（通信与信息系统专业论文）voip中g7231语音编码算法的dsp实现.pdf

摘要 本文描述了g 7 2 3 1 双速率语音编码( 信源部分) 的原理和其在c 5 4 x d s p 上实现的 过程和方法。第一章为原理部分，根据g 7 2 3 1 浮点程序详细、完整地描述了g 7 2 3 1 信源编码的实现过程，它比i t u t 的原理描述更具体，比直接读c 代码更容易理解，对 研究g 7 2 3 1 算法有一定的参考价值。第二章为实现过程部分，讨论了纯c 代码在5 4 x d s p 上运行速度慢的原因，在讨论了几种优化方法后，采用了从关键代码入手的全汇编优化 方案，结果证明采用该方法的优化结果和预期优化结果基本符合。优化结果基本达到了 商用g 7 2 3 1 算法的优化程度。该部分内容对移植类似c 代码算法到d s p 有一定参考价 值。第三章为5 4 x d s p 汇编优化技术部分，讨论了以下内容：双字数据偶定位、函数堆 栈结构设计、组合条件优化实现、硬件滤波器结构、整数小数除法和求余、o v e r l y 技 术、数据区堆栈等。具有创新性的技术和思想有：部分循环展开技术、并行指令使用技 术、合理利用指针增减、a r 0 作为循环次数、码本搜索优化实现、多位数移位的实现、 由内白外的编程顺序、使用p s h m 分配a r x 、使用硬件结构实现自增量求余等。该部 分最后指出了一些编程容易出错的地方。最后一章算法应用部分介绍了两个实例：在实 验箱上的实现实时语音播放和在p c 机上的i p p h o n e ，主要讲述了f i f o 环形缓冲区在语 音实时采集播放中的应用。 关键字：g 7 2 3 1 ，5 4 x d s p , 优化技术，语音编码 v o i p 中g 7 2 3 1 语音编码算法的d s p 实现 a b s t r c t t h et h e s i si sa b o u tt h et h e o r yo fd u a lr a t es p e e c hc o d i n g ，g 7 2 3 1 ( s o u r c ec o d i n gp a r t ) ， a n dt h ep r o c e d u r ea n dm e t h o di ni t si m p l e m e n t a t i o no nc 5 4 x d s pp l a t f o r m t h ef i r s tc h a p t e r i st h e o r yd e s c r i p t i o np a r t ，a n dw ef u l l yd e s c r i b e dt h er e a l i z a t i o np r o c e d u r eo fg 7 2 3 1i nd e t a i l ， b a s e do nt h ef l o a t i n gp o i n tg 7 2 3 1cs o u r c ec o d e t h ed e s c r i p t i o ni sm o r ed e t a i lt h a nt h eo n e g i v e nb yi t u - t ia n di se a s i e rt ou n d e r s t a n dt h a nr e a d i n gt h ec c o d ed i r e c t l y s oi tm a yb e u s e f u li ns t u d y i n gg 7 2 3 1 i nt h es e c o n dc h a p t e r , w ed i s c u s s e dt h er e a s o nt h a tc a u s e st h ep u r e cc o d er u n n i n gs os l o w l y a f t e rd i s c u s s i n go ns o m eo p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，w ea d o p t e dt h e m e t h o d ：f u l l yu s i n ga s s e m b l yl a n g u a g es t a r t i n gf r o mt h ek e yc o d e i t i s p r o v e dt h a tt h e o p t i m i z a t i o nr e s u l tb a s i c a l l yc o i n c i d ew i t ht h eo n ep r e d i c t e db yt h i sm e t h o d t h er e s u l t b a s i c a l l yr e a c h e