（信号与信息处理专业论文）g7231用于中波数字广播的改进.pdf

俩埋 摘要 g 7 2 3 1 用 ：中波数字广播的改进 g7 2 31 标准是i 丁u t 近年提f 的坝速率( 53 63 k b p s ) 沿音编码方案，优点是码率较低，1 f 常适合于 多媒体通信中的语音编码传输，且能获得较高质量的重建语音，因此成为数字调幅广橘系统的信源编码 方案之一。标准规定其输入信号必须是8 k h 7 采样，】6 b j l 线性美化的p c m 声音文件，使该算法实际上 只针对电话带宽03 34 k h z ，频率范围只有3 k h z 左右。 然而，只有近3 k h z 的语音带宽范阳太窄，使得解码语音有沉闷感，为此本文提出一种只需要在解码端改 进的带宽扩展方法。该方法基于语音生成模型，分或普包络扩展和激励信号扩展两部分。 谱包络扩展利用e m m ( 扩展矩阵映射) 方法，也就是利用一个预先计算出的矩阵m ，表征窄带和宽带线 谱对参数的对应关系。激励信号扩展则根据谱的平坦性特点，利用一种非线性方法对其进行带宽扩展。最 后：舟扩展后的激励信号，通过合成滤波器得到宽带信号。利用m a i j a b 仿真，比较了原始宽带信号、扩展 的宽带信号之问的频谱，对男声和女声分别进行了实验。结果表明，该带宽扩展系统能够扩展高频带 分量，对窄带语音编码信号的主观听觉质量有了一定的提升。 最后，结合对原编解码器算法的分析，给出了该算法在硬件实现方面的考虑。 关键词：g 7 2 31 、a c e l p 、m p m l q 、语音产生模型、l s f 参数、e m m 、带宽扩展 a b s t r a c t i m p r o v e m e ta da p p l i c a t i o o fg 7 2 3 1i nd i g i t a la mb l o a d c a s t i n g 1 t u tr e c o m m e n d a t 】o ng7 2 3 】j sad u a lr a t es p e e c l lc o d e rf o jm u l i i m e d j ac o m m u n j c a t i o n st r a n s l n j n i n g a t53a n d63 k b i t s i tw a sc h o s e na sas 0 l l r c ec o d i n gs c h e m ef o rd i g i t a la mb r o a d c a s t j n gs y s t e m ，b e c a u s ej t g j v e sg o o dq u a h t yw h l l ec o m p r c s s i n gt h ea ud j os l g n a lt oav e r y1 0 wb i t r a t cb u tt h i sc o d e rj sd e s i g n e dt o o p e r a t ead j g 酬s j g n a 】o b t a i n e db yn r s t 如l t e n n gt h ea n a l o g u ei n p u tw i t h j nt h et e l e p h o n eb a n d w i d t h ，t 1 1 e n s 帅p l i n g a i8 0 0 0h za n dc 。n v e 九j n ge a c hs a m p l et oa16 - b i t i i n e a rp c mv e r s i o nt ot h ei ”p u to f t h ee n c o d e lt h e 0 u t p u to n h ed e c o d e rs h o u l db ec o n v e r t e db a c kt oa n a l o g o u sa ud i ob ys i m j 】a rm e a n ss ot h ef r e q u e n c yr a n g e t c a no p e r a t ei si i m i i e dt o03 34k h z ，o n l yc o n t a i n i “ga b o u t3k h zj ni t sb a n dw j d 【h h o w e v e lt h e s ef r e q u e n c y1 j m i t e da u d i o ss o u n d ”m u 棚e d ”a f f e rd e c o d i n g s oam e t h o dw h i c he x t e n d st h e b a n d w i d t hb yj m p r 0 v i n gi h ed e c o d e ro n l ya ti h er e c e i v e ri sp r o p o s c d b a s e do nt h es p e e c hp o d u c “o nm o d e l t h em e t h o dc a nb ed i v i d e di n t ot w ot a s k s i t h ee x t e n s i o no ft h es p e c t r ae n v e l o p eo ft h es p e e c hs j g n a l a n dt h e c x t e n s j o no fi t se x c j t a t j o ns i g n a am e 血o dc a 】e de x 【e n s j o nm a i xm 8 p p j n g ( e m m ) i su s c df o rs p e c t a le n v e 】o p ee x t e n s i o n a n d 【h e e x c i t a t i o ns j g n a le x t e n s i o ni sp e r f o n n e db yu s i n gan o n 一1 1 n e a rm e t h o dd u et oi t ss p e c t r a ln a t n e s s f i n a l ly t h e e s t 沛a t e dw i d e b a n de x c i i a t i o ns j g n a lj sr e di n t ot h ea j j _ p oj es y n t h e s j sn n e li nt h j sw a yc r e a i i n gi h ee n h a n c e d o u t p u ts p e e c hs j g n a la 1 1 dt h e nc o m p a r i n gt h e 计s p e c t r a a tt h ee n do 九h i st h c s 疃w cd i s c u s st h eh a r d w a er e a l i z a t i o no f t h eg 7 2 3 1c o d e cb a s e do ni t sa l g or i t h m a n a l ys i s k e y w o r d s ：g7 2 3 1 a c e l pm p m l q ，s p e e c hp r o d u c “o nm o d e j l sf ，e m m ，b a l l d w j d l he x t e n s j o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料n 与我一同： 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名：蓬放日期：亿圭! 主! 乡f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公伟( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：季邀导师签遴日靴乜! 丛 1 1 数字调幅广播系统 第一章绪论 随着数字技术的发展，传统的模拟调幅( a m ) r 摇必然要被数字方式取代。我国疆域辽阔，中短波 电台大范围覆盖尤为藿要，因此中短波模拟a m 广播电台，在未来十年内都要面临数字化改造的问题。 音频、视频数字化的发展，传媒手段的多样化和1 9 9 0 年代开始的全球数字化浪潮，使许多j “摇机构 也认识到，调幅r 播也必须数字化才能适应竞争口益激烈的传媒环境，并纷纷开始了数字调幅广播的试验。 声音广播的数字化先从数字音频广播( d a b ) 开始，在两欧得到了一定的发展，但至今d a b 接收机仍太贵， 还需要调整使用频段与建设新的发射台网，因此在其它地区推1 肯一定难度。a m 广播由于发展时问最久， 全球标准统一，在任何地方购买的收音机在全球各地都能使川，接收工具简单，而且可以方便地进行室内、 外的便携接收与车、船中的移动接收，因此至今仍是世界上使用最f 、泛的广播媒体。然而，a m 广播的发 射却仍停留在传统的模拟信号的水平上。众所周知，采用模拟技术播出的a m 广播有许多难以克服的缺点， 比如声音质量差，信号容易衰落等。凋频广播音质很好，阻传辅距离较近，可以接收到的节目套数自然非 常有限。因此，中短波a m 广播的数字化问题逐渐成为各国广橘电视技术研究中的一个重要课题。 1 9 9 6 年9 月，国际上一些大广播机构和设备制造商在巴黎举行了一次会议，其中包括r f i 、n ) f 、 d w 、v o a 及t h o m c a s t 等公司的代表。与会者产生了一个共识：如果不做根本性的发展，3 0 m h z 以下 的调幅广播传输已经没什么前途了。据此，在同年1 】月召开了次大规模的会议。许多相关团体与会， 包括广播机构、网络运营商、学院、研究中心、发射机和接收机制造商，及致力于数字调幅技术发展的组 织。