（电路与系统专业论文）基于g726语音编解码的专用dsp设计研究.pdf

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 ge x i s t si nt e l e c o m m u n i c a t i o n a n dc o n s u m e re l e c a o n i c s v o i c ec o d e c i so n eo fi t sb a s i ca p p h c a t i o n s a d p c mi sa ne f f i c i e n tw a v ef o r mc o m p r e s s i o no fs p e e c hs i g n a l t h es p e e c hs i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mi st y p i c a l l yam u l t is i g n a ls y s t e m ，w h e r es i g m a d e l t ad a t a c o n v e r t e ri so f t e nu s e da st h ei n t e r f a c ef r o mn a t u r a ls p e e c hs i g n a lt od i g i t a ls i g n a lp r o c e s s n o w a d a y sa p p l i c a t i o n s p e c i f i cd s p t a k e sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nv l s id e s i g n o no n eh a n di ti s a p p l i c a t i o n o p t i m i z e d ，w h i c hp r o v i d e sh i g hd e s i g ne f f i c i e n c y ( s m a l la r e a ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c ee t c ) t h a t i so f t e nt h o u g h ta saf e a t u r eo fa s l c ；o nt h eo t h e r h a n di ti sp r o g r a m m a b l ea n df l e x i b l e ，w h i c hp r o v i d e sr e u s a b i h t ya n dm o d i f i a b i l i t yt h a ti saf e a t u r e o f g e n e r a lp u r p o s ed s p i na na p p a c a f i o ns p e c i f i cd s p t h ei n s t r u c t i o ns e tw o r k sa st h eh a r d w a r e 。 s o f t w a r ei n t e r f a c e l o t so ft h ee f f o r t sm a d ei nd e s i g no fa l la p p f i c a f i o ns p e c i f i cd s ps h o u l db ep u t o nt h ed e s i g no fi n s t r u c t i o ns e ta l e h i t e c t u r e t h i sp a p e r p r e s e n t sa na p p f i c a f i o ns p e c i f i cd s p f o rs p e e c hs i g n a lp r o c e s s i n g t h ei n s t r u c t i o n s e ta n da r e m t e e m r eh a v eb e e no p t i m i z e df o rt h ei m p l e m e n t a t i o no ff i r f i l t e r sa n da d p c m a n a s s e m b l yl a n g u a g ep r o g r a m i sd e s i g n e dt oi m p l e m e n tt h ed e c i m a t i o n i n t e r p o l a t i o nf i rf i l t e r so f v o i c eb a n ds i g m a - d e l t ad a t ac o n