31语音编解码技术课稿

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第3章 关键技术,语音编解码技术,调制与解调技术,扩频通信,分集接收,技术,链路自适应技术,OFDM,技术,软件无线电技术,智能天线,MIMO,技术,联合检测,认知无线电技术（,RC,）,学习目标,理解并掌握GSM系统和CDMA系统中的语音编码、调制解调、扩频通信、分集技术这些关键基础技术，并能用自己的语言陈述其工作过程。,了解链路自适应技术，掌握链路自适应技术的基本概念，包括自适应调制、自适应差错控制、反馈信令设计等。,理解正交频分复用技术（OFDM）的基本原理，了解其与多输入多输出系统（MIMO）相结合的应用。,了解软件无线电的发展历程，理解软件无线电的基本原理，包括宽带/多频段天线与宽带射频模块、模数转换部分、高速并行DSP技术等各个部分模块的作用及功能。,理解智能天线的基本原理与应用，包括智能天线的接受准则和自适应算法。,掌握多输入多输出系统（MIMO）的基本原理、核心技术与应用。,学习指导,在移动通信发展的近三十年里，从传统大功率的单基站到蜂窝移动通信系统，从本地覆盖到区域、全国覆盖，并实现了国内与国际的漫游，从提供单一的话音业务到提供多媒体业务，从,1G,、,2G,系统到,3G,、,4G,系统等等，移动通信技术取得了巨大的进步。因此本章主要介绍现代移动通信系统中应用的和正在不断发展的一些关键技术，如语音编码技术、调制解调技术、多址技术、分集技术、扩频通信链路自适应技术、,OFDM,技术、软件无线电、智能天线、,MIMO,系统、联合检测技术、认知无线电等。本章涉及的基本概念很多，大家要仔细领会它们的涵义，而且这些关键技术是学习后续内容的基础。为了帮助您对学习内容的掌握，建议您在学习本章时充分利用我们为您提供的本章知识地图。,知识地图,3.1 语音编解码技术,GSM语音编解码技术简介,CDMA中的语音编解码技术简介,AMR,语音编码技术简介,语音编码技术是将语音波形通过采样、量化，然后利用二进制码表示出来，即是将模拟信号转变为数字信号，然后在信道中传输；语音解码技术是上述过程的逆过程。主要分为,:,1,波形编码,2,参数编码,3,混合编码,语音编解码技术要尽可能地使语音信号的原始波形在接收方无失真地恢复,!,1,波形编码,该技术基于时域模拟话音的波形，按一定的速率采样、量化，对每个量化点用代码表示。解码是相反过程，将接收的数字信号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，但编码速率较高，一般应用在对信号带宽要求不高的通信中。常见的波形编码技术包括有脉冲编码调制（,PCM,）、增量调制（,DM,）、差分脉冲编码调制（,DPCM,）、自适应差分脉冲编码调制（,ADPCM,）、自适应增量调制（,ADM,）、自适应传输编码（,ATC,）等。,2,参数编码,参数编码又称声源编码，该技术基于发音模型，从模拟话音中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，但话音质量只能达到中等。常见的参数编码技术包括有线性预测（,LPC,）声码器和余弦声码器等，,80,年代中期人们又对,LPC,声码器进行了改进，提出了混合激励、规则激励等。,3,混合编码,混合编码是将波形编码和参数编码结合起来，吸收有波形编码的高质量和参数编码的低速率这两者之优点。常见的混合编码技术有基于线性预测技术的分析,-,合成编码算法，如泛欧,GSM,系统的规则脉冲激励,-,长期预测编码（,RPE-LTP,）混合编码方案等。,3.1.1 GSM语音编解码技术简介,线性预测编码（,LPC,）技术是将线性预测技术应用于语音编码领域，形成了较有效的话音分析技术。利用,LPC,技术能有效降低声码器的编码速率，但质量不尽人意。