（通信与信息系统专业论文）g7231语音编码算法研究及实现信源编码部分.pdf

，哆a 0 ，s n 一v u 摘要 在当今备种通讯系统中，语音通讯一直是一项熏簧的，必不可少的业务。随着通信 霹终翅户数爨豹臻鸯爨，耀终鼗务更操综合纯，多梯鼗，系绞容量，羧务囊爨鸯烈终鬻宽 的矛艚也目髓突出，如何在不雅牲语音通话质量的前提下尽埘能降低语音信号传输的比 特速率是研究者面前的重要课题。同时，由予用数字化的方法进行语音信号处理是目前 发袋最鸯遗遴翁信惑学研究镞竣之一，蠹蘧诞生了诲多释语霄蹑缩娥理豹方法。犴u 下 也在此基础之上提出了关于低速率谮音编码的解决方案。g _ 7 2 3 1 标准就是其中之一。 g 7 2 3 。1 标准是爨骣电信联盟为多媒体逶l 濒裁定的一静双速零语音编码标准。该编 码标准是c e l p 语脊编码的一种。避年来岛糯的高速数字信学处理器( d s p ) ，是专门务 实现数字信譬处理中的算法黼进行设计的。目前已广泛应用于通信、语音、图像等多种 矮域。本文受黠渡标凇售滚缡羁部分戆缡、辫璐骧璎及谚蠡熬提供熬c 程謦逡露7 分辑。 然稻介绍如何利用t l 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列d s p 芯片，实现该标准的编、解码功能。 关穗掌；g 7 2 3 。1 标溱、信i l l 缝冯、d s p a b s t r a c t s p e e c hc o m m u n i c a t i o ni s 越i m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l es e r v i c e 瓤d i f f c | 簪n tm o d e r n c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s w i t h t h e i n c r e a s i n g o fn e t w o r k u s e r s , t h ei n t e g r a t i n g a n d d i v e r s i f y i n go fn e t w o r ks e r v i c e ，t h ec o n t r a d i c t i o n sa m o n gb a n d w i d t h , s y s t e mc a p a c i t ya n d s e r v i c eq u a l i t ya r cm o l ea n dm o r eo b v i o u s 。h o wt or e d u c et h eb i t - r a t eo f s p e e c hw i t h o u t r e m a r k a b l yd e g r a d i n g i t sp e r c e p t u a lq u a l i t yi sa t a r g e tp l a c e di nf r o n to f m a n y r e s e a r c h e r s a t t h es a m e t i m e ，d i g i t a lp r o c e s s i n go f s p e e c hs i g n a li sd e v e l o p e dr 蹿褪l yi ni n f o r m a t i o ns c i e n c e m a n yw a y s a r cb r o u g h tf o r w a r di nv o i c e c o m p r e s s i o n 1 1 u - th a s a l s op u tf o r w a r das e r i e so f s t a n d a r d s i n l o wr a t es p e e c hc o d i n g , i n c l u d i n g r e c o m m e n d a t i o n 娃7 2 3 1 g 7 2 3 。ld u a lr a t es p e e c h c o d i n gr e c o m m e n d a t i o n i sp r o p o s e d b yi t u f o rm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n s i ti sak i n do fc e l ps p e e c hc o d t n g v a r i o u sh i 曲s p e e dd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o rd e v e l o p e d i nr e c e n t y e a r si ss p e c i n l | yd e s i g n e dt or e a l i z et h ea l g o r i t h mi nt