2.7语音信号的数字化
语音信号的数字化和预处理
若用σx2表示输入语音信号序列的方差，2Xmax表示信号的峰 值，B表示量化分辨率(量化位长)，σe2表示噪声序列的方差， 则可证明量化信噪比(信号与量化噪声的功率之比)为
X SNR 10lg
2 x 2 e
6.02B
Байду номын сангаас
4.77
2
lg
max
x
假设语音信号的幅度服从Laplacian分布，此时信号幅度超
语音信号及单片机处理
语音信号的数字化和预处理
语音分析全过程的是短时分析技术。
由于语音在一个短时间范围内的物理特征与频谱特征近 似不变，具有短时平稳特性，即语音信号是一种准平稳过 程，因此可以把语音的分析和处理建立在短时分析技术的 基础上，即将语音信号分段来分析。其中每一段称为一帧。 帧的长度叫帧长，前后帧长之间的交叠部分称为帧移。通 常，由于语音在10～30ms之内是保持相对平稳的，因此帧 长取为10～30ms，帧移与帧长之比为0～1/2。
这样，不仅能够进行预加重，而且可以压缩信号的动态 范围，有效地提高信噪比。所以，为尽量提高SNR，应在 A/D转换之前进行预加重。同时，预加重也可在A/D转换 之后进行，用具有6dB/oct的提升高频特性的预加重数字滤 波器实现。它一般是一阶的，即
H (z) 1 z1
式中μ值接近于1。 加重后的信号在分析处理后，需要进行去加重处理， 即加上6dB/oct的下降的频率特性来还原成原来的特性。
采样之后要对信号进行量化，在量化过程中不可避免地 会产误差。量化后的信号值与原信号之间的差值称为量化 误差，又称为量化噪声。若信号波形的变化足够大或量化 间隔足够小，可以证明量化噪声具有下列特性：
第4页
2021/12/12
第02讲 语音信号的数字化和预处理+时域分析
频谱泄露 较严重
矩形窗与汉明窗的比较
频谱分辨率高
窗类型
矩形窗
旁瓣峰值
• 假设语音信号的幅度符合Laplacian分布,此时信号幅度超过 4σx的概率很小，只有0.35%，因而可取Xmax=4σx，则 • 上式表明量化器中的每bit字长对SNR的贡献为6dB。
SNR(dB) 6.02 B 7.2
对重构的语音波形的高次谐波起平滑作用，去掉高次谐波失真。
• 汉明窗： (n) 0.54 0.46 cos[2n /( N 1)], 0 n ( N 1) 0, n else
矩 形 窗 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.9 0.8 0.7 0.6
hanming窗
w（n）
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
如下：
En x ( m)
m 0 2 n
N 1
• En是一个度量语音信号幅度值变化的函数，但它有一个缺陷， 即它对高电平非常敏感（因为它计算时用的是信号的平方)。
• 为此，可采用另一个度量语音信号幅度值变化的函数，即短
时平均幅度函数Mn，它定义为：
M n xn ( m)
m 0
N 1
0.7
0.8
0.9
1
0
幅度 /dB
-50
-100
0
0.1
0.2
0.3
0.4 0.5 0.6 归 一 化 频 率 (f/fs)
声音的数字化流程
声音的数字化流程
声音的数字化流程是将模拟声音信号转换为数字信号的过程，主要包括采样、量化和编码三个步骤。
声音数字化是现代技术中一个基础且重要的过程。
通过这一过程，连续的模拟声波信号被转换成离散的数字数据，使得声音可以被计算机处理、存储和传输。
具体的声音数字化流程包括采样、量化和编码三个关键步骤。
首先，采样是按照一定的时间间隔在连续的声波上进行取值的过程。
奈奎斯特取样定理表明，只要取样频率大于等于信号中所包含的最高频率的两倍，就可以根据其取样完全恢复出原始信号。
常见的采样率有8kHz、16kHz、32kHz、44.1kHz等，其中44.1kHz是CD标准采样率，可以满足人耳听觉范围并保留高质量音频信息。
其次，量化是将采样得到的值进行量化处理的过程，即设定一个刻度，记录每个采样点的振幅值。
量化的精度取决于用多少位二进制数来表示一个音频数据，常见的有8位、12位或16位。
量化精度越高，声音保真度也越高。
最后，编码是将量化后的样本值转换成二进制编码的过程。
常见的编码方式是PCM（脉冲编码调制），这是一种将音频信号采样并量化后转化为二进制数据的方法。
PCM数据就是一系列按时间顺序排列的二进制数值，这些数值在播放时可以通过数字到模拟转换器（DAC）转换回模拟信号，从而还原成声音。
综上所述，音频数字化是音频技术中至关重要的基础步骤，它不仅使音频信号能够被现代计算机系统处理和存储，还为音频信号的进一步处理和应用提供了可能。
补充语音信号数字化
50
抽样
-50
50
量化
-50
编码
00011010
00101101 01011000 ….
