第十一章声码器和混合编码

前向是指(n) 是由估计输入信号而得到的，而后向是指由估计 量化器的输出
前向自适应是根据未量化的样本值的均方根值来估算输入信号的 电平，以此来确定量化阶的大小，并对其电平进行编码作为边信 息(side information)传送到接收端。
其特点是使用原始信号提取预测系数，精度比较高，预测的效 果好。 但是需要将预测器系数用边信息传送到接收端的解码器，从而 减小了差值信号量化的有效比特数，处理的延时比较大。
自适应脉冲编码调制(APCM)是根据输入信号幅度大小来改变量 化阶大小的一种波形编码技术。这种自适应可以是瞬时自适应， 即量化阶的大小每隔几个样本就改变，也可以是音节自适应，即 量化阶的大小在较长时间周期里发生变化。
改变量化阶大小的方法有两种：一种称为前向自适应(forward adaptation)，另一种称为后向自适应(backward adaptation)。
相反地，在没有输入语音的无声状态时，或者是信号幅度为固定 值时，量化输出都将呈现0、1交替的序列，而译码后的波形只是 的重复增减。这种噪声称为颗粒噪声，它给人以粗糙的噪声感 觉。
2. 自适应增量调制ADM
为了减少斜率过载失真，必须把设计得大一些；但是过大， 又增加了颗粒噪声。因此，兼顾两方面要求，需按均方量化误差 为最小（即使两种失真均减至最小）来选择。
一般，PCM有均匀PCM、非均匀PCM和自适应PCM几种形式
1.均匀PCM：不论信号幅度的大小，它都采用同等的量化阶距
进行量化，即采用均匀量化。
模拟语 音信号
抗混叠 滤波
A/D转换
采量 样化
数字语
音编码 编码
2.非均匀PCM：
从观测到的语音信号概率密度可知，语音信号大量集中在低幅度 上。因而，可以利用非均匀量化来弥补均匀量化的缺点。
在16-64kbit/s的数码率上能给出高的编码质量，当数码率进一步 降低时，其性能下降较快。
典型的编码方式：脉冲编码调制PCM、自适应差分脉冲编码调制 ADPCM、子带编码SBC等。
声码器：即参数编码
特点：先对语音信号进行分析，提取出其参数，对参数进行编码， 解码后这些参数重新合成出重构的语音信号。力图使重建的语音 信号具有尽可能高的可懂度，而不必保持波形的一致。
语音编码分类：波形编码，Waveform Coder; 参数编码，Parametric Coder; 混合编码，Hybrid Coder
波形编码
特点：针对语音波形进行编码，尽量保持输入波形不变，即恢复 的语音信号基本上与输入的语音信号波形相同。
优缺点：具有适应能力强、语音质量好等优点，缺点是需要的编 码速率高。
中速率语音编码：速率4.8-16kbit/s, GSM用的RPE/LTP 13kbit/s、VSELP, 8kbit/s主要用于数字移动通信话音邮 件;
低 速 率 语音 编 码 ：速 率 1.2-4.8kbit/s, CELP, 4.8kb/s、 LPC, 1.2kb/s, 主要用于保密话音;
极低速率语音编码：速率1.2kbit/s以下
收信码 分
路
译码 译码
fs1 2w1 频率搬移
fs2 2w2 频率搬移
w1 带通滤波
w2 带通滤波
译码
fsM 2wM 频率搬移
SBC解码器
wM 带通滤波
sr(n)
SBC的优点是对应于人的听觉特性，可以比较容易地考虑噪声的抑 制；即各子带可以选用不同的量化参数以分别控制其信噪比，满足 主观听觉的要求。
差分脉冲编码调制DPCM
降低传输比特率的一种方法是减少必须编码的信息量，这要利用 语音信号中大量的冗余度。在相邻的语音样本之间存在着明显的 相关性，因此，对相邻样本间的差信号（差分）进行编码，便可 谋求信息量的压缩，因为差分信号比原语音信号的动态范围和平 均能量都小。这种编码称为差分脉冲编码调制（Differential PCM， 简称DPCM）。
由于a1是固定的，显然它不可能对所有讲话者和所有语音内容 都是最佳的，如果采用高阶（p > 1）的固定顶测，改善效果并 不明显；比较好的方法是采用高阶自适应预测。采用自适应量 化及高阶自适应预测的DPCM称为ADPCM，它本质上也是一种 APC。
CCITT（国际电报电话咨询委员会）在1984年提出的32kbit/s编 码器建议（G．721），就是采用ADPCM作为长途传输中一种新 的国际通用语音编码方案。这种ADPCM可达到标准kbit/sPCM的 语音传输质量，并具有很好的抗误码性能。
例如，由于语音能量的不平衡，对于含有基音频率和第一共振峰 的低频部分，对语音清晰度等主观品质影响较大，应分配比较多 的信息、量化细些；反之，高频部分的量化就可粗些。
这样，可以减少量化噪声对听觉的妨害程度，整体上也能降低 比特数。另外，量化噪声只能出现在各被分割的频带内，对其 他频带没有任何影响，所以可以较容易地控制噪声谱。