dt h eo p t i m i z a t i o nd e g r e eo fc o m m e r c i a lg 7 2 3 1a l g o r i t h m t h i sp a r tm a y b e s o m e w h a tu s e f u la sar e f e r e n c ew h e nt r a n s f e r r i n gs i m i l a rcc o d ea l g o r i t h mt od s rt h et h i r d c h a p t e ri so n5 4 x d s pa s s e m b l yl a n g u a g eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s ，a n dw ed i s c u s s e dt h e e v e na l i g n m e n to fd u a lw o r dd a t a ，d e s i g no ft h ef u n c t i o ns t a c kf r a m e w o r k ，t h e r e a l i z a t i o no fc o m b i n e dc o n d i t i o n s ，h a r d w a r ef i l t e rs t r u c t u r e ，i n t e g r a la n df r a c t i o n a l d i v i s i o na n dr e s i d u em o d u l u s ，o v e r l yt e c h n i q u e s ，s t a c kf o rd a t as e g m e n te t c s o m eo f t h ei n n o v a t i v et e c h n i q u e sa n di d e aa r et h et e c h n i q u e so fp a r t l ye x p a n d i n gr o t a t i o n , t h e t e c h n i q u e si nu s i n gp a r a l l e li n s t r u c t i o n s ，t h ep r o p e ru t i l i z a t i o no fi n c r e a s eo rd e c r e a s eo f p o i n t e r s ，u s ea r 0a sar o t a t i o nc o u n t e r , o p t i m u mr e a l i z a t i o no fc o d e b o o ks e a r c h i n g ， r e a l i z a t i o no fe x t e n s i v es h i f t i n g ，f r o mi n n e rt oo u t e rc o d ew r i t i n go r d e r , a s s i g n m e n to f a r xu s ep s h m h a r d w a r er e a l i z a t i o no fm o d u l a t i n gs e l f - i n c r e a s ev a l u ee t c i nt h ee n do f t h i sp a r t ，w eg a v es o m ec a s e sw h e r em i s t a k e sm a yb e m a d e i nt h el a s tc h a p t e r , t w oe x a m p l e s ， r e a l i z a t i o no fr e a l - t i m es p e e c h r e c o d i n ga n dp l a y i n go ne x p e r i m e n tb o xa n di p p h o n e p r o g r a mr u n n i n go np c ，w e r eg i v e n h e r e ，w em a i n l yi n 扛o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no fc i r c u l a r f i f ob u f f e ri nr e a l t i m es p e e c hr e c o d i n ga n dp l a y i n g k e yw o r d s ：g 7 2 3 1 ，5 4 x d s p , o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s ，s p e e c hc o d i n g 引言 引言 v o i p ( v o i c eo v e r 研是当前的热门技术之一。