（计算机应用技术专业论文）第三代移动通信中amr声码器的研究.pdf

独创性声明 1 1 1 1 1 l i i l l i i i l l i i l l i l l l | i i i i l l i y 18 2 4 7 5 4 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得一 重迭由e 电太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工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 表示谢意。 学位论文作者签名：( 可跨 签字篇力7 邺 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废邮电太堂有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞由e 电太堂可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：俑夸 导师签名： 签字日期。呷年朋z 日 圈 签字日期：加- 7 年y 月叫日 重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 语音编码是通讯中一个关键技术，它直接影响到通信质量、频率利 用率和系统容量。近年来，随着第三代移动通信的发展，变速率语音压 缩编码技术得到快速发展和广泛应用。 a m r ( a d a p t i v em u i t i r a t e ，自适应多速率) 语音编解码算法是3 g p p 所提出的第三代移动通信语音编解码标准，在t d s c d m a 系统和 w c d m a 系统中得到了应用。a m r 声码器由多速率语音编码器，源速率 控制机制和差错隐藏机制三大部分组成，采用a c e l p ( a l g e b r a i cc o d e e x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ，代数码本激励线性预测) 技术，提供了1 2 2 ， 10 2 ，7 9 5 ，7 4 ，6 7 ，5 9 ，5 15 和4 7 5k b s 八种速率，可以根据当前 信道质量自适应地选择一种最佳的编码模式，从而满足不同网络或系统 的需要。 本文对a m r 声码器进行了分析和研究：首先，从a m r 算法的c 代 码出发，对其进行模块划分后作了系统分析和程序简化，并在v i s u a lc + + 6 o 下调试通过。随后，结合课题组项目，以o m a p l6 1 2 平台为核心， 设计了a m r 语音处理硬件结构。代码修改后移植到硬件平台，利用集 成开发环境c c s( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 进行效率评估。接着，结合 a m r 算法原理塑堡鲑垩台结构犍直赳定垡化左塞i 采用汇编和c 混合编 程的方法，程序框架用c 语言，运算量大处用汇编。经过反复测试和修 改，优化后代码运行效率较标准提供的c 代码有了大幅度提高。文章还 实现了一种基于o m a p 鱼1 2 笪基鲨垡化r 方敝该方法同样适用于其它代 码的优化。最后，从计算复杂度和合成语音质量两个方面对声码器性能 进行测试，取得了令人满意的效果。 关键词：语音编码，a m r ，混合编程，运行效率 a b s t r a c t a sak e yt e c h n o l o g yo ft e l e c o m m u n i c a t i o n ，s p e e c h c o d i n gd i r e c t l y i n f l u e n c e st e l e c o m m u n i c a t i o nq u a l i t y u t i l i z a t i o nr a t eo ff r e q u e n c ya n d s y s t e mc a p a c i t y n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et h i r dg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，t h ev a r i a b l er a t ec o d i n gt e c h n 0 1 0 9 yh a sb e e nr a p i d l y d e v e l o p e da n dw i d e l yu s e d a m r s p e e c hc o d e ca l g o r i t h mi s an e ws p e e c hc o d e cr e c o m m e n d a t i o n p r o d u c e db y3 g p pu s i n go nt h e 3 。