数字通信之语音信号编码主要内容简介（五）

数字通信系列文章：

数字通信相关基本概念（一）

数字通信之抽样（二）

数字通信之量化（三）

数字通信之编码（四）

数字通信之语音信号编码主要内容简介（五）

数字通信之语音压缩编码基本概念（六）

数字通信之PCM 30/32 时分多路复用通信系统（七）

数字通信之语音信号编码主要内容简介（五）

• 1、语音信号编码的基本概念
• 2、PCM通信系统的构成
• 3、抽样
  *
• 3.1、低通型信号的抽样定理
• 4、量化
  *
• 4.1、 均匀量化
• 4.2、 非均匀量化
• 5、编码与解码
  *
• 5.1、编码的基本概念及分类
• 5.2、量化级数 N
• 5.3、判定值的确定
• 5.4、A律13折线编码的编解码点平
• 5.5、逐次渐进型编码器
• 5.6、A律13折线解码器

1、语音信号编码的基本概念

语音信号的编码是指模拟语音信号的数字化，即信源编码。

• 波形编码：根据语音信号波形的特点将其转换为数字信号。常见的有PCM、DPCM、ADPCM等，其速率通常是在16kbit/s~64kbit/s的范围。
• 参量编码：根据语音信号产生的数学模型，通过提取语音信号的一些特征参量，对其进行编码（将特征参数变换为数字代码进行传输）。LPC等声编码器属于参量编码。
• 混合编码：介于波形编码和参数编码之间的编码，同时使用两种或两种以上的编码方式。子带编码属于混合编码。
  
  [En]

  Hybrid coding: a coding between waveform coding and parametric coding, using two or more coding methods at the same time. Subband coding belongs to hybrid coding.*

; 2、PCM通信系统的构成

PCM，是对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以将模拟信号转化为数字信号。即PCM是模/数变换的一种方法，模/数变换的方法有很多，由此构成的数组通信系统称为PCM通信系统。

• 抽样频率为8kHz；
• 量化具有非均匀A率（A=87.6）13折线压扩特性；
• 每个样值编8为码。
  则一路语音的速率为64kbit/s。其占用带宽大约为模拟单边带系统的16倍。

3、抽样

抽样是每隔一定的时间间隔T抽取模拟信号的一个瞬时幅度值（样值）。即 模拟信号在时间上离散化得到PAM信号。

3.1、低通型信号的抽样定理

设模拟信号的频率范围为 f0~ fM , B=fM – f0 ，当 f0 < B ，为低通型信号（语音信号等），当 f0 ≥ B，为带通型信号。则有，抽样信号频谱的频率成分为：

• 原始频带： f0~ fM

• 上、下边带： n fs ，其中n=1,2,…

• 抽样频率：fs =1 T \frac 1T T 1 ​ ，其中T为抽样周期

接收端低通的作用是恢复或重建原模拟信号。为在接收端准确的恢复原模拟信号，避免产生折叠噪声，应满足抽样定理 fs ≥ 2 fM ，否则PAM信号产生折叠噪声，收端就无法用低通滤波器准确地恢复原模拟话音信号。但为了留有一定的防卫带，需满足 fs ＞ 2 fM 。

则对于话音信号，其频谱范围为 300~3400 Hz， fM = 3400 Hz，因需满足 fs ≥ 2 fM = 6800Hz，且为了留有一定的防卫带，需取 fs = 8000Hz，即 T= 1 f \frac 1f f 1 ​ = 125μs，这也是 CCITT 中规定的。（ 国际电信咨询机构简称CCITT，International Telephone and Telegraph Consultative Committee , 后改为ITU-T的中文名称是国际电信联盟电信标准分局(ITU-T for ITU Telecommunication Standardization Sector), 它是国际电信联盟管理下的专门制定电信标准的分支机构。）

; 4、量化

量化，即将PAM信号（样值）在幅度上离散化。分为均匀量化和非均匀量化。

4.1、 均匀量化

均匀量化，即在量化区内（即从-U ~ +U， U为过载电压，话音信号的幅度主要分布在这个区间）均匀等分N（量化级数）个小间隔（Δ = 2 U N \frac {2U}N N 2 U ​）。

