语音信号数字化编码

2.2 脉冲编码调制——PCM

PCM的概念

脉冲编码调制是实现模拟信号数字化的一种方式。 其信号变换和处理过程如下
抽样 量化 编码 传输 解码 平滑滤波 信 号 输 出
信 号 输 入

抽样、量化、编码
抽样


将时间域上连续的信号处理成时间域上离散的 信号的过程称为抽样。 抽样示意图为

电路模型为
编码

编码把模拟信号样值变化为对应的二进制码组 从概念上讲，编码过程可以用天平称某一物体 重量的过程类比。

3个标准砝码，4g, 2g, 1g 物体重量： 5g 过程：测试，保留or去掉，测试，保留or去掉……
物体
砝码
线性编解码



对应于均匀量化特性的编码电路叫做线性编码 电路，其特点是码组中各码位权值是定数，它 不随着输入信号幅度的变化而变化 实现方法：级联逐次比较型编码，反馈型编码 等 下面介绍编码电路及其工作原理
非均匀量化的实现（3）
非均匀量化的实现（4）

目前PCM通信系统采用的两种描述压扩特性 的方法。 律特性：以 作为参量

A律特性：以A作为参量
律、A律压扩特性

律压扩特性
ln(1 | x |) y (0 | x | 1) ln(1 )

A律压扩特性
A| x | 1 y (0 | x | ) 1 ln A A 1 ln A | x | 1 y ( | x | 1) 1 ln A A
低通信号

低通信号定义

低通信号是指低端频率从0或某一低限频率f0到某一 高限频率fM的带限信号，并有f0< fM- f0的限定条件。
0
f0
fM
低通抽样定理（1）

低通抽样定理

设时间连续信号f(t),其最高频率为fM.如果用时间间 隔为fs的开关信号对f(t)进行抽样，则f(t)就可以被样 值信号 f (t ) f (nT ) 来唯一表示。或者说，要从样值 序列中无失真低恢复原时间连续信号，其抽样频率 应选为 f S 2 f M
最简单的语音编码调制为脉冲编码调制（PCM）。其 工作过程如下图

我们主要研究A/D变换，即模拟信号数字化过程。主 要包括三个阶段：抽样、量化、编码。

抽样：将模拟信号在时间域上离散化 量化：将模拟信号在幅度域上离散化 编码：将量化后的样值用一定的二进制代码来表示
语音信号编码的分类

根据语音信号的特点及编码的实现方式，语音 编码可以分为：

比较器：使输入样值幅度与本地解码输出的基准电 压进行比较，如前大于后，输出“1‖，反之，输出 “0‖
7位反馈型线性编码器编码示例

输入样值93
编码结果：1011101
时钟脉冲P1—>触发器FF1 ->―1‖控制开关SA1关闭—>本地解码“64‖—> 比较器93-64=29>0—>比较器输出“1‖―1―使得禁止门关闭—>FF1保持”1― 时钟脉冲P2—>触发器FF2 ―1‖ ->―1‖控制开关SA2关闭—>本地解码“64+32‖—> 比较器93-96=-3<0—>比较器输出“0‖ 时钟脉冲P3—>(1)使FF2置”0―,(2)触发器FF3 ―1‖->―1‖控制开关SA3关闭—> 本地解码“64+16‖—>比较器93-80=13>0—>比较器输出“1‖……


采用均匀量化时，其量化信噪比随信号电平的 减小而下降。出现大信号信噪比大，小信号信 噪比小的现象。不利于语音传输，为了解决这 一问题，提出了非均匀量化的概念 非均匀量化的特点是：信号幅度小时，量化间 隔小，其量化误差小；信号幅度大时，量化间 隔大，其量化误差也大，从而使得各信号信噪 比一样。
非均匀量化
2.1 语音信号编码的基本概念及分类

目前通信业务主要有电话业务和图像（传真、 电视）业务等，这两种通信业务的信源信息都 是在时间和幅度上均匀连续的模拟信号，要实 现数字化的传输和交换，首先要把模拟信号转 换为数字信号。电话信号的数字化称为语音编 码，图像信号的数字化称为图像编码。
语音编码概念