实现v o i p 可选择的协议有：h 3 2 3 协 议组和s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议等。无论采用那种标准，语音压缩都是v o i p 中的重要部分，图1 是h 3 2 3 协议组和o s i 模型的关系 ，从图中可知语音编码在v o i p 中所处的地位。v o i p 语音编码首选方案是：g 7 2 3 1 和g 7 2 9 。 l p h y s i c 羽 。 。叠iji 薯 誊。i | | 。曩i j 图1 h 3 2 3 协议组和o s i 模型的关系 目前，以p c 机作为v o i p 终端的应用方式已经有广泛的应用，以嵌入式系统作为 v o i p 终端的应用方式由于成本较高还没有得到广泛的应用，目前嵌入式方式应用较多 的是企业i p 电话机( e n t e r p r i s ei pp h o n e ) 。嵌入式v o i p 终端成本较高的一个原因是， v o i p 相关软件复杂，运算量大，特别是语音压缩算法，需要较大的运算量，为了运行 复杂的软件就需要高成本的硬件支持。优化语音算法，就使得能够在低速，r a m 空间 较小的低成本d s p 上实现语音算法，从而降低成本。目前，已有商用的针对各类d s p ( 包括5 4 x d s p ) 的( 1 7 2 3 1 算法，但是它们都不是免费的，所以开发该算法可以获得一 定程度的自主产权的g c 7 2 3 15 4 x d s p 算法，为以后嵌入式v o i p 设计做好准备。 另外已经有三届的师兄师姐在本论文中做过工作，能够完成该课题，能够使得他们 的工作能够在实际中得到应用。另外从学术上讲，本课题的意义和目的是： v o i p 中g 7 2 31 语音编码算法的d s p 实现 1 、通过分析g 7 2 3 1 算法的原理，完成g 7 2 3 1 原理的详细描述文档。为进一步研 究g 7 2 3 1 算法和研究类似语音压缩算法提供参考。 2 、研究c 代码算法到5 4 x d s p 的通用步骤和方法。由于g 7 2 3 1 算法是一个典型的 d s p 算法，研究它的c 代码到5 4 x d s p 的移植，可研究c 算法到d s p 的移植的通用方 法，这对移植类似c 算法将有指导作用。 3 、研究高效5 4 x d s p 汇编的相关技术。g 7 2 3 1 算法需要高效的c 5 4 d s p 汇编技术。 研究它的实现，同时可研究c 5 4 d s p 高效汇编技术，从中得到的优化技术，可作为编写 高效5 4 x d s p 汇编的参考。 我们首先通过阅读g 7 2 3 1 浮点c 代码从总体上把握g 7 2 3 1 的算法实现原理，为优 化做好准备，然后在d s p 实验箱上进行代码优化。 第一章g 7 2 3 1 算法原理 第一章g 7 2 3 1 算法原理 g 7 2 3 1 是i t u 指定的标准，它有两种速率：5 3 k b i t s 和6 3 k b i t s ，5 3 k b i f f s 和6 3 k b i t s 能够在传输过程中动态切换，输入语音是8 k h z 的1 6 b i t 线性p c m 编码。通常语音编码 分为波形编码和参数编码。波形编码是直接对信号波形编码；参数编码简单地讲就是： 用一些脉冲通过有特定参数的滤波器就能够逼近所要的语音信号，所以对于某一段语音 信号，只要计算它对应的脉冲和滤波器参数，然后传送这些参数，接收端根据这些参数 可恢复出近似的语音信号。g 7 2 3 1 属于参数编码。g 7 2 3 1 中的两种速率采用不同的编 码方案，对于5 3 k b i t s 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 ) ，对6 3 k b i t 采用m p - m l q c m u l t y - p u l s e - m u l t yl e v e lq u a n t i z a t i o n ) 。 本章内容的根据是：i t u t ( 3 7 2 3 1 的描述文档。和i t u ta n n e xa ? ，根据的代码是 g 7 2 3 1 浮点程序( a n n e xb 。) 。本文的原理参考了前几届的论文，在原理描述上本文在前 几届论文基础上增加了静音检n ( a n n e x a ) ，并修正了一些地方。本章尽量不涉及c 代码 中的具体内容，这样能在不阅读c 代码的情况下了解g 7 2 3 1 的实现过程，但是如果能 结合g 7 2 3 1 浮点程序阅读本章，将能更深入理解算法的实现原理。 