脉冲编码调制PCM
波形编码方式的最简单形式是脉冲编码调制(Pulse code modulation, 简称PCM)。它直接把语音信号进行采样量化，表示成二进制数 字信号，并通过并-串转换过程转换成串行的脉冲，并用脉冲对采 样幅度进行编码，以便于传输和存储。
它没有利用语音信号的冗余度，所以信号没有得到压缩，编码效 率很低。
概述
语音编码目的：在保持可以接受的失真的情况下，采用尽可能少的 比特数表示语音，即减少传输码率或存储量。
编码后同样的信道容量能传输更多路的信号，因而这类编码又称 为压缩编码，压缩编码需要在保持可懂度与音质、降低数码率和 降低编码过程的计算代价三方面折衷。
传输码率：也称为数码率，指传输每秒钟语音信号所需要的比特 数。
DPCM实质上是预测编码APC的一种特殊情况，是最简单的一阶 线性预测，即
A(z) = 1 – a1z-1
当a1= 1时，被量化的编码是e(n)＝x(n) - x(n-1)
DPCM编码的原理
+
s(n)
d (n)
量化 dq(n)
编码
I (n) I '(n) 解码 dq (n)
器
器
-
器
+
sr (n)
优缺点：优点是编码速率低，可以低到2.4kbps甚至以下，缺点是 合成语音质量差，特别是自然度低，处理复杂。 典型的编码方式：如通道声码器、相位声码器、同态声码器、线性 预测声码器等。
混合编码
特点：上述两类方法的有机结合，与参数编码相同的是，它也是基 于语音产生模型的假定并采用了分析合成技术，但同时它又利用了 语音的时间波形信息，增强了重建语音的自然度，使得语音质量有 明显的提高，代价是编码速率相应上升，一般在16-2.4Kbps之间。
即采用随输入波形自适应地改变大小的自适应编码方式，使 值随信号平均斜率而变化；斜率大时，自动增大；反之则减小。 这就是自适应增量调制（Adaptive，DM，简称ADM）。
引入自适应技术后、ADM大约可增多10dB的增益。实验表明， 取样率为56kHz时ADM具有与取样率为8kHz时的7bit对数PCM相 同的语音质量。
非均匀量化的基本思想是对大幅度的样本使用大的，对小幅度 的样本使用小的；在接收端按此还原。
PCM的量化方式
均匀量化与非均匀量化
国际上采用两种非均匀量化方法：A律和 律
3.自适应PCM(APCM)：
PCM在量化间隔上存在矛盾：为适应大的幅值要用大的，但为 了提高信噪比又希望用小的。除了前面介绍的非均匀量化外，还 有一种是采用自适应方法，称为自适应PCM （adaptive PCM，简 称APCM）。
第10章 语音编码(1)—波形编码
概述及分类 脉冲编码调制PCM 预测编码及其自适应APC 自适应差分脉冲编码调制ADPCM及自适应增量调
制ADM 子带编码SBC 自适应变换编码ATC
概述
语音编码：Speech Coding, 在语音通信及人类信息交流中占举足 轻重的地位。研究对语音信号进行压缩传输、存储等内容。目前数 字通信得以广泛应用，语音编码是将模拟语音数字化的手段。
典型的编码方式：多脉冲激励线性预测编码MPLPC、规则脉冲激励 线性预测编码RPE-LPC、码本激励线性预测编码CELP等
按传输码率分类
高速率语音编码：速率32kbit/s以上, PCM, 64kbit/s, 主 要用于公用电话网;
中高速率语音编码：速率16-32kbit/s, ADPCM, 32kbit/s, 主要用于公用网;
基于这种原理的编码方式称为预测编码(predictive coding，简称PC)
当预测系数是自适应随语音信号变化时，又称为自适应预测编码 (Adaptive PC，简称APC)。
e(n) x(n) xˆ(n)
语音数据流一般分为10 20 ms相继的帧，而预测器系数（或其 等效参数）则与预测误差一起传输。
子带编码SBC
子带编码（Sub-Band Coding，简称SBC）也称为频带分割编码
w1 带通滤波
频率搬移
fs1 2w1 量化编码
w2
f搬移
量化编码
路
wM 带通滤波
频率搬移
量化编码
首先使用带通滤波器组将语音信号分割成若干个频段也称为子带， 然后用调制的方法对滤波后的信号即子带信号进行频谱平移变成低 通信号（即基带信号），以利于降低取样率进行抽取；再利用奈奎 斯特速率对其进行取样，最后再进行编码处理。而信号的恢复按与 上面完全相反的过程进行。
各子带的带宽可以是相同的也可以是不相同的，相同的称为等带 宽子带编码，不同的称为变带宽子带编码。
正交镜像滤波器组
自适应变换编码ATC
第11章 语音编码（2）-声码器技术及混合编码
参数编码也称为模型编码。它是对语音信号建 立模型，然后对模型参数或是语音的特征参数进行 编码，力图使重建语音信号在听觉上具有尽可能高 的清晰度和可懂度。