（电路与系统专业论文）g729d语音编解码器性能仿真分析和工程实现.pdf

北京邮电大学硕士研究生论文g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 摘要 在无线通信领域语音编码一直是人们很关注的技术，因为编码的 算法，码率和时延直接关系到语音的质量和通信网络的容量。语音编 解码的算法有很多，如g 7 1 1 的p c m 编码，速率为6 4 k b i t s s ；g 7 2 1 的a d p 啡编码，速率为3 2 k b i t s s ；g 7 2 8 的l d c e l p 编码，速率为 1 6 k b i t s s ；g 7 2 3 i 的m p m l q a c e l p 编码，速率为6 3 5 3 k b i t s s ； 还有更低速率的f s 一1 0 1 5l p c l o e 编码，速率只有2 4 k b i t s s 。这 些语音编解码算法根据需要应用在不同的场合，如果只关心编码器的 语音质量，就需要中高速率的编解码算法：如果传输的带宽有限，常 常选择低速率的语音编解码器。但是作为中低速率语音编码算法中的 佼佼者g 7 2 9 越来越受到广泛的重视。 i t 肛tg 7 2 9 语音编码方案采用共轭结构代数码本激励线性预测 技术，具有8 k b i t s 的编码速率、较低的延迟和高编码语音质量等优 点并且已经为s c d m a 无线接入网络的语音编码器所采用。为了进一步 提高语音质量，特别是高速移动状态下的语音质量，s c d m a 网络改进 了切换机制。新的切换机制要求更低编码速率的语音编解码器。为了 和以前的g 7 2 9 a 语音编解码器兼容，选择了g 7 2 9 家族的低速率的 g 7 2 9 d 语音编解码器，编码速率只有6 4 k b i t s s 。 本论文在坏帧隐藏方面对g 7 2 9 d 语音编解码器的性能进行了仿 真，从置坏帧的方案和优化坏帧隐藏算法两个方面，对g 7 2 9 d 声码 器性能进行了仿真，用m o s 评分标准对语音质量进行评估。论文详细 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 论述了g 7 2 9 d 声码器算法在t it m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s p 硬件平台上的程 序实现，包括从标准c 程序到汇编程序的编写，测试及优化。第一章 介绍了s c d m a 无线接入网络的特点，介绍了本论文的结构。第二章由 s c d m a 系统的物理层引出采用g 7 2 9 d 声码器的必要性和可行性。在 第三章中对g 7 2 9 d 声码器的原理进行了诠释。第四章和第五章是本 论文的重点，也是本论文的工作体现。首先从置坏帧方案和坏帧隐藏 算法的优化对g 7 2 9 d 声码器性能进行仿真，接着详细介绍g 7 2 9 d 声码器算法的程序实现。最后对算法的工程实现进行了小结。 蓑镁瞬：语音编解码，c s a c e l p ，g 7 2 9 d ，线性预测，坏帧隐藏 北京邮电大学硕士研究生论文g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 t h ea n a l y s i so ft h ep e r f o r m 渔n c eo fg 7 2 9 d a n dt h ei m p l e m e n t a b s t r a c t p e o p l ep a ya t t e n t i o n t ot h et e c h n o l o g yo fs p e e c h c o d i n ga l la l o n gi n w i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n sf i e l d ：b e c a u s et h ea l g o r i t h m ，r a t ea n dd e l a yt i m eo f s p e e c hc o d i n ge f f e c tt h eq u a l i t yo ft h es p e e c h t h e r ea r el o t so fa l g o r i t h mo fs p e e c h c o d i n gs n c ha sg 7 1 1 p c mc o d i n gw i t hr a t eo f6 4 k b i t s s g 7 2 1 a d p c mc o d i n gw i t h r a t eo f 3 2 k b i t s s ，g 7 2 8 l d c e l p c o d i n g w i t hr a t eo f1 6 k b i t s s ， c x 7 2 3 1 m p - m l q a c e l pc o d i n gw i t hr a t eo f6 3 5 3 k b i t s s ，a n d m o r el o wr a t e a l g o r i t h mf s 一1 0 1 5l p c - 