7位反馈型线性编码器（1）

图
时钟脉冲P8用做抽样和清除
7位反馈型线性编码器（2）

构成单元


抽样保持电路：在一个抽样时间内保持抽样的瞬时 幅度不变 本地解码网络：完成对输入编码的本地解码，以提 供进行比较的基准电压

禁止门：11->0, 10->0, 01 ->1 或门：11->1, 01 -> 1, 00 -> 0 触发器（FF） 控制开关（SA）


量化是把信号在幅度域上连续取值变化为幅度域上 离散取值的过程。 另一种定义方式将幅度域连续取值的信号在幅度域 上划分为若干个分层，在每个分层范围内的信号用 “四舍五入”的办法取某一个固定的值来表示。
量化（2）

量化示意图
均匀量化及量化信噪比


根据量化分层的方法不同，即根据被量化的输 出信号u0 (t ) 与原输入信号 u (t ) 之间的关系，可 以分为均匀量化和非均匀量化 均匀量化




（1）送入第一级编码电路的时延电路和幅度鉴别电路。 幅度鉴别：4.8V > 7/2V, 脉冲形成电路输出逻辑“1‖，产 生标准电压3.5V。相减4.8-3.5=1.3V，送入第二级编码电 路 （2）1.3V送入第二级编码电路的时延电路和幅度鉴别电 路。幅度鉴别：1.3V < 7/4V, 脉冲形成电路输出逻辑“0‖， 产生标准电压0V。相减1.3-0=1.3V ，送入第三级编码电 路 （3）1.3V送入第三级编码电路的时延电路和幅度鉴别电 路。幅度鉴别：1.3V > 7/8V, 脉冲形成电路输出逻辑“1‖， 产生标准电压7/8V。相减得0.425V 编码输出“101‖，绝对误差0.425V
ep(e)de
1 /2 / 2 ede 0

方差为：
1 /2 2 2 E[e ] e p(e)de e de / 2 / 2 12
2 e 2 /2 2
量化噪声分析 (2)

量化信噪比：
2 2 2 x S 2k 2 2 2 2k x 2 x 2 3M [ 2 ] 3 2 ( 2 ) 3 2 / K cr 3M / K cr = Nq e x max x max
s s
时频域分析

抽样脉冲序列：
T (t )

抽样运算：
k
(t kT )
s

T ( ) s
n
( n )
s

f s (t ) f (t )T (t ) f (t ) (t kTs )
k

k


f (kT ) (t kTs )
第二章：语音信号数字化 编码



2.1 语音信号编码的基本概念及分类 2.2 脉冲编码调制——PCM 2.3 差值脉冲编码调制——DPCM 2.4 子带编码——SBC 2.5 参量编码 2.6 IP电话系统简介及IP电话系统语音编码技 术的应用标准



2.1 语音信号编码的基本概念及分类 2.2 脉冲编码调制——PCM 2.3 差值脉冲编码调制——DPCM 2.4 子带编码——SBC 2.5 参量编码 2.6 IP电话系统简介及IP电话系统语音编码技 术的应用标准
3 22 k / K 2 cr

dB表示
S ( )dB 4.8 6.02k 10 lg K 2cr Nq

K 其中，cr ——信号波形因数，或峰值系数，它是输 入信号的幅度与其有效值的比例。
*量化信噪比

量化信噪比为
( S / N q )dB
2 1 10lg 2 2 e X e N Xe

频域 :
1 Fs ( ) f ( ) * T ( ) f s F ( ns ) 2 n
低通抽样定理（2）

低通抽样结果
1 Fs ( ) TS
n
F ( n )
s


示意图为
低通抽样定理（3）
量化（1）


抽样后的信号是脉冲幅度调制信号，即PAM。 PAM信号在时间域上离散，但在幅度域上连续， 所以仍然是模拟信号。还需要将此信号在幅度 上离散化。 量化概念

波形编码（PCM）

对信号的波形进行编码。 提取语音信号的一些特征，对其进行编码。 介于波形编码与参量编码之间，在参量编码的基础上，引 入一定的波形编码的特征。

参量编码（LPC）


混合编码（SBC）




2.1 语音信号编码的基本概念及分类 2.2 脉冲编码调制——PCM 2.3 差值脉冲编码调制——DPCM 2.4 子带编码——SBC 2.5 参量编码 2.6 IP电话系统简介及IP电话系统语音编码技 术的应用标准

