第三章语音信号的压缩编码PPT课件
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在编码位数固定时，减小抽样值的变化 范围，也同样可以提高信噪比
即：若缩小抽样值（被编码信号）的 变化范围，就可以在保证信噪比不变 的情况下，减小编码的位数。这就是 差值编码的中心思想
二、差值编码模型图
在原来的抽样值中减去某一个值，然后 对两者之差进行编码。在接收端将解码 值再加上发送端所减去的值便可恢复出 原始值。
该系统的量化误差可以表示为：
e(n)=x(n)-x(n)
=[d(n)+x(n)]-[x(n)+d(n)] =d(n)-d(n)
❖ 上式表明：ＤＰＣＭ系统的传输误差 就是差值ｄ（ｎ）的量化误差．
图
系统信噪比定义为：
2 x
来自百度文库
d2
❖ＳＮＲ＝
E [ x 2 ( n )] E [ e 2 ( n )]
=
E[x2(n)]E[d2(n)] E[d2(n)] E[e2(n)]
1、DPCM系统的概念： 根据前些时刻的样值来预测现时刻的样 值，只要传递预测值和实际值之差，而 不需要每个样值的编码都传。这种方法 就称为DPCM编码。
❖ 举例来说,设以1/Ts的速率对信号S（t）抽
样,在 t nTs 时刻前可得到 SnSTTs ，
，SnST2Ts
样值作为基础对
等一S组n样S T值N .以sT 前面N个 的预测值是SnTS
第三章语音信号的压缩编码
一.压缩编码原因
语音信号的压缩编码是研究如何降 低语音信号编码速率的问题。
以语音信号为例，模拟形式下带宽一 般不到4KHz，经过调制后，所需传输 带宽不会超过8KHz。
但是以8KHz抽样，并且每个样值用8位二
进制代码表示时，即采用A率13折线PCM数字
语音信号时，信息速率为64Kbit/s。 频带利用率=传输速率 /带宽
样值、预测值、预测误差进行编码， 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。
特点：利用抽样定理，恢复原始信号的波形
优点：适应能力强，重建语音质量好 缺点：编码速率较高
速率通常在16------64kbit/s范围
类型： PCM， 自适应增量调制 （ADM）， 自适应差分编码调制（ADPCM）， 自适应预测编码APC
S ~nS T NW iSnS TiT S i1
不同时刻样值的加权系数: W i
根据相关性情况，可设 W i 为常量或变量
2、实现预测的横向滤波器（N阶预测器）
N阶预测器输出：
S ~nS T NW iSnS TiT S i1
在每个抽样时刻到来时，滤波器输出将 会给出下一个样值的预测值。
一般来说，在抽样时刻 t=nTs 时所得的预测
值 S~nTS 与真正的样值 SnTS 并不相同。
差值脉冲编码就是对真正的样值 SnTS 与过
去的样值为基础得到的估值 S~nTS 之
间的差值进行量化和编码。
3、DPCM系统模型框图
量化器
预测器
预测器
２２ 下张
图中：x(n)为抽样信号的实际值
4、DPCM系统的抗噪声性能分析
❖d(n)=x(n)-x(n) x(n)=x(n)+d(n)
即在参数编码的基础上引入了波形编
码的一些特征。
可在4----16kbit/s范围内达到良好的语 音质量
类型：子带编码
3.1自适应差值脉冲编码调制原理（ADPCM）
❖ 3.1.1差值脉冲编码（DPCM）
❖1.编码思想
提高通信质量 必须 减小量化误差
增加编码 当抽样值范围确定时 减小量化级
位数N
❖增加编码位数可获得大的信噪比
❖2.参数编码 提取语音的一些特征信息进行编码，
在收端利用这些特征参数合成语音。
❖优点：编码速率低。
速率通常是在4.8kbit/s以下 ❖缺点：语音的音质和自然度较差，很
难辨别说话人。（有一定的可懂度) ❖类型:LPC线性预测编码
3.混合编码
波形编码+参数编码
❖介于波形编码和参数编码的一种编码。
4.DPCM系统的抗噪声性能分析
3.1自适应差值脉冲编码调制 （ADPCM）
1、实质：DPCM+自适应量化和自适应预测
固定预测 固定量化
能够实现自适应预测功能，或者
2、定义 自适应量化功能或者同时实现两