1 0 ec o d i n gw i t hr a t eo f2 4 k b i t s s a s a ne x c e l l e n ts p e e c h c o d i n ga l g o r i t h m ，g 【7 2 9 ds p e e c hc o d i n ga t t r a c tm o r ea t t e n t i o n s 、thea l g o r i t h mf o r t h ec o d i n g o f s p e e c hs i g n a l s a t8 k b i t s u s i n g c o n j u g a t e - s t r u c t u r ea l g e b r a i c c o d e e x c i t e dl i n e a r - p r e d i c t i o n ( c s - a c e l p ) w i t ht h e v i r t u eo fl o wd e l a yt i m ea n dh i g hq u a l i t yo fs p e e c hh a sb e e nu s e di ns c d m a w i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h es p e e c hs p e c i a li nh i g h s p e e ds i t u a t i o n ，s c d m aw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r ki m p r o v et h em e c h a n i s mo fh a n d o v e r t h i sn e wm e c h a n i s mo fh a n do v e rn e e dam o r el o wr a t es p e e c hc o d e r s c d m a w i r e l e s sa c c e s sn e t w o r ds e l e c tc j 7 2 9 ds p e e c hc o d i n gw i t ht h er a t eo f6 4 k b i t s s t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ep e r f o r m a n c eo fg 7 2 9 ds p e e c hc o d i n g 扫t h e s c h e m eo ff l a g g i n gt h ef l a m ee r a s u r ea n dt h ef r a m ee r a s u r ec o n c e a l m e n t u s i n gt h e m o sr u l et oe v a l u a t et h eq u a l i t yo fs p e e c h t h i sp a p e rp r e s e n tt h ei m p l e m e n to f c j 7 2 9 d a l g o r i t h m i nt i m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s p p l a t f o r mi n c l u d i n g t h e p r o g r a m m i n g ，t e s t i n ga n do p t i m i z i n g c h a p t e r1i sa l li n t r o d u c t i o nt os c d m a w i r e l e s s d 北京邮电大学硕士研究生论文g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 a c c e s sn e t w o r ka n dt h es t r u c t u r eo ft h i sp a p e r c h a p t e r2d i s c u s st h en e c e s s i t ya n dt h e f e a s i b i l i t yo fg 7 2 9 db yi n t r o d u c i n gt h ep h y s i c a ll a y e ro fs c d m as y s t e m c h a p t e r3 i sd e v o t e dt ot h e p r i n c i p l e o fg 7 2 9 ds p e e c h c o d e r c h a p t e r 4s i m u l a t e st h e p e r f o r m a n c eo fg 7 2 9 ds p e e c hc o d i n gi nt h es c h e m eo ff l a g g i n gt h ef r a m ee r a s u r e a n dt h e a m ee r a s u r ec o n c e a l m e n t c