數(shù)字電子電路第三章

數(shù)字電子電路第三章第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五第三章課堂作業(yè)1.回答什么是DPCM?2.什么叫做預(yù)測編碼,分析零點預(yù)測和極點預(yù)測機(jī)制,畫出編解碼框圖和對應(yīng)的預(yù)測器.3.畫出DPCM系統(tǒng)框圖.4.DPCM系統(tǒng)是否優(yōu)于PCM系統(tǒng)?從DPCM系統(tǒng)SNR上進(jìn)行分析,并說明什么是Gp和SNRq.5.什么叫做最佳預(yù)測?最佳預(yù)測如何反映?6.什么叫做最佳量化?最佳量化如何反映?第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)差值脈沖編碼調(diào)制—DPCMDPCM原理及實現(xiàn)DPCM就是考慮利用語聲信號的相關(guān)性找出可反映信號變化特征的一個差值量進(jìn)行編碼的。差值編碼一般是以預(yù)測的方式來實現(xiàn)的。定義：對差值序列進(jìn)行量化編碼的方法基本原理發(fā)端：將樣值序列轉(zhuǎn)化為差值序列從前n個差值序列中估算出第n個樣值收端：將差值序列還原成樣值序列第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五預(yù)測實現(xiàn)當(dāng)由冗余性信號的一部分就可以對區(qū)域部分進(jìn)行推斷和估計：預(yù)測編碼：語音信號的相鄰楊值點間存在幅度相關(guān)性，根據(jù)前些時刻的樣值來預(yù)測現(xiàn)時刻的樣值，只要傳輸樣值與預(yù)測值之差，不需要對每個樣值都傳輸，接收端把差值疊加在預(yù)測序列上，就可恢復(fù)原始序列.第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.42實現(xiàn)預(yù)測的橫截濾波器第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.43是DPCM實現(xiàn)的原理框圖。如前面所述，DPCM方式的發(fā)送端就是將現(xiàn)有樣值與預(yù)測值之差進(jìn)行量化編碼的方式來實現(xiàn)的，而在接收端為了恢復(fù)原信號也必須進(jìn)行與發(fā)送端相同的預(yù)測。第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五由輸入信號預(yù)測的DPCM系統(tǒng)預(yù)測值根據(jù)輸入的信號預(yù)測得出第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五由解碼信號預(yù)測的DPCM系統(tǒng)第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五由解碼信號預(yù)測的DPCM系統(tǒng)解碼器將歷史編碼還原成樣值輸入給預(yù)測器，進(jìn)行現(xiàn)值預(yù)測。第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五一、自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制—ADPCM

自適應(yīng)量化的基本思想是：讓量化間隔Δ(t)的變化，與輸入信號方差相匹配，即量化器階距隨輸入信號的方差而變化，它正比于量化器輸入信號的方差。第二節(jié)自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制—ADPCM第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制ADPCM原理自適應(yīng)量化比非自適應(yīng)量化的S/N改善4~7dB；自適應(yīng)預(yù)測使差分PCM的S/N改善達(dá)6~10dB，將以上兩種技術(shù)結(jié)合在一起，可進(jìn)一步壓縮數(shù)碼率。作用S/N進(jìn)一步提高；在較低編碼位數(shù)情況下取得滿意通信質(zhì)量。第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五自適應(yīng)量化基本原理對輸入信號的瞬時功率加以監(jiān)測，并隨時改變量化器量化級差大小，使之“匹配”信號的變化。分類前向自適應(yīng)后向自適應(yīng)第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.44前饋自適應(yīng)量化ADPCM前向自適應(yīng)第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.45反饋自適應(yīng)量化ADPCM后向自適應(yīng)第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五自適應(yīng)預(yù)測第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.46固定和自適應(yīng)DPCM系統(tǒng)性能第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五二、32kbit/sADPCM系統(tǒng) 1984年ITU-T公布了G.72132kbit/sADPCM標(biāo)準(zhǔn)，并于1986年做了進(jìn)一步的修改。