第五章 模拟信号的数字化传输(3)

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主要参数选择
通信原理
传输速率 子带的选择 子带编码器和参数的选择
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子带编码器和参数的选择
通信原理
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5.5 语音压缩编码技术
通信原理
1 2
概述 子带编码 矢量量化编码 参量编码
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3
4
矢量量化编码
通信原理
矢量量化的基本原理 最佳量化器的必要条件 码书生成算法 搜索算法
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矢量量化编码
通信原理
矢量量化的基本原理 最佳量化器的必要条件 码书生成算法 搜索算法
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码书生成算法
通信原理
码书的生成算法的两种类型
已知信源分布特性的设计算法
1. 2. 3. 4. 输入初始码书y (0)， n=0， =∞，给定停止门限ε≥ ε≥0 输入初始码书yN (0)，置n=0，D-1=∞，给定停止门限ε≥0； 用码书y 构成Voronoi划分{S }N； Voronoi划分 用码书yk(n)构成Voronoi划分{Sj(n)}N； 计算平均失真和相对失真 计算Voronoi划分下各Voronoi胞腔的形心，所有N Voronoi划分下各Voronoi胞腔的形心 计算Voronoi划分下各Voronoi胞腔的形心，所有N个形心形 成新的码书y n=n+1，返回到第2 成新的码书yk(n+1) ，置n=n+1，返回到第2步。
参量编码
直接提取语音信号的一些特征参量， 直接提取语音信号的一些特征参量，并对其编码接 收端经解码恢复成与发端相应的特征参量， 收端经解码恢复成与发端相应的特征参量，再根据 语音产生的物理模型合成输出相应语音， 语音产生的物理模型合成输出相应语音，声码器即 属此类编码
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概述
通信原理
编码速率
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概述 子带编码 矢量量化编码 参量编码
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3
4
概述
通信原理
通常把低于的语音编码方法称为语音压缩 编码技术 语音信号编码分类
波形编码
对统计特性进行处理后的信号波形进行编码，如PCM、 对统计特性进行处理后的信号波形进行编码， PCM、 ΔM、ADPCM、SBC、VQ等 ΔM、ADPCM、SBC、VQ等
编码质量
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5.5 语音压缩编码技术
通信原理
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概述 子带编码 矢量量化编码 参量编码
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子带编码
通信原理
基本工作原理 主要参数选择
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基本工作原理
通信原理
子带编码(SBC) 子带编码(SBC)
首先用一组带通滤波器将输入频谱分成若干个频带， 首先用一组带通滤波器将输入频谱分成若干个频带，称 为子带， 为子带， 每个子带再单独利用APCM(自适应脉冲编码调制) 每个子带再单独利用APCM(自适应脉冲编码调制)分别进 APCM(自适应脉冲编码调制 行编码。 行编码。 编码后再按各个比特流复接，传到收端， 编码后再按各个比特流复接，传到收端，收端再将它们 分接、解码、再组合恢复原始信号。 分接、解码、再组合恢复原始信号。
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矢量量化的基本原理
通信原理
量化器输入幅度连 续的随机矢量 量化器输出幅度离 散的矢量
X = [ x1
x2 L xk ]
T
码本尺度
T
Yi = [Yi1 Yi 2 L Yik ] ,1 ≤ i ≤ L
码本 K维矢量空间分解 成L个子空间
对应一个重建矢量 yi
{Ci :1 ≤ i ≤ L}
CCEE
第五章 模拟信号的数字化传输
通信原理
主要内容
通信原理
5.1 引 言 5.2 模拟信号数字化的基本原理 5.3 脉冲编码调制（PCM） 脉冲编码调制（ ） 5.4 增量调制（∆M） 增量调制（ ） 5.5 语音压缩编码技术 5.6 数字复接技术
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5.5 语音压缩编码技术
通信原理
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子带的选择