h a p t e r 5p r e s e n t st h ei m p l e m e n to fg ；7 2 9 d a l g o r i t h mi nt i m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s pp l a t f o r m k e y w o r d s ：s p e e c hc o d i n g ，c s a c e l p ，g 7 2 9 d ，l i n e a r - p r e d i c t i o n ， f r a m ee r a s u r ec o n c e a l m e n t 5 北京邮电大学硕士研究生论文g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：筵；磷 日期i 坦笸皇：塑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制 手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注 释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位 论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：塑赶。缉 导师签名 日期： 臼期： 猢。3 辐 北京邮电大学硕士研究生论文g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 第一章绪论 1 1s c d h a 无线接入系统概述及关键技术 本章首先介绍s c d m a 无线接入系统及其中的关键技术，然后介绍本论文所 做的工作和论文的结构。 1 1 1s o d m a 无线接入系统概述 无线接入数字通信系统是目前发展速度最快、市场潜力最大，同时也是组网 最快捷、使用最方便的一种通信系统。s c d i a 无线接入通信系统采用同步码分多 址( s c d m a ) 无线接入技术，具有无线频谱利用率高、通信保密性好和低发射功 率下较远的通信距离等技术优势，从而成为无线接入通信系统的首选产品a s c d b n a 无线接入通信系统是由北京信威通信技术股份有限公司自主研制和开 发生产的集智能天线、软件无线电等核心技术为一体的同步码分多址综合无线接 入通信系统，其基本业务功能包括无线市话( 可提供便携移动终端和固定终端等 多种终端产品) 和宽带数据接入等。 s c d m a 无线市话系统的网络拓扑结构如图卜l 所示。其中主要网络设备单元包 括： 本地移动控制中心( l m c c ) 基站控制器( b s c ) 基站系统( b s ) 位置归属寄存器( h l r ) 短消息中心( s m c ) 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码嚣性能仿真分析和工程实现 用户终端设备( u e ) 运维操作支撑系统( o s s ) _ u e _ 呱 d u e 图卜1s c d m f 无线市话系统网络拓扑结构 1 - 1 2s 卧无线媾入系统蓦键技术 在s c d m a 无线接入系统中的关键技术既包括s c d m a 系统技术体制所特有的时 分双工同步c d m a 技术、s w a p ( - i - ) 空中接口信令规范等，还大量采用了国际上最 先进的无线通信技术，包括智能天线技术、软件无线电技术、多载波传输和自适 应调制技术等，从而大大地提高了系统的容量和性能。以下分别对这些关键技术 作简单介绍。 1 1 2 1 同步c 0 m 技术 同步c d m a 是指来自每个用户终端的c d m a 信号在到达基站接收机时是同步的 ( 尤其指上行同步) 。在同步条件下，使用正交扩频码的各个码道是正交的，相 互间没有多址干扰，从而可以大大提高c d m a 系统的容量和通信质量。 l蚝 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 但在另一方面，由于各个用户终端在小区覆盖范围内的位置是可以变化的， 即使在通信进行过程中，用户还可以以很高的速度移动。由于电波在从基站到用 户终端的传播时间的变化，将引起同步的变化。而且，在复杂的传播环境中，由 于地物、建筑物等的反射产生的多径信号也会增加同步的难度。 因此，同步c d m a 是s c d m a 系统中的关键和难点所在。为实现同步c d m a ，必须 解决同步的检测、建立和保持等主要问题。 t 1 2 2 智能天线 智能天线技术是在无线通信中，使用天线阵与阵列信号处理方法，通过提取 和利用用户的空间方位信息，来提高通信系统的容量和信息传输质量的一种技 术。s c d 姒系统把智能天线技术和时分双工( t d d ) 、同步码分多址( s y n c h r o n o u s c d m a ) 技术结合起来，形成了独特的技术优势。在s c d m a 系统中，无线基站是按 智能天线的要求构成的。它由8 只全同的天线组成环形天线阵，再连接至8 只相干 收发信机，以构成全部射频电路结构。在基带部分，使用软件无线电的概念，将 所有基带信号用数字方式处理。