v e n e ra n dt h er r u sg 7 2 6a d p c m v o i c ec o d e c i nd e s i g n p r o c e s s ，s o m eh a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g nc o n c e p t sa t et a k e ni n t oa c c o u n t ，w h i c hi s c r i t i c a lt o e v a l u a t et h ed e s i g no fa nl n s l x u c t i o ns e t i i lt h e p a p e r b a s i ck n o w l e d g e i si n t r o d u c e do ns i g m a d e l t ad a t ac o n v e r t e ra n da d p c m ；t h e n at h o r o u g ha n a l y s i so ft h es p e c i f i ca p p f i c a f i o ni sg i v e n b o t ht h ed e c i m a t i o n i n t e r p o l a t i o nf i r f i l t e r sa n dg 7 2 6i m p l e m e n t a t i o na r es t u d i e dt od e c i d et h es y s t e mc o n s t r a i n sa n dt h r o wl i g h to n p r o t o t y p ed s p a r c h i t e c t u r e t h e nd e t a i l e dd e s i g ni sd e s c r i b e d ，w h i c hi sm a i n l yf o c u s e do ni s a ( i n s t r u c t i o ns e ta r c h i t e c t u r e ) t h er e s u l to ft h ed e s i g ni sv e r i f i e d ；a n dt h es y n t h e s i sr e s u l tp r o v e s t h a tt h ep e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o n sa r em e t 第一章引言 第一章引言 语言是人类表达思想和情感的最重要的工具，是人们进行交流和通信时最 方便、快捷的手段。因此，语音信号处理一直是一个被广泛、深入研究的课 题，与之相关的应用也遍布人们生活的方方面面。随着科学技术水平的不断提 高，尤其是计算机、网络、移动通信的普及，人类正全面步入信息时代，人们 对于交流的渴望和要求也越来越高，随之而来的是对语音信号处理的更高要 求。同时，信息技术的进步也为语音信号处理的应用提供了更有效的软硬件实 现手段，并拓展了语音信号处理的应用领域。 随着超大规模集成电路( v e r yl a r g e s c m e i n t e g r a t e dc i r c u i t ，v l s d 技术的发 展，数字集成电路密度更高、速度更快，相应的系统功耗和成本也大大降低。 同时，数字技术本身高精度、高可靠性、便于传输存储、便于运算的特点，使 得数字信号处理得到越来越广泛的应用。语音信号是模拟信号，要对它进行数 字处理首先需要将它转换成数字信号，而数字处理的结果最终要转换为模拟信 号才能被人所感知。因此，模数、数模转换技术是语音信号处理的重要组成部 分。语音信号处理中最直接，也是最普遍的应用是语音信号的存储与传输。对 数字化的语音信号进行有效的语音编码，将大大节省语音信号在传输和存储当 中所占用的系统资源。完整的语音信号传输，存储系统的基本框图如图1 1 所 示。 d i g i t i z e dc o d e d re啮-formedd e c o d e d 兰竺陲c o d e d 第一章引言 随着集成电路工艺的发展和集成度的提高，s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 技术 成为了发展方向。在一块集成电路中，集成了混合信号系统的模拟部分和数字 部分。因此，在设计时，需要从整个系统的角度来进行考虑，而不再是按照图 1 1 中的模块分别进行考虑。 本文讨论的混合信号系统中，专用d s p 核的主要任务是完成s i g m a d e l t a 转换中的数字滤波部分和a d p c m 编解码，其功能框图如图1 2 所示。 