对此可采用声激励声码器来构成更精确的激励模型，这样系统就包括两条不同的传输路径：一条路径产生并传送线性预测参数（线性滤波器数目和增益等）；另一路径是滤出波形信号的低频部分，并传送波形编码。在接收端的话音合成器中，将收到的低频话音信号经过适当组合以及平滑处理后，作为激励信号输入到数字滤波器中以恢复话音，而数字滤波器由接收到的预测参数所确定。这种改进的线性预测编码，同时对话音信号的特征参数和原信号的部分波形进行了编码，所以称为混合编码。,GSM,数字移动通信系统采用,13 kbit/s,的“规则脉冲激励长期预测编码（,RPE-LTP,）”语音编码技术，它包括预处理、,LPC,分析、短时分析滤波、长时预测和规则码激励编码等,5,个主要部分，如图,3-1,所示。为使合成波形更接近于原信号，该方案采用间隔相等、相位和幅度优化的规则脉冲作为激励源，并结合长期预测，从而消除信号冗余度，降低了编码速率，且易于实现。,图,3-1 RPE-LTP,编码示意图,(1)预处理,主要完成两件工作，离散语音信号和高频预加重。,先用8kHz采样频率对输入的模拟语音信号进行采样得到离散语音信号S0(n)，滤除S0(n)中的直流分量，得到S0f(n)；,再采用一阶有限冲激响应（FIR）滤波器进行高频预加重，得到信号S(n)；加重的目的是加强语音谱中的高频共振峰，从而提高谱参数估值的精确性。,(2)LPC分析,产生供短时分析滤波时使用的参数,然后按20ms一帧进行处理，共取160个话音样本，编码为260bit的编码块，每帧计算出8个LPC反射系数r(i)，再转换成对数面积比参数LAR（i），最后对LAR进行量化得到LARc，一方面送到解码器，另一方面对它解码，恢复出量化后的反射系数r(i)，以供短时分析滤波时使用。,（3）短时分析滤波,主要用于滤除语音信号样点之间的短时相关性，它让信号S(n)经过格型滤波器，产生短时LP余量信号d(n)。,（4）长时预测,长时预测是为了除去语音信号相邻基音周期之间的长时相关性，以便压缩编码速率。长时预测按子帧处理，每一帧分成4个子帧。长时预测使用过去子帧中经过处理后恢复出来的短时余量信号d(n)，对当前子帧的余量信号d(n)进行预测。通过对d(n)和d(n)进行互相关运算，获得各个子帧的长时预测系数b和最佳延时N，分别用2bit和7bit编码，即b,c,和N,c,，把它们作为边信息送到解码器。将各个子帧的长时余量信号e(n)=d(n)-d(n)送往RPE编码器的前端加权感觉滤波器。,（5）规则码激励序列编码,经过短时、长时分析之后得到的,LP,余量信号，在这里进行平滑及降维激励脉冲串的选取。,（6）比特分配,GSM编码方案的语音帧长20 ms，每帧有260 bit，所以总的编码速率为13 kbit/s。经过激励信号自身编码，把以上一组参数组合到260 bit的帧中，编码后260 bit分配如表3-1所示。,260 bit,再经过信道编码、交织、调制、上变频，得到射频信号形成,GSM,突发发射到无线信道中。,表,3-1,编码后,260bit,分配,LPC,滤波,8,参数,每,5ms,中,bit,数,每,20ms,中,bit,数,LPT,滤波,Nr,（延时参数）,7,28,br,（采样相位）,2,8,激励信号（话音）,子采样相位,2,8,最大幅度,6,24,13,个采样,39,156,RPE-LPT,总计,260,GSM,语音信源解码技术是上述编码技术的逆过程，但也略有不同，它在信道解码后获得的语音信息中进行,RPE,解码、长时预测分析滤波、短时分析滤波和后处理，来实现语音解码，最后还要将获得的离散信号去加重滤波，送,D/A,转换电路后即可得到语音信号。具体过程这里就不赘述了。,3.1.2 CDMA中的语音编解码技术简介,CDMA,的语音编码主要采用码激励线性预测编码（,CELP,），它包含多种算法，如美国联邦通信标准的,CELP,算法（,4.8kb/s,）、,IS-54,的,VSELP,算法（,8kb/s,）、,IS-95,的,QCELP,等，下面主要简介,IS-95,所使用的,QCELP,算法。