【通信行业标准(YD)】 32Kbit/s自适应差分脉冲编码调制

中华人民共和国通信行业标准
32kbit/s自适应差分脉冲编码调制本标准等效采用国际电报电话咨询委员会(CCITT)建议G.721。1主题内容与适用范围
YD/T 697—93
本标准规定了用于64kbit/sA律PCM信道与32kbit/sADPCM信道之间相互转换的自适应差分脉冲编码调制（ADPCM)算法，说明了ADPCM编解码算法的原理，规定了算法的计算细则，给出了相应的数字测试序列。
本标准适用于公用网中使用，专用网中使用的32kbit/sADPCM也应参照采用本标准。2引用标准
GB7610音频脉冲编码调制特性
332kbit/s ADPCM
3. 1 PCM/ADPM 编码转换
利用32kbit/sADPCM算法实现64kbit/sA律PCM信道与32kbit/sADPCM信道之阅的相互转换（称为编码转换）。音频信号与PCM编码/解码律之间的关系完全按照GB7610的规定。ADPCM编码器和解码器的简化方框图见图1(a）和(b）)。注：编码器和解码器的每个子方框都利用了一个特定的遵辑顺序精确地于以了规定。如果采用别的计算方法，必须特别注意，一定要保证所得到的输出处理变量的值与本标准规定的计算方法所产生的输出变量的值完全一样。任何偏离所规定的计算方法的编码器和解码器的互连将引起性能劣化，雨且这种劣化可能是严重的。3.1.1ADPCM编码器
在把A律PCM输入信号变换为均匀PCM之后，从输入信号中减去输入信号的估值，得到差值信号。利用自适应15电平量化器把差值信号的值转化成四位二进制数字以便传输到解码器。逆量化器也利用这四位二进制数字产生量化差值信号，把信号估值加到量化差值信号上，得到输入信号的重建信号，重建信号和量化差值信号都经由自适应预测器加以处理，产生输入信号的估值，从而完成反馈环路。中华人民共和国邮电部1994-03-26批准1994-09-01实施
64 kbit/s
PCM输入
变换到均匀PCM
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编入信号
差值信号
信号估值
自适应
预测器
自适应量化器
重建信号
量化差值信号
图1（a）ADPCM编码器简化方框图3.1.2ADPCM解码器
32kbit/s
逆自适应
量化器
解码器由与编码器反馈部分相同的部件，以及均匀PCM到A律PCM变换和同步编码调整等部分组成。同步编码调整在一定条件下（见3.3.7)能防止同步级联编码（如ADPCM-PCM-ADPCM等数字连接）时发生累积失真。同步编码调整是这样实现的：调整ADPCM译码器的PCM输出码语，使在下个ADPCM编码级中不产生累积量化失真。量化差值+
32kbit/s
避自适应
量化器
重建信号
信号估值
自适应
预测器
变换到A律
图1(b)
ADPCM解码器简化方框图
3.2ADPCM编码器原理
同步编
码调整
64kbit/s
A律PCM
图2是编码器的方框图。对于所述的每一个变量，是抽样时序号，每隔125us取一个样。下面从3.2.1到3.2.8给出每个方框的基本说明。3.2.1输入PCM格式变换
这个方框把输入信号s(）从A律PCM变换成均匀PCM信号si(）。3.2.2差值信号计算
这个方框由均匀PCM信号sr()和信号估值s()算出差值信号d(h），按式(1)计算：d(h) =si()—s.(k)
3.2.3自适应量化器
YD/T 697—93
用15电平非均勾自适应量化器来量化差值信号d（）。量化前，先将d（）化成以2为底的对数表示形式，并用)来定标，()是由定标因子自适应方框计算出来的。表1给出量化器的归-一化的输入/输出特性（无限精度值）。用四位二进制数字来表示代表d（）的量化电平（幅值用三位，符号用一位）。4比特量化器输出I（）形成32kbit/s输出信号，这个信号也送给逆自适应量化器、自适应速度控制和量化器定标因子自适应方框。
32kbit/s
ADPCM丝出
输入PCM
格式变换
差值信
号计算
自适应
量化器
量化器定标
因于自适应
邀自适应
量化器
自适应速
度控制
图2编码器方框图
表1量化器归一化输入/输出特性归一化量化器输入范
log2 ld(k) / -y(h)
(3. 12,+)
(2.72,3. 12)
(2. 34,2. 72)
(1.91,2.34)
(1.38,1. 91)
(0. 62,1.38)
(—0. 98,0. 62)