其主要部件为射频收发信机阵列和基带处理器两 大部分，而后者主要是一组数字信号处理器( d s p ) 。 1 1 2 3 软件无线电 在软件无线电这个名词出现的几年中，此技术已在无线通信领域内获得广泛 应用。本s c d m a 系统就是应用软件无线电的典范。不论在无线基站或用户终端， 射频收发信机与基带电路的接口都是a d ( 对接收) 或d a ( 对发射) 变换器。而 全部基带信号处理都是在数字信号处理器( d s p ) 中用软件来完成。 1 1 2 4 多载波传输( 适合于数据接入系统) 在基站的d m 模块中采用了多载波技术来提高用户接入的数据带宽，每个基站 的d m 模块可以支持5 个或1 0 个载波信号的基带处理。每个数据终端设备c p e ( 或 p c m c i a 卡) 可以支持2 4 个载波。基站d m 模块对每个数据终端占用的载波进行动 ， 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 态分配，当多个终端用户同时登录占用载波信道时，也可以实现同一个载波上支 持多个用户同时使用。 1 1 2 5 自遗应调制( 适合于数据接入系统) 基站d m 模块还使用了自适应的多种调制方式来提高信道传输的可靠性和鲁 棒性( r o b u s t ) 。系统可以根据信道的特性和发射功率调整调制方式，可选择的 调制方式有q p s k 、8 p s k 、0 a m l 6 和q a m 6 4 。各种调制方式的星座图如图卜2 所示。 图i - 2 多种调制方式的星座图 1 2 本论文主娈弼究工作即论文结构 本论文主要研究工作是g 7 2 9 d 声码器在c 5 4 x 上的实时实现和优化，以及该 声码器在s c d m a 系统中的性能分析。围绕这个主题，论文分四章来展开。作者所 做的工作主要在第四、五章体现。 第二章的内容主要介绍s c d ) 雌无线接入网络的物理层，对物理层的研究引出 g 7 2 9 d 声码器算法，并且对s c d - v , a 无线接入系统的语音质量进行分析。 第三章对g 7 2 9 d 语音编解码器的算法原理进行诠释 第四章首先介绍g 7 2 9 d 声码器的信道保护方案，然后详细描述了信道编码 保护方案在s c d m a 系统中的性能仿真实验及分析。接着重点分析g 7 2 9 d 声码器 的坏帧隐藏机制。结合信道保护方案分析了不同的置坏帧方案并且对g 7 2 9 d 声 码器的坏帧隐藏算法做了优化，并给出了仿真结果。 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 第五章详细介绍了g 7 2 9 d 声码器在t id s p 芯片上的实现。首先简介数字 信号处理器的特征。然后论述g 7 2 9 算法实时实现过程中的存储区的分配，程序 的编写等。最后对g 7 2 9 a 编码部份汇编程序的优化做了论述。 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 第二章g 7 2 9 d 声码器在s c d m a 系统中实现的可行性分析 2 t s e d m a 空中接口协议绩梅 s c d m a 空中接口协议按0 s i 作为参考模型，可以分成物理层，数据链路层和 网络层，网络层承载无线资源管理r r ，移动性管理删，呼叫连接控制c m 三种网 络层协议。s c d 舰& 空中接口协议分层结构图2 1 所示 1 ： s u m 接口 b s 图2 - 1s c d m a 空中接口协议分层结构 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 s c d m a 系统采用时分双工模式( t d d ) ，也就是在同一个频点既作为上行也作 为下行通信用。t d d 的周期为l o m s ，上下行各占用5 m s 。在s c d m a 系统中根据某 频点上采用的不同w a l s h 码来分成不同码道。s c d m a 系统中采用3 2 个正交w a l s h 码，所以一个接入频点上最多可用3 2 个码道。每一个码道都用于上行和下行通 信，上行链路和下行链路用不同p n 码来区分。s c d h a 系统中根据功能不同把码 道分成两种传输信道：接入信道( a c e ) 业务信道( v c c ) 。 第一层是数字无线信道的物理层。物理层的数据帧每一个t d d 时隙( 5 m s ) 发射一 帧，由于是t d d 方式，所以一帧的发射周期为l o m s 。每个物理帧长度为 6 4 s y m b o l ( 1 2 8 b i t s ) ，数据速率为2 5 6 k b p s 。s c d m a 物理层定义了三种数据帧复 用结构，它们是接入码道复用结构，话音通信复用结构和数据通信复用结构。由 于本论文重点分祈s c d m a 系统的语音质量，所以这里只介绍话音通信复用结构 m u x 2 。 话音通信其上行与下行各有两种复用结构如图2 - 2 b 所示，其中m u x 2 a d 为下行 语音桢格式，m u x 2 b d 为下行控制信令帧格式，m u x 2 a u 为上行语音帧格式，m u x 2 e u 为上行控制信令帧格式。 