第07讲规则脉冲激励线性预测编码
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第07讲规则脉冲激励线 性预测编码
2020年6月5日星期五
移动通信信源编码基本概念
信源编码是利用信源的统计特性，解除信源的 相关性，去掉信源多余的冗余信息，达到压缩 信源信息率，提高系统效率（有效性）的目的 。
移动通信的频谱资源十分稀少珍贵，为了提高 频谱利用率，需积极开发低速率、高质量信源 编码技术，即高效信源编码技术。
限失真信源编码定理
限失真信源编码定理：只要信源符号序列长 度N足够大，当每个符号的信息率大于R(D) ，必存在一种编码方法，其平均失真可无限 逼近D；反之，若信息率小于R(D)，则任何 编码的平均失真必将大于D。
利用信息论中连续(模拟)有记忆信源的信息 率--失真R(D)函数理论可以分析波形编码的 性能。
还可以进一步采用语音激活技术，充分利用至少 3/8的有效空隙，可获得大致约2.67dB的有效增益 。
用于移动通信的语音编码
标准
服务类型 语音编码
速率（bps）
GSM
蜂窝 RPE-LTP规则脉冲激励长期预测编码 13
CD-900
蜂窝 SBC子带编码
百度文库16
IS-54
蜂窝 VSELP矢量和激励线性预测编码
8
IS-95
蜂窝 CELP码本激励线性预测编码
1.2~9.6
PDC
蜂窝 VSELP矢量和激励线性预测编码
原始数据中存在着大量的冗余信息（时间冗余、 空间冗余、统计冗余）；
人的视觉和听觉器官都具有某种不敏感性，舍去 人的感官所不敏感的信息，对图像或声音质量的 影响很小，在某些情况下甚至可以忽略不计。
移动通信语音编码技术概述
语音编码：移动通信数字化的基础，第1/2 代蜂窝系 统的根本区别。
语音编码的意义：
波形编码的性能估计
信息率--失真R(D)为：
D：最大允许失真，σ2：方差，ρ相关系数 广义平稳遍历马氏链信源且有 上式的计算结果如下表所示
信噪比(dB) 35 R(D)(bit/样点 4 )
压缩倍数K 2
32 28 3.5 2.5
2.28 3.2
25 23 20 17 2.34 2 1.5 1
3.42 4 5.3 8
4.5，6.7，11.2
CT2
无绳 ADPCM
32
DECT
无绳 ADPCM
32
PHS
无绳 ADPCM
32
PCS-1800 蜂窝 RPE-LTP规则脉冲激励长期预测编码 13
PACS
个人通信 ADPCM
32
WCDMA
蜂窝 AMR
信息率-失真理论
information rate-distortion theory
最后可计算出压缩比K为：
混合编码的性能估计
显然混合编码的理论压缩比是介于上述两类 编码之间，且与语音质量需求有关。若要求 混合编码偏重于个性特征，则其压缩比靠近 波形编码的压缩比值，若要求混和编码偏重 于共性，则其压缩比靠近于参量编码。
移动通信中的语音编码
高质量的混合编码是移动通信中的优选方案。
第二代移动通信主要是语音业务，所以信源编 码主要指语音压缩编码。第三代移动通信中的 信源编码将不仅包含语音压缩编码，还包含各 类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面内容 。
数据压缩
目的：在保证一定图像（或声音）质量的条 件下，以最小的数据率来表达和传送图像或 声音信息。
数据能够压缩的可能性在于：
目前已实用化的DPCM为32Kbps。
参量编码的性能估计
语音可以采用各种不同形式的参量来表达。为了 分析方便，采用最基本的参量“音素”。以英语音 素为例进行分析。英语中共有音素27=128~ 28=256 。 按照通常讲话速率，每秒大约平均发送10个音素。
由信息量计算公式，对于等概率事件有：I=log2N ，N为总组合数，则：
语音编码的分类
波形编码
将时间域信号直接变换为数字代码，目的是尽可能精确地再现原来 的话音波形
PCM、ΔM
参量编码(声源编码)
将信源信号在正交变换域提取特征参量，并将其变换为数字代码 线性预测编码LPC
混合编码
波形编码+参量编码 数字语音信号中既有语音特征参量又有部分波形编码
