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1、第第5章章语音编码、信道编码和语音编码、信道编码和交织技术交织技术第第5章章语音编码、信道编码和交织技术语音编码、信道编码和交织技术l5.1语语音音编编码码l5.2信信道道编编码码l5.3交交织织编编码码5.1语语音音编编码码l5.1.1概述概述l5.1.2语音信号特征语音信号特征l5.1.3声码器声码器l5.1.4线性预测编码器线性预测编码器l5.1.5移动通信中语音编码器的选择移动通信中语音编码器的选择l5.1.6GSM系统语音编码器系统语音编码器l5.1.7IS-95系统语音编码器系统语音编码器5.1.1概述概述l语音编码技术通常分为三类：波形编码、声语音编码技术通常分为三类：波形编码、
2、声源编码（或参量编码）和混合编码。源编码（或参量编码）和混合编码。l波形编码的目的在于尽可能精确地再现原来波形编码的目的在于尽可能精确地再现原来的语音波形。的语音波形。l声源编码是将语音信息用特定的声源模型表声源编码是将语音信息用特定的声源模型表示。示。l混合编码把波形编码的高质量和声码器的高混合编码把波形编码的高质量和声码器的高效压缩性融为一体，尤其在效压缩性融为一体，尤其在16bit/s8kbit/s范围内达到了良好的语音质量。范围内达到了良好的语音质量。5.1.2语音信号特征语音信号特征图图5-1语音信号的产生模型语音信号的产生模型5.1.3声码器声码器l声码器是以人类语音的产生模型为基
3、础，分声码器是以人类语音的产生模型为基础，分析表征语音激励源和声道等的特征参数，析表征语音激励源和声道等的特征参数，再运用这些特征参数重新合成语音信号的再运用这些特征参数重新合成语音信号的设备。设备。l声码器又称为声码器又称为“参量编码器参量编码器”。声码器的数。声码器的数码率可以压缩到码率可以压缩到2.4kbit/s以下，但其语音以下，但其语音质量，特别是自然度，大大下降。质量，特别是自然度，大大下降。5.1.3声码器声码器图图5-2线性预测编码声码器原理框图线性预测编码声码器原理框图5.1.4线性预测编码器线性预测编码器图图5-3三种不同激励的语言合成模型三种不同激励的语言合成模型1多脉冲
4、激励线性预测编码（多脉冲激励线性预测编码（MPLPC）图图5-4MPLPC算法基本原理算法基本原理1多脉冲激励线性预测编码（多脉冲激励线性预测编码（MPLPC）lMPLPC方案是在给定的一帧方案是在给定的一帧N个激励样本个激励样本中，保留中，保留M个，并确定其幅度与位置，使合个，并确定其幅度与位置，使合成语音和原始输入语音之间的感知加权误成语音和原始输入语音之间的感知加权误差最小。差最小。l感知加权就是通过线性滤波使客观误差在不感知加权就是通过线性滤波使客观误差在不重要的频段上有所衰减，而在一些重要的重要的频段上有所衰减，而在一些重要的频段上得以加强。频段上得以加强。1多脉冲激励线性预测编码（
5、多脉冲激励线性预测编码（MPLPC）l加上感知加权滤波器后，主观听觉上的语音加上感知加权滤波器后，主观听觉上的语音质量有明显的提高。质量有明显的提高。lMPLPC必须进行量化编码，它传输的内容必须进行量化编码，它传输的内容包括多脉冲激励的脉冲位置和幅度、长时包括多脉冲激励的脉冲位置和幅度、长时和短时预测器系数、音调周期等。和短时预测器系数、音调周期等。lMPLPC产生的语音质量和比特率取决于提产生的语音质量和比特率取决于提供一帧语音激励信号的脉冲数目。供一帧语音激励信号的脉冲数目。l多脉冲激励方式要优化众多脉冲的位置与幅多脉冲激励方式要优化众多脉冲的位置与幅度参数，计算量大。度参数，计算量大。