通信原理
子带的选择主要涉及子带的数目、子带的位置及宽度。 子带的选择主要涉及子带的数目、子带的位置及宽度。 子带选择的原则：以大体相等的清晰度指数（AI） 子带选择的原则：以大体相等的清晰度指数（AI）把话音频 带划分成子带，每个子带都包含话音频谱中的有效频率部分。 带划分成子带，每个子带都包含话音频谱中的有效频率部分。 子带的带宽与频率成比例关系， 子带的带宽与频率成比例关系，频率较低的子带带宽也比较 窄，频率较高的子带的带宽也较宽 为了获得低比特速率（小于）的信号码， 为了获得低比特速率（小于）的信号码，可以允许在较多的 子带中存在某些间隔， 子带中存在某些间隔，以便节省带宽和在编码器中使用较少 的比特/样值。 的比特/样值。
语音产生过程的物理模型
通信原理
整个发音过程分为两个步骤建立模型
激励。可用周期性信号源、 激励。可用周期性信号源、噪声源及转换开关模拟 响应。可由线性时变滤波器来模拟。 响应。可由线性时变滤波器来模拟。
决定语音的特征参数有： 决定语音的特征参数有：
基音 共振峰频率 强度 清音(声带不振动) 浊音(声带振动) 清音(声带不振动)／浊音(声带振动)判决
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矢量量化的基本原理
通信原理
将信源S 个相关联的值( 将信源S的K个相关联的值(如时间相邻的几个幅度 变换域中的一组参数)构成一个K维矢量。 值，变换域中的一组参数)构成一个K维矢量。 编译码器中存有一个预先设计好的码本， 编译码器中存有一个预先设计好的码本，码本中 的每个码字也是一个K维矢量。 的每个码字也是一个K维矢量。 编码器对每个输入的矢量XK以某种搜索方式在码 编码器对每个输入的矢量X 本中寻找最接近的码字C 本中寻找最接近的码字CK 将此码字矢量的序号I 作为对X 将此码字矢量的序号IK作为对XK的编码传送到接 收端。 收端。 译码器将收到的序号I 所对应的码字矢量C 译码器将收到的序号IK所对应的码字矢量CK作为 原矢量的恢复矢量。 原矢量的恢复矢量。
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参量编码
通信原理
语音产生过程的物理模型 线性预测编码(LPC) 线性预测编码(LPC) 具有长期预测的规则码激励(RPE LTP) 具有长期预测的规则码激励(RPE—LTP) (RPE LPC编解码器 的LPC编解码器 矢量和激励线性预测编码(VSELP) 矢量和激励线性预测编码(VSELP)
Q ( X ) = Yi
X ∈ Ci
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矢量量化的基本原理
通信原理
输入序列
{ xn }
K =4
K =2
得到二维矢量
( P1 , P2 )
四个点构成一个矢量 构成二维欧式空间
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矢量量化编码
通信原理
矢量量化的基本原理 最佳量化器的必要条件 码书生成算法 搜索算法
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最佳量化器的必要条件
编码的比特速率可以大大降低。 编码的比特速率可以大大降低。从而压缩编码速 以牺牲一定音质为代价。 率——以牺牲一定音质为代价。 以牺牲一定音质为代价
在保持一定音质的前提下，尽可能降低数码率。 在保持一定音质的前提下，尽可能降低数码率。
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语音产生过程的物理模型
通信原理
机械模型
电路模型
激励功率谱和滤波器频率响应
已知训练序列的设计算法
输入初始码书y (0)， n=0， =∞，给定停止门限ε≥ ε≥0 1. 输入初始码书yN (0)，置n=0，D-1=∞，给定停止门限ε≥0； 2. 用聚类法将训练序列用码书yk(n)划分为N个类，即N个Vorono 用聚类法将训练序列用码书y 划分为N个类， 胞腔； 胞腔； 3. 计算平均失真和相对失真 计算Voronoi划分下各Voronoi胞腔的形心，所有N Voronoi划分下各Voronoi胞腔的形心 4. 计算Voronoi划分下各Voronoi胞腔的形心，所有N个形心形 成新的码书y n=n+1，返回到第2 成新的码书yk(n+1) ，置n=n+1，返回到第2步。
通信原理
对给定的码书y 寻找x的最佳划分， 1. 对给定的码书yk，寻找x的最佳划分，使 平均失真最小
根据最邻近律给出最佳划分
对给定的划分，寻找最佳的码书， 2. 对给定的划分，寻找最佳的码书，使平均 失真最小
在给定划分S 在给定划分Sj时，为了使码书的平均失真最 码矢必须选为所划分S 小，码矢必须选为所划分Sj的形心
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基本工作原理
通信原理
子带编码的基本原理：利用语音信号在整个频带 子带编码的基本原理： 内的不均匀性， 内的不均匀性，控制不同范围内语音信号的量化 噪声，以改善编码信号的质量和降低码速。 噪声，以改善编码信号的质量和降低码速。