,1,CELP,（,Code Excited Linear Prediction,，码激励线性预测）编码概述,CELP,语音编码算法综合使用了线性预测、矢量量化、感觉加权、,A-B-S,（综合分析法）等技术，具有很清晰的语音品质和很高的背景噪音免疫性。,CELP,编码器的基本原理框图如图,3-2,所示。,图,3-2 CELP,编码其原理框图,具体原理如下：,目前常用的CELP模型中，激励信号来自两个方面，长时基音预测器（又称自适应码本）和随机码本。自适应码本被用来描述语音信号的周期性（基音信息）。固定的随机码本则被用来逼近语音信号经过短时和长时预测后的线性预测余量信号。,从自适应码本和随机码本中搜索出的最佳激励矢量乘以各自的最佳增益后相加，便可得到激励i(n)。它一方面被用来更新自适应码本，另一方面则被输入到合成滤波器H(z)以得到合成语音。与原始语音s(n)的误差通过感觉加权滤波器W(z)后可得到感觉加权误差信号e(n)。使e(n)均方误差为最小的激励矢量就是最佳激励矢量。,CELP的解码过程已经包含在编码过程中。在解码时，根据编码传输过来的信息从自适应码本和随机码本中找出最佳码矢量，分别乘以各自的最佳增益并相加，可以得到激励信号e(n)，将i(n)输入到合成滤波器H(z)，便可得到合成语音s(n),如图3-3所示。,图,3-3 CELP,语音合成示意图,可以看出，搜索最佳激励矢量是通过综合出重建语音信号进行的。这种通过综合来分析语音编码参数的优化方法称为综合分析法，即A-B-S方法。这种采用闭环LPC结构，由特征参数激励得到预测信号，将此信号与原信号s(n)相减得到残差信号e(n)，把此信号与有关参数一并编码传送，在解码端进行误差修正可有效改善合成语音质量，但也使编码运算量增加不少。,为了进一步降低编码速率，可以对一定时间内残差信号可能出现的各种样值的组合按一定规则排列构成一个码本，编码时从本地码本中搜索出一组最接近的残差信号，然后对该组残差信号对应的地址编码并传送，解码端也设置一个同样的码本，按照接收到的地址取出相应的残差信号加到滤波器上完成话音重建，则显然可以大大减少传输比特数，提高编码效率。这就是CELP编码的基本原理。,固定码本采用不同的结构形式，就构成不同类型的CELP。例如采用代数码本、多脉冲码本、矢量和码本的CELP分别称为ACELP、MP-CELP和VSELP编码。,对,CELP,算法来说码本是关键。如果码本编得好，就可以在低码率的情况下获得较好的语音质量。,CELP,码激励线性预测编码的主要特点是利用了人类听觉的掩蔽性等特性，采用了对误差信号进行感觉加权、用分数延迟改进基音预测、用修正的,MSPE,准则来寻找“最佳”的延迟、基于信道错误率估计的自适应平滑器等多项技术，从而大大改善了语音的质量，尤其改善了女性语音的质量，在信道误码率较高的情况下也能合成自然度较高的语音。,2QCELP 受激线性预测编码,QCELP的编码原理图如图3-4，采用了三种滤波器：动态音调合成滤波器、线性预测编码滤波器和自适应滤波器，从而使得话音的自然度更好。QCELP采用动态可变速率，大大降低了码的平均速率。,图,3-4 QCELP,方案框图,QCELP方案的实现如下：,（1）对模拟话音按8kHz采样；,（2）按20ms划分一个话音帧，每帧有160个样本点；,(3)160个样本点生成3个参数子帧并不断更新后按一定帧结构送至接收端：滤波参数a,1,、a,2,、,、a,12,对任何速率每20ms更新一次，音调参数和码表参数是不同速率更新次数不一样；,(4),不同速率的参数变化如表3-2所示（表中1/8速率的6个比特不是码表中取出的，而是采用伪随机激励）；,(5),数据速率的选择首先基于每一帧中的能量与3个门限值的比较，而3个门限值的选择是基于背景噪声电平的估计，每一帧中的能量由自相关函数R（0）值决定：,若R（0）大于3个门限值，则选择速率,“,1,”,若R（0