m u x 2 a d 搬2 b d 2 a u ， 撇2 b u ， i b 图2 - 2 复用结构m u x 2 其中，$ y n c 2 为上行业务信道同步字段，长度为2 s y m b o l ( 4 b i t s ) 。 s w 为帧格式标志，长度为l s y m b o l ( 2 b i t s ) 。 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 v 为话音数据字段，长度为4 8 s y m b o l ( 9 6 b i t s ) 。 v r 为编码速率标志，它为s c d m a 系统适应今后话音压缩技术的进展留下 可能性； c r c 为对s s 、s w 、v r 及r 时隙的差错检测。 乏2s c d b aj 5 ；线接入系统语音质量分析 2 2 1 无线壤入系统的语音问题 j 因为无线接入系统频率资源有限，信道传播条件恶劣，不同地形的影响、电 波经各种物体反射形成的多径传播，都会造成接收信号电平的随机衰落变化。随 机错误与突发错误在这里都存在。恶劣信道的条件和移动时的频繁小区切换必然 造成丢帧和错帧等对语音质量的严重损伤。可见，在无线接入系统，语音质量问 题是不可回避的，对数字语音编码提出了如下的要求： 1 无线接入系统的低速率要求声码器具有较低的速率。 2 无线信道参数的可变性要求在一定编码速率下的音质要尽可能的好，要 求声码器有较好的抗噪能力，以保持较好的话音质量。声码器对压缩后的语音如 何进行一级信道编解码以增强其自身的保护，提高语音质量。在解码端，对收到 的语音包纠错、检错，对坏帧进行坏帧隐藏。 3 算法复杂程度适中，易于实时实现，大规模集成。 4 通话路径中的时延会影响通话的质量。无线接入系统由于其通信机制会 引入时延，这就要求语音编码算法本身引入时延要适当。语音编码算法引入的时 延与所采用的编码方式以及采样率有关。下面列出一系列语音编码标准以及它们 的帧长。- g 7 2 6 自适应差分脉冲编码( a d p c m ) ( 1 6 ，2 4 ，3 2 ，4 0 k b p s ) - - - 0 1 2 5 u s g 7 2 8l d 一码激励线性预测( c e l p ) ( 1 6 k b p s ) - - 2 5 m s g 7 2 9c s - a c e l p ( 8 k b p s ) 一1 0 j i l s g 7 2 3 1 多速率编码( 5 3 k b p s ，6 3 k b p s ) 一3 0 m s 5 无线接入系统接入公网，电路二四线转换时会产生信号反射而引起回波。 8 北京邮电大学倾士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 说话人的声音又被本人听到。在传统电路交换的网络中回声也会出现。但是，由 于往返时延小于5 0 m s ，回声会被电话机产生的正常音淹没掉，所以是可以接受 的。由于在无线接入网络中，往返时延通常大于5 0 m s ，回声成为影响语音质量 的一个问题。通常采用回波抵消技术 2 。 2 2 2s c d _ i a 无线接入系统语音质量分析 从图2 2 中可以看出，复用结构m u x 2 语音帧格式中v 为话音数据字段，长 度为4 8 s 叩n b o l 即9 6 b i t s ，也就是说一个l o m s 帧最多可以载荷9 6 b i t s 的语音数 据。这就决定了s c d m a 系统编码器的编码速率最大不能超过9 6 k b p s 。s c d m a 系 统原先采用的是g 7 2 9 a 声码器，编码速率为8 k b p s ，对每帧9 6 b i t 的信道容量 来说还有1 6 比特的冗余量，所以对这1 6 比特做了信道编码保护，这样9 6 个净 载荷被全部占满，打包成帧以后从空口发射出去。g 7 2 9 a 声码器是g 7 2 9 声码 器系列的一种，首先概括一下g 7 2 9 声码器的性能。g 7 2 9 声码器算法延迟1 5 m s ， 通话实验证明该编解码器达到a d p c m 编码质量。 g 7 2 9 a 声码器在g 7 2 9 声码器算法上做了简化处理，更易于在d s p 上实现。 - ：s c d m a 无线接入系统采用g 7 2 9 a 声码器在静态状态时能够表现出很好的语音质 i 量，在移动状态特别是筒速移动状态时语音质量有比较明显的下降。具体分析如 下： 1 高速移动过程中由于多普勒效应和多经效应引起的信号快衰落使终端和 基站的接受信号信噪比不稳定引起误码率的快速变化。在低信噪比下误码率高而 信道编码保护能力有限引起信号的误纠，声码器按照正常流程解码，这时候解码 出来的语音损伤比较大。 2 终端发起的硬切换机制不合理，在信躁比极度差的时候才发起切换必然 引起切换前和切换中的语音质量差，切换时间长也让用户感觉不自然。 为了提高移动状态特别是高速移动状态时s c d m a 无线接入系统的语音质量s c d m a r 无线接入系统改进了终端发起的硬切换机制，新的切换机制下必须要求用更低速 率的声码器，用更多的信道冗余做信道编码保护。