d g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mt d s c d m aa n dw c d m a a m rs p e e c hc o d e rc o n s i s t s o ft h e m u l t i - r a t es p e e c hc o d e r ，a s o u r c ec o n t r o l l e dr a t es c h e m e ， a n da ne r r o r c o n c e a l m e n tm e c h a n i s m i tu s e sa c e l p ( a l g e b r a i cc o d ee x c i t e dl i n e a r p r e d i c t i o n ) t e c h n o l o g y o f f e r se i g h tc o d er a t e s ：1 2 2 ，1 0 2 ，7 9 5 ，7 4 ，6 7 ， 5 9 ，5 15a n d4 7 5k b p s ，w h i c ha l l o w ss w i t c h i n gf r o mo n ec o d em o d et o a n o t h e ra d a p t i v e l ya c c o r d i n gt oc u r r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n s t h e r e f b r e ，i t c o u l ds a t i s f yd i f f c r e n tr e q u i r e m e n t sf r o mn e t w o r ko rs y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e sa m rs p e e c hc o d e r f i r s t ， a m rcc o d e sa r e r e s e a r c h e dc a r e f u l l yt h r o u g ht h em o d u l e sb e i n gd i v i d e di n t oa n dd e b u g g e d u n d e rt h ev i s u a lc + + 6 o s e c o n d l y ，c o m b i n i n gw i t ht h er e s e a r c hp r o j e c t ，a n a m r s p e e c hc o d e rh a r d w a r es t r u c t u r ec o n t a i n i n go m a p16 12p l a t f o r mi s d e s i g n e d a m rs p e e c hc o d e ri st r a n s p l a n t e dt oh a r d w a r ep l a t f b r ma n d c o d e s e f f i c i e n c yi st e s t e du s i n gc c sd e v e l o p m e n tt 0 0 1 t h i r d l y ，a c c o r d i n g t ot h ea m r a l g o r i t h mp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r so fh a r d w a r ep l a t f o r m ，ap l a n i sw o r k e do u tt oo p t i m i z et h ec o d e r c o d e sa r ew r i t t e ni nca n da s s e m b l y l a n g u a g e s f r a m e w o r ki sw r i t t e ni nca n df u n c t i o n sw i t hh u g ec a l c u l a t i o n a r ew r i t t e ni na s s e m b l yl a n g u a g e ，t e s t e da n dm o d i f i e da g a i na n da g a i n c o m p a r i n gw i t ht h ee f f i c i e n c yo fcc o d e sp r o v i d e db