（计算机应用技术专业论文）基于dsp的语音编解码系统研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号i t n 9 1 2 3 学科分类号 5 l o 4 0 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 6 9 9 密级 无 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 何心莹 学号 2 0 0 8 0 0 0 6 9 9 获学位专业名称 计算机应用技术获学位专业代码0 8 1 2 0 3 课题来源 校级项目研究方向语音信号处理 论文题目基于d s p 的语音编解码系统研究 关键词语音编码；g 7 2 9 ；d s p ；算法优化 论文答辩日期 2 0 1 l 一5 2 6 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师聂伟副教授北京化工大学移动通信，信号处理 评阅人l袁洪芳副教授北京化工大学故障诊断 评阅人2胡伟副教授北京化工大学计算机图形学 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席王学伟教授北京化工大学电子信息与测控 答辩委员l张凤元副教授北京化工大学密码学与信息安全 答辩委员2袁洪芳副教授北京化工大学故障诊断 答辩委员3尤枫副教授北京化工大学软件测试 答辩委员4胡伟副教授北京化工大学计算机图形学 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) ( ( 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 基于d s p 的语音编解码系统研究 摘要 语音信号处理是现代通信研究的重要内容之一，语音压缩编码 作为其关键技术，如今得到了极大的发展。因此对语音编码相关知 识的深入学习、理解和研究，具有重要的意义。 本文通过查阅相关文献，对当前主要的语音编码算法进行对比 与分析，在深入研究语音编码关键技术的基础上，着重对g 7 2 9 算 法的原理进行了分析研究。由于该算法在低速率语音编码中具有一 定的代表性，本文采用g 7 2 9 算法作为核心编码算法。针对其算法 特点，系统采用d s p 芯片作为核心处理器，设计出一款通用性及可 扩展性强、具有模块化特性的语音编解码硬件平台，并在此平台上 进行了软件部分的模块化设计。针对g 7 2 9 算法标准源码代码效率 低、执行时间长的不足，本文着重从算法精简、代码优化等方面对 源代码进行了优化。优化后的算法在保证了高质量语音输出的同时， 提高了编码效率，实现了对语音信号的实时处理。鉴于以上特点， 本系统除了作为语音编解码器使用外，更适合用于语音信号处理的 实验教学，为学生学习和实践提供软硬件平台。本文最后对系统进 行了性能测试与分析，分析结果表明，该语音编解码系统指标满足 设计要求，系统运行稳定。 北京化t 人学颀i j 学位论文 关键词：语音编码；g 7 2 9 ；d s p ；算法优化 i i a b s t r a c t r e s e a r c ho f s p e e c hc o d e cs y s t e mb a s e do n d s p a b s t r a c t s p e e c hs i g n a lp r o c e s s i n g i sa n i m p o r t a n tp a r t o fm o d e m c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h ，s p e e c hc o m p r e s s i o nc o d i n gt e c h n 0 1 0 9 ya st h e k e yo f i tn o wh a sa c h i e v e dag r e a td e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a t i m p o r t a n c et os t u d y ；u n d e r s t a n da n di n q u i i et h ev o i c ec o d i n g r e l a t e d t e c h n o l o g y t h r o u g ha c c e s st or e l e v a n tl i t e r a t u r e ，t h ec u r r e n tm 旬o rs p e e c h c o d i n g a l g o r i t h m sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d b a s e do ni n d e p t hs t l 】d yo fk e y t e c h n o l o g yf o rs p e e c hc o d in g ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ft