2.7语音信号的数字化
语音信号的数字化和预处理
若用σx2表示输入语音信号序列的方差，2Xmax表示信号的峰 值，B表示量化分辨率(量化位长)，σe2表示噪声序列的方差， 则可证明量化信噪比(信号与量化噪声的功率之比)为
X SNR 10lg
2 x 2 e
6.02B
Байду номын сангаас
4.77
2
lg
max
x
假设语音信号的幅度服从Laplacian分布，此时信号幅度超
语音信号及单片机处理
语音信号的数字化和预处理
语音分析全过程的是短时分析技术。
由于语音在一个短时间范围内的物理特征与频谱特征近 似不变，具有短时平稳特性，即语音信号是一种准平稳过 程，因此可以把语音的分析和处理建立在短时分析技术的 基础上，即将语音信号分段来分析。其中每一段称为一帧。 帧的长度叫帧长，前后帧长之间的交叠部分称为帧移。通 常，由于语音在10～30ms之内是保持相对平稳的，因此帧 长取为10～30ms，帧移与帧长之比为0～1/2。
这样，不仅能够进行预加重，而且可以压缩信号的动态 范围，有效地提高信噪比。所以，为尽量提高SNR，应在 A/D转换之前进行预加重。同时，预加重也可在A/D转换 之后进行，用具有6dB/oct的提升高频特性的预加重数字滤 波器实现。它一般是一阶的，即
H (z) 1 z1
式中μ值接近于1。 加重后的信号在分析处理后，需要进行去加重处理， 即加上6dB/oct的下降的频率特性来还原成原来的特性。
采样之后要对信号进行量化，在量化过程中不可避免地 会产误差。量化后的信号值与原信号之间的差值称为量化 误差，又称为量化噪声。若信号波形的变化足够大或量化 间隔足够小，可以证明量化噪声具有下列特性：
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2021/12/12
第02讲 语音信号的数字化和预处理+时域分析
频谱泄露 较严重
矩形窗与汉明窗的比较
频谱分辨率高
窗类型
矩形窗
旁瓣峰值
• 假设语音信号的幅度符合Laplacian分布,此时信号幅度超过 4σx的概率很小，只有0.35%，因而可取Xmax=4σx，则 • 上式表明量化器中的每bit字长对SNR的贡献为6dB。
SNR(dB) 6.02 B 7.2
对重构的语音波形的高次谐波起平滑作用，去掉高次谐波失真。
• 汉明窗： (n) 0.54 0.46 cos[2n /( N 1)], 0 n ( N 1) 0, n else
矩 形 窗 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.9 0.8 0.7 0.6
hanming窗
w（n）
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
如下：
En x ( m)
m 0 2 n
N 1
• En是一个度量语音信号幅度值变化的函数，但它有一个缺陷， 即它对高电平非常敏感（因为它计算时用的是信号的平方)。
• 为此，可采用另一个度量语音信号幅度值变化的函数，即短
时平均幅度函数Mn，它定义为：
M n xn ( m)
m 0
N 1
0.7
0.8
0.9
1
0
幅度 /dB
-50
-100
0
0.1
0.2
0.3
0.4 0.5 0.6 归 一 化 频 率 (f/fs)
声音的数字化流程
声音的数字化流程
声音的数字化流程是将模拟声音信号转换为数字信号的过程，主要包括采样、量化和编码三个步骤。
声音数字化是现代技术中一个基础且重要的过程。
通过这一过程，连续的模拟声波信号被转换成离散的数字数据，使得声音可以被计算机处理、存储和传输。
具体的声音数字化流程包括采样、量化和编码三个关键步骤。
首先，采样是按照一定的时间间隔在连续的声波上进行取值的过程。
奈奎斯特取样定理表明，只要取样频率大于等于信号中所包含的最高频率的两倍，就可以根据其取样完全恢复出原始信号。
常见的采样率有8kHz、16kHz、32kHz、44.1kHz等，其中44.1kHz是CD标准采样率，可以满足人耳听觉范围并保留高质量音频信息。
其次，量化是将采样得到的值进行量化处理的过程，即设定一个刻度，记录每个采样点的振幅值。
量化的精度取决于用多少位二进制数来表示一个音频数据，常见的有8位、12位或16位。
量化精度越高，声音保真度也越高。
最后，编码是将量化后的样本值转换成二进制编码的过程。
常见的编码方式是PCM（脉冲编码调制），这是一种将音频信号采样并量化后转化为二进制数据的方法。
PCM数据就是一系列按时间顺序排列的二进制数值，这些数值在播放时可以通过数字到模拟转换器（DAC）转换回模拟信号，从而还原成声音。
综上所述，音频数字化是音频技术中至关重要的基础步骤，它不仅使音频信号能够被现代计算机系统处理和存储，还为音频信号的进一步处理和应用提供了可能。
补充语音信号数字化
50
抽样
-50
50
量化
-50
编码
00011010
00101101 01011000 ….
