语音编码技术解读
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移动通信原理与应用
黑龙江大学电子工程学院 杨杰
目录
第一章 概 述 第二章 蜂窝移动通信系统 第三章 无线移动通信信道 第四章 移动通信的调制技术 第五章 抗衰落技术 第六章 语音编码技术 第七章 移动通信中的多址接入技术 第八章 移动通信网 第九章 GSM通信系统 第十章 IS-95 CDMA移动通信及其标准介绍 第十一章 第三代移动通信及其标准介绍
2020/11/19
2
第六章 语音编码技术
6.1 概 述
6.1.1 语音编码技术
6.1.2 语音评价
6.2 语音波形编码
6.2.1 语音波形编码概述
6.2.2 脉冲编码调制
6.3参量编码
6.3.1 参量编码的基本原理
6.3.2 线性预测
6.4 激励线性预测和矢量编码
6.4.1 激励源和混合编码
图6.2 语音波形编码原理图
波形编码包括两个基本过程：抽样和量化，而这两 个过程也是所有语音编码的基础。
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6.2.2 脉冲编码调制
脉冲编码调制（PCM：Pulse Coded Modulati-on）
定义:直接将样值编码为信号的方法.
图6.3 PCM的组成
在有线数字通信中，常用64kbit/s PCM码传输数字语音 信号。对于无线传输来说，由于受频带的限制，必须采用 低速率、高质量的编码技术方法，所以，在数字峰窝网中 的有线无线接口处，要进行64kbit/s PCM码与其他编码体 制的转换。
主观评定方法是主观评定等级（Subjective Opinion Scale），或称平 均评定得分（MOS）。MOS得分采用五级评分标准，其方法是由数 十名试听者在相同信道环境中试听并给予评分，然后对评分进行统计 处理，求出平均得分。
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语音编码技术分类
2020/11/19
Βιβλιοθήκη Baidu
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语音编码技术分类
2020/11/19
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语音编码的发展
极低速率语音编码，600bps 高保真语音编码 自适应多速率语音编码 新的编码分析技术：
非线性预测 多精度时频分析技术（子波分析技术） 高阶统计分析技术
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6.2 语音波形编码
6.2.1 语音波形编码概述
人的语音频带范围为300～3400Hz（一般为0～3400Hz）。 波形编码是直接在时间域上将模拟的语音信号变换为数字 信号。图6.2示出了语音波形数字编码的原理框图。
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脉冲编码调制PCM基本原理
模数转换要经过抽样、量化和编码三个步骤。
T t
模拟信
抽
量
编
数字通
译
低
息源
样
化
码
信系统
码
通
xˆ t
x(t) 模拟随机信号
xs t
xq t
sk
sˆk
xˆq t
A/D模数转换
D/A数模转换
图6-1 模拟信号的数字传输
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模拟
x(t)
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6.1.2 语音评价
表6.1 主观评定等级
质量等级 优
良 满意(正常) 差 劣
分数 5
4 3 2 1
收听注意力等级 可完全放松，不需要注意力 需要注意，但不需要明显集 中注意力 中等程度的注意力 需要集中注意力 即使努力去听，也很难听懂
客观评定方法用客观测量的手段来评价语音编码的质量，常用的方法 有信噪比、加权信噪比、平均分段信噪比等。
编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。
例：语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要 经过三个步骤：采样、量化、编码。编码后的信号称为PCM（Pulse Coded Modulation）信号（脉码调制信号）
波形编码：将时域模拟话音的波形信号经过采样、量化和编 码形成数字语音信号
编码速率较高：16k~64k 包括：PCM、ADPCM、ΔM、CVSDM、APC等 占用较高带宽，适合有线
参量编码：基于人类语音的产生机理建立数学模型，根据输 入语音得出模型参数并传输，在收端恢复。
编码速率较低：1.2k~4.8kbps 包括各种线性预测编码（LPC）方法和余弦声码器等 语音质量中等，不满足商用要求
混合编码：波形编码+参量编码（LPAS）
包括GSM的RPE-LPC编码和VSELP编码
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用于移动通信的语音编码
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语音编码标准
G.711 G.721 G.722 G.723 G.728 G.729
PCM(64kbps)
ADPCM(32kbps) 7kHz带宽64kbps速率内的音频编码 6.3k/5.6k双速率多媒体语音编码 16kbps语音编码LD-CELP 8kbps多媒体语音编码
(5) 算法的复杂程度要适中，应易于大规模电路集成。
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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：
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
6.4.2 规则脉冲激励长期预测编码
6.4.3 矢量量化编码
6.4.4 码激励线性预测编码
6.4.5 矢量和激励线性预测编码
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6.1 概 述
6.1.1 语音编码技术
(1) 编码的速率要适合在移动信道内传输，纯编码速率应低 于16kbit/s (2) 在一定编码速率下语音质量应尽可能高，即解码后的复 原语音的保真度要高，主观评分MOS（Mean Opinion Score）应不低于3.5 (3) 编解码时延要短，总时延不得超过65ms (4) 要能适应衰落信道的传输，即抗误码性能要好，以保持
预滤
信源
波器
x(n) 波形编码器
抽样器 量化、编码
模拟 信源
数字信道
重建滤波器 抽样保持，低通
波形解码器
3.2 3.9 2.8 3.4
4.2
1.2
脉冲编码调制(PCM)简称脉码调制。 包括三个过程：抽样、量化、编码。
抽样是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽 样信号；
量化是把离散时间连续幅度的抽样信号转换成离散时间离 散幅度的数字信号；
黑龙江大学电子工程学院 杨杰
目录
第一章 概 述 第二章 蜂窝移动通信系统 第三章 无线移动通信信道 第四章 移动通信的调制技术 第五章 抗衰落技术 第六章 语音编码技术 第七章 移动通信中的多址接入技术 第八章 移动通信网 第九章 GSM通信系统 第十章 IS-95 CDMA移动通信及其标准介绍 第十一章 第三代移动通信及其标准介绍
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第六章 语音编码技术
6.1 概 述
6.1.1 语音编码技术
6.1.2 语音评价
6.2 语音波形编码
6.2.1 语音波形编码概述
6.2.2 脉冲编码调制
6.3参量编码
6.3.1 参量编码的基本原理
6.3.2 线性预测
6.4 激励线性预测和矢量编码
6.4.1 激励源和混合编码
图6.2 语音波形编码原理图
波形编码包括两个基本过程：抽样和量化，而这两 个过程也是所有语音编码的基础。
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6.2.2 脉冲编码调制
脉冲编码调制（PCM：Pulse Coded Modulati-on）
定义:直接将样值编码为信号的方法.