把量化噪声限制在各个子带内， 把量化噪声限制在各个子带内，有效的阻止了一个子 带的量化噪声引入整个频带 在每个子带中可以使用独立的量化阶距， 在每个子带中可以使用独立的量化阶距，低信号能量 的子带采用较小的量化阶距， 的子带采用较小的量化阶距，对高能量的子带采用较 大的量化阶距， 大的量化阶距，使量化噪声的频谱与信号短时频谱相 匹配， 匹配，避免能量较小的频带内的输入信号被其他频段 的量化噪声遮盖； 的量化噪声遮盖； 根据感性判断来分配各子带的比特数， 根据感性判断来分配各子带的比特数，使在必须精确 保持音调和元音音带的共振峰结构的较低子带中， 保持音调和元音音带的共振峰结构的较低子带中，每 个抽样值用较多的比特数来编码， 个抽样值用较多的比特数来编码，而且话音中出现摩 擦音和类似摩擦噪声的较高子带中， 擦音和类似摩擦噪声的较高子带中，每个抽样用较少 的比特数来编码
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子带编码
通信原理
基本工作原理 主要参数选择
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主要参数选择
通信原理
传输速率 子带的选择 子带编码器和参数的选择
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传输速率
通信原理
子带波形抽样频率 抽样的编码比特数
f sk
Rk
总传输速率
I = ∑ f sk ⋅ Rk ( bit / s )
k =1 M
等带宽条件 第k个子带的抽样率
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矢量量化编码
通信原理
矢量量化的基本原理 最佳量化器的必要条件 码书生成算法 搜索算法
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搜索算法
通信原理
全搜索算法
“码书生成算法” 码书生成算法” 全搜索矢量量化器是基本的矢量量化器，又称标准矢 全搜索矢量量化器是基本的矢量量化器， 量量化器。在给定速率的条件下， 量量化器。在给定速率的条件下，全搜索算法的复杂 度随矢量维数K的增加呈指数增长。 度随矢量维数K的增加呈指数增长。 全搜索矢量量化器性能较好，但设备复杂度高， 全搜索矢量量化器性能较好，但设备复杂度高，在实 际应用中则显得不经济。 际应用中则显得不经济。
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参量编码
通信原理
语音产生过程的物理模型 线性预测编码(LPC) 线性预测编码(LPC) 具有长期预测的规则码激励(RPE LTP) 具有长期预测的规则码激励(RPE—LTP) (RPE LPC编解码器 的LPC编解码器 矢量和激励线性预测编码(VSELP) 矢量和激励线性预测编码(VSELP)
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∆ω k = ∆ω / M , f sk = 2∆ωk = 2∆ω / M
2 ∆ω M I= ∑ Rk ( bit / s ) M k =1
M
2 ∆ω k
总比特数
∑R
k =1
k
= MR
I = 2∆ω R
对全带采样编码时 的平均比特率
全子带编码时的 传输速率表达式
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主要参数选择
通信原理
传输速率 子带的选择 子带编码器和参数的选择
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线性预测编码(LPC) 线性预测编码
通信原理
输入语音抽样值X(n)经 抽头的LPC滤波器的线性组合得到估值 输入语音抽样值X(n)经N抽头的LPC滤波器的线性组合得到估值 X n 。 X(n) LPC 两者相减得出误差信号rn， 两者相减得出误差信号r 用系数计算器不断根据误差平方值最小准则来修正LPC滤波器系数， LPC滤波器系数 用系数计算器不断根据误差平方值最小准则来修正LPC滤波器系数，使 rn最小。 最小。 X(n)经激励计算器计算 用其进行清/浊音判决。 经激励计算器计算， X(n)经激励计算器计算，用其进行清/浊音判决。 编码器每隔20ms传送一次N抽头滤波系数和激励判决参数。 20ms传送一次 编码器每隔20ms传送一次N抽头滤波系数和激励判决参数。 解码器用收到的系数控制N抽头LPC滤波器的系数， LPC滤波器的系数 解码器用收到的系数控制N抽头LPC滤波器的系数，并用激励判决参数去 ) 控制清/浊音判决， 控制清/浊音判决，从而合成出输出的语音 X n 。
树搜索算法
有二叉树和多叉树之分，其原理相同， 有二叉树和多叉树之分，其原理相同，差别在于后者 所需的计算量和存储量都比前者大，但性能比前者好。 所需的计算量和存储量都比前者大，但性能比前者好。
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5.5 语音压缩编码技术
通信原理
1 2
概述 子带编码 矢量量化编码 参量编码
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