脉冲编码调制(PCM)的整个过程为： 的整个过程为： 脉冲编码调制 的整个过程为
模拟信号
滤波 PCM信号 信号
抽样、量化、 抽样、量化、编码
模拟信号
译码
滤波
滤波 在信号的发送端， 在信号的发送端，滤去模拟信号中不必要 的信号 在信号的接收端， 在信号的接收端，把译码后的输出恢复为 我们把这一系列过程统称为编译码和滤波， 我们把这一系列过程统称为编译码和滤波， 信号波形 该功能由交换机的用户电路完成
归纳如下： 归纳如下：
每一帧占125us,分为 个时隙，每个 分为32个时隙 每个TS=3.9us 每一帧占 分为 个时隙， 时隙TS1至TS15， TS17至TS31传送用户信息；TS0为帧 时隙 至 ， 至 传送用户信息； 为帧 传送用户信息 同步时隙， 为信令时隙。 同步时隙，TS16为信令时隙。 为信令时隙 每一时隙传送8位码，每位码占 ），一帧共 每一时隙传送 位码，每位码占488ns（纳秒），一帧共 位码 （纳秒）， 8×32=256 bit × 每16帧形成一复帧，一复帧时间为 帧形成一复帧， 帧形成一复帧 一复帧时间为125×16=2 ms × 每一路话路的数据率为 8 / (125 ×0.000001)=64K bps 系统中， 在PCM30/32系统中，一条 系统中 一条PCM链路的信息速率为 链路的信息速率为 R=8000 × 32 × 8 或 64 ×32=2.048M bps 在电路上按时间分割成等长的时间单元（ ），在每 在电路上按时间分割成等长的时间单元（帧），在每 帧里又按时间分成等长的时隙，并按照时间顺序编号， 帧里又按时间分成等长的时隙，并按照时间顺序编号，每帧 中相同时间位置的时隙用来传输同一信元的信息。 中相同时间位置的时隙用来传输同一信元的信息。可通过时 时隙）来判别信息属于哪个话路。 间（时隙）来判别信息属于哪个话路。
第2章 语音信号的数字化基础
CH1 CH2
3.91us
125us
C
CH32
经过抽样门后的时分复用线
4
分路CH1 分路CH2 3.91US
PAM
分路CH32
125US
5
2.2 模拟信号和数字信号
模拟信号、离散的模拟信号
数字信号
信号的幅度取值离散，且不准确的与原信息对应 的信号。
数字信号优点：
具有较强的抗干扰能力，可再生； 保密性强； 便于采用集成电路和超大规模集成电路； 便于向ISDN发展
Vs=+594Δ的编码为：11100010
30
经过十三折线所得到的八位数字编码，我们称之 为PCB编码。
例如：求PAM=+366Δ 的PCM编码 解：X1=1，PAM值在第五段，X2X3X4=101， 起始电平256Δ ，量化级差16Δ ， （366-256）/16=6（X5X6X7X8=0110） 编码只舍不入。
46
例如:二进制码为 1001,0101,0000,1110,0001,0000,11 NRZ码为: +100+1,0+10+1,0000,+1+1+10,000+1,00 00,+1+1 AMI码为: +100-1,0+10-1,0000,+1-1+10,000-1, 0000,+1-1
47
40
2.4 码型与码型变换
传输对码型的要求： 无直流分量； 低频及高频分量不宜太大； 包含时钟； 要有连零抑制功能； 有误码检测能力； 设备简单。
41
2.4 传输码型
单极性不归零（NRZ)码——占空比100％ 存在直流 单极性归零（RZ）码——占空比50％ 分量 双极性归零（AMI）码——交替极性
语音信号数字化编码
语音信号数字化编码随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。
由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。
这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数和数模转换器。
语音信号的数字化的编码的实现就是将一个语音信号转换成数字信号。
标签：语音信号；数字信号；模数转换1 设计要求1.1 语音信号的数字化编码的实现即将模拟信号进行数字化处理。
1.2 要求运用pcm编码（脉冲编码调制）的基本原理。
1.3 要求软硬件结合。
2 设计原理语音信号数字化编码的实现就是将一个语音信号转换成数字信号。
语音是人类发音器官发出的，具有一定意义的，能起到社会交际作用的声音。
普通人语音信号频率范围20HZ——20KHZ。
语音信号转换电信号的过程：声音通过空气把震动传给声音传感器的薄膜，薄膜振动带动线圈在磁场中做切割磁感线运动，产生大小不一的电流。
通常把从模拟信号抽样、量化，直到变换成为二进制符号的基本过程，称为脉冲编码调制（pcm），简称脉码调制。
Pcm系统的原理方框如图1所示，在编码器中有冲激脉冲对模拟信号抽样，得到在抽样时刻上的值。
这个抽样值仍是模拟量。
在它量化之前，通常用保持电路将其作短暂的保存，以便电路有时间对其进行量化。
在实际电路中，常把抽样和保持电路作在一起，称为抽样保持电路。