由于i t u t 的标准写得比较简练，和具体实现还有一定的距离，而阅读c 代码又需 要较长的时间。本章能够加速研究者阅读c 代码。 本章中符号的规定： x 表示比x 小的最大整数；d i m ( a ) 表示a 矢量的维数。文档指 i t u t 网站的g 7 2 3 1 描述文档。 1 1g , 7 2 3 1 编解码系统整体分析 1 1 1g 7 2 3 1 编码器和解码器外部接口特性 编码器和解码器外部接口特性如图l 一1 所示： g 7 2 3 1 编码模块 k s 或者6 口口g 7 2 3 1 解码模块 图卜1g 7 2 3 1 编码器和解码器外部接口 编码器的输入信号是y ( n ) 。模拟信号首先通过电话带通滤波器( g 7 1 2 建议) 然后以 8 0 0 0 h z 的速率采集，然后量化为1 6 b i t 的线性p c m 编码。1 6 b i t 的线性p c m 编码用1 6 位有符号数来表示采样点的幅度。 编码器将每2 4 0 个样点作为一帧，编码以帧为单位处理。编码器的输出就是每帧语 音信号的编码信息，每帧的编码信息以数据包的形式发送到解码器。 解码器的输入信息就是编码信息数据包，输出信息就是8 0 0 0 h z 采样速率、1 6 b i t 的 线性p c m 语音数据q f ( n ) 。 1 1 2g 7 2 3 1 的编码延时 假设编码和解码的计算延时可以忽略：数据包的传输延时也可以忽略；在这种情况 下g 7 2 3 1 也有3 7 5 m s 的延时。 v o i p 中g 7 2 3 1 语音编码算法的d s p 实现 3 7 5 m s 的延时包括两部分3 0 m s 和7 5 m s 。 先看3 0 m s 部分。3 0 m s 的延时是因为g 7 2 3 1 编码一次需要读入2 4 0 个点的数据， 然后才进行编码。设第t 帧第个点到达编码器的时刻为c o d l n p u t t ( t ，行) ，0 ”冬2 3 9 ；第 t 帧第n 个点在解码器输出的时刻为d e c o u t p u t t ( t ，月) ，0 开2 3 9 。语音输入和语音输出 都是8 0 0 0 h z 的采样速率，有 d e c o u t p u t t ( t ，n ) 一d e c o u t p u t t ( t ，珂一1 ) = 1 8 0 0 0 c o d l n p u t t ( t ，n ) 一c o d l n p u t t ( t ，力一1 ) = 1 8 0 0 0 总延时定义为 t o t a l d e l a y = d e c o u t p u t t ( t ，r 1 ) 一c o d l n p u t t ( t ，n ) = d e c o u t p u t t ( t ，0 ) 一c o d l n p u t t ( t ，o ) = d e c o u t p u t t ( t ，o ) - c o d l n p u t t ( t ，2 3 9 ) + 2 4 0 8 0 0 0 ( 1 1 ) 由于编码器读取第t 帧的第2 3 9 点后才开始编码，所以 d e c o u t p u t t ( t ，0 ) 一c o d l n p u t t ( t ，2 3 9 ) 0 所以编码总延时大于等于2 4 0 8 0 0 0 = 3 0 ( m s ) 。 再看7 5 m s 的延时，7 5 m s 延时产生的原因是编码时需要超前( 1 0 0 ka h e a d ) 7 5 m s ， 这是因为编码r l 时刻的点需要n + 6 0 时刻的点的数据，也就是需要知道7 5 m s 后的点。 超前的引入是因为在计算n 时刻的自相关时，需要n 时刻的点的左右6 0 个点的数据。 为了实现超前，编码器不得不引入额外的7 5 m s 的延时。超前的具体的实现如图1 2 所示： 第一帧数据第二帧数据 ，。、，。、 第一次读入的2 4 0 个点第二次读入的2 4 0 个点 ，、，_ ，c 曲工三 工三工 e 二口 三二二二二二 一6 0 ，- 5 91 ，0 ，1 1 7 9 ，1 8 02 3 9 ，2 4 0 ， 图1 2 编码器每次读入的数据和分帧的关系 图中点1 8 0 2 3 9 虽然是第一次读入的数据，但是将作为第二帧数据，等到第二次读入 2 4 0 个点时才对点1 8 0 2 3 9 编码。- - 6 0 一1 是编码器添加的6 0 个全零的数据。7 5 m s 延时使得第t 帧开始编码的时刻并不是c o d l n p u t t ( t ，2 3 9 ) 而是c o d i n p u t t ( t + 1 ，5 9 ) ，所以 有 d e c o u t p u t t ( t ，0 ) 一c o d l n p u t t ( t + 1 , 5 9 ) 0 j 肌c o u t p u t t 旷 c o 咖羽m 2 s ，枷赤 。 