( 8,-0. 98)
3.2.4逆自适应量化器
r（）
ta(）
重变信
号计算
8（左）
自适应
预谢器
单畜及
联变检
归一化量化器输出
logz (dg() / - y(k)
从表1给出的归一化量化特性中查出具体数值，用（)对它定标，再将此结果从对数域还原，就得出差信号的量化形式d()。
3.2.5量化器定标因子的自适应
这个方框计算量化器和逆量化器的定标因子（）。其输入是4比特量化器的输出I（K）和自适应141
速度控制参数a()。
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量化器定标所用的基本原理是双模式自适应：快速一一用于如话音等信号，这类信号产生波动大的差值信号；慢速一用于如话带数据、单音等信号，这类信号产生波动小的差值信号。自适应的速度受快速和慢速定标因子的组合所控制。快速（非锁定)定标因子%（)是由总的对数定标因子y（)在以2为底的对数域中递推算出，如式(2)所示：
yu()=(1—2-5)y()+2-5[()]
式中，（h）的取值限于1.06≤y（）≤10.00。离散函数(I)按下表规定（无限精度值）：()
（2）
因子（1一2-5)把有限的存储引入自适应过程，以使发生传输误码后编码器和解码器的状态能够收敛。慢速(锁定)定标因子(）由%()通过低通滤波器处理后得出，按式(3)计算：y()=(1—2-6)(h—1)+2-6()
然后，把快速和慢速定标因子合并而成为总的定标因子，按式（4)计算：y()a(h)y(k-1)+[1-a()ly(k-1)
式中：0a()≤1
3.2.6自适应速度控制
(见3.2.6）
控制参数4()能具有范围[0,1]内的各种数值，对于话音信号它趋向1,对于话带数据信号和单音它趋于零。它是由差值信号的变化率的度量导出来的。I(k)平均幅度的两种度量值由式(5)、式(6)算出：dm(K)=(1—2-5)dm.(—1)+2-5F[I(k)] --dm()=(1-2-7)dml(k-1)+2-1F[I()]式中,F[I(k)按下表规定：
F[I(k)]
因此，dm（)是F[I()]的相对短时平均,而dm()是F[I()的相对长期平均。利用这两个平均，定义变量αp()如式(7)：((1—2-4)ap(k—1)+2-3,当 ldm(h)—d() /≥(2-3)dm(k)(1—2-4)a(—1)+2-3,当 y()3
ap(h)(1—2-*)a,(—1)+2-3,当 ta()11
[(1--2-4)a(k—1),
当 t,() --l
其余情况
因而，如果d()和d()之间的差大(I()的平均幅度有变化）时，ap()的值趋于2，当二者之差小（I(）的平均幅度相对不变）时，α（）的值趋于0。对于空闲信道（由(）<3表征），或部分频带信号（用ta（）一1表征，见3.2.8），a（）也趋于2。当检测到部分频带信号跃变（用t（）=1表征，见3.2.8）时,a()=l。
对ap(k--1)进行限幅，得到在上述(4)式中用的a(）,如式(8)所示：a(k)=
当 ap(-1)>1
a,(k-1),当a,(k1)≤1
取这种非对称的限幅能产生一种延迟效应，在I（)的绝对值维持不变一定时间后才开始从快速到142
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慢速状态的过渡。这样做有助于消除在诸如开关载波话带数据等突发式输入信号情况下发生过早的过渡。
3.2.7自适应预测器和重建信号计算器自适应预测器的主要功能是由量化差值信号d。（）算出信号估值s。（n）。采用了两种自适应预测器结构：一个六阶节，作为输入信号中零点的模型；一个二阶节，作为输人信号中极点的模型。这种双重结构对可能遇到的各种输人信号都能有效地适应。信号估值按式（9)计算：
式中：
而重建信号定义为：
a;(h—1)s,(h—i)+ser()
Ser(k) =
Zb(k—1)d,(k—i)
sr(h--i)=se(k—i)+d.(k-i)
采用简化梯度算法修改两组预测器系数：对于二阶预测器，按式（10）式（11)计算：ai()=(1-2-B)ar (k-1)+(3. 2-)sgn[p()]sgn[p(k-1))a2(k)-(1 --2-1)a2(k—1)+2-7(sgn[p(k)]sgn[p(—2)) f[ai(k--1)]sgnLp()]sgn[p(k—1)) ...式中:p(k)=d,()+se();
(ar/≤1/2.
