第4章 语音编码、信道编码和交织
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4.1.4 线性预测编码器
2．码激励线性预测编码（CELPC）
图4-5 CELPC的基本工作原理图
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4.1.4 线性预测编码器
• 1984年提出的一种新的混合型编码器算法 CELPC与 MPLPC比，只是激励源不同，其他相同。 • CELPC应用了矢量量化技术。 • 在数字移动通信中，码激励的一种变型即矢量和激 励（VSELP）已成为美国和日本数字蜂窝移动通 信系统中的语音编码标准。 • 三种编码技术同时存在通信系统中，波形编码以 其高质量用于长途传输和宽带语音；声码器以高效 压缩性用于保密通信；混合编码以其独有特性用于 各种通信系统。
DCS-1800
PACS
个人通信系统
个人通信系统
RPE-LTP
ADPCM
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4.1.2 语音信号特征
• 语音是一种波，振荡频率在20HZ-20000HZ之间， 喉以上部分称为声道，喉部称为声门。喉部的声 带即是阀门又是振动部件。 • 声带的声学功能是为语音提供主要的的激励源。 声带的开启闭合使气流形成一系列脉冲。 • 由声带产生的音统称为浊音，不由声带产生的音 统称为清音。 • 可见，语音是由气流激励声到最后从嘴和鼻孔或 同时从嘴和鼻孔辐射出来而产生的。对于浊音、 清音、爆破音来说，激励源是不同的。
移动通信技术
第4章 语音编码、信道编码和交织编码
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第4章 语音编码、信道编码和交织技术
4.1 语 音 编 码 4.2 信 道编 码 4.3 交 织 编 码
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第4章 语音编码、信道编码和交织技术
• 语音编码及信道编码技术 语音编码和信道编码是通信数字化的两个 重要技术领域。在移动通信数字化中，模拟语音信号 的数字化，可提高频带利用率和信道容量。信道编码 技术可提高系统的抗干扰能力，从而保证良好的通话 质量。
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4.1.1 概述
1 信源编码的定义与作用
• 源编码就是信源信号的模数（A∕D）变换，即将 模拟的信源信号转化成适于在信道中传输的数字 信号形式。 • 在数字系统中，信源编码的基本目的就是通过压 缩信源产生的冗余信息来提高整个传输链路的有 效性。 2 信源编码的分类
(1) 根据信源信号是离散的信号还是连续的信号， 可以将信源编码分为：
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4.1.2 语音信号特征
图4-1 语音信号的产生模型
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4.1.2 语音信号特征
• 由图4-1可见，激励源可由冲击序列发生器或随机 噪声发生器来产生，分别对应产生清音和浊音的 激励。增益系数AV和AN分别对应清音和浊音时 声门激励信号的强度，用以调节信号幅度和能量。 声道模型用来模拟声道谐振腔结构，以此形成谐 振频率。 • 声码器是以人类语音的产生模型为基础，分析表 征语音激励源和声道等的特征参数，再运用这些 特征参数重新合成语音信号的设备。
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4.1.6 GSM系统语音编码器
• 在GSM语音编码器网络一端将完成A律或律的 PCM变换。
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4.1.6 GSM系统语音编码器
（4）非话信号的传输 • 语音编译码器没有对语音频段的数据做出要求， 然而，必须要求语音编译器能够传输由网络提供 给用户的各种音频信号音，如拨号音、振铃音、 忙音等。
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4.1.6 GSM系统语音编码器
• 在移动台转接移动台时，会出现两套编/译码器复 接的情况。
（2）码速率
• 仍然使用8kHz取样率，以便于和PSTN的接口连 接。基于对频率利用率和语音质量相矛盾的协调， 将16kbit/s作为可接受的工作比特率。 • （3）码变换 • GSM系统所确定的基本语音编码的变码器可将13 位线性PCM码流变换成16kbit/s的无线传输比特率。
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4.1.1 概述
①离散信源编码；
②模拟信源编码。