第一章g 7 2 3 1 算法原理 j d e c o u p u t t ( t ，o ) 一c o d l n p u t t ( t ，2 3 9 ) 7 5 ( m s )( 1 2 ) 将( 1 2 ) 式代入( 1 1 ) 式可看出编码延时的两个组成部分 t o t a l d e l a y = d e c o u u t t q ，0 ) 一c o d l n p u t t ( t ，2 3 9 ) + 2 4 0 8 0 0 0 7 5 ( m s ) + 3 0 ( m s ) 1 1 3g 7 2 3 1 编码流程图 图1 3 为g t 7 2 3 1 的编码流程图。 b l o c kd i a g r a m 礴t h es 【 e e c hc o d e r d re a c hb l o c kt h ec c r r t s p o l l d l n g 憎证r e l k en m n b c rbi n d i c a l 蝴 图1 - 3g 7 2 3 1 编码流程图 v o i p 中g 7 2 31 语音编码算法的d s p 实现 1 2 编码器 1 2 1 编码器的初始化 文件：c o d e r 2 c 函数：i n i tc o d e r 编码器初始化 编码器在编码当前帧的数据时，需要用到前几帧的点和编码结果，必须将这些数据 保存起来，我们称这些需要保存的变量为状态变量。状态变量需要初始化。各状态变量 初始化情况如下： ( 1 ) 豆一。：上一帧解码以后的l s p 矢量。在l s p 参数量化时使用；在l s p 解码后更 新。初始值为常矢量。，即 卫1 仁 ( 2 ) e r r i ，i = o 4 ：在计算自适应码本激励部分，用于计算码本搜索范围的i t e s t 参 数；在计算出当前子帧的自适应码本增益索引i c 和闭环基音周期l i 以后更新。 初始化值如下： e r r i - e r r o ，i = u 4 e r r 0 = 0 0 0 0 0 0 3 8 1 4 6 4 ( 3 ) 其它状态变量都初始化为0 1 ) s t - 1 、石f 【一1 ：高通滤波器状态变量。在高通滤波时使用，滤波完毕以后更新。 2 ) p r e d a t e n ：编码器处理上一帧时，读入编码器的2 4 0 个语音采样点中的后1 2 0 个点。p r e d a t e n 通过高通以后参与计算子帧的自相关系数：p r e d a t a n 在数据移 位部分更新为编码器此次读入的2 4 0 个语音采样点中的后1 2 0 个点。 3 ) s i n d e t 【 ，= 0 1 4 ：这1 5 个数据记录最近1 5 个子帧正弦特性，用于判断语音 信号是否为正弦；s i n d e t 在计算了此子帧的l p c 参数以后更新。 4 ) x 【n 、& n ：感觉加权滤波器的状态变量，x n * l lf x n 各有1 0 个点。在感觉加 权滤波时使用，滤波完毕以后更新。 5 ) p r e v w 垂【n ：上一帧感觉加权滤波以后的后1 4 5 个点。在开环基音预测时使用； 计算完开环基音以后更新p r e v w g t n 为此帧感觉加权滤波以后的后1 4 5 个点。 6 ) r i n g f i r n 、p r e e r r n 】：联合滤波器的状态变量，保存了上一子帧的激励信号通 过联合滤波器以后滤波器中保留的状态。它们用于计算联合滤波器的零输入响 应；在自适应码本激励u n 】和固定码本激励v n 计算出来以后，在联合滤波器 保持上一子帧的保留状态的基础上，用激励信号e n l - = u n l + v i n l 通过联合滤波器 从而更新联合滤波器的状态。 7 ) p r e e x c n ：上一帧计算的激励信号e n 】的后1 4 5 个点。自适应码本激励是用以 。表示本小结的内容对应的( 3 7 2 31 浮点程序所在的文件名。 o 表示本小结的内容对应的g 7 2 3 1 浮点程序中的函数名。 。表示本小结的内容对应的g 7 2 3 1 浮点程序中的函数的主要功能。 6 第一章( i 7 2 3 1 算法原理 前的激励重建的，在计算自适应码本激励时使用p r e e x c n ；在当前此帧的e n 】 计算出来以后更新p r e e x c n 。 1 2 2 分帧( f r a m e r ) 设输入采样点序列( 1 6 b i t 的线性p c m 编码) 为y n 】。编码器每次读入2 4 0 个点， 记为s t n 2 舻帧的大小就是2 4 0 个点，但是进行编码的帧并不是s ，【n 。2 3 9 ，一个完 整的帧由上一次读入的最后6 0 个点和这次读入的1 8 0 个点组成，所以第t 帧的点为 m ，m 。