h e g 7 2 9a l g o r i t h m b e i n gar e p r e s e n t a t i v ea l g o r i t h mi nl o wb i tr a t es p e e c h c o d i n g ，g 7 2 9w a sa d o p t e da st h ec o r ec o d i n ga l g o r i t h mi nt h ec u r r e n t s t u d y f o ri t sc h a r a c t e r i s t i c so fa l g o r i t h m ，t h ed s pc h i pw a su s e da st h e c o r ep r o c e s s o ro ft h es y s t e m ，a n dav e r s a t i l ea n ds c a l a b l ev o i c ec o d e c h a r d w a r ep l a t f o mw i t hm o d u l a rc h a r a c t e r i s t i c sw a sd e v e l o p e d ，a n dt h e s o r w a r eo nt h i sp l a t f o r mw a sa l s od e s i g n e d i no r d e rt oo v e r c o m et h e s h o r t c o m i n g so ft h es t a n d a r da l g o r i t h mo fg 7 2 9 ，i e 1 0 we 伍c i e n c ya n d 1 0 n ge x e c u t i o nt i m e ，t h ep a p e rf o c u s e do ns t r e a m l i n i n gt h ea l g o r i t h m s ， c o d ea n do t h e r st om a k et h es o u i ec o d eo p t i m i z e d t h eo p t i m i z e d 北京化t 人学硕 ：学位论义 a l g o n t h mi m p r o v e dt h ec o d i n ge m c i e n c y ，w h i l ee n s u r e dh i g h q u a l i t y v o i c eo u t p u t ，r e a l i z i n gt h er e a l t i m es p e e c hs i g n a lp r o c e s s i n g i nv i e w o ft h ea b o v ec h a r a c t e r i s t i c s ，i na d d i t i o nt ot h eu s ea sas p e e c hc o d e c ，t h e s y s t e m i sm o r es u i t a b l ef o r s p e e c hs i g n a lp r o c e s s i n ge d u c a t i o n ， p r o v i d i n gs t u d e n t sah a r d w a r ea n ds o r w a r ep l a t f o mf o rl e a m i n ga n d p r a c t i c i n g f i n a l l y ；t h ep e r f o n n a n c eo ft h es y s t e mw a sa n a l y z e da n d e v a l u a t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n d i c a t o r so ft h es p e e c hc o d e c s y s t e mm e e tt h ed e s 远nr e q u i r e m e n t s ，a n dt h es y s t e mi ss t a b l e k e y w o r d s ：s p e e c hc o d e c ，g 7 2 9 ，d s p ，a l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n i v 1 1引言l 1 2 课题的背景和意义1 1 2 1 语音编码技术概述及发展1 1 2 2 数字信号处理器( d s p ) 概述3 1 2 3 移动通信系统中的语音编码技术4 1 3 论文研究的目的及主要内容6 第二章语音编码原理及系统整体设计。7 2 1 语音信号模型7 2 2 语音编码关键技术8 2 2 1 线性预测分析8 2 2 2 矢量量化1 l 2 2 3 码激励线性预测编码1 2 2 3g 7 2 9 编码器原理分析13 2 4g 7 2 9 解码器原理分析1 5 2 5 系统整体结构设计1 6 2 5 1 系统设计要求1 6 2 5 2 系统整体框图1 6 2 6 本章小结。