第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.47G.72132kbit/sADPCM工作原理框圖第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五三、單片集成ADPCM編解碼器1.MC145532ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器(1)技術(shù)特點 ·滿足ITU-T建議G.721—1988； ·全雙工、單信道工作； ·選擇引腳μ律或A律編碼； ·同步或異步工作；第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五 ·容易與摩托羅拉的PCM編解碼器、濾波器等接口； ·串行PCM和ADPCM數(shù)據(jù)傳輸速率為64kbit/s～5120kbit/s； ·省電能力用于低電流的消耗； ·簡單時隙分配定時用于代碼轉(zhuǎn)換器； ·單5V電源。(2)MC145532引腳符號與功能(3)應(yīng)用電路第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.48MC145532引腳排列圖第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.49MC145532ADPCM應(yīng)用電路第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五2.MC145540ADPCM編/解碼器(1)技術(shù)特點 ·單電源工作(2.7～5.25V)； ·3V時典型功耗為60mW，省電時為15μW； ·最小噪音的差分模擬電路設(shè)計； ·完全μ律或A律壓擴(kuò)PCM編解碼器濾波器；第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五 ·64，32，24和16kbit/s數(shù)據(jù)率ADPCM代碼轉(zhuǎn)換器； ·通用可編程雙音頻發(fā)生器；·可編程發(fā)送增益、接收增益和側(cè)音增益； ·用于與話筒接口的低噪聲、高增益、三端輸入運算放大器；(2)MC145540引腳符號與功能(3)應(yīng)用電路第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.50MC145540引腳排列圖第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.51MC14550手持機(jī)應(yīng)用電路第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)子帶編碼—SBC一、子帶編碼的基本概念及工作原理 子帶編碼是首先將輸入信號分割成幾個不同的頻帶分量，然后再分別進(jìn)行編碼，這類編碼方式稱為頻域編碼。 把語聲信號分成若干子帶進(jìn)行編碼主要的優(yōu)點。第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五子帶編碼實現(xiàn)的原理框圖如圖2.52所示。在子帶編碼中，用帶通濾波器將語聲頻帶分割為若干個子帶，每個子帶經(jīng)過調(diào)制將各子帶變成低通型信號(圖中未畫出)。這樣就可使抽樣速率降低到各子帶頻寬的兩倍。第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.52子帶編碼原理方框圖第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五二、子帶編碼的比特分配及編碼速率在子帶編碼中，各子帶的帶寬ΔBk可以是相同的，也可以是不同的。前者稱為等帶寬子帶編碼，后者稱為變帶寬子帶編碼。等帶寬子帶編碼的優(yōu)點是易于用硬件實現(xiàn)，也便于進(jìn)行理論分析。在這種情況下帶寬ΔBk等于ΔBk=ΔB=B/m式中，k=1,2,3,…m,m是子帶總數(shù)，B是編碼信號總的帶寬。第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五三、子帶的劃分語聲信號各子帶的帶寬應(yīng)考慮到各頻段對主觀聽覺貢獻(xiàn)相等的原則做合理的分配。四、16、24、32kbit/s電話語聲子帶編碼該標(biāo)準(zhǔn)采用三種編碼速率，即48、56及64kbit/s。輸入語聲信號帶寬為50～7000Hz，分成兩個等寬的子帶。第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)參量編碼參量編碼的原理和設(shè)計思想與波形編碼完全不同。波形編碼的基本思路是忠實地再現(xiàn)話音的時域波形，為了降低比特率，可充分利用抽樣點之間的信息冗余性對差分信號進(jìn)行編碼，在不影響話音質(zhì)量的前提下，比特率可以降至32kbit/s。第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五一、語聲形成機(jī)理及語聲信號分析語聲形成的大致過程可如圖2.54所示。從語聲信號分析可知，音素分為兩類：伴有聲帶振動的音稱為濁音；聲帶不振動的音稱為清音。第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.54語聲形成過程第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五1.