2 3 9 = p 。 1 8 0 ，j 。 2 3 9 ，墨【o 【l 】，- ， 1 7 9 ) 。 g 7 2 3 1 编码器和解码器都是以帧为处理单元来进行语音压缩和解压缩。编码器一次 读取2 4 0 个样点进行编码，解码器一次解码得到2 4 0 个样点。 将第t 帧 f ，朋， h 吨：。，均分为4 个子帧，分别为第0 、l 、2 、3 子帧，每个子帧有 6 0 个采样点。这里的第0 、1 、2 、3 子帧对应的数据为 乃 川l 。，、 乃啊 n 吨。、 f m ，【胛】 。，。、口- m ，【n ) 。：。：，。，也就是s t - 1i n 。；，。：，、s ti n 。：。，。、s ti n 。：。，、 j r 胛 d 2 。1 7 9 。 这就是说g 7 2 3 1 编码有6 0 个点的延迟时间，t 时刻读入的最后个点，留在t + 1 时刻处理。 1 2 3 高通滤波 文件：c o d e r 2 c函数：r e md c高通滤波 将一次读入的2 4 0 个点： s f 胛 2 3 9 作为滤波器的输入。滤波输出信号为 砒即】2 3 9 滤波器传输函数为： 酢) 2 等2 酉1 一z - i ( 1 2 1 ) s l zj1 i ，一一l 1 2 8 时域系统函数： 引巾姒小“】+ 警“呐删2 3 9 ( 1 2 2 ) 其中1 1 = 一1 表示上一帧最后一个点( 这是一个状态变量) ，如果t 不等于0 则： j ， 一t _ s t - i 2 3 9 t _ 1 】= x t l 2 3 9 】 v 0 1 p 中c x 7 2 3 1 语音编码算法的d s p 实现 如果t = o ，n s 江一1 _ 0 ，x t 【一1 _ 0 。 1 2 4l p c 参数的获取 塞生；兰! 竺：!里垫i 曼! 翌己；! 坚q坚g 叁墼：! 基 塞! ：! ；兰! 望：!里錾i 旦唑垫q兰! 立呈! ! 曼：里业坐建堡 对每个子帧求1 0 阶的l p c 参数，_ ，= 1 ，2 1 0 ，i = o 3 。l p c 参数将用来建立l p c 合成滤波器。由1 0 阶的l p c 参数，j = 1 , 2 1 0 ，i = 0 3 建立的l p c 合成滤波器定义如 下 删2 砑1 ，3 1 2 4 1 子帧的1 1 个自相关系数的求法 求自相关使用的数据为经过高通滤波以后的数据。求某一子帧的l p c 参数首先需要 知道该子帧的1 1 个自相关系数胄。 门，= o 1 0 ，i = o 3 。求第i 子帧的1 1 个自相关系数 需要它的前后两个子帧的数据，即将i - 1 、i 、i + 1 子帧组成一个1 8 0 点的序列t h r e e s u b 丹矾 ( 注意，如果i = 0 ，则第i 一1 子帧为前一帧的第3 子帧；同理，如果i = 3 ，则i + 1 表 示下一帧的第0 子帧) 。正是这个原因，t 时刻还不能计算_ 月 。，的自相关和l p c 参数，所以就有6 0 个点的延迟。为了得到第0 帧的数据x t - 1 i n 。3 9 编码器必须保留 t 时刻读入的最后6 0 个点通过高通以后的数据x 。 n 。：为了计算x t 一， ” 。3 9 的 自相关还需要保留x 。 n k ：。，。所以t - - 1 帧留给第t 帧的数据是t 一i n 。：呲3 9 ，设这 1 2 0 个点保存在数组p r e v d a t 1 2 0 6 p ，编码器初始化时，p r e d a t n 初始化为0 。自相关系 数求法如下： ( 1 ) 将t h r e e s u b f r m ，和1 8 0 点的汉明窗( h a m m i n g w i n d o w ) 相乘 t h r e e s u b f r m h t n _ ：t h r e e s u b f r m ： n l x h a m m i w i n d o w n ，n = o 1 7 9 ( 2 ) 计算自相关 r ，【 】- 丽1 2 4 0 。 y 阀2 3 9 - n 砌m s u b f r m h ：阴脚e 口s u b f r m h f 【，+ ”】，n = o 1 0 ( 3 ) 用1 0 2 5 1 0 2 4 的自噪声系数( w h i t en o i s ec o r r e c t i o nf a c t o r ) 调整r 0 】 r t o 】_ 胄，【o 】 1 + 志】 用二项式窗系数( b i n o m i a lw i n d o wc o e f f i c i e m s ) 调整其它自相关系数 r 。i n 】= r 。i n b i n o r m i a l n ，n 0 第一章c l 7 2 3 1 算法原理 1 2 4 2 用l e v i s i o n d u r b i n 算法计算l p c 参数 l e v i s i o n - d u r b i n 算法用递推的方法由自相关系数计算l p c 参数。