Principles of Speech Coding

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出版者:CRC Press
作者:Tokunbo Ogunfunmi
出品人:
页数:381
译者:
出版时间:2010-04-21
价格:USD 99.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9780849374289
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机
  • Programming
  • 语音编码
  • 信号处理
  • 通信
  • 数字信号处理
  • 信息论
  • 语音通信
  • 编码技术
  • 音频处理
  • 多媒体
  • 压缩算法
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具体描述

It is becoming increasingly apparent that all forms of communication-including voice-will be transmitted through packet-switched networks based on the Internet Protocol (IP). Therefore, the design of modern devices that rely on speech interfaces, such as cell phones and PDAs, requires a complete and up-to-date understanding of the basics of speech coding. Outlines key signal processing algorithms used to mitigate impairments to speech quality in VoIP networks Offering a detailed yet easily accessible introduction to the field, Principles of Speech Coding provides an in-depth examination of the underlying signal processing techniques used in speech coding. The authors present coding standards from various organizations, including the International Telecommunication Union (ITU). With a focus on applications such as Voice-over-IP telephony, this comprehensive text covers recent research findings on topics including: A general introduction to speech processing Digital signal processing concepts Sampling theory and related topics Principles of pulse code modulation (PCM) and adaptive differential pulse code modulation (ADPCM) standards Linear prediction (LP) and use of the linear predictive coding (LPC) model Vector quantization and its applications in speech coding Case studies of practical speech coders from ITU and others The Internet low-bit-rate coder (ILBC) Developed from the authors' combined teachings, this book also illustrates its contents by providing a real-time implementation of a speech coder on a digital signal processing chip. With its balance of theory and practical coverage, it is ideal for senior-level undergraduate and graduate students in electrical and computer engineering. It is also suitable for engineers and researchers designing or using speech coding systems in their work.