圈1 2 ：墨于g 7 2 6 语音编解码的专用d s p 功能框图 s i g m a d e l t a 转换器是一种用时间换精度的方案，它广泛应用在中、低速 率，高精度要求的场合，语音信号处理是这项技术应用的一个重要领域。 g 7 2 6 标准算法简单，语音质量高，多次转接后语音质量有保证，因此在无 绳电话系统( 如c t 2 、d e c t ) ，网络会议系统，b - i s d n 通信以及v o p 网络通 信等方面有着广泛的应用。 数字信号处理应用的实现通常有三种设计方案。一是设计专用集成电路 ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) ，一是采用在通用d s p 上编制软件 实现，男一方案就是设计专用指令处理器( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c n s t r u c t i o n p r o c e s s o r ，a s p ) ，或称专用d s p ( a s d s p ) 。a s i c 是完全针对特殊应用的设 计，因此它在速度、面积、功耗等方面往往能取得最优的结果，它的问题是设 计周期较长，设计更改不方便。用通用d s p 编制软件方法，设计周期最短，但 它的硬件结构并没有针对特殊应用进行过优化，因此，通用d s p 当中很多硬件 第一章引言 单元对这些特殊应用而言是冗余的，造成了浪费；同时由于受通用d s p 本身结 构、运行机制和性能指标的限制，并不是所有算法都适合用通用d s p 来实现。 a s i p 是针对特殊应用开发的专用d s p 芯片，它既针对特殊应用在结构上进行 了优化，又提供了一定的可编程能力，使得系统的更改和升级变得简单；它的 问题是在设计指令集和结构时需要进行软、硬件的综合考虑和综合判断，这项 工作复杂度高，工作量大，需要采用系统化的方法来简化设计。 当在三种方案中进行选择时，要考虑到当前对一个成功设计的两方面的要 求。首先，日益广泛而复杂的系统，对设计效果提出了更高的要求，包括系统 速度、面积、功耗等等；其次，在一个迅速发展的市场中，随着产品升级换代 频率的不断提高，产品开发周期要尽可能的短。这两方面的要求是矛盾的，需 要进行权衡。专用d s p 既能提供a s i c 方案里针对具体应用的优化，又能提供 通用d s p 方案里提供的编程能力和可变动性，因此能兼顾两方面的要求，是一 个很好的选择。本文选择专用d s p 的设计方案，也正是考虑到这个因素。 对一个专用d s p 来讲，其结构上的针对性设计和指令系统提供的编程能力 都非常重要。一个成功的专用d s p 设计，基于对具体应用的深入分析，而指令 集的设计是关键。因为，指令集是软硬件的接1 2 1 ，它关系到应用程序能否有效 的调度硬件的运行，硬件系统的功能能否被完整、有效的反映到指令中去。 本文通过对语音信号处理的s i g m a d e l t a 转换器和g 7 2 6 标准的分析，确 定了专用d s p 的功能、模块和设计要求，针对这一设计要求，设计了一个指令 集和相应的硬件结构。此专用d s p 能够完成语音信号s i g m a - d e l t a 转换数字滤 波器部分的运算和g 7 2 6a d p c m 编解码，符合一路语音信号实时a d p c m 编 码，一路语音信号实时a d p c m 解码的双工通信要求。此专用d s p 的结构经过 针对特殊应用的优化，还可适用于其他数字滤波器、线性预测、非线性量化、 对数运算等功能的实现。 本文是这样安排的：第二、第三章介绍有关的基础知识和基本设计方法。 其中第二章详细介绍g 7 2 6 标准，结合对标准的说明介绍a d p c m 基本原理。 第三章介绍s i g m a d e l t a 转换器的原理以及其中降采样滤波器的设计思路和常用 结构。第四、第五、第六章详细介绍专用d s p 设计。其中第四章通过对特殊应 用一数字滤波器和g 7 2 6 标准的分析，确定系统的性能指标、设计要求、程序流 第一章引言 程。第五章详细介绍这个专用d s p 指令集和数据通道的设计。第六章给出有关 结果和分析。 第二章g7 2 6a d p c m 语音编解码标准 第= 章g 7 2 6a d p c m 语音编解码标准 本章介绍语音信号的基本知识，语音信号编解码技术的发展，着重介绍 a d p c m 的原理并详细介绍了g 7 2 6a d p c m 语音编解码标准。 2 1 语音信号及语音信号编解码 2 1 1 语音信号的特点 在介绍语音信号处理之前，我们首先了解一下语音信号的特点，这是理解 各种语音信号处理方法的出发点和依据。 语音信号是一种特殊的信号。从生理角度讲，它是由人的发声器官发出， 并由人的感官系统感知的。因此，发声器官的生理特征反映在信号本身的形 态、特征中，而感官系统的生理特征也影响到人们实际感知到的信号的特征。 