（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp实现g729语音编码算法.pdf

a b s a e t a b s t r a c t t h e r a p i d l yd e v e l o p i n gd s pt e c h n o l o g yh a ss u p p l i e dad e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o r t h ef i e l do fs p e e c hp r o c e s s i n g ，w h i c hm a k e si tp o s s i b l et oi m p l e m e n ta l lk i n d so f c o m p l e xa l g o r i t h m si nr e a lt i m e t h eg 7 2 9s p e e c hc o d e c ( e n c o d e ra n dd e c o d e r ) i sa l l a l g o r i t h mr e c o m m e n d a t i o nf o rt h ec o d i n go fs p e e c hs i g n a l sa t8 k b i t sb i tr a t eu 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 a t i o nc s a c e l p ) ，w h i c h w a sa p p r o v e db yi t u ( i n t e r u a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) o nt h e1 9 9 6 n u g 7 2 9h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，i pt e l e p h o n e , d i g i t a ls a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s a n ds oo n i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo ft h i s a l g o r i t h ma n di t si m p l e m e n t a t i o no nas i n g l ec h i po ff i x e dp o i n tt m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s p a r es t u d i e d ，i n d u d i n gt h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h em a i na s p e c t sd e a l t w i t ht h i sp a p e ra r es t r u c t u r e da sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c t i o nt h ed e v e l o p m e n to fs p e e c hc o m p r e s s i o na n dd s pt e c h n o l o g y 2 s t u d i n gt h ea l g o r i t h mp r i n c i p l eo ft h eg 7 2 9v o c o d e rb a s e do nt h es t r u c t u r eo f c e l p 3 s t u d i n gt h em a k e u po ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h ed e s i g n a t i o no ft h es y s t e m s o f t w a r ea n dt h es o f t w a r eo p t i m i z a t i o nb a s e do nt h ed e m a n do fg 7 2 9a l g o r i t h ma n d r e a lt i m e 4 a n a l y z i n ga n de v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e mu s i n gt h ec o d e c o m p o s es t u d i o ( c c s ) s o f