通信原理课件第六章 自适应差分脉冲编码
自适应差分脉冲编码调制语音编码资料
自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）语音编码摘要:在过去的几十年中人类在语音数字化和数字化压缩领域研究摸索中取得了辉煌的成就。
开辟了崭新的信息数字化时代。
1972年CCITT制定了G.711 64kb/s PCM语音编码标准，CCITT G.711A规定的A律和μ律PCM采用非线性量化，在64kb/s的速率语音质量能够达到网络等级，当前已广泛应用于各种数字通信系统中。
由于它是一维统计语音信号，当速率进一步减小时，将达不到网络等级所要求的话音质量。
对于许多应用，尤其在长途传输系统中，64kb/s的速率所占用的频带太宽以至通信费用昂贵，因此人们一直寻求能够在更低的速率上获得高质量语音编码质量的办法。
于是在1984年CCITT又提出了32kb/s标准的G.721 ADPCM编码。
ADPCM充分地使用了语音信号样点间的相关性，利用自适应预测和量化来解决语音信号的非平稳特点，在32kb/s速率上能够给出符合公用网的要求的网络等级语音质量。
本文对PCM、DPCM、DM、ADM以及ADPCM的编码、译码原理进行讨论，并对它们性能进行比较，然后着重阐述基于ADPCM的语音压缩算法，并介绍了ADPCM编码在蓝牙技术上的使用，最后对ADPCM在现代通信中的应用做个总结与展望。
1 脉冲编码调制及差分脉冲编码调制1.1脉冲编码调制(PCM)脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）是把模拟信号变换成数字信号的一种调制方式。
其功能是完成模-数转换，实现连续消息数字化。
在PCM的调制过程中，将输入的模拟信号进行取样，量化和编码。
经量化后的样值进一步变换为表示量化电平大小的二进制，即用二进制的大小来代表模拟信号的幅度(一个二进制码是一组有限的“0”、“1”脉冲序列)。
在接收端再将这些编码的二进制数还原为原来的模拟信号。
由于二进制PCM便于应用现代数字技术，且具有抗噪性能好的优点，因此是一种最常用的PCM形式。
通信原理第6章-2
PCM编码 编码
♦ 常用的PCM二进制编码有三种： ♦ 自然二进制码组NBC
– 十进制正整数的二进制 ♦ 折叠二进制码组FBC – 第一位表示正负号,第二位及其后表示幅值,相对 于零电平对称折叠。 ♦ 格雷二进制码组RBC – 任何相邻电平的码组均只有一位不同 ♦ 当信道传输中有误码时,折叠码产生的失真误差功 率最小：第一位码发生错误,NBC解码后,幅值误差 为最大幅值的一半,电话中能听到清晰的“喀嚓” 声,小信号尤为明显,而FBC要小得多,应用最多。
8 7 6 5 4 3 2 1
1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0
1 0 1 0 1 0 1 0
1024 512 256 128 64 32 16 0
64 32 16 8 4 2 1 1
512 256 128 256 128 128 64 32 16 8 8 64 32 16 8 4 4 64 32 16 8 4 2 2
23
编码原理
位时钟 脉冲D1
抽样值 PAM 将双极性信号变 成单极性信号 整流 保持 正时为“1”，负时为“0” 极性判决
位时钟脉冲
D2 D3 ... D8 IS Iw
B1 B3 ... B11
C1
比较判决
C2 C3 ... C8
4
均匀量化
♦ 均匀量化的主要缺点： 均匀量化的主要缺点：
–无论抽样值大小如何,量化噪声的均方根值都 固定不变。 –当输入信号m(t)很小时,信号与量化噪声功率 比也很小,其信噪比则达不到给定要求。
♦ 实际应用中经常采用的则是非均匀量化 非均匀量化。 非均匀量化
5
非均匀量化
♦ 突出的优点 突出的优点有：
第6章
第6 差分脉冲编码调制
当
，
量化为
当
，
量化为
当
，
量化为
当
，
量化为
图(b)表示经抽样与量化后的 信号波形，图(c)是编码器输 出的DPCM码。若设正脉冲表 示二进制数字"0",负脉冲表示 "1",则编码器输出的DPCM码 为:0101010000000 。
2.DPCM编码
由式（6-1）产生的预测误差 e(k) 虽 然与样本值 x(t) 比较一般是不大的量， 但由于信号某段中可能增、减斜率较大， 因此阶梯波 追x%(k踪) 能力就显不足，会
6.2 差分脉冲编码调制（DPCM）
•编码器中的预测器与解码器中的预测器完全 相同 。
•DPCM原理方框图
DPCM预测原理
DPCM系统 中，总量化 误差只和差 值信号的量 化误差有关