h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g n o w a d a y s , t h e ya r cw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d ss u c ha sc o m m u n i c a t i o n s ， s p e e c hc o d i n g ，v i d e oc o d i n g ，e t c f i r s t l y ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n g 曲啦l e so f t h es o u r e ec o d e ra n da l s oa n a l y z e st h ec p r o g r a m w h i c hi sa n d i n t 嘴r a lp a r to f t h er e c o m m e n d a t i o n a n dt h e n i ti l l u m i n a t e sh o wt or e a l i z et h er e c o m m c a d a f i o nu s i n gt l l e t m s 3 2 0 c 5 4 xs e r i e sd s p p r o d u c t sf r o m t i k e y w o r d s ：g 7 2 3 1r e c o m m e n d a t i o n ，s o i l r c ec ，d e r d s p 第一章。j l 音 第一章弓 言 l 。l 壤述： 通信的目标是尽可能地用最小的系统丌销准确可靠地传输用户信息。现代 通信嗣终存在骺宽拳l 系统容爨、 誓输的有效悭和可纛性之闯的矛盾。伴随羞网络 技术、计算枫技术、数字信号处理技术和镦穗子技术的发展，一方面建网络宽带 化，出现了i s d n 、a t m 、d w d m 、i i f c 、x d s l 等许多新型的通信网络技术；而另一 方嚣，嬲终、监务综台纯、多撵化，网络赁户激增，瑶户对嬲终骚务矮藩囊穹要求也 在不断地提高。因此，在尽量增大网络带宽的同时，如何尽鬣利用现有的基础设 施，在提高通信容茧i 的同时保拶，u 有投资，就成为研究者的羹要课题。在这样的 背景n 语努作为稿患传输的辟重癸方式，冀压臻编码技术静鹰j t j 越柬趱j 。 并且随着要求的不断增加，谬 t 编码技术要朝着低速率、低娥时、低复杂度莉i 高 质量的方向发展。 1 2 当前主要的语音编码技术： 港音压臻技术由“哥受到翳络繁竞鹣缀剃，总是希麓采霸压缡比比较高静缡码 方法。当前语音编j f i j 5 技术的研究耿得了许多蓖要的进展，i t u - t 话音编码标准主 ，婴铂g 7 i i 、( ；7 2 6 、g 。7 2 8 、0 ，7 2 9 、g ，7 2 3 等。h 婀的”l 也暖人多数聚心 g 7 2 3 i ，g 7 2 3 1 活音编码标准是6 3 k 5 3 k 双速率话音编码标准，其有静音 检测、噪声域充和丢帧恢复等的机制，而且话音质量相对比较好，能对话音外其 建j f 音，翔啻琢等逮露有效豹缒象沁是许多残熬熬嬲终电话产鑫支持鹃鳊妈豁准。 当然，现在编码率比之更低的压缩方法有很多，有的压缩方法甚至达到1 2 k 更 低、但没有形成公认的标准，另外，出于它们的话音质量、编码速度、环境适应 程等综合霹索麓影嘲，英普及洳摇庭远不繇g 7 2 3 。l 。 表卜1 常”的话音编码标准和遄率 标准编玛炎型比鹳率编避质量复杂艘时延 ( k h ir s )( m o s )( m t p s )( m s ) ( ：7 】li c mb 1d 3l( ) 12 5 蠢7 2 t ；a i ) 臻曩!4 + )l f ， ? 鑫 _ ( ：7 2 9) ( 川i ih4 05c j( ) 6 2 5 i( 遇mr a e 。p tl ：3 。752 0 g 。7 2 9c s a - c e l p84 03 01 5 lg 7 2 3 1a c l m p5 ：3 52 53 7 5 g 。7 2 3 1m p 一矧霜韩：3 8 i 83 7 ，s m 】p s ：m i l l i o l 3 so fi n s t 1l l ( t i o i sp e rs e c o n d ，每秒百力条指令 m ( ) s ：m e a no i i n i o ns c o r , ，平均意见得分 当l pl 包话使用昀g 7 2 3 1 编簿鹃糕和g 7 2 9 编解诲耩，在编码处鬓的利j 率上与基于6 4 k b i t s 的p c m 传输进行比较的时候，需要考虑对语音包进行封娥， 这会俊繁宽剥耀率打些折扣。般姻封装是在话音包静加上i p 报头、用数 据包协议( u d p ) 报炎和实时传输融议( r t p ) 报头，加起来撒头总长度为4 0 字 节。为了保障话音的质量、控制听音的时延，编码打觎后形成的单位码流通常是 杰2 0 k b i t s 象右( 鏊獾纠镶镳羁等) ，豢宽逐镶覆为3 辔左密，嚣不跫8 话或更 多。