l7 第三章系统的硬件设计1 8 3 1 硬件电路整体结构1 8 3 2d s p 核心模块电路设计1 8 3 2 1d s p 核心芯片电路配置1 8 3 2 2 电源模块设计2 l 3 2 3 外围存储器与c p l d 模块设计2 2 3 3 音频接口模块电路设计一2 6 3 3 1 多通道缓冲串口m c b s p 简介2 6 3 3 2 音频芯片t l v 3 2 0 a i c 2 3 简介2 8 3 3 3v c 5 4 1 6 与a i c 2 3 接口设计2 8 3 4 本章小结3 0 v 北京化t 人学顾 ：学位论文 第四章系统的软件设计3 l 4 1 软件整体结构设计3 1 4 2 音频接口模块3 2 4 3 数字接口模块3 2 4 4c p l d 控制模块3 3 4 5 语音处理模块3 5 4 5 1 语音编码部分3 5 4 5 2 语音解码部分3 7 4 6 本章小结3 7 第五章g 7 2 9 算法优化3 9 5 1 代码的移植3 9 5 2 算法精简4 0 5 2 1 自适应码本搜索4 0 5 2 2 固定码本搜索4 2 5 2 3 增益量化4 3 5 2 4l s p 量化4 3 5 3 代码优化4 5 5 4 本章小结4 8 第六章系统测试及性能分析4 9 6 1 测试环境4 9 6 2 算法复杂度分析j 5 0 6 3 语音质量分析5 0 6 4 本章小结5 l 第七章结论与展望5 2 参考文献5 3 致 射。5 5 攻读学位期间发表的论文目录5 7 作者和导师简介。5 9 v i 2 1v o i c es i 印a lm o d e 7 2 2k e y t e c h n o l o g i e si nv o i c ee n c o d i n g 8 2 2 1l i n e a rp r e d i c t i v ec o d i n g 8 2 2 2v e c t o rq u a n t i f i c a t i o n 1 1 2 2 3c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n 13 2 3p r i n c i p l eo f t h eg 7 2 9e n c o d e r 一1 3 2 4p r i n c i p l eo ft h eg 7 2 9d e c o d e r 15 2 5s y s t e n li n t e 黟a t i v es t m c t u r a ld e s i 印1 6 2 5 1r e q u i r 锄e n t so fs y s t 锄d e s i g n 16 2 5 2s y s t e mi n t e 黟a t e db l o c kd i a 黟锄1 6 2 6s u i t l m e 巧17 c h a p t e r 3s y s t e mh a r d w a r ed e s i g n 。”l8 3 11 1 1 t e 擎a t i v es t m c t l l r eo f h a r d w a r ec i r c u i 。1 8 3 2c i r c u i td e s i 印o f d s pc o r em o d u l e ：1 8 3 2 1c i r c u i td e s i g no f t h ed s p c o r ec h i p 1 8 3 2 2d e s i 印o fm ep o w e rm o d u l e 2 1 3 2 3p e r i p h e r a ls t o r a g ea n dt h ed e s i g no fc p l dm o d u l e 2 2 3 3c i r c u i td e s i 5 乳o f t h ea u d i oi n t e r f a c em o d u l e 2 6 3 3 1a no v e i e wo nt h em u l t i c h 锄e lb u 丘e r e ds e r i a lp o r t ( m c b s p ) 2 6 3 3 2a no v e i e wo nt h ea u d i o 出pt l v 3 2 0 a i c 2 3 2 8 3 3 3v c 5 4 1 6a i l da i c 2 3i n t e 渤c ed e s i 乒2 9 v i i 北京化t 人学顾i ：学位论文 3 4s 啪m e 巧3 0 c h a p t e r 2s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 。