(2sgn(ai)[ai/>1/2,
仅当 p(一)=0 和 i=0 时,sgnL(—)]=0。其他情况下,sgn[o]1。其稳定性约束条件为：
laz()/≤0. 75 和la,()|≤1—2-4—a2()如果 tt()=1(见 3. 2. 8),则 a ()=az()=0。对于六阶预测器，按式(12)计算：.b:(k)=(12-8)b:(k1)+2-sgn[d,(k)]sgn[d,(k—i)]i-1,2.6.
如果 t,()=1(见 3. 2. 8),则 b,()=b,() =- =b (k)=0。仅当d。(k—i)=0和i=0时,sgn[d。(k-i)]=0,其他情况下,sgn[o]1,b;(k)隐含地限制于±23.2.8单音及跃变检测器
：（10）
·(11)
为了改善对工作于字符模式的FSK调制解调器信号时的传输性能，采用了二步检测过程。首先，检测是否存在部分频带信号（例如单音），以便驱使量化器进入快速自适应模式，按式（13）计算：ta(k)=
az(k)<-0. 71875
其他情况
然后再确定部分频带信号是否发生跃变，以便置预测器系数为0和强制量化器进入快速自适应模式，按式（(14)计算：
t(k)兰
3.3ADPCM解码器原理
[1a2(k)<—0. 71875 和 1d,(k)/≥24 · 2r(4)(o,其他情况
图3是解码器的方框图。下面从3.3.1到3.3.7叙述每个方框的功能。(14)
32kbit/s
逆自适应
量化器
量化器定标因子自适应
3.3.1逆自适应量化器
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重难信号
计算器
自适应
预测器
自适应速
度控制
图3解码器方框图
这个方框的功能已在3.2.4说明。3.3.2量化器定标因子自适应
这个方框的功能已在3.2.5说明。3.3.3自适应速度控制
这个方框的功能已在3.2.6说明。3.3.4自适应预测器和重建信号计算器这个方框的功能已在3.2.7说明。3.3.5单音及跃变检测器
这个方框的功能已在3.2.8说明。3.3.6输出PCM格式变换
输出PCM
格式变换
ta(）
这个方框把重建的均匀PCM信号s（k）变换成A律PCM信号sp（）。3.3.7同步编码调整
同步编
码调整
单音及默
变检测器
64kbit/s
在（I）32kbit/sADPCM和中间的64kbit/sPCM信号的传输没有误码，以及（Ⅱ）32kbit/sADPCM和中间的64kbit/sPCM比特流没有受到数字信号处理设备扰乱的情况下，同步编码调整防止同步级联编码（ADPCM-PCM-ADPCM等数字连接）时产生累积失真。如果编码器和解码器的初始状态不同，例如开启电源或电路接续后可能会出现这种情魂，则建立同步级联的特性需要一定时间。另外，如果一开始这个特性就被搞乱了或没有得到，则对于那些有足够电平，其频谱占300~3400Hz大部分频带的信号（例如：话音、4800kbit/s话带数据），这种特性可以恢复。当解码器同步连接到编码器时，同步编码调整方框可以估计编码器的量化。如果解码器和编码器的144
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所有状态变量都具有相同的值，传输又没有误码，则对于所有值，使两个4·比特量化器输出序列强制等效保证了失真的不累积特性。实现这一点的办法是：先把A律信号sp（k）变换成均匀PCM信号Si（k），然后按式（15）算出差值信号d(k)：
di(k) sir(k) s.(k) .