编码器：图6-1给出了一个实现DPCM功
能的系统框图。它实现预测编码的基本设计 构思是，对预测误差 e(k) 进行量化后，编成 PCM码传输。这一差值的动态范围应当说比 PCM的绝大多数样本值小的多。PAxM(k)序列的 所用的参考值来自于带有预测器，而不断累 积的阶梯波输出，x%(k )是在以前所有累积值与 差值量化值eˆ(k) 相加的结果。因此阶梯波x%(k) 总是在不断近似追踪输入序列PAM信号的各
最后算出DPCM系统的输出信噪比为
比较DPCM和PCM系统的性能
•PCM系统的输出信噪比为
• DPCM系统的输出信噪比为
可以看出，当N和fs/fc比较大时，DPCM 系统的性能要优于PCM。
•
DPCM与PCM的区别是，在PCM
中用信号抽样值进行量化，编码后传输。
而DPCM则是用信号mt 与 mt 的差值进
通信原理第六章
6.1 抽样定理 6.2 脉冲幅度调制(PAM)6.3 脉冲编码调制（PCM） 6.4 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）（了解概念）第6 章模拟信号的数字传输 数字通信系统：具有许多优点而成为当今通信的发展方向。
然而许多信源输出的消息都是模拟信号。
模拟信号要实现数字统传输，一般需三个步骤： 第（2）步已在第5章和将在第7章中讨论，本章只讨论（1）（3）两步。
一般发端的A/D变换称为信源编码，而收端的D/A变换称为信源译码。
模拟信号数字化的方法大致可划分为1、波形编码：时域波形→数字序列2、参量编码：特征参量→数字序列只介绍波形编码。
最普遍的波形编码方法：脉冲编码调制(PCM)。
PCM通信过程：先对模拟信号进行抽样，使其成为一系列离散的抽样值，然后将这些抽样值进行量化并编码，变换成数字信号然后即可进行数字传输。
在接收端，则将接收到的数字信号进行译码和低通滤波，恢复原模拟信号。
采用脉码调制的模拟信号的数字传输系统等效于：在信号最高频率分量的每一个周期内起码应抽样两次。
若抽样速率fs ＜2fH，则会产生失真，这种失真叫混叠失真。
可以看出：抽样后信号的频谱M(ω)由无限多个间隔s的M(ω)相叠加而成，因此，抽样后的信为ωs(t)包含了信号m(t)的全部信息。
号ms6.1.2 带通抽样定理 上面讨论低通型信号的均匀抽样定理。
带通型信号：限制在f L ~f H 之间，且f L >=B 。
此时，低通抽样定理同理成立。
但f s 太高，会使0~f L 一大段频谱空隙得不到利用，降低了信道的利用率。
为了提高信道利用率，同时抽样后的信号频谱不混叠，利用带通信号的抽样定理即可实现。
根据上式可以得出：当n=1时，f s 在2B~4B 范围内取值；当n 无穷大时，也就是当f L >>B 时，f s ≈2B 。
根据式（6.1 -13）和关系f H =B+f L 画出的曲线如图6 -8 所示。
第4章：正弦信号作为载波。
通信原理-第6章 课件PPT
=T
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6.2.1
数字基带信号的基本码型
（3）有直流分量，将导致信号的失真与畸变；且由于直 流分量的存在，所以无法使用在交流耦合的线路和设备中；
（4）不能直接提取位同步定时信息； （5）抗噪性能差。接收单极性NRZ码的判决电平应取 “1”码电平的一半。由于信道衰减或特性随各种因素变化时， 接收波形的振幅和宽度容易变化，因而判决门限不能稳定在 最佳电平，使抗噪性能变坏；
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6.2.1
数字基带信号的基本码型
3．双极性不归零（Bip Polar Non-Return to Zero，BPNRZ） 码
在双极性不归零波形中，脉冲的正、负电平分别对应于二
进制代码“1”、或“0”。其波形如图（c）所示。用物理的正
电平表示“1”，用物理的负电平表示“0”，正负电平绝对值
《通课信程原名理称》课件
第1章 通信系统概述
第2章 信号分析 第3章 信道与噪声 第4章 模拟调制 第5章 模拟信号的数字传输 第6章 数字基带传输
第7章 数字调制 第8章 差错控制编码 第9章 同步原理
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《通课信程原名理称》课件
第1章 通信系统概述
第2章 信号分析
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6.1
数字基带传输系统组成
4．取样判决和码元再生