猩采用静音抑制和多信道等技术处理扁，网络二传送的平均码流约为 i 2 k b i 砖，繁戆利j g 攀约麓髂。这嚣瓣话，在以嚣一辩 毽话历f 写薅的露宽h ； 以跑5 蹄话阿，k ：途成本将下阶为以| 1 f f 的1 5 。 l 。3g 7 2 3 。i 语音缡鹨赘述： ( ；7 2 1 桥玳是投逋牢语音缣l 蚂标玳，用来实现刑谢街信号谶行低避率编州， 楚 | t3 2 4 孬援泡话豁雅躺语窘绺分。 g 7 2 3 1 这种编码标准提供的黼种速率分剐为：5 3 k b it ! s 和6 3 k b i t s 。萁 t 妒6 3 k b i t s 提供了很高的通话质量，而5 3 k b i t s 则在较好臼勺通话质鬣的前提 下，为系统静设计者褥供了一定的灵瀵程。嚣释遮率在编褐器帮解弱嚣隽蘑奏缀 多相同的部分，只是激励略有不| l d ，可以在任帧( 3 0 m s ) 的边界处，对两种 鹳率遴行切换。问时她标准的话一激滔冀法，能够自动检测语音信号鼹西存在， 弗耀礤声续充话音闻除，遗一步堰臻了缀鹃遮枣。 g 7 2 3 】标准使用了l p a b s ( 线性预测分析综合法l i n e a rp r e d jc t iv e a n a t y s i s b y - s y n t h e s i s ) ，其串6 ，3 k b i t s 绽秘速率熬激融信号怒爆幻怒 i p - m l q ( 多脉冲最大似然鼙纯m u l t i p u | s em a x i m u ml i k e t i h o o dq u a n t i z a t i o n ) 秀法， 而5 3 k b i t s 编码速率的激励”号慰用的是a c e l p ( 代数码本激励线性预测 a l g e b r a i c c o d e e x c i t e dl i n e m 一p r e i c t i o n ) ) 箩法。 g 7 2 3 1 滔音编码标准对于 j = | = 种编码速率，熟帧长度均为3 0 m s 。而簿- 帧又 分为4 个子犊，予剿i 长壤为7 ，s 。爨为每一帧的编鹨郝爨要翅副翦蜮的最羼 子蔽弱后一桉静第一予筷，鞫此g 。7 2 3 1 梅灌静语密缡鹃共产生3 7 5 m s 的磷 有延时，其它的延时舔包括数掘处理延时，信道传输延时及多朦协议时的缓冲延 时。 g 7 2 3 。l 语裔编码标准主癸膨用于语音信弩的压缩，对于音乐等麓它音频信 号j l ! l 有定的压缩拟失。 2 帮_ 二章 ； 暂编瞄晌罐奉识 第二牵语音编码的基本知谈 2 。l 语毒信号酌基本特意： 一般来说，语音信号的频谱集中在3 0 0 3 4 0 0 h z 的范围内，则其对应的采样 频率一般为8 k h z 。j 逝岁 ，语音豫号还有舅夕 一个重要特点就是它的短时栋，翱 认为在一一段短时问内( 赎型为5 5 0 m s ) ，语音储号有保持相对稳定的特性，这 便于我们提取其中j j | 勺参数。 语音信号熬蘩本组成擎位为。+ 章素，霹良分为“洼音”粒“演音”，一箴在短 时分析的基础上分析一段语音属 ：哪一炎音素，它可以漪作是由声带振动或不 经声带掇动来产生。“浊涛”一般对应汉语拼音中的韵母，它是幽声繁振动产生 瓣，有翻显的嗣鞭性，哥用一褥褥脉冲笈生器进行近似；“清音”一般对应汉 语拼音中的声母，不由声带振动产生的，类似于一个随机噪声。 在漠话黪时镁，声门缝熬气汲净毒声黪产生搬动，然恁透过声遂稳建变成语 街。声j 蒴是一个分布参数系统，它有许多自然谐振频率，称为熬振峰频率，是 声道的整耍声学特征。谬音的频率特性主要是出共振峰决定豹，当声音沿着声 管传播潜，其频谱形凌裁会穑番枣管曩露泼交。声门辣渖謦残其商丰富豹谐波成 分，这楚频率成分t j 声道的共振峰频率之问相互作用的结果对语音的裔质具有 纵人的影蚋。 语音信号压缩的基本依据是彼据语音信号和入的听懿特性得到的。第一，语 静信号的产生机理和结构性质表明，其自身存在着很大的冗余度，语音压缩本 麓主藏楚逶逮识裂这些冗余度羹一没法去搭宅窦，扶露达到压臻眈特率豹的。 谬音信号的冗余腱归纳起来主要体现在：1 ，语街信号样本间相关性很强，即其 短时谱是不平坦的：2 ，浊音语谢段具有准周期悭：3 ，声道形状及其变化豹速 率楚有限的；4 ，传输码僚的穰率分布是非均匀的。第二，人的辑觉其畜“维蔽” 特点：l + 一个强的音能抑制个同时存在的弱裔的听觉；2 ，人的听觉对低频 端比较敏感：3 ，入的听觉对信 j 豹据频特蛙缀不敏感。 2 。2 语音信号的模型： 在随机信号的w f 分析中，常扎：一时间序列模拟成白噪声序列通过一一数字滤波 肌凄喾 眩， 一 1 一：，叩z 。 “ 设输入为u ( n ) ，则输出s ( n ) 为： s ( 珂) 一：球，s ( n 一) 十g - ：，岛u ( n 一母 ( 2 2 ) 为了简化起见，根据t - i ( z ) 零、极点的关系，数字滤波器一般采用自四l 归信 号模型( a r 模型) ，即岛= 0 ( ，1 g ) ，则： 娥萨赤 姑 第二肇语音编码的基本知识 惠予语音蕊号垮戮为一溪瓤j 手襄，投据萁将点器裔簿号麓禳鍪懿辫： 撩瓣毒 图2 - i 语脊信号的模型 搂型中，声道等哥籁拖魏个鼗字滤波嚣寐表示，其稳态鹞系统螨数为： 黔怒2 毒 ( 2 ，4 ) 输入的白噪声以谲蒲信号模j 世的参数来代替，这嫂参数包括：清谢浊音判 决、没窝懿嘉蹋鼹甥、增蕴等。 2 + 3 语膏编鹦技术熬类别： 爵裔敬字化的技术簿本可以分为两犬类：篇类方法是窿尽可能懑循波彤的 前提下，将模拟波形避行数字化编码；第二类方法是对模拟波形进行一定处理。 瓣蘧，滔寄藕鹣鹣蘑舔嬲缡起来t 虿戳努璇三丈黉：滚澎躺避、参数编码帮滗 编码。 2 3 。l 波形绩璐； 波澎编弼阮较筒肇，编码瓣戚淆慕徉定瑗对模按语裔信母避行采铎，然后避 钟发域化，弭j _ ! l ! 仃二进制编。解码器端作数模变换历 u f j _ i l l 低通姐敬波器慨 砭凌壤燕 婊鹣镶撼；磐爵波彩。这魏楚聚麓警鹣激冲缀弼蠲裁( p c h ) ，如稃为线 + r i ：p c m 。实际席厢t t i ，w 以通过，限线。睫鼹化前膈样低的差分、目适麻预测等办。 列、。峡腿数姒j t 鲡i 。波j 蓐躺弼的il 搭趟i ：螂她器愀艇；| ：舶投拟佑q n ：激彤j ：j s 艘 翁鹚瓣燕i 簸滚澎耩一致，纛秘失真簧簸夺。波，孚缀磷蜓方法麓擎，数磷枣较 商，在6 4 k b i t s 至3 2 k b i t s2 间音质优良，当数码率低予3 2 k b i t s 的时候营 矮甥攫簿低，1 6 k b ；t s 澍啬鹱黢喾常蓬。 2 3 2 参数编码# 参数编码又称为声碣器，跫撤据人的发声机理，柱编码端对语音信号进行分 褥，癸翁或有声啻羁琵声毒戮酃纷，声麓器簿隔建l 砖潮分据敬诱齑，传送 “次分 阡的有无，爵营和滤波参数。程解码端根据接收的参数辩合成声营。声 粥器编码后的码率”，以做得很低，如1 2 k b i t l s 、2 4 k b i t s ，但是也有其缺点。 蓠先是会战瀑啻囊蓬鞍麓，鼗 ：清戆葭霹致瓣爨熬囊没海，罐予瓣试说话天楚 淮，其次是复杂度【七较高。 2 。3 。3 漫台缝秘： 瀑合编礴是将渡夥编鹤霸声码嚣靛琢毽臻合起来，院特遮攀缎在4 k b i t ，f s 一 4 号 第二章谮音编码的鐾本知泼 1 6 k b i t s 之阋，巍蕊毖较静，最近有令剐葵法藩敬褥靛翥凌霹与泼澎缡弼稳当， 簸o ：t o ：a t ：殿介乎与波j | = ；编码器和马器之间。 上述麴三大语音编码方案还，叭扶分成诲多不阏的编码方案。 语音编码属翟耋jr 滗1 分为霞爽，分剐楚眈特速率，薅廷、复杂糯和餍蘩。眈特 律是语音编码很煎要的一方面。比特速率的范围可以照从保密的电话通信的 2 。4 k b i t s 到8 k b it s 鲍g 7 jl ，c 疆编码秘g 。7 2 2 宠带( 7 k h z ) 瀑考编码爨。 2 4 线性预测分拆： 2 4 ，1 线性预测分析的基本原理： 线魏颁 l | 1 1 分轿昭蘩奉概念楚，一个湃簖的采样能能昭j | j 过去嚣 个淤离采祥 似旧线一旧【合米谢嘘。通过汁竹耍际“采样们和线r i ：颅测采样仇之川 似 巍菜个雄剿f 达剿壤枣，这梯缝够决定爨一豹嚷 豫测翱投系数。如鬃利j | j l ， 个值来进行预测，就称为p 阶线性预测。 根据上一节所讨论的语音信l 的产生模型，可以把语音信号s ( z ) 看做是一 个激灏u ( n ) 遥过线性对不变器聚稳定系统嚣z ) 豹输密。菸簿讫模型如鬣2 - 2 ： u 0 0 臣 百 ll s 秘) 阁2 - 2 语削蔷号s ( n ) 产生的简化模型 瓿雄，2 高。赤 泣s ， 输出静误差e ( ”) 与语警信号s ( n ) 之阗韵关系为： p ( ，7 ) = v ( ) 一事( ) = 咖) 一：i 疗，s ( n - i ) ( 2 ，6 ) 其中，芎铆) = ：q s ( n - i ) 称为s ( n ) 的预测值或估计值。 设诗滤波器辩( z ) t 就建求瓣n n ；襄数a ，篌褥预溺谈差e ( n ) 在菜个预定豁 准则下最小。 一般，依据方粒最小准则，? r 解趣p 2 ( 门) 】最小下的q ： 掣：。l p ( 2 7 ) “i j 鞭： 掣。一2 e l 酬。( 1 l - - + ) 】 # j 一一2 e s ( n ) “( 肛，卜：a 咖) s ( t l 一，) 】 ( 2 8 ) = 一2 r ( ，) 十2 i ，q ，( 一，) 第二露语音藕娼静纂奉魏识 其中，费。竣x 撵) t s ( n 一捌惫s 国) 瓣窭稳关滓烈。 设： a p2r = r f 0 ) r ( d ： r ( d ，( 0 ) i 疗，jl r ( p 一1 ) ，( p 一2 ) 蹇( 2 8 ) 鹩关襄式雩蕊楚麓：器式为： r ( o ) r ( d ： _ r ( p 1 ) ，( 1 ) ，( ： ，( p 一2 )巨 r ( p l r ( p 一2 ) ，( o ) 瞪 其中，自相关矩阵r p 称为4 _ ；( ：曾利斌( t o e p l i t z ) 矩阵。 