再将差值信号d.()和由I(r）与Y(k)确定的ADPCM量化器判决区间相比较。最后，按式（16)得到信号ss（）：(sp+(k),
sa(h) =[sp(k)，
式中：Sa）——解码器的输出 PCM码语；d(k)<区间的下边界
d()≥区间的上边界
其余情况
sp(k)一一代表紧邻的更加正那个PCM输出电平的PCM码字(当 sp()代表最正的输出电平时，则sp+()就取 sp()之值);
sp-（）一代表紧邻的更加负那个PCM输出电平的PCM码字（当sp(）代表最负的输出电平时，则 sp=(k)就取sp()之值）。
3.4计算细则
3.4.1和3.4.2给出编码器和解码器每个单元的计算细则。编码器和解码器的正确定时可以用如下方法得到：使所有的延迟单元同时执行时延，接着计算需要利用延迟信息才能导出的那些信号。例如，利用延迟值计算图9中的SE，然后再把SE用于图4中的计算。
本标准的附件A（补充件）所述的数字测试序列可以用来以相当好的置信度验证所实现的算法是否符合规定。这些序列用编码器PCM输入码字、ADPCM码字和解码器输出PCM码字给出。3.4.1输入和输出信号
表2定义了编码器和解码器的输入和输出信号。表2编码器和解码器的输入和输出信号编码器
R(选用)
R(选用）
比特数
比特数
PCM 输入码字
复位信号
ADPCM码字
ADPCM码字
复位信号
解码器 PCM 输出码字
可选用的信号R表示复位功能。复位时，把所有内部存储单元置为规定的状态，以便能够迫使编码器或解码器进入已知状态，供需要直接复位功能时使用（例如，数字电路倍增设备（DCME）必须有复位功能，此时，R不是选用，而是必须）。3.4.2变量的说明和子方框的详细算法规定本条包含在3.2和3.3中叙述的图2和图3中所有方框的详细说明。在图4到图11中，利用表3145
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规定的内部处理变量用图解方式予以说明；给出了这些图中每个方框的简要功能说明和完整的算法规定。
在子方框说明中采用的符号如下：>n表示n比特右移操作(在最低有效位(LSB)方向填零），&表示逻辑“与”操作，
十表示算术加，
表示算术减，
表示算术乘，
**表示逻辑“异或”操作，
对公式的说明。
内部处理变量
A1P,A2P
A1R,A2R
B1,*,B6
B1P,,B6P
B1R,,B6R
DQ1.....DQ6
二进制表示
S,0,., -14
S,0,**, -14
S.0,***,--14
S,0,..,14
S,0,..--14
0,**,6
1,*.,—8
—14
S,0,...,-14
S,14,*.,0
S,3,***,-7
2,,-11
2,*,—11
S.13,**,0
S,4e6m
S,4e,6m
复位值
延迟的二阶预测器系数
二阶预测器系数
触发的二阶预测器系数
未限值的a1 系数
未限值的 az 系数
限值的速度控制参数
延迟的未限值的速度控制参数
未限值的速度控制参数
触发的未限值的速度控制参数
速度控制参数的校正项的系数
延迟的六阶预测器系数
六阶预测器系数
触发的六阶预测器系数
差值信号，只用在编码器
log：（差值信号），只用在编码器logz（归一化差值），只用在编码器log2（归一化差值），只用在解码器log2（差值信号），只用在解码器延迟的 F(I)序列长期平均
F(I)序列长期平均
延退的 F(I)序列短时平均
F(I)序列短时平均
量化差值信号
时延为0的量化差值信号
时延为1到6的量化差值信号
PK1,PK2
SR1,SR2
WA1,WA2
WB1,**\,WB6
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续表3
二进制表示
S,3,*,-7
S.3,..,-7
S,14,,0
S,13,**,0
S,13,..,0
S,12,**,0
S,12,*,0
S,14,**,0
S,4e,6m
S,4e,6m
