3.3 信息编码技术

3.3.1 差值脉冲编码调制

一般的PCM方式中对样值信号编码都是按样值幅度独立进行的，即使是相关性较强的相邻两个样值也是如此。由于是对样值幅度独立编码，故每一编码码组允许的信号动态范围就是原语音信号的动态范围。由于这一幅度范围大，为保持一定的编码精度就需要较多的编码位数。

所谓差值脉冲编码调制（DPCM），就是考虑利用信号的相关性找出可以反映信号变化特征的一个差值进行编码。根据相关性原理，这一差值的幅度范围一定小于原信号的幅度范围。因此，在保持相同量化误差的条件下量化电平数就可以减少，而编码位数也随之减少，进而压缩了编码速率。差值编码一般是以预测的方式来实现的。所谓预测就是指当知道了有冗余性（相关性）信号的一部分时就可以对其余部分进行推断和估计。具体地说，如果知道了一个信号在某一时刻以前的状态，就可以对它的未来值作出估值。

由于语音信号的相邻抽样点之间有一定的幅度关联性，所以，可以根据前些时刻的样值来预测现时刻的样值，只要传输预测值和实际值之差，而不需要每个样值都传输。这种方法就是预测编码。

语音信号的样值可分成预测和不可预测两个部分。可预测部分由过去的一些权值加权后得到；不可预测的部分可看成是预测误差。这样，在数字通信中，就不必直接传送原始语音信号序列，而只传送差值序列。因为差值序列的信息可以代替原始序列中的有效信息，而差值信号的能量远小于原样值，这样就可以使量化电平数减少，从而大大地压缩数码率。在接收端，只要把差值序列叠加到预测序列上，就可以恢复原始序列。

图3.42给出了DPCM系统原理框图。其中，输入端抽样信号为x（n），接收端重建信号为（n），d（n）是输入信号与预测信号（n）的差值，（n）为量化后的差值，c（n）是（n）经编码后输出的数字码。

编码器中的预测器与译码器中的预测器完全相同。因此，在无传输误码的情况下，译码器输出的重建信号（n）与编码器的（n）完全相同。

DPCM的总量化误差e（n）定义为输入信号x（n）与译码器输出的重建信号（n）之差，即有：

由式（3.29）和式（3.30）得

可知，在这种DPCM系统中，总量化误差只和差值信号的量化误差有关。图3.43说明了预测的原理。

图3.43是典型的线性预测方式，预测值跟踪输入信号抽样值变化。

3.3.2 增量调制

增量调制（DM）是差值脉码调制的一个重要特例，也称为1bit量化的差值编码。在增量调制系统中，抽样频率要比PCM高得多，叫做过抽样。

其中增量调制可根据量化阶距Δ的取值是否为常数，分为线性增量调制（LDM）和自适应增量调制（ADM）。当量化阶距Δ为常数时，系统估值或者系统恢复值以线性变化的趋势跟踪输入信号，也叫线性增量调制。其优点是系统简单，容易实现，采用1bit编码，收发不需同步。但由于Δ的动态范围很小，其传输质量不高，使其发展受到限制。

改进Δ动态范围的方法有很多，其基本原理是采用自适应方法使量阶Δ的大小随输入信号的统计特性变化而跟踪变化。如量阶能随信号瞬时压扩，则称为瞬时压扩Δ，记作自适应增量调制，这是一种自动调节量阶的增量调制，它采用量阶自动调节的办法来适应信号斜率的变化，以避免斜率过载的影响。如果输入信号斜率增大，则量阶也相应增大；输入信号斜率小，则量阶也就减小。所以ADM具有动态范围大的优点。若量阶Δ随音节时间间隔（5～20ms）中信号平均斜率变化，则称为连续可变斜率增量调制，记作CVSD。由于这种方法中信号斜率是根据码流中连“1”或连“0”的个数来检测的，所以又称为数字检测、音节压扩的自适应增量调制，简称数字压扩增量调制。

数字压扩增量调制与普通增量调制相比，其差别在于增加了连“1”连“0”数字检测电路和音节平滑电路。由于CVSD的自适应信息（即控制电压）是从输出码流中提取的，所以接收端不需要发送端传送专门的自适应信息就能自适应于原始信号，电路实现起来比较容易。数字压扩增量调制原理如图3.44所示。

CVSD编码器的主要部分是1个比较器、1个量化器、1个压扩器和1个预测滤波器。比较器使带限的输入语音和预测滤波器输出的预测信号之间产生出一个误差信号。由于1bit量化器根据所需要时钟（或传输）速率对误差信号抽样，因此，每个误差抽样极性将是编码器的输出信号。

量化器的阶距受一个音节压扩器控制，它包括一个3bit或4bit移位寄存器，一个比较器和一个简单的在40Hz上具有3dB衰耗点的RC低通滤波器。

压扩器的逻辑如下：如果压扩器检测到连续3个或4个为1或0的码元，就产生一个V伏脉冲，于是激励音节滤波器，否则它不产生脉冲，受编码器输出二进制信号控制，其极性的音节滤波器的输出将是预测器的输入，预测器实际上是一个在16Hz以上具有3dB衰耗点的积分器。

