语音编码及信道编码
语音编码、信道编码及交织PPT课件
面临挑战及应对策略
算法复杂度与实时性
高性能的编码和交织算法往往具有较高的复杂度，难以满 足实时性要求。应对策略包括优化算法设计、采用高性能 计算平台等。
多场景适应性
不同的应用场景对语音编码、信道编码及交织技术的需求 各异。需要研究跨场景的适应性技术，以满足多样化需求。
个性化语音合成
基于深度学习技术，实现个性化语音合成，使合成语音更加自然、 逼真。
多模态语音互
结合视觉、听觉等多模态信息，提高语音交互的自然性和准确性。
新型信道编码技术探索
01
极化码（Polar Codes）
一种新型信道编码技术，具有优异的性能，被认为是未来5G/6G通信的
关键技术之一。
02
LDPC码（低密度奇偶校验码）
客观评价
客观评价是通过计算原始语音和合成语音之间的误差来评判语音质量的好坏。 常用的客观评价指标有信噪比（SNR）、分段信噪比（SegSNR）、对数似然 比（LLR）和感知语音质量评估（PESQ）等。
02 信道编码原理及关键技术
信道模型与传输特性分析
信道模型
描述信道输入与输出之间关系的 数学模型，包括加性噪声信道、 乘性噪声信道等。
语音信号的频域特性
语音信号的统计特性
语音信号具有短时平稳性，即在短时 间内（10~30ms）可以认为语音信号 是平稳的，这使得我们可以对语音信 号进行短时分析。
语音信号的频谱分布主要集中在 300Hz~3400Hz的范围内，不同音素 和音节的频谱具有不同的特征。
语音编码分类及发展历程
波形编码
参数编码
混合编码
混合编码同时使用两种或两种以上的 编码方法进行编码。这种编码器设计 的目的和出发点是在4.8kbit/s速率上 能够得到高质量的合成语音。
有关语音传输速率、信道编码速率、信道总速率的专题
GSM系统的语音编码采用了规则脉冲激励长期预测编码（RPE-LEP编码器，Regular Pulse Excited Long Term Prediction ），RPE-LEP编码器结合了波形编码和声码器两种技术，编码速率低且话音质量高。
原始语音信号是连续的模拟信号，经抽样、量化、编码等过程数字化之后，再送入RPE-LEP编码器，每20ms取样一次，每次输出260bit，所以语音传输全速率信道的速率为260bit/20ms=13kbit/s。
将每20ms取样输出的260bit的语音信号分成两部分，一部分是对差错敏感的，共182bit，如果这部分比特发生错误将严重影响语音质量；另一部分是对差错不敏感的，共78bit。
然后，再对重要部分的182bit 进行分类：最重要的50bit和次重要的132bit，对最重要的50bit加上3个奇偶校验比特，次重要的132bit 再加上4个尾比特。
然后，对这50+3+132+4=189bit进行R=1/2的卷积编码，此时，速率变为[（50+3+132+4）x2+78]/20ms=22.8kbit/s作为信道编码速率。
时隙的格式（普通突发脉冲序列）（见下图）在GSM的TDMA中，帧被定义为每个载频中所包含的8个连续的时隙，相当于FDMA系统中的一个频道。
在每个时隙中，信号以突发脉冲系列（burst）的形式发送。
TDMA帧号是以3.5小时（2715648个TDMA 帧）为周期循环编号的。
每个TDMA帧含8个时隙，整个帧时长约为4.615ms，每个时隙含156.25bit个突发脉冲码元，时隙时长为0.577ms。
GSM规范定义了两种不同的复帧结构，即含26帧、持续时间为120ms和含51帧、持续时间为235.385ms。
26帧的复帧包括26个TDMA 帧，持续时间为120ms，51个这样的复帧组成一个超帧。
这种复帧用于携带TCH （和SACCH加FACCH），用于语音信道及其随路控制信道，其中24个突发序列用于业务，2个突发序列用于信令。
第五章 语音编码、信道编码和交织技术
第5章语音编码、信道编码和交织技术引言一般的数字通信系统都包含信源编解码、信道编解码和调制解调这三对功能模块，语音编码是一种信源编码的，在移动通信中由于信道的特点，往往还需要交织和去交织这一对功能模块。
为什么要进行信源编码、信道编码和交织呢？从实现过程分析：信源编码——原理：去掉一些信息（信源中统计特性具有相关性的信息）；（有效性）目的：尽可能用最少的信息比特表示信源，从而达到压缩信息速率，以较少的信息速率传送信息；信道编码——原理：加入一些信息（监督码或检验码）；（可靠性）目的：用来供接收端纠正或检出信息在信道中传输时，由于干扰、噪声或衰落等所造成的误码。