自相关系数和l p c 参数的关系由y u l e w a l k e r 方程 r 0 r 1 r p 】 r 1 】r 0 r p 一1 】 r p r p 一1 】 r 0 】 1 一口1 ： 一a p e p 0 0 决定。其中埘几j = o p 是白相关系数，以， ，= 1 p 为p 阶l p c 参数。这里p = 1 0 。 下面用l e v i s i o n d u r b i n 算法计算y u l e w a l k e r 方程的解。递推公式如下 ( 1 ) 初始化：i = 0 ，e = r 0 】，a ，= o ，j = 1 , 2 p ( 2 ) 计算 ，胄【f 卜：川r f _ 1 一门 庀仁2 一 e ( 注：其中当f l o z ；- o 口。r i 一1 一， = 0 ) 如果 1 说明系统函数不稳定，则退出计算。 ( 3 ) 计算 k j = i + 1 a j 仁1 一k q 一l j 鲰0 ，9 ，5 ，= s 如果s i d e t j ，= o 1 4 中等于1 的个数大于等于1 4 个，则认为信号是正弦信号， 并设置s i n d = 1 ；否则为非正弦，设置s i n d = 0 。 s i n d e t j ，= o 1 4 也是编码器的状态变量，其初始化值为0 。 1 2 5l s p 量化器 l s p 参数和l p c 参数可用互相转化，但是l s p 参数比较适合量化，所以将l p c 参 数转化为l s p 参数，然后进行量化，解码端根据l s p 参数反转化为l p c 参数。这里只 对每帧的第3 子帧的l p c 参数进行转化和量化。 1 2 1 5 1l p c 参数至l s p 参数的转化 将子帧的1 0 个l p c 参数 q ) 转化为1 0 个相应的l s p 参数 彰) 的方法如下： ( 1 ) 对l p c 参数进行一个小的频带( 7 5 h z ) 扩展 计算扩展以后的l p c 参数 d ；= a ，j - 0 9 9 4 s , j = 1 , 2 1 0 ( 2 ) l s p 参数和l p c 参数的关系 l s p 参数和l p c 参数通过e ( z ) 和q ( z ) 多项式联系起来，它的原理如下： 设 p ( = ) = l + z 。1 1 一 ( d ：+ o ) z 一( + ) z 一一( o + d ：) z 。o 】 = a ( z ) + z a ( z 1 ) 设 q ，( z ) = 1 - z 。1 一【( - - a i 。) z 一( 日：一a ；) z 一( 口；。一) z 。o a ( z ) 一z - l l a 如1 ) 1 0 第一章c t 7 2 3 i 算法原理 其中 a ( z ) = 1 一d ：z 一一n ；z 。2 一一n ：o z 。o 可以证明方程 即) = 等= 。 和 ) = 器= 。 各有5 个共轭根，且都在单位圆上，所以上式可以写作 p ( z ) = r i ( 1 + 2 q ，z 一1 抛) = 0 q ( z ) = 兀( 1 + 2 q z 。1 * ) = 0 由两根之和的性质知，- q 。是以z 。1 为变量的方程的第i 个根的实部，而玑则必然是 以z 为变量的方程的第i 各根的实部设 q 。= c o s ( c o ) 日 则以即为零点的圆频率，令 0 q 吃 q o 万 p ：2 5 6 ，：1 1 0 。 万 即为l s p 参数。l s p 参数的物理意义是方程p ( z ) 和g ( z ) 所在零点的圆频率。 ( 3 ) 计算p ( z ) 和q ( z ) 多项式的系数 通过求p ( z ) 和q ( z ) 多项式的系数然后通过求p ( z ) = o 和q ( z ) = 0 的根，来求l s p 参 数。设 p ( ：) = ：f i ) z 。 可以用长除法得到厶( f ) ，它是一个对称的多项式即五( f ) = f a l o f ) ，前5 项的系数 为 厶( f ) = 一再( f 1 ) 一( 群+ a l 1 一，) ，1 i 5 正( o ) = 1 设 v o i p 中g 7 2 3 1 语音编码算法的d s p 实现 同理可得 q ( z ) = ：f q ( i ) z 1 尼( f ) = f q ( i 一1 ) 一( 群一日：1 _ f ) ，1 f 5 尼( o ) = 1 ( 4 ) 求p ( z ) = 0 和q ( z ) = 0 的根 首先计算方程的值的符号在哪两个之间有变化，然后通过一次牛顿弦截法，估计根。 由于零点在单位圆上，可设 z = e ，“ 可得 p ( c o ) = e - ，5 。 ( 0 ) ( 口7 5 。