图中的量化器把模拟抽样信号变成离散的数字量，然后再编码器中进行二进制编码。
这样，每个二进制码组成就代表一个量化后的信号抽样值。
3 基本电路5 设计总结21世纪是信息时代。
信息技术的迅猛发展和广泛应用为教学提供了丰富的学习资源，所以我们有必要了解信号的传输常用两种模式——模拟信号和数字信号。
《通信原理》模拟题+答案
《通信原理》模拟题+答案一、单选题（共50题，每题1分，共50分）1、( ）是能在接口端口间提供可控的VC（虚容器）的透明连接和再连接的设备，其端口速率既可以是SDH速率，也可以是PDH速率。
此外，它还具有一定的控制、管理功能。
A、TMB、SDHC、SDXCD、ADM正确答案：C2、能够发现错误并能纠正错误码叫做（）A、差错码B、纠删码C、纠错码D、检错码正确答案：C3、帧结构由信息净负荷(Pay load)、段开销（SOH）和( ）三个区域组成A、POHB、管理指针单元C、RSOHD、SDH复接结构正确答案：B4、信源又称为信息源或发终端，是（）的产生地，是各种消息转换成电信号的转换器，信源输出的信号称为基带信号。
A、信息B、信号C、消息D、信道正确答案：A5、调制信道分为恒参信道和( ）A、变参信道B、有线信道C、调制信道D、无线信道正确答案：A6、( ）完成数字分接功能的设备A、数字分接器B、复接器C、数字D、字母正确答案：A7、频率调制又分为调频FM、脉冲载频调制PFM和( ）A、PSKB、ASKC、频率键控FSKD、PAM正确答案：C8、噪声的分类按照来源划分分为人为噪声、自然噪声和( ）A、单频噪声B、脉冲噪声C、起伏噪声D、内部噪声正确答案：D9、( ）通信是通过人力或畜力或烽火台传递完成的A、现代B、原始C、近代D、未来正确答案：B10、信道分为狭义信道和( ）A、有线信道B、调制信道C、无线信道D、广义信道正确答案：D11、( ）的基本思想是利用相邻样值信号幅度的相关性，以相邻样值信号幅度的差值变化来描述模拟信号的变化规律，即将前一样值点与当前样值点之间的幅值之差编码来传递信息A、增量调制B、调制C、多调制D、改调制正确答案：A12、以下那个英文代表的是局域网（）A、WANB、MANC、JAND、LAN正确答案：D13、在信道上传输的是（）的通信系统称为数字通信系统A、任何信号B、模拟信号C、数字信号D、以上均不对正确答案：C14、( ）输出信噪比。
语音信号数字化
语音信号数字化语音信号是模拟信号，其频率为300 Hz～3.4 kHz。
原始语音信号如图2-1所示。
要将语音信号在数字传输系统中进行传递，就必须使模拟的语音信号数字化。
语音信号数字化是进行数字化交换和传输的基础。
语音信号数字化的方法有很多，用得最多的是PCM。
PCM是将模拟信号数字化的取样技术，它可将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。
在PCM传输系统中，发送端的模拟语音信号经声/电转换成模拟电信号，根据采样定理（采样过程所应遵循的规律，又称抽样定理、取样定理）对模拟电信号进行取样，取样之后进行幅度量化，最后进行二进制编码。
经过抽样、量化和编码3个模数变换（A/D）过程，模拟电信号变成一连串二进制PCM数字语音信号，进入传输线路进行传输，传输至接收端后，PCM数字语音信号经过模数反变换（D/A）还原为模拟信号，再由低通滤波器恢复出原始的模拟语音信号，就完成了语音信号的数字化传输，如下图所示。
PCM过程的各阶段语音信号波形如下图所示。
1.抽样抽样又称采样，是指在时间轴上等距离地在各取样点取出原始模拟信号的幅度值。
1928年，美国电信工程师H.奈奎斯特（H.Nyquist）提出了采样定理。
采样定理说明了采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。
采样定理为采样频率建立了一个足够的条件，该采样频率允许离散采样序列从有限带宽的连续时间信号中捕获所有信息。
（1）奈奎斯特采样定理。
在进行模/数转换过程中，当采样频率fs大于或等于信号中最高频率fmax的2倍时，采样之后的数字信号会完整保留原始信号的全部信息。
一般实际应用中保证fs为fmax的2.56～4倍。
（2）语音信号抽样。
由采样定理可知，当满足奈奎斯特采样定理条件时，在接收端只需经过一个低通滤波器就能够还原成原模拟信号。
这一过程称为脉冲振幅调制(pulse amplitude modulation，PAM)。
取样后的信号称为脉冲振幅调制信号。
第2章话音信号的数字化基础
非均匀量化的实现方法，是使抽样信号先通过一个非 线性电路，然后再进行均匀量化。
采用非均匀量化方式的PCM通信过程
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非线性电路使得小信号的幅 度得到放大，对大信号的幅 度进行了压缩，称具有此特 性的非线性电路为压缩器。
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1