31 4 1m t e 伊a t i v es t n j c t u r a ld e s i g no fs o 胁a r e 3l 4 2a u d i oi n t e a c em o d u l e 一3 2 4 3d i 百t a l i n t e m c em o d u l e 3 3 4 4t h ec p l dc o n t r o lm o d u l e 3 3 4 5t h ev o i c ep r o c e s s i n gm o d u l e 3 5 4 5 1v o i c ee n c o d e r 3 5 4 5 2v o i c ed e c o d e r 3 7 4 6s u m m e 巧3 8 c h a p t e r5o p t i m i z a t i o no f t h eg 7 2 9a l g o r i t h m 3 9 5 1c o d ep o r t i n g 3 9 5 2s i m p l i f i c a t i o no f t h ea l g o r i t h m 4 0 5 2 1a d a p t i v ec o d e i b o o ks e a r c h 4 0 5 2 2f i x e dc o d e b o o ks e a r c h 4 2 5 2 3g a i nq u a n t i z a t i o n 4 3 5 2 4l s pq u a n t i z a t i o n 4 3 5 3c o d eo p t i m i z a t i o n 一4 5 5 4s u m m e 巧4 8 c h a p t e r6s y s t e mt e s t i n ga n dp e r f 0 r m a n c ea n a l y s e s 。4 9 6 1t e s te n v i i o 衄e n t 4 9 6 2a n a l y s i so fa l g o r i t c o m p l e x i t y 4 9 6 3a n a l y s i so f v o i c eq u a l i t y 5 0 6 4s 啪m e 拶51 c h a p t e r7c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t i o n 。5 2 r e f e r e n c e s 。5 3 a c l m o w i e d g e m e n t 5 5 s c i e n c ep a p e rp u b l i s h e d 5 7 b r i e fi n t r o d u c t i o nt oa u t h o r ”一”“”一”一一”5 9 v i l i 服务质量要求的不断提高，带宽资源也显得十分紧张，为了在有限带宽下传输 更多路语音，进行语音压缩编码的研究就显得特别的重要【l 】。因此，对语音编 码相关知识的深入学习、理解和研究，对通信类专业的学生具有重要的意义。 随着语音编码技术的不断提高，许多低速率、高质量的语音编码标准也陆 续被提出来，这些语音编码大多是基于线性预测，采用合成分析技术的混合编 码，其中的关键技术从理论层面上学起来既乏味又难懂，若没有实验教学环节， 很不利于学生掌握。实验教学首先是对理论知识的验证；其次也使学生对理论 知识有了更深入的理解，便于进一步研究的开展：此外，对学生的动手能力、 分析能力以及创新能力的提高都有很大帮助。因此，需要设计一套既能使学生 深入掌握语音编码中的关键技术，又能切实提高学生各方面能力的语音编码系 统。 d s p 以其接口简单、方便、精度高、集成方便、稳定性好等优点被广泛应 用于各个领域。使用d s p 系统实现语音压缩算法，不但可以满足该算法在运算 量及运算速度方面的要求，而且相对于专用集成电路来说，以通用的硬件平台 来完成系统功能，使系统易于更新换代和二次开发，这也j 下是实验教学平台的 研究重点。 1 2 课题的背景和意义 1 2 1 语音编码技术概述及发展 语音是人类进行直接交流的最主要工具。现代通信技术飞速发展，虽然图 像、数据等非语音信号在总通信信息中所占比例大大提高，但语音信号的传输 依然占据着十分重要的位置。数字通信系统要对语音信号进行传输，首先要使 其经过模数转换，把模拟语音信号转化成数字信号，这就是最原始的语音编码。 但是这样直接地由连续语音抽样量化得到的数字语音，在传输过程中会造成信 道资源的浪费，同时又需要大量的存储空间对其进行存储。在目前的通信系统 中，用户的数量正在大幅度增长，同时，用户对通话质量的要求也越来越高， 北京化t 人学硕i ? 学位论义 这使得带宽资源日显贫乏，为了在有限的带宽资源下传输尽可能多路的语音， 就要求对语音信号进行压缩编码。实际上，语音信号中所含信息并非都是有用 信息，还包含很大一部分的冗余信息，那么利用信源编码技术来去除这些冗余， 就可以将编码速率大幅度压缩，恢复出自然可懂的语音信号。语音压缩编码技 术总体上可分为三类：波形编码、参数编码及混合编到2 1 。 波形编码适应能力强、语音质量好，重建后语音与原始语音在时域上波形 最为接近，但其编码比特率最高，在1 6 k b p s 6 4 k b p s 之间，一般很难进一步下 降。自适增量调制( a d m ) 、脉冲编码调制( p c m ) 、自适差分编码( a d p c m ) 、自 适应变换编码( a t c ) 和子带编码( s b c ) 等都属于这类编码。