在规定的时刻（由位定时信号控制）对接收滤 波器输出的信号进行取样，然后根据预先确定的判 决规则对取样值进行判决。码元再生将判决器判决 出的“1”码及“0”码变换成所需的数字基带信号 形式。
5．位定时提取
从接收滤波器输出的信号中提取用于控制取样 时刻的同频同相位定时信号。同频，即位定时的周 期等于码元周期（码元宽度），这样收发两端的码 元一一对应不会搞错。同相，就是位定时信号的脉 冲应对准接收信号的最佳取样判决时刻，使取样器 取到的样值最有利于正确的判决。
自适应差分脉冲编码的原理
自适应差分脉冲编码的原理
自适应差分脉冲编码（Adaptive Differential Pulse Code Modulation，ADPCM）是一种数字音频压缩技术，它的原理如下：
1. 音频采样：原始音频信号首先被采样，并以一定的频率离散化成数值序列。
2. 差分编码：ADPCM中使用差分编码来表达音频信号的差异。
差分编码将每个采样值与前一个采样值进行比较，然后编码为表示差值的二进制码字。
编码后的差值可以更有效地表示音频信号的动态变化。
3. 量化：编码后的差值被送入量化器，根据预定的量化步长进行量化。
量化步长决定了编码的精度，较小的步长可以提供更高的音频质量，但也会增加码字的数量。
4. 编码：量化后的差值被编码为二进制码字，通常使用固定长度的码字来表示不同的差值。
编码后的码字可以更高效地传输和存储音频数据。
5. 解码：接收端接收到编码后的码字后，使用相同的编码算法进行解码。
解码过程包括解码差值、反量化、差分解码和还原原始采样值。
6. 自适应：ADPCM算法采用自适应的方法来调整差分编码和量化的参数。
通过分析音频信号的动态特性，可以根据需要动态地调整量化步长和差分编码的参
数，以提供更好的音频质量和压缩效果。
总的来说，自适应差分脉冲编码通过差分编码和量化来减少音频数据的冗余，并通过自适应调整参数来适应不同的音频信号特性，从而实现音频压缩和解压缩。
使用自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)
中华人民共和国通信行业标准使用自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)和数字话音插空(DSI)的数字电路信增设备Digital circuit multiplication equipmentusing ADPCM and DSIYD／T 1018—1999前言本标准是根据国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)建议G.763(1998)，并结合我国具体情况制订的，在技术内容上与G.763一致。
本标准的附录A是标准的附录。
本标准由邮电部电信科学研究规划院提出并归口。
本标准由邮电部第五研究所负责起草。
本标准主要起草人：戚家和1 范围本标准规定数字电路信增设备(DCME)和数字电路信增系统(DCMS)的技术要求。
本标准适用于设备的设计参考，而不限制具体功能如何实现。
2 引用标准下列标准包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。
本标准出版时，所示版本均为有效。
所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
GB／T 7611—87 脉冲编码调制通信系统网路数字接口参数ITU—T建议 G.763(1998)使用ADPCM(建议G.726)和数字话音插空的电路倍增设备ITU—T建议 G.703(1O/98)系列数字接口的物理／电气特性ITU—T建议 G.7704(10/98)用于1544kbit/s、6312kbit/s、2048kbit/s、8488kbit/s 和44736kbit/s速率系列级的同步帧结构ITU—T建议 G.726(12/90)40、32、24、16kbit/s自适应差分脉冲编码调制(ADPCM) ITU—T建议 G.766(11／96)数字电路倍增设备的传真解调／再调制ITU—T建议 Q.50(03/93)电路倍增设备(CME)和国际交换中心(ISC)之间的信令ITU—T建议 Q.764(03／93)ISDN用户部分信令程序ITU—T建议 G.711(11/88)话音频率的脉冲编码调制(PCM)ITU—T建议 G.763的附件A(10/98)；DCME发送／接收单元结构的例子和SDL图ITU—T建议 G.763的附录I(10/98)：附加要求ITU—T建议 G.763的补充1(10/98)：DCME的应用指导和系统能力的估算3 定义3.1 数字电路倍增设备(DCME)把64kbit/s PCM编码的输入中继信道集中在较少数量的传输信道上的一类通用设备。