t w a r e t h et e s t i n gr e s u l ti sg i v e n k e yw o r d s ：g 7 2 9s p e e c hc o d e c , s p e e c hc o d i n g , d s pc h i p ，r e a l t i m ei m p l e m e n t a t i o n , t m $ 3 2 0 c 5 4 1 6 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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， 1 1 j 1 1 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 获得石家庄铁道学院或其它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 确的说明并表示了谢意。 签名：亟驽幽日期：翟丑兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：委蛰垒壑l 导师签名：二三3 查日期：越 第一章绪论 1 1 选题目的和意义 第一章绪论 语音信号是人类使用最多，最基本，也是最重要的信息载体。语音信号处 理是信息科学的一个分支，是以数字信号处理和语言学为基础发展起来的一门 交叉学科。语音编码技术就是其中的一个分支，其目的是在保证语音一定质量 的前提下，将模拟的语音信号用尽可能少的比特实现数字化，以便在有限的传 输带宽内让出更多的信道来传送图像、传真、文档、计算机文件和其他数据流， 从而达到传输资源的有效利用和网络容量的提高。而高度快速发展的d s p 技术 为语音信号处理领域提供强有力的工具，使得实时实现各种各样的复杂算法成 为可能。 国际电信联盟l l 】( r r u ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 于1 9 9 6 年推出 了采用共扼结构代数码激励线性预测( c s - a c e l p , c o n j u g a t es t r u c t u r ea l g e b r a i c c o d ee x c e e dl i n e a rp r e d i c a t i o n ) 技术的具有8k b i t s 码速率的语音编码算法建议 g 7 2 9 ，该算法是以语音编码方案中的码激励线性预测( c e l p , c o d ee x c i t e dl i n e a r p r e d i c a t i o n ) 技术为基础提出的，与g 7 2 3 1 声码器同属于n u 己制定的语音压缩 国际标准中最新且码率最低的两种，属于参数编码器。c e l p 虽然能在中低速率 上提供较好的合成语音方案，成为目前语音编码算法中最主要的方案，但计算 复杂和数据存储量大却是它的固有缺陷。这使得一些理论上性能良好的语音编 码方案在实时实现或实际应用中还存在许多困难。因此语音编码算法的实时实 现一直是该领域中的一个具有重大意义的研究课题。 近年来，由于超大规模集成电路工艺的进步和专用集成电路的广泛使用， 极大的推动了数字信号处理s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术的发展。各大芯 片生产厂商纷纷推出各具特色的高性能数字信号处理专用芯片，如德州仪器公 司( t i ，t e x a s i n s t r u m e n t s ) 膨j t m s 3 2 0 系列d s p , m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 x x x 系列、 模拟器件公司似d ，a n a l o gd e v i c e s ) 的a d s p 2 1 0 0 系列，a t & t 公司d s p1 6 系列 等。为提高运算速度以满足实时数字信号处理算法的要求，当前的d s p 都采用 与通用微处理器( m c u ) 不同的结构，即放弃冯诺依曼结构而采用改进的哈佛结 一1 一 第一章绪论 构。改进的哈佛结构具有预取指、取指、译码、寻址、读数和执行六级深度， 从而大大提高处理速率。d s p 以其卓越的运算能力为数字语音信号处理领域的 研究及开发提供了有力的工具。 1 2 发展概况 1 2 1 语音编码技术的发展概况。捌 语音编码最初是由人们企图压缩通信频带而来。自从1 8 7 6 年贝尔发明电话 以来，电话通信发展很快，但是在之后几乎半个世纪中，人们对电话系统了解 甚少，在2 0 世纪2 0 年代，美国贝尔实验室开始研究电话信号，同时也对电话 系统的理论进行研究。 