会议决定成市专家组，来定义个称作d 晒t a ir ad j om o n d ；a l e ( 即d r m ) 的正式组织。此组织由广播机 构、通信系统开发机构和电子产品制造商组成它的任务是：( 1 ) 定义一个数字调幅系统，使之成为一种 单一性、测试性、非私有性、发展的世界标准，由市场g e 动，消费者导向：f 2 ) 促进数字调幅( d a m ) 技 术在全球范围的推广。1 9 9 7 年在德国柏林召开的国际无线电展览会上，法国、德国和美国分别提出并展 示了各自的d a m 广播实验系统，即天波( s k y w a v e ) 2 0 0 0 、t 2 m 和v o a j p l b 。1 9 9 8 年3 月世界上 最重要的2 0 个与广播有关的组织在中国广州签署了数字调幅j 播谅解备忘录，自此d r m 在国际广播领 域拥有了正式的地位。1 9 9 9 年3 月，d r m 对法国天波2 0 0 0 和德国的1 。m 两大系统进行了测试和评估， 融合两种方案后在1 9 9 9 年底向l t u 提交草案，采用了法国的o f d m + 0 a m 而不是德国的s c m + a p s k ， 而1 t u 则于2 0 0 1 年4 月正式通过了d r m 提交的草案。2 0 0 1 年2 月4 目，】1 1 u 通过了1 t u r b s l3 4 8 1 建议即“3 0 m h z 以下数字声音r 播的业务需求”【1 】，同年e t s l ( 欧洲电信标准协会) 公布了d r m 系统规 范。d r m 是当前唯一能够同时服务于 、中、短波频段的数字广播系统。2 0 0 3 年1 月3 0 曰，国际r 巳工 委员会( 1 e c ) 表决通过了d r m 标准【2 】，随厉d r m 在2 0 0 3 年6 月1 6 日开始正式广播。虽然标准才正 式确定，但d r m 收音机的价格已经扶2 3 年的约1 0 0 0 瞅元降蜘了2 0 。4 年底的约3 美元。d r m 绍织 的研究认为：数字a m 广播( d a m ) 保持在与模拟a m 广橘相同的带宽。我国广电总局无线扁与法国 t h a l e s 公司利期基于d r m 标准的d a m 广插发射机和接收机在我国海南与北京之间进行的系统实验 渍示已取得成功。国家广l b 总局已决芷“i ：进音频广播的数字化进撑。研发3 0 m h z 阱f 调幢波段的数字声 音j j 播技术掌握1 ) a m 广播关键技术并进行系统的实际研究，将为我国d a mr 橘产业及其标准制定打 f 坚宴的技术基础，将推动戏吲声音广播产业披术升级。 d r m 数字a mj j 播具有良好音质( 达到f m 或接近c d 水平) 并i 提高频谱利h 4 率，降低发射机功 率，必将取代模拟中短波a m 广播。主要特点为： ( 1 ) 为吸引听众，d r m 使用的声音数字处理技术，叮以使短波_ r 播的声音质量达到调频音质。 ( 2 ) 为更好地服务听众，在传送广播节目的同时，还可携带附加的信息服务，扩展了服务内容。 ( 3 ) 为方便听众，接收机采用自适应接收，无需手动调喈接收机找台。 ( 4 ) 由于是数字信号传输，可避免电离层衰落和多径传播造成的干扰，确保接收的可靠性。 ( 5 ) 由于数字信号抗十扰性强，因此发射功率大大降低，使电磁干扰减弱，节约能源。 ( 6 ) 若使用同等功率等级的没备，节目的覆盖范围将得到极大的扩展。 ( 7 ) 使用3 0 m h z 以下的现有频率，不需要新频谱或规划会议，可以用同一台发射机作模拟与数字的 同播发送，可以使用现有的发射台。 ( 8 ) 与当前相同的频道间隔与射频带宽。d r m 系统的重大优势在于它采用的是现有的频率和带宽， 是世界上唯一非专用，可利用全球现有频率和带宽的数字系统，将在全球3 0 m h z 以下a m 广播频段成为 主流。 d a m 之所以能具有以上这些特点，是由于采用了以下几项关键技术。 ( 】) 音频编码。 大大降低信源的冗余度，压缩带宽，使高速音频码流能在a m 波段的窄带信道中传输。现行的许多编 码器可提供1 2 4 8 k b s 的高质量音频，经音频解码后，窄带的a m 波段能够传输f m 、c d 音质的信号。 现有的3 个d a m 广播实验系统都采用了m p 3 编码，该标准为了与m p e g - ll a y e r 3 ( 】s o e c l l l 7 2 3 ) 向下 兼容而未能有大的改进。1 9 9 7 年1 2 月公布的m p e g 一2 先进音频编码( a a c ) 标准( 1 s o n e c13 8 】8 7 ) ， 音质更好，压缩比更高，且在采样率和复杂性上伸缩余地更大。 ( 2 ) 数字调制。 法国天波2 0 0 0 系统采用欧洲d a b 系统的c o f d m 调制，将欲传送的信息按频分复用( f d m ) 方式平 均分配到多个子载波上，每个子载波的码元速率都很低。这样，在多径传输环境中，每个码元只有一小部 分遭受想邻码元的干扰，而大部分仍能保持完好。当子载波数量很大时，仍可达到高速传输。