波形编码质量最高，其质量几乎与压缩处理之前相同，适 用于公用骨干(固定)通信网。参量编码质量最差，仅适合于 特殊通信系统，比如军事与保密通信系统。混和编码质量 介于两者之间，目前主要用于移动通信网。
研究在限定失真下为了恢复信源符号所必需 的信息率，简称率失真理论。
率失真理论就是用以计算不同类型的信源在 各种失真限度下所需的最小信息率。
率失真函数--计算率失真函数是率失真理论 的中心问题。率失真函数只指出限失真条件 下所必需的最小信息率。从理论上讲，尚应 能证明实际存在一种编码方法，用这样的信 息率就能实现限失真的要求。
提高通话质量（数字化+信道编码纠错）； 提高频谱利用率（低码率编码）； 提高系统容量（低码率，语音激活技术）。
移动通信对语音编码的要求：
编码速率低，语音质量好； 有较强的抗噪声干扰和抗误码的性能； 编译码延时小，总延时在65ms 以内； 编译码器复杂度低，便于大规模集成化； 功耗小，便于应用于手持机。
波形编码的性能估计
由上述分析结果可以得到如下结论： 当语音质量达到进入公网要求标准时，即 σ2/D≈26dB,其K=3.4 倍。 若进一步考虑实际语音分布与主观因素的影 响(因为正态分布R(D)其压缩倍数可以进一步增 大，取K=4 (保守值)这时语音速率可以从未压 缩的PCM 64Kbps降至1/4速率的16Kbps。
移动通信频谱资源有限，低码率、高压缩比至关重 要；
加入公用网信噪比又不能太低。
决定混合编码的4 个主要参量：比特率、质量 、复杂度和处理时延。
比特率：度量信源压缩率和通信系统性的主要指标 ；
话音质量：国际流行的MOS 法，5 级评分制； 复杂度：指完成语音编码所需的加法、乘法的运算
次数，一般可用MIPS 表示； 处理时延：复杂度高→处理时延大。
数据比特率(bps)
数据比特率越低压缩倍数就越大，可通信的话路 数也就越多，移动通信系统也就越有效。
数据比特率降低，语音质量也随之相应降低，为 了补偿质量的下降，可采用提高设备硬件复杂度 和算法软件复杂度的办法。
降低比特速率另一种有效方法是采用可变速率的 自适应传输，它可以大大降低语音的平均传送率 。
2020年6月5日星期五
移动通信信源编码基本概念
信源编码是利用信源的统计特性，解除信源的 相关性，去掉信源多余的冗余信息，达到压缩 信源信息率，提高系统效率（有效性）的目的 。
移动通信的频谱资源十分稀少珍贵，为了提高 频谱利用率，需积极开发低速率、高质量信源 编码技术，即高效信源编码技术。
限失真信源编码定理
限失真信源编码定理：只要信源符号序列长 度N足够大，当每个符号的信息率大于R(D) ，必存在一种编码方法，其平均失真可无限 逼近D；反之，若信息率小于R(D)，则任何 编码的平均失真必将大于D。
利用信息论中连续(模拟)有记忆信源的信息 率--失真R(D)函数理论可以分析波形编码的 性能。
还可以进一步采用语音激活技术，充分利用至少 3/8的有效空隙，可获得大致约2.67dB的有效增益 。
用于移动通信的语音编码
标准
服务类型 语音编码
速率（bps）
GSM
蜂窝 RPE-LTP规则脉冲激励长期预测编码 13
CD-900
蜂窝 SBC子带编码
百度文库16
IS-54
蜂窝 VSELP矢量和激励线性预测编码
8
IS-95
蜂窝 CELP码本激励线性预测编码
1.2~9.6
PDC
蜂窝 VSELP矢量和激励线性预测编码
原始数据中存在着大量的冗余信息（时间冗余、 空间冗余、统计冗余）；
人的视觉和听觉器官都具有某种不敏感性，舍去 人的感官所不敏感的信息，对图像或声音质量的 影响很小，在某些情况下甚至可以忽略不计。
移动通信语音编码技术概述
语音编码：移动通信数字化的基础，第1/2 代蜂窝系 统的根本区别。
语音编码的意义：
波形编码的性能估计
信息率--失真R(D)为：
D：最大允许失真，σ2：方差，ρ相关系数 广义平稳遍历马氏链信源且有 上式的计算结果如下表所示
信噪比(dB) 35 R(D)(bit/样点 4 )
压缩倍数K 2
32 28 3.5 2.5
2.28 3.2
25 23 20 17 2.34 2 1.5 1
