第十一章声码器和混合编码

例如，由于语音能量的不平衡，对于含有基音频率和第一共振峰 的低频部分，对语音清晰度等主观品质影响较大，应分配比较多 的信息、量化细些；反的妨害程度，整体上也能降低 比特数。另外，量化噪声只能出现在各被分割的频带内，对其 他频带没有任何影响，所以可以较容易地控制噪声谱。
语音编码分类：波形编码，Waveform Coder; 参数编码，Parametric Coder; 混合编码，Hybrid Coder
波形编码
特点：针对语音波形进行编码，尽量保持输入波形不变，即恢复 的语音信号基本上与输入的语音信号波形相同。 优缺点：具有适应能力强、语音质量好等优点，缺点是需要的编 码速率高。 在16-64kbit/s的数码率上能给出高的编码质量，当数码率进一步 降低时，其性能下降较快。 典型的编码方式：脉冲编码调制PCM、自适应差分脉冲编码调制 ADPCM、子带编码SBC等。
自适应差分脉冲编码调制ADPCM及自适应增 量调制ADM
在DM中，与量化阶梯 相比，当语音波形幅度发生急剧变化时， 译码波形不能充分跟踪这种急剧的变化而必然产生失真，这称为 斜率过载。 相反地，在没有输入语音的无声状态时，或者是信号幅度为固定 值时，量化输出都将呈现0、1交替的序列，而译码后的波形只是 的重复增减。这种噪声称为颗粒噪声，它给人以粗糙的噪声感 觉。
各子带的带宽可以是相同的也可以是不相同的，相同的称为等带 宽子带编码，不同的称为变带宽子带编码。
正交镜像滤波器组
自适应变换编码ATC
第11章 语音编码（2）-声码器技术及混合编码
参数编码也称为模型编码。它是对语音信号建
立模型，然后对模型参数或是语音的特征参数进行
编码，力图使重建语音信号在听觉上具有尽可能高 的清晰度和可懂度。
前向自适应是根据未量化的样本值的均方根值来估算输入信号的 电平，以此来确定量化阶的大小，并对其电平进行编码作为边信 息(side information)传送到接收端。 其特点是使用原始信号提取预测系数，精度比较高，预测的效 果好。 但是需要将预测器系数用边信息传送到接收端的解码器，从而 减小了差值信号量化的有效比特数，处理的延时比较大。
子带编码SBC
子带编码（Sub-Band Coding，简称SBC）也称为频带分割编码
w1
带通滤波
w2
f s1 2w1
频率搬移 f s 2 2w2 频率搬移 量化编码 量化编码
s(n)
带通滤波
合 发信码 路
wM
带通滤波 频率搬移 量化编码
首先使用带通滤波器组将语音信号分割成若干个频段也称为子带， 然后用调制的方法对滤波后的信号即子带信号进行频谱平移变成低 通信号（即基带信号），以利于降低取样率进行抽取；再利用奈奎 斯特速率对其进行取样，最后再进行编码处理。而信号的恢复按与 上面完全相反的过程进行。
自适应脉冲编码调制 (APCM)是根据输入信号幅度大小来改变量 化阶大小的一种波形编码技术。这种自适应可以是瞬时自适应， 即量化阶的大小每隔几个样本就改变，也可以是音节自适应，即 量化阶的大小在较长时间周期里发生变化。 改变量化阶大小的方法有两种：一种称为前向自适应(forward adaptation)，另一种称为后向自适应(backward adaptation)。 前向是指(n) 是由估计输入信号而得到的，而后向是指由估计 量化器的输出
2. 自适应增量调制ADM
为了减少斜率过载失真，必须把设计得大一些；但是过大， 又增加了颗粒噪声。因此，兼顾两方面要求，需按均方量化误差 为最小（即使两种失真均减至最小）来选择。
即采用随输入波形自适应地改变大小的自适应编码方式，使 值随信号平均斜率而变化；斜率大时，自动增大；反之则减小。 这就是自适应增量调制（Adaptive，DM，简称ADM）。
PCM的量化方式
均匀量化与非均匀量化
国际上采用两种非均匀量化方法：A律和 律
3.自适应PCM(APCM)：
PCM 在量化间隔上存在矛盾：为适应大的幅值要用大的 ，但为 了提高信噪比又希望用小的。除了前面介绍的非均匀量化外，还 有一种是采用自适应方法，称为自适应PCM （adaptive PCM，简 称APCM）。
概述
语音编码目的：在保持可以接受的失真的情况下，采用尽可能少的 比特数表示语音，即减少传输码率或存储量。
编码后同样的信道容量能传输更多路的信号，因而这类编码又称 为压缩编码，压缩编码需要在保持可懂度与音质、降低数码率和 降低编码过程的计算代价三方面折衷。
传输码率：也称为数码率，指传输每秒钟语音信号所需要的比特 数。
译码
f s1 2w1
w1
频率搬移 带通滤波
w2
收信码 分
路
f s 2 2w2
译码 频率搬移
sr(n)
带通滤波
译码
f sM 2wM
wM
频率搬移 带通滤波
SBC解码器
SBC的优点是对应于人的听觉特性，可以比较容易地考虑噪声的抑 制；即各子带可以选用不同的量化参数以分别控制其信噪比，满足 主观听觉的要求。
引入自适应技术后、ADM大约可增多10dB的增益。实验表明， 取样率为56kHz时ADM具有与取样率为8kHz时的7bit对数PCM相 同的语音质量。
差分脉冲编码调制DPCM
降低传输比特率的一种方法是减少必须编码的信息量，这要利用 语音信号中大量的冗余度。在相邻的语音样本之间存在着明显的 相关性，因此，对相邻样本间的差信号（差分）进行编码，便可 谋求信息量的压缩，因为差分信号比原语音信号的动态范围和平 均能量都小。这种编码称为差分脉冲编码调制（Differential PCM， 简称DPCM）。 DPCM实质上是预测编码APC的一种特殊情况，是最简单的一阶 线性预测，即 A(z) = 1 – a1z-1 当a1= 1时，被量化的编码是e(n)＝x(n) - x(n-1)
声码器：即参数编码
特点：先对语音信号进行分析，提取出其参数，对参数进行编码， 解码后这些参数重新合成出重构的语音信号。力图使重建的语音 信号具有尽可能高的可懂度，而不必保持波形的一致。
优缺点：优点是编码速率低，可以低到2.4kbps甚至以下，缺点是 合成语音质量差，特别是自然度低，处理复杂。 典型的编码方式：如通道声码器、相位声码器、同态声码器、线性 预测声码器等。
后向自适应是从量化器刚输出的过去样本中来提取量化阶信息。 由于后向自适应能在发收两端自动生成量化阶，所以它不需要传 送边信息。 后向自适应预测利用量化后的信号提取预测信号，避免了前向自 适应预测的缺点，但是由于存在量化噪声，使得预测系数的提取 精度收到一定的影响。
预测编码及其自适应APC
在第六章中我们详细讨论了线性预测分析原理，利用线性预测可 以改进编码中的量化器性能，因为预测误差e(n)的动态范围和平均 能量均比信号x(n)小，如果对e(n)进行量化和编码，则量化bit数将 减少。在接收端，只要使用与发送端相同的预测器，就可恢复原 信号x(n)。
§11.1 线性预测声码器