CVSD译码器实际上是编码器的反馈回路。

3.3.3 线性预测编码

以语音模型为基础，在发端分析提取表征音源和声道的相关特征参数，通过量化编码将这些参数传输到收端，收端再应用这些特征参数，重新合成为语音信号的过程，称为语音信号的分析合成。实现这一过程的系统称为声码器（Vocoder）。声码器的传输数码率可压缩到4.8kbps以上，主要应用于窄带语音通信。

自从1939年美国贝尔实验室的H.Hudtey发明了世界第一个声码器以来，现在已有不同的声码器系，例如：线性预测（LPC）声码器、通道声码器、相位声码器、同态声码器等。不过，研究最多、发展最快的还是LPC声码器。因此本节主要讨论LPC声码器的基本原理和发展。

1）LPC声码器的基本原理

将语音分成清音、浊音两大类，则根据语音线性预测模型，清音可以模型化为白色随机噪声所激励；而浊音的激励信号为准周期脉冲序列，其周期为基因周期，由语音短时分及基因提取方法，能逐帧将语音用少量特征参数，如用清/浊音判决、基因周期Tp、语音信号模型预测参数（{ai}，i=1，…，M）和增益G来表示。因此，当语音信号模型阶数为M、帧宽为N时，一帧内N个原始语音抽样完全能用上述的M+3个特征参数来代表，即只需用少量的数码来表示。

图3.45是LPC声码器的基本方框图。在发端，对语音信号样值s（n）逐帧进行线性预测分析，并作相应的清/浊音判决和基因提取。分析前预加重是为了加强语音谱中的高频共振峰，使语音短时谱及线性预测分析中的余数谱变得更为平坦，从而提高预测模型参数估值的精确度。线性预测大多采用自相关法，为了减少截断对参数估值的影响，一般采用汉明窗。

在收端，由假定的语音生成模型组成合成器，由从发端传来的特征参数来合成语音。合成器如图3.46所示。其中{}是参数控制语音产生模型（AR模型，即IIR滤波器）的频率特性形状，激励信号（n）由收端传送来的，及控制合成产生。由短时傅里叶分析可知，在发端只需每隔1/2窗（N/2个抽样）分析一次，从而特征参数的抽样率为原始抽样率的2/N。所以，在合成器中必须将，{}用内插的方法由预测分析时的低抽样率恢复到原始抽样率fs。

2）LPC声码器的缺点

LPC声码器利用了语音模型，能够在保证可懂度的情况下，大幅度地降低传输码率，然而也引入了如下的一些缺点：损失了语音自然度；降低了方案的可靠性；易引起共振峰位置失真；带宽估值误差大。

尽管LPC方法有一些缺点，但由于LPC合成简单、可自动进行系数分析等优点，故仍有较大的吸引力。人们在实践中针对它的缺点提出了许多改进方案，使它更趋于实用化。

3.3.4 CCSK

循环码移位键控（CCSK）码字被用于5bit码元组成的RS编码报头和完成交织后的消息。表3.5列出了5bit码元和CCSK码字之间的关系。通过对长度为32的CCSK码字S0循环左移位n次，就可生成第n个码元对应的长度为32的CCSK码字，n是被编码码元的值（0～31）。

表3.5 循环码移位键控（CCSK）码字

CCSK是一种软扩频技术，具有频谱效率高、低截获-低检测的特性，具有优良的误码性能以及硬件实现简单、计算量小等优点，并且能抗多径干扰，具有一定的多址能力，因此在航空通信系统中得到广泛应用。我们知道在航空通信时经常要对Link-16数据链中的消息数据进行两次加密，即编码加密和传输加密。编码加密在检错编码之后，传输加密在FEC编码和交织之后。其中在传输加密时就使用了CCSK编码。

第一次加密（编码加密）针对75bit的检错编码消息字，根据保密数据单元（SDU）中存储的加密变量——密钥和消息加密运算进行加密。

第二次加密（传输加密）是为了增强Link-16信号的传输保密性。首先对交织RS码进行CCSK编码。CCSK编码器由32位移位寄存器组成，通过基码S0（01111100111010010000101011101100）的n次循环左移，形成S0～S31共32个CCSK码组，n值对应RS码中的5bit码元。根据表3.5，5bit码元对应生成32bitCCSK码组。然后32位CCSK码与32位伪随机码按位异或，如图3.47所示，生成PN码加密消息。PN码由保密数据单元（SDU）存储的传输加密变量决定。

传输加密使信息呈现随机特性，对拦截者来说是随机的，抗截获能力增强。具有准确系统时间（同步）和正确传输加密变量的接收者能够探测信号并将信号解码为5bit数据。

通过前面的介绍可以看出，Link-16经过编码和加密处理后形成消息帧，每个32bit PN码表示5bit数据，即表示一个码元。