(2) 根据信源信号是语音还是图像，可以分为： ①语音编码； ②图像编码。 移动通信系统中，信源有语音信号、图
像（如可视移动电话）或离散数据(如短信息
服务)。本节主要讲语音编码。
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4.1.1 概述
4 语音编码 • 语音编码为信源编码，是将模拟语音信号转变为 数字信号以便在信道中传输。 • 语音编码技术通常分为三类：波形编码、声源编 码（或参量编码）和混合编码。
4.1.1 概述
波形编码包括脉冲编码调制（PCM）、差分脉冲 编码调制（DPCM）、自适应差分脉冲编码调制 （ADPCM）、增量调制（DM）、连续可变斜率 增量调制（CVSDM）、自适应变换编码(ATC)、 子带编码（SBC）和自适应预测编码（APC）等。 • 声源编码是基于人类语言的发声机理，找出表征 语音的特征参量，对特征参量进行编码的一种方 法。在接收端，根据所接收的语音特征参量信息， 恢复出原来的语音。由于参量编码只需传送语音 特征参数，可实现低速率的语音编码，一般在 1.2～4.8kbit/s。
• 考虑到中、低比特率的编译码器将尽量利用语音 中的一些特征，将语音以及语音频段内的数据一 起协调的编码算法必将降低语音的质量。因此， 在设计语音编码器时，应首先考虑语音的质量， 而对于语音频段内的数据信号，则通过特殊的终 端适配器来实现。
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4.1.6 GSM系统语音编码器
（5）传输时延 造成传输时延的主要原因有以下两方面。
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图 GSM手机电路基本组成框图
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图 8210／8850型手机发射信号流程图
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图 8210／8850型手机接收信号流程图
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4.1 语 音 编 码
4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 概述 语音信号特征 声码器 线性预测编码器 移动通信中语音编码器的选择 GSM系统语音编码器 IS-95系统语音编码器
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4.1.2 语音信号特征
• 长期研究证明，发不同性质的音，激励的情况是 不同的。大致分为两类。 • 发浊音时，气流通过紧绷的声带，冲击声带产生 振荡，是声门处形成准周期的脉冲列，用它来激 励声道。 • 发清音时，声带松弛而不振动，气流通过声门直 接进入声道。 • 根据以上机理我们构建如图4.1所示语音信号的产 生模型。
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4.1.1 概述
• 混合编码基于参量编码和波形编码发展的一类新的 编码技术。在混合编码的信号中，既含有若干语音 特征参量又含有部分波形编码信息。其编码速率一 般在4～16kbit/s。当编码速率在8～16kbit/s范围时， 其语音质量可达到商用语音通信标准的要求。 • 混合编码技术在数字移动通信中得到了广泛应用。 • 混合编码包括规则脉冲激励长期预测编解码器 （RPE-LTP）、矢量和激励线性预测编码 （VSELP）和码激励线性预测编码（CELP）等。
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4.1.3 声码器
• 声码器又称为“参量编码器”。声码器的数码率 可以压缩到2.4kbit/s以下，但其语音质量，特别 是自然度，大大下降。 • 自1939年来，研制各种声码器如通道声码器、相 位声码器、图样匹配声码器、同态声码器、线性 预测声码器等。研究最多是线性预测编码声码器 如图4-2，也是应用最广泛的。
• 波形编码是对模拟语音波形信号经过取样、量化、 编码而形成的数字语音信号。为了保证数字语音 信号解码后的高保真度，波形编码需要较高的编 码速率，一般在16～64kbit/s。可对各种各样的模 拟语音波形信号进行编码均可达到很好的效果。 优点：适用于很宽范围的语音特性，以及在噪音 2013-5-17 11 环境下都能保持稳定。
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4.1.1 概述
表4.1常用数字移动通信系统语音编解码
标准 GSM USDC（IS-54） IS-95（CDMA） CT2、DECT、PHS 服务类型 数字蜂窝网 数字蜂窝网 数字蜂窝网 数字无绳电话 语音编码器（比特率：kbps） RPE-LTP VSELP CELP ADPCM 13 16 1.2，2.4，4.8，9.6 32