yi t u ，t h e s en e w c o d e s e f f i c i e n c yh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y t h i s p a p e ra l s op r e s e n t s o p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，w h i c ha l s oa p p l yt ot h eo t h e rs o f t w a r eo p t i m i z a t i o n o nt h eo m a pl6l2 p l a t f o r m f i n a l ly t h ew h o l ep r o g r a m s e f f i c i e n c yi s t e s t e di nt w ow a y s ：c a l c u l a t i o nc o m p l e x i t ya n ds y n t h e s i ss p e e c hq u a l i t y t h en n a l r e s u l ti ss a t i s f y i n g k e yw o r d s ：s p e e c hc o d i n g ，a m r ，m i x e dp r o g r a m m i n g ，e f f i c i e n c y n 重庆邮电大学硕士论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章引言1 1 1 论文选题背景1 1 2a m r 声码器的研究现状2 1 3 论文主要工作3 1 4 章节安排4 第二章a m r 声码器的基本原理5 2 1 码激励线性预测语音编码模型5 2 2 语音处理功能概述6 2 3a m r 语音编码原理7 2 4 2 5 2 6 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 第四章 4 1 4 2 2 3 1 预处理9 2 3 2l p c 分析与量化9 2 3 3 开环基音搜索1 4 2 3 4 自适应码本搜索15 2 3 5 固定码本( 代数码本或创新码本) 搜索1 7 2 3 6 内存更新2 0 a m r 语音解码器原理2 0 a m r 语音帧结构2l 本章小结2 3 a m r 声码器的设计2 4 硬件平台设计2 4 3 1 1 硬件处理流程2 4 3 1 2o m a p l 6 1 2 硬件结构2 5 3 1 3t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 结构2 6 3 1 4p c m 编解码器2 8 软件开发流程2 9 开发工具3 0 本章小结3l a m r 声码器的优化及实现3 2 代码移植3 2 效率评估3 4 i i i 重庆邮电大学硕士论文 目录 4 3 优化方案3 6 4 4 程序结构调整和简化3 7 4 4 1a m r 声码器编码风格3 7 4 4 2 调整程序结构3 7 4 5 优化c 代码3 9 4 5 1 使用i n t r i n s i c 函数集3 9 4 5 2 移除w m o p s 计算模块4 0 4 5 3 优化循环体4 1 4 6c 5 5 x 编译器优化4 1 4 7 手工汇编优化4 3 4 7 1 确定汇编优化函数4 3 4 7 2 汇编优化方法4 4 4 8 性能比较5 0 4 8 1 计算复杂度51 4 8 2 合成语音质量5 2 4 9 本章小结5 6 第五章结论及未来工作5 7 5 1 论文总结5 7 5 2 未来的工作5 7 致 射5 9 攻硕期间从事的科研工作及研究成果6 0 参考文献6 l 附录 6 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章引言 o 1 1 论文选题背景 第一章引言 语音通信是人类通信最基本、最重要的方式之一。语音编码又是数 字语音通信中的一项重要技术。从2 0 世纪5 0 年代开始，为了压缩数字 语音传输的比特率，以使同样的信道容量能够传输更多路的语音信号， 节省存储空间，语音压缩编码有了很大的发展，在各个领域有广泛的应 用【1 1 。 近年来，随着第三代移动通信的发展，对语音压缩编码算法提出了 更高的要求，不但要求编码码率较低以增加系统容量，而且要求合成音 质较高以保证通话质量。用传统的编码方式，很难同时满足这两个要求。 在这种形势下，人们提出了变速率语音压缩编码的方法。在移动通信系 统中采用变速率语音压缩编码，可以根据需要动态调整编码速率，在合 成语音质量和系统容量中取得灵活的折衷，最大限度地发挥系统的效能。 