语音编码原理:面向未来的声音处理技术 本书核心聚焦于声音信号处理的基石——语音编码技术的前沿进展与深度剖析。 本书旨在为电子工程、通信工程、计算机科学以及声学领域的专业人士、研究人员和高级学生,提供一套全面、深入且具有高度实践指导意义的理论框架与应用指南。我们摒弃了对基础概念的冗余阐述,而是将重点放在当前语音编码领域最具挑战性、最具创新性的技术领域,特别是如何在高压缩比、低延迟和高保真度的三元约束下实现高效的数字语音表示。 --- 第一部分:现代语音编码的理论基石与架构演进 本部分将语音编码提升到信号建模与信息论的交叉学科高度进行审视。我们不再将语音视为简单的波形,而是将其视为一种复杂的、受生理限制的随机过程。 1. 人类发声机制的物理建模与数字映射: 深入探讨人声产生过程(Lungs-Vocal Cords-Vocal Tract)的物理模型。重点分析线性预测编码(LPC)在描述声道传递函数方面的局限性与改进方向。详细阐述了倒谱分析(Cepstral Analysis)在分离激励源(声门脉冲或噪声)与系统模型(声道共振峰)中的核心作用。本书强调了基于非线性动力系统的语音源-系统分离技术的最新发展,例如如何使用高斯混合模型(GMM)或隐马尔可夫模型(HMM)来更精确地捕捉不同音素的声学特征。 2. 信息论在语音压缩中的极限约束: 我们将基于香农-哈特利定理的原理,推导语音信号在特定失真度下的理论最小比特率。详细分析率失真理论(Rate-Distortion Theory)在优化语音编码器结构中的应用,特别是如何通过量化器设计(如均匀、非均匀量化,以及基于感知权重的量化)来最小化主观可闻失真(Audible Distortion)。深入讨论预加重(Pre-emphasis)和心理声学掩蔽效应(Psychoacoustic Masking)在提高感知编码效率中的数学基础。 3. 传统波形编码范式的回顾与超越: 虽然现代编码器多采用参数化或基于感知的方法,但本书仍对脉冲编码调制(PCM)、差分脉冲编码调制(DPCM)及其非线性变体(如$mu$-律和A-律Companding)的演进进行系统梳理。我们着重分析了这些方法的比特率瓶颈,并引入矢量量化(VQ)作为连接波形编码与基于模型的编码的关键桥梁,包括迭代代数矢量量化(i-LBC)和树搜索矢量量化(TSVQ)的设计准则。 --- 第二部分:参数化编码的核心技术:CELP家族的深度解析 该部分是本书的技术核心,聚焦于当代高质量、低比特率语音编码的基石——共振激励线性预测(CELP)及其所有变种。 4. 标准CELP编码器的结构与优化: 详细解析CELP编码器的四个核心模块:分析滤波(LPC计算)、激励源编码(Codebook Search)、量化与比特分配。特别关注代数代码本书搜索(Algebraic Codebook Search),例如复用脉冲代数代码本书(MP-ACELP)的设计原理,如何通过有限个脉冲的稀疏表示实现高效的激励建模。分析闭环与开环搜索在优化感知质量中的平衡策略。 5. 宽带语音编码(WB/SWB)的挑战与解决方案: 随着通信带宽的提升,对7kHz或14kHz语音带宽的需求日益增加。本书深入探讨了宽带CELP(WB-CELP)与超宽带(Super Wideband, SWB)编码面临的挑战,特别是高频部分的激励建模复杂性。重点介绍双层编码结构(Two-layer structure),如何分别处理低频基带和高频扩展带的信号特性。探讨神经激发模型(Neural Excitation Models)在模拟复杂高频噪声结构方面的潜力。 6. 混合激励线性预测(MELP)与感知优化: 对比CELP和MELP(Mixed Excitation Linear Prediction),解析MELP如何通过引入周期性、非周期性噪声以及声门脉冲源的混合来更灵活地建模语音信号。着重分析感知加权滤波(Perceptual Weighting Filter)的设计,如何根据人耳听觉阈值动态调整量化误差的分布,从而在固定比特率下实现更高的MOS(平均意见得分)。 --- 第三部分:面向未来的感知与学习驱动编码 本书的第三部分聚焦于当前正在突破传统参数化限制的最新研究方向,特别是结合了深度学习技术的语音处理前沿。 7. 低延迟编码与实时性约束: 在VoIP、5G/6G通信中,端到端延迟是决定用户体验的关键因素。本书分析了延迟与编码复杂度之间的关系。详细介绍如何通过重叠加窗(Overlapping Windows)技术、帧内预测(Intra-frame prediction)和后向/前向补偿(Look-ahead/Look-back buffering)机制来管理和最小化编码延迟,同时保持语音质量。探讨卷积预测在减少编码冗余方面的应用。 8. 基于学习的语音合成与编码(Neural Speech Coding): 这是本书最具前瞻性的章节。我们深入探讨生成式模型(Generative Models),如变分自编码器(VAE)和生成对抗网络(GAN)在语音表示中的应用。重点分析如何训练一个编码器网络将语音信号压缩到一个低维的“潜在空间”(Latent Space),以及如何使用一个解码器网络(如WaveNet或HiFi-GAN衍生物)从该潜在表示中重建出高质量、高自然度的语音波形。讨论这种方法的可解释性挑战和计算效率的权衡。 9. 多模态与鲁棒性增强: 现代通信环境充满了背景噪声、混响和信道衰落。本书分析了语音编码器对噪声的鲁棒性,并介绍前置降噪(Pre-noise reduction)与编码器内置噪声抑制(In-band Noise Suppression)技术的集成策略。此外,讨论了多说话人环境下的语音分离与编码,以及如何将说话人身份信息(Speaker Embedding)整合到编码比特流中,以实现个性化解码(Speaker Adaptation)。 --- 结论与展望: 本书的最终目标是为读者构建一个坚实的知识体系,使读者不仅能理解现有标准的原理(如EVS、AMR-WB),还能掌握设计和评估下一代超低比特率、高感知质量语音编码系统的必要工具和思维模型。我们强调,未来的语音编码将是感知驱动、计算密集且高度依赖于生物学启发的模型的融合体。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的语言风格,用一个词来形容就是“雕琢”,它避免了过度口语化,保持了一种学术上的距离感,但这并不意味着它难以亲近。相反,正是这种精确到位的措辞,使得概念的边界被清晰地界定。例如,在区分信息熵与信源冗余度时,作者选择的词汇和例证非常精准,有效地防止了初学者将两者混为一谈。我尤其欣赏它在介绍新技术前,总会先回顾经典方法的局限性,这形成了一种很好的“问题驱动式”的学习体验。比如,在引入基于隐马尔可夫模型(HMM)的语音合成的早期章节中,作者先详细分析了传统基元拼接的缺陷,如“黏合感”和“音质突变”,然后才引出HMM在状态转移和模型训练上的优势。这种循序渐进的构建方式,不仅让读者理解了新技术的优越性,也深切体会到技术迭代背后的驱动力——总是为了克服前一代方法的固有缺陷。这本书不仅是一本技术手册,更是一部关于技术演进史的微观缩影。