另一方面，语音是语言的载体，而语言是受人思维控制的，人的思维、逻辑也 反映在语音信号当中。因此，对语音信号，人们一方面可以把它当作普通的信 号，通过统计、分析，进而建模、处理；一方面也可以通过神经生理学等方面 的研究，掌握语音的特点，从而改进语音信号处理的方法；同时，人们也可以 利用相关的语义特征，帮助语音信号的分析和处理。 2 1 2 语音信号编解码方案分类及比较 高质量、高效率的语音编码方案，一直是语音信号处理领域中的研究人员 研究和探索的目标。语音信号编码方案大致可以分为三种，波形编码、参数编 码和混合编码。 波形编码方案将语音信号作为一般的波形信号来处理，着眼于使重建的信 号保持原语音信号的波形，它的适应能力强，话音质量好，但所需编码速率 高。参数编码着眼于语音信号的语意，它将语音信号的特征参数提取并编码， 第二章g7 2 6a d p c m 语音编解码标准 第= 章g 7 2 6a d p c m 语音编解码标准 本章介绍语音信号的基本知识，语音信号编解码技术的发展，着重介绍 a d p c m 的原理并详细介绍了g 7 2 6a d p c m 语音编解码标准。 2 1 语音信号及语音信号编解码 2 1 1 语音信号的特点 在介绍语音信号处理之前，我们首先了解一下语音信号的特点，这是理解 各种语音信号处理方法的出发点和依据。 语音信号是一种特殊的信号。从生理角度讲，它是由人的发声器官发出， 并由人的感官系统感知的。因此，发声器官的生理特征反映在信号本身的形 态、特征中，而感官系统的生理特征也影响到人们实际感知到的信号的特征。 另一方面，语音是语言的载体，而语言是受人思维控制的，人的思维、逻辑也 反映在语音信号当中。因此，对语音信号，人们一方面可以把它当作普通的信 号，通过统计、分析，进而建模、处理；一方面也可以通过神经生理学等方面 的研究，掌握语音的特点，从而改进语音信号处理的方法；同时，人们也可以 利用相关的语义特征，帮助语音信号的分析和处理。 2 1 2 语音信号编解码方案分类及比较 高质量、高效率的语音编码方案，一直是语音信号处理领域中的研究人员 研究和探索的目标。语音信号编码方案大致可以分为三种，波形编码、参数编 码和混合编码。 波形编码方案将语音信号作为一般的波形信号来处理，着眼于使重建的信 号保持原语音信号的波形，它的适应能力强，话音质量好，但所需编码速率 高。参数编码着眼于语音信号的语意，它将语音信号的特征参数提取并编码， 第二章g 7 2 6a d p c m 语音编解码标准 重建后的信号具有一定可懂性，但其波形和原语音信号波形可能有相当大的差 别，因此它的编码速率很低，但语音质量较差，受环境噪声干扰也很大。混合 编码则结合波形编码和参数编码的特点，能够在中低码率编码的基础上获得很 好的语音质量，是语音信号编解码的发展方向。 到目前为止，语音编码方案大致有以下这些，如图2 1 所 r a p 9 6 ： 图2 1 ：主要的语音信号编解码方案 a d p c m 是自适应差分脉冲编码调制( a d a p t i v ed i f f e r e n t i a l p u l s ec o d e m o d u l a t i o n ) 的简称。它运用了语音信号样点间的相关性，并针对语音信号的非 平稳特性，使用了自适应的量化和预测机制。下面介绍a d p c m 的基本原理 【y a n 9 5 】。 2 2 a d p c i d 的特点和基本原理 案。 a d p c m 是针对语音信号的短时平稳特性提出的一种有效的波形编码方 6 第二章g 7 2 6a d p c m 语音编解码标准 重建后的信号具有一定可懂性，但其波形和原语音信号波形可能有相当大的差 别，因此它的编码速率很低，但语音质量较差，受环境噪声干扰也很大。混合 编码则结合波形编码和参数编码的特点，能够在中低码率编码的基础上获得很 好的语音质量，是语音信号编解码的发展方向。 到目前为止，语音编码方案大致有以下这些，如图2 1 所 r a p 9 6 ： 图2 1 ：主要的语音信号编解码方案 a d p c m 是自适应差分脉冲编码调制( a d a p t i v ed i f f e r e n t i a l p u l s ec o d e m o d u l a t i o n ) 的简称。它运用了语音信号样点间的相关性，并针对语音信号的非 平稳特性，使用了自适应的量化和预测机制。下面介绍a d p c m 的基本原理 【y a n 9 5 】。 2 2 a d p c i d 的特点和基本原理 案。 a d p c m 是针对语音信号的短时平稳特性提出的一种有效的波形编码方 6 第二章g 7 2 6a d p c i v l 语音编解码标准 所谓“短时平稳”是指语音信号总体上是一个非平稳的信号，其特征随时 间而变化，但在短时( 5 - 5 0 m s ) 内，它的特征参数基本保持不变，而相邻短时段 之间参数变化也不很大。 