濁音與基音濁音又稱有聲音，語聲發(fā)聲時聲帶在氣流的作用下激勵起準(zhǔn)周期的聲波，如圖2.55所示。由圖可見濁音聲波具有明顯的準(zhǔn)周期特性，這一準(zhǔn)周期音稱為基音，其基音周期為4～18ms相當(dāng)于基音頻率在50～250Hz范圍內(nèi)。第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.55波音聲波波形圖第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.56濁音頻譜示意第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五2.清音 清音又稱無聲音。圖2.57清音波形圖第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五清音沒有周期特性，典型的清音波形頻譜如圖2.58所示。從清音的頻譜分析可知，清音中不含具有周期或準(zhǔn)周期特性的基音及其諧波成分。圖2.58清音頻譜示意第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五3.語聲信號產(chǎn)生模型圖2.59語聲信號產(chǎn)生模型第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五二、線性預(yù)測編碼(LPC)的基本概念在發(fā)送端，原始語聲輸入A/D變換器，以8kHz速率抽樣并變換成數(shù)字化語聲。然后以每180個樣值為一幀(幀周期22.5ms)，以幀為處理單元逐幀進(jìn)行線性預(yù)測系數(shù)分析，并作相應(yīng)的清/濁音判決和基音提取，最后把這些參量進(jìn)行量化、編碼并送入信道傳送。第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.60線性預(yù)測LPC編譯碼方框圖第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五在接收端，經(jīng)參量解碼分出參量｛ai｝、G、P和u/v等。G、P以及u/v用作語聲信號的合成產(chǎn)生，｛ai｝用作形成合成濾波器的參數(shù)。最后將合成產(chǎn)生的數(shù)字化語聲信號再經(jīng)D/A變換即還原為接收端合成產(chǎn)生的語聲信號。圖2.61所示是簡化的LPC原理框圖。第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.61簡化LPC原理框圖第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五三、線性預(yù)測合成分析編碼1.結(jié)構(gòu)原理 激勵生成器產(chǎn)生的激勵信號經(jīng)線性預(yù)測器后得到重構(gòu)的話音信號(i)，線性預(yù)測器模擬聲道特性，加強了激勵信號的某些頻率域，減弱了另一些頻率域，體現(xiàn)了語聲信號的短時相關(guān)性。激勵信號則體現(xiàn)了語聲信號的長時相關(guān)性，輸入線性預(yù)測器的激勵信號是量化后的增益和基音信號。第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.62LPAS聲碼器原理結(jié)構(gòu)第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五2.激勵信號生成及表示 激勵信號的產(chǎn)生有如下幾種：(1)多脈沖激勵(MPE)(2)規(guī)則脈沖激勵(RPE)第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五(3)碼本激勵激勵信號最終要量化后以二進(jìn)制的形式發(fā)送出去。量化有兩種類型。一種是標(biāo)量量化，也就是對每個參數(shù)獨立地進(jìn)行量化，然后通過組合確定參數(shù)集。另一種是矢量量化，也就是將所有參數(shù)組合起來作為一個整體進(jìn)行量化，在數(shù)學(xué)上就用矢量來表示參數(shù)的組合。第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五第五節(jié)GSM及IP電話系統(tǒng)語聲編碼技術(shù)的應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)一、G.728聲碼器G.728是16kbit/s的LPAS聲碼器，采用低時延碼本激勵線性預(yù)測(LD-CELP)方式。1.G.728編碼器G.728的LD-CELP編碼器的簡化結(jié)構(gòu)如圖2.63所示。第50頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五圖2.63G.728編碼器結(jié)構(gòu)第51頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五2.G.728解碼器圖2.64G.728解碼器結(jié)構(gòu)第52頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五二、G.729聲碼器1.G.729聲碼器性能特點G.729是8kbit/s的LPAS聲碼器，線性預(yù)測采用前饋型前向自適應(yīng)技術(shù)。2.G.729編碼器G.729編碼器如圖2.65所示。模擬話音信號經(jīng)話帶濾波后，按8kHz頻率抽樣并變換成16bit線性PCM信號，