在半个多世纪的研究中，各国学者做出了大量的努力，从人类发音机理和 听觉机理出发，对语音的基本元素如声学特性、频谱特征和语意表达等做了大 量的研究，建立了发音模型和听觉模型，在不同程度上逼近了真正的语言过程， 并取得了长足的发展，逐步形成了通信和信息处理科学的重要研究方向。 自从1 9 3 9 年美国的h o m e rd u d l e y 发明声码器以来，语音处理开始了参数编 码或模型编码的研究，它是以滤波器为主构造的通道声码器。2 0 世纪6 0 年代以 前，s a t o i t a k u r a ( 1 9 6 6 ) 和a t a l s c h r o e d e r ( 1 9 6 7 册究出实用的共振峰声码器，最 早把“l p c ( l i n e a rp r e d i c t i o nc o d e ) ”技术应用到语音分析和合成中。他们以线 性组合模型满足均方误差最小条件下逼近原始波形的方法提取参数，研究出了 自相关法、协方差法和格型法等快速算法。1 9 6 6 年，j l f l a n a g a n 提出了以瞬时 频率为基础的相位声码器。1 9 6 9 年，a v o p p e n h e i m 提出了以倒谱为基础的同态 声码器。在2 0 世纪8 0 年代以前，l p c 编码器最终因其成熟的算法和对参数的 精确估计最终成为语音信号处理领域最重要的研究成果，并逐步走向实用。1 9 8 2 年，美国国家安全局公布了2 4 k b s 的l p c 1 0 声码器标准俾s 1 0 1 5 ) ；1 9 8 4 年， 美国国防部制定了s t u i i i 计划，采用2 4k b s 的l p c 1 0 e 增强型声码器，并于 1 9 8 6 年正式投入使用。 1 9 8 5 年b s a t a l 和m r s c h r o e d e r 提出c e l p ( 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 ) 算法以来，闭环分析算法l p a b s ( l i n e a rp r e d i c t i o na n a l y s eb ys y n t h e s i s ) 成为主 流。美国国防部公布了4 8k b sc e l p 联邦标准( f s 1 0 1 6 ) 。欧洲电讯管理局于1 9 8 8 2 第一章绪论 年公布了1 3 k h sr p e l t p ( r e g u l a rp u l s ee x c i t a t i o n l o n gt u n ep r e d i c t i o n ) 语音编 码方案。1 9 8 9 年，北美蜂窝电话工业组织公布了i s - 5 48k b sv s e l p ( v e c t o rs u m e x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i v e1 语音编码方案。1 9 9 2 年，国际电话与电报咨询委员会 公布了g 7 2 81 6k b sl d c e l l ( l o wd e l a yc o d e e x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ) 语音 编码案，1 9 9 5 年公布了 g 7 2 35 3 6 3k b s a c e l p m p m i d ( a 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 m u l t i p l u s em a x i m u ml i k e l yq u a n t i f i e 0 双速率多媒体语音编码标准，1 9 9 6 年公布了g 7 2 98k b sc s - a c e l p ( 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 ) 语音编码标准。在 短短十年中就产生了3 个国际标准、2 个地区标准和2 个国家标准，足见语音压 缩编码的研究发展之快，堪称在国际标准化工作中最活跃的研究领域。就语音 编码的现状而言，6 4k b s ，3 2k b s ，1 6k b s 和8k b s 的技术己经标准化和产品化， 已具备比较完善的理论和技术体系，并己进入实用阶段。 1 2 2d s p 技术的发展概况 世界上第一个单片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司宣布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国 i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。这两种芯 片内部都没有现代d s p 芯片所必须的单周期乘法器芯片。