系统在一个 码元时问内，各子载波有相同的调制方式，天波2 0 0 0 采州】6 6 4 电平的正交惆幅( o a m ) 。德国t t m 系 统和美国v o a j p l b 系统都采用单载波调制，借助自适应均衡、序列检测和信道估计等技术，克服多径 传播和信道畸变引起的码问干扰，但成本较高，技术有待完善。特别是自适应均衡需要根据外部环境的变 化凋整内部参数，结构较复杂，但随着数字信号理论和超大规模集成电路的发展，白适应均衡技术将广泛 应用于告诉数据传输。 ( 3 ) 信道纠错。 3 个d a m 广播实验系统采用卷积编码、r s 编码以及t c m ( 网络编码调制) 、时间交织等信道纠错编 码技术，咪消除或减小多径效应、信道衰落及各种干扰的影响，以降低误码率，满足性能指标要求。天波 2 0 0 0 系统采川1 c m ，6 4 1 6 0 a m ：t t m 系统和v o a j p l 一- - 系统采厢卷积编码羽 问交纸训f 1 适麻均衔技术来抵抗突发误码及减轻多择传插效赢。 j 2 中国数字调幅广播系统信源编码方案 1 2 1 欧洲标准信源编码方案 欧洲标准d r m 系统中的信源编码万案如圈l l 所示。 一1兰翌坚竺| _ 一壬复用器 幽1 1d r m 信源编码方案 音频输出 信源编码主要解决数据存储、交换和传输的有效性问题，即通过对信源数据率的压缩，力求用最少的 数码传递最大的信息量。数字音频信号的质量由其数据率决定，音频数据率越高，在信道上传输的数据率 也越高，所需的射频带宽也越宽。为了在较窄的带宽限制下得到好的音质，选择相应的信泺编码非常重要。 d r m 系统利用现有的中短波广播发射机和信道，带宽在双边带的情况f 为9 门0 k h z ，而单边带只有 45 5 k h z 。因此对于单边带系统，使用m p e g 一1l ，a y e r 3 或是m p e g 一2a a c 标准都不适合，只有采用更低码 率的信源编码，这要以牺牡音质为代价。国际上对于中、低速码率语音编码算法的研究已经相当成熟，国 际电信联盟下属的电信标准化局( 1 ，r u t ) 也发布了许多标准，其中m p e g 4 也有音频和语音编码，性能 优异，1 9 9 6 年发布的g 7 2 3 1 【3 】和g 7 2 9 【4 】也已破j 泛使用。 d r m 系统为了在给定比特率下提供更好的质量，提供了属于m p e g 一4 的不同信源编码方案，以适应 广播中不同社 不同带宽的需要。系统提出了先进音频编码( a a c ，用十普通单声道雨i 立体声j 。播) 和语 音编码( c e l p 和h v x c ) 。a a c 白勺码率范丽很宽，由m p e g 一2 发展而来，有】2 k j l z 和2 4 k j 】z 两种采样车 3 、希人等颤l 宁1 盟论艾 j ：i 旧：同的位数，具有抗差错鲁棒编码7 j 式己成为m p e 04 中对自然声音信号编码的基础。a a c 定义1 + 一个新的比特流语法往易错信道中提洪更灯帕陕复力。 结台不等保护( u e p ) ，使j9 6 0 的转换k 度，达到一帧4 0 0 n s 。c e l p ( 码本激励线| 生预洲) 语音编 码，川于单声道话音j 播，对 r 低比特辜订效，或适合丁要求较鬲的抗差错鲁棒传输。有宽带和窄带两种 不同版本的c e l p 编码器，采样车分别为8 k h z 和】6 k h z ，可以保证码率和带宽的可升级性。h v x c ( 谐 波矢量激励编码) 语音编码，用f 很低比特率和抗差错鲁棒| 生单声道语音广播，特别适台基于语音数据的 应用。除上述编码方法外，d r m 系统中j 丕应用j s b r ( 频带阪复) 技术，它是一种在低比特率f 获得完全 音频带宽的音频编码增强方法，呵与a a c 利c e l p 联合应用，构成目前能力最强的压缩方法。使用s b r 的目的是重建音频信号中被编码器丢失的高音段。为了更好地实现这个目的，需要在音频比特流中传送某 些边信息。这些边信息是对_ 丁全频带信号计算出来的，是在编码前以及音频储言解码后高音频谱混叠物的 重建前进行的。s b r 可以将普通低比特率编解码系统带宽提高到等于或大于模拟f m 音频带宽( 1 5 k h z ) 。 在语音编码时，s b r 还可以提升窄带语音编解码系统性能，给播音员提供1 2 k h z 的音频带宽，用于多语言 广插等。由于多数语音编解码系统都是窄带的，s b r 的重要作用不仅在于提高音质，而且可用于提升语音 的清晰度和语音的可懂度。虽然a a c 的自身效率已比熟知的m p 3 高出3 0 ，但因带宽有限，仅用a a c 还不够。辅助以s b r ，在保持同样音质的情况下，数据率还可再降低4 0 ，这就有可能只用约2 5 k b p s 传 输高质量音频信号，远不到l s d n 线路的1 2 。当廿目是纯粹的语言内容如新闻时，在d r m 系统中比特率 甚至可以降低到】0 2 k b p s 。 