一般Biblioteka Baidu进制码编码 循环码编码 折叠二进制码编码
编码示意图

4位二进制码的码组表示
三种码字比较（1）



一般二进制码的编码变换过程简单，在解码时， 可以逐位独立进行； 循环码编码的变换过程复杂，解码时不能逐位 独立进行； 折叠二进制码是除最高权值码位外其余的码位 是一般二进制码的折叠。在编码过程中用最高 权值码位表示信号的正负，其余各位码表示信 号的绝对值，因此，折叠二进制编码最适合对 双极性信号编码。
三种码字比较（2）

从传输过程中误码所产生的噪声角度出发：

传输错误0->1, 1->0
由误码噪声引起的信 噪比随着音量的下降 而恶化
对中，高音的信号，误 码噪声的信噪比差异较 小，而对低音量的信号 而言其差异显著 折叠二进制编码优于一般二进制编码 和循环二进制编码（原因：后两种编 码的码组中最高比特的误码总是对应 于量化范围1/2处的大噪声，而折叠 码最高比特位的误码相当于信号的极 性反转）

Xe
1 10
属于小信号，信噪比可简写为
( S / N q ) dB 20 lg( 3N ) 20 lg X e

Xe
1 10
属于大信号，信噪比可简写为
( S / N q ) dB 20 lg X e 6l 4.8

其中：N为量化分级数，l编码位数，Xe归一化电压
非均匀量化及压缩扩张技术
A律13折线压扩特性


用13段折线代替原A律 压扩曲线。 各段斜率
段号 1 2 3 4 5 6 7 8 斜率 16 16 8 4 2 1 ½ 1/4
编码与解码

这里讲的编码与解码是指信源编码和信源解码 二进制码组的编码位数l与所能表示的数值个 数N的关系为
N 2
l

目前使用的二进制码组的编码关系有：
i

量化分级间隔相等的量化方式为均匀量化
量化噪声分析 (1)


量化产生噪声，主要的原因是将信号抽样后的幅度进 行了近似化处理，而在这个过程中，量化精度为 / 2 ， 所以，量化误差是在（ 2 ，2 ）内均匀分布的随机变 量。由此可得： 均值为：
E[ek ] ek
/2 / 2
级联逐次比较型编码（1）

编码电路构成框图如下图：

图中各级的幅度鉴别阈值和标准电压分别等于 输入信号最大幅度值的1/2, ¼, 1/8,…。如输入 信号最大幅度值为7V，用3位编码，各级的幅 度值和标准电压分别为：7/2, 7/4, 7/8
级联逐次比较型编码（2）

编码器的工作工程如下：

假定输入样值幅度值为4.8V
反馈型线性编码器

目前反馈性编码器主要采用数字电路方式实现， 它主要由比较器和本地解码器两部分组成。


本地解码器对输出的编码信号逐位解码，其解码输 出与输入样值进行比较，比较一次有一位编码输出， 直至使输入样值与所有码位的解码加权总和之差很 小，或接近零，这样一个样值的编码完成。 下面以7位反馈型线性编码器为例说明其工作原理

非均匀量化特性及量化误差
非均匀量化的实现（1）

实现非均匀量化的方式之一是采用压缩扩张技 术。其根本点是：在发送端对输入量化器的信 号先进行压缩处理，在接收端在进行相对应的 扩张处理
非均匀量化的实现（2）

压缩处理

由下图可以看出，压缩特性是：在最大信号时其增益系数为 1，随着信号的减小增益系数逐渐变大，信号通过这种压缩 电路处理后改变了大信号与小信号之间的比例关系——大信 号时比例基本不变或变化很小，而小信号则相应按比例增大。 这样，把经过压缩器处理的信号在进行均匀量化，其最后结 果就等效于对原信号进行非均匀量化