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2
数字通信的关键是模数转换和数模转换。而模拟 信号和数字信导之间的相互转换必须有一定的规律和 方法，以便在发端模数转换后在收端按规律正确实行 数模转换。
模数转换有多种方法，其中PCM为最常用的一种。
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3
为了使模拟的话音信号转换为PCM信号，要经过抽样、 量化、编码三个过程。
我们就用 13段折线近 似表示A＝87. 6时的A律压 缩特性，因 此称之为A律 13折线压缩 特性。
19
(2) 律压扩特性：
律压扩特性适应于 PCM 24路系统。
律压扩特性是用二极管的伏安特性推导出来的。其表 达式如下：
其中 x、y为压缩器的归一化输入、输出；
为压缩参数，表示输出信号相对于输入信号的压缩程 度
第二段与第一段相同，第三段划分为16个小段，其每一小 段最小量化间隔为2Δ ，依次类推，第八段划分为16个小段， 每一小段最小量化间隔则是64Δ 。
这就体现了非线性编码是对应于非均匀量化的，小信号时 量化间隔小，大信号时量化间隔大。
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A律13折线编码的各量化段的量化间隔如图所示。
26每个不均匀段又分为16个均匀段第一段分成16个小段其每一小段即最小量化间隔记为第二段与第一段相同第三段划分为16个小段其每一小段最小量化间隔为2依次类推第八段划分为16个小段每一小段最小量化间隔则是64这就体现了非线性编码是对应于非均匀量化的小信号时量化间隔小大信号时量化间隔大
声音信号的数字化过程
声音信号的数字化过程声音是一种由空气震动产生的机械波，具有频率和振幅两个基本特征。
为了将声音信号进行处理、存储和传输，需要将其转化为数字信号，即进行数字化处理。
声音信号的数字化过程可以分为采样、量化和编码三个步骤。
首先是采样过程。
采样是指在时间上对连续的声音信号进行离散化处理，将其转化为一系列离散的采样值。
采样过程需要以一定的频率进行采样，采样频率越高，采样点越多，对原始声音信号的还原就越精确。
常用的采样频率为44.1kHz或48kHz，这是为了满足人耳对声音的听觉需求而设定的。
接下来是量化过程。
量化是指对采样得到的离散采样值进行幅度的离散化处理，将其转化为一系列离散的量化值。
量化过程需要确定一个量化级别，即将连续的幅度范围划分为有限个离散的幅度值。
量化级别越高，对声音信号的还原就越精确，但同时会增加数字化后的数据量。
通常采用的量化级别为16位或24位，分别对应于2^16和2^24个离散的幅度值。
最后是编码过程。
编码是指将量化后得到的离散量化值转化为二进制数，以便计算机进行处理。
常用的编码方式有脉冲编码调制（PCM）和脉冲编码调制（PCM）。
PCM是将每个量化值直接转化为对应的二进制数，而DPCM则是通过利用前一采样值与当前采样值之间的差异来进行编码，可以进一步减小数据量。
编码后的数字信号可以通过存储介质或网络传输等方式进行处理和传输。
声音信号的数字化过程使得我们能够方便地对声音进行处理、存储和传输。
数字化后的声音信号可以通过计算机进行音频编辑、混音等处理，也可以方便地存储在数字设备中，如CD、MP3等。
此外，数字化的声音信号还可以通过网络传输，使得人们可以随时随地地进行语音通信和音乐分享。
然而，声音信号的数字化过程也存在一些问题。
首先是采样过程可能会引入采样误差，特别是在采样频率较低或声音信号频率较高的情况下。
其次是量化过程可能会引入量化误差，即由于量化级别有限而导致的信号失真。
此外，编码过程也可能会引入编码误差，特别是在使用压缩编码算法时。
音频信号的数字化
为了防止产生混叠失真,当采样频率确定后,必须限制原模 拟信号的上限频率。因此，一般在采样之前设置一个低 通滤波器，滤除高于fs/2的频率，这一低通滤波器也叫防 混叠滤波器。
相应的，在D/A转换器之后要设置内插低通滤波器（防 镜像滤波器），以滤除多余的高频分量，只把原信号取 出来。
精品
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
理想的滤波器 a) 平坦的通带 b) 陡直的滤波特性 c) 无穷大的阻带衰减
精品
0
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精品
总结PCM的三个步骤
1. 采样：时间离散化 2. 量化：幅值离散化 3. 编码：数值二值化
精品
2.3 A/D转换器
对数字音频来说，A/D转换器的性能对音质具有决定 性的影响
音频信号的采样频率选取原则 1. 音频信号的最高频率 2. 防混叠低通滤波器的截止特性 3. 以录像机作为记录设备时，便于形成伪视频信号。
量化
量化：把幅度上连续变化的样本值离散化，变换为有限 个样本值。
量化精度（RESOLUTION）
f t V 1.461.5 1.521.5
