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2 自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)
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mk ek
m’k
t
在PCM中，每个波形样值都独立编码，与其他样值无 关， 这样，样值的整个幅值编码需要较多位数，比特率较 高， 造成数字化的信号带宽大大增加。
-10-
Principles of Digital Communications
然而，大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在 相邻抽样间表现出很强的相关性，有很大的冗余度。
通信质量是指语音质量有所下降，但仍然保证足够高的自 然度和可懂度，可以满足大多数专用通信系统的要求。
-4-
Principles of Digital Communications
合成语音质量是指语音保持足够高的可懂度，但自然度及 保留讲话人语音个性等方面未够好。
• 编码速率：通常用模拟信号经过抽样、量化和编码之后产 生的数字信号的信息传输速率来度量，单位为bit/s。平均 每样值的比特数越高，量化就越细，语音质量也越容易提 高，相应的对传输带宽或存储容量的要求也越高。
种编码，即在参数编码的基础上，引入波形编码的一些特 征，以达到改善声音自然度的目的。 常用的编码类型有：多脉冲激励线性预测编码(MPLPC)、规 则脉冲激励线性预测编码(RPELPC)、码本激励线性预测编 码(CELP)。
-7-
PrinLeabharlann Baiduiples of Digital Communications
Principles of Digital Communications
第五章 语音编码技术
5.1 语音编码概述 5.2 语音信号的波形编码 5.3 语音信号的参数编码 5.4 语音信号的混合编码
-1-
Principles of Digital Communications
5.1 语音编码概述
1. 模拟信号数字传输原理
3. 语音编码方法的分类
• 波形编码：从语音信号波形出发，对波形的采样值、预测 值或预测误差值进行编码。它以重建语音波形为目的，力 图使重建波形接近原信号波形。常用的编码类型有：脉冲 编码调制(PCM)、自适应增量调制(ADM)、自适应差分编 码(ADPCM)、自适应预测编码(APC)、子带编码(SBC)和 自适应变换编码(ATC)。
0.125
< 50 0.125
-8-
Principles of Digital Communications
5.2 语音信号的波形编码
1. 脉冲编码调制(PCM)
m(t)
抽样
A/D变换 msq(t)
量化
编码
ms(t)
干扰 信道
m^(t)
低通 滤波
m^sq(t) 译码
PCM通信系统模型
-9-
Principles of Digital Communications
模拟 信号 源
抽样、量化 和编码
数字通 信系统
译码和低 通滤波
发送端
接收端
语音信号的模拟带宽一般不到4kHz，经过调制后所需要的 带宽不超过8kHz，但是在以8kHz速率抽样，并且用8个比特 表示每个样值时，实际的编码速率将是64kbit/s，如果采用 二进制基带传输，信道传输的带宽最小也不能低于32kHz。
实现差分编码的一个好办法是根据前面的p个样值预测 当前时刻的样值。编码信号只是当前样值与预测值之间的差 值的量化编码。
-2-
Principles of Digital Communications
从理论上讲，语音信号包含大量的冗余，这个速率完全是 可以压缩的，信源编码技术的核心就是研究压缩编码算法， 用尽可能低的传信率获得尽可能好的语音质量。
按照处理方式的不同，信源压缩编码方法有以下几种：
• 概率匹配编码：根据编码对象出现的概率分配不同长 度的代码，以保证总的代码长度最短。
4. 语音编码标准
标准
G.711 G.721 G.723 G.723 G.723
时 间 编码算法 比特率 语音 MIPS kbit/s 质量
1972 PCM
64 长途 <<1
1984 1986 1988 1990
ADPCM
32
16 /32 长途
/24 /40
1 . 25
RAM (byte)
1
帧长 (ms)
• 编解码延时：对语音信号的分帧处理以及复杂的算法实现 会产生比较明显的编解码延时，它与传输延时一起构成了 系统的主要延时。在实时语音系统中，总延时太长会影响 双方的正常交谈。一般要求语音编解码延时低于100ms。
-5-
Principles of Digital Communications
• 算法复杂度：考虑到硬件实现的可能性、复杂度和成本， 一种实用的算法必须在保持一定性能的前提下，尽可能将 其运算复杂度降到最低。
• 参数编码：从语音信号的产生机理出发，提取描述语音信 号的特征参数，对特征参数或其预测值进行编码。
-6-
Principles of Digital Communications
从语音段中提取的参数在接收端合成一个新的声音相 似但波形不尽相同的语音信号，实现这一过程的系统叫声 码器。
常用的编码类型有：线性预测编码器(LPC)等。 • 混合编码：混合编码是介于波形编码与参数编码之间的一
• 识别编码：分解文字、语音和图像的基本特征，与汇 集这些基本特征的样本集对照识别，选择失真最小的 样本编码传送。
2. 语音编码的性能指标
• 语音质量：在数字通信中，语音质量可以分为广播级质量、 长途通信质量、通信质量以及合成语音质量四级。
广播级质量是高质量的宽带(8kHz)广播解说语音。
长途通信质量是指与传统的模拟电话带宽(300-3400Hz)语 音信号相当的质量。
• 预测编码：利用信号之间的相关性，预测未来信号， 对预测的误差(或残差)进行编码。
• 变换编码：利用信号在不同函数空间分布的不同，选 择合适的函数变换将信号从一种信号空间变换到另一 种更有利于压缩编码的信号空间，再进行编码。
-3-
Principles of Digital Communications
利用信源的这种相关性，一种比较简单的解决方法是对 相邻样值的差值而不是样值本身进行编码。可以在量化台阶 不变的情况下（即量化噪声不变），编码位数显著减少，信 号带宽大大压缩。这种利用差值的PCM编码称为差分PCM （DPCM）。
如果将样值之差仍用N 位编码传送，则DPCM的量化信 噪比显然优于PCM系统。
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在PCM中，每个波形样值都独立编码，与其他样值无 关， 这样，样值的整个幅值编码需要较多位数，比特率较 高， 造成数字化的信号带宽大大增加。