1 2 2g 7 2 3 1 编码器 g 7 2 3 】标准是】1 1 u t 于1 9 9 6 年通过的面向多媒体通信的低码率语音压缩编码标准，是h 3 2 4 标准家 族的一员，采用了目前流行的码激励线性预测( c e l p ) 的编码方法。该算法是一种双速率编码标准，分 别是53 k b p s 和6 3 k b p s 。高码率时编码质量更佳，而低码率则拥有良好的质量并为系统设计者提供了额外 的灵活性。两种速率都是编码器和解码器的必须部分，使得随时在帧间切换两种速率的方法成为可能。而 且也可以在非语音的时问段使用离散传输和噪声填充来进行可变速率优化操作。 g 7 2 3 1 标准在低码率下能达到较高的合成语音质量，且算法复杂度不是很高。它采用线性预测分析一 综合编码方法，以帧( 3 0 m s ) 为单位对语音或音频信号进行编码。高速率编码器的激励信号是采用多脉冲 最大似然量化( m p m l q ：m u p l l l s em a x j m u ml j k e l i h o o dq u a n t i z a t i o n ) ，低速率编码器的激励则采用代数 码激励线- i 生预渊( a c e l p ：a l g e b r a l c c o d e e x c i t e dl i n e a 卜p r e d j c i i o n ) 。结合数字广播的特点，为其他业务腾 出更多的信道资源，这里我们采用低速率( 即5 3 k b p s ) 的编码。 由于g 7 2 3 1 编码器的输入端规定输入8 k h z 采样，】6 b i t 量化的线性p c m 信号，而解码端输出的信号 也是按照相同的采样率和格式输出。8 k h z 采样的信号最多只能表示4 k h z 以下的频率分量，所以该编码器 所能处理的范围只能是一个窄带的信号，不能表现出声音中丰富的频率分量。因此，需要对其进行一定的 改进，方能运削于数字调幅广播系统中。 1 3 论文主要研究工作和结构 本论文主要分忻了g7 2 31 标准酮原理及其具体算法 试幽爿求把g 7 2 3l 的音频处理范围向高频端 扩展并给出了仿真结果。最后涉及到的是g7 1 31 语音编码铂：数字信号处理器( d s p ) 上的实现。 仑文 的结构如1 f ： 第二章分析g 7 2 3 】的编码器算法。 第三章讨论g7 2 3 1 的解码器算法。 第四章在寻求高频带扩展的基础l ，提出r 一种带宽扩展方法。它基于语音生成模型利用原始窄带 语音和宽带语音计算出一个谱包络的加权矩阵，通过窄带解码语音外推出宽带的语音。 第五章介绍硬件设计的基本方法，给出了硬件实现g 7 2 3 1 编解码器的具体考虑，分析了g 7 2 31 建 议中几个运算量最大的函数，以及在每帧处理过程中所要川到的内存规划。 第六章总结了全文，并给出了进步的改进方向。 东南j 、学硕士学位论文 2 1 原理概述 第二章编码器原理及算法 g 7 2 3l 编码器是一种罩于线吐预测分析一综台( l 【n e a rp r e d l c i i o na n a l y 5 i s - b y s y n 【h e s l s ) 原理的编码方 法，利用感知加权最小均方误差准则使编码器成为一个闭环优化的系统。同时，该编码器属于混合编码方 式，即把波形编码和参数编码相结合。这种编码器既具各了声码器的特点( 利用语音生成模型提取语音参 数) ，又具备了波形编码的特点( 优化激励信号，使其与输入语音波形相匹配) ，它采用线性技术构成卢道 模型，不只传输预测参数和清浊音信息，而是将预测误差信息和预测参数同时传输在接收端构成新的激 励源去激励预测参数构成的滤波器，使得合成滤波器输出的信号波形与原始语音的信号波形最大程度地拟 合，从而获得自然度较高的语音。这种混合编码方式克服了原有波形编码器与声码器的弱点，而结合了它 们的优点，能够得到高质量的合成语音。在本质上具有波形编码的优点，有一定抗噪声和抗误码的性能， 但缺点是相对时延比较大【5 】。 g 7 2 3 1 编码器以3 0 m s 为一帧处理输入信号，每帧2 4 0 个采样。首先，每帧通过高通滤波器去除直流 分量，然后分成各有6 0 个采样的4 个子帧。对于每个子帧，对未处理过的输入信号，用一个1 0 阶l p c 滤 波器计算出系数。用预测分裂矢量量化( p s v q ) 方法量化最后一子帧的l p c 系数。而未经量化的l p c 系 数，则用来构成短时感知加权滤波器，用来滤波出感知加权后的语音信号，用于计算开环基音周期上。，。 接下米的过程是对每了帧( 6 0 采样) 进行处理： 利用前面估计出的基音周期，构建出一个谐波噪声整形滤波器。将l 。p c 综合滤波器，共振峰感知加权 滤波器以及谐波噪声整形滤波器一起来产生单位脉冲响应，用于下一步的计算。 利用开环基音估计l 。和单位脉冲相应，计算出一个5 阶闭环基音预测器，基音周期按照开环基音周 期附近的值来计算。这时，从初始的目标矢量中减去基音预测器的贡献，将基音预测和差值送解码器。 