数字通信原理课件第二章.ppt

第2章 语音信号波形编码;2.1 语音信号波形编码;图2.1 PCM 编解码框图; 图中的A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。 (1) 抽样 抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程。 (2) 量化 量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程。;D/A变换包括两部分：译码、低通。 译码以后的信号频谱中除含有原始信号信息成分外，在高频段还有基带频谱拓展的高频分量必须通过低通滤波器将其去掉。;语声信号的编码可划分为三大类型： （1）波形编码 对信号波形进行的编码，前述PCM方式即为波形编码的一种。;2.2 脉冲编码调制——PCM;（1）伽玛分布;（2）拉普拉斯分布;（3）高斯分布;2. 语音信号的功率谱密度;3. 语音信号的动态范围;二、衡量语音质量的宏观感知特性;2. 清晰度;3. 自然度;图2.2 PCM系统中的信号处理过程; 模拟信号数字化的第一步是在时间上对信号进行离散化处理，即将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号，这一过程称之为抽样。 1. 抽样定义及实现抽样的电路模型 连续信号在时间上离散化的抽样过程如图2.3所示。;图2.3 连续信号抽样示意图;图2.4 抽样器及抽样波形示意;图2.5 相乘器抽样模型;图2.6 开关函数; 设时间连续信号f(t)，其最高截止频率为fM。如果用时间间隔为TS≤1/2fM的开关信号对f(t)进行抽样，则f(t)就可被样值信号fS(t)=f(nTS) 来唯一地表示。或者说，要从样值序列无失真地恢复原时间连续信号，其抽样频率应选为fS≥2fM。这就是著名的奈奎斯特抽样定理，简称抽样定理。;(1) 低通型信号抽样;图2. 7 单位冲激脉冲序列;开关函数： ;图2.8 理想抽样样值序列频谱;图2.9 三种不同抽样频率时的样值序列频谱;至此，我们可以用下述两种彼此等价的方式来表示有限能量频带受限信号的抽样定理。 ① 对于频谱分量低于fM的有限能量信号，可以用间隔小于或等于1/2fM的该信号瞬时样值来完全描述。 ② 对于频谱分量低于fM的有限能量信号，可以从抽样速率大于或等于2fM的该信号瞬时样值序列中完全地恢复，即抽样频率应为fS≥2fM。; ;图2.11 带通型信号样值序列的频谱;4B 3B 2B B;(3) 与抽样有关的误差 前面所讨论的抽样定理是基于下列三个前提： · 对语声信号带宽的限制是充分的； · 实行抽样的开关函数是单位冲激脉冲序列，即理想抽样； · 通过理想低通滤波器恢复原语声信号。;① 抽样的折叠噪声 抽样定理指出，抽样序列无失真恢复原信号的条件是fS≥2fM。为了满足抽样定理，对语声信号抽样时先将语声信号的频谱限制在fM以内。为此，在抽样之前，先设置一个前置低通滤波器将输入信号的频带限制在3400Hz以下，然后再进行抽样。;图2.12抽样折叠噪声示意;② 抽样展宽的孔径效应失真;图2.14 抽样展宽电路框图;对展宽电路的要求： ;则经展宽后的样值序列频谱为：;图2.15 展宽孔径效应失真;解决孔径效应失真办法： 在接收端恢复原信号时，应加入具有孔径均衡特性的均衡网络，其均衡网络的特性应为：; 1. 量化定义及描述 量化：把信号在幅度域上连续取值变换为幅度域上离散取值的过程。 量化过程是一个近似表示的过程，即无限个数取值的模拟信号用有限个数值的离散信号近似表示。;图2.16 量化示意图;量化的方法： ;各量化分级间隔相等的量化方式即为均匀量化。 图2.17(a)所示的阶梯状特性中的一个台阶的高度称为一个量化级。如图所示，均匀量化时在整个输入信号的幅度范围内量化级的大小都是相等的。量化误差所产生的量化噪声也应有两部分：非过载量化噪声和过载量化噪声。;图2.17 均匀量化特性与量化误差特性;过载区：当输入信号超过了量化范围 –V~ +V，量化器呈限幅特性，输出为一常数，称此区为过载区。显然过载区内量化值产生较大失真，称此失真为过载失真。;空载区：当输入信号幅度波动较小时，量化值与输入值之间的一致性也将会受到较多破坏。在极限情况下，当输入信号幅度小于1个量化间隔时，有可能产生两种极端情况：1）输入信号在两相邻量化电平值之间的判决门限电平附近波动时，就会得到峰-峰值为Δ（量化间隔Δ=2V/N）的切割式输出，从而产生所谓的“放大效应”。2）输入信号在两相邻判决门限电平之间波动，输出就保持在一个固定的量化电平上，从而产生了“去调制效应”。当量化器工作在空载区时，也将会使输出产生严重的失真，称此失真为空载失真。;使用量化器的方法： ;二、量化噪声平均功率的计算;图2.18 语声信号的幅度概率分布;图2.19 语声信号的分级间隔及量