3.42 4 5.3 8
4.5，6.7，11.2
CT2
无绳 ADPCM
32
DECT
无绳 ADPCM
32
PHS
无绳 ADPCM
32
PCS-1800 蜂窝 RPE-LTP规则脉冲激励长期预测编码 13
PACS
个人通信 ADPCM
32
WCDMA
蜂窝 AMR
信息率-失真理论
information rate-distortion theory
最后可计算出压缩比K为：
混合编码的性能估计
显然混合编码的理论压缩比是介于上述两类 编码之间，且与语音质量需求有关。若要求 混合编码偏重于个性特征，则其压缩比靠近 波形编码的压缩比值，若要求混和编码偏重 于共性，则其压缩比靠近于参量编码。
移动通信中的语音编码
高质量的混合编码是移动通信中的优选方案。
第二代移动通信主要是语音业务，所以信源编 码主要指语音压缩编码。第三代移动通信中的 信源编码将不仅包含语音压缩编码，还包含各 类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面内容 。
数据压缩
目的：在保证一定图像（或声音）质量的条 件下，以最小的数据率来表达和传送图像或 声音信息。
数据能够压缩的可能性在于：
目前已实用化的DPCM为32Kbps。
参量编码的性能估计
语音可以采用各种不同形式的参量来表达。为了 分析方便，采用最基本的参量“音素”。以英语音 素为例进行分析。英语中共有音素27=128~ 28=256 。 按照通常讲话速率，每秒大约平均发送10个音素。
由信息量计算公式，对于等概率事件有：I=log2N ，N为总组合数，则：
语音编码的分类
波形编码
将时间域信号直接变换为数字代码，目的是尽可能精确地再现原来 的话音波形
PCM、ΔM
参量编码(声源编码)
将信源信号在正交变换域提取特征参量，并将其变换为数字代码 线性预测编码LPC
混合编码
波形编码+参量编码 数字语音信号中既有语音特征参量又有部分波形编码
波形编码质量最高，其质量几乎与压缩处理之前相同，适 用于公用骨干(固定)通信网。参量编码质量最差，仅适合于 特殊通信系统，比如军事与保密通信系统。混和编码质量 介于两者之间，目前主要用于移动通信网。
研究在限定失真下为了恢复信源符号所必需 的信息率，简称率失真理论。
率失真理论就是用以计算不同类型的信源在 各种失真限度下所需的最小信息率。
率失真函数--计算率失真函数是率失真理论 的中心问题。率失真函数只指出限失真条件 下所必需的最小信息率。从理论上讲，尚应 能证明实际存在一种编码方法，用这样的信 息率就能实现限失真的要求。
提高通话质量（数字化+信道编码纠错）； 提高频谱利用率（低码率编码）； 提高系统容量（低码率，语音激活技术）。
移动通信对语音编码的要求：
编码速率低，语音质量好； 有较强的抗噪声干扰和抗误码的性能； 编译码延时小，总延时在65ms 以内； 编译码器复杂度低，便于大规模集成化； 功耗小，便于应用于手持机。
波形编码的性能估计
由上述分析结果可以得到如下结论： 当语音质量达到进入公网要求标准时，即 σ2/D≈26dB,其K=3.4 倍。 若进一步考虑实际语音分布与主观因素的影 响(因为正态分布R(D)其压缩倍数可以进一步增 大，取K=4 (保守值)这时语音速率可以从未压 缩的PCM 64Kbps降至1/4速率的16Kbps。
移动通信频谱资源有限，低码率、高压缩比至关重 要；
加入公用网信噪比又不能太低。
决定混合编码的4 个主要参量：比特率、质量 、复杂度和处理时延。
比特率：度量信源压缩率和通信系统性的主要指标 ；
话音质量：国际流行的MOS 法，5 级评分制； 复杂度：指完成语音编码所需的加法、乘法的运算
次数，一般可用MIPS 表示； 处理时延：复杂度高→处理时延大。
数据比特率(bps)
数据比特率越低压缩倍数就越大，可通信的话路 数也就越多，移动通信系统也就越有效。
数据比特率降低，语音质量也随之相应降低，为 了补偿质量的下降，可采用提高设备硬件复杂度 和算法软件复杂度的办法。
降低比特速率另一种有效方法是采用可变速率的 自适应传输，它可以大大降低语音的平均传送率 。