参数编码的语音编码 速率较低( 2 4 k b i t s 或更低) ，合成语音可t 剖生强，但音质较差、自然度低，且算 法复杂度高，同时其声码器对环境噪卢敏感度较高；混合编码是将波形编码和 参数编码相结合，在保留了波形编码和参数编码优点的同时，克服了它们的缺 点，在4 k b i t s 1 6 k b i t s 速率上能够得到高质量的合成语音。多脉冲激励线性预 测( m p e l p ) 编码、码激励线性预测( c e l p ) 编码和规则脉冲激励线性预测 ( r p e l p ) 编码等，都属于混合编码。混合编码正处于快速发展时期，目前依 然有许多新的编码算法陆续出现。 长久以来，语音编码技术的发展一直体现在国际标准的制定上。1 9 7 2 年， 国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 制定了g 7 l l 语音编码标准，即关于6 4 k b i t s 的脉冲码调制。但在这之后相当长的一段时问内，因碍于当时计算机、编码及 集成电路等技术发展的限制，语音编码技术的发展一直处于停滞状态。这种状 态一直持续到1 9 8 4 年，这一年c c i t t 公布了g 7 2 1 建议，即关于3 2 k b i t s 自 适应差分脉码调制( a d p c m ) 编码标准，并在1 9 8 6 年进行了修改，这两个标准 适用于2 0 0 h z 至3 4 l z 窄带语音信号，已应用于公共电话网【3 】。 近二十几年来，为了使信道资源得到最合理的利用，c c i t t 等国际组织一 直致力于对语音压缩编码的研究，语音编码的研究方向也转向以码激励线性预 测( c e l p ) 为核心的线性预测分析合成编码方面。目前，在4 l 曲i t s 1 6 k b i t s 的码率范围内较成功的语音编码方案都基于c e l p 技术，如g 7 2 9 标准及g 7 2 3 1 标准等，这些编码方案的主要区别在于激励源码本的构造和搜索方法不同【4 】。 国际电信联盟( i t u ) 于1 9 9 6 年公布了g 7 2 9 标准，即共轭结构算术码本激 励线性预测( c s a c e l p ) 编码，编码速率为8 k b i t s ，由于其较高的语音质量 和较低的延时，被广泛地应用在数据通信的各个领域，如卫星通信、v o i p 和个 人移动通信等。g 7 2 9 标准本身是针对长途语音通信而设计的，但却由于算法复 杂度过高，不适于用在网络多媒体通信中。为了使该算法能够更广泛的应用， 同年1 1 月i t u t 又补充了g 7 2 9 的简化版本：g 7 2 9 a ，它与标准版本相比虽然 2 第一章绪论 语音质量稍有下降，但算法复杂度同时也降低很多。随后，针对不同的应用场 合，i t u t 制定了g 7 2 9 标准的一系列衍生版本：如更适于移动通信、卫星通 信的g 7 2 9 b ，它在标准算法的基础上采用变速率编码技术，并且增加了静音检 测功能，从而使平均速率降到4 l 曲i t s ；1 9 9 8 年制定的用于i p 电话和可视电话 的g 7 2 9 d ，它对原算法进行了低速率扩展，使得在6 4 k b i t s 的码率上依然能够 拥有良好的语音质量；同年，i t u t 还针对音乐信号的处理，制定了高速率扩 展标准g 7 2 9 e ，编码速率为1 1 8 k b i t s ，使其在多媒体通信中得到更广泛的应用； 此外，i t u t 还制定了g 7 2 9 c 标准，用于g 7 2 9 的某些浮点应用【5 】。 近几年来，i t u 致力于制定4 k b s 的语音编码国际标准，力图在低速率下达 到长途质量。我罔也研制了o 6 k b s 、1 2 k b s 、2 4 k b s 及其它速率语音压缩编码 算法，己达到并超过了国外同速率编码的质量。同时，变速语音编码技术在保 证重建信号质量的条件下，能够进一步压缩编码速率，已被应用于第三代移动 通信( 3 g ) 三大主流技术t d s c d m a 、w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 中，而在数字 通信、卫星通信等系统中也逐渐开始采用变速语音编码技术。因此，低速率、 极低速率以及变速率的语音编码技术必将成为今后语音编码研究和发展的重要 方向。 1 2 2 数字信号处理器( d s p ) 概述 数字信号处理器( d i 百t a ls i 印a lp r o c e s s o rd s p ) 是以高速数字信号处理作 为目标的器件，它凭借其独特的硬件结构和出色的运算能力，在电子、通信、 音频及图像处理等领域都得到了十分迅速的发展。 d s p 采用改进的哈佛结构、内部具有硬件乘法器、应用流水线技术、具有 良好的并行性和专门用于数字信号处理的指令等特点【6 】。与传统的处理器相比 具有以下优点： ( 1 ) 精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 。5 的精度； ( 2 ) 可靠性及稳定性高，不易受元器件参数性能及外部温度、环境变化的影 响； ( 3 ) 接口简单、方便，软件容易修改和升级； ( 4 ) 可实现如线性相位滤波器等模拟系统中不能实现的特殊功能； ( 5 ) 可以分时复用，共享处理器； ( 6 ) 集成方便，由于其具有有高度的规范的数字部件，适合进行大规模集成 【7 】 o 当然，d s p 芯片在某些方面也存在一定的缺点，如在信号处理前要先进行 模数转换；受采样频率的限制，处理频率范围有限；高频时钟会带来高频干扰 北京化丁人学硕1 ：学位论文 等。