1 .5
1 .4
采样频率要大于或等于被采样信号最高频率的2倍， 就可以无失真地恢复出原始的模拟信号。
fs ≥ 2fm。
否则，采样后的信号频谱会发生混叠现象。
语音信号数字处理课件
人工智能在语音信号处理中的应用
语音识别
利用人工智能技术将语音转换为文本，提高语音输入的准确性和 效率。
语音合成
通过人工智能技术将文本转换为语音，实现自然语言交互和语音助 手等功能。
情感分析
利用人工智能技术对语音中的情感进行识别和分析，用于人机交互 和智能客服等领域。
深度学习在语音信号处理中的应用
实时性与低延迟
由于语音数据的分布广泛且复杂，如何有 效利用稀疏数据进行语音信号处理是一个 重要挑战。
随着语音交互的普及，对语音信号处理的 实时性和低延迟要求越来越高，需要进一 步优化算法和硬件实现。
个性化与自适应性
多模态交互
针对不同用户的个性化需求和口音差异， 如何实现自适应的语音信号处理是一个重 要发展方向。
01
语音合成的基本原理是将文本信息转换为语音信号。它通过分析文本的语义和 语法信息，结合语音合成算法和语音库，生成逼真的语音输出。
02
语音合成技术主要依赖于自然语言处理和数字信号处理技术，通过将文本转换 为韵律、音高、音长等参数，再通过数字信号处理器将这些参数转换为模拟信 号，最终输出逼真的语音。
03
语音压缩
将语音信号的动态范围压缩，提高语音的清晰 度。
语音去混响
去除语音信号中的混响效应，提高语音的可懂度。
语音信号的编码与压缩
波形编码
将语音信号转换为数字波 形，以保留原始语音的波 形信息。
参数编码
提取语音信号的特征参数 ，以减少数据量。
混合编码
结合波形编码和参数编码 ，实现高效的语音压缩。
2023
语音信号的数字化
采样
采样是将连续的模拟语音信号转换为离散的数字信号的过程，通过 采样可以得到语音信号的时间序列。
第02章 语音信号的数字化
NRZ——单极性不归零码
1脉冲占空比100%
0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0
RZ——单极性归零码
脉冲占空比50%
现代交换原理
2.5 传输码型
0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0
1
0
1 128 1 128
1
~ x
0
1
0
段 0
1 128
1
1 64
2
1 32
3
1 16
4
1 8
5
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斜率
编号
16
000
16
001
8
010
4
011
2
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1
101
1 2
110
1 4
111
现代交换原理
2.4 语音信号的A率编码
极性编码和段编码：
0
斜率 编号 16 0000
1 128
16 0001
24语音信号的a率编码现代交换原理25传输码型基本原则携带同步信号信号平均功率小传输码型nrz单极性不归零码脉冲占空比100rz单极性归零码脉冲占空比50ami双极性归零码交替极性倒置码hdb3三阶高密度双极性码现代交换原理25传输码型rz单极性归零码脉冲占空比50nrz单极性不归零码脉冲占空比100现代交换原理25传输码型rz单极性归零码脉冲占空比50ami双极性归零码交替极性倒置码注意要将图中的偶数号1进行极性倒置
1 0 0 1 1 0 1 1
偶帧
语音信号数字处理
窗函数参数
窗函数参数的选择对语音信号处理的效果有很大影响，通 常需要根据实际应用场景和语音信号的特点进行选择和调 整。
05
语音信号的特征提取Βιβλιοθήκη 时域特征短时平均幅度
描述语音信号的振幅随时间的变化情况。
语音识别技术
利用计算机自动识别和转换语音信号为文本 或命令。
语音识别的应用
语音助手、智能家居控制、车载导航、自动 翻译等。
语音识别系统
由声音采集、预处理、特征提取、模式匹配 和后处理等部分组成。
语音识别的挑战
噪音干扰、口音和语速差异、背景音乐等。
语音合成
01
语音合成技术
通过计算机技术生成人类可识别的 语音信号。
语音信号数字处理
目录
• 语音信号概述 • 数字信号处理基础 • 语音信号的数字化 • 语音信号的预处理 • 语音信号的特征提取 • 语音信号的识别与合成 • 语音信号处理的发展趋势与挑战
01
语音信号概述
语音信号的产生
1 2
声带振动
当气流通过声带时，声带发生振动，产生声音。
声道调制
声音在声道中传播时，受到声道形状和肌肉活动 的影响，产生调制效果。
帧间重叠
为了减小帧间切换带来的影响， 通常采用帧间重叠的方法，即相 邻两帧之间有一部分信号是重叠 的。
分帧器设计
分帧器设计是语音信号处理中的 一项重要技术，其目的是在保证 语音信号完整性的同时，尽可能 减小帧间切换带来的影响。
加窗
加窗
在分帧的基础上，对每一帧信号加窗，以减小频谱泄露的 影响。
数字通信语音信号数字化 (3).
