs-fH M'(f)
2.1 语声信号编码的基本概念
2.2 脉冲编码调制（ＰＣＭ）通信系统的构成
2.3 抽样
2.4 量化
2.5 编码与解码
2.6 单片集成PCM编解码器
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脉冲编码调制--PCM
脉冲编码调制是实现模拟信号数字化的一种方式。
脉冲编码调制系统中的信号变换和处理过程如图所示。
PAM PCM PCM
再生 中继
PAM
信号频率 则 f (t ) 就可被样值信号 f s (t ) f (nTs ) 来唯一的表示。 或者说，要从样值序列无失真的恢复原时间连续信号，其抽 样频率应选为 f s 2 f M 。这就是著名的奈奎斯特抽样定理。 将抽样的开关函数用理想的单位冲击脉冲来代替，我们 来看一下抽样以后的信号频谱。
• 混合激励线性预测（MELP）
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一、语音编码的方法
说明
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。
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第2章 语音信号编码（PCM）
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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。
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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。
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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 ）
Xa ( c j )
频谱发 生了周 期延拓

- N
2π/T - s
1 T - s - N
N


((jj S ))
0
X s ( j ) N s
s N
频谱幅 度是原 来的fs倍
s


频谱混叠