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Principles of Digital Communications
然而，大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在 相邻抽样间表现出很强的相关性，有很大的冗余度。
通信质量是指语音质量有所下降，但仍然保证足够高的自 然度和可懂度，可以满足大多数专用通信系统的要求。
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Principles of Digital Communications
合成语音质量是指语音保持足够高的可懂度，但自然度及 保留讲话人语音个性等方面未够好。
• 编码速率：通常用模拟信号经过抽样、量化和编码之后产 生的数字信号的信息传输速率来度量，单位为bit/s。平均 每样值的比特数越高，量化就越细，语音质量也越容易提 高，相应的对传输带宽或存储容量的要求也越高。
种编码，即在参数编码的基础上，引入波形编码的一些特 征，以达到改善声音自然度的目的。 常用的编码类型有：多脉冲激励线性预测编码(MPLPC)、规 则脉冲激励线性预测编码(RPELPC)、码本激励线性预测编 码(CELP)。
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PrinLeabharlann Baiduiples of Digital Communications
Principles of Digital Communications
第五章 语音编码技术
5.1 语音编码概述 5.2 语音信号的波形编码 5.3 语音信号的参数编码 5.4 语音信号的混合编码
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5.1 语音编码概述
1. 模拟信号数字传输原理
3. 语音编码方法的分类
• 波形编码：从语音信号波形出发，对波形的采样值、预测 值或预测误差值进行编码。它以重建语音波形为目的，力 图使重建波形接近原信号波形。常用的编码类型有：脉冲 编码调制(PCM)、自适应增量调制(ADM)、自适应差分编 码(ADPCM)、自适应预测编码(APC)、子带编码(SBC)和 自适应变换编码(ATC)。
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Principles of Digital Communications
5.2 语音信号的波形编码
1. 脉冲编码调制(PCM)
m(t)
抽样
A/D变换 msq(t)
量化
编码
ms(t)
干扰 信道
m^(t)
低通 滤波
m^sq(t) 译码
PCM通信系统模型
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Principles of Digital Communications
模拟 信号 源
抽样、量化 和编码
数字通 信系统
译码和低 通滤波
发送端
接收端
语音信号的模拟带宽一般不到4kHz，经过调制后所需要的 带宽不超过8kHz，但是在以8kHz速率抽样，并且用8个比特 表示每个样值时，实际的编码速率将是64kbit/s，如果采用 二进制基带传输，信道传输的带宽最小也不能低于32kHz。
实现差分编码的一个好办法是根据前面的p个样值预测 当前时刻的样值。编码信号只是当前样值与预测值之间的差 值的量化编码。
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Principles of Digital Communications
从理论上讲，语音信号包含大量的冗余，这个速率完全是 可以压缩的，信源编码技术的核心就是研究压缩编码算法， 用尽可能低的传信率获得尽可能好的语音质量。
按照处理方式的不同，信源压缩编码方法有以下几种：
• 概率匹配编码：根据编码对象出现的概率分配不同长 度的代码，以保证总的代码长度最短。
4. 语音编码标准
标准
G.711 G.721 G.723 G.723 G.723
时 间 编码算法 比特率 语音 MIPS kbit/s 质量
1972 PCM
64 长途 <<1
1984 1986 1988 1990
ADPCM
32
16 /32 长途
/24 /40
1 . 25
RAM (byte)
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帧长 (ms)
• 编解码延时：对语音信号的分帧处理以及复杂的算法实现 会产生比较明显的编解码延时，它与传输延时一起构成了 系统的主要延时。在实时语音系统中，总延时太长会影响 双方的正常交谈。一般要求语音编解码延时低于100ms。
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Principles of Digital Communications
• 算法复杂度：考虑到硬件实现的可能性、复杂度和成本， 一种实用的算法必须在保持一定性能的前提下，尽可能将 其运算复杂度降到最低。
• 参数编码：从语音信号的产生机理出发，提取描述语音信 号的特征参数，对特征参数或其预测值进行编码。
-6-
Principles of Digital Communications
从语音段中提取的参数在接收端合成一个新的声音相 似但波形不尽相同的语音信号，实现这一过程的系统叫声 码器。
常用的编码类型有：线性预测编码器(LPC)等。 • 混合编码：混合编码是介于波形编码与参数编码之间的一
• 识别编码：分解文字、语音和图像的基本特征，与汇 集这些基本特征的样本集对照识别，选择失真最小的 样本编码传送。
2. 语音编码的性能指标
• 语音质量：在数字通信中，语音质量可以分为广播级质量、 长途通信质量、通信质量以及合成语音质量四级。
广播级质量是高质量的宽带(8kHz)广播解说语音。
长途通信质量是指与传统的模拟电话带宽(300-3400Hz)语 音信号相当的质量。
• 预测编码：利用信号之间的相关性，预测未来信号， 对预测的误差(或残差)进行编码。
• 变换编码：利用信号在不同函数空间分布的不同，选 择合适的函数变换将信号从一种信号空间变换到另一 种更有利于压缩编码的信号空间，再进行编码。
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Principles of Digital Communications
利用信源的这种相关性，一种比较简单的解决方法是对 相邻样值的差值而不是样值本身进行编码。可以在量化台阶 不变的情况下（即量化噪声不变），编码位数显著减少，信 号带宽大大压缩。这种利用差值的PCM编码称为差分PCM （DPCM）。
如果将样值之差仍用N 位编码传送，则DPCM的量化信 噪比显然优于PCM系统。