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的1 1p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。第一个采用c m o s 工艺生产浮点d s p 芯片的是日本的h i t a c h i 公司，它于1 9 8 2 年推出了浮点d s p 芯片。而第一个高性能的浮点d s p 芯片应是a t & t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。 在众多的d s p 芯片种类中，最成功的是美国德州仪器公司f f e x a s i n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系列产品。啊公司在1 9 8 2 年成功推出启迪一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 1 ，t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 伦1 5 c 1 6 ，c 1 7 等， 之后相继推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 0 ，t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯 片t m s 3 2 0 c s ) 5 4 x 以及集多个d s p 于一体的高性能d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 8 0 c 8 2 等。1 f 1 将常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) ，t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c s x c 5 4 x c s s x ) ，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。如今，1 1 公司的一系列d s p 产 品己经成为当今世界上最有影响的d s p 芯片。1 r i 公司也成为世界上最大的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额占全世界份额近5 0 。 第一章绪论 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越 广泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间己经从8 0 年代初的 4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到i o n s 如( t m s 3 2 0 c 5 4 x ，t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等1 ，处理 能力提高了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占模片区的 4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 增加一个数量级以上。从制造工艺来看， 1 9 8 0 年采用姒的是n 沟道m o s 工艺，而现在则普遍采用亚微米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上。 1 3 研究内容和研究思路 从g 7 2 9 语音编码器的编解码算法理论研究起，分析了编码比特流的组成。 在第三部分研究了g 7 2 9 声码器在t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 定点d s p 芯片上具体实时实现 的硬件结构，重点介绍了硬件的组成、各个部分的特点以及硬件处理信号的过 程。最后研究了g 7 2 9 实现的软件设计及优化过程，在优化中主要是对一些基本 函数的优化、对滤波器的优化和基于c 语言函数的优化以及对流水线问题的优 化，最后给出实验结果。 - - 丑 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 n u - t 在1 9 9 6 年3 月公布了g 7 2 9 l m l 5 l 建议的8k b s 用对结构代数码激励线性 预n ( c s a c e l p ) 的语音编码方案。