•
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4.1.1 概述
• 声源编码的例子线性预测编码（LPC)声码器。这 技术可压缩到2Kbit/s，缺点：在于语音质量只能 达到中等水平，不能满足商用语音通信的要求。 但语音质量不够好，故高速码不用这种技术。 • 对此，综合参量编码和波形编码各自的长点，即 保持参量编码的低速率和波形编码的高质量的优 点，又提出了混合编码方法。
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4.1.5 移动通信中语音编码器的选择
语音质量评估
图4-6 语音编码的现状
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4.1.5 移动通信中语音编码器的选择
2．语音编码器的复杂度和处理时延 • 语音数字编码的算法通常用数字信号处理器（DSP） 来实现。 • 编码硬件的成本通常随着复杂度的提高而增加。
• 混合编码是新一代语音通信编码器的发展方向。
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4.1.4 线性预测编码器
• 目前较成功的混合编码方案有两种，多脉冲激励 线性预测编码（MPLPC)和码激励线性预测编码 （CELPC),前者使用一个数目有限且幅度和位置 要调整的脉冲序列作为激励源。后者使用一个波 形矢量作为激励源。图4-3给出三种不同激励序列 及其产生语音方法。
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4.1.5 移动通信中语音编码器的选择
在低比特率语音编码中，有4个参数是很重要的， 即比特率、质量、复杂度和处理时延。
1．语音质量评估
• 当前世界上流行的语音质量评估方法是采用原 CCITT提议的从1分到5分的主观评定的方法。
• 这就是“平均评价得分”（Mean Opinion Score） 简称MOS。
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图4-3 三种不同激励的语言合成模型
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4.1.4 线性预测编码器
1．多脉冲激励线性预测编码（MPLPC）
图4-4 MPLPC算法基本原理
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4.1.4 线性预测编码器
• 无论合成清音或浊音，激励源一律使用多脉冲序 列形式。图4-4 给出这一算法基本原理 • 加上感知加权滤波器后，主观听觉上的语音质量 有明显的提高。 • MPLPC必须进行量化编码，它传输的内容包括多 脉冲激励的脉冲位置和幅度、长时和短时预测器 系数、音调周期等。 • MPLPC产生的语音质量和比特率取决于提供一帧 语音激励信号的脉冲数目。 • 多脉冲激励方式要优化众多脉冲的位置与幅度参 数，计算量大。
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4.1.6 GSM系统语音编码器
1 GSM系统语音编码器性能要求
（1）语音质量
• 对语音编码最基本的要求就是用户角度测试，在 可工作的范围内，平均语音质量应至少不低于 900MHz模拟移动系统。 • 语音编码算法应具有很强的适应频谱以及电平变 化的能力。 • 语音编码器能够不受环境噪声以及很多语音信号 混杂的干扰。
• 线性预测声码器在发送端进行语音分析，每隔1020ms取出一帧语音做请浊音区分和音调提取，已 给出激励信息，并计算出预测滤波器的各种参数， 经量化及编码后送往接收端。
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4.1.3 声码器
图4-2 典型的线性预测编码声码器原理框图
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4.1.3 声码器
• 必须传输的编码量化参数有预测器系数、音调周 期、请浊音判决和增益系数。 • 大多数线性预测声码器研究集中在1.2-2.4Kbit/s. • 理论和实践都表明，用声码器进行语音通信，其 语音质量提高主要症结在于模型的激励信号。多 年来，一直以准周期和白噪声作为激励源，这对 提高语音质量有障碍。
表 5-1
编码器类型 脉冲调制 自适应差分脉码调制 自适应子频段编码 多脉冲线性预测编码 随机激励线性预测编码 线性预测编码的声码
低比特率语音编码器的性能比较
比特率/（kbit/s） 64 32 16 8 4 2 复杂度 MIPS 0.01 0.1 1 10 100 1 时延/ms 0 0 25 35 35 35 质 高级 高级 高级 通信级 通信级 合成级 量