a d p c m 中的d ( 差分) 和a ( 自适应) 是针对这一特点所采取的相应方案。 d p c m 对相邻样点间的差值进行量化。它的系统框图如图2 2 所示： 卜瑚 b 毫 图2 2 ：d p c m 编解码系统框图 其工作原理是：编码时，由输入信号s ( k ) 和预测器产生的预测信号s p ( k ) i f 算得到差值信号d ( k ) ，对差值信号进行量化后得到量化误差信号d q ( k ) ，经编码 后得到输出码字i ( k ) 。接收时接收码字i ( k ) 经过解码恢复出量化差值信号 d q ( k ) ，再加上预测器通过信号的历史信息产生的预测信号s p ( k ) ，得到重建信 号s r ( k ) 。然后，经过线性预测，对下一个信号进行预测。发送和接收部分采 用相同的预测器。 采用d p c m 方法，因为语音信号相邻样点之间存在相关性，因此相邻信号 之间的差值比较信号本身而言要小得多，量化效果更好，其整体量化信噪比 ( s n r ) 比普通p c m 高g p 倍，这里g p 为预测增益。 d p c m 的局限在于它量化器和预测器都是固定的，其系数是按照信号长时 统计特征求出的，这对语音信号这样短时平稳的信号是不合适的。因此，若采 用自适应量化和自适应预测，对系数进行自适应调整，则系统能够对信号的短 时特征的变化及时作出反应，达到更好的效果。 a d p c m 的典型框图如图2 3 所示 t i 9 7 ，2 4 节将结合g 7 2 6 标准详细介绍 其原理。 第二章g 7 2 6 a d p c m 语音编解码标准 图2 3 a ：a d p c m 编码系统框图 s i g n a l 图2 3 b ：a d p c m 解码系统框图 2 3g 7 2 6 a d p c m 语音编解码标准介绍 2 3 1 语音编解码标准简介 语音信号编解码的标准是根据应用背景，对于编码质量、编码速率、编码 延时、算法复杂度等备方面因素综合权衡后，在各种语音编解码方案当中选出 的被认为能够取得最佳实际应用效益的、最优的方案。因此它集中反映了语音 编码技术的发展状况和水平。 表2 1 列出i t u 现行的一些主要标准，及其性能指标，最后一列是其在某 通用d s p 上运行所需的运算量 c h j 0 1 】。 一訇 1墨 兰磊型 一棚衙一 卜二薹|十也 巢 第二章g 7 2 6 a d p c m 语音编解码标准 图2 3 a ：a d p c m 编码系统框图 s i g n a l 图2 3 b ：a d p c m 解码系统框图 2 3g 7 2 6 a d p c m 语音编解码标准介绍 2 3 1 语音编解码标准简介 语音信号编解码的标准是根据应用背景，对于编码质量、编码速率、编码 延时、算法复杂度等备方面因素综合权衡后，在各种语音编解码方案当中选出 的被认为能够取得最佳实际应用效益的、最优的方案。因此它集中反映了语音 编码技术的发展状况和水平。 表2 1 列出i t u 现行的一些主要标准，及其性能指标，最后一列是其在某 通用d s p 上运行所需的运算量 c h j 0 1 】。 一訇 1墨 兰磊型 一棚衙一 卜二薹|十也 巢 第二章g 7 2 6 a d p c m 语音编解码标准 图2 3 a ：a d p c m 编码系统框图 s i g n a l 图2 3 b ：a d p c m 解码系统框图 2 3g 7 2 6 a d p c m 语音编解码标准介绍 2 3 1 语音编解码标准简介 语音信号编解码的标准是根据应用背景，对于编码质量、编码速率、编码 延时、算法复杂度等备方面因素综合权衡后，在各种语音编解码方案当中选出 的被认为能够取得最佳实际应用效益的、最优的方案。因此它集中反映了语音 编码技术的发展状况和水平。 表2 1 列出i t u 现行的一些主要标准，及其性能指标，最后一列是其在某 通用d s p 上运行所需的运算量 c h j 0 1 】。 一訇 1墨 兰磊型 一棚衙一 卜二薹|十也 巢 第二章g 7 2 6 a d p c m 语音编解码标准 表格21 ：c c l l _ r i t u 部分语音编码标准及比较 s p e e c hc o d e ca l g o r i t h m b i t r a t ef r a m es i z em o sm m s g 7 1 lp c m6 4 0k b p s0 1 2 5 m s 4 3o 2 g 7 2 3 1 v i p - m l q 6 3 k b p s3 0 0 m s3 91 9 2 g 7 2 6a d p c m1 6 ，2 4 ，3 2 ，4 0o 1 2 5 m s 一，3 7 ，3 9 ，3 98 0 k b p s g 7 2 8l d c e l p1 6 0k b p s0 6 2 5 m s3 6 2 3 l _ o g 7 2 9c s a c e l p8 o k b p s1 0p i t s3 71 0 8 2 3 2 g 7 2 6 标准的发展及应用 r r u 前身c c i t t 于1 9 8 4 年发布了g 7 2 1a d p c m 语音编解码标准，并先 后于1 9 8 6 年、1 9 8 8 年做了进一步修改，它能在3 2 k b p s 的码率，也就是一般 p c m 一半码率的速度下达到接近普通p c m 的话音质量，m o s 分1 为4 1 。