交织——原理：不改变信息量，只改变信息的排序；（可靠性）目的：克服信道中由于深衰落而造成的突发的成串的误码。
对本章的学习，我们复习信源编码和信道编码的基础上，重点掌握：1．移动通信对编码的要求；2．蜂窝移动通信典型系统用到的编码方式；3．在这些系统中的实现过程；4．交织的原理和作用。
5.1 语音编码通信系统中的语音编码的目的是解除语音信源的统计相关性，语音编码大致分为三类。
一．语音编码的分类（参考：《吴伟陵，《移动通信原理》，电子工业出版社，P72）1．波形编码波形编码是以精确再现语音波形为目的，并以保真度即自然度为度量标准的编码方法。
这类编码是保留语音个性特征为主要目标的方法，其码速较高。
常用的波形编码及其原理：PCM、DPCM、ADPCM应用：适用于骨干（固定）通信网。
2．参量编码利用人类的发声机制，仅传送反映语音波形变化主要参量的编码方法。
在接收端，可根据发声模型，由传送过来的变化参量激励产生人工合成的语音。
参量编码的主要标准是可懂度。
显然，这类编码是以提取并传送语音的共性特征参量为目的的编码方式，其码速较低。
（声码器）常用的参量编码及其原理：LPC应用：主要用于军事保密通信。
3．混合编码混合编码是吸取上述两类编码的优点，以参量编码为基础，并附加一定的波形编码特征，以实现在可懂度基础上适当改善自然度目的的编码方式。
CDMA编码技术
模块一 3G基础模块 模块二 CDMA技术基础模块 模块三 WCDMA移动通信技术模块 模块四 TD-SCDMA移动通信技术模块 模块五 CDMA2000移动通信技术模块 模块六 WiMAX技术模块
模块二 CDMA技术基础模块
任务1 扩频通信概念
任务2 扩频通信的特点和主要技术指标 任务3 CDMA码序列
图2-19 信道编码和交织实例
本任务要求
识记：语音编码、信道编码方式。
领会：交织技术。
应用：语音编码技术。
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4）交织技术
为什么要采用交织技术呢？原因有两个： （1）无线传输干扰和误码通常在某个较小时间段内发生，影 响连续的几个突发脉冲。 （2）如果把话音桢内的比特顺序按一定的规则错开，使原来 连续的比特分散到若干个突发脉冲中传输，则可分散误码，使连 续的长误码变成若干分散的短误码，以便于纠错，提高话音质量 。
出Viterbi算法）、MAP（最大后验概率算法）等。由于MAP算法
的每一次迭代性能的提高都优于Viterbi算法，因此MAP算法的迭
代译码器可以获得更大的编码增益。
2）Turbo码
图2-16 Turbo编码器
3）Reed-Solomon码
Reed-Solomon码是一类具有很强纠错能力的多进制BCH码， 它由Reed和Solomon应用MS多项式于1960年构造出来。在线性分 组码中RS码的纠错能力和编码效率是最高的。 R-S码常作为级联码的外码使用，CCSDS标准采用了R-S（255 ，233）与（2，1，7）卷积码加块交织的级联码编码方案，用于 卫星空间数据的传输。
1）卷积码
卷积编码器在任何一段规定时间内产生的n个码元，不仅取决 于这段时间中的k个信息位，而且还取决于前N-1段时间内的信息 位。此时监督码元监督着这N段时间内的信息，这N 段时间内的 码元数目nN称为这种码字的约束长度。
4g和5g通信所采用的信源编码和信道编码
4g和5g通信所采用的信源编码和信道编码4G和5G通信所采用的信源编码和信道编码是不同的，具体如下：1. 4G通信所采用的信源编码4G通信系统采用了多种信源编码方式，其中最常用的是AMR （Adaptive Multi-Rate）编码。
AMR编码是一种自适应多速率语音编解码器，其主要作用是将语音转化为数字数据，并通过无线网络传输。
AMR编码可以根据网络质量自适应调整传输速率，从而提高语音质量。
2. 4G通信所采用的信道编码4G通信系统采用了Turbo编码和LDPC（Low Density Parity Check）编码两种主要的信道编码方式。
Turbo编码是一种迭代式卷积码，能够有效地提高数据传输速率和距离性能。
LDPC编码则是一种基于图像理论的低密度奇偶校验码，具有低复杂度、高效率等优点。
3. 5G通信所采用的信源编码5G通信系统引入了新型的波形调制方式和多路访问技术，因此在信源编解码方面也进行了改进。