4.1.4 线性预测编码器
2．码激励线性预测编码（CELPC）
图4-5 CELPC的基本工作原理图
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4.1.4 线性预测编码器
• 1984年提出的一种新的混合型编码器算法 CELPC与 MPLPC比，只是激励源不同，其他相同。 • CELPC应用了矢量量化技术。 • 在数字移动通信中，码激励的一种变型即矢量和激 励（VSELP）已成为美国和日本数字蜂窝移动通 信系统中的语音编码标准。 • 三种编码技术同时存在通信系统中，波形编码以 其高质量用于长途传输和宽带语音；声码器以高效 压缩性用于保密通信；混合编码以其独有特性用于 各种通信系统。
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PACS
个人通信系统
个人通信系统
RPE-LTP
ADPCM
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4.1.2 语音信号特征
• 语音是一种波，振荡频率在20HZ-20000HZ之间， 喉以上部分称为声道，喉部称为声门。喉部的声 带即是阀门又是振动部件。 • 声带的声学功能是为语音提供主要的的激励源。 声带的开启闭合使气流形成一系列脉冲。 • 由声带产生的音统称为浊音，不由声带产生的音 统称为清音。 • 可见，语音是由气流激励声到最后从嘴和鼻孔或 同时从嘴和鼻孔辐射出来而产生的。对于浊音、 清音、爆破音来说，激励源是不同的。
移动通信技术
第4章 语音编码、信道编码和交织编码
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第4章 语音编码、信道编码和交织技术
4.1 语 音 编 码 4.2 信 道编 码 4.3 交 织 编 码
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第4章 语音编码、信道编码和交织技术
• 语音编码及信道编码技术 语音编码和信道编码是通信数字化的两个 重要技术领域。在移动通信数字化中，模拟语音信号 的数字化，可提高频带利用率和信道容量。信道编码 技术可提高系统的抗干扰能力，从而保证良好的通话 质量。
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4.1.1 概述
1 信源编码的定义与作用
• 源编码就是信源信号的模数（A∕D）变换，即将 模拟的信源信号转化成适于在信道中传输的数字 信号形式。 • 在数字系统中，信源编码的基本目的就是通过压 缩信源产生的冗余信息来提高整个传输链路的有 效性。 2 信源编码的分类
(1) 根据信源信号是离散的信号还是连续的信号， 可以将信源编码分为：
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4.1.2 语音信号特征
图4-1 语音信号的产生模型
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4.1.2 语音信号特征
• 由图4-1可见，激励源可由冲击序列发生器或随机 噪声发生器来产生，分别对应产生清音和浊音的 激励。增益系数AV和AN分别对应清音和浊音时 声门激励信号的强度，用以调节信号幅度和能量。 声道模型用来模拟声道谐振腔结构，以此形成谐 振频率。 • 声码器是以人类语音的产生模型为基础，分析表 征语音激励源和声道等的特征参数，再运用这些 特征参数重新合成语音信号的设备。
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4.1.6 GSM系统语音编码器
• 在GSM语音编码器网络一端将完成A律或律的 PCM变换。
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4.1.6 GSM系统语音编码器
（4）非话信号的传输 • 语音编译码器没有对语音频段的数据做出要求， 然而，必须要求语音编译器能够传输由网络提供 给用户的各种音频信号音，如拨号音、振铃音、 忙音等。
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4.1.6 GSM系统语音编码器
• 在移动台转接移动台时，会出现两套编/译码器复 接的情况。
（2）码速率
• 仍然使用8kHz取样率，以便于和PSTN的接口连 接。基于对频率利用率和语音质量相矛盾的协调， 将16kbit/s作为可接受的工作比特率。 • （3）码变换 • GSM系统所确定的基本语音编码的变码器可将13 位线性PCM码流变换成16kbit/s的无线传输比特率。
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4.1.1 概述
①离散信源编码；
②模拟信源编码。