其抗 误码性能优于p c m ；音频带宽为2 0 0 3 4 0 0 k h z ，采样频率为8 k h z ，每一样点 用4 比特编码。随后颁布的g 7 2 3 标准将编码的速率扩充到2 4 k b p s 和 4 0 k b p s 。1 9 9 0 年，1 1 r u 将g 7 2 1 和g 7 2 3 合并，并进一步将编码速率扩展到 1 6 k b p s ，从而形成了g 7 2 6 标准。变速率a d p c m 编码同语音插空技术相结 合，可以使原有的p c m 信道扩容到8 1 0 倍，称为数字话路倍增设备 d c m e h o d 9 2 。 g 7 2 6 标准算法简单，语音质量高，多次转接后语音质量有保证，因此在无 绳电话系统( 如c 他、d e c t ) ，网络会议系统，b i s d n 通信以及v o i p 网络通 信等方面有着广泛的应用。g 7 2 6 算法为核心的语音编解码芯片有a t e l i c ， a d t ，x i l i n xl o g i c o r e t mt c h i p l o g i c 等，在通用d s p 上g 7 2 6 标准的实现有 【t i 9 7 】，【t i 9 9 等。 m o s ( m e a no p i m o n s c o r e ) 是评价语音信号质量的常用评分，对语音质量的评价还有很多其他方挂，参见 y a h 9 5 1 第二章g 7 2 6 a d p c m 语音编解码标准 表格21 ：c c l l _ r i t u 部分语音编码标准及比较 s p e e c hc o d e ca l g o r i t h m b i t r a t ef r a m es i z em o sm m s g 7 1 lp c m6 4 0k b p s0 1 2 5 m s 4 3o 2 g 7 2 3 1 v i p - m l q 6 3 k b p s3 0 0 m s3 91 9 2 g 7 2 6a d p c m1 6 ，2 4 ，3 2 ，4 0o 1 2 5 m s 一，3 7 ，3 9 ，3 98 0 k b p s g 7 2 8l d c e l p1 6 0k b p s0 6 2 5 m s3 6 2 3 l _ o g 7 2 9c s a c e l p8 o k b p s1 0p i t s3 71 0 8 2 3 2 g 7 2 6 标准的发展及应用 r r u 前身c c i t t 于1 9 8 4 年发布了g 7 2 1a d p c m 语音编解码标准，并先 后于1 9 8 6 年、1 9 8 8 年做了进一步修改，它能在3 2 k b p s 的码率，也就是一般 p c m 一半码率的速度下达到接近普通p c m 的话音质量，m o s 分1 为4 1 。其抗 误码性能优于p c m ；音频带宽为2 0 0 3 4 0 0 k h z ，采样频率为8 k h z ，每一样点 用4 比特编码。随后颁布的g 7 2 3 标准将编码的速率扩充到2 4 k b p s 和 4 0 k b p s 。1 9 9 0 年，1 1 r u 将g 7 2 1 和g 7 2 3 合并，并进一步将编码速率扩展到 1 6 k b p s ，从而形成了g 7 2 6 标准。变速率a d p c m 编码同语音插空技术相结 合，可以使原有的p c m 信道扩容到8 1 0 倍，称为数字话路倍增设备 d c m e h o d 9 2 。 g 7 2 6 标准算法简单，语音质量高，多次转接后语音质量有保证，因此在无 绳电话系统( 如c 他、d e c t ) ，网络会议系统，b i s d n 通信以及v o i p 网络通 信等方面有着广泛的应用。g 7 2 6 算法为核心的语音编解码芯片有a t e l i c ， a d t ，x i l i n xl o g i c o r e t mt c h i p l o g i c 等，在通用d s p 上g 7 2 6 标准的实现有 【t i 9 7 】，【t i 9 9 等。 m o s ( m e a no p i m o n s c o r e ) 是评价语音信号质量的常用评分，对语音质量的评价还有很多其他方挂，参见 y a h 9 5 1 第二章g 7 2 6a d p c m 语音编解码标准 2 4g 7 2 6a d p c m 语音编解码标准框图及原理 g 7 2 6a d p c m 语音信号编解码标准的系统框图如图2 4 所示，其中自适应 预测部分由虚线框中的三个模块构成，其他模块分别与图2 3 中相应模块对 应。