若在量化区内，则取各个量化间隔的中间值；过载区内则取量化区内最大的量化值（值绝对值），即 |uq| = U – Δ 2 \frac Δ2 2 Δ​ 。则有
1）量化值的数目等于量化级数N，量化后对N个量化值要用二进制编码，编码的码位数为l，N=2l 。
2）量化误差=量化值-样值=uq(t) – u(t)

• 量化区内，emax(t) =Δ 2 \frac Δ2 2 Δ​ ；
• 过载区内，emax(t) >Δ 2 \frac Δ2 2 Δ​ ；

量化误差会产生量化噪声，量化噪声叠加在原始信号上，干扰原始信号。量化信噪比(SNR)通常用来衡量量化误差。量化噪声比越大，噪声对信号的影响越小。

(S/Nq)db = 10lg S N q \frac {S}{Nq}N q S ​(dB)

其中，S为话音信号的平均功率，S N q \frac {S}{Nq}N q S ​ 为量化噪声功率。

经过上述可知均匀量化的缺点为，在N(或l) 大小适当时，均匀量化小信号的量化信噪比太小，不满足要求，而大信号的量化信噪比较大，远远满足要求。 而数字通信系统中，一般要求量化信噪比要大于等于26db。则对于均匀量化，大小信号在量化区内的最大量化都是 Δ 2 \frac Δ2 2 Δ​ ，量化误差等效为量化噪声功率，而小信号的信号功率小故信噪比大，大信号的信号功率大故信噪比大。为了解决这个问题，若依旧采用均匀量化，对于小信号则需要提高信噪比，因话音信号功率不变则需要降低量化噪声功率，即量化误差emax(t) 要降低，Δ = 2 U N \frac {2U}N N 2 U ​要降低，则N需要增大，又N=2l，则最终必然会 引起 l 增大，这又会引起其他的问题，比如编码复杂度增大，信道利用率下降（虽然l增大，传信率会增大，但是数码率的数值近似的等于数字信号所占用的带宽，而数码率增大即需要占用的带宽增大，信道利用率自然就下降了）。

4.2、 非均匀量化

非均匀量化的宗旨在不增大量化级数 N 的前提下， 利用降低大信号的量化信噪比来提高小信号的量化信噪比。 为了达到这一目的，对于小信号（信号幅度小）需要降低量化间隔，则量化误差降低等效的噪声功率降低，进而提高量化信噪比；对于大信号（信号幅度大），量化增大量化间隔，则量化误差降低等效的噪声功率提高，进而降低量化信噪比
常用的非均匀量化方法有模拟压扩法和直接非均匀编解码法(根据非均匀量化的划分，直接按照样本值所在区间进行编码，相当于编码过程中的量化)。

在数字通信系统中，理论上需要抽样、量化
变化，而在实际实现中通常是根据量化间隔的划分，直接对样值进行编码，在编码过程中相当于实现了量化。

5、编码与解码

5.1、编码的基本概念及分类

编码是将模拟信号的采样值转换成相应的二进制码组。有三个常用的二进制码组：

• 一般二进制码
• 循环二进制码
• 折叠二进制码(样本值绝对值相同，幅度码也相同)
  
  [En]

  folding binary code (the absolute value of the sample value is the same, the amplitude code is also the same)*

编码主要分为：

• 线性编解码，具有均匀量化特性的编解码，即按照均匀量化区间的划分直接对样本进行编解码。
  
  [En]

  Linear coding and decoding, encoding and decoding with uniform quantization characteristics, that is, samples are directly encoded and decoded according to the division of uniform quantization interval.*

• 非均匀量化特性的非线性编解码，即按照非均匀量化区间的划分直接对样本进行编解码。
  
  [En]

  nonlinear coding and decoding, encoding and decoding with non-uniform quantization characteristics, that is, samples are directly encoded and decoded according to the division of non-uniform quantization interval.*