(2) 根据信源信号是语音还是图像，可以分为： ①语音编码； ②图像编码。 移动通信系统中，信源有语音信号、图
像（如可视移动电话）或离散数据(如短信息
服务)。本节主要讲语音编码。
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4.1.1 概述
4 语音编码 • 语音编码为信源编码，是将模拟语音信号转变为 数字信号以便在信道中传输。 • 语音编码技术通常分为三类：波形编码、声源编 码（或参量编码）和混合编码。
4.1.1 概述
波形编码包括脉冲编码调制（PCM）、差分脉冲 编码调制（DPCM）、自适应差分脉冲编码调制 （ADPCM）、增量调制（DM）、连续可变斜率 增量调制（CVSDM）、自适应变换编码(ATC)、 子带编码（SBC）和自适应预测编码（APC）等。 • 声源编码是基于人类语言的发声机理，找出表征 语音的特征参量，对特征参量进行编码的一种方 法。在接收端，根据所接收的语音特征参量信息， 恢复出原来的语音。由于参量编码只需传送语音 特征参数，可实现低速率的语音编码，一般在 1.2～4.8kbit/s。
• 考虑到中、低比特率的编译码器将尽量利用语音 中的一些特征，将语音以及语音频段内的数据一 起协调的编码算法必将降低语音的质量。因此， 在设计语音编码器时，应首先考虑语音的质量， 而对于语音频段内的数据信号，则通过特殊的终 端适配器来实现。
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（5）传输时延 造成传输时延的主要原因有以下两方面。
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图 GSM手机电路基本组成框图
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图 8210／8850型手机发射信号流程图
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图 8210／8850型手机接收信号流程图
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4.1 语 音 编 码
4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 概述 语音信号特征 声码器 线性预测编码器 移动通信中语音编码器的选择 GSM系统语音编码器 IS-95系统语音编码器
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4.1.2 语音信号特征
• 长期研究证明，发不同性质的音，激励的情况是 不同的。大致分为两类。 • 发浊音时，气流通过紧绷的声带，冲击声带产生 振荡，是声门处形成准周期的脉冲列，用它来激 励声道。 • 发清音时，声带松弛而不振动，气流通过声门直 接进入声道。 • 根据以上机理我们构建如图4.1所示语音信号的产 生模型。
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4.1.1 概述
• 混合编码基于参量编码和波形编码发展的一类新的 编码技术。在混合编码的信号中，既含有若干语音 特征参量又含有部分波形编码信息。其编码速率一 般在4～16kbit/s。当编码速率在8～16kbit/s范围时， 其语音质量可达到商用语音通信标准的要求。 • 混合编码技术在数字移动通信中得到了广泛应用。 • 混合编码包括规则脉冲激励长期预测编解码器 （RPE-LTP）、矢量和激励线性预测编码 （VSELP）和码激励线性预测编码（CELP）等。
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4.1.3 声码器
• 声码器又称为“参量编码器”。声码器的数码率 可以压缩到2.4kbit/s以下，但其语音质量，特别 是自然度，大大下降。 • 自1939年来，研制各种声码器如通道声码器、相 位声码器、图样匹配声码器、同态声码器、线性 预测声码器等。研究最多是线性预测编码声码器 如图4-2，也是应用最广泛的。
• 波形编码是对模拟语音波形信号经过取样、量化、 编码而形成的数字语音信号。为了保证数字语音 信号解码后的高保真度，波形编码需要较高的编 码速率，一般在16～64kbit/s。可对各种各样的模 拟语音波形信号进行编码均可达到很好的效果。 优点：适用于很宽范围的语音特性，以及在噪音 2013-5-17 11 环境下都能保持稳定。
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4.1.1 概述
表4.1常用数字移动通信系统语音编解码
标准 GSM USDC（IS-54） IS-95（CDMA） CT2、DECT、PHS 服务类型 数字蜂窝网 数字蜂窝网 数字蜂窝网 数字无绳电话 语音编码器（比特率：kbps） RPE-LTP VSELP CELP ADPCM 13 16 1.2，2.4，4.8，9.6 32