图6.3 PCM的组成
在有线数字通信中，常用64kbit/s PCM码传输数字语音 信号。对于无线传输来说，由于受频带的限制，必须采用 低速率、高质量的编码技术方法，所以，在数字峰窝网中 的有线无线接口处，要进行64kbit/s PCM码与其他编码体 制的转换。
主观评定方法是主观评定等级（Subjective Opinion Scale），或称平 均评定得分（MOS）。MOS得分采用五级评分标准，其方法是由数 十名试听者在相同信道环境中试听并给予评分，然后对评分进行统计 处理，求出平均得分。
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语音编码技术分类
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Βιβλιοθήκη Baidu
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语音编码技术分类
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10
语音编码的发展
极低速率语音编码，600bps 高保真语音编码 自适应多速率语音编码 新的编码分析技术：
非线性预测 多精度时频分析技术（子波分析技术） 高阶统计分析技术
2020/11/19
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6.2 语音波形编码
6.2.1 语音波形编码概述
人的语音频带范围为300～3400Hz（一般为0～3400Hz）。 波形编码是直接在时间域上将模拟的语音信号变换为数字 信号。图6.2示出了语音波形数字编码的原理框图。
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脉冲编码调制PCM基本原理
模数转换要经过抽样、量化和编码三个步骤。
T t
模拟信
抽
量
编
数字通
译
低
息源
样
化
码
信系统
码
通
xˆ t
x(t) 模拟随机信号
xs t
xq t
sk
sˆk
xˆq t
A/D模数转换
D/A数模转换
图6-1 模拟信号的数字传输
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模拟
x(t)
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5
6.1.2 语音评价
表6.1 主观评定等级
质量等级 优
良 满意(正常) 差 劣
分数 5
4 3 2 1
收听注意力等级 可完全放松，不需要注意力 需要注意，但不需要明显集 中注意力 中等程度的注意力 需要集中注意力 即使努力去听，也很难听懂
客观评定方法用客观测量的手段来评价语音编码的质量，常用的方法 有信噪比、加权信噪比、平均分段信噪比等。
编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。
例：语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要 经过三个步骤：采样、量化、编码。编码后的信号称为PCM（Pulse Coded Modulation）信号（脉码调制信号）
波形编码：将时域模拟话音的波形信号经过采样、量化和编 码形成数字语音信号
编码速率较高：16k~64k 包括：PCM、ADPCM、ΔM、CVSDM、APC等 占用较高带宽，适合有线
参量编码：基于人类语音的产生机理建立数学模型，根据输 入语音得出模型参数并传输，在收端恢复。
编码速率较低：1.2k~4.8kbps 包括各种线性预测编码（LPC）方法和余弦声码器等 语音质量中等，不满足商用要求
混合编码：波形编码+参量编码（LPAS）
包括GSM的RPE-LPC编码和VSELP编码
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用于移动通信的语音编码
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9
语音编码标准
G.711 G.721 G.722 G.723 G.728 G.729
PCM(64kbps)
ADPCM(32kbps) 7kHz带宽64kbps速率内的音频编码 6.3k/5.6k双速率多媒体语音编码 16kbps语音编码LD-CELP 8kbps多媒体语音编码
(5) 算法的复杂程度要适中，应易于大规模电路集成。
2020/11/19
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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：
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
6.4.2 规则脉冲激励长期预测编码
6.4.3 矢量量化编码
6.4.4 码激励线性预测编码
6.4.5 矢量和激励线性预测编码
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6.1 概 述
6.1.1 语音编码技术
(1) 编码的速率要适合在移动信道内传输，纯编码速率应低 于16kbit/s (2) 在一定编码速率下语音质量应尽可能高，即解码后的复 原语音的保真度要高，主观评分MOS（Mean Opinion Score）应不低于3.5 (3) 编解码时延要短，总时延不得超过65ms (4) 要能适应衰落信道的传输，即抗误码性能要好，以保持
预滤
信源
波器
x(n) 波形编码器
抽样器 量化、编码
模拟 信源
数字信道
重建滤波器 抽样保持，低通
波形解码器
3.2 3.9 2.8 3.4
4.2
1.2
脉冲编码调制(PCM)简称脉码调制。 包括三个过程：抽样、量化、编码。
抽样是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽 样信号；
量化是把离散时间连续幅度的抽样信号转换成离散时间离 散幅度的数字信号；