6、1多脉冲激励线性预测编码（多脉冲激励线性预测编码（MPLPC）图图5-5RPE编码方式激励可能模式编码方式激励可能模式2码激励线性预测编码（码激励线性预测编码（CELPC）图图5-6CELPC的基本工作原理图的基本工作原理图2码激励线性预测编码（码激励线性预测编码（CELPC）lCELPC应用了矢量量化技术。应用了矢量量化技术。l在数字移动通信中，码激励的一种变型即矢在数字移动通信中，码激励的一种变型即矢量和激励（量和激励（VSELP）已成为美国和日本数）已成为美国和日本数字蜂窝移动通信系统中的语音编码标准。字蜂窝移动通信系统中的语音编码标准。5.1.5移动通信中语音编码器的选择移动通信中语音
7、编码器的选择l在低比特率语音编码中，有在低比特率语音编码中，有4个参数是很重个参数是很重要的，即比特率、质量、复杂度和处理时要的，即比特率、质量、复杂度和处理时延。延。l1语音质量评估语音质量评估l当前世界上流行的语音质量评估方法是采用当前世界上流行的语音质量评估方法是采用原原CCITT提议的从提议的从1分到分到5分的主观评定的分的主观评定的方法。方法。l这就是这就是“平均评价得分平均评价得分”（MeanOpinionScore），简称），简称MOS。1语音质量评估语音质量评估图图5-7语音编码的现状语音编码的现状2语音编码器的复杂度和处理时延语音编码器的复杂度和处理时延l语音数字编码的算法通
8、常用数字信号处理器语音数字编码的算法通常用数字信号处理器（DSP）来实现。）来实现。l编码硬件的成本通常随着复杂度的提高而增编码硬件的成本通常随着复杂度的提高而增加。加。2语音编码器的复杂度和处理时延语音编码器的复杂度和处理时延5.1.6GSM系统语音编码器系统语音编码器l1GSM系统语音编码器性能要求系统语音编码器性能要求l（1）语音质量）语音质量l对语音编码最基本的要求就是用户角度测试，对语音编码最基本的要求就是用户角度测试，在可工作的范围内，平均语音质量应至少在可工作的范围内，平均语音质量应至少不低于不低于900MHz模拟移动系统。模拟移动系统。l语音编码算法应具有很强的适应频谱以及电语
9、音编码算法应具有很强的适应频谱以及电平变化的能力。平变化的能力。1GSM系统语音编码器性能要求系统语音编码器性能要求l语音编码器能够不受环境噪声以及很多语音语音编码器能够不受环境噪声以及很多语音信号混杂的干扰。信号混杂的干扰。l在移动台转接移动台时，会出现两套编在移动台转接移动台时，会出现两套编/译译码器复接的情况。码器复接的情况。1GSM系统语音编码器性能要求系统语音编码器性能要求l（2）码速率）码速率l仍然使用仍然使用8kHz取样率，以便于和取样率，以便于和PSTN的接的接口连接。基于对频率利用率和语音质量相口连接。基于对频率利用率和语音质量相矛盾的协调，将矛盾的协调，将16kbit/s作
10、为可接受的工作作为可接受的工作比特率。比特率。1GSM系统语音编码器性能要求系统语音编码器性能要求l（3）码变换）码变换lGSM系统所确定的基本语音编码的变码器系统所确定的基本语音编码的变码器可将可将13位线性位线性PCM码流变换成码流变换成16kbit/s的的无线传输比特率。无线传输比特率。l在在GSM语音编码器网络一端将完成语音编码器网络一端将完成A律或律或 律的律的PCM变换。变换。1GSM系统语音编码器性能要求系统语音编码器性能要求l（4）非话信号的传输）非话信号的传输l语音编译码器没有对语音频段的数据做出要语音编译码器没有对语音频段的数据做出要求，然而，必须要求语音编译器能够传输求，
11、然而，必须要求语音编译器能够传输由网络提供给用户的各种音频信号音，如由网络提供给用户的各种音频信号音，如拨号音、振铃音、忙音等。拨号音、振铃音、忙音等。1GSM系统语音编码器性能要求系统语音编码器性能要求l考虑到中、低比特率的编译码器将尽量利用考虑到中、低比特率的编译码器将尽量利用语音中的一些特征，将语音以及语音频段语音中的一些特征，将语音以及语音频段内的数据一起协调的编码算法必将降低语内的数据一起协调的编码算法必将降低语音的质量。因此，在设计语音编码器时，音的质量。因此，在设计语音编码器时，应首先考虑语音的质量，而对于语音频段应首先考虑语音的质量，而对于语音频段内的数据信号，则通过特殊的终端