因此，为了发挥d s p 的优点和最大性能，一般将其d s p 广泛应用于基带 和中频信号处理中。 d s p 芯片根据其工作的数据格式可以分为定点d s p 和浮点d s p ，其主要区 别在于内部运算数据的小数点位置是固定的还是浮动的，在对运算精度要求较 高的场合一般选用浮点d s p ，但是由于其价位较高，对于一般的信号处理选用 定点d s p 即可。按d s p 用途，可将其分为通用型d s p 和专用型d s p 。通用型 d s p 适合一般的数字信号处理应用，如t i 公司的一系列d s p 芯片都属于通用 d s p 芯片。专用型d s p 芯片更适合如数字滤波、卷积、f f t 等特定的d s p 运 算。 d s p 芯片的选型主要根据实际需求，从芯片处理速度、功耗、程序存储器 和数据存储器的容量、片内的资源，如定时器的数量、i o 口数量、中断数量、 d m a 通道数等方面考虑。d s p 的主要供应商有t i 、a d i 、m o t o r o l a 、l u c e n t 和 z i l o g 等，其中t i 以其雄厚的实力在业界占有最大的市场份额。t i 主流d s p 有 三大系列： t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列是控制器系列，包含1 6 位c 2 4 x x 和3 2 位c 2 8 ) 【】【的定 点d s p 。其针对控制领域进行了优化配置，拥有大量的外设资源，它的异步串 口能够同p c 机的u a i 玎相连接，这也是它与t i 其他系列d s p 的一个重要区 别。 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列是定点低功耗系列，包含代码兼容的定点c 5 4 x 和c 5 5 x 。 目前该系列d s p 芯片的处理速度一般在8 0 m i p s 4 0 0 m i p s 之间。由于其具有高 性能、小型封装以及低功耗等特点，适合便携式上网、手持通讯、等对功耗要 求较高的领域。 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列是高性能的系列，包含3 2 位的定点c 6 2 x 和c 6 4 x 以及 浮点c 6 7 x 。常用的芯片处理速度可达8 0 0 m i p s 至2 4 0 0 m i p s ，而其最高芯片速 度达到1 g h z ，适合宽带网络、图像、影像、雷达等处理应用【引。 本系统的核心是进行语音信号的编解码，适合在t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 平台上来 实现。综合考虑对片上资源的需求、处理速度的要求等，这罩选用了c 5 4 x 系 列的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 芯片来作为语音处理的核心芯片。 1 2 3 移动通信系统中的语音编码技术 现有的移动通信网络仍主要以第二代移动通信的g s m 和c d m a 为主。 g s m ( g 1 0 b a ls y s t e mo f m o b i l ec o m i n u n i c a t i o n 全球移动通信系统) 是由欧洲电 信标准组织e t s i 制订的数字移动通信标准，也是当前应用最广泛的移动电话标 准。它的语音编解码器采用r p e l t p ( 规则脉冲激励长时预测) 编码，每帧( 2 0 4 第一章绪论 m s ) 2 6 0b i t ，编码率为13k b i t s ，其语音质量主观平均评分( m o s ) 达3 8 。它的抗 误码性能较好，在不加任何纠错措施情况下，对于1 0 误码条件，语音质量基 本没有下降。 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s 码分多址) 系统的语音编码主要有两 种：基于码本激励线性预测编码的q c e l p 可变速率声码器和增强型可变速率 编码e v r c 。目前我国选用的是q c e l p 编码方案，可变速率有l 、1 2 、1 4 、 1 8 等4 级，每帧( 2 0m s ) 含17 2b i t ，编码率为8 6k b i t s 。语音编码质量主观评 分为3 7 ，在1 0 误码条件下，仍能保持很好的语音质量。 2 0 0 0 年5 月，国际电信联盟j 下式公布第三代移动通信标准，与过去采用固 定速率和相同容错度的语音编码方式不同，3 g 系统中采用的自适应多速率的语 音编码方式有多种编码速率，可通过选择最佳信道和编码模式水使语音质量和 系统容量得到完美组合。目i j 订3 g 系统中多速率语音编码方式主要有两种【9 j ：用 于w c d m a 的a m r ( 自适应多速率语音编码) 和用于c d m a 2 0 0 0 的s m v ( 可 选模式语音编码) 。