第07讲_规则脉冲激励线性预测编码

限失真信源编码定理


限失真信源编码定理：只要信源符号序列长 度N足够大，当每个符号的信息率大于R(D) ，必存在一种编码方法，其平均失真可无限 逼近D；反之，若信息率小于R(D)，则任何 编码的平均失真必将大于D。 利用信息论中连续(模拟)有记忆信源的信息 率--失真R(D)函数理论可以分析波形编码的 性能。
物理层关键技术1
信源编码
移动通信信源编码基本概念



信源编码是利用信源的统计特性，解除信源的 相关性，去掉信源多余的冗余信息，达到压缩 信源信息率，提高系统效率（有效性）的目的。 移动通信的频谱资源十分稀少珍贵，为了提高 频谱利用率，需积极开发低速率、高质量信源 编码技术，即高效信源编码技术。 第二代移动通信主要是语音业务，所以信源编 码主要指语音压缩编码。第三代移动通信中的 信源编码将不仅包含语音压缩编码，还包含各 类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面内容。
P

为了降低LPC的码率，提高稳定性，可采用以 下两种方法：

采用一类反射系数格形算法 采用矢量量化技术
27
混合编码的基本原理



混合编码是介于波形编码与参量编码之间的一种 编码方法，兼有参量编码低速率与波形编码的高 质量的优点。 实现混合编码的基本思想是以参量编码原理，特 别是以LPC原理为基础，保留参量编码低速率的优 点，并适当的吸收波形编码中能部分反映波形个 性特征的因素。重点改善自然度性能。 改进LPC主要从三方面入手：改进语音生成物理模 型、激励源结构和合成滤波器结构，提高语音质 量；改进参量量化和传输方法，进一步压缩传输 速率；采用自适应技术，进一步解决系统与信源 和信道之间的统计匹配。 28
I1(上限) log 2 N＝log 2 (256)10 80bps I 2(下限) log2 N＝log2 (128)10 70bps
最后可计算出压缩比K为：
K 64 Kbps 914 ~ 800倍 70 ~ 80bps
混合编码的性能估计

显然混合编码的理论压缩比是介于上述两类 编码之间，且与语音质量需求有关。若要求 混合编码偏重于个性特征，则其压缩比靠近 波形编码的压缩比值，若要求混和编码偏重 于共性，则其压缩比靠近于参量编码。


浊音：有声音—英语元音、汉语韵母 清音：无声音—英语多数辅音、汉语多数声母

时变滤波器的参数
线性预测编码LPC


分帧处理：10~20ms 语音分析：

基音提取—浊音/清音判决，基音周期提取 短时线性分析—线性滤波器系数OR格型网络参 数，以及增益


线性预测分析：一个语音抽样能够用过去若 干个语音抽样的线性组合逼近，使在有限时 间内的实际语音抽样与线性预测抽样之间的 差值平方最小—均方预测误差最小。 估计模型参数的基础：最小均方误差准则。
35
3.5
3.1
16
语音压缩编码原理

波形编码的基本原理



自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)是建立在差分脉 冲编码调制(DPCM)的基础上，而DPCM又是建立在 脉冲编码调制(PCM)的基础上。 PCM可分为三个基本步骤：取样、量化与编码。 DPCM不直接传送PCM数字化信号，而改为传送其 取样值与预测值(通过前面样点值经线性预测求得的) 的差值，并将其量化、编码后传送。 ADPCM与DPCM原理一样，主要差别在于ADPCM中 的量化器和预测器引入了自适应控制机制。同时在 译码器中多加上一个同步编码调整器，其作用是为 了在同步级联时不产生误差积累。
ADPCM基本思想


利用自适应改变量化阶的大小,即使用小的量化阶去 编码小的差值,使用大的量化阶去编码大的差值,使 用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值,使实 际样本值和预测值之间的差值总是最小。ADPCM记 录的量化值不是每个采样点的幅值,而是该点的幅值 与前一个采样点幅值之差。 IMA ADPCM算法对量化步长的调整使用了简单的查 表方法，对于一个输入的PCM值X(n)，将其与前一 时刻的X(n-1)预测值做差值 得到d(n)，然后根据当 前的量化步长对d(n)进行编码，再用此样点的编码 值调整量化步长，同时还要得到当前样点的预测值 供下一样点编码使用。