12、适配器内的数据信号，则通过特殊的终端适配器来实现。来实现。1GSM系统语音编码器性能要求系统语音编码器性能要求l（5）传输时延）传输时延l造成传输时延的主要原因有以下两方面。造成传输时延的主要原因有以下两方面。l语音编码的时延。语音编码的时延。l无线分系统中的时延。无线分系统中的时延。l为此对这两种时延的限定各自可不超过为此对这两种时延的限定各自可不超过65ms。1GSM系统语音编码器性能要求系统语音编码器性能要求l考虑到二四线转换阻抗不匹配会导致反射考虑到二四线转换阻抗不匹配会导致反射现象发生，上述的时延将给用户带来令人现象发生，上述的时延将给用户带来令人厌烦的回声，因此需要采用回波抑制器来
13、厌烦的回声，因此需要采用回波抑制器来消除时延的影响。消除时延的影响。1GSM系统语音编码器性能要求系统语音编码器性能要求l（6）硬件实现）硬件实现l对语音编码器的要求主要来自手持机。为了对语音编码器的要求主要来自手持机。为了保障手持机的轻小和长期工作，需要硬件保障手持机的轻小和长期工作，需要硬件能够在一块能够在一块VLSI芯片上实现，并要求功率芯片上实现，并要求功率消耗尽可能的低。消耗尽可能的低。2GSM系统语音处理功能结构系统语音处理功能结构lRPE-LTP编译码器特性如下。编译码器特性如下。l取样速率为取样速率为8kHz。l帧长为帧长为20ms，每帧编码成为，每帧编码成为260bit/s。
14、每帧分为每帧分为4个子帧，每个子帧长个子帧，每个子帧长5ms。l纯比特率为纯比特率为13kbit/s。2GSM系统语音处理功能结构系统语音处理功能结构l语音比特分为两类。第一类含语音比特分为两类。第一类含182bit/s，它们对误码是敏感的，即这些比特中发，它们对误码是敏感的，即这些比特中发生差错会对语音质量产生严重影响。这些生差错会对语音质量产生严重影响。这些比特受到循环冗余校验（比特受到循环冗余校验（CRC）码和一个）码和一个具有恒定长度为具有恒定长度为5的的1/2率卷积码的保护。第率卷积码的保护。第二类含二类含78bit，它们抗差错的能力强，不受，它们抗差错的能力强，不受保护。同时，为了
15、抗突发差错，编码语音保护。同时，为了抗突发差错，编码语音块的交积跨越了块的交积跨越了8个个TDMA帧。帧。2GSM系统语音处理功能结构系统语音处理功能结构l分配给编译码器的最大时延为分配给编译码器的最大时延为30ms。端对。端对端的最大时延在端的最大时延在75ms左右，其中左右，其中40ms以以上分配给时隙交织和信道编译码。上分配给时隙交织和信道编译码。l为了进行不连续的传输，可应用语音激活检为了进行不连续的传输，可应用语音激活检测器。测器。2GSM系统语音处理功能结构系统语音处理功能结构lGSM系统对每个用户，其总比特率为系统对每个用户，其总比特率为33.85kbit/s，具体分配如下。，具
16、体分配如下。l 语音编译码语音编译码13.0kbit/sl 语音的误差保护语音的误差保护9.8kbit/sl 慢速随路控制信道慢速随路控制信道SACCH（总数）（总数）0.95kbit/sl 保护时间、同步等保护时间、同步等10.1kbit/s（约占总速（约占总速率的率的30%）2GSM系统语音处理功能结构系统语音处理功能结构l在较好条件下，在较好条件下，RPE-LTP编译码器的语音编译码器的语音质量（质量（MOS）为）为4分。分。l载干比载干比(C/I)为为10dB时，可觉察到语音质量时，可觉察到语音质量的下降，的下降，MOS约下降约下降0.2分分0.8分。分。lC/I为为4dB时，语音质量
