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醫(yī)院病房緊急呼叫系統(tǒng)廠家-網(wǎng)絡(luò)話語音低速率波形編碼技術(shù)

2023-10-20 12:42

  PCM雖然能夠提供相當(dāng)好的長途通信級(jí)話音質(zhì)量,但是其速率過高,尤其在多媒體應(yīng)用以及在共享信道的數(shù)據(jù)網(wǎng)中應(yīng)用時(shí),采用PCM傳送話音占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源嫌過高。為此,人們提出了許多改進(jìn)技術(shù),以降低話音編碼的速率,或者說在同樣的碼率下可以進(jìn)一步提高話音的質(zhì)量。

1.差分編碼技術(shù)

  降低編碼比特率的基本思路是利用話音抽樣信號(hào)之間的相關(guān)性。分析表明,話音波形中有很多的冗余信息,作為信息冗余的度量,相鄰8kHz抽樣值之間的自相關(guān)系數(shù)一般為0.85以上。由此可知,相鄰抽樣值之差一般很小,其包含的信息量遠(yuǎn)小于抽樣值本身。因此一個(gè)自然的想法就是設(shè)計(jì)一種編碼方法,對(duì)此差值進(jìn)行編碼,而不是對(duì)抽樣值本身進(jìn)行編碼,這樣所需的比特率必然可以下降。這就是所謂的差分脈沖編碼(DPCM)。

  產(chǎn)生差分信號(hào)最簡單的方法是直接存儲(chǔ)前一次的輸入樣值(例如用抽樣保持電路),然后用模擬減法器獲得差值,經(jīng)量化編碼后發(fā)送出去。解碼器則作相反的處理恢復(fù)原信號(hào)。其原理圖如圖3.1所示

用Z變換考察各點(diǎn)信號(hào)的時(shí)域關(guān)系,有:

式中,E(Z)為量化噪聲的Z變換,且假設(shè)信道無失真。由式(3.3)知,在接收端量化噪聲被累積,且迭加在輸出信號(hào)中。從時(shí)域角度看就是每次量化噪聲信號(hào)均被記憶下來,然后迭加到下一次輸出中去。如果量化噪聲始終是同一方向的話,會(huì)使輸出信號(hào)越來越偏離正常信號(hào),顯然這是不允許的。因此實(shí)際DPCM編碼器是通過反饋的方式由差分編碼值重構(gòu)生成前一次抽樣值的,其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。

  由圖可知,若某一時(shí)刻量化噪聲信號(hào)為正,則它將使重構(gòu)的抽樣值增大,從而使下一時(shí)刻的差分信號(hào)變小,如此即可有效地抵消上一次量化噪聲的影響。從Z變換也不難得出同樣的結(jié)論。由圖可得,反饋重構(gòu)信號(hào)為:

即,已消除量化噪聲的積累。

  上述基本的差分編碼只利用了當(dāng)前時(shí)刻抽樣值和上一時(shí)刻抽樣值之間的相關(guān)性,實(shí)際上當(dāng)前輸人值不但和上一時(shí)刻樣值有關(guān),還和前面若干個(gè)抽樣值都有關(guān),為了充分利用話音波形中固有的信息冗余,進(jìn)一步降低編碼比特率,我們可以將前若干個(gè)抽樣值的線性組合作為當(dāng)前輸入信號(hào)的預(yù)測值,由此求得差分信號(hào)為:

式中,P(Z)稱為線性預(yù)測多項(xiàng)式,llj稱為預(yù)測系數(shù)。ai的選取應(yīng)使差分信號(hào)(即預(yù)測誤差)的方差為最小。顯然,預(yù)測多項(xiàng)式階數(shù)越高,預(yù)測誤差就越小,相應(yīng)編碼比特率也可越低。上述基本差分編碼相當(dāng)于最簡單的預(yù)測系數(shù)恒為1的1階線性預(yù)測。分析表明,如果預(yù)測系數(shù)a;取為常數(shù),則采用3階線性預(yù)測可有效地提高編碼效率,階數(shù)再高改善效果已不明顯。

  圖3.3為采用線性預(yù)測的DPCM一般結(jié)構(gòu)圖。和基本差分編碼一樣,為了避免量化噪聲的積累,預(yù)測值由反饋回路產(chǎn)生,也就是說,預(yù)測多項(xiàng)式中用到的前面各次抽樣值都是由預(yù)測誤差量化值反饋生成的重構(gòu)值,并非真實(shí)的歷史抽樣值。

  從能量角度看,采用差分編碼后,由于差分信號(hào)比原信號(hào)功率減小,其量化限幅電平相應(yīng)可降小。這樣在量化電平數(shù)不變的條件下,差分量化器的量化階距就比原信號(hào)的量化階距要小,即量化噪聲減小。因此差分編碼的信噪比將比直接對(duì)原信號(hào)編碼的PCM高,由此得到差分增益或稱預(yù)測增益,其值等于原信號(hào)功率和差分信號(hào)功率之比。從另一角度說,如保持信噪比不變,則可減小量化器字長,即降低編碼比特率。

        分析表明,l階預(yù)測DPCM的差分增益可為5dB,可比PCM減少1比特編碼長度,即為56kbit/s比特率。3階預(yù)測DPCM能減少1.5-2比特編碼長度,即為48kbit/s比特率。

  另有一種更為簡單的差分編碼稱為增量調(diào)制(DM)。其差分信號(hào)也是表示相鄰抽樣值之差,但是量化值僅用1個(gè)比特表示,實(shí)際上就是差值的符號(hào)。量化步長為固定值L:::..,根據(jù)當(dāng)前輸入值比前次值上升還是下降,取差分信號(hào)的量化值為今或_L::,,.。這一方法簡單,但對(duì)信號(hào)變化速率大的部分將會(huì)產(chǎn)生較大的量化噪聲。

2.自適應(yīng)撮化

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