S,13,..,-1
S,13,,-1
S,6,.*,-4
3,*,-15
复位值
log2（量化差值信号）
logz（归一化量化差值信号）
量化差值信号的符号比特
差信号的符号比特，只用在编码器差信号的符号比特，只用在解码器差值信号，只用在解码器
F(I)的输出
时延为0的 DQ+SEz的符号
时延为1到2的DQ+SEZ的符号
信号估值
六阶预测器的部分信号估值
sgnLp(元)]标志
线性输入信号，只用在编码器
量化重建信号，只用在解码器
PCM 重建信号，只用在解码器
重建信号
时延为 0的重建信号
时延为 1 到 2 的重建信号
延迟的单音检测
单音检测
触发的单音检测
跃变检测
六阶预测器系数校正项的符号比特信号估值的部分积
信号估值的部分积
量化器乘数
量化器定标因子
延迟的量化器慢速定标因子
量化器慢速定标因子
延迟的量化器快速定标因子
量化器快速定标因子
未限值的量化器快速定标因子
注：①TC表示2的补码数,SM表示符号幅值数，FL表示浮点数；e表示指数比特，m表示尾数比特，S表示符号比特。②复位值指复位时延迟子方框的输出值。3.4.2.1输入PCM格式变换和差值信号计算147
输入：S(解码器中为 SP)，
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图4输入PCM格式变换和差值信号计算扩展
输出：SL(解码器中为 SLX)，
功能：把A律PCM变换为均匀PCM。(EXPAND)
利用GB7610的表1中给出的字符信号和解码器输出值之间的对应关系对PCM码字解码。解码器输出值(SS)必须用13比特符号幅值数表示（负值的符号比特为1)。注：S(和 SP)包括偶数比特反转。sSS=ss > 12
SSM=SS & 4095
SSQ=SSM
(16384—SSQ)&16383，
输入：SL(解码器中为SLX)，SE：输出：D(解码器中为DX)：
减 A(SUBTA)
功能，从输入信号（解码器中为量化重建信号）减去信号估值算出差值信号。SLS-SL>>13
(49152+SL,SLS-1
SES=SE>>14
32768+SE,SES=1
D=(SLI+65536-SEI)&
把符号幅值码
变成2的补码
符号扩展
符号扩展
自适应量化器
3. 4. 2. 2
输入：D(解码器中为DX)
取对数
YD/T697—93bzxz.net
自适应量化器
取对数(LOG)
输出：DL（解码器中为DLX），DS（解码器中为DSX）功能：将差值信号从线性域变到对数域。DS=D>>15
(65536—D)&32767，
14,16384≤DQM
13,8192≤DQM≤16383
2≤DQM≤3
0≤DQM≤1
MANT=((DQM<<7)>>EXP)&127
DL=(EXP<<7)+MANT
量化（QUAN)（只用在编码器）
输入：DLN，DS
把D从2的补码
变成符号幅值码
计算指数
计算近似值：
logz(1+x)=x
7个尾数比特和4个指数
比特组合成11比特码字
输出：1：
功能：在对数域量化差值信号。YD/T 697--93
量化器的判决电平和4比特输出如下表DS
400～2047
349399
300348
246-299
178~245
80~177
0～79
3972~4095
2048~3971
2048~3971
39724095
0～79
80~177
178~245
246~299
300~348
349~399
400～2047
注的值从比特1开婚发送。
输入：DL(解码器中为DLX),Y；
输出：DLN（解码器中为DLNX），1
减 B(SUBTB)
功能：从对数形式的差值信号中减去定标因子，实现定标。DLN=(DL+4096-(Y>>2))&4095
3.4.2.3逆自适应量化器
Ⅱ区间正的部分
区间负的部分
耳区间负的部分
Ⅱ区间正的部分
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