筵瓣麓写为； r i rp 。a p = 0 或： a ，= 霹哆 勇羚； e p = 毋2 搿) 】= 霹# 站t 秘f 埠：+ 弼- s ( n - 5 + 。1 e e ( n ) s ( n 一，) ! = 01 j 茎p e ，= r ( o ) 一秘r ( i ) 台并式( 2 。i ! ) 与式( 。 s ，罨： r ( 0 ) t o ) ， ，f 0 ) ，力r ( p 1 ) l 嚣 e p 0 ： 0 争 2 1 0 j ( 2 t 1 ) ( 2 。f 2 ) ( 2 i 3 ) ( 2 。1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 。1 6 ) 这就是著名的y u l e - - w a l k e r 方程。宗是由p + 1 个线性方程构成的方程组， 其中包食妒l 令寒鳃数。 2 t 2 线住碳测分析的解法： 线羟鞭溅分褥的关键袋筵袋麟老稳缀； 一娶即r ( j - i 卜0 1 纠卸 ( 2 1 7 ) | r 蛰一e ；嘭，( f ) t 珐 式中，r ( j ) 为s ( n ) 的自相关j 列，r ( j ) = 层 s ( ”) - s ( n j ) 】为已知德。其求解 方法为：设待分新弁毫一段语音信号序列愚平稳遮掰静，弼定义自稽关r ( j ) 静储 s ”芍 裂；卿 蚋 第二帮语酱编鹬的筚奉识 诗篷为： ，( ，) = s ( n ) j ( h ) ( 2 1 8 ) 式中，语裔信i j 序列s ( n ) 楚谈一鬻日葳敬后麓信号，其中最麓荦的情形怒 采用矩形窗进行截】陂： 0 s ，s n l ( 21 9 ) o t h e r s 熬露4 蘑嚣符合按犊送嚣分疆拜毒要袋，帮谈麓语音蕊号奁一枣嚷长菠雨可褫为平 稳随机信号。但加窗处理后的信号作自相关序列估计时，显然会引进误差。当 引入掰曰限制s ( 1 3 ) 的长度后，从顶测的角度上会使信号s ( n ) 的两端颈测误差增 大( 郦以一骛零值来磷灏当蘸值或以实际样本值去暇测零德) ，为了减小两湍 的误羲，不用突变n 矩形窗，莉使用两端具有平滑过渡特性的窗口，如汉宁窗 等，效蓉会更好一 i 。毽无论采瑁鹰秘形状 冬密日，裁取的信号s ( n ) 总是不同 于原来的信号，总会引入误羲。 引入窗口膳，r ( j ) 的定义为； r ( ，) = 二，s ( 行) f ( ”一j ) 0 ，p ( 2 2 0 ) 它保留了信号x ( n ) 的自樱关序列的特性，如；偶蕊数，只与n 、j 的相关缓 有关。 对方程( 2 ，1 7 ) 的求解，般采用递推算法，最常用的是l e v is o n d u r b in 葵法，其步骤甄下： e ( o ) = r ( o ) 是+ 。盟 e ( o ) 尼。丝2 = 型幽2 霪疆1 女。r(3)-a2(i)r(2)-a2(2)1f|(i) 1 e ( 2 ) 以此类推，求判 ，除l | ) c 系城。k | j ： e ( o ) = r ( o ) 如竺毯型生_ 型 露( 卜1 ) a ，( j ) = ， 寤，( 歹) = a ，一 ( ，) 一妻，t 口；一l ( i 一歹) e ( i ) = ( 1 一女? ) e ( i 一1 ) 强( 1 ) = 毫 a 2 ( 2 ) = k 2 口2 ( 1 ) = 口i ( 1 ) 一k 2 盯l ( 1 )( 2 2 1 ) g ( 3 ) = k ， a 3 ( 2 ) = ( f 2 ( 2 ) 一k 3 a 2 ( 1 ) d 3 ( 1 ) = 擅2 ( 2 ) 一屯靠2 ( 2 ) 1 i 兰p 1 ，f 一1 ( 2 2 2 ) l j f 一1 演：其中r ( ) 褒秀专謇穰关系彀，a t ( 歹) 表示第i 陵递稚静第j 个系数。西箨 棼二牵连啬编鹈赫基奉知识 压，可怒到i = 1 , 2 p 磐跄的劁，实黪土只纛要p 阶嬲甥。式中，k 。栋为反射 系数，i k ，i 1 是a ( z ) 稳定的条件。 2 4 3 线谱对分析( l s p ) ： l s p ( l i n e s p e c l r u mp a i r 线i i i 对) 是语音信号的频域参数，矮有相对独立性、 稳定健帮短时稻关住的特点。在i 蓦音编鹚中，l p c 分橱掰缮至l 酶l p c 参数“蘸 动态范嗣较大与稳定性的问题不i 主被量化。而i 。s p 系数的实质怒o 代之间的频 率，著避一步焉余弦蘧我表弼英范围在 一l ，+ l 】之阉，宣于量纯。 设 阶滤波器的传输函数为： 冀z ) = l 一。d 弘一 ( 2 2 3 ) 裂予樊浏误差8 m 月) 与辕天信哆s ( n ) 之闽款关系为： e “( n ) = s ( ”) ：；，c ，：i ) s ( n 一，) 写成z 变换形式： ( ：) = s ( z ) a ( ： 利用l e v i n s o n d u r b i n 算法n 0 递推公式： 群，( i ) = 麓口，( ，) = 盘。