该方案的特定是：分析窗采用混合窗：l s p 参数采用二级矢量量化；以子帧为单位的码本搜索分为自适应码本搜索和代数 码本搜索；基音分析采用开环基音分析和自适应码本搜索相结合，降低了运算 量，减少了基音的量化比特数，并提高了基音预测的准确度；代数码本算法简 单，不需要存储码本，恢复音质清晰。 2 1 编码器 图2 1 给出了编码原理框图。输入信号先经过高通滤波预处理，每1 0m s 帧作 一次l p c ，计算廿滤波器系数，这些系数转换为线谱x 寸( l s p ) 并用两段1 8b i t 矢量 量化。激励信号用a b s 方法搜索，以原始语音与合成语音的误差感觉加权最小为 测度进行搜索，而感觉加权滤波器用未量化的l p 系数构造而成。感觉加权的量 是以保证输入信号的频响是平稳的而进行自适应调整。 具体的工作过程如下：激励参数( 固定码本和自适应码本参数) 每个子帧侈 m s ，加个采样点) 确定一次。量化的和未量化的i j p 滤波器系数用于第二子帧，而 在第一子帧是用内插的l p 系数，根据感觉加权语音信号每1 0m s 帧估计一次开环 基音延时。下面的操作每个子帧都重复进行。码本搜索的目标信号是由l p 残差 信号通过加权合成滤波器获得的，这两个滤波器的状态根据 残差信与激励之 间的差值来更新。在计算加权合成滤波器的脉冲响应后，就可以用该脉冲响应 和目标信号来计算闭环基音，闭环基音是用于计算自适应码本的时延和增益的。 在考虑自适应码本的影响后更新目标信号而获得新的目标信号，用于固定码本 搜索。自适应码本和固定码本搜索完成后，对自适应和固定码本的增益进行v o 量化。最后用激励信号对滤波器的状态进行更新。 2 1 1 预处理 输入1 6b i t s 线性p c m 语音信号，为避免处理中产生溢出和不必要的低频成 5 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 分，将输入的样值点都除以2 ，并通过一个截止频率为1 4 0h z 的高通滤波器。用 h 。( z ) 二阶极零点滤波器实现。 何。0 ) 。0 4 6 36 3 7 1 8 - 0 9 2 7 2 j 4 7 0 5 z - i + 0 4 6 3 6 了3 7 1 8 z - z ( 2 - ( 2 - 1 ) 爿“【2 j 。了i 菇面蕊矛丽百丽瓦了一 1 ) i p c 信息 图2 - 1 编码原理图 6 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 2 1 2 线性预测分析和量化 用1 0 阶l p 作短时分析，l p 合成滤波器定义为： 百1。上(2-2)lo - ( z ) 1 + 占；z 。 其中反( f = 1 ，1 0 ) 是量化线性预测系数。用3 0m s 非对称窗加权s 0 ) ，求8 0 个样 点( 1 0 m s ) 自相关系数，用l e v i n s o n d u r b i n 算法求l p 系数，然后转换为l s p 系数， 在l s p 域量化和内插。量化和未量化滤波器系数都有内插，来构成加权合成滤波 器。 2 1 2 1 加窗和自相关函数计算 l p c 采用的是混合窗( 1 2 的海明窗和1 4 的余弦函数) ： o ) 一 o 5 4 - o 4 6 咖白， 9 9 (23)2 c o s ”( n - 2 0 0 ) ，甩，2 0 0 , ，2 3 9 、7 1 5 9 。 其中有5m s ( 4 0 个样点) 来自下一帧，1 5m s ( 1 2 0 个样点) 来自上一帧，当前帧1 0 m s ( 8 0 个样点) 加窗过程如图2 - 2 所示。 l p 窗 图2 2 加窗过程 加窗语音j 0 ) 为： j 伽) - 吐k o p o ) ， n ；o ，2 3 9( 2 - 4 ) 对于是自相关函数r ( k ) 为： 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 2 3 9 r ( 。) 。荟5 ( 开p ( 以一七) 七o , - - 1 0 ( 2 - 5 ) 为避免低电平输入信号的r ( o ) 值的算数问题，f i r ( o ) 一1 0 为下界，用吐k 作) 乘以自相关函数使其有6 0h z 的带宽扩展。 t o a s ( k ) = e x p 【一互1 。f2 面无。k 。) ，七一l j 。c 2 - s ， 其中，0 6 0 h z ，正一8 k h z 是采用频率。 那么修正后的自相关函数为： 船乩- 。o 眦a g ( k ) r ( k ) 1 r ) 卜。7 2 1 2 2l p 系数到l s p 系数的转换 用修正的自相关函数，( 七) 求解线性滤波器系数a 。，即求解下述的方程组： q r ( 一七d 一一，( 七) ， k 一1 , - - j o ( 2 8 ) 这里用前面介绍过的经典快速算法：l e v i n s o n d u r b i n 算法求解。