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）

1、语音信号编码的基本概念

    语音信号的编码指的是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：介于波形编码和参量编码之间的一种编码，同时使用两种或两种以上的编码方法进行编码。子带编码属于混合编码。

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。

PCM编码的特性：

• 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~ f_M , B=f_M - 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~ f_M
• 上、下边带： n f_s ，其中n=1,2,…
• 抽样频率：f_s = $\frac{1}{T}$ ，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 f_s ≥ 2 f_M ，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 f_s ＞ 2 f_M 。

    则对于话音信号，其频谱范围为 300~3400 Hz， f_M = 3400 Hz，因需满足 f_s ≥ 2 f_M = 6800Hz，且为了留有一定的防卫带，需取 f_s = 8000Hz，即 T= $\frac{1}{f}$ = 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 = $\frac{2U}{N}$）。

    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 |u_q| = U - $\frac{\Delta }{2}$ 。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=2^l 。
2）量化误差=量化值-样值=u_q(t) - u(t)

• 量化区内，e_max(t) = $\frac{\Delta }{2}$ ；
• 过载区内，e_max(t) > $\frac{\Delta }{2}$ ；

    量化误差会引起量化噪声，此噪声会叠加在原来的信号上，对原信号产生干扰。通常使用量化信噪比来衡量量化误差，量化噪声比越大，噪声对信号的影响也相对越小。

(S/N_q)_db = 10lg $\frac{S}{Nq}$(dB)

其中，S为话音信号的平均功率，$\frac{S}{Nq}$ 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 $\frac{\Delta }{2}$ ，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e_max(t) 要降低，Δ = $\frac{2U}{N}$要降低，则N需要增大，又N=2^l，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，根据样值落在哪个间隔范围内直接对样值进行编码，相当于编码过程中就进行了量化。)

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，是把模拟信号的样值变换成对应的二进制码组。常用的二进制码组有3种：

• 一般二进制码
• 循环二进制码
• 折叠二进制码（样值的绝对值相同，其幅度码也相同）

编码主要分为：

• 线性编码与解码，具有均匀量化特性的编码与解码，即根据均匀量化间隔的划分直接对样值编码，收端解码。
• 非线性编码与解码，具有非均匀量化特性的编码与解码，即根据非均匀量化间隔的划分直接对样值编码，收端解码。

    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
$I=lo{g}_{2}Nlo{g}_{2}256=8$

对应的码字安排为

    编码时先编极性码后编段落码（非线性编码）再编段内码（线性编码）。A律13折线段落码编码：

$\begin{array}{cccc}段落码& a_2& a_3& a_4\\ 第1段& 0& 0& 0\\ 第2段& 0& 0& 1\\ 第3段& 0& 1& 0\\ 第4段& 0& 1& 1\\ 第5段& 1& 0& 0\\ 第6段& 1& 0& 1\\ 第7段& 1& 1& 0\\ 第8段& 1& 1& 1\end{array}$

这里的起始电平，可以是电流信号($I_m$)，也可以是电压信号($U_m$) ，量化间隔 为 ${\Delta }_i(i=1\sim 8)$。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。

$\begin{array}{ccccc}段内码& a_5& a_6& a_7& a_8\\ 1& 0& 0& 0& 0\\ 2& 0& 0& 0& 1\\ 3& 0& 0& 1& 0\\ 4& 0& 0& 1& 1\\ 5& 0& 1& 0& 0\\ 6& 0& 1& 0& 1\\ 7& 0& 1& 1& 0\\ 8& 0& 1& 1& 1\\ 9& 1& 0& 0& 0\\ 10& 1& 0& 0& 1\\ 11& 1& 0& 1& 0\\ 12& 1& 0& 1& 1\\ 13& 1& 1& 0& 0\\ 14& 1& 1& 0& 1\\ 15& 1& 1& 1& 0\\ 16& 1& 1& 1& 1\\ 权值& 2^3{\Delta }_i& 2^2{\Delta }_i& 2^1{\Delta }_i& 2^0{\Delta }_i\end{array}$

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（I_Ri 或 U_Ri），数目 n_R = $\frac{N}{2}$-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I_R2，则当a2=0，说明样值<128Δ，在前4段；对前4段对分，对分点为32Δ，即I_R3在段2和段3中间，此时a3=1，说明样值>32Δ, 则说明在后2段；对后2两段进行对分，对分点为64Δ，即I_R4在段3和段4中间，当a4=0，说明样值<64Δ, 则说明样值在第3段。可以看出a4的判定值有4个，具体使用哪个需要通过a2、a3来决定。

    同理，对于段内码判定值的确定，是以谋量化段内量化级为单位逐次对分，对分点点平依次为 a5~a8 的判定值，其中a8的判定点用哪个需要根据a5、a6、a7的值来定。

5.4、A律13折线编码的编解码点平

(1) 编码电平与编码误差
    编码电平，即编码器输出的码字所对应的电平（I_C 或者 U_C ）。以I_C 为例：
$I_C=I_m+\left(2^3\times a_5+2^2\times a_6+2^1\times a_7+2^0\times a_8\right)\times {\Delta }_i$
其中，${\Delta }_i$为量化间隔。
    编码误差为：
$e_C=I_C-I_S$
(2) 解码电平与解码误差
    解码电平，是解码器的输出电平（I_C 或者 U_C ）。
$I_D=I_C-\frac{{\Delta }^{{}_i}}{2}$
    解码误差：
$e_D=I_D-I_S$

5.5、逐次渐进型编码器

5.6、A律13折线解码器

个人学习笔记，如有错误还请指正，谢谢。

最后

以上就是年轻斑马为你收集整理的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4、量化5、编码与解码的全部内容，希望文章能够帮你解决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4、量化5、编码与解码所遇到的程序开发问题。

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