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4.1.1 概述
• 声源编码的例子线性预测编码（LPC)声码器。这 技术可压缩到2Kbit/s，缺点：在于语音质量只能 达到中等水平，不能满足商用语音通信的要求。 但语音质量不够好，故高速码不用这种技术。 • 对此，综合参量编码和波形编码各自的长点，即 保持参量编码的低速率和波形编码的高质量的优 点，又提出了混合编码方法。
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4.1.5 移动通信中语音编码器的选择
语音质量评估
图4-6 语音编码的现状
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4.1.5 移动通信中语音编码器的选择
2．语音编码器的复杂度和处理时延 • 语音数字编码的算法通常用数字信号处理器（DSP） 来实现。 • 编码硬件的成本通常随着复杂度的提高而增加。
• 混合编码是新一代语音通信编码器的发展方向。
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4.1.4 线性预测编码器
• 目前较成功的混合编码方案有两种，多脉冲激励 线性预测编码（MPLPC)和码激励线性预测编码 （CELPC),前者使用一个数目有限且幅度和位置 要调整的脉冲序列作为激励源。后者使用一个波 形矢量作为激励源。图4-3给出三种不同激励序列 及其产生语音方法。
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4.1.5 移动通信中语音编码器的选择
在低比特率语音编码中，有4个参数是很重要的， 即比特率、质量、复杂度和处理时延。
1．语音质量评估
• 当前世界上流行的语音质量评估方法是采用原 CCITT提议的从1分到5分的主观评定的方法。
• 这就是“平均评价得分”（Mean Opinion Score） 简称MOS。
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图4-3 三种不同激励的语言合成模型
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4.1.4 线性预测编码器
1．多脉冲激励线性预测编码（MPLPC）
图4-4 MPLPC算法基本原理
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4.1.4 线性预测编码器
• 无论合成清音或浊音，激励源一律使用多脉冲序 列形式。图4-4 给出这一算法基本原理 • 加上感知加权滤波器后，主观听觉上的语音质量 有明显的提高。 • MPLPC必须进行量化编码，它传输的内容包括多 脉冲激励的脉冲位置和幅度、长时和短时预测器 系数、音调周期等。 • MPLPC产生的语音质量和比特率取决于提供一帧 语音激励信号的脉冲数目。 • 多脉冲激励方式要优化众多脉冲的位置与幅度参 数，计算量大。
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4.1.6 GSM系统语音编码器
1 GSM系统语音编码器性能要求
（1）语音质量
• 对语音编码最基本的要求就是用户角度测试，在 可工作的范围内，平均语音质量应至少不低于 900MHz模拟移动系统。 • 语音编码算法应具有很强的适应频谱以及电平变 化的能力。 • 语音编码器能够不受环境噪声以及很多语音信号 混杂的干扰。
• 线性预测声码器在发送端进行语音分析，每隔1020ms取出一帧语音做请浊音区分和音调提取，已 给出激励信息，并计算出预测滤波器的各种参数， 经量化及编码后送往接收端。
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4.1.3 声码器
图4-2 典型的线性预测编码声码器原理框图
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4.1.3 声码器
• 必须传输的编码量化参数有预测器系数、音调周 期、请浊音判决和增益系数。 • 大多数线性预测声码器研究集中在1.2-2.4Kbit/s. • 理论和实践都表明，用声码器进行语音通信，其 语音质量提高主要症结在于模型的激励信号。多 年来，一直以准周期和白噪声作为激励源，这对 提高语音质量有障碍。
表 5-1
编码器类型 脉冲调制 自适应差分脉码调制 自适应子频段编码 多脉冲线性预测编码 随机激励线性预测编码 线性预测编码的声码
低比特率语音编码器的性能比较
比特率/（kbit/s） 64 32 16 8 4 2 复杂度 MIPS 0.01 0.1 1 10 100 1 时延/ms 0 0 25 35 35 35 质 高级 高级 高级 通信级 通信级 合成级 量