根据前边的运算 过程得到最终解，即滤波器的系数为：口掣，一1 l o r 有a 。一1 0 。 为了便于量化和插值，线性预测滤波器l p 的系数口。o 一1 , - - 1 0 ) 要转化为线谱 对l s p 系数。对于1 0 阶的线性预测滤波器，线谱对参数定义为下面两个式子的根： e 让) - 爿0 ) + z - n a ( z 4 )( 2 9 ) 巧0 ) - a ( z ) 一z - n a ( z 1 )( 2 1 0 ) 可以证明，这些多项式的根在单位圆上，而且相互交替出现。其中e 必定有一 个根为：z 一1 - 石) ，而0 ) 必定有一个根为：z t l ， 一0 ) 。则由此可定 义新的多项式： 一筹( 2 q o f 2 m 咎( 2 0 1 2 ) 每个多项式有5 个共轭复根在单位圆上( p 2 细) ，它们可以用下式表达： 8 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 咖；珊魄严) ( 2 - 1 3 ) f 2 ；职g 一2 q i z - t + z 。2 ) ( 2 - 1 4 ) 其中q t - c o s ( w ，) ，0 3 ，是线谱频率而且满足顺序特性，0 f j - i ) z i - l - 编+ - 1 1 ) 2 一( + 。+ j ) 2 e n d e n d 算法规定用2 个m a 预测法进行预测( 第一次取值j 0 0 0 12 ，第二次取值 j 。0 0 0 0 6 ) ，重复以上步骤，从中取最优值。当前第m 帧量化线谱频系数讲”等 于先前量化器输出值佃4 和当前量化器输出值j ：佃的加权和： i ( 1 一荟屯炉+ 荟材“( 2 - 2 1 ) 其中丘。是m a 预测器的系数。 参数三。表征选择那种方式的m a 预测法。j ：的初始值为j ：一i 石1 l k 0 ， 计算得到啦之后，要按如下做法检查对应滤波器的稳定性： ( 1 ) 按升序排列龟； ( 2 ) 如果商 1 4 3 t h e n f 。一1 4 3 f m f 。一9 e n d 闭环基音搜索的准则是使原始语音与重建语音间的均方加权误差最小，即 使n ( k 1 最大： r ) 一 扣 磊石o ) 佗3 5 ) 其中，x ( n ) 是目标信号，y 。o ) 是在延时为k 时的滤波激励( 即过去的激励与h ( n ) 的卷积) 。在计算延时f 。的卷积) ，。o ) 时，对其它整数延时的搜索范围 k - f m + 1 ，t 。用下面关系修正： 儿0 ) 一y t 。0 1 ) + u ( - k ) h 0 ) ，n 一3 9 , - - ，0 ( 2 3 6 ) 其中， 0 ) 0 一一1 4 3 ，3 9 ) 是激励缓冲器的值，y t q ( 一1 ) 一0 。 在确定互，毛时，如果最佳整数闭环延时小于8 5 ，那么在最佳整数延时附近 的分数应作测试：内插归一化相关系数r ( k ) 并搜索它的最大值得到分数基音周 期，用基于s i n c 函数( 已加汉明窗) 的f i r 滤波器6 | ：，在1 1 处截断，在1 2 处 ( b l ：( 1 2 ) 一o ) t b 零。对于分数一2 3 ，- 1 3 ，0 ，1 3 ，2 3 ，r ) 的内插值为： 33 r 0 ) ，=r ( k i ) b 1 2 ( f + 瓢) +r ( k + 1 + f ) 钆2 ( 3 一t + 3 ) ，t - 0 , 1 , 2( 2 3 7 ) 其中，t 一0 工2 对应的分数o ，1 3 ，2 3 ，必须计算在p 。一4 ，f 一+ 4 】范围内式( 2 - 3 5 ) 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 的相关项，做到适当的内插。 2 1 6 1 自适应码本矢量的产生 确定基音延时后，在给出的整数延时k 和分数延时t 处内插过去的激励u ( n 1 来计算自适应码本矢量v ( h ) ： v ( 月) 4 薹“( n 一七+ 涉”( f + 3 ) + 荟“( 玎一七+ 1 + ) b 3 0 ( 3 一f + 3 ) ( 2 3 8 ) n 一0 ，3 9 ，t t o a 2 该内插滤波器是用基于s i n c 函数( 已加汉明窗) 的f i r 滤波器6 3 0 ，在2 9 处截断， 在3 0 处( 6 。( 3 0 ) 一0 ) 得到的。 2 1 6 2 自适应码本延时的码字计算 分数延时r 分别用它的整数部分i n t ( t ) 和分数部分f r a c 3 ，( 。4 c 一一1 , o 山表 示。基音信号只编码为： 只。p 。