PCM 通信系统一般采用非线性编码与解码，通常是根据A律13折线非均匀量化间隔的划分直接对样值编码，收端再解码。

; 5.2、量化级数 N

对于A律13折线编码器，分为正、负 极性，每个极性有8个量化段，每个量化段内16等分，即有N = 2x8x16 = 256, 则有
I = l o g 2 N l o g 2 256 = 8 I=log_{2}N log_{2}256 = 8 I =l o g 2 ​N l o g 2 ​2 5 6 =8

对应的码字安排为

段 落 码 a 2 a 3 a 4 第 1 段 0 0 0 第 2 段 0 0 1 第 3 段 0 1 0 第 4 段 0 1 1 第 5 段 1 0 0 第 6 段 1 0 1 第 7 段 1 1 0 第 8 段 1 1 1 \begin{matrix} 段落码& a_2& a_3& a_4\ 第1段& 0& 0& 0\ 第2段& 0& 0& 1\ 第3段& 0& 1& 0\ 第4段& 0& 1& 1\ 第5段& 1& 0& 0\ 第6段& 1& 0& 1\ 第7段& 1& 1& 0\ 第8段& 1& 1& 1 \end{matrix}段落码第1 段第2 段第3 段第4 段第5 段第6 段第7 段第8 段​a 2 ​0 0 0 0 1 1 1 1 ​a 3 ​0 0 1 1 0 0 1 1 ​a 4 ​0 1 0 1 0 1 0 1 ​

这里的起始电平，可以是电流信号(I m I_m I m ​)，也可以是电压信号(U m U_m U m ​) ，量化间隔 为 Δ i ( i = 1 ∼ 8 ) Δ_i (i=1\sim8)Δi ​(i =1 ∼8 )。段落码编完，就编段内码，因为段落码内部是16等分的，故段内码实际上是线性码。

段 内 码 a 5 a 6 a 7 a 8 1 0 0 0 0 2 0 0 0 1 3 0 0 1 0 4 0 0 1 1 5 0 1 0 0 6 0 1 0 1 7 0 1 1 0 8 0 1 1 1 9 1 0 0 0 10 1 0 0 1 11 1 0 1 0 12 1 0 1 1 13 1 1 0 0 14 1 1 0 1 15 1 1 1 0 16 1 1 1 1 权 值 2 3 Δ i 2 2 Δ i 2 1 Δ i 2 0 Δ i \begin{matrix} 段内码&a_5& a_6& a_7 & a_8\ 1& 0& 0& 0& 0\ 2& 0& 0& 0& 1\ 3& 0& 0& 1& 0\ 4& 0& 0& 1& 1\ 5& 0& 1& 0& 0\ 6& 0& 1& 0& 1\ 7& 0& 1& 1& 0\ 8& 0& 1& 1& 1\ 9& 1& 0& 0& 0\ 10& 1& 0& 0& 1\ 11& 1& 0& 1& 0\ 12& 1& 0& 1& 1\ 13& 1& 1& 0& 0\ 14& 1& 1& 0& 1\ 15& 1& 1& 1& 0\ 16& 1& 1& 1& 1\ 权值& 2^3\Delta _i& 2^2\Delta _i& 2^1\Delta _i& 2^0\Delta _i \end{matrix}段内码1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 权值​a 5 ​0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 Δi ​​a 6 ​0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 2 2 Δi ​​a 7 ​0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 2 1 Δi ​​a 8 ​0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 2 0 Δi ​​

幅度码的编码过程的关键为 判定值的确定。判定值是各量化段或量化级的分界点电平（IRi 或 URi），数目 nR = N 2 \frac N2 2 N ​-1 = 127 (l=8)。

5.3、判定值的确定

对于段落码，根据A律13折线的单极性量化表所示，以量化段为单位逐次对分，对分点电平依次为a2~a4的判定值。对整个量化段进行对分，对分点为128Δ，段4和段5的中间即为a2的判定值IR2，则当a2=0，说明样值

Original: https://blog.csdn.net/weixin_50912862/article/details/113985493
Author: starmier
Title: 数字通信之语音信号编码主要内容简介（五）