19 9 9 年，i t u 提出了第三代移动通信的概念，并将其命名为 i m t 2 0 0 0 ，即在2 0 0 0 年以后的几年里，在2 0 0 0 m h z 频段上，利用第三 代移动通信提供基本的语音服务和高速数据服务，并能够接入因特网【2 】。 目前具有代表性传输体制的系统主要有三个： 以欧洲为代表的c d m a 2 0 0 0 系统； 以北美为代表的w c d m a 系统； 我国自行提出的t d s c d m a 系统。 在当前应用广泛、前景广阔的码分多址( c d m a ) 移动通信系统中， 采用的变速率语音编码算法对于系统的容量和通话质量有着非常重要的 影响【引。由于移动通信市场竞争异常激烈，因此对于变速率语音编码的 研究成为一个热点。 自适应多速率( a d a p t i v em u l t i r a t e ，a m r ) 语音编码是由3 g p p ( 3 州 g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 制定的应用于第三代移动通信系统中的语 音压缩编码。a m r 语音编解码技术属于变速率语音编码范畴。我国自行 提出的t d s c d m a 系统中也将a m r 作为语音编解码的主要技术。 重庆邮电大学硕士论文 第一章引言 1 2a m r 声码器的研究现状 第一代移动通信系统采用f d m a 制式的模拟蜂窝系统，主要缺点是 频带利用率低、系统容量小、业务种类有限，无法满足移动通信飞速发 展的需求。第二代移动通信是数字蜂窝系统，语音编码采用混合编码技 术。r p e l t p 是泛欧第二代蜂窝g s m 系统所采用的语音编码方案【4 】， 名为“规则脉冲激励长时预测 ，它计算简单、易于硬件化，其语音质量 相当不错。随着第三代移动通信的发展，变速率语音压缩编码技术相应 得到发展。它能根据信道质量选择不同的编码速率，通信质量接近或达 到长途电话质量。 t d s c d m a 系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活结合， 是由我国无线通信标准化组织提出并得到i t u 通过的3 g 无线通信标准。 a m r 声码器作为t d s c d m a 系统中的重要组成部分，提供了一种自适 应的解决方法来跟踪快速变化的无线信道环境和本地流量。该声码器与 第二代g s m 采用的r p e l t p 声码器不同，r p e l t p 采用全速率、半速 率或增强型全速率为主，采用固定的编码速率。a m r 声码器提供12 2 ， l0 2 ，7 9 5 ，7 4 ，6 7 ，5 9 ，5 15 和4 7 5k b s 八种速率，它以更加智能 的方式解决信源和信道的速率分配问题，使得无线资源的配置和利用更 加灵活和高效。 a m r 声码器主要包括三个部分：多速率语音编码器( m u l t i r a t e s p e e c hc o d e r ) ，带话音激活检测和舒适噪声生成系统的源速率控制机制 ( s o u r c ec o n t r o l l e dr a t es c h e m e ) 【5 】和抑制传输差错和丢帧差错的差错隐 藏机制( e r r o rc o n c e a l m e n tm e c h a n s i m ) 。其中多速率语音编码器能工作 在八种普通编码模式和一种背景噪声编码模式。 a m r 编解码技术理论上仍属于码激励线性预测( c e l p ，c o d ee x c i t e d l i n e a rp r e d i c t i o n ) 编码。但在“变 上有新的研究，引入了相关的先进 技术，主要包括：用来检测语音通信时是否有话音存在的语音激活 ( v o i c ea c t i v i t yd e t e c t o r ，v a d ) 技术【6 1 ，为克服背景噪声不连续的舒适 背景噪声( c o m f o r tn o i s ea s p e c t s ，c n a ) 生成技术，为避免语音帧丢失 后带来负面效果的差错隐藏( e c u ) 技术等等。 具体看来，a m r 编解码技术有以下优点： 通过编码模式自适应，无论是全速率还是半速率模式，在总码率 一定的前提下通过平衡语音与信道编码都将使语音质量提高。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章引言 便于网络管理员在信元级通过联合信道和编码模式的自适应对 语音通信质量和总的系统容量进行折衷。 便于根据操作者的不同需求进行调整。 可由带内快速传输的信令提高越区切换和功率控制的能力。 从当前语音压缩编码技术的发展现状来看，a m r 语音编码技术将成 为新一代移动通信系统中的核心技术。 1 3 论文主要工作 从19 9 5 年t d s c d m a 标准制定开始，一直到开创我国通讯产业标 准的先河。