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
20 lg ue
S 10 20 lg N q
4.8 6ln 20 lg ue dB
S N q
60
dB
n=8 n=7 n=6
40 20
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
20 lg ue
其中：
f L 为信号的最低截止频率， f H 为信号的最高截止频率
n为 f L / B 的最大整数。
11
例题：带通信号312kHz-552kHz,求抽样频率范围。
解： 带宽 B=552-312=240kHz,
fl 312 n 1 B 整 240 整
根据带通型信号抽样定理，有
2 fm 2 fs fl ,n 0,1 n 1 n 2 552 n 1 ， f s 2 312 （kHz)， 552 f s 624 （kHz) 2 2 552 n=0， f s ， 1104 （kHz) f s 1
语音信号的有效频带范围是300~3400(Hz)。
2
第2章 语音信号的数字化
3.语音信号的动态范围L
定义
Pmax L 10 log (dB) Pmin
例如：当正弦信号 u (t ) u sin(t )时，
则 Pmax
1 1 2 2 umax V , 2 2 Pmin 1 umin 2 2
大信号时
S N q
dB
第2章 语音信号的数字化
均匀量化信噪比曲线
S N q V / ue 2 ue 2 10 lg 10 lg e 2 N 3 N dB q
语音信号处理技术及应用
语音信号处理技术及应用
语音信号处理技术是指通过对语音信号进行分析、提取和处理，以达到对语音信号的识别、压缩、增强、转换等各种应用需求。
语音信号处理技术的一些常见方法和算法包括：
1. 语音信号的数字化：将模拟语音信号转换为数字形式，通常使用采样和量化技术。
2. 语音信号的预处理：对于中断、噪声等干扰，可以利用滤波、去噪、增强等方法进行预处理。
3. 语音信号的特征提取：通过对语音信号进行分析，提取出特定的特征参数，如短时能量、频率轮廓、基频、共振峰等。
4. 语音信号的模型建立：通过统计模型、混合高斯模型等方法，对语音信号进行建模，提取语音的概率模型。
5. 语音信号的识别：利用概率模型，将输入的语音信号与预先训练好的模型进行匹配，以实现语音信号的识别。
语音信号处理技术在很多领域都有应用，包括但不限于以下几个方面：
1. 语音识别：利用语音信号处理技术，将输入的语音信号转换为文本。
2. 语音合成：根据文本信息，利用语音信号处理技术生成对应的语音信号。
3. 语音增强：通过去除噪声、增强语音信号，提高语音信号的质量。
4. 语音压缩：将语音信号进行压缩以减少存储空间或传输带宽。
5. 语音转换：将语音信号转换为不同的声音特征，例如男性声转女性声。
语音信号处理技术在语音识别、语音合成、语音增强、语音压缩等领域都发挥着重要的作用，并且在实际应用中已经取得了很大的成果。
语音信号的数字化过程
语音信号的数字化过程
语音信号的数字化过程包括以下步骤：
1. 采样：将连续的模拟语音信号转换为离散的数字信号。
通常采用频率为8kHz 或16kHz的采样率进行采样。
2. 量化：对采样后的语音信号进行量化处理。
量化是指将每个采样点的幅度值映射到最接近的一个离散量化级别上，通常用16位或8位二进制数表示。
3. 编码：将量化后的数字信号进行编码成可传输或存储的比特流。
常用的编码方式包括脉冲编码调制（PCM）、分段线性预测编码（ADPCM）和矢量量化编码（VQ）等。
4. 存储或传输：将编码后的数字信号存储在介质上，如磁带、磁盘或闪存等，或通过网络传输，如VoIP等。
5. 解码：将存储或传输的数字信号解码还原成模拟语音信号。
解码过程通常包括反量化和插值处理。
数字化后的语音信号能够方便地存储、处理和传输。
在实际应用中，数字化的语音信号常常需要进行压缩和加密等处理。
语音信号数字化-第2章.ppt
思考题
▪ 为什么采用非线性编码？ 采用均匀（线性）量化法：由于量化误差对大小信
号一样，使小信号信噪比较大，通信质量较差 ▪ 为什么叫A律13折线？
实际有16条折线，但是其中4条折线的斜率相同， 看作一条直线
2.4 传输码型
▪ 单极性不归零码 NRZ ▪ 单极性归零码 RZ
F0
F15
01
32时隙,256bit,125s,1帧
话路时隙TS1-TS15
15 16 17
话路时隙TS17-TS31
30 31
同步时隙
偶帧 1 0 0 1 1 0 1 1 帧同步码
保留给国际用 (目前固定为1)