5G通信系统主要采用Polar Coding（极化编解码）技术进行数据压缩和解压缩。
Polar Coding是一种基于极化理论的新型编码方式，具有高效率、低复杂度等优点。
4. 5G通信所采用的信道编码5G通信系统主要采用了LDPC编码和Polar Coding两种信道编码方式。
与4G通信系统相比，5G采用了更加先进的LDPC编码技术，能够提高数据传输速率和距离性能。
此外，Polar Coding也可以应用于5G通信系统的信道编码中，进一步提高数据传输效率。
总之，4G和5G通信所采用的信源编码和信道编码各有不同，并且在技术上都进行了不断改进和优化，以满足不断增长的无线通信需求。
语音编码和信道编码
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5、数字基带信号常用码型
移 动 通 信 原 理
• 在设计数字基带信号码型时，应考虑以 下原则
– 线路传输码的频谱中无直流分量和只有很小 的低频分量 – 便于从基带信号中提取定时信息 – 尽可能提高传输码型的传输效率 – 基带传输信号具有内在的检错能力
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5、数字基带信号常用码型
移 动 通 信 原 理
移 动 通 信 原 理
• 数字基带信号的线路传输码型
– 单极性码含直流分量，不宜在线路上传输， 通常只用于设备内部 – 双极性码和交替极性码的直流分量基本等于 零，因此适合在线路中传输 – 多电平信号，由于它的传信率及抗噪声性能 较差，故宜用于要求高传信率而信道噪声较 小的场合 – 归零码便于提取同步信息
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GSM系统语音编码器性能要求
移 动 通 信 原 理
（3）码变换 • GSM系统所确定的基本语音编码的变码 器可将13位线性PCM码流变换成16kbit/s 的无线传输比特率。 • 在GSM语音编码器网络一端将完成A律 或µ律的PCM变换。
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GSM系统语音编码器性能要求
移 动 通 信 原 理
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1、 概述
• 语音编码技术通常分为三类
移 动 通 信 原 理
– 波形编码（如PCM） – 声源编码（或参量编码） – 混合编码
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1、概述
移 动 通 信 原 理
• 波形编码的目的在于尽可能精确地再现原来的 语音波形。
– 如A/D转换，直接将时域波形变换成数字系列，接 收恢复的信号质量好
• 声源编码是将语音信息用特定的声源模型表示。
（4）非话信号的传输 • 语音编译码器没有对语音频段的数据做 出要求，然而，必须要求语音编译器能 够传输由网络提供给用户的各种音频信 号音，如拨号音、振铃音、忙音等。
第4章 语音编码、信道编码和交织讲解
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4.1.1 概述
• 混合编码基于参量编码和波形编码发展的一类新的 编码技术。在混合编码的信号中，既含有若干语音 特征参量又含有部分波形编码信息。其编码速率一 般在4～16kbit/s。当编码速率在8～16kbit/s范围时， 其语音质量可达到商用语音通信标准的要求。
• 考虑到中、低比特率的编译码器将尽量利用语音 中的一些特征，将语音以及语音频段内的数据一 起协调的编码算法必将降低语音的质量。因此， 在设计语音编码器时，应首先考虑语音的质量， 而对于语音频段内的数据信号，则通过特殊的终 端适配器来实现。
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4.1.6 GSM系统语音编码器
（5）传输时延 造成传输时延的主要原因有以下两方面。 ① 语音编码的时延。 ② 无线分系统中的时延。
• 目前较成功的混合编码方案有两种，多脉冲激励 线性预测编码（MPLPC)和码激励线性预测编码 （CELPC),前者使用一个数目有限且幅度和位置 要调整的脉冲序列作为激励源。后者使用一个波 形矢量作为激励源。图4-3给出三种不同激励序列 及其产生语音方法。