17、下降很明显，时，语音质量下降很明显，MOS降为降为2分。分。l时延理论值为时延理论值为20ms，实测值为，实测值为22.65ms28ms。5.1.7IS-95系统语音编码器系统语音编码器lQCELP是是Qualcomm公司公司CDMA系统中的系统中的语音编码标准语音编码标准IS-95。lQCELP主要是使用码表矢量量化差值信号，主要是使用码表矢量量化差值信号，然后基于语音的激活程度产生一个可变的然后基于语音的激活程度产生一个可变的输出数据速率。输出数据速率。5.1.7IS-95系统语音编码器系统语音编码器lQCELP方案即码激励线性预测的可变速率方案即码激励线性预测的可变速率混合编码方案，其特
18、点如下。混合编码方案，其特点如下。l基于线性预测编码。基于线性预测编码。l使用矢量码表替代简单线性预测中产生使用矢量码表替代简单线性预测中产生的浊音准周期脉冲的脉冲位置和幅度，即的浊音准周期脉冲的脉冲位置和幅度，即使用码表矢量量化差值信号。使用码表矢量量化差值信号。l可变速率。可变速率。l参量编码的主要参量分为三类，且每帧参量编码的主要参量分为三类，且每帧不断更新。不断更新。5.1.7IS-95系统语音编码器系统语音编码器l语音编码是提取语音参数，并将参数量化的语音编码是提取语音参数，并将参数量化的过程。该过程应当使最后合成的语音与原过程。该过程应当使最后合成的语音与原始语音的差别尽量少。始语
19、音的差别尽量少。5.2信信道道编编码码l移动通信系统使用信道编码技术可以降低信移动通信系统使用信道编码技术可以降低信道突发的和随机的差错。道突发的和随机的差错。l信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善信道链路的性能的。据位来改善信道链路的性能的。l在发射机的基带部分，信道编码器按照某种在发射机的基带部分，信道编码器按照某种确定的约束规则，把一段数字信息映射成确定的约束规则，把一段数字信息映射成另一段包含更多数字比特的码序列，然后另一段包含更多数字比特的码序列，然后把已被编码的码序列进行调制以便在无线把已被编码的码序列进行调制以便在无线信道中传送。
20、信道中传送。5.2信信道道编编码码l接收机可以用信道编码的约束规则来检测或接收机可以用信道编码的约束规则来检测或纠正由于在无线信道中传输而引入的一部纠正由于在无线信道中传输而引入的一部分或全部的误码。分或全部的误码。l由于解码是在接收机进行解调之后执行的，由于解码是在接收机进行解调之后执行的，所以信道编码是一种后检测技术。所以信道编码是一种后检测技术。5.2信信道道编编码码l编码增加了数据比特，这使得信道中传输的编码增加了数据比特，这使得信道中传输的总的数据速率提高，也就会占用更大的信总的数据速率提高，也就会占用更大的信道带宽。道带宽。l信道编码通常有两类：分组编码和卷积编码。信道编码通常有两
21、类：分组编码和卷积编码。5.2信信道道编编码码l5.2.1信道编码原理信道编码原理l5.2.2分组码分组码l5.2.3卷积码卷积码l5.2.4其他信道编码其他信道编码5.2.1信道编码原理信道编码原理l信道编码的检错和纠错是利用传输数据的冗信道编码的检错和纠错是利用传输数据的冗余量来实现的。余量来实现的。l用于检测错误的信道编码称做检错编码；可用于检测错误的信道编码称做检错编码；可纠错的信道编码被称做纠错编码。纠错的信道编码被称做纠错编码。5.2.1信道编码原理信道编码原理l对于加性高斯白噪声信道，额定带宽为对于加性高斯白噪声信道，额定带宽为B(Hz)、接收信号功率为、接收信号功率为P(W)及
22、噪声谱密度及噪声谱密度为为P(W/Hz)，其信道容量可由下面的香农，其信道容量可由下面的香农公式给出：公式给出：5.2.1信道编码原理信道编码原理l信道编码是通过增加相关的冗余数据来提高信道编码是通过增加相关的冗余数据来提高系统性能，也就是以增加传输带宽为代价系统性能，也就是以增加传输带宽为代价来取得编码增益的。检错码和纠错码有两来取得编码增益的。检错码和纠错码有两种基本类型：分组码和卷积码。种基本类型：分组码和卷积码。l图图5-8中分别列出几种编码方案的性能。中分别列出几种编码方案的性能。5.2.1信道编码原理信道编码原理图图5-8几种编码方案的性能几种编码方案的性能5.2.2分组码分组码l