参量编码(声源编码)


混合编码


波形编码质量最高，其质量几乎与压缩处理之前相同，适 用于公用骨干(固定)通信网。参量编码质量最差，仅适合 于特殊通信系统，比如军事与保密通信系统。混和编码质 量介于两者之间，目前主要用于移动通信网。
用于移动通信的语音编码
标准 GSM CD-900 IS-54 IS-95 PDC 服务类型 语音编码 蜂窝 蜂窝 蜂窝 蜂窝 蜂窝 SBC子带编码 VSELP矢量和激励线性预测编码 CELP码本激励线性预测编码 VSELP矢量和激励线性预测编码 速率（bps） 16 8 1.2~9.6 4.5，6.7，11.2 RPE-LTP规则脉冲激励长期预测编码 13
参量编码的基本原理

参量编码不直接传送语音波形，而是传送产 生、激励语音波形的基本参量。
根据语音产生机理，采用下列物理模型：
周期性信号源

u(n )
时变线性滤波 输出 器 合成话音 C ( n ) 增益控制G
随机性信号源
24
反映语言特征的主要参数

基音频率与基金周期：声带振动频率、周期 共振峰频率：声道的谐振频率 语音强度： 浊音/清音判决
移动通信语音编码技术概述

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）。 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。
波形编码的性能估计

信息率--失真R(D)为：
1 2 (1 2 ) R( D) log 2 2 D
D：最大允许失真，σ2：方差，ρ相关系数 广义平稳遍历马氏链信源且有 R( ) 2 0 1 上式的计算结果如下表所示
信噪比(dB) 35 R(D)(bit/样点) 4 压缩倍数K 2 32 28 3.5 2.5 2.28 3.2 25 23 20 17 2.34 2 1.5 1 3.42 4 5.3 8


研究在限定失真下为了恢复信源符号所必需 的信息率，简称率失真理论。 率失真理论就是用以计算不同类型的信源在 各种失真限度下所需的最小信息率。 率失真函数--计算率失真函数是率失真理论 的中心问题。率失真函数只指出限失真条件 下所必需的最小信息率。从理论上讲，尚应 能证明实际存在一种编码方法，用这样的信 息率就能实现限失真的要求。

移动通信对语音编码的要求：

语音编码的分类

波形编码


将时间域信号直接变换为数字代码，目的是尽可能精确地再现原来 的话音波形 PCM、ΔM 将信源信号在正交变换域提取特征参量，并将其变换为数字代码 线性预测编码LPC 波形编码+参量编码 数字语音信号中既有语音特征参量又有部分波形编码
LPC的基本原理

典型参量编码的线性预测LPC方案如图所示
ai
预测 系数分析 G 输入 话音 A D 清浊音 判决 U/V 参 量 量 化 编 码 信 道 参 量 译 码
ˆ P
ˆ ai
随机 信源
ˆ G
ˆ ˆ U V
话音合成 滤波器 (IIR 滤波器)
输出 合成 话音
周期 信源
基音 提取
移动通信中的语音编码

高质量的混合编码是移动通信中的优选方案。


移动通信频谱资源有限，低码率、高压缩比至关重 要； 加入公用网信噪比又不能太低。

决定混合编码的4 个主要参量：比特率、质量、 复杂度和处理时延。


比特率：度量信源压缩率和通信系统性的主要指标； 话音质量：国际流行的MOS 法，5 级评分制； 复杂度：指完成语音编码所需的加法、乘法的运算 次数，一般可用MIPS 表示； 处理时延：复杂度高→处理时延大。
波形编码的性能估计
由上述分析结果可以得到如下结论： 当语音质量达到进入公网要求标准时，即 σ2/D≈26dB,其K=3.4 倍。 若进一步考虑实际语音分布与主观因素的影 响(因为正态分布R(D)其压缩倍数可以进一步 增大，取K=4 (保守值)这时语音速率可以从未 压缩的PCM 64Kbps降至1/4速率的16Kbps。
ADPCM编码原理
ADPCM编码原理