( i 屺) 一1 9 ) + 声卅1 ，互- 【1 9 ，一 8 5 】肛_ 卜1 o j ( 2 - 3 9 ) fij 1 l ( i n t ( t 1 ) 一8 5 ) + 1 9 7 ，五- 【8 6 ，, 1 4 3 ，f r c 一0 基音延时疋的值编码与正的值有关，则基音序号最的编码为： 最一3 x ( i n t ( t 1 ) 一f m ) + 位c + 2 ( 2 - 4 0 ) 为使编码抗随机比特误码率高，在第一子帧的只中引入奇偶校验位最，是 与只的高六位作异或得到的。 2 1 6 3 自适应码本增益计算 自适应码本的延时确定后，计算其增益g 。： g ，4 x ( n ) y 伽) y ( n ) y o ) 0 s g p 1 2 ( 2 - 4 1 ) 其中工0 ) 是目标信号，y ( h ) 是滤波器g ) - ( z ) 对p o ) 的零状态响应： ) ，加) 。荟”o 油。一) ， n - o ，3 9 v鱼”v盘 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 2 1 7 固定码本的结构搜索 固定码本是代数码本结构，用正负号脉冲交错表示。该码本每个码本矢量 含有四个非零脉冲，每个脉冲的幅度或正或负，如表2 1 所示给定的位置。 表2 1 固定码本矢量中的脉冲位置 码本矢量c ( n 1 由4 0 维零矢量，在4 个位置上放4 个单位脉冲并乘以对应的符 合构成： ( ”) - s 0 6 ( n 一所。) + s - 6 ( “一? ：d ( ”一m ：) + s ，6 ( n 一肌，( 2 - 4 3 ) 玎一o 3 9 其中6 ( ) 是单位脉冲。所选码本矢量经过预滤波器p ( z ) 滤波，增加了谐波成分， 改善了重构语音质量，则： 砟) 。f ( 2 。 其中，r 为当前子帧的基音延时的整数部分，芦是基音增益。从前一子帧的量化 自适应码本增益求得芦值： 卢一雪，川，0 2 s 卢s 0 8 ( 2 - 4 5 ) 当延时小于4 0 时，c o ) j | j 1 0 ) 用下列两式修订： c 。，一仨竺； + 廖。一r 工：；：j j ：三i 1 ( 2 4 6 ) 1 7 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 n 2 嚣竺) ，+ 艮。一丁x ：二二；一1 q 4 7 ， 2 1 7 1 固定码本搜索过程 用加权输入语音s 。o ) 和加权重构语音之间的均方误差最小化准则来搜索 固定码本中的码矢量。其过程是用目标信号x ( n ) 减去自适应码本的贡献： 工( n ) * x ( n ) 一g p y ( 竹) ， nt 0 ，3 9 ( 2 4 8 ) 其中g 。，y ( n ) 由式( 3 - 4 1 ) 和( 3 4 2 ) 得到。 构造矩阵h 为下三角t o e p l i t z 卷积矩阵，主对角线的元素依次为 | i l ( 0 ) ， ( 1 ) ，h ( 3 9 ) 。对称矩阵妒一h 7 h 的元素为： 3 9 妒( f ，) 一 o i ) h ( n n f o ，, 3 9 ，一0 ，, 3 9 ( 2 - 4 9 ) 月。j 相关信号a ( n ) 定义为： 3 9 d o ) 。工o 妒。一胛) ， 开lo ，3 9 ( 2 - 5 0 ) 设g 是第k 个固定码本矢量，那么使下式最大化的码矢量即为所求： 譬。鹫掣 ， e c ：够k 、。 由于码本矢量q 仅含有4 个非零脉冲，因此代数结构的码本c 的搜索可以大大简 化。那么式( 3 5 1 ) 的分子的相关值和分母的能量值分别为： c 。荟即( ) ( 2 - 5 2 ) e 。荟妒 ，以) + 2 荟墨，s ，妒_ i , m y ) ( 2 - 5 3 ) 1 8 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 要简化搜索过程，用量化信号d ( n ) 先作脉冲幅度的预判决，即将信号a ( n ) 分 解为两部分：绝对值i d ( n ) l 和符号s g n a ( n ) 】，则妒修正为： 妒o ，) ；s g n d ( i ) s g n d ( j ) q ，( i ，) ，f 一0 , - - , 3 9 ，一f + 1 ，3 9( 2 5 4 ) 消去式( 2 5 3 ) 中的系数2 ，则： 伊o ，f ) 一0 5 p a ，f ) ，i = 0 ，- - , 3 9 ( 2 5 5 ) 则式( 2 5 2 ) 和式( 2 5 3 ) 修正为： c - d ( m 。) i + i d ( m ，) i + i a ( m ：) i + i d o n ，) i( 2 5 6 ) i e a 妒伽。，m 。) + 妒伽1 ，m 1 ) + 驴伽o ，m 1 ) ( 2 - 5 7 ) + 妒2 ，m 2 ) + 妒伽o ，r l l 2 ) + 妒l ，肼2 ) + 妒伽，m 3 ) + 伊o ，m ，) + 妒沏l ，m ，) + 驴2 ，肌3 ) 为进一步简化，基于相关值c 设置- - f 限值t h r 3 ： t h r 3 。