23、要使信道编码具有一定的检错或纠错能力，要使信道编码具有一定的检错或纠错能力，必须加入一定的多余码元。必须加入一定的多余码元。l信息码元先按组进行划分，然后对各信息组信息码元先按组进行划分，然后对各信息组按一定规则加入多余码元，这些附加监督按一定规则加入多余码元，这些附加监督码元仅与本组的信息码元有关，而与其他码元仅与本组的信息码元有关，而与其他码组的信息无关，这种编码方法称为分组码组的信息无关，这种编码方法称为分组编码。编码。1编码效率、冗余度、码重与码距编码效率、冗余度、码重与码距l在分组码中，数据每在分组码中，数据每k个信息比特分为一组，个信息比特分为一组，k个信息位与增加的（个信息位与增
24、加的（nk）个比特组成一）个比特组成一个个n比特的码组（或码字），这种码叫做比特的码组（或码字），这种码叫做(n，k)分组码。分组码。l分组中分组中(n-k)/k比值称为码的冗余度，比值称为码的冗余度，k/n比比值称为编码效率。值称为编码效率。l编码效率可表示分组中信息比特所占的比例。编码效率可表示分组中信息比特所占的比例。1编码效率、冗余度、码重与码距编码效率、冗余度、码重与码距l除编码效率除编码效率k/n外，码字的另一个重要参数外，码字的另一个重要参数是码重，即码字中非零的码元数目。是码重，即码字中非零的码元数目。l不同类型的分组码具有不同的特性。不同类型的分组码具有不同的特性。l 线性分
25、组码线性分组码l 系统码系统码l 循环码循环码2BCH码码lBCH码是循环码的一个重要子类，具有多码是循环码的一个重要子类，具有多种码率，可获得很大的编码增益，种码率，可获得很大的编码增益，BCH码码有严密的代数理论，是目前研究最透彻的有严密的代数理论，是目前研究最透彻的一类码。一类码。l（1）戈雷码（）戈雷码（Golay）l（2）扩展）扩展BCH码码l（3）截短）截短BCH码码3RS码码lRS码是码是Reed-Solomon（里德（里德索洛蒙）索洛蒙）码的简称，它是一种多进制码的简称，它是一种多进制BCH码。码。l它能够纠突发错误，通常在连续编码系统中它能够纠突发错误，通常在连续编码系统中采
26、用。采用。5.2.3卷积码卷积码图图5-9卷积编码器的通用结构图卷积编码器的通用结构图1卷积码的基本特性卷积码的基本特性l卷积码常记作卷积码常记作(n，k，N)，它的编码效率为，它的编码效率为Rc=k/n。l参数参数N被称做约束长度，它指明了当前的输被称做约束长度，它指明了当前的输出数据多少与输入数据有关，决定了编码出数据多少与输入数据有关，决定了编码复杂度。复杂度。l卷积码的纠错能力也与码距相关，卷积码有卷积码的纠错能力也与码距相关，卷积码有两种码距：最小距两种码距：最小距dmin和自由距和自由距dfree。1卷积码的基本特性卷积码的基本特性l编码后长度为编码后长度为nN码元中各个序列之间的
27、汉码元中各个序列之间的汉明距称为最小距明距称为最小距dmin；编码后任意长度的码；编码后任意长度的码元中各个序列之间的汉明距称为自由距元中各个序列之间的汉明距称为自由距dfree。l描述卷积码的方法有图解法和解析法。解析描述卷积码的方法有图解法和解析法。解析法可以采用生成矩阵和生成多项式这两种法可以采用生成矩阵和生成多项式这两种方法，图解法可以采用树状图、网格图、方法，图解法可以采用树状图、网格图、状态图和逻辑表等方法。状态图和逻辑表等方法。2卷积码的解码卷积码的解码l卷积码的解码思想是：信息序列和码序列之卷积码的解码思想是：信息序列和码序列之间有一一对应的关系；而且，任何信息序间有一一对应的