32Kbps ADPCM编码原理如下图所示
ADPCM输出 PCM 线性码 自适应 量化器
y(n) c (n )
c ' (n)
x(n)

d (n)
逆量化 器
dˆ ( n )
自适应 预测器
x (n )

y(n)
xˆ ( n )
定标因子 自适应
y (n )
自适应 速度控制
编码器类型 数据比特率 (Kbps) 64 复杂度 (MIPS) 0.01 时延 (ms) 0 质量 (MOS) 4.3
脉码调制PCM
自适应差分脉码调制ADPCM
自适应子带编码 多脉冲线性预测编码
32
16 8
0.1
1 10
0
25 35
4.1
4 3.5
随机激励线性预测编码
线性预测声码器
4
2
100
1
35
目前已实用化的DPCM为32Kbps。
参量编码的性能估计
语音可以采用各种不同形式的参量来表达。为了 分析方便，采用最基本的参量“音素”。以英语音 素为例进行分析。英语中共有音素27=128~ 28=256 。 按照通常讲话速率，每秒大约平均发送10个音素。 由信息量计算公式，对于等概率事件有：I=log2N ， N为总组合数，则：
数据压缩


目的：在保证一定图像（或声音）质量的条 件下，以最小的数据率来表达和传送图像或 声音信息。 数据能够压缩的可能性在于：


原始数据中存在着大量的冗余信息（时间冗余、 空间冗余、统计冗余）； 人的视觉和听觉器官都具有某种不敏感性，舍去 人的感官所不敏感的信息，对图像或声音质量的 影响很小，在某些情况下甚至可以忽略不计。
CT2
DECT PHS PCS-1800 PACS WCDMA
无绳
无绳 无绳 蜂窝 蜂窝
ADPCM
ADPCM ADPCM
32
32 32 32
RPE-LTP规则脉冲激励长期预测编码 13 AMR
个人通信 ADPCM
信息率-失真理论
information rate-distortion theory

17
ADPCM波形编码



ADPCM是利用样本与样本之间的高度相关性和量 化阶自适应来压缩数据的一种波形编码技术。 该算法利用了语音信号样点间的相关性，并针对 语音信号的非平稳特点，使用了自适应预测和自 适应量化，在32kbps/8kHz速率上能够给出网络等 级话音质量。 ADPCM标准是一个代码转换系统,它使用ADPCM转 换技术实现64Kb/s A律或u律PCM(脉冲编码调制) 速率和32Kb/s速率之间的相互转换。 应用：WAV，MP3，G.721等


பைடு நூலகம்

14
语音质量

度量方法不外乎客观与主观两个角度：
客观度量可以采用信噪比、误码率、误帧率， 相对而言简单、可行。 主观度量是由人耳主观特性来判断，比客观 度量复杂。目前国际上常采用的主观评判方 法称为MOS方法 。


15
复杂度与处理时延

语音编码硬件复杂度取决于DSP处理能力，而软件复杂度则主要体现 在算法复杂度上。算法复杂度增大，也会带来更长的运算时间和更大 的处理时延 。 如下所示，我们给出几种已知低数据比特率语音编码的上述四个参数 与性能比较表格。
数据比特率(bps)

数据比特率越低压缩倍数就越大，可通信的话路 数也就越多，移动通信系统也就越有效。
数据比特率降低，语音质量也随之相应降低，为 了补偿质量的下降，可采用提高设备硬件复杂度 和算法软件复杂度的办法。 降低比特速率另一种有效方法是采用可变速率的 自适应传输，它可以大大降低语音的平均传送率。 还可以进一步采用语音激活技术，充分利用至少 3/8的有效空隙，可获得大致约2.67dB的有效增益。
Q L (n )
21
ADPCM编码原理
ADPCM解码原理

32Kbps ADPCM译码原理如下图所示
c(n) 逆量化 ˆ x(n) ˆ d (n) + + x (n) y (n) y (n) 自适应 预测
PCM 线性码
同步编码 调整
定标因子 自适应
y (n)
Q L (n )
自适应 速度控制
23