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图4-3 三种不同激励的语言合成模型
• 三种编码技术同时存在通信系统中，波形编码以 其高质量用于长途传输和宽带语音；声码器以高效 压缩性用于保密通信；混合编码以其独有特性用于 各种通信系统。
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4.1.5 移动通信中语音编码器的选择
在低比特率语音编码中，有4个参数是很重要的， 即比特率、质量、复杂度和处理时延。 1．语音质量评估 • 当前世界上流行的语音质量评估方法是采用原
CDMA语音编码和信道编码总结
CDMA的语音编码与信道编码摘要：随着3G移动通信技术的逐步实现以及移动通信与互联网的融合，全球正迅速步入移动信息时代。
CDMA已被广泛接纳为第三代移动通信的核心技术之一，它具有优越的性能。
本文主要介绍CDMA中常用的语音编码技术与信道技术。
关键词：语音编码信道编码受激励线性编码码激励线性预测编码矢量和激励线性预测编码编码器解码器卷积码1 CDMA中的语音编码技术语音编码为信源编码，是将模拟信号转变为数字信号，然后在信道中传输。
在数字移动通信中，语音编码技术具有相当关键的作用，高质量低速率的话音编码技术与高效率数字调制技术相结合，可以为数字移动网提供高于模拟移动网的系统容量。
目前，国际上语音编码技术的研究方向有两个：降低话音编码速率和提高话音质量。
1.1 语音编码技术的分类语音编码技术有三种类型：波形编码、参量编码和混合编码。
●波形编码：是在时域上对模拟话音的电压波形按一定的速率抽样，再将幅度量化，对每个量化点用代码表示。
解码是相反过程，将接收的数字序列经解码和滤波后恢复成模拟信号。
波形编码能提供很好的话音质量，但编码信号的速率较高，一般应用在信号带宽要求不高的通信中。
脉冲编码调制（PCM）和增量调制（ΔM）常见的波形编码，其编码速率在16～64kbps。
●参量编码：又称声源编码，是以发音模型作基础，从模拟话音提取各个特征参量并进行量化编码，可实现低速率语音编码，达到2～4.8kbps。
但话音质量只能达到中等。
●混合编码：是将波形编码和参量编码结合起来，既有波形编码的高质量优点又有参量编码的低速率优点。
其压缩比达到4～16kbps。
泛欧GSM系统的规则脉冲激励-长期预测编码（RPE-LTP）就是混合编码方案。
1.2 CDMA的语音编码CDMA系统如同其它数字式移动电话系统，它也采用语音编码技术来降低语音的编码速率。
CDMA系统的语音编码主要有从线性预测编码技术发展而来的激励线性预测编码QCELP和增强型可变速率编码EVRC。
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hM
－1 1 2 1 2 1
－1 2 1
－1 2 1
－1 2 S n (开关1 ) 或 n (开关2 )
∑
(a)
＝
Sn－ 1
＝
Sn－ 2
S n －m ＋ 1 S n －M ＝ …
n
h1
h2
h M －1
hM
滤波器
第5章 语音编码及信道编码
应用上述线性预测的分析与合成方法的语音编码， 称为语音的线性预测编码(LPC)。 线性预测编解码器的 简化方框图如图5 - 6所示， 图(a)为LPC编码器， 图(b) 为解码器。
5.1.2 信道编码 著名的仙农(Shannon)定理为实现有效和可靠的通
信奠定了理论基础。 该定理指出： 在有噪声的信道环
境下， 只要信源的信息速率不超过信道容量， 就可以 找到一种编码方法， 使信息的传输速率任意地逼近信
道容量， 而传输的错误概率任意地逼近于零， 或者传
输的失真度能够任意地逼近给定的要求。 这里指出了 信道编码在实现有效和可靠的通信方面的重要作用和
第5章 语音编码及信道编码
基音 周期 冲激串 发生器
浊音/清音 开关 u (n) × G
声道参数 时变数字 滤波器
s(n )
随机噪声 发生器
图 5 - 4 语音产生模型的简化方框图
第5章 语音编码及信道编码
Sn ＝ Sn－ 1 ＝ Sn－ 2 … S n －m ＋ 1 ＝ S n －M
h1
h2
h M －1
f / k Hz
3 .3
图 5 - 1 浊音频谱
第5章 语音编码及信道编码
20
20 lg| X()|2 / dB
－5 0 0 f / k Hz
3 .3
图 5 - 2 清音频谱
第5章 语音编码及信道编码