最后，近似地构建出激励信号的非周期成分，其中高速率编码器采用的是多脉冲最大似然量化 ( m pm l o ) 激励，低速率编码器采用的是代数码激励线性预测( a c e l p ) 激励【3 】。 整个编码过程如圈2 j 所示，下面将分别描述其中的单元功能。 2 2 信号预处理 任编码之前，必须先对语音信号进行必要的处理，除了数字处理外，也包括模拟处理。步骤如下： 】) 抗混滤波 按照】t u t 的g7 】2 建议，对输入的模拟语音信号进行话带涟波，防止频谱混叠。 2 ) 数字化 以8 0 0 0 h z 采样率对话带滤波后的语音信号采样，每采样值量化编码为】6 位线陆p c m 码，记作_ v 川 3 ) 分帧 第章擦硝器燎埋及算法 1 小7 爿( z ) 。 f z 、 ， p ( z ) 【叫 爿( z ) s ( z ) ，【川 幽2 一lg 7 2 3 1 编码器原理框图 r 一一一一一奉目亘辞i 马胥f l s p i 解冯嚣1 p ，7 叭”k r a 。v 厂 厂i l 盏i i 器l ，q 寥! u 直 图2 一】中的分帧器把连续语音信号的采样值m 分成每帧2 4 0 个采样，读八s 【” 。 4 ) 高通滤波 用来去除输入语音信号s 【 】的宜流分量，其输出为：x ( 。滤波器的传输函数如下 即，2 睾 5 ) 划分子l 愤 再将经过高通滤波后的每帧分成4 个子帧，各含6 0 个采样。 2 3 线性预测编码 2 3 1l p c 分析 ( 21 ) 对信号r 【” 进行l o 阶l p c 分析：在每个f 帧中心使用18 0 专h a m m i n g 窗函数，从加商后的信号 因 一一一 一爿圈 内 目jr 薯人事9 。字 论义 计算出| 1 个自相关系数r 【o r 口o ：然卮，刚向噪卢修止冈子】0 1 5 1 0 2 4 对r 【0 进行修正，即 凡f 0 = 月【o ( 1 + 】0 2 4 ) ：而其余1 0 个自相关系数川与二项( 商系数拉相乘。最后，利用传统的 c v j n s o n d u r b i n 递归万法计算出一个】0i 衍的线日预测f l p ) 滤波器： 1 “，( 二、= 1 一o 琏3 ( 22 ) 】一d 。：1 j = 1 其中f 表示子帧索引，取值在0 刨3 之问。 对每一输入帧，算出4 套i p c 系数，每个子帧一套，用来建构短时感知加权滤波器。 2 3 2 l s p 量化 首先，进行一个小的带宽延拓( 7 5 h z ) ，然后按照如下方法对最后子帧的l p 滤波器爿、( z ) 进行预 测分裂矢量量化( p s v o ) ： 1 ) 通过沿单位圆搜索以及插值出过零点，将l p 系数 盘j ) 川l o 转化为线谱对( i 。s p ：l i n e s p e c t r u mp a j r ) 系数 只) = o ” 2 ) 从l s p 系数卢减去直流分量卢，得到一个新的去除直流分量的l s p 矢量卢。 3 ) 将上一个解码出的l s p 矢量西。通过一阶晤i 定预测器，6 = 1 2 3 2 ，得到在时间( 帧数) 肝时， 去除直流的预测l s p 矢量曩，以及残余l s p 误差矢量巨，。 乃。二【p i j ，p 2 。p 1 0 。( 23 】) 曩，。= 【两。厦，五。，】( 2 3 2 ) 卢。= 6 【卢卅i 一声d ( 】( 2 3 _ 3 ) i = 曩，一嚣( 2 34 ) 未经量化的l s p 矢量见，经量化的l s p 矢量a ，以及残余l s p 误差矢量己都分成维数分别为3 ，3 ， 4 的3 个子矢量。每个子矢量都用8 b i t 码本进行矢量量化。选择使误差巨。最小的子矢量码本索引，。 卢。= 【p 】+ ，p2 + ，p “+ h k 。， 3 = o 3 加= 】 ， 4 m = 2 玎嘲。巩。弧。t ，篙：篡 p 2 p + p “ 一 o 兰 7 2 p f 一，= p m + p d ( + 已w ? 1 f 2 5 6 ( 24 1 1 ( 242 ) f 2 43 1 r 244 、 、 o ，7 7 茎2 互m2 ( ”饥，) 。，w 一，1m 1 1 兰7 2 5 6 ( 24 j 、 其甲弓。是m 维分裂残余l s p 码 第个码元，而i r 。是一个对角加权矩阵，它由来量化的l s p 系数矢 量多决，其中的元素定义为： 7 m i n p ，一p h p 川一，1 2 ，9 l 1 l2 _ ( 2 5 ) p2 p 1 1 w o2 - _ p l o p9 4 ) 把选中的序号，送到信道。 作为整个编码器的初始化，除1 r 前一帧l s p 矢量要用1l s pd c 矢量的初始化之外，所有静态编码矢 量都清零。 2 4 参数估计 2 4 1 共振峰感知加权滤波器 对每个j 二帧，利用未量化的l p c 系数 d j 。，。构成个共振峰感知加权滤波器，其传递函数如下 彬( z )( 26 ) 其中，h = o 9 ，乃= o5 。这时，输入的语音帧 x 玑：。m 分成4 个子帧，列每个= 二帧用彤( z ) 进行滤波 从瓶得到感知加权的输出语音信号 ”琥= o 。 