种自适应功能的DPCM系统称为 ADPCM系统。
3.设计的目的
❖ ADPCM充分利用了语音波形的统计特 征和人耳听觉特性,其设计思路主要瞄准 了两个目标: a: 尽可能去掉语音信号中的冗余信号
利用二进制理想基带传输系统传输 一路这样的数字语音信号。所占 系统的最小频带宽度为32KHz。
❖二.什么是语音压缩编码？
把数码率低于64Kbit/s的语 音编码方法称为语音压缩编码 技术
三.语音编码分类
波形编码
根据编码器的实现机理，分成三大类 参数编码 混合编码
1、波形编码 从语音信号的波形出发，对波形的抽
x(n) + d(n)
c(n)
d(n) x(n）
-+
编码
译码 +
x(n)
x(n)
差值编码模型
图中：x(n)是原始样值（n时刻的抽样值） x(n)为减去量 d(n)=x(n)-x(n) 为差值
可以看出：
（1）、d(n)越小，在相同的编码位数时 信噪比越大
（2）、收发端必须有相同的减去量x(n)
❖ 三、DPCM系统
减小 E[d2(n)] E[e2(n)]
E[d 2 (n)]
E[e2 (n)]
d(n)=x(n)-x(n)
d(n)
x(n)精确
最佳预测 量化误差
最佳量化
小结
❖ 一.压缩编码的原因 ❖ 二.什么是语音压缩编码 ❖ 三.语音编码分类 ❖ 3.1ADPCM系统
❖ 3.3.1DPCM ❖ 一.差值编码思想 ❖ 二.差值编码系统模型图 ❖ 三.DPCM系统 ❖ 1.概念2.预测器模型图3.DPCM系统模型
b:以有效的方式将可用比特分配给语音信 号
对消除冗余后的信号,从自适应角度 进行最佳编码
1.1预测的自适应
1.预测器的结构
(1).极点预测器 (用重建信号x(n)进行的预测）
a:极点预测器的ＤＰＣＭ方框图
X(n)
d(n)
预测器增益
=
GP SNRq
2 e
GP<1
加预测器后 反而不利
GP>1
预测器有 增益
量化器的量化 信噪比
GP ： DPCM系统相对于PCM系统而言的 信噪比增益。 SNR q 量化器产生的信噪比
即非预测的PCM系统的量化信噪比
提高系统信噪比采取的措施 ❖ＳＮＲ＝ EE[[dx22((nn))]]EE[[de22((nn))]]
即：若缩小抽样值（被编码信号）的 变化范围，就可以在保证信噪比不变 的情况下，减小编码的位数。这就是 差值编码的中心思想
二、差值编码模型图
在原来的抽样值中减去某一个值，然后 对两者之差进行编码。在接收端将解码 值再加上发送端所减去的值便可恢复出 原始值。
该系统的量化误差可以表示为：
e(n)=x(n)-x(n)
=[d(n)+x(n)]-[x(n)+d(n)] =d(n)-d(n)
❖ 上式表明：ＤＰＣＭ系统的传输误差 就是差值ｄ（ｎ）的量化误差．
图
系统信噪比定义为：
2 x
来自百度文库
d2
❖ＳＮＲ＝
E [ x 2 ( n )] E [ e 2 ( n )]
=
E[x2(n)]E[d2(n)] E[d2(n)] E[e2(n)]
1、DPCM系统的概念： 根据前些时刻的样值来预测现时刻的样 值，只要传递预测值和实际值之差，而 不需要每个样值的编码都传。这种方法 就称为DPCM编码。
❖ 举例来说,设以1/Ts的速率对信号S（t）抽
样,在 t nTs 时刻前可得到 SnSTTs ，
，SnST2Ts
样值作为基础对
等一S组n样S T值N .以sT 前面N个 的预测值是SnTS
第三章语音信号的压缩编码
一.压缩编码原因
语音信号的压缩编码是研究如何降 低语音信号编码速率的问题。
以语音信号为例，模拟形式下带宽一 般不到4KHz，经过调制后，所需传输 带宽不会超过8KHz。
但是以8KHz抽样，并且每个样值用8位二
进制代码表示时，即采用A率13折线PCM数字
语音信号时，信息速率为64Kbit/s。 频带利用率=传输速率 /带宽
样值、预测值、预测误差进行编码， 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。
特点：利用抽样定理，恢复原始信号的波形
优点：适应能力强，重建语音质量好 缺点：编码速率较高
速率通常在16------64kbit/s范围