t d s c d m a 的产业联盟不断壮大，t d s c d m a 业务也全面发 展。到今天为止，t d s c d m a 的相关产品全面达到商用水平，具备大规 模独立组网能力，形成了年产上千万的生产能力。“a m r 声码器 正是 t d s c d m a 通信系统的重要组成部分。 整个课题分以下几个阶段完成。 第一阶段，基础学习和资料阅读。阅读语音编码和变速率语 音编码学习语音编码基础知识；以g s m0 6 系列英文标准为基础，研 究g s m 系统中的全速率语音编码，理解语音编码流程：研读3 g p pt s2 6 系列英文标准，包括a m r 语音编解码原理、a m r 声码器a n s ic 代码、 测试序列和a m r 语音帧结构等。 第二阶段，从3 g p pt s2 6 0 7 3 协议中提供的a m r 算法c 代码出发， 对其进行模块划分后作系统分析，并在v i s u a lc + + 6 o 和e c l i p s e 平台上 调试通过；利用3 g p pt s2 6 0 7 3 协议中提供的测试序列对声码器进行测 试。 第三阶段，设计系统的硬件平台，代码修改后移植a m r 声码器到 硬件平台，测试语音质量和运行效率。为达到实时性要求，制定优化方 案对其进行优化。 第四阶段，利用集成开发工具c c s 定位出制约运行速度的模块，将 声码器中运算密集部分重新改写成c 程序可调用的汇编程序函数。对于 一些性能需求极高的关键功能，使用高度最佳化的汇编程序代码；最后， 从算法复杂度和合成语音质量两个方面对优化后的声码器性能进行测 试。 重庆邮电大学硕士论文 第一章引言 1 4 章节安排 本文的内容结构安排如下： 第一章即为引言部分，概述论文选题背景，介绍a m r 技术的研究 现状，以及选题的意义和主要研究内容。 第二章首先介绍a m r 声码器的编码模型和语音处理功能。以此为 基础，文章进一步深入，分析研究了a m r 语音编码原理、解码原理以 及语音帧结构。 第三章概述a m r 声码器的设计过程，包括硬件平台的构建、整个 声码器的开发优化流程和开发工具的介绍。描述了本课题语音处理部分 硬件平台的设计及整个软件开发流程。开发流程包括：算法验证、平台 移植、效率评估、优化方案确定、声码器优化和验收。 第四章为a m r 声码器的优化及实现研究。移植到硬件平台的a m r 声码器经效率评估，发现其并不能满足实时性要求，制定优化方案进行 优化。基于集成开发环境c c s ，本章详细描述了a m r 声码器的优化流 程，包括调整程序结构，优化c 代码，编译器优化和手工汇编优化。其 中，介绍了c 代码优化方法，c 5 5 x 编译器结构的优化选项和手工汇编优 化时所采用的编程技巧。最后，从计算复杂度和合成语音质量两个方面 对a m r 声码器的性能进行测试，取得了令人满意的效果。 第五章为全文的总结和对今后工作的展望。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章a m r 声码器的基本原理 第二章a m r 声码器的基本原理 2 1 码激励线性预测语音编码模型 19 8 5 年，m a n f r e dr s c h r o e d e r 和b i s h n us a t a l 在i e e ei c a s s p 年 会上提出了用码本作为激励源的线性预测编码技术( c o d ee x c i t e dl i n e a r p r e d i c t i o n ，简称c e l p ) 【7 1 。c e l p 以高质量的合成语音、优良的抗噪声 及多次音频转换性能，在4 8 16 k b i t s 的速率范围内得到广泛的应用，已 经成为一种主流的编码技术。 a m r ( a d a p t i v em u l t i r a t e ) 声码器采用的可变速率c e l p 算法是基 于c e l p 编码技术发展起来的，它采用了线性预测、线谱对分析、感觉 加权、矢量量化等主要技术【引。c e l p 语音合成模型如图2 1 所示。 固定码本 图2 1c e l p 合成模型框图 c e l p 按帧作l p c 分析。用l p c 参数构造合成滤波器，c e l p 建立 两个码本，一个叫自适应码本，其中码字( 码矢量) 用来逼近语音的基 音结构；另一个叫固定码本或代数码本，其中码字( 码矢量) 用来逼近 语音经过短时、长时预测后的余量信号。从两个码本中搜索出最佳码矢 量，乘以各自的最佳增益后相加，其和即为c e l p 的激励信号源，将激 励信号输入1 0 阶l p 综合滤波器l 彳( z ) ，得到合成语音信号s ( 刀) ，再经后 重庆邮电大学硕士论文 第二章a m r 声码器的基本原理 置滤波处理进行编码。 