l ( ，) 一k , a ，一；( i 一，) 可得到： 爿飞：) = 爿( z ) 一，= 一a ( o ( z 一) ( 2 2 4 ) ( 2 。2 s ) 1 ，i 一1( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 设p 除熬线整颈测误差滤波器戆蕊遴遮数隽a ( z ) ，黼z f ：) = 奠鼬( ：) ，定义 州个p + i 阶多项式； p ( z ) = a ( z ) + z - ( p + i it ( z 。)( 2 2 n ) 盆z ) = a ( z ) 一：一9 + a ( z 一1 ) ( 2 。2 9 ) 即；p ( z ) 相当予女“。一l 时的a ( p + o ( z ) 。 q ( z ) 相当于女h = l | 甘的一”“( z ) 。 鄹： 彳( z ) ：三 p o ) + q ( z ) 】 ( 2 3 0 ) u j 以证明，当 ( z ) 的零点谯z 平面的单位圆内时。p ( z ) 和q ( z ) 的零点都相 单位菡土，并骢掰靛增热交骜爨瞧。 8 第_ 二章语音编码的基本j j u 识 改写a ( z ) 和z - ( p + 1 ) a ( z 。) 为 “( z ) = 1 “i z 一席2 ：_ 。一一目n z z - ( p + l 爿( 皇) = ：一+ ”一稃l 三”一矗2 。“”一群p 2 一 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) i t j 以州川 ； j p ( 。) = 1 一8 l + “p ) z 一 2 + “p i ) 孑一( 群p + 疆i ) z 一一z 一一 ( 2 3 3 ) 9 ( g ) = t 一( d l f l p ) z 一疗2 一( 1 p - t ) 孑2 一- - 一( 痒n g ) z 一一三一“h 2 ( 2 3 4 ) 可见p ( z ) 怒一个对称系数的p + l 阶多项式；而q ( z ) 则是一个反对称系数的 ，+ 1 除多项式，因此它 | 、j 都舂共辘懿复禳，阐辩它们潺有l 静实蔽。帮： p ( z ) ! 二一= 0 q ( z ) b = 0 ( 2 3 5 ) 因为p ( z ) 和o ( z ) 的零点都诒单位网上，所以设p ( z ) 和q ( z ) 的共轭簸根形式 为z ? = g ”。又暇兔： ( 1 一z - i c ”) ( 1 一z - i e 一7 ”) = 1 2 c o s t a ，z “+ z 一2 ( 2 3 6 ) 若阶数p 是偶数，p ( z ) 的零, i i 、i 为e “- 。q ( z ) 的零点为p “，那么p ( z ) 和q ( z ) 可写成下列因式分解形式； 尸( z ) = ( 1 + = 一) 兀二2 ( 1 2 c 0 8 彩，z 一+ z - 2 ) q ( z ) = ( 1 - z - i ) n ：2 ( 1 - 2 c o s 0z “+ z - 2 ) d o 和谚按下列关系排列： 0 国l 舅 p 2 0 5 ，2 0 口，2 露 ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 2 ，3 兮) 系数脚，和0 ，成刘出现，反腴r 谱的特征，称之为“线谱对”。它们是线谱对 分析所要求解的参数。p ( z ) 硐iq ( z ) 的零点相互分离，是保证合成滤波器 h ( z ) = l 4 ( z ) 稳定瓣充分必要条件；事实土它探i y t 在攀位圜t ，亦帮任意馥 下p ( z ) 謦目q ( z ) 不可能同时为0 。 当p 为奇数时，露良同样求俺线谱对参数盼裳达式。 由p 个l s p 参数构成的p 维火量称为l s p 特征矢量，它有以f 特点：i ，| | j 个l s p 特征矢量的突变，可以用它翻豹歇氏距离乎方僮度量；2 ，幽 壬倪一个l s p 特征矢墩反向求解l p c 合成滤波器爿( z ) = l 彳( 2 ) ，所的到的声道传输函数必然 9 豁章语爵编码的燕奉知识 是稳定豹，这对予语音壤璐寒凌恳掇其重装豹饶点；3 ，l s p 参数虢反映声遂疆 度谱的特点，在幅度大处，各个分布较密，反之较疏；4 ，改变特征矢量中某 个，的数值，只影响该频举附近的局部幅度谱，这一性质非常有用，例如在对 | 。s p 送行矢爨基化时，可以把跨耄i | ：矢量分裂成多个 鑫维矢爨塞迷行，不汉司大大 溅小计算量、存储碴和训练量，呸可以使熬体质鬣得到傈持。由于l s p 参数拥 有众多的优点，它在中、低速率n 勺参数混合编码中，得到了广泛的应用。 求怨线落对参数瑟是袋解多l 囊式p ( z ) 秘q ( z ) 静关予z 黥稷。当a ( z ) 静系数 ( 线性预测系数 甜， ) 求出后，【叮以采用下面的方法求解p ( z ) 和q ( z ) 的零点。 ( 1 ) 用代数方程式求筱 ，1 t ，l 一2 z - ic o s ( “# + z - i 一( 2 z - 1 ) “n 二，( 竿- - c o s 0 9 j ) ( 2 那么通过变换 三+ z _ 2 i 丁i 一一刊0 8 出邓 ( 2 4 1 ) 可以得到尸( z ) ( 1 + z 。) = 0 和o ( z ) ( 1 一z “) = 0 跫关于x 的一对n 2 次代数方 程缀。因此阿以弱牛顿迭代法幕求薅。 ( 2 ) d f t 法 对p ( z ) 和q ( z ) 的系数求傅承叶变换，得到： 一，塑 = e “( k = o ，l ，一1 ) ( 2 4 2 ) 各点的慎，摄接；薄点阉嵌入零点的内插，能够撰建零点，利用关系式 2 + 3 9 ) ， 司+ 彼查找零点的计算量大大减少，可以 正宓n 值取6 4 1 2 8 ，就能够满足要求。 2 器语音信号静矢量蠹仡： 矢量量化( v e c f o rq u a n t i z u t i o n ) 是一种极其藿要的信号上琏缡方法。娥纯 t 以分为两大裘：“类是耨羹羹琵，舅一癸是矢羹藿纯。耘量量纯是将取样后 的信号逐个地进行趋化，而矢量量化是将若干个标量数据构成一个矢量，然后 在矢量空潮中给以憋体量他，姨愿簸缀了数据两不损失多少信息。 矢量量仡的过称是：将语音荒号波形的k 个采样点或k 个参数的繇一参数帧， 构成k 维空mr q 个矢撼然后对这个矢量进行“集体”蟥化。通常所跳的 椽蘩量佬，也哥鼓淹廷k = l 懿一绫矢量塞纯。在矢燕量纯时，祷k 维无陵空闽 划分为m 个边界，然后将输入信i ，的矢量与这些边界进行比较，并被量化为“距 离”最小区域边界构中心矢慧值， 矢量量仡有两个主要闻惩：l ，如何将k 维无限空阍划分为m 个区域边界， 这个过程称为“训练”或建立码本。方法慰将大量处理的信号波形帧矢量或参 数犊矢量进行统计划分，遴步臻定这些划分边雾绣对应的中心矢量蓬柬霉到 码本。2 ，如何确定两矢量在进行比较时的测度。这个测度就是两矢量之间的距 0 第二靠语音编码的基本知识 离，或以其中某一个矢量为基准时的失真度。理想的失真测度应具有主观上有 意义( 即最小的失真应对应予最好的主观语言质量) 和易于处理的特点，常用 的为欧氏距离和线性预测失真测度。 矢量量化的原理如图2 3 ： 图2 - - 3 矢量量化原理图 矢量量化器的设计就是从大量信号样本中训练出好的码本，从实际效果出发 寻找到好的失真测度定义公式，设计出最佳的量化系统。输入矢量被量化后， 得到的是码本中与该矢量之间具有最小失真的某码本矢量的角标( 或地址码) ， 这些角标就是作为存储或传输的参数。 在对l s p 矢量进行量化时，可以采用分裂式矢量量化，这是因为l s p 特征矢 量的各个分量虽然属于一个整体，但是它们对于幅度谱的影响只局限于各自的 频率区域内，这就有可能将一个维数较多的特征矢量分裂成几个维效较低的矢 量分别进行矢量量化。 2 6 码激励线性预测编码( c e l p c ) ： 用最佳码矢量作为激励信号可以使线性预测声码器在8 k b i s s 传输码率时 具有较高的语音质量。并有可能使码率下降到4 8 k b i s s 。这使得用无线电窄带 信道和用电话线实现点对点数字通信成为可能。图2 4 给出了这种方法的工作 原理： 码术 图2 4c e l p c 的基本工作原理 由于频谱包络信息由比较短的帧欧 语音巾求山，而音调倌息( 细微结构) 由 比较k 的帧长语音中求出，所以称前者为短时延相关滤波，而后者称为长时延 相关滤波。图中每帧所需的激励序列选自某个周定码本中的一个波形样本码矢 第二章语音编码的捧奉知识 簧，当掰这个码矢壤去激励合成滤波器时，产生的合成语音和原始语音之闻懿 感觉误差最小。这种声码器称为激励声码器。 产生鹃本中这k 令玛矢量豹+ 秘方法是蠲v 蛰麸大鳖线拣琰溅残差廖列中； l 聚类的方法产生，但运算量太人。因为在确定码矢量时，还必须汁算每个予页测 残差序列所产生的合成语音。另一种方法是用高斯百噪声序列随机的生成，其 裰箍怒语音信号经线髓颈灞( 毽话长辩预测) 后静袋装信号羧近高斯分布。采 用后一种方法时又称为随机激励编码器，其优点是码矢量可以在发遴端和接收 端网步粒朝时产生，从嚣节省太藿於存继空潮。 。 篓罴兰! ! ! = ! ! ：! ! ! ：! 璺堡堂蕊 第三章i t u tg 7 2 3 i 算法研究 3 。i 缡褥器： 编码器输入魁摸拟语音俄v 先按照g 7 1 2 橼准逊行电话带僦的滤波，冉以 8 k 逮率袋襻，势避行t 6 b i t 绞嚣j 壤码嚣豹线瀑p c m 璃。解玛器拣赣窭楚经过耦 反处理，还原的模拟语音信号 缡媳器的撼潮如下： r 一一一 、i ”1 1 横辩解码器 阕3 - 1 编硒器原理 3 1 1 分帧： 编鹦嚣憋缓存熬连续谖誊信1 ? 鹣采撵馕y 殛 ，分赖藏为2 4 0 个采搀点犊 信孥s 蕊】，每旗4 霉分n n + 1 2 0 个慕样点瘸子慕音磺溅，焉穆1 2 0 个袋徉 分为两个子帧。这样，缚帧2 4 0 个采样点分为4 个6 0 样点的予帧。 髫舞编隅嚣蘩魁8 k 速率采簿，遥裙缡玛器熬簿一赖就为3 0 m s ( 2 4 0 8 0 0 0 第三章i t u tg 7 2 31 算法研究 3 1 2 高通滤波器： 为了去除输入信号s n 的直流成份，加个高通滤波器。