图2 3 、2 4 中各模块的详细功能将分别介绍。 图2 4 a ：g 7 2 6a d p c m 编码系统框图 图2 4 b ：g 7 2 6a d p c m 解码系统框图 p c m o u t p u t 1 0 第二章g 7 2 6a d p c v l 语音编解码标准 2 4 1自适应量化( a d a p t i v eq u a n t i z e r ) 自适应量化的作用是对误差信号进行量化产生a d p c m 码字。量化是在对 数域进行的，这一方面使得量化器的动态范围更大，另一方面也避免了乘除法 运算。同时，量化器中量阶通过自适应调整以适应语音信号不同短时之间的变 化。 首先将图2 4 a 中误差信号洲j 聿 化成以2 为底的对数形式d l ( k ) ，然后进行 归一化，得到归一化误差信号d l 。 ) 。 扰g ) = l o g ：p g 】 ( 2 1 ) d l 。 ) = 讲g ) 一y ( k ) ( 2 2 ) 其中，y 称为量化器定标因子，它是一个通过白适应变化的信号，2 4 2 节内容将对此具体说明。经过定标后的归一化信号采用1 5 级电平2 非均匀量 化，得到输出码字吖纠。表2 2 给出了3 2 k b p s 码率时的量化表格。 表格2 2 ：g 7 2 63 2 k b p sa d p c m 量化器输入- 输出特性 归一化量化器输入信号 i ， 】 归一化量化器输出信号 d i n ( 纠 面i n k ) 3 1 2 ，+ 一) 73 3 2 2 7 2 ，3 1 2 ) 62 9 1 【2 3 4 ，2 7 2 ) 52 5 2 1 9 1 ，2 3 4 ) 42 1 3 1 3 8 ，1 9 1 ) 31 6 6 【0 6 2 ，1 3 8 ) 21 0 5 卜0 9 8 ，0 6 2 ) l0 0 3 1 ( 一* ，- 0 9 8 ) o 2 g 7 2 6 标准中，对不同码率1 6 k b p $ ，2 4 k b p s ，3 2 k b p s ，4 0 k b p s 分别量化成为2 b i t ，3 b i t ，4 b i t ，5 b i t 。 其量化表格也不同。这里列出基本的3 2 k b p s 码率时的量化表的正数部分负数部分取反即可针对其他 码率的量化袁可参见附录。 第二章o 7 2 6a d p c m 语音编解码标准 2 4 2 量化器定标因子和自适应( q u a n t i z e rs c a l ef a c t o r a d a p t a t i o n ) 量化器定标因子用于对量化器进行定标，定标因子通过自适应调整，使得 量化器的工作能够根据信号变化的情况进行调整，从而提高量化器量化的效 率。 量化器定标因子的特点是能够按输入信号统计特性改变量化器自适应的速 度。g 7 2 6 标准采用了运算量小、性能好的抗扰乘子自适应算法 p e t 8 2 ) ，对短时 能量变化快的语音信号使用快速自适应，对短时能量变化较慢的信号采用慢速 自适应。因此y 由快速非锁定标度因子y 。 ) 和慢速锁定标度因子y t ) 线性 组合而成，如式2 3 所示。 y 仗) = j ) y 。 一1 ) + 一q g 渺， 一1 ) ( 2 3 ) 其中q ) 是自适应速度控制参数，其具体含义和算法见2 4 3 节。 由快速非锁定标度因子y 。 ) 和慢速锁定标度因子y l ) 都是通过自适应调 整的。其自适应公式分别为： y 。 ) = o 一2 。j y 伍) + 2 。w 口位) 】 ( 2 4 ) y t g ) = o 一2 。6 b ，伍一0 + 2 。y 。q ) = o 一2 1 1 b ( k 一1 ) + 2 。1 w 1 ( k 一1 ) ( 2 5 ) 2 4 式中，2 。5 表示信号y 的影响在3 2 个样点后衰减到e ，这段时间接近 一个短i t , 寸n ：( 5 m s ) ，是针对短时平稳特性合理的取值。h ，f 幻，是由抗扰乘子自 适应算法产生的 p e t 8 2 】，其取值3 见表格2 3 。 表格2 3 ：i 愀) 啪取值 u j ( 型1 7 l 6 l 5 l 4 l 3 l 2 l 1 l 0 l l 旦丛趔l ! ! ：! ! l ! ! ：! ! l ! ! ：! ! l ! ：! ! j 生塑i ! ：堑l ! ! ! l ! ：! ! i 可以看到对外层量化电平，w h ( k ) l 取值很大，因为语音预测误差信号在语 音信号基音起始部分会突然增大，需要增大量阶以避免量化器过载。 ”g 7 2 6 标准中，对不同码率w 【1 】的取值表格也不同。这里列出基本的3 2 k b p s 码率时的表格。 