为了和g 7 2 9 a 声码器相兼容， s c d m a 系统采用了g 7 2 9 系列的更低速率声码器及g 7 2 9 d 算法。g 7 2 9 d 声码器的编 码速率为6 4 k b i t s s 。由于物理层的信道容量为每l o m s 帧9 0 个语音比特数据， 9 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 g 7 2 9 d 声码器完全符合信道容量的要求。 l o 北京邮电大学硕士研究生论文g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 第三章g 7 2 9 d 声码器原理介绍 g 7 2 9 d 算法是g 7 2 9 系列算法中的一种低速率的声码器。g 7 2 9 系列算法声码 器的原理都是相通的，各种算法不同之处在于算法的简化和编码比特的多少。为 了理解g 7 2 9 d 声码器原理，我们首先介绍g 7 2 9 声码器原理。 g 7 2 9 算法是i t u t 制定的编码速率为8 k b s 的共轭结构码激励线性预测 ( c o n j u g a t e s t r u c t u r ea l g e b r a i c - c o d e r - e x c i t e d l i n e a rp r e d i c t i o n ， c s a c e l p ) 声码器语音编码算法标准。 g 7 2 9 编码器是基于码激励线性预测( c e l p ) 声码器模型的。这个编码器运 算的帧长为l o m s ，相应于抽样率为8 0 0 0 k h z 的语音数据流的8 0 个样值。对于每1 0 m s 的一帻，语音信号经过分析，得至i j c e l p 模型的编码参数( 线性预测滤波器系数， 自适应码本与固定码本的索引与增益。编码器参数的比特分配见表3 - 1 ) 。 表3 1g 7 2 9 协议编码参数的比特分配 参数码字第一子帧第二子帧每帧共计 线谱对( l s p ) l o ，l l ，l 2 ，l 3 | | 1 8 ，自适应码本延迟 p 1 ，p 28晷1 3 基音延迟校验 p o11 固定码本索引 c i ，c 21 31 32 6 固定码本符号 s l ，s 2448 码本增益( 第一级) g a i ，g a 2336 1 码本增益( 第二级)g b l ，g b 2 448 总计 8 0 这些参数经过编码与传输，在解码器端解出激励信号与合成滤波器参数。 重建语音信号是将激励信号通过短时合成滤波器而得到的。短时合成滤波器是基 于一个l o 阶线性预测( l p ) 滤波器的。长时或基音周期合成滤波器使用所谓自适 应码本逼近来实现。在得到重建语音之后，它被通过一个后滤波器作进一步的增 强。 3 g 7 2 9 语音编解码的实现过程在i t t u 标准里面有非常详尽的论述，但是对于 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 算法本身以及编解码的原理在i t u 的标准里面并未提及。本节对标准的算法原 理作了比较详细的诠释，对于理解g 7 2 9 语音编解码的实现过程有一定帮助。 下面主要讨论以下几个方面的原理： 1 语音信号模型 这是语音处理技术的基础，所有的参数编码方法都是在语音信号模型的基础 上得到的。 2 线性预测的基本原理及语音信号的线性预测分析 线性预测分析( 简称l p c 分析) 是进行语音信号分析最有效的分析技术之一， g 7 2 9 标准采用的分析方法就是线性预测分析。 3c e l p 编码原理 g 7 2 9 标准采用了c e l p ( 码激励线性预测) 编码技术，这部分主要介绍其基本 原理。 4 自适应后壹滤波 g 7 2 9 标准中编码器的知觉加权技术和解码器中的后置滤波技术原理介绍 以下就对这四个方面进行详细的说明 语音编码大致可以分为四种方式：= 时域波形编码，变换域编码，参数编码和 混合编码。时域波形编码不基于声学模型，只针对语音波形进行编码。波形编码 主要有脉冲编码调制口c m ) ，增量调制p m ) ，自适应增量调制( a d k d ，自适应差 分脉码调制( a d p c m ) 和自适应预测编码( a p c ) 等。变换域编码也不基于声学模型 的编码方法，主要有子带编码( s b c ) 和自适应变换编码( a t c ) 。参数编码是基于 模型的编码方法，它分析并提取语音信号的特征参数，且只传送能够合成语音信 息的参数，通过参数还原语音，如l p c 1 0 和l p 1 0 e 编码器。混合编码结合上 诉几种编码方式的优点，在保留参数模型技术精华的基础上应用波形编码准则去 优化激励信号，其代表是合成分析线性预测编码。它采用感知加权技术在闭环的 基础上寻找主观意义上失真最小的激励矢量。4 1 g 7 2 9 d 编解码器的c s - a c e l p 编码技术就属于混合编码方式。 3 1 语善信号模型 北京邮电大学硕士研究生论文g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 语音信号的数字模型就是利用数字信号处理技术来实现发音器官的模拟。它 是一个线性系统，图2 - i 所示的模型是我们使用最多的语音产生的数字模型，利 用浊音和清音激励发生器二者交替来模拟激励形式的改变，这就是所谓的二元激 励。