脉冲编码调制(PCM)的整个过程为： 的整个过程为： 脉冲编码调制 的整个过程为
模拟信号
滤波 PCM信号 信号
抽样、量化、 抽样、量化、编码
模拟信号
译码
滤波
滤波 在信号的发送端， 在信号的发送端，滤去模拟信号中不必要 的信号 在信号的接收端， 在信号的接收端，把译码后的输出恢复为 我们把这一系列过程统称为编译码和滤波， 我们把这一系列过程统称为编译码和滤波， 信号波形 该功能由交换机的用户电路完成
归纳如下： 归纳如下：
每一帧占125us,分为 个时隙，每个 分为32个时隙 每个TS=3.9us 每一帧占 分为 个时隙， 时隙TS1至TS15， TS17至TS31传送用户信息；TS0为帧 时隙 至 ， 至 传送用户信息； 为帧 传送用户信息 同步时隙， 为信令时隙。 同步时隙，TS16为信令时隙。 为信令时隙 每一时隙传送8位码，每位码占 ），一帧共 每一时隙传送 位码，每位码占488ns（纳秒），一帧共 位码 （纳秒）， 8×32=256 bit × 每16帧形成一复帧，一复帧时间为 帧形成一复帧， 帧形成一复帧 一复帧时间为125×16=2 ms × 每一路话路的数据率为 8 / (125 ×0.000001)=64K bps 系统中， 在PCM30/32系统中，一条 系统中 一条PCM链路的信息速率为 链路的信息速率为 R=8000 × 32 × 8 或 64 ×32=2.048M bps 在电路上按时间分割成等长的时间单元（ ），在每 在电路上按时间分割成等长的时间单元（帧），在每 帧里又按时间分成等长的时隙，并按照时间顺序编号， 帧里又按时间分成等长的时隙，并按照时间顺序编号，每帧 中相同时间位置的时隙用来传输同一信元的信息。 中相同时间位置的时隙用来传输同一信元的信息。可通过时 时隙）来判别信息属于哪个话路。 间（时隙）来判别信息属于哪个话路。
第2章 语音信号的数字化基础
CH1 CH2
3.91us
125us
C
CH32
经过抽样门后的时分复用线
4
分路CH1 分路CH2 3.91US
PAM
分路CH32
125US
5
2.2 模拟信号和数字信号
模拟信号、离散的模拟信号
数字信号
信号的幅度取值离散，且不准确的与原信息对应 的信号。
数字信号优点：
具有较强的抗干扰能力，可再生； 保密性强； 便于采用集成电路和超大规模集成电路； 便于向ISDN发展
Vs=+594Δ的编码为：11100010
30
经过十三折线所得到的八位数字编码，我们称之 为PCB编码。
例如：求PAM=+366Δ 的PCM编码 解：X1=1，PAM值在第五段，X2X3X4=101， 起始电平256Δ ，量化级差16Δ ， （366-256）/16=6（X5X6X7X8=0110） 编码只舍不入。
46
例如:二进制码为 1001,0101,0000,1110,0001,0000,11 NRZ码为: +100+1,0+10+1,0000,+1+1+10,000+1,00 00,+1+1 AMI码为: +100-1,0+10-1,0000,+1-1+10,000-1, 0000,+1-1
47
40
2.4 码型与码型变换
传输对码型的要求： 无直流分量； 低频及高频分量不宜太大； 包含时钟； 要有连零抑制功能； 有误码检测能力； 设备简单。
41
2.4 传输码型
单极性不归零（NRZ)码——占空比100％ 存在直流 单极性归零（RZ）码——占空比50％ 分量 双极性归零（AMI）码——交替极性
语音信号数字化编码
语音信号数字化编码随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。
由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。
这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数和数模转换器。