高通滤波器的输出 为x f n 3 ，n = 0 2 3 9 ，箕傣遂函数淘： 球，。鲁2 西1 - - z 姒；， 1 2 8 。 菠通滤波爨豹俄递函数忿蓉裂为： 3 - 2 高通滤波器( 编6 马器) 的传递函数 实爨对，可以分褥戏f i r 嚣努嚣i i r 部分，戳蠖程序实现。 f i r ：a ( n ) = s ( n ) 一h ( n i ) 1 0 i i r ；b 翻) = 竺量x ( n 1 ) 1 2 8 x ( n ) = a ( n ) + b ( n )n = 0 2 3 9 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 3 1 。3l p c 分析： 赢通扁的信号x ( n ) ，用米做l o 除l p c 分析。 穰据上一章酶分耩，对予每一予犊，诗箨一组1 0 陵l p c 参数。先震一个长 为1 8 0 样点的汉明窗进行加窗，窗的中心为当前予帧。利用加窗聪的信号计算 1 1 个自摆关系数r o 】r h o 。对予计算熬1 1 个窦穗关系数要进撂调整，a o 用白嗓声系数( 1 0 2 5 1 0 2 4 ) 进行调箍，鄢r o = rc o ( 1 + 1 1 0 2 4 ) ；其它的l o 个自相关系数与- - s , j t 式窗系数相朵。 疑嚣，利用i ，e v i n s o n d u r b i “雾法，谤舞l p c 参数。 每帧将计算4 维l p c 参数“，( 每子帧组) ，这4 组l p c 参数将羽来建奇： 短辩感觉加裰滤波器。 1 0 阶l p c 滤波器的定义如下： 1 a ，( = ) = i 乒1 0 i 35 ) 卜乙p i 国z 菸t | ti 为子l 陵索孳| ，敬僮范 磊为 ) 3 。 3 。1 4l s p 爨住嚣； 利用预测分裂矢量量化器( p r e d i c t i v es p l i tv e c t o rq u a n t i z e r ) 对l ，陀 滤波器戆麓三予梭a ，：) 避磐萋= 纯。注意纹篱三孑犊豹l p c 参数进行鲞耽( 蔟余 升| i i 的l , p c 参数只川作感觉自n 权滤波器) ，鞲化的过程如下： 茹点窀j 弼一fg7 2 3 1 簿法磅宄 3 1 。4 1 掩子赎黪l o 个l p c 参 a ， 乩换受l o 个馥惫浆i 。辨参鼗 或k m ，m 转换分为以下儿步： ( i ) 蒋l ) c 参数舷争参瓣频繁扩鼹7 。5 h z ) ，鞭鼹l p c 综合溶液嚣戆穰点恭敬 “个因予0 9 9 4 。柏：程序上可以埘1 0 个l p c 参数 口，) 圳，o 直接滚以以个相应 的系数( “i 乘阻0 ，9 9 4 ，嘞乘以( ) 9 9 4 1 2 。- a 、o 乘吼0 9 9 4 “1 0 ) 。 ( 2 ) 话算p ( z ) 翻q ( z ) 魏多矮式形式。出上章能l s p 分橱可絮： 。裂1 j 裳2 矿一+ a g ) z 溉一津。； ( 3 6 ) 篇+ 二q 一 擘l 十球髅三一一群2一。薛罅十群 ) ：q ”； 。：i 篓尝- - “a 0 ：吲。涵。一沙， ( 3 - 7 ) 黧一z 叫。疑疆擗) 一( 嚣 一岛) 一，t t f 蠢l 。一档l 三一。l 其中：一1 为，( ) 豹摄，+ 1 为q ( = ) 豹擞。 设即) = 羚，q ( z ) m 五q u ) i 。顶式肛卅l 根后 戆多矮式魏澎式。 则：p ( z ) 和q ( 2 ) 各有5 个兆轭根单位黼上，其形式可写作： 尹( # ) = 羹( 1 2 q , z 。+ ：j ) 3 8 ) q ( = 门( 1 2 q ；。“+ 二) ( 3 9 ) q ，= c o s ( o ) ，) ，l ：t l l 为g 7 2 3 i 标准所求解的l s p 参数( p ：k 州。一。c o ，即题所谓 瀚l s p ，满足0 甜 d 0 2 f 疗，蒸其有辩称的往艨。 实器藏瘸中，铡耀长除瀚驰= 轰等娟萨臀 毙到 ) ( z ) 求蟛，设其系数为：，0 i 1 0 。鄹： 长除法静形式为 1一 ( “；+ 群 # ) 掌一 一 ( 疗2 搿) ? ”4 ，- l十z 一。 一( c ， + d i o + 1 ) = - 。 ( 掰2 + d 9 ) 嚣”2 一， 一( 尊l + 拜f o 十五) ：一 _ 一盘l 十娃瓣十、焉) ；一2 一( d2 十甜9 十一) z 一2 ( 文】0 ) 类繁，霹强海裂： = 1 = 一矗一a 一“ 。 ，；= 一，：一贯： a = - 4 一d 3 一( “ 磊= 式一球d “7 a = 一六一a 5 ( “ 遴为默z ) 是个霹磁；多域式，哭求出葵薅5 崩i 系数罄 甄藩5 。垂系数满足这 样个递推关系( j i 中一( f ) 对鹿严。_ ，：) ： ( f + 1 ) = - ；( i ) - a , + f 一( ，m ，0 i 4( 3 1 2 ) z ( o ) = l( 3 3 ) i 司样，