2 4 2 开环基音估计 利用感知加权后的语音九n 计算开环基音周期的估计值上。每两个子帧( 1 2 0 个采样) 计算一次_ 厂 n 的互相关值c ) ( ，) ，搜索范围是第】8 1 4 2 个采样，其表达式如f c e 。t j 1 1 9、2 i 九州厂【一门l 喜竽上1 8 墨1 4 2 1 1 9：1 。一h 。一 。，【一巾巾r 刀 帖0 f 2 7 、 寻找使c m ( ，) 最大时的标号，作为对应两个子帧( 】5 m s ) 的开环基音估计值。当搜索最佳标号时 应先考瞧数值较小的基音周期值t 以避免取到周 f j 的倍数一擐人互相关( ，。( j ) 搜棠从j = 18 开始每搜 蚂畦 ， 一 竺计。竖。屹 索驯个最人催0 。( j ) ，就将它与前个最大值c 0 ( ? ) 迸玎比较 若l ，一，l c m ( ) 时，则选择新的最犬倩( 0 。( ，) 若i ，一? l 】8 ，| l ! | j 只有当g n ( ，) e l i c j ，( ，) 人】2 j ( j b 时，才选择新的最人值。 注：从此处开始，后续执行的所有汁葬都是每子帧次。 2 4 3 谐波噪声整形 经过感知加权后的语音信号将进行谐波噪声整形，降低共振峰区的信号幅度，这是为了提高台成语音 的质量：谐波噪声整形滤波器的传输函数如下 尸( z ) = 1 一肛 f 2 8 1 】) 确定最佳整形周期上： 仪考虑分子的( j ) 为正值的情况。取使相关值c 。( j ) 最大的，为延迟工，搜索范围是前面估计 出的上m 前后三个样值内。c ( j ) 的最大值定义为q ： 5 9 ( ，) = 厂时厂【n 一门 = 0 其斗4 ，上】= k ，一3 ，上2 = 上0 f + 3 。 2 ) 确定口值： 滤波器的最佳增益g 。定义为 ( 29 】) q 棚) ：矿尘止耶，铒 ( 2 9 2 ) ，m 一丹九”力 g 厂【”一】厂【”一明 g ，的值限于【o ，1 范围内。感知加权的语音信号 厂【 ) ，。的能量定义为 那么，谐波噪声整形滤波器p ( z ) 的系数卢可由下式计算 l0 1 0 9 l o l1鱼1 2 0 五j ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 1 f 2 】2 、 计算完滤波器系数后，将感知加权后的语音信号厂【 通过p ( z ) 就获得目标矢量： ，【，? = 厂【7 7 一声 上 ，o ”5 9 ( 21 3 ) 1 0 玎 ，川， 行 ，一 厂 m = e 第谁缠玛嚣原理投尊浊 2 4 4 单位脉冲响应 刘于闭环分析j _ i 到以i 、踬台滤波器s ，( 二) ： s ( 二) = 。j ( 二) 彬( 二) p ( 二) o 谜3 ( 21 4 ) 其中s ( ：) 的3 个组成部分分别在式( 26 ) 、( 2 7 ) 和( 2 3 5 ) 中有定义，最后计算出这个联合滤波器的单位脉冲 响应 _ m k 。j 2 4 5 零输入响应 当输入信号为令o 时，即本子帧尚未输入，通过联合滤波器s ，( z ) 滤波，就能得到其零输入响应，用 z m ) 。，表示。然后，从谐波噤声整形语音欠量 w ， ) 。，。中减去零输入响应，得到目标矢量 町”】= w 卜z 】，用它来做闭环基音预测，以得到最佳周期性激励。 2 4 6 阿环基音预测 闭环基音周期预测的过程也是一个自适应码本搜索的过程。对于两种速率，自适应码本的建立和搜索 方法是相同的。闭环基音预测将围绕开环基音估计倩m 进行，对第0 、2 子帧，从相应的开环基音周期附 近l 的范围内搜索闭环基音延迟，并用7 b i l 编码；对第1 、3 子l 侦，采用差分编码方式，计算其闭环基音 延迟与前一子帧的差值：1 ，o ， 1 或+ 2 ，将差值用2 b i t 编码。( 从此处开始，经量化和解码的基音延 迟用l 表示。) 这里采_ 叶j 的是一个5 阶基音预测器，其系数是一组需要传输的参数。根据编码速率的不同以及闭环基 音值l ，使用不同的码书来量化。高比特率编码采用8 5 或】7 0 元的码书：低比特率编码采用1 7 0 元的码 书( 同前砸的】7 0 兀码书) 。在高比特率编码中，若上o 5 8 ( 子帧o 、1 ) 且上2 5 8 ( 子帧2 、3 ) 时，用 8 5 元码书量化；否则，刖17 0 元码书量化。最后，从目标矢量 吐 5 9 中减去基音预测器的贡献 讲 】 。一；，从而得到不舍周期性信息的残余信号 ， 月 。，。它作为非周期性激励预测的目标矢量利 用固定码本量化。 r 【 】= ， h 卜p 【”】 ( 2 15 ) 2 5 量化编码 2 5 1 高速率激励量化( m p m l q ) 残余信号 ，- 【 j 。o 被作为新的目标矢量传送剑m p m l q 模块，完成对该矢量的量化。量化的过程 就是用，。【7 7 】近似表示目标矢量，4 【川： i - 川= y m 、协一心o s 5 9 ( 21 6 1 面 其中，1 【州是对联合滤波器s ( 二) ( 其单位脉冲l | 目应为 川j 的激励，芷义如r ： 、例= g 即“k o 细5 9 ( 2 17 ) 其中g 为增益浏子，研h 为冲澈函数， d 。