类型： PCM， 自适应增量调制 （ADM）， 自适应差分编码调制（ADPCM）， 自适应预测编码APC
S ~nS T NW iSnS TiT S i1
不同时刻样值的加权系数: W i
根据相关性情况，可设 W i 为常量或变量
2、实现预测的横向滤波器（N阶预测器）
N阶预测器输出：
S ~nS T NW iSnS TiT S i1
在每个抽样时刻到来时，滤波器输出将 会给出下一个样值的预测值。
一般来说，在抽样时刻 t=nTs 时所得的预测
值 S~nTS 与真正的样值 SnTS 并不相同。
差值脉冲编码就是对真正的样值 SnTS 与过
去的样值为基础得到的估值 S~nTS 之
间的差值进行量化和编码。
3、DPCM系统模型框图
量化器
预测器
预测器
２２ 下张
图中：x(n)为抽样信号的实际值
4、DPCM系统的抗噪声性能分析
❖d(n)=x(n)-x(n) x(n)=x(n)+d(n)
即在参数编码的基础上引入了波形编
码的一些特征。
可在4----16kbit/s范围内达到良好的语 音质量
类型：子带编码
3.1自适应差值脉冲编码调制原理（ADPCM）
❖ 3.1.1差值脉冲编码（DPCM）
❖1.编码思想
提高通信质量 必须 减小量化误差
增加编码 当抽样值范围确定时 减小量化级
位数N
❖增加编码位数可获得大的信噪比
❖2.参数编码 提取语音的一些特征信息进行编码，
在收端利用这些特征参数合成语音。
❖优点：编码速率低。
速率通常是在4.8kbit/s以下 ❖缺点：语音的音质和自然度较差，很
难辨别说话人。（有一定的可懂度) ❖类型:LPC线性预测编码
3.混合编码
波形编码+参数编码
❖介于波形编码和参数编码的一种编码。
4.DPCM系统的抗噪声性能分析
3.1自适应差值脉冲编码调制 （ADPCM）
1、实质：DPCM+自适应量化和自适应预测
固定预测 固定量化
能够实现自适应预测功能，或者
2、定义 自适应量化功能或者同时实现两
种自适应功能的DPCM系统称为 ADPCM系统。
3.设计的目的
❖ ADPCM充分利用了语音波形的统计特 征和人耳听觉特性,其设计思路主要瞄准 了两个目标: a: 尽可能去掉语音信号中的冗余信号
利用二进制理想基带传输系统传输 一路这样的数字语音信号。所占 系统的最小频带宽度为32KHz。
❖二.什么是语音压缩编码？
把数码率低于64Kbit/s的语 音编码方法称为语音压缩编码 技术
三.语音编码分类
波形编码
根据编码器的实现机理，分成三大类 参数编码 混合编码
1、波形编码 从语音信号的波形出发，对波形的抽
x(n) + d(n)
c(n)
d(n) x(n）
-+
编码
译码 +
x(n)
x(n)
差值编码模型
图中：x(n)是原始样值（n时刻的抽样值） x(n)为减去量 d(n)=x(n)-x(n) 为差值
可以看出：
（1）、d(n)越小，在相同的编码位数时 信噪比越大
（2）、收发端必须有相同的减去量x(n)
❖ 三、DPCM系统
减小 E[d2(n)] E[e2(n)]
E[d 2 (n)]
E[e2 (n)]
d(n)=x(n)-x(n)
d(n)
x(n)精确
最佳预测 量化误差
最佳量化
小结
❖ 一.压缩编码的原因 ❖ 二.什么是语音压缩编码 ❖ 三.语音编码分类 ❖ 3.1ADPCM系统
❖ 3.3.1DPCM ❖ 一.差值编码思想 ❖ 二.差值编码系统模型图 ❖ 三.DPCM系统 ❖ 1.概念2.预测器模型图3.DPCM系统模型
b:以有效的方式将可用比特分配给语音信 号
对消除冗余后的信号,从自适应角度 进行最佳编码
1.1预测的自适应
1.预测器的结构
(1).极点预测器 (用重建信号x(n)进行的预测）
a:极点预测器的ＤＰＣＭ方框图
X(n)
d(n)
预测器增益
=
GP SNRq
2 e
GP<1
加预测器后 反而不利
GP>1
预测器有 增益
量化器的量化 信噪比
GP ： DPCM系统相对于PCM系统而言的 信噪比增益。 SNR q 量化器产生的信噪比
即非预测的PCM系统的量化信噪比
提高系统信噪比采取的措施 ❖ＳＮＲ＝ EE[[dx22((nn))]]EE[[de22((nn))]]