语音信号的数字化的编码的实现就是将一个语音信号转换成数字信号。
标签：语音信号；数字信号；模数转换1 设计要求1.1 语音信号的数字化编码的实现即将模拟信号进行数字化处理。
1.2 要求运用pcm编码（脉冲编码调制）的基本原理。
1.3 要求软硬件结合。
2 设计原理语音信号数字化编码的实现就是将一个语音信号转换成数字信号。
语音是人类发音器官发出的，具有一定意义的，能起到社会交际作用的声音。
普通人语音信号频率范围20HZ——20KHZ。
语音信号转换电信号的过程：声音通过空气把震动传给声音传感器的薄膜，薄膜振动带动线圈在磁场中做切割磁感线运动，产生大小不一的电流。
通常把从模拟信号抽样、量化，直到变换成为二进制符号的基本过程，称为脉冲编码调制（pcm），简称脉码调制。
Pcm系统的原理方框如图1所示，在编码器中有冲激脉冲对模拟信号抽样，得到在抽样时刻上的值。
这个抽样值仍是模拟量。
在它量化之前，通常用保持电路将其作短暂的保存，以便电路有时间对其进行量化。
在实际电路中，常把抽样和保持电路作在一起，称为抽样保持电路。
图中的量化器把模拟抽样信号变成离散的数字量，然后再编码器中进行二进制编码。
这样，每个二进制码组成就代表一个量化后的信号抽样值。
3 基本电路5 设计总结21世纪是信息时代。
信息技术的迅猛发展和广泛应用为教学提供了丰富的学习资源，所以我们有必要了解信号的传输常用两种模式——模拟信号和数字信号。
《通信原理》模拟题+答案
《通信原理》模拟题+答案一、单选题（共50题，每题1分，共50分）1、( ）是能在接口端口间提供可控的VC（虚容器）的透明连接和再连接的设备，其端口速率既可以是SDH速率，也可以是PDH速率。
此外，它还具有一定的控制、管理功能。
A、TMB、SDHC、SDXCD、ADM正确答案：C2、能够发现错误并能纠正错误码叫做（）A、差错码B、纠删码C、纠错码D、检错码正确答案：C3、帧结构由信息净负荷(Pay load)、段开销（SOH）和( ）三个区域组成A、POHB、管理指针单元C、RSOHD、SDH复接结构正确答案：B4、信源又称为信息源或发终端，是（）的产生地，是各种消息转换成电信号的转换器，信源输出的信号称为基带信号。
A、信息B、信号C、消息D、信道正确答案：A5、调制信道分为恒参信道和( ）A、变参信道B、有线信道C、调制信道D、无线信道正确答案：A6、( ）完成数字分接功能的设备A、数字分接器B、复接器C、数字D、字母正确答案：A7、频率调制又分为调频FM、脉冲载频调制PFM和( ）A、PSKB、ASKC、频率键控FSKD、PAM正确答案：C8、噪声的分类按照来源划分分为人为噪声、自然噪声和( ）A、单频噪声B、脉冲噪声C、起伏噪声D、内部噪声正确答案：D9、( ）通信是通过人力或畜力或烽火台传递完成的A、现代B、原始C、近代D、未来正确答案：B10、信道分为狭义信道和( ）A、有线信道B、调制信道C、无线信道D、广义信道正确答案：D11、( ）的基本思想是利用相邻样值信号幅度的相关性，以相邻样值信号幅度的差值变化来描述模拟信号的变化规律，即将前一样值点与当前样值点之间的幅值之差编码来传递信息A、增量调制B、调制C、多调制D、改调制正确答案：A12、以下那个英文代表的是局域网（）A、WANB、MANC、JAND、LAN正确答案：D13、在信道上传输的是（）的通信系统称为数字通信系统A、任何信号B、模拟信号C、数字信号D、以上均不对正确答案：C14、( ）输出信噪比。
语音信号数字化
语音信号数字化语音信号是模拟信号，其频率为300 Hz～3.4 kHz。
原始语音信号如图2-1所示。
要将语音信号在数字传输系统中进行传递，就必须使模拟的语音信号数字化。
语音信号数字化是进行数字化交换和传输的基础。
语音信号数字化的方法有很多，用得最多的是PCM。
