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移动通信 侯华 第六章 语音编码 6.1 语音信号的特征 6.2 量化技术 6.3 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM） 6.4 频域语音编码 6.5 声码器 6.6 线性预测编码（LPC） 6.7 移动通信系统中语音编解码器的选择 6.8 GSM语音编解码器 6.9 USDC（IS-54）语音编解码器 6.10 语音编码器的性能评估 §6.1 语音信号的特征 ? 语音波形是带限的（使抽样成为可能）。 ? 以下特性使得量化操作能以很高的效率实现： ? 语音幅度的非均匀概率分布：长时：双边指数（拉普拉斯）函数， 短时：高斯函数。 ? 连续语音抽样信号之间的非零自相关性：差分和预测编码 ? 语音频谱的非平坦特性：频域内压缩，高频分量贡献小 1 N 频谱平坦检测：SFM = ∑ S k2 N k =1 S k 是语音信号PSD的kth频率样点  1 N N ∏ Sk2 k =1 长时SFM 值为8，短时长时SFM 值为2－500 ? 语音中的清音和浊音成分 ? 语音信号的类周期性 §6.2 量化技术 ?§6.2.1 均匀量化 ?§6.2.2 非均匀量化 ?§6.2.3 自适应量化 ?§6.2.4 矢量量化 §6.2.1 均匀量化 ?把一个信号的连续幅值分割成一系列有限的离散 幅值。 ?与采样不同，量化引入畸变。 ?幅度量化是语音编码中的重要一步，它在很大程度上决定总的畸变，以及表示语音波形所需的比特率。 ?任何量化产生的畸变直接与量化阶梯大小的平方成比例，反过来说，对于给定的幅度，与量化电平数成反比。 ?量化使用n个比特，有M=2n个离散的幅度电平。 §6.2.1 均匀量化 ? 一个最常用的测量量化畸变得方法是均方误差MSE： 2 1 T 2 MSE = E ( x ? f Q ( x ) ) = T ∫ f Q ( x ) ? x (t ) dx 0 x (t )是原始信号，f Q ( x)是量化后的语音信号 ? 量化噪声经常建模成加性噪声 ? 测量量化输出信噪比SQNR来测试量化器的性能 PCM编码器是语音幅度采样的量化器，它的SQNR为： SQNR ) dB = 6.02 n +α , α = 4.77 表示了SQNR的峰值，α＝0为平均SQNR §6.2.2 非均匀量化 ? 根据输入波形的pdf分布来量化，对pdf为p(x)的信号，其 2 ∞ 2 均方畸变 D = E ( x ? f Q ( x ) ) p ( x ) dx ∫ ?∞ ? Lloyd最大算法：迭代地改变量化电平来决定最佳量化电平 ? 为了使量化信噪比与信号电平无关，量化电平应采用对数 形式分布。 ? 商用非均匀量化：美国μ律，欧洲 A律压缩技术 v0 (t ) v0 (t)  ln (1 + μ w(t ) )，μ是最大量化阶距与最小量化阶距之比 ln (1 + μ ) A w(t) ,0 ≤ w(t) ≤ 1 1 + ln A A = ln(1 + A w(t) ) , 1 ≤ w(t) ≤ 1 1 + ln A A §6.2.3 自适应量化 ?语音的非稳定性与随时间变化的特性，实 际动态范围在40dB以上。 ?随时间变化的量化方式有效。 ?根据输入信号功率改变量化步长。 §6.2.4 矢量量化 ?标量量化器性能并不能达到理论上的极限。 Shannon指出在同一时刻对多个抽样值进行编码，而不是只对一个抽样值进行编码，会有更好的性能。 ?一组（矢量）的抽样数量被称为矢量量化器的尺寸 L，矢量量化器的比率R定义为： = log2 n比特/抽样值,n为矢量量化器码本大小，n = 2RL L 6.3 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM） ADPCM是一种更有效解决语音信号种冗余度的方法。 语音波形相邻抽样之间有很强的相关性。 ADPCM允许用32Kbps比特率编码。（ 标准64Kbps PCM） ADPCM编码标准：CCITT标准G.721。 ADPCM要用信号预测技术来实现。 S(k) Σ D(k) I(k) 4bit自适应量化器 + _ S ( k) y(k) e 自适应比例因 子产生器 Se ( k) 自适应逆量化器 Dq(k) 自适应预测器 Sr(k) Σ 6.4 频域语音编码 ?§6.4.1 子带编码（SBC） ?§6.2.2 自适应变换编码（ATC） ?§6.2.3 自适应量化 ?§6.2.4 矢量量化 6.4 频域语音编码 ?频域语音编码是另一类语音编码方法，它 利用人的感觉及语音产生模型。 ?在这类编码中语音信号被分成一系列频率 成分，它们单独进行量化和编码。 ?根据每个频带的感知标准，不同的频率采 用不同的编码优先权 。 ?优点是每个频带用于编码的比特数可以动 态地改变，并且在不同的频率上共享 。 §6.4.1 子带编码（