F0 0 0 0 0 1 A2 1 1 复帧同步码 复帧对步码
F1 a b c d a b c d 话路1信令码 话路16信令码
语音信号带宽为64K。
2.6 PCM30/32系统的帧结构
▪ TS1---TS15、TS17---TS31为30条话路，传送 话音信号
▪ TS0为同步时隙，用于收发同步 ▪ TS16：F0的TS16---复帧定位码组
F1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱF15的TS16---30条话路的标志信号
PCM30/32系统的帧结构
16帧,125s×16=2ms
二次群： 8.448Mb/s 三次群： 34.386Mb/s 四次群：139.264Mb/s
以上为PDH（ Plesynchronous Digital Hierarchy） ----准同步数字系列
2.5 几个基本概念
计算几个数据： ▪ 1帧时长为125μS， ▪ 1时隙的时长为125/32=3.9μS， ▪ 一个复帧占用2ms。 ▪ 1帧的位长：8×32=256位。 ▪ 总码率：256位/帧 × 8000帧/秒 =2048Kb/s ▪ 每个时隙的话路速率：8位/路 ×8000 路/秒=64Kb/s ▪ 一个模拟语音信号的带宽最大为4K(300~3000HZ).数字化
【2021】语音信号的数字化.完整资料PPT
8kbit/s ,但是,语音质量不够好，只能达到中等质量水平。
有声源编码的低比特率和波形编码再生语音 QCELP 是美国高通（Qualcomm）通信公司的专利语音编码算法, 是北美第二代数字移动电话IS-95 CDMA的语音编码标准。
PCM的原理框图、采样值的量化和编码
原理图中低通滤波器的作用是滤除输入音频 信号中的4kHz以上的高频成分。
采样器对低通滤波器输出的音频信号进行采样， 采样频率是8kHz,为最高频率的2倍，以便确保接 收端能够精确复制发送端的输入信号。
量化/编码器首先对采样值进行量化，量化器用 256个层次对采样值进行度量，采样值的量化结 果介于0～255层之间，最大的采样值的量化结果 有255层，其它的采样值都低于255层。然后由编 码器用8位二进制码对每个采样值的量化结果进行 编码。例如，第5层量化后的采样值的二进制编码 为00000101；第254层量化后的采样值的二进制 编码为11111110。这样，通过PCM技术就把模 拟音频信号转换成为了一串由1和0组成的二进制 数字信号。因为PCM的采样频率是8kHz,对每个 采样值实行8位二进制编码，所以，PCM的数字 信号速率是64kbps。
由于声源编码技术是对声源特征参数进行编码，又根据声源特征参数来重建语音信号, 所以称它为参量编码。
组合和平滑处理后作为激励信号输入到数字 滤波器中恢复语音。
各种编码技术的数字信号速率和语音质量
编码器的语音质量与数字语音编码速率 之间的关系
在传输信道带宽为3.2kHz情况下： • 当要求语音质量达到良的水平时，混合编 码器的比特速率最低，仅为16kbps，而波形 编码器的比特率却高达32和64kbps。 • 当比特率同为16kbps时，自适应差分脉冲 编码调制（ADPCM）器的语音质量介于中与 良之间，声源编码器的语音质量达不到中等 水平，而传统PCM的语音质量甚至不合格。
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GSM 手机采用规则激励 线性预测（RPE-LTP）语音 编码器，原理框图如所示。
（1）线性预测器 它是由 8 抽头滤波器组成的 8 个声域分 析电路。
（2）长周期预测器 它提取的特征参数用于表征浊音的音 调结构。
（3）激励脉冲发生器 输入的语音数据信号与合成预测值 Sn二者进行比较获得误差电信号。
优势：较少的 量化级数就可以获 得高信噪比。如图 所示 为实现非均匀 量化的方案。
数字通信中，我国采用 A 律 13 折线压缩特性，其压缩曲 线如图所示。
坐标横轴代表输入信号 vi ，最大输入信号幅度为 1，在 vi 的 0 ~ 1 区间分为 8 个量化段，分段点为 0、1/2、1/4、1/8、 1/16、1/32、1/64、1/128，最小输入信号范围间隔最小。大输入 信号间隔最大，横轴各个段分为 16 等分。纵轴代表压缩后的输 入信号 vo，选取 8 个分段点：1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、 7/8、1 从上图可知，8 个断点的折线斜率是不同的 ，第一折线 斜率小