28、关系；而且，任何信息序列和码序列将与网格图中的唯一的一条路列和码序列将与网格图中的唯一的一条路径相联系。因而卷积译码器的工作就是找径相联系。因而卷积译码器的工作就是找到网格图中的这一条路径。到网格图中的这一条路径。l解卷积码的技术有许多种，常用的是解卷积码的技术有许多种，常用的是Viterbi算法、序贯译码法。算法、序贯译码法。5.2.4其他信道编码其他信道编码l1网格编码调制（网格编码调制（TCM）l网格编码调制技术是通过把有限状态编码器网格编码调制技术是通过把有限状态编码器和有冗余度的多进制调制器结合起来，可和有冗余度的多进制调制器结合起来，可在不扩展占用带宽的前提下获得可观的编在不扩展占
29、用带宽的前提下获得可观的编码增益。码增益。2Turbo码码lTurbo码的基本原理是通过编码器的巧妙构码的基本原理是通过编码器的巧妙构造，即多个子码通过交织器进行并行或串造，即多个子码通过交织器进行并行或串行级联（行级联（PCC/SCC），然后以类似内燃机），然后以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭代译码，引擎废气反复利用的机理进行迭代译码，从而获得卓越的纠错性能，从而获得卓越的纠错性能，Turbo码也因此码也因此得名。得名。2Turbo码码lTurbo码的基本原理是通过编码器的巧妙构造，码的基本原理是通过编码器的巧妙构造，即多个子码通过交织器进行并行或串行级联即多个子码通过交织器进行并行
30、或串行级联（PCC/SCC），然后以类似内燃机引擎废气反复），然后以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭代译码，从而获得卓越的纠错利用的机理进行迭代译码，从而获得卓越的纠错性能，性能，Turbo码也因此得名。码也因此得名。l它不仅在信噪比较低的高噪声环境下性能优越，它不仅在信噪比较低的高噪声环境下性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力，其纠错性而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力，其纠错性能接近香农极限。能接近香农极限。l这使得这使得Turbo码在信道条件较差的移动通信系统码在信道条件较差的移动通信系统中有很大的应用潜力。中有很大的应用潜力。2Turbo码码图图5-10Turbo码编码原理图
31、码编码原理图2Turbo码码图图5-11Turbo码译码原理图码译码原理图5.3交交织织编编码码l突发错误是指一个错误序列，错误序列的长突发错误是指一个错误序列，错误序列的长度称为突发长度。度称为突发长度。l交织编码设计思路不是为了适应信道，而是交织编码设计思路不是为了适应信道，而是为了改造信道；它是通过交织与去交织将为了改造信道；它是通过交织与去交织将一个有记忆的突发信道，改造为基本上是一个有记忆的突发信道，改造为基本上是无记忆的随机独立差错的信道，然后再用无记忆的随机独立差错的信道，然后再用随机独立差错的纠错码来纠错。随机独立差错的纠错码来纠错。5.3交交织织编编码码l5.3.1交织编码原
32、理交织编码原理l5.3.2交织编码特点交织编码特点5.3.1交织编码原理交织编码原理图图5-12分组交织码的实现框图分组交织码的实现框图5.3.2交织编码特点交织编码特点l任何长度任何长度lM的突发差错，经交织后成的突发差错，经交织后成为至少被为至少被N1位隔开后的一些单个独立差错。位隔开后的一些单个独立差错。l任何长度任何长度lM的突发差错，经去交织后，的突发差错，经去交织后，可将长突发差错变换成长度可将长突发差错变换成长度l1=1/M位的位的短突发差错。短突发差错。5.3.2交织编码特点交织编码特点l完成交织与去交织变换在不计信道时延完成交织与去交织变换在不计信道时延条件下，将产生条件下，将产生2MN个符号的时延，其中个符号的时延，其中发、收端各占一半。发、收端各占一半。l在很特殊的情况下，周期为在很特殊的情况下，周期为M的的k个单个个单个随机独立差错序列，经交织去交织后会产随机独立差错序列，经交织去交织后会产生长度为生长度为l的突发差错。的突发差错。