语音编码技术.ppt

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1、移动通信原理与应用,黑龙江大学电子工程学院杨杰,2,2023/8/26,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,3,2023/8/26,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.

2、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 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,4,2023/8/26,6.1 概 述,6.1.1 语音编码技术,移动通信对语音编码的要求是：(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分（按长途语音质量要求）。(3)编解码时延要短，总时延不得超过65ms。(4)要

3、能适应衰落信道的传输，即抗误码性能要好，以保持较好的语音质量。(5)算法的复杂程度要适中，应易于大规模电路集成。,5,2023/8/26,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,6,2023/8/26,6.1.2 语音评价,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

4、比、加权信噪比、平均分段信噪比等。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。,表6.1 主观评定等级,7,2023/8/26,语音编码技术分类,8,2023/8/26,语音编码技术分类,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：16k64k包括：PCM、ADPCM、M、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

5、得出模型参数并传输，在收端恢复。编码速率较低：1.2k4.8kbps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,9,2023/8/26,用于移动通信的语音编码,10,2023/8/26,语音编码标准,G.711 PCM(64kbps)G.721 ADPCM(32kbps)G.722 7kHz带宽64kbps速率内的音频编码G.723 6.3k/5.6k双速率多媒体语音编码G.728 16kbps语音编码LD-CELPG.729 8kbps多媒体语音编码,11,2023/8/2

6、6,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,12,2023/8/26,6.2 语音波形编码,人的语音频带范围为3003400Hz（一般为03400Hz）。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。,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。,6.2.1 语音波形编码概述,13,2023/8/26,6.2.2 脉冲编码调制,脉冲编码调制（PCM：Pulse Co

7、ded 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。,14,2023/8/26,模数转换要经过抽样、量化和编码三个步骤。,脉冲编码调制PCM基本原理,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

8、散幅度的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。,16,2023/8/26,模拟话音,采样时钟,PAM 信号,PCM 信号,采样电路,量化和编码,数字化声音,话音信道带宽 2倍话音最大频率)量化级数：256级(8位二进制码表示)数据率：8000次/s*8bit=64Kb/s 每路PCM信号的速率=64000bps,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）,17,2023/8/26,PCM转换过程举例,原始信号,PAM脉冲,PCM

9、 脉冲（有量化误差）,PCM 输出,PCM编码原理 常见的PCM二进制码组有三种：自然二进制码组NBC；-十进制正整数的二进制表示。折叠二进制码组FBC；-左边第一位表示正负号，“1”表示正。格雷二进制码组RBC；特点：任何相邻电平的码组只有一位发生变化。,三种码组,对于NBC：码组第一位出错，幅度误差为最大幅度的1/2倍；对于FBC：码组第一位出错，小信号的失真误差要小得多；对于RBC：码组中一位出错，误差幅度只相差一个量化间隔。,20,2023/8/26,6.3 参 量 编 码,6.3.1 参量编码的基本原理,图6.4 语音产生模型,在图6.4所示的模型中，包括了三个部分：激励源、声道模型

10、和辐射模型，正好模拟了人的发声器官中喉、声道和嘴。,1.语音信号的产生模型,21,2023/8/26,6.3.1 参量编码的基本原理,声道模型V（Z）是离散时域的声道传输函数，它在大多数情况下是一个全极点函数,辐射模型R（Z）与嘴形有关，可以表示成一个固定的模型函数,2.特征参量的提取,常用的短时处理技术包括加窗技术、基音周期估计等。,22,2023/8/26,6.3.2 线性预测,2.线性预测编码,线性预测技术用于语音编码就构成线性预测编码（LPC：Linear Prediction Coding）。图6.5是LPC的原理框图。,图6.5 LPC声码器,23,2023/8/26,线性预测编码

11、的基本原理,原理:模型化人类语音信号产生的机制,提取模型参数,并且只传输模型的参数.语音信号的产生模型:语音的产生,声带和声道不同语音产生的原因:声音激励源和声道不同声音分类:浊音和清音发声过程口腔和鼻腔形成时变滤波器,24,2023/8/26,4.2.2 浊音和清音,25,2023/8/26,语音产生模型,语音模型的建立：1、产生激励，2、响应模型参数：基音，共振峰频率及强度，清浊音判决低码率编码 码率降低有限 合成的语音波形失去了自然度和音质,26,2023/8/26,不同激励语音合成模型,长时延相关滤波器：产生浊音的音调结构，即频谱的精细结构，而短时延相关滤波器则用来恢复语音的短时频包络

12、。在发端引入合成装置，合成/分析法,27,2023/8/26,4.2.5 自适应多速率语音编码（AMR）,为什么研究AMR编码?WCDMA将支持多媒体业务,并支持电路交换、分组交换方式移动信道的变化，系统不能工作在最佳的信源和信道编码速率。如GSM，固定速率编码信道质量差时，信道编码不足以纠正传输错误，此时应改进信道编码，减小信源编码，提高语音质量信道质量好时，增加信源编码速率，提高语音质量AMR的概念是:以更智能的方式解决信源编码和信道编码的速率匹配问题,实际的语音编码速率将取决于信道条件,28,2023/8/26,4.2.5 自适应多速率语音编码（AMR）,AMR是一种单个集成的语音编码器，他是固定的信源速率模式，从4.7512.2kbps,