PCM是将模拟信号数字化的取样技术，它可将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。
在PCM传输系统中，发送端的模拟语音信号经声/电转换成模拟电信号，根据采样定理（采样过程所应遵循的规律，又称抽样定理、取样定理）对模拟电信号进行取样，取样之后进行幅度量化，最后进行二进制编码。
经过抽样、量化和编码3个模数变换（A/D）过程，模拟电信号变成一连串二进制PCM数字语音信号，进入传输线路进行传输，传输至接收端后，PCM数字语音信号经过模数反变换（D/A）还原为模拟信号，再由低通滤波器恢复出原始的模拟语音信号，就完成了语音信号的数字化传输，如下图所示。
PCM过程的各阶段语音信号波形如下图所示。
1.抽样抽样又称采样，是指在时间轴上等距离地在各取样点取出原始模拟信号的幅度值。
1928年，美国电信工程师H.奈奎斯特（H.Nyquist）提出了采样定理。
采样定理说明了采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。
采样定理为采样频率建立了一个足够的条件，该采样频率允许离散采样序列从有限带宽的连续时间信号中捕获所有信息。
（1）奈奎斯特采样定理。
在进行模/数转换过程中，当采样频率fs大于或等于信号中最高频率fmax的2倍时，采样之后的数字信号会完整保留原始信号的全部信息。
一般实际应用中保证fs为fmax的2.56～4倍。
（2）语音信号抽样。
由采样定理可知，当满足奈奎斯特采样定理条件时，在接收端只需经过一个低通滤波器就能够还原成原模拟信号。
这一过程称为脉冲振幅调制(pulse amplitude modulation，PAM)。
取样后的信号称为脉冲振幅调制信号。
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GSM 手机采用规则激励 线性预测（RPE-LTP）语音 编码器，原理框图如所示。
（1）线性预测器 它是由 8 抽头滤波器组成的 8 个声域分 析电路。
（2）长周期预测器 它提取的特征参数用于表征浊音的音 调结构。
（3）激励脉冲发生器 输入的语音数据信号与合成预测值 Sn二者进行比较获得误差电信号。
优势：较少的 量化级数就可以获 得高信噪比。如图 所示 为实现非均匀 量化的方案。
数字通信中，我国采用 A 律 13 折线压缩特性，其压缩曲 线如图所示。
坐标横轴代表输入信号 vi ，最大输入信号幅度为 1，在 vi 的 0 ~ 1 区间分为 8 个量化段，分段点为 0、1/2、1/4、1/8、 1/16、1/32、1/64、1/128，最小输入信号范围间隔最小。大输入 信号间隔最大，横轴各个段分为 16 等分。纵轴代表压缩后的输 入信号 vo，选取 8 个分段点：1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、 7/8、1 从上图可知，8 个断点的折线斜率是不同的 ，第一折线 斜率小
（1）均匀量化 将取样信号幅度变化范围划分为若干量化等级，每个量化 等级的间隔相等，称为均匀量化。如图所示为均匀量化的传输 特性，语音信号的取样幅度在 -V ~ +V 内连续变化，对应的量 有8个。
量化误差：量化值与实 际样值之间的误差。小信号 的量化误差大。
（2）非均匀量化 对小信号采用小级差量化，大信号采用大级差量化，克服 了均匀量化产生的小信号量化误差大的缺点。
图所示为一个简单的取样电路。
信号受控于取样脉冲， 当取样脉冲来的时候，场效 应晶体管 VT 的栅极加上正 向电压，导通，输入信号经 过场效晶体管的漏极-源极到 达输出端。没有取样脉冲时 VT 截止，信号不能通过。
因此，该电路在取样脉冲高电平时取样，低电平为取样间 隔时间。
2．量化