但是二元激励也有局限性。主要有以下三个方面：一，这个模型有个短时平 稳概念，就是说持续音的参数在1 0 - - 2 0 m s 内基本上是不变化的，但是对于塞音 这样的暂音这个模型分析欠佳。二，对理论要求有零点的鼻音和擦音也受到限制。 三，浊擦音不是简单的浊音和清音的叠加，是很复杂的过程，此模型不能给出模 拟。g 7 2 9 d 声码器的语音分析模型原型就是图3 - 1 所示的模型，因此在这三个 方面c t 7 2 9 d 声码器同样存在问题。 图3 - 1 语音产生的数字模型 3 2 线性预测的基本原理及语音信号的线性预测分析 线性预测分析提供了一组简洁的语音信号模型参数，这一组参数较精确地表 征了语音信号的频谱幅度。 在随机信号谱分析中，常把个时间序列模型化为白噪声序列通过一个数字滤波 器h ( z ) 的输出。【5 】 北京邮电大学硕士研究生论文g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 h r 7 、一1 + 荟b l z - i g h ( z ) 2 i 一 卜弩风z 。 信号模型的输入输出满足下面的差分方程： s ( n ) 2 荟a 一( 一一) + g 弘u ( n 一2 _ = 1 s 可以模型化为它的p 个过去值s ( n - i ) 和输入u ( n ) 及其q 个过去值u ( n 1 ) 的 线性组合，从物理意义上讲，s ( n ) 可由其过去值及输入信号值的线性组合来预测 得到。【5 】 数字滤波器可以有三种模型：自回归信号模型a r 模型，滑动平均模型m a 模型，和自回归滑动平均模型a r m a 模型。a r 模型是个全极点模型，在实际 语音信号中，全极点模型占了多数，理论上讲a r m a 和m a 模型可以用无限高 阶的a r 模型来表达，所以我们只讨论a r 模型。我们把声音的辐射，声道和声 门激励的全部谱效应简化为一个时变的数字滤波器，其系统函数用a r 模型来表 示： 聃器万g 语音信号产生的模型如下： 1 4 北京邮电大学硕士研究生论立 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和1 二程实现 基音周期 f 声道参数 图3 2 语音信号产生模型 在语音信号产生模型中，数字滤波器h ( z ) 的参数就是线性预测系数，求解滤波 器参数和增益常数g 的过程就是语音信号的线性预测分析。 3 警c e l p 埔解码原理 码激励线性预测c e l p 编码技术是种有效的中低速率语音压缩编码技术。它 采用了合成分析搜索，感知加权，矢量量化，线性预测等技术。其编码器原理图 如下： 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 图3 - 3c e l p 编码器框图 c e l p 用码本作为激励源，它建立两个码本( c o o d b o o k ) ：自适应码本和固定码 本。自适应码本中的码字用来逼近语音的长时周期性( 基音) 结构，固定码本中的 码字用来逼近语音经过短时，长时预测后的残差信号。从两个码本中搜索出来盼 最佳矢量，乘以各自的最佳增益后相加，其和为c e l p 激励信号源。 c e 增解码框图如下： s t p 共 协 音合成 振峰合 后置滤波器 输出语音 激励码本 l t p 基 滤波器 成滤波 p f ( z ) f 器 图3 4c e l p 解码器框图 短时预测滤波器s t p ，也就是常用的l p c 共振峰合成滤波器，用来表征语 音信号的包络信息，其传输函数为： 11 酢) 1 音，i 4 0 ) 为短时预测误差滤波器，a ，为l p c 系数。长时预测器l t p 即基音合成 滤波器用来描述语音信号谱的精细结构，其传输函数为： 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 上：! p ( 三)l 一卢z 为基音预测增益，l 为基音延迟。卢和l 通过自适应码本搜索得到。 自适应码本搜索又称为基音搜索，目的是确定基音合成滤波器中的和l ，即最 佳基音预测增益( p i t c hg a 蛐和基音延时( p i t c hd e l a y ) 。 g 7 2 9 d 中自适应码本搜索方式为首先进行开环搜索，在基音周期所有可能 的取值范围内找到它的一个粗略估计值，然后通过闭环搜索最终确定基音周期。 开环搜索的示意图如下： 图3 - 5 开环搜索示意图 用开环搜索来粗略估计基音周期有两种方法。第一种是利用短时预测残差 e ( ) 样本间的相关性即利用从短时预测残差得到的长时预测残差的均方误差最 小。第二种方法是计算加权语音信号( 疗) 的自相关函数，选择l 使其最大。 g 7 2 9 d 采用这种方法。这种方法存在一个问题：如果真实的基音周期较小，则 在延迟l 内可能有多个基音周期，此时自相关函数的第一个最大值就有可能丢 失，从而错误地选择一个倍频信号作为基音周期。为了避免基音的倍频，g 7 2 9 d 将延迟l 的取值范围分成了三组，分别求各组自相关函数的最大值。 闭环搜索的目的是使原始语音信号与合成语音信号的加权误差最小。