2. 语音发声过程的物理模型 根据对发音器官的构造和声音产生的机理的分析， 图5 - 3(a)、 (b)、 (c)分别示出语音产生过程的机械模型、 电路模型以及激励的功率谱和滤波器的频率响应特性。
图中可以看出， 浊音的频谱包络有三个峰值处， 即共 振峰频率。 图中的小尖峰点， 即基音fp的谐波， 能量 集中在其附近， 相关性较强。 清音的频谱包络没有共 振峰和小尖峰点存在， 时间波形特性没有准周期性。
第5章 语音编码及信道编码
40
20 lg|X()|2 / dB
－6 0 0 fp 2 fp
上述 LPC 编解码器能够保证在一定的可懂度条件
下， 使数码率降低到2.4～4.8 kb/s。 但也存在如下一 些缺点： 损失了语音自然度； 抗噪声干扰能力差； 谱
第5章 语音编码及信道编码
X(n )
N抽头LPC 滤波器
－ X(n )
＋ × r (n ) 激励 控制 N抽头LPC 滤波器
X(n )
激励计算器 LPC系数 LPC系数
系数计算器 (a) (b)
图 5 - 6 线性预测编码器简化方框图
第5章 语音编码及信道编码
5.2.3 规则脉冲激励长期预测LPC编码(RPE-LTP) 1. 线性预测编码的改进模型
图 5 - 3 语音产生过程的机械和电路模型
(a) 机械模型； (b) 电路模型； (c) 激励功率谱和滤波器的频率响应
第5章 语音编码及信道编码
5.2.2 线性预测编码(LPC)
线性预测分析法可十分精确地估算语音参数， 而 且速度快， 因而获得了广泛的应用。 线性预测是指一 个语音的抽样值可用该样值以前若干个语音抽样值的 线性组合来逼近。 如果使二者的差值的平方和达到最 小值， 则可以决定惟一的一组预测器的加权系数。 图 5 - 4为语音产生模型的简化方框图。
第5章 语音编码及信道编码
咽喉脉冲流 机械力 气室 气流
鼻腔
口腔 舌 喉 气管 横隔膜 功率源 肺 激励信号 (a) 时变有损谐振器 齿 唇
图 5 - 3 语音产生过程的机械和电路模型
(a) 机械模型； (b) 电路模型； (c) 激励功率谱和滤波器的频率响应
第5章 语音编码及信道编码
周期 直流/ 交流 变换 噪声 直流 有声/ 无声 判决 (b) 有声音 f 激励频谱 无声音 f f (c) 滤波前的频率响应 时变滤波器 语声 信号
第5章 语音编码及信道编码
在选择各种不同的数字语音编码方案时， 应考虑
以下一些基本要求： ① 编码速率要低， 语音质量要高； ② 应有较强的抗噪声干扰和抗误码的性能； ③ 编译码时延应在几十毫秒以内；
④ 编译码器复杂度要低， 便于大规模集成；
⑤ 功耗要小， 以便适应手持机。
第5章 语音编码及信道编码
第5章 语音编码及信道编码
5.2 参量编码和声码器
5.2.1 参量编码的基本原理 1. 语音信号产生 人类的发音器官是一个相当复杂的系统。 来自肺 部的气流通过气管、 喉部、 声门进入口腔及鼻腔。 口 腔形成一个声道， 并由舌头、 下颌和嘴唇的位置决定
其形状。
第5章 语音编码及信道编码
图5 - 1及图5 - 2分别示出浊音及清音的频谱。 从
地位， 并从理论上为信道编码的发展指出了努力方向。
第5章 语音编码及信道编码
所谓信道编码， 就是按一定的规律给待传送的数 字序列 {d} 增加一些多余的码元， 称之为监督码元。
使不具有规律性的信息序列{d}变换为具有某种规律性
的数字序列{c}， 称之为码序列。 经变换后得到的码 序列的诸码元与多余码元之间是相关的； 接收端的译
码器则根据这种相关性来检测和纠正传输过程中产生
的差错。
第5章 语音编码及信道编码
信道编码的方法有许多种， 一般可按下列方式分类：
(1) 按照信息码元和监督码元之间的约束方式不同， 可分为分组码和卷积码。
(2) 按照信息码元与监督码元之间的关系又可分为线 性码和非线性码。
(3) 按照编码后每个码字的结构可分为系统码和非系 统码。 (4) 按照修正错误的类型不同， 可以分为纠正随机错 误和纠正突发错误的码。 (5) 按照码字中每个码元的取值不同， 还可分为二进 制码和多进制码等。
第5章 语音编码及信道编码
5.1 概 述
5.1.1 语音编码 语音编码的基本方法可分为波形编码和参量编码两 种。 波形编码是将时域的模拟语音的(电压)波形信号 经过取样、 量化、 编码而形成的数字语音信号。 为了 保证数字语音信号解码后的高保真度， 取样速率应满
足奈奎斯特取样定理， 并且量化分层数要足够大。