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我阅读其他相关专业书籍时,常常会遇到一些关键算法的描述过于跳跃,中间的推导过程被省略,需要读者自行去填补大量中间步骤。然而,这本书在这方面做得尤为出色,它似乎预料到了读者可能在哪里卡住。我记得在研读多速率语音编码(如变速率CELP的速率切换机制)时,那些涉及到时间尺度变换和低通滤波器的处理,如果只是看看定义,很容易混淆。但作者通过非常精细的数学推导,清晰地展示了不同采样率之间信号频谱的对齐和重构过程,每一步的转换因子都给出了明确的解释。这种对细节的执着,使得本书的参考价值极高,完全可以作为独立工作的参考手册。它不是那种读完一遍就可以束之高阁的入门读物,而是那种需要反复翻阅、在实际遇到难题时能够提供即时解决方案的“工具箱”。对于那些从事底层DSP实现或需要进行算法优化的工程师来说,这种详尽的数学支撑是不可或缺的深度保障。

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这本书的结构安排,简直是教科书级别的范例,体现了编撰者极高的教学智慧。它并不是简单地堆砌技术名词和公式,而是遵循着一条由易到难、由宏观到微观的清晰脉络。开头部分对人类听觉系统和语音产生机制的简要概述,虽然篇幅不大,却为后续所有的量化和感知编码决策提供了必要的生物学背景支撑。随后,它系统地介绍了脉冲编码调制(PCM)及其改进形式,这些是理解后续复杂编码方法的基石。令我印象深刻的是,作者在介绍变速率编码时,采用了大量的对比分析,将不同的码控策略(如帧间预测与帧内量化差异)放在一起进行性能对比,这种并列比较的方式极大地提高了读者的理解效率,避免了陷入单一技术路径的思维定式。我个人认为,这本书的价值不仅仅在于传授知识,更在于培养读者一种系统的、对比性的技术评估视角,教我们如何在一个多目标优化问题中找到最佳的工程权衡点。读完这本书,你不会只知道“怎么做”,更会明白“为什么这样做比那样做更优”。

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这本书的封面设计,那种深沉的蓝色调配上烫金的书名,一眼看去就透着一股严谨和专业的气息,让人立刻感受到它并非泛泛之作。我当初买下它,主要是因为它在业内被誉为是该领域的基础性教材之一。翻开扉页,首先映入眼帘的是作者对数字信号处理和信息论的深刻洞察,文字行文间那种对理论的掌控力,简直让人肃然起敬。它对语音信号采集、量化、压缩等核心概念的阐述,逻辑清晰得像是一条精心铺设的轨道,引导读者从最基础的物理声学现象逐步深入到复杂的编码算法的数学模型。尤其是关于线性预测编码(LPC)部分的讲解,作者不仅详细推导了自相关函数和谱估计的联系,还巧妙地用图表直观地展示了预测残差的特性,这一点对于初学者来说,无疑是巨大的福音。我记得有一次我在处理一个低比特率语音传输的项目时遇到了瓶颈,就是通过回溯这本书中关于判决反馈编码器(DFE)的章节,才找到了优化残差量化策略的关键思路。这本书的价值,就在于它能够将那些晦涩难懂的公式,转化为可以实际应用的工程语言,这才是真正的高水平学术著作所具备的特质。

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拿起这本书时,我最大的感受是它的“厚重感”,不是说它纸张多厚,而是内容密度极高,每一页都像是经过了无数次打磨和提炼的结晶。它的叙述风格非常克制和严谨,几乎没有多余的修饰性语言,直奔主题,仿佛一位经验丰富的老教授在面对面授课,每一个知识点都掷地有声,不留任何模糊地带。例如,在讨论特定波形编码(如CELP)的代数结构时,作者并未满足于给出最终的公式,而是花费了大量的篇幅去解释为何选择特定的码本结构,以及这种结构如何有效地平衡了编码复杂度与主观听感质量之间的矛盾。这种对“为什么”的深入挖掘,远超一般教科书的范畴。我特别欣赏它在跨章节知识点之间的连接处理,总能看到前面对某个数学工具的铺垫,在后面对某个实际编码器性能分析时得到了完美的印证,构建了一个非常坚固的知识体系框架。对于那些希望从理论根源上彻底理解语音编码技术的人来说,这本书无疑是一座灯塔,指引着我们穿越信息论的迷雾,抵达算法设计的核心领域。

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