一般码矢长短与子帧的长短有关，码本的大小与占用存储空间大小 及搜索时间长短有关【9 1 。其中固定码本是原来设计好的，在机器里固有 的，而自适应码本是在a b s ( a n a l y s i sb ys y n t h e s i s ，合成分析) 过程 中不断更新的，也就是说最初一片空白，用感觉加权误差减去固定码矢 后，填充或更新自适应码书。 2 2 语音处理功能概述 a m r 声码器由多速率语音编码器、含有语音激活检测( v a d ) 与舒 适背景噪声( s i d ) 产生系统的源速率控制机制和差错隐藏机制( e c u ) 三大部分组成。多速率语音编码器支持八种速率：1 2 2 ，1 0 2 ，7 9 5 ，7 4 0 ， 6 7 0 ，5 9 0 ，5 15 ，4 7 5 k b s 和一种低速率( 1 8 0 k b s ) 的背景噪声编码模 式。声码器的取样频率为8 0 0 0 h z ，语音帧长为2 0 m s ，相当于每帧1 6 0 个样点。图2 2 给出了a m r 声码器语音处理功能结构图。 耵( d 1 处理器 发送端 话音活性检测卜加 一 8 比特a 律到 f 语音帧 d t x 1 3 比特线性码 声 _ 1 语音编码器卜 和 b s s 侧 控制 l o 叫互 _ 岖习 ls 。帧 操作 m s 侧 背景噪声估计伊 信 - _ 1 帧替代和弱化 i “”“_ _ 。_ _ _ _ _ _ l i 到8 比特a 律l v 嗽 泛耋笠一语音墨码器卜_电 b s s 侧 - - 控制 和 - - s m o i 1 烈 o 一叵卜刚i 操作 - 1 i ) 叫舒适嗓声生成 图2 2a m r 声码器的对外接口和原理框图 6 重庆邮电大学硕士论文第二章a m r 声码器的基本原理 8 位a 律p c m 码( c c i t tg 7 1 1 建议) ，抽样率为8 k h z ； 13 位线性p c m 码，抽样率为8 k h z ； v a d ：话音活性检测标志，指示当前帧包含语音还是噪声； 编码的语音帧，每帧2 0 m s ，2 6 0 b i t s ，速率为13 k b i t s ； 静默描述帧( s i d ) ，即传输背景噪声参数的帧，每帧2 0 m s ， 2 6 0 b i t s ，速率为1 3 k b i t s ； s p ：话音标志，指示当前帧是有效语音帧还是s i d 帧； 送到无线子系统的信息比特，2 6 0 比特； 收自无线子系统的信息比特，2 6 0 比特； b f i ：坏帧标志，指示帧信息是否包含有效信息；( 如果损坏，则 进行帧替换) ； s i d ：静默描述帧标志。 2 3a m r 语音编码原理 首先介绍a m r 语音编码器的功能框图【10 1 ，如下图2 3 所示。 图2 3 语音编码器功能框图 编码器的操作对象是2 0 m s 的语音帧，在抽样频率为8 0 0 0 h z 时是l6 0 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章a m r 声码器的基本原理 个样点。对每16 0 个样点，语音信号被分析提取出c e l p 激励模型的参 数( l p 滤波器系数，自适应码本和固定码本的指数和增益) ，这些参数 被编码后发送。在译码器端，这些参数被译码，并用重建的激励信号通 过l p 合成滤波器来合成语音。 l p 分析每帧要进行两次。这两组l p 参数被转换成线谱对( l s p ) ， 然后用3 8 比特的分裂量化矩阵联合量化。两组量化的和非量化的l p 滤 波器用于第二和第四子帧，而在第一和第三子帧则用内插的l p 滤波器 ( 量化和非量化的均包括) 。开环基音延时每帧要估计两次( 1o m s 一次) ， 这是基于感觉加权语音信号的。接下来，语音帧被分为4 个子帧，每个 子帧5 m s ，4 0 个样点。 以下操作每帧要进行4 次： 目标信号x ( n ) 需用l p 余量信号通过加权合成滤波器来计算，而这些 滤波器的初始化状态是用l p 余量信号和激励信号的误差通过滤波器来 更新的。加权合成滤波器的冲激响应h ( n ) 需要重新计算。然后进行闭环 基音分析( 计算基音延时和增益) ，使用目标信号x ( n ) 和冲激响应h ( n ) 来搜索开环基音延时。样点延时分辨率的1 6 作为分数基音。基音延时 在第一、三子帧相对编码为9 比特，在第二、四子帧被相对编码为6 比 特。 新的目标信号x 2 ( n ) 是目标信号x ( n ) 去除其中的自适应码本贡献，用 于固定代数码本搜索( 寻找最佳创新码本) 。编为3 5 比特的代数码本用 于模拟创新码本激励信号。自适应和固定码本增益被分别量化为4 、5 比 特( 固定码本增益的计算运用了滑动平均( m a ) 预测方法) 。 最后，用求得的激励信号来更新滤波器内存，以便在下一子帧中寻 找目标信号。参数编码的比特分配见表2 1 。