将取样的信号用“四舍五入”的办法归类为若干个幅度取 值的量化信号，这个过程成为“量化”。量化的方式为均匀量 化和非均匀量化。
8 位编码中各个位 表示的含义见表Biblioteka 量化段 号87
6 5 4 3 2 1
输入电平 范围
（vd）
1024 ~ 2048
极性 码
D1 1
512 ~ 1 1024
256 ~ 512 1
128 ~ 256 1
64 ~ 128 1
32 ~ 64 1
16 ~ 32 1
0 ~ 16 1
量化段码
D2 D3 D4 1 11
（2）长周期预测器 它提取的特征参数用于表征浊音的音 调结构。
（3）激励脉冲发生器 输入的语音数据信号与合成预测值 Sn 二者进行比较获得误差电信号。
RPE – LTP 语音编码属于参数编码。
3．语音处理电路实例 摩托罗拉 cd928 双频手机语音处理电路包括发送语音基带 处理电路、接收语音基带处理电路两部分，电路原理框图如图 所示。
（2）PCM 解码 解码是编码的反变换，用于数字手机的语 音数/模转换电路。通过解码后的信号通过扩张电路恢复大小信 号幅度的正常比例，再通过低通滤波器滤去高频次波，保留基 波成分，就可恢复到原来的语音信号。
二、语音编码与解码
1．语音编码 目的：维持一定的语音质量的前提下，压缩语音数据量， 以实现 GSM 系统一个载波上分时传送 8 路语音信号的要求。 分波形编码和声源编码两类。 波形编码以再现波形为目的，利用波形相关性采用线性预 测技术，尽可能不失真的恢复原来的输入语音波形。波形编码 可以保证较高的通话质量。 声源编码是将语音信息用特定的声源模型表示，该技术确 定了一套模拟声带频谱特性的滤波器系数和若干声源参数。声 源编码后传送语音特性参数所需的数码大大降低。
（1）PCM 编码
按照 A 律 13 折线方式，将 - vi 至 + vi 的量化区间划分为 16 个正负对称的量化段，每一段均匀分为 16 个等间隔，可用 8 个二进制数码来表示所有值，即对量化信号进行编码，实现 数字化。
第 1 位 D1：极性码：正 D1 = 1；D1 = 0。 第 2、3、4 位 D2D3D4 ：量化码。 后 4 位 D5D6D7D8：代表段内 16 个等间隔。
1 10
1 01 1 00 0 11 0 10 0 01 0 00
段内间隔码的权限 （vd）
D5 D6 D7 D8 29 28 27 26
28 27 26 25
27 26 25 24 26 25 24 23 25 24 23 22 24 23 22 21 23 22 21 20 23 22 21 20
RPE - LTP语音编码属于参数编码。
2．语音解码
数字手机接受到经语音编码压缩的语音信号，即语音特征 参数传送到接收端，接收端按特征参数来解压缩，还原语音信 号，这就是语音解码。
GSM 手机采用规则 激励线性预测（RPE-LTP） 语音编码器，原理框图如 所示。
（1）线性预测器 它是由8抽头滤波器组成的 8 个声域分析 电路。
（1）发送语音 基带处理电路 。
（2）接受语音 基带处理电路。
Δvo1 1 8 16 Δvi1 1 128
第 8 段折线斜率为
Δvo8 1 8 1 4 Δvi8 1 2
由此可见小信号折线斜率大， Δvo Δvi ，信号被放大； 大信号时折线斜率小，Δvo Δvi ，信号被压缩。
3．PCM 编码与解码
PCM 编码是将取样并量化的信号变换成一组二进制数码， 而PCM解码是将一组二进制数码还原成相应幅值的量化值。
一、语音信号的模/数 转换
数字化：即将连续变化的模拟信号转换为二进制的数码 0 和 1。完成这种转换功能的电路称为数/模 转换器，常用“A/D” 或“ADC”来表示。数字手机一般采用脉冲编码调制（PCM） 进行模数转换，其原理图如所示。
1．取样
每隔一定的 t 时间，对模拟信号提取一次样值，将连续 变化的信号转换为一个个等间隔的脉冲信号，其幅值等于各瞬 间模拟信号的幅值，如图所示。