自适应差分脉码调制
4.2.4.7 清音和浊音
清浊音频谱 清浊音信号
4.2.4.8 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
基音周期
周期脉冲发生器
清/浊音开关
1 1
1
1
286
125
212 146
24
36 220
4
4.2.6.2 二维4×4 DCT变换
a a a a a b a c
Y=AXAT b a
c a
c a
bXa a ac cFra biblioteka a
b b
a1,b 2
1cos,c 1cos3
28 2 8
c b b c a b a c
若 表示矩阵对应元素相乘，d=b/c，那么上式可 以表示为 d1/( 21)2.4142... 时，为最优变换矩阵
可以得到：
Y/Qstep=CfXCfT Ef /Qstep
1 5 1 1
1 1 1 5
1 1 1 5 15X1 1 1 1 1 1 5 1 15
1 11 1 5 15 1
1/4 1/232 1/4 1/232
1/232 1/58 1/232 1/58
1/4 1/232 1/4 1/232
1/232
1 1
1
1
24
36 220
4
286 125 212 146
=
T
我们希望这个过程是可逆的，即可以验证：
1 1 1 1 370 243 318 290 128 16 5 8
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❖ 由于相关性的存在，传输数据中存在大量不需
要传输的信息，称为冗余.
❖ DPCM就是通过预测和差分编码方式来减少冗
余，实现数据压缩的目的。
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第六章自适应差分脉冲编码
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什么是预测？ 知道某时刻以前信号的表现，就可以
dq(z)
发送端
H(z)
+
Sr (z)
Sr (z)
N
aiZ i
i 1
接收端
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第六章自适应差分脉冲编码
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设发送系统预测量化器传递函数为D(Z)
N
d q ( z ) s r ( z ) a i z i s r ( z ) i 1
N
d q ( z ) s r ( z )( 1 a i z i ) i 1
DPCM编码器
数字信道
Se (k) 预测器
DPCM解码器
DPCM系统原理框图
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第六章自适应差分脉冲编码
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差分脉码调制：
对信号采样值和预测值的差值进行量化 编码并传输.
接收端将接收到的差值和恢复的预测值 相加得到此次采样值.
由于只传输动态范围较小的差值,所以编 码的码组不需太长,在DPCM中,一般采用4位.
择这一组数据，使预测值更接近实际值，实 现GP和SNR的最大，是最佳预测器所要解决的 问题。
怎样选择一组系数ai，bi，使差值功率 E[d2]最小？
根据前N个样值对s(nTs)进行预测，定义为:
N
sˆ(nT)s ais(nTsiTs) i1
sˆ(nTs) ------ s(nTs)的预测值。
ai ------ 加权常数
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第六章自适应差分脉冲编码
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预测过程可以用以下抽头延时滤波器实现:
输入
s[n]
Z-1 s[n-1] Z-1 s[n-2]
D ( z )
dq(z) sr (z)
(1
N
aizi )
i 1
式中ai是一组预测系数。
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第六章自适应差分脉冲编码
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接收系统重建滤波器传递函数H(Z)
1
1
H(z)
D(z)
(1
N
aizi)
i1
由于重建滤波器传递函数只有极点没 有零点，故称为全极点预测器.