+ 8 75 。) + 厶( 1 ) ( e 4 。+ p 一4 。) + + 厶( 5 ) p 一o 。】 ：2 e - j s 。 a o ) c o s 5 0 + f a l ) c o s 4 0 + - - + 挚 同理可得 q ( 。) = e - y s 。 厂d ( o ) - ( p 加+ 8 币。) + 矗( 1 ) ( g m + e 州。) + + 尼( 5 ) p 卅。 ：2 8 。m 【矗( o ) c o s 5 0 + f o ( 1 ) - c o s 4 0 j + - + f q ，( 5 _ 2 】 p ( c o ) 、q ( c o ) 在o n 之间分别有5 个根。它们有以下的特性 1 ) 一q 去，1 z l o 所以可以将o n 的单位圆分为2 5 5 等分，然后比较相邻两等分的点的函数 值符号是否变化，以判断它们之间是否存在零点。 2 ) p ( 缈) 和q ( c o ) 的零点位置交替出现，且，( 甜) 的第一个零点位置比q ( c o ) 的 小。所以搜索时m 从0 开始，先搜索尸( 口) 的零点，找到以后，再切换为搜 索q ( m ) 的零点，找到以后，再切换为搜索p ( 国) 的零点。( 注：o 搜索 的末点为2 5 5 2 5 6 x ，这根据程序分析所得) 用一次牛顿弦截法估计零点的位置以搜索p ( c o ) 为例，设在 p ( o h ) p ( o ，) 0 n = o 1 8 j 1 4 2 2 ) m a x c o l c o l ( j ) 且l o t 一_ ， 0 3 7 5 e e ( l ) 1 2 9 3 谐波噪声滤波 各个子帧的通过f i n 各自的谐波滤波器只( z ) 得到w 【n ，在时域表现为 聍】= ， 忍】_ 局r i n 一上 ，0 n 5 9 l 的最大值为1 4 5 ，n - - l 最小为一1 4 5 ，所以计算时需要用到此帧以前的f 【n 的1 4 5 个点 的数据。 1 2 1 0l s p 解码 l s p 解码的任务就是从l s p 量化索引i 得到解码以后的l s p 矢量巨。l s p 解码不仅 存在于解码器端，而且在编码器端也要进行l s p 解码，这是为了给l s p 量化提供参数 e _ 1 0 1 2 1 0 1 根据量化索引l 计算l s p 解码矢量丘 根据 j = 小2 1 6 + j 2 - 2 8 + j 3 可以将1 分解为 t ，i = 1 , 2 ，3 在子矢量量化表 b a n d q n t t a b l e 。，i = 1 , 2 ，3 中用五索引可以得到量化以后的残余误差子矢量 。= b a n d q n t t a b l e 】，i = 1 ，2 ，3 则 瓦= 【瓦p 瓦p 瓦。， 类似于l s p 量化时，残余误差矢量的计算公式有 瓦= ( 只一) 一b ( 只一。一) 即 只= ( 瓦+ 置。) + 6 ( 只一。一只) c ) 第一章c - 7 2 3 1 算法原理 1 2 10 2l s p 解码矢量豆的稳定性测试和调整 设 m = 3 1 2 5 h z 对于采样频率为8 0 0 0 的数字系统。频率大小的变化，对应圆频率的变化为 尘虹万 8 k ，2 l s p 参数的值从0 2 5 6 变化对应于圆频率从o 石变化，所以m m 频率大小的变化对应 l s p 参数值的变化为 - 垒虹石 一。- 2 5 6 墨譬_ 2 是调整方法是：相邻l s p 参数之间间隔不能太小，如果太小对其间隔进行扩展，如 果多次扩展还是间隔太小，则使用上一帧的解码结果。具体步骤如下： ( 1 ) 调整e ，和蟊l o ：如果瓦，。 2 5 2 则e ，1 0 = 2 5 2 ( 2 ) 设置调整次数a d u s t t i m e s 的初始值为1 ( 3 ) 扩展瓦。，藏，i = 1 9 之间的间隔： ( 3 1 ) 设仁1 ( 3 2 ) 如果 藏1 f + i e ， 9 则用乏。代替e 后退出；否则跳到( 3 ) v o i p 中g 7 2 3 1 语音编码算法的d s p 实现 1 2 _ 10 3l s p 解码时的错误帧处理 在解码器端( 不包括编码器端的l s p 解码) ，如果由于传输的原因，接收编码信息出错， 那么l s p 解码将进行特殊的处理。编码信息出错有两个检测手段：一个是信道编码部分 检测到c r c 校验和错误，另一个是在解包编码信息时发现参数出现了不允许的值。当 出现错误帧时：l s p 解码参数修改如下： 。m = 4 ；l s p 量化索引固定为0 ，即i o ； 计算残余误差矢量的固定预测值b = 2 3 3 2 1 2 1 1l s p 插值 由于在一帧中只计算最后一个子帧的l s p 参数，编码器端并没有将其它子帧的l s p 参 数传输给解码器端，所以解码器端必须用一种方法计算其它子