闭环搜 索示意图如图3 6 所示。 加权语音： ( n ) = j ( 胛) + q n j 一f ) 一q 托j ( 挖一f ) i = ij _ l 加权合成语音信号为： a 哟：a ) + n s w ( s o ( n “( 的 一| )哟= ) + “( 的 一| ) a o 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 其中s o ( n ) 为加权共振峰合成滤波器h ( z ) 的零输入相应。则原始语音信号与 合成语音信号之间的加权误差为：o ) ：( ”) 一a ( 玎) ：x o ) 一窆“( k ) h i n 一_ j ) r _ _ 其中x ( 一) = s 。( 一) 一s o ( n ) 称为自适应码本的目标信号，它是原始加权语音信号与加 墁 权共振峰合成滤波器h ( z ) 的零输入响应之差。在g 7 2 9 d 中，目标信号是由短时 线性预测残差信号e ( n ) 通过加权合成滤波器h ( z ) 而得到的。 3 4 自适应后置滤波 图3 - 6 闭环搜索示意图 知觉加权技术利用噪声谱形变使共振峰频域内和谐波成分处的噪声电平低 于掩蔽昕阈。但是这样做的同时也使其它频域内和谐波之间的躁声电平大于掩蔽 听阈，引入后置滤波的目的就是为了减少这些区域内的噪声。g 7 2 9 d 标准中自 适应后置滤波器包括长时滤波器，短时滤波器和频谱倾斜补偿及自动增益控制四 部分，长时后置滤波器器用于增强基音谐波处的信号，衰减基音谐波波谷处的信 号。短时后置滤波器用于增强共振峰处的信号，衰减共振峰之间的信号，频谱倾 斜补偿滤波器用于补偿短时后置滤波器引入的频谱倾斜。 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 长时后置滤波器的传输函数如f ： q ( z ) = g t 筹 其中g j 为自适应比例因子，p 为真实的基音周期，0 c ac 1 ，0 cyc 1 。 短时后置滤波器的传输函数如下： 咏) = 戡等脚d 其中4 ( z ) = 艺a 。为l p c 预测器的传输函数，q 为l p c 预测系数，p 为皿c 预测器的阶数。 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 第四章g 7 2 9 d 声码器性能仿真分析 本章重点从坏帧隐藏算法来研究g 7 2 9 d 声码器的性能。对坏帧隐藏的研究 主要从置坏帧方案和坏帧隐藏算法的优化两方面分析，由于置坏帧方案与信道保 护方案有关，所以首先介绍s c d m a 无线接入系统的信道保护方案。 屯1 $ 鲫眦霹鳞璜凑蝴龋豢 无线信道编码是为了接收机能够检测和纠正由于传输媒介带来的信号误差， 同时在原数据流中加入了冗余信息，提高了数据传输速率。在信道编码中有两类 重要的码一线性分组码和卷积码。c d m a 2 0 0 0 体系和w c d m a 都是采用t u r b o 编 码或卷积编码方式。卷积编码纠错能力强，但是译码复杂度比较大，而且对短码 编码效益也不高，因为卷积码的纠错能力跟编码器的束缚长度有关，束缚长度越 长，信号之间的关联程度越大，纠错能力越强。由于卷积编码跟移位寄存器的状 态有关，所以要让寄存器回到初始状态必须添加额外的比特进行编码，在信道容 量不宽裕的条件下不切实际。 g 7 2 9 d 声码器的编码速率为6 4 k b p s ，即对于s c d m a 无线接入系统每个l o m s 帧来说有6 4 b i t 编码数据。由于切换每帧需要留下6 b i t 成帧，这样对于9 6 b i t 的语音信道容量来说还有2 6 b i t 可以作信道保护。合理分配好这2 6 b i t 来作信道 保护显得很重要。用2 6 b i t 的冗余来做信道编码保护在理论上有很多种方案组 合。 1 码字的选择 因为卷积码不能选用，我们只能选用线性分组码。线性分组码将串行的信息 码流分为长度为k 个码元的组，每组信息码元在编码器中按照一定的数学运算关 系生成r 个校验码元。分组码的特点是，每组内的r 个校验码元只与本组内的k 个信息码元有关，只由本组内的信息码元生成，与其它组内的信息码元无关。由 于加入了校验码元，编码器输出的码流速率要高于输入的码流速率，也即校验码 2 0 北京邮电大学硕士研究生论文 g 7 2 9 d 语音编解码器性能仿真分析和工程实现 元要占用一部分传输频带，这是纠错编码的一个代价。定性而论，校验码元越多， 纠错能力越强，但传输频带方面付出的代价就越大。分组码中衡量校验码元多少 的一个基本参数是码率，它定义为： r ；k n 分组码的表示方式一般采用( r l ，k ) 的形式，n 为编码后一个分组的码元数， 它等于信息码元数加上校验码元数，n = k + r ，编码后的一个分组( 包括k 个信息 码元和r 个校验码元) 称为码字。码率表示一个码字内信息码元数的相对长度， 可以定性反映一种编码的纠错能力，同时也可以从中推算出校验码元的相对长度 及其在频带上的代价。精确表示分组码纠错能力的参量是“最小码距d ”，d 以 码元数为单位。分组码的纠错能力与d 之间的关系为：如要保证在一个码字内能 够检测出e 个误码，则要求d ze + l ；如要保证在