j 。，利 ，h 。、。分别是1 信号和脉冲的位置a m 为脉 冲个数，偶数二r 帧取6 ，奇数子帧取5 。而脉冲位置限制为要么全是奇数，要么全是偶数，用一个格栅比 特( g i db i t ) 表示这一信息。园此，接r 米的问题就是估算出未知参数：g ， 女“。及 m ) ， 使得误差信号的均方值最小。 w m = h n 卜r m = r m g 坼 一 ( 21 s ) 上述参数估计和量化过程都是基于种“综合分析方法”( a n a 】y s i sb ys y n t h e s i s m e t h o d ) 。参数g 按 照如下方法进行估计和量化： 首先，计算单位脉冲响应m 】和新目标矢量r h 的互相关函数 d 【力= r 时坳一儿。蔓，5 9 ( 2 】9 ) n = j 则估计最佳增益： g ：竺型幽睦i !( 2 2 0 ) u m 矾= i 一 l ”， 【” 【”】 最佳增益g 。使用对数量化器量化。对两种速率米说，这个台阶式量化器式相同的，它包括2 4 个量 化台阶，每个台阶32 d b 。附加的增茹值围绕量化后的g 。值选择，范围限于【g 。一3 2 ，g m 。+ 6 4 】。 其次是搜索脉冲的位置和正负号，对于每一个可取得的最佳增益值，脉冲的符号和位置依次被优化( 对奇 偶脉冲位置均进行) 。最终得到使误差 r i ”】的均方值最小的参数为最优参数。最佳的脉冲位置和量化幅 度组合将作为参数传输，传输脉冲位置时采用f3 0 1 联合编码。而且，由于固定码本的码元个数不是2 的幂， k 埘j 可以将4 个子帧的4 个最重要位联合编码，变成一个】3 b j l 的指标，从而节省3 b i i o 为提高基音周期较小的语音的质量，可使用如下修正方法：若k 5 8 ( 第o 、】二j j = 帧) 或上2 l d 2 ，+ l 鞋2 门= s 2 ，十1 】= s 辔竹( d 2 ，+ 1 】) o ，向p 厂，血p 川 信号j 依j 门= 川】j 得出。 然后，矩阵巾通j 不断包含信号的信息来修正，即q ) ( i ，j ) = 科妇5 】中( f ，) ，那么式( 22 5 ) 中的互相 关现存可以表示为： c = d 【卅o + d 啊】+ d 。 卅2 + d 【7 码】( 22 7 ) 式( 2 2 6 ) 中的能量则可以表示为： = ( 卅0 ，m 。) + q ) 。( 珊，码) + 2 q ) ( 朋。，棚。) 十+ 巾。( 用2 ，聊2 ) + 2 1m 。( m 。，7 慢) + 0 1 ( 啊，m 2 ) + + 巾( ) + 2 l 巾( ，鸭) + 巾( 码，m 3 ) + o 。( m 2 ，鸭) l( 2 2 8 ) 为进一步简化搜索过程，此处还采用了一种集中搜索方法，即在进入最后个循环前，先检查一个预 先计算好的门限，以它米判断是否进入该循环。可进入循环的最大次数是固定的，因此这种方法只要搜索 码本的一小部分。这个门限值基于互相关c 来计算，假设由于前3 个脉冲的贡献，最大相关值c 的绝对值 为m a x 3 ，平均值为口v 1 ，那么，门限值为： ，玛= d v 3 + ( m a x 3 口v 3 ) 2( 2 _ 3 0 ) 仅当前3 个脉冲导致的绝对互相关超过，乜时，才进入第四层循环。可以看出，这是一种复杂度n r 变 的搜索方法。为进一步控制搜索过程，进入第四层循环的次数( 对所有子帧) 限定在不超过6 0 0 次。( 即 平均每子帧最差的情况是j5 0 次。若忽视前凹层循环的开销，可视为仪搜索码本的i5 0 8 个码元。) 这个码本的一个特别之处是，若闭环基音延迟上，小于6 0 ，就向编码中加入一个基音的贡献p g 砌d ， 它是1 。r p 基音预洲器增益矢量的标号。即最佳代数码矢v 【h 】被决定后，被修正为： v f 州 v 【门 + 6 ( 尸( 订 z ) v 【 p ( p g h z ) ， 其中声( j p g 伽z ) 和f ( j 7 ) g ，m 矿) 的值以列表形式在源代码中给出，三是整数的基音周期。注意，在码本搜 索前，若上， 6 0 ，电要用类似方法对单位脉冲响应进行修正。 得到序列、，【月 后，采用与高速率激励相同的量化方法，通过在增益量化码本中搜索使 j g g 小。蔓，s2 3 最小的标号m g 如d ，米水出量化增益g 。 非周期陛激励需要在本地进行解码，以和胤期陛激励的解码数值共同构成本级激励信号 p i 川= “+ 1 ，j 7 。 芄章缇玛嚣峥埋段算厦 2 5 3 比特分配表 g 7 2 3 】高、低两个遮暑芝的比特分配万案分别如表：一2 和2 3 所示、对于l p c 系数，两个速率相同。 编码参数 码7了帧0子帧】予帧2予帧3每帧曹计 l p c 系数 l p c2 4 自适应码本延迟a c lo 】23 727218 联合增益 ( j aj n0 1 ! - 31