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第六章自适应差分脉冲编码
推断它以后的数值，具体到信号的采样过 程，就是通过前几次的样值来预测后一次 的样值。
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第六章自适应差分脉冲编码
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假如有一个信号s(t)，用速率1/Ts进行采样， 那么在时刻t=nTs，我们可以掌握此前N个样值序列：
s ( n ) ， s T ( n T s T ) ， s ( n s s 2 T T ) ， s s ( n N T )
E[d2(k)] E[e2(k)]
Gp SNRq
系统总的量化信噪比等于预测增益与差值 量化信噪比的乘积
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第六章自适应差分脉冲编码
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预测增益：
GP
E[S 2 (k)] E[d 2 (k)]
差值信号量化信噪比：
SNRq
E[d 2(k)] E[e2 (k)]
要使信号总信噪比大，就要使预测增益大，也 就是增加预测的准确性，同时还要求降低量化噪声。
现代通信原理
第六章 自适应差分脉冲编码
wujing
wujing
§6.1 概述
❖ 8位PCM编码，对于语音传输，其速率为64K， 需要32K的带宽，多用于有线传输。
❖ 在无线通信，特别是移动通信中，带宽资源是非 常宝贵，一般要求信号具有更低的速率以减小传 输带宽。
❖ 数字化图像一般有96M的速率，占用48M的带宽， 就更需要重新设计信源编码形式，以降低速率或 数据量，便于传输和存储.
sr(z)dq(z)H(z)dq(z)se(z)
M
dq(z)(1 bizi) i1
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第六章自适应差分脉冲编码
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M
H(z)(1 bizi) i1
重建滤波器的传递函数只有零点没有极 点，称为全零点预测器。
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第六章自适应差分脉冲编码
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3、最佳线性预测器 预测器具有一组预测系数ai，bi,怎样选
DPCM就是研究如何使这两个参数最大，提出了 ADPCM(自适应差分量化编码)的思想。
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第六章自适应差分脉冲编码
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线性预测网络可分为极点预测器和零点预测器两种
1. 极点预测器
D(z)
S(z) + d (z) 量化器
dq(z) dq(z)
Sr (z)
N
+ a i Z i
i 1
Sr (z)
❖ 这就提出了压缩的问题
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第六章自适应差分脉冲编码
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语音压缩编码技术：
❖ 低于64kb/s数码率的语音编码技术 ❖ 方法：
差分脉码调制(DPCM) 自适应差分脉码调制(ADPCM) 子带编码(SBC) 矢量量化编码(VQ) ……
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第六章自适应差分脉冲编码
5
§6．2 DPCM的基本原理
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第六章自适应差分脉冲编码
11
发送端：
差值信号d(k)=s(k)-se(k)，量化后 得到的dq(k)，一方面送入编码器，另一方 面送入本地解码器产生斜变信号se(k) 。
接收端：
先经过PCM 解码恢复dq(k)，在经过积 分器和LPF即恢复出模拟信号sr(k)。
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第六章自适应差分脉冲编码
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DPCM的系统总量化误差：
e(k)s(k)sr(k) [se(k) d (k) ][se(k) d q(k)] d(k)dq(k)
总量化误差只和差值信号的量化误差有关.
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第六章自适应差分脉冲编码
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SNR E[S 2 (k)] E[e2 (k)]
量化ห้องสมุดไป่ตู้ 噪比
预测 增益
E[S2(k)]E[d2(k)]
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2.零点预测器
D(z)
S(z) + d (z) 量化器
Se(z)
M
bi Z i
i 1
dq(z) dq(z)
发送端
H(z)
Sr (z)
+
M
biZ i
i1
Se(z)
接收端
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第六章自适应差分脉冲编码
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预测信号:
M
se(z) bidq(zi ) i1
bi是一组预测系数。
重建信号为：
s[n-N+1]
s[n-N]
Z-1
延时 一个
a1
周期
a2
aN-1
Σ
Σ
aN
预测 Σ
sˆ[ n ]
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第六章自适应差分脉冲编码
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§6．2 DPCM的基本原理
S(k)
d(k)
d q (k )
+ 量化器
编码
Se (k )
+
I(k)
I(k)
d q (k )
解码
+
DPCM码流
Sr (k)
预测器 Sr (k)