对于2 0 m s 语音帧，编成2 4 4 比特，相应的比特率为1 2 2 k b i t s 。 表2 12 0 m s 的e f r 语音编码帧的比特分配 参数第一、三子帧第二、四子帧每帧总数 2 组l s p3 8 基音延时9 6 3 0 基音增益 441 6 代数码本 3 53 51 4 0 码本增益 55 2 0 总计 2 4 4 对12 2 k b s 模式而言，l p 分析每帧要进行两次，将所得的两组l p 重庆邮电大学硕士论文 第二章a m r 声码器的基本原理 参数转换成线谱对( l i n es p e c t r a lp a i r ，l s p ) ，然后用3 8 比特的分裂量化 矩阵联合量化。语音帧被分为4 个子帧，每个子帧5 m s ，共4 0 个样点。 自适应码本和固定码本参数每个子帧都要传输。 由于八种编码模式的基本原理是相同的，本文以12 2 0 k b s 速率为例 介绍a m r 声码器的原理。下面对各部分进行详细介绍。 2 3 1 预处理 对输入的16 比特线性p c m 语音信号( 只取16 比特的高13 比特， 后3 比特置为0 ) ，首先要进行预处理。预处理包括高通滤波和信号压缩 两个部分。 ， 高通滤波器的作用是去除不希望存在的低频干扰，其截止频率是 8 0 h z ，信号压缩的目的在于降低信号在定点运算过程中溢出的可能性， 预处理系统函数的综合表达式为： 、o 9 2 7 2 4 6 0 9 3 1 8 5 4 4 9 41 z 。+ o 9 2 7 2 4 6 9 0 3 z 吣， 月k izl2 = _ 一i2 1l 、7 1 1 9 0 6 0 0 5 8 5 9 z - 1 + o 9 11 3 7 6 9 5 3 z _ 2 、 2 3 2l p c 分析与量化 语音信号的短时相关性可以由一个全极点模型来描述，用1o 阶线性 预测作短时分析，这个模型可称为线性预测滤波器或短时合成滤波器。 它的传输函数h ( z ) 为： 风力2 高2 专 q 2 智。 式中，口f 是量化后的l p 参数，f = 1 1o ；朋是线性预测滤波器的阶数， 此处取值为1o 。即： 以加去2 去2 去 亿3 ， 短时预测或l p 分析每帧要进行两次，使用了3 0 m s 非对称的窗进行 自相关( 加权s ( n ) ) ，求8 0 个样点( 1o m s ) 的自相关系数。 经过窗函数的语音信号的自相关用l d 算法转换成l p 系数，l p 系 数又转换到线谱对( l s p ) 域以便于量化和内插。内插后的量化过的和 9 重庆邮电大学硕士论文第二章a m r 声码器的基本原理 未量化的滤波器系数又转换回l p 滤波器系数( 为了在每一子帧建立合成 和加权滤波器) 。 加窗和自相关计算 l p 分析每帧要进行两次，分别使用两个不同的非对称的窗。两个 l p 分析窗的示意图如图2 4 。 f r a m e n - 1 f 阳m e n 图2 4l p c 分析窗 第一个窗的重心在第二子帧，它由两个不同长度的半汉明窗构成， 表达式如下： w ，o ) = 吣4 一o 4 6 c o s ( 赤) ， o s 4 + o 4 6 c o s 帮 ， 刀= o ，厶( 7 ) 一l ， 刀= 厶( n ，厶( 7 ) + 厶( 7 ) 一l ( 2 4 ) 式中，l l ( 1 ) = l6 0 ，l 2 ( 1 ) = 8 0 。第二个窗的重心在第四子帧，它也由两 部分构成：第一部分是半汉明窗，第二部分是c o s 函数圆周的1 4 。具体 表达式为： w ，( 刀) = o s 4 - o 4 6 c o s ( 最 ，删，斗- ， c o s 拱卜铲，“叫虬q 5 式中，l l ( 1 1 ) = 2 3 2 ，l 2 ( 1 1 ) = 8 。值得注意的是，两次l p 分析都是对同 l o 怠 重庆邮电大学硕士论文 第二章a m r 声码器的基本原理 一组语音样点进行的，窗函数应用范围是上一语音帧的8 0 个样点和当前 语音帧的16 0 个样点。 接着，对加窗后的语音信号进行自相关计算。加窗后的语音信号 j ( 玎) = 以玎) j 0 ) ，刀= 0 ，2 3 9 ，其自相关计算公式为： ( 尼) = s ( 玎p ( 以一七) ， 七= o ，1 0( 2 6 ) 为避免低电平输入信号的( o ) 值的算术问题，使k ( o ) = 1 o 为其下 界，用( f ) 乘以自相关函数使其有6 0 h z 的带宽扩展。 一h 孕) 2 ，j 。7 ， 其中，五= 6 0 h z ，是带宽扩展量；z = 8 0 0 0 h z ，是抽样频率。接着， 再将( o ) 乘以白噪声校正因子1 0 0 0 1 ，等效于加了一个- 4 0 d b 的噪声下 限。因而有： 般三茹嚣，j 。 