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1、語音信號矢量量化畢業(yè)設(shè)計及實現(xiàn)算法的matlab仿真引言21世紀(jì)是信息的社會各種科技領(lǐng)域的信息大爆炸數(shù)字信號的數(shù)據(jù)量通常很巨大對存儲器的存儲容量通信信道的帶寬及計算機的處理速度帶來壓力因此必須對其進行量化壓縮來緊縮數(shù)據(jù)存儲容量較快地傳輸各種信號并使發(fā)信機功率降低矢量量化VQ是一種極其重要的信號壓縮方法其在語音信號處理中占有十分重要的地位廣泛應(yīng)用于語音編碼語音識別語音合成等領(lǐng)域在許多重要的課題中VQ都起著非常重要的作用采用矢量量化技術(shù)對信號波形或參數(shù)進行壓縮處理可以獲得非常高的效益VQ不僅可以壓縮表示語音參數(shù)所需的數(shù)碼率而且在減少運算量方
2、面也是非常高效的它還能直接用于構(gòu)成語音識別和說話人識別系統(tǒng)語音數(shù)字通信的兩個關(guān)鍵部分是語音質(zhì)量和傳輸數(shù)碼率但這兩者是矛盾的要獲得較高的語音質(zhì)量就必須使用較高的傳輸碼率相反為了實現(xiàn)高效地壓縮傳輸數(shù)碼率就很難得到良好的語音質(zhì)量但是矢量量化卻是一種既能得到高效壓縮的數(shù)碼率又能保證語音質(zhì)量的方法量化可以分為兩大類一類是標(biāo)量量化一類是矢量量化VQ標(biāo)量量化是把抽樣后的信號值逐個進行量化而矢量量化是先將k個抽樣值組成k維空間中的一個矢量然后將此矢量進行量化它可以極大的降低數(shù)碼率優(yōu)于標(biāo)量量化各種數(shù)據(jù)都可以用矢量表示直接對矢量進行量化可以方便的對數(shù)據(jù)進行
3、壓縮矢量量化屬于不可逆壓縮方法具備比特率低解碼簡單失真較小的優(yōu)點矢量量化的發(fā)展大致可以分為兩各階段第一階段約為1956至1977年1956年steinhaus第一次系統(tǒng)的闡述了最佳矢量量化的問題1957年在loyd的PCM中的最小平方化一文中給出了如何劃分量化區(qū)間和如何求量化值問題的結(jié)論約于此同時也得出同樣的結(jié)果雖然他們談?wù)摰亩际菢?biāo)量量化問題但他們的算法對后面的矢量量化的發(fā)展有著深刻的影響1964年NEWMAN研究了正六邊形原理1977年berger的率失真理論一書出版總體來說這一階段的工作多是理論性的但它為第二階段的發(fā)展奠定了一定的基
4、礎(chǔ)第二階段約為1978年至今1978年buzo第一個提出實際的矢量量化器他提出的量化系統(tǒng)組成分為兩步第一步將語音信號做線性預(yù)測分析求出預(yù)測系數(shù)第二步對這些系數(shù)做矢量量化于是得到壓縮數(shù)碼的語音編碼器1980年lindebuzo和gray將Loyd-算法推廣發(fā)表了第一個矢量量化器的設(shè)計算法通常稱為LBG算法這就將矢量量化的研究向前推動了一大步這一時期人們對矢量量化問題展開了全面的研究其中主要是對失真測度的探討碼書的設(shè)計各種矢量量化系統(tǒng)的研究快速搜索算法的尋找等等矢量量化研究的進展是很快的1980年美國加州公司在原來的編碼速度為24kbs的線
5、性預(yù)測聲編碼器的基礎(chǔ)上僅將濾波系數(shù)從標(biāo)量量化改為矢量量化就可以使編碼速率降低到800bs而聲音質(zhì)量基本未下降1983年美國BBN公司研制了一種分段式聲編碼器由于該聲碼器采用了矢量量化所以可以用150bs的速率來傳送可懂的話音近幾十年來在已經(jīng)提出的各種矢量量化方法和系數(shù)的基礎(chǔ)上更多更好的矢量量化方法漸漸出現(xiàn)在圖像數(shù)據(jù)壓縮和語音識別的應(yīng)用方面矢量量化研究也得到了很快的發(fā)展提出各種各樣的矢量量化系統(tǒng)用硬件實現(xiàn)矢量量化系統(tǒng)的方法也越來越多矢量量化壓縮技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊如軍事部門和氣象部門的衛(wèi)星或航天飛機遙感照片的壓縮編碼和實時傳輸雷達圖像和
6、軍用地圖的存儲與傳輸數(shù)字電視和DVD的視頻壓縮醫(yī)學(xué)圖像的壓縮與存儲網(wǎng)絡(luò)化測試數(shù)據(jù)的壓縮和傳輸語音編碼圖像識別和語音識別等等第一章矢量量化器11矢量量化概述11矢量量化的基本概念要了解矢量量化首先要了解量化和標(biāo)量量化等基本概念量化就是把一個模擬信號值的連續(xù)范圍分為若干相鄰并具有唯一量值的區(qū)間凡落在某區(qū)間的抽樣信號樣值都指定為該區(qū)間量值的過程量化分為兩類標(biāo)量量化和矢量量化一標(biāo)量量化整個動態(tài)范圍被分成若干個小區(qū)間每個小區(qū)間有一個代表值量化時落入小區(qū)間的信號值就用這個代表值代替或者叫被量化為這個代表值這時的信號量是一維的所以稱為標(biāo)量量化圖1-1
7、標(biāo)量量化原理圖二矢量量化矢量量化若干個標(biāo)量數(shù)據(jù)組成一個矢量矢量量化是對矢量進行量化它把矢量空間分成若干個小區(qū)域每個小區(qū)域?qū)ふ乙粋€代表矢量量化時落入小區(qū)域的矢量就用這個代表矢量代替或者叫著被量化為這個代表矢量在輸入信號序列中每K個連續(xù)樣點可以組成一組K維歐式空間中的一個矢量矢量量化就是把這個K維輸入矢量X映射成另一個K維量化矢量其中量化矢量構(gòu)成的集合稱為碼書或碼本碼書中的每個矢量稱為碼字或碼矢比如說當(dāng)K2時所得到的是二維矢量所有可能的二維矢量就構(gòu)成了一個平面記為a1a2所有可能的a1a2就是一個二維空間如圖a所示矢量量化就是將平面分成M小
8、區(qū)域即從每個小區(qū)域中找出代表向量這些代表向量的集合就是有M個區(qū)間的二維矢量量化器若要對落在二維矢量空間中的一個模擬矢量進行量化首先要選擇一個合適的失真測度而后利用最小失真原則分別計算用量化矢量替代X所帶來的