其中a m r 语音编码由一个集成了多个传统语音编码器的信 源编码模式集来实现。为了提供语音质量和系统容量的最佳组合它会选择最适 合的信道( 半码率或全码率) 和编码模式。a m r 语音编码器由4 7 5k b i t s 到1 2 2 k b i t s 的8 种单个语音编码器组成，每帧( 2 0 m s ) 含1 6 0 个样点，采样率为8k h z 。 这8 个声码器采用的编码方式都是基于c e l p 的。s m v 算法则是基于4 种声码 器： 8 5 5k b i t s ，4 0k b i t s ，2 0k b i t ss 和o 8k b i t s 。它们同样是每帧2 0m s ， 1 6 0 个样点，采样率为8k h z ，并且是基于激励滤波器方式的。但与a m r 不同 的是，s m v 编码器的最终编码速率是用平均数据速率来表示，而不是由每个声 码器的编码速率表示的，它由一段时间内各个编码器所占的百分比所构成。 由上可知，由于实际通信的需要，目前市场上的通信系统所采用的语音编 码器编码速率较低，并且大多基于线性预测，采用激励滤波器等先进的语音编 码技术。相对而言，高校对学生语音方面的教学却略显薄弱，现有的语音编码 实验系统大多有两种情况：一种是用专用芯片直接对语音进行编解码，这种方 法简单方便，但是无法让学生体会到编码的整个过程，只是一个简单的验证性 实验，教学成果不突出；还有一种是基于d s p 芯片的p c m 编解码实验系统， 这种实验系统使学生对p c m 的编码原理有了深入的了解。但由于p c m 编码并 没有对语音信号进行压缩，所需要的编码速率高，在现实的语音编码器中应用 较少，并且没有涉及到线性预测等关键的编码技术，对学生的教学还是存在一 定的局限性。 总体来说，现有的实验系统大多能进行的只是验证性实验，或简单的p c m 编解码实验，不论软件上还是硬件上，学生的参与度都比较低，不适合国家对 5 北京化t 人学硕i ：学位论义 培养研究型人的要求，需要改进的地方还很多。 1 3 论文研究的目的及主要内容 本文主要研究了基于d s p 的语音编解码系统，课题来源于北京化工大学第四 批本科教育教学改革项目“电子通信类创新实验平台建设”。旨在设计一套先进的 语音编解码系统的同时，为学生学习和实践提供一个更好的平台，使其在掌握理 论知谚 的同时，能够真j 下的参与到系统的设计和实现中来，从而使其综合能力得 到切实提高】。 本文研究的主要内容包括如下几个部分： ( 1 ) 对当日订主要的语音编码技术进行分析和研究，着重研究了g 7 2 9 算法所 涉及的关键技术； ( 2 ) 对g 7 2 9 算法的原理及标准源代码进行深入的理解和研究； ( 3 ) 以d s p 芯片为核心，对系统的硬件平台进行模块化设计，包括d s p 核 心模块设计、音频接口模块设计等； ( 4 ) 在此硬件平台基础上，对系统的软件部分进行模块化设计，包括语音 处理模块、各接口模块等； ( 5 ) 完成g 7 2 9 算法标准源代码的移植及优化，其中优化涉及到算法精简和 代码优化； ( 6 ) 对系统进行测试，并对其性能进行分析。 6 第一二章语占编码原理及系统整体设计 第二章语音编码原理及系统整体设计 2 1 语音信号模型 为了方便对语音信号进行数字处理，需要模拟语音产生过程，建立一个能够 描述其基本特性的数字模型。当今最为流行的语音信号产生模型是1 9 6 0 年f a n t 提出的种线性预测模型，这种模型以语音信号的声学特性及人类的发音过程为 基础，形象而准确的表达了语音的主要特性。 语音的形成过程如下：在发声之前，声带开口处的肌肉是收缩的，并且声带 合拢，此时其| | j 隙小于1 所脚。发音时肺部收缩送出一股自流空气，这股气流经 气管至喉头声带丌口处冲过声带缝隙，此时声带向两边扩张，缝隙增大，最大时 截面积可达到2 0 m m 左右，气流经过后声带丌口处压力下降，声带恢复至平衡 位置并继续趋向闭合，遂产生具有一定的振动周期的振动【1 2 1 。气流激励声道后， 从嘴唇或鼻孔，或者同时从嘴唇和鼻孔辐射出来，形成语音。 语音信号的数字模型是指利用数字技术产生与声波相对应的数字信号序列， 来模拟语音信号的产生过程【l 引。该模型是一种线性系统，它的参数选定之后便可 得到与原语音性质相似的输出语音。本文给出如图2 1 所示的语音信号产生的离 散系统模型。该模型分为声源和声道两部分。声源部分包括激励信号和增益控制。 浊音的激励信号由周期脉冲滤波器产生，声门脉冲滤波器是为了模拟声门气流脉 冲的波形；清音的激励信号可看作由白噪声发生器产生的白噪声。系数4 和氏 用来调节语音信号的幅度和能量，开关表示清浊音判决。话音信号频谱的精细 结构由声源束决定，而话音频谱的包络特性则由声道来决定，它由时变数字滤波 器组成。这样通过不断控制清浊音丌关、噪声源强度以及激励脉冲周期，并根 据不一样的发音来改变时变滤波器的特性，就可以输出所求的语音信号序列l l4 | 。 增益控制彳 图2 1 语音产生数字模型 f i g u r e2 - ld i g i t a lm o d e l 舶mv o i c e 简单来说，该模型的物