仁8 ， i 艺( 七) = ，o ( 七) k ( 七) ， 七= o ，1 0 、7 l e v i n s o n d u r b i n 算法 处理后的自相关，乙 ) 通过解方程组( 2 9 ) 得到直接形式的l p 滤波器 系数哝，七= 1 ，1 0 。此处运用l e v i n s o n d u r b i n 算法来解此方程组，产生 的结果q 用于下一步计算。 q ，钟( 1 f 一七i ) = - ，( f ) ， f = o ，1 0( 2 9 ) l e v i n s o n d u r b i n 算法描述如下： 既d ( o ) = ( o ) f o rf = 1t 01 0d o 口g - 1 ) ：l 毛= 一【= 秽叫_ ( 州) 】( ) 口 f ) = f o r _ ，= l t of 一1d o 巧= 妙_ 1 + 奶口岛d e i l d e ( f ) = ( 1 一彰) e o 一1 ) 经过上式的递推计算后，可得到f = 1 ，2 ，p 各阶的解，最终解为： 口，= 口户，l s s p 重庆邮电大学硕士论文第二章a m r 声码器的基本原理 l p 到l s p 的转换 为了便于量化和内插，l p 滤波器系数，七= 1 ，1 0 ，要转换成线谱对 ( l s p ) 的表达形式。对于1o 阶l p 滤波器，l s p 的值分别定义为下列和多 项式与差多项式的根： 心z ) 刊( z ) 心叫_ ( z 。1 )( 2 1 0 ) 【( z ) = 爿( z ) 一z - 1 1 彳( z - 1 ) 、7 正( z ) 和( z ) 多项式分别是对称和反对称的。可以证明，这些多项式 所有的根都在单位圆上，并且它们的根是交错排列的。e ( z ) 有一个根为 z = 一1 ( 国= 万) ，巧( z ) 有一个根为z = l ( = o ) ，舍去这两个根，我们可以定 义新的多项式： 差暑三暑篇二：j c 2 m ， 【e ( z ) = e ( z ) ( 1 一z _ 1 ) 、 。 由于每个多项式有5 个共轭的根在单位圆( 矿厕) 上，所以多项式 又可改写为： e ( z ) = 兀( 1 2 吼z 一+ 严) 肿) ：扣莳( 1 - 2 邪_ i + z 五) 亿1 2 ) 五( z ) = 兀( 1 2 9 ，z 。1 + z 2 ) 、7 上式中吼= c o s ( q ) ，q 是线谱频率( l s f ) ，满足o q 哆 o 8 5 川) 以) = 坞 = ，3 绷d 这个过程将延时范围分为三部分，有利于选较小的值，避免了基音 的倍频。 2 3 4 自适应码本搜索 冲激响应计算 1 ) 合成滤波器的传递函数为日( z ) = 1 彳( z ) ，它的输入是经过增益调 整的激励矢量e ( n 1 ) ，e ( n 2 ) ，输出是合成语音信号。 2 ) 加权滤波器的传递函数为矽( z ) = 彳0 乃) 彳( z 儿) ，0 儿 ， i 6 ，i 7 ， i 8 ，i 9 。在每次重复操作中， 所有的9 个脉冲位置轮流转换，因此脉冲对也被改变而且脉冲i l 也被放 置在不同轨道的局部最大值，其余的脉冲也被搜索到此轨道上的其他位 置。至少一个脉冲的位置对应于全部的最大值而另一个脉冲的位置对应 于4 个局部最大值中的一个。对于每次代数码本搜索，有8 8 4 = 2 5 6 种 不同的脉冲位置组合。在程序设计时采用嵌套循环结构，外层4 次大循 环，内层8 个8 次小循环。 在脉冲位置确定后，将选定的码矢量通过一个自适应预滤波器 凡例，以提高合成语音的质量。滤波器的表达式为最( z ) = 1 ( 1 一肛。r ) ，式 中t 为与子帧闭环分数基音延时最接近的整数基音延时，b 是基音增益。 值得注意的是，在码本搜索之前，冲激响应 ( 刀) 必须包括预滤波器 1 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章a m r 声码器的基本原理 凡例，即 ( 万) = j i l ( 刀) 一bj i l ( 疗- d ，刀= z ，3 9 。固定码本增益从下式中可以得 出： o x ：z = 云 ( 2 4 0 ) 其中，x 2 是固定码本搜索的目标矢量，z 是固定码本矢量与 l ( 咒) 的 卷积，如式( 2 4 1 ) 所示： z ( 甩) = c ( 啪。一f ) ， 刀= o ，3 9( 2 4 1 ) 2 3 6 内存更新 合成和加权滤波器的状态需要更新，以用于下一子帧计算目标信号。 在两个增益量化后，当前子帧的激励“伽j 由下式给出： “( 一) = 雪， ，( 刀) + 包c ( 以) ， 刀= o ，3 9( 2 4 2 ) 式中雪p ，雪。分别是量化的自适应码本和固定码本的增益， ，例是自适 应码本矢量，c 伽，是固定码本矢量。 对4 0 个抽样值的子帧，这些滤波器的状态可用信号朋l p ( 以) 一“o ) ( 余 量信号与激励