（1）均匀量化 将取样信号幅度变化范围划分为若干量化等级，每个量化 等级的间隔相等，称为均匀量化。如图所示为均匀量化的传输 特性，语音信号的取样幅度在 -V ~ +V 内连续变化，对应的量 有8个。
量化误差：量化值与实 际样值之间的误差。小信号 的量化误差大。
（2）非均匀量化 对小信号采用小级差量化，大信号采用大级差量化，克服 了均匀量化产生的小信号量化误差大的缺点。
图所示为一个简单的取样电路。
信号受控于取样脉冲， 当取样脉冲来的时候，场效 应晶体管 VT 的栅极加上正 向电压，导通，输入信号经 过场效晶体管的漏极-源极到 达输出端。没有取样脉冲时 VT 截止，信号不能通过。
因此，该电路在取样脉冲高电平时取样，低电平为取样间 隔时间。
2．量化
将取样的信号用“四舍五入”的办法归类为若干个幅度取 值的量化信号，这个过程成为“量化”。量化的方式为均匀量 化和非均匀量化。
8 位编码中各个位 表示的含义见表Biblioteka 量化段 号87
6 5 4 3 2 1
输入电平 范围
（vd）
1024 ~ 2048
极性 码
D1 1
512 ~ 1 1024
256 ~ 512 1
128 ~ 256 1
64 ~ 128 1
32 ~ 64 1
16 ~ 32 1
0 ~ 16 1
量化段码
D2 D3 D4 1 11
（2）长周期预测器 它提取的特征参数用于表征浊音的音 调结构。
（3）激励脉冲发生器 输入的语音数据信号与合成预测值 Sn 二者进行比较获得误差电信号。
RPE – LTP 语音编码属于参数编码。
3．语音处理电路实例 摩托罗拉 cd928 双频手机语音处理电路包括发送语音基带 处理电路、接收语音基带处理电路两部分，电路原理框图如图 所示。
（2）PCM 解码 解码是编码的反变换，用于数字手机的语 音数/模转换电路。通过解码后的信号通过扩张电路恢复大小信 号幅度的正常比例，再通过低通滤波器滤去高频次波，保留基 波成分，就可恢复到原来的语音信号。
二、语音编码与解码
1．语音编码 目的：维持一定的语音质量的前提下，压缩语音数据量， 以实现 GSM 系统一个载波上分时传送 8 路语音信号的要求。 分波形编码和声源编码两类。 波形编码以再现波形为目的，利用波形相关性采用线性预 测技术，尽可能不失真的恢复原来的输入语音波形。波形编码 可以保证较高的通话质量。 声源编码是将语音信息用特定的声源模型表示，该技术确 定了一套模拟声带频谱特性的滤波器系数和若干声源参数。声 源编码后传送语音特性参数所需的数码大大降低。
（1）PCM 编码
按照 A 律 13 折线方式，将 - vi 至 + vi 的量化区间划分为 16 个正负对称的量化段，每一段均匀分为 16 个等间隔，可用 8 个二进制数码来表示所有值，即对量化信号进行编码，实现 数字化。
第 1 位 D1：极性码：正 D1 = 1；D1 = 0。 第 2、3、4 位 D2D3D4 ：量化码。 后 4 位 D5D6D7D8：代表段内 16 个等间隔。
1 10
1 01 1 00 0 11 0 10 0 01 0 00
段内间隔码的权限 （vd）
D5 D6 D7 D8 29 28 27 26
28 27 26 25
27 26 25 24 26 25 24 23 25 24 23 22 24 23 22 21 23 22 21 20 23 22 21 20
RPE - LTP语音编码属于参数编码。
2．语音解码
数字手机接受到经语音编码压缩的语音信号，即语音特征 参数传送到接收端，接收端按特征参数来解压缩，还原语音信 号，这就是语音解码。
GSM 手机采用规则 激励线性预测（RPE-LTP） 语音编码器，原理框图如 所示。
（1）线性预测器 它是由8抽头滤波器组成的 8 个声域分析 电路。
（1）发送语音 基带处理电路 。
（2）接受语音 基带处理电路。
Δvo1 1 8 16 Δvi1 1 128
第 8 段折线斜率为
Δvo8 1 8 1 4 Δvi8 1 2
由此可见小信号折线斜率大， Δvo Δvi ，信号被放大； 大信号时折线斜率小，Δvo Δvi ，信号被压缩。
3．PCM 编码与解码
PCM 编码是将取样并量化的信号变换成一组二进制数码， 而PCM解码是将一组二进制数码还原成相应幅值的量化值。
一、语音信号的模/数 转换
数字化：即将连续变化的模拟信号转换为二进制的数码 0 和 1。完成这种转换功能的电路称为数/模 转换器，常用“A/D” 或“ADC”来表示。数字手机一般采用脉冲编码调制（PCM） 进行模数转换，其原理图如所示。
1．取样
每隔一定的 t 时间，对模拟信号提取一次样值，将连续 变化的信号转换为一个个等间隔的脉冲信号，其幅值等于各瞬 间模拟信号的幅值，如图所示。