a v ，+ k 3 ( m a x 3 - - a y ，)( 2 5 8 ) 其中m a x ，a v ，分别是前三个单位脉冲的最大绝对相关值和平均相关值。当决 定相关值超过t h r 3 时，才进入第四次循环，k ，的值控制码本搜索的百分比，设置 为0 4 。最后一次循环的次数不超过1 8 0 。 2 1 7 2 固定码本的码字计算 单位脉冲，f l ，f ：的位置分别用3b i t s 编码，而脉冲用4b i t s 编码，每个脉冲 幅度( 符号) 用1b i t 编码，4 个脉冲总共1 7b i t s 。如果符号为正，则定义s - 1 ； 如果为负，则j 一0 。所以符号码字可表示为 s 一+ 知1 + 如2 + 3( 2 5 9 ) 而且固定码本的码字表示为 c 4 ( 孚) “( 予) + 6 4 ( 孚) “挖( z ( 予) + 豇) ( 2 - 6 0 ) 其中当m 3t3 韪，3 8 时，豇一0 ；当m ，；4 9 ，3 9 时，豇t 1 。 2 1 8 增益的量化 自适应码本增益和固定码本增益是用7b i t s 的矢量量化的。增益码本搜索是 用原始语音和重构语音之间的误差加权均方最小来实现的： 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 e 一工7 x + g ；y 7 y + g ；z 7 z 一2 9 p 工7 y 一2 9 。x 7 z + 2 9 p g 。y 7 z ( 2 6 1 ) 其中x 是目标信号，y 是滤波后的自适应码本矢量，z 是固定码本矢量与 o ) 的 卷积： z ( n ) 。磊。o ) ( 斤一) ， n ；o ，3 9 ( 2 - 6 2 ) 2 1 8 1 增益预测 根据上一子帧的增益，采用4 阶m a 预测算法的固定码本增益g 。： g 。一y g ：( 2 - 6 3 ) 其中，y 为相关因子。那么固定码本贡献的平均能量为： 川吨瞄c 】 p s 用固定码本增益g c 量化矢量c 0 ) ，量化后的固定码本的能量为2 0 1 9 9 。+ e 。 设e t 帕为第m 子帧的固定码本的去均值能量： e 帕一2 0 1 9 9 。+ e + 豆( 2 6 5 ) 其中云一3 0 d b ，是固定码本激励的平均能量。增益g c 可表示为： g 。- 1 0 ”“。7 ”( 2 6 6 ) 用以前固定码本的对数能量预测当前固定码本的对数能量g ：，4 阶m a 预测器如 下： ”) - 罗岛d _ 哪 ( 2 6 7 ) _ 其中吼，b ：，b ，6 4 】一【o 6 8 , 0 5 8 ，0 3 4 ，0 1 9 】是m a 预测器的系数，疗m 为第册子帧的 预测误差的量化值： u ”。e 似一童” ( 2 6 8 ) 预测增益为： + 一1 0 ( 枷+ 细7 ” ( 2 6 9 ) 相关因子y 与预测增益误差的关系为： u i r a ) 一e 伽) 一言枷) 一2 0 1 9 ,( 2 7 0 ) 2 0 第二章g 7 2 9 语音编解码算法研究 2 1 8 2 码本搜索与增益量化 白适应码本增益g 。和r 因子是用两级共轭结构的码本矢量量化的。第一级 是3b i t s 的2 维8 矢量码本g a ，第二级是4b i t s 的2 维1 6 矢量码本g b 。每级矢量都是 2 维的，第一维代表量化的雪，第二维代表量化的，因子，那么分别可以表示为： 雪，g a l ( g h ) + g b l ( g b ) ( 2 7 1 ) 雪。g ：，一g ；( a a 2 ( g a ) + g b ：( g 8 ) ) ( 2 - 7 2 ) 其中g a l ，g b l ，g a 2 ，g b 2 中的下标都是维号。 具体的增益码本搜索是。在第一个增益码本的8 个矢量中选出4 个与最佳增 益g 。最接近的矢量，也就是在g a d p ： 盎择第二个元素( g a 2 ) 乘以预测值最接近最 佳固定码本增益的四个矢量。在第二个增益码本的1 6 5 - 矢量中选出8 个与最佳 增益g 。最接近的矢量，也就是在g b d ? 选择第一个元素( g b l ) 最接近最佳自适应 码本增益g 。的8 个矢量。把预搜索出来的4 x 8 - 3 2 种组合码本，应用均方差最小 准则搜索最佳增益码字，最佳增益码字的索引g a 和g b 分别用3 和4 比特编码传 输。 2 ，1 9 修改存储器 在完成以上步骤后，加权合成滤波器的状态是需要更新的。两个增益被量 化后，当前子帧的激励信号u ( n ) 为： u ( n ) - g p v ( n ) + 营。c ( 蚪) ，h 一0 ，, 3 9 ( 2 7 3 ) 其中c ( n 、是经过增强谐波加强的固定码本矢量。 用于计算目标信号的加权误差信号由下式跟新： e 。o