线性预测声码器：应用最成功的低速率参数语音编码器。
线性预测 分析器
s ( n)
将语音信号编码为二进制数字序列，最简单的方法是对其直接进行 模/数变换；只要取样率足够高，量化每个样本的比特数足够多， 则可以保证解码恢复的语音信号有很好的音质，不会丢失有用信息。
然而对语音信号直接数字化所需的数码率太高，例如，普通的电 话通信中采用8kHz取样率，如用12bit进行量化，则数码率为 96kbit/s。这样大的数码率即使对很大容量的传输信道也是难以承 受的，因而必须对语音信号进行压缩编码。
由于a1是固定的，显然它不可能对所有讲话者和所有语音内容 都是最佳的，如果采用高阶（p > 1）的固定顶测，改善效果并 不明显；比较好的方法是采用高阶自适应预测。采用自适应量 化及高阶自适应预测的DPCM称为ADPCM，它本质上也是一种 APC。
CCITT（国际电报电话咨询委员会）在1984年提出的32kbit/s编 码器建议（G．721），就是采用ADPCM作为长途传输中一种新 的国际通用语音编码方案。这种ADPCM可达到标准kbit/sPCM的 语音传输质量，并具有很好的抗误码性能。
按传输码率分类
高速率语音编码：速率32kbit/s以上, PCM, 64kbit/s, 主 要用于公用电话网;
中高速率语音编码：速率16-32kbit/s, ADPCM, 32kbit/s, 主要用于公用网; 中速率语音编码：速率 4.8-16kbit/s, GSM 用的 RPE/LTP 13kbit/s 、 VSELP, 8kbit/s 主要用于数字移动通信话音邮 件; 低 速 率 语音 编 码 ：速 率 1.2-4.8kbit/s, CELP, 4.8kb/s 、 LPC, 1.2kb/s, 主要用于保密话音; 极低速率语音编码：速率1.2kbit/s以下
第10章 语音编码(1)—波形编码

概述及分类 脉冲编码调制PCM 预测编码及其自适应APC 自适应差分脉冲编码调制ADPCM及自适应增量调
制ADM

子带编码SBC
自适应变换编码ATC
概述
语音编码：Speech Coding, 在语音通信及人类信息交流中占举足 轻重的地位。研究对语音信号进行压缩传输、存储等内容。目前数 字通信得以广泛应用，语音编码是将模拟语音数字化的手段。
基于这种原理的编码方式称为预测编码(predictive coding，简称PC)
当预测系数是自适应随语音信号变化时，又称为自适应预测编码 (Adaptive PC，简称APC)。
ˆ ( n) e(n) x(n) x
语音数据流一般分为10 20 ms相继的帧，而预测器系数（或其 等效参数）则与预测误差一起传输。 在接收端，用由预测器系数控制的逆滤波器再现语音。采用自适 应技术后，预测器P(z)要自适应变化，以便与信号匹配。