】2 第二章g 7 2 6 a d p c m 语音编解码标准 2 4 3 自适应速度控制( a d a p t a t i o ns p e e dc o n t r 0 1 ) 自适应速度控制用于调整量化器定标因子自适应的速度。当量化器处理语 音信号时，自适应速度被加快，以适应短时变化中的语音信号；当量化器处理 的是语音频带内的数据信号时，自适应速度速度放慢。 自适应速度控制参数a t 仅) 反映预测余量信号的变化率，是由a d p c m 码字 ， ) 幅度长、短时平均值的差经限幅求出。以下，2 6 式为幅度长、短时平均值 的计算公式，2 7 式为中间变量n 。仗) 的计算公式，2 8 式为限幅运算的公式： 长时：d 。 ) = ( 1 2 。7 丘。 一0 + 2 。， ， ) 】 ( 2 6 a ) 短时：d 。 ) = ( 1 2 4 。 一1 ) + 2 5 f p ) 】 ( 2 6 b ) a t , q ) = ( 1 2 4 b 。( k 1 ) + 2 4 ， ( 1 2 。k ，g 一0 + 2 ， 1 ， ( 1 2 。4 b ， 一1 l 当l d 。g ) 一d 。伍】2 d 。 ) 彩 ) 3 当0 伍) = 1 当f ， ) = 1 其他情况 啪僻似_ ，墨裟? ， 2 6 式中f i i ( k ) i 的取值由表格2 4 给出。 表格2 4 ：3 2 k b p sa d p c m 的f i i ( k ) l 的取值 ( 2 7 ) ll i ( k ) l 7 65 432lo 【f i i ( k ) i 73 l1l 000 _ 2 7 式中0 0 ) 、t r ) 的含义在2 4 5 节介绍。2 8 式中限幅是不对称的，它 使得从快速自适应状态到慢速自适应状态的调整较慢，这是针对那些正常传输 之外的脉冲信号( 如开关载波语带信号s w i t c h e d c a r d e rv o i c e b a n ds i g n a l ) 设计 的。 第二章g 7 2 6a d p c m 语音编解码标准 2 4 4 自适应预测( a d a p t i v ep r e d i c t o r ) 自适应预测通过信号的历史信息预测下一个信号，预测中的参数通过自适 应的方式进行调整。 g 7 2 6 的自适应预测部分采用符号梯度法 n i s 8 2 ，是一个6 阶零点、2 阶极 点的预测器，它是考虑到系统稳定性和适应性等多方面因素而确定的。预测公 式如2 9 式所示： 2 预测信号：s p ) = q 一l x ， 一1 ) + s 。 ) i = 1 6 s p z ) = 6 g 一1 ) d q ( k - 1 ) - l ( 2 9 a ) f 2 9 b ) 重建信号：s r ) = s p 酝) + d 。g ) ( 2 9 c ) 其中，a i g ) 、b j q ) 分别是极点、零点预测器系数。b ， ) 由抗扰自适应梯 度法进行自适应调整，a i g ) 由等效零点函数梯度算法【m i l 8 4 】进行自适应调整。 以下2 1 0 式、2 1 l 式分别为b j ) 、a i ) 的自适应调整计算公式： b j ) = ( 1 2 。8 ， 一1 ) + 2 - 7s g n d 。 蝰g n d 。g 一，) ( 2 1 0 ) a i 伍) = o 一2 。8 b 。( k 一1 ) + 3 2 4s g n p ( k ) s g n j o ( k 1 ) ( 2 1 l a ) 鼍娑筠盏麓嬲秽以为偿m ，一，k 。g 一1 ) 】s g n p g ) s g n b 伍一1 ” 其中：p ) = s p z q ) + d 。 ) ( 2 1 1 c ) 船 2 。盏。，黏嚣 ， 而为了保证算法的稳定性，需要对a i ) 、b j ) 进行限幅。2 1 0 式中已经 隐含了将6 ，g ) 限幅在2 之间，而a i ) 的限幅公式由2 1 2 式给出。 1 0 2 】0 7 5 ，i a i 】l 一口： ) 一2 。4 ( 2 1 2 ) 1 4 第二章g7 2 6a d p c m 语音编解码标准 2 4 5 单频和瞬变检测( t o n ea n dt r a n s i t i o nd e t e c t o r ) 单频和瞬变检测用于提高传输f s k 等调制信号的性能。当系统检测到信号 为单频而瞬间幅度变化很大时，可以判断此信号为调制产生的数据信号，进而 针对性的调整自适应量化器的自适应速度以适应数据信号传输的需要。 g 7 2 6 规定了两步检测法。首先，单音频信号被检测到( 式2 1 3 ) 后，将自 适应量化器调到快速模式。然后在检测到窄带信号的瞬变( 式2 1 4 ) 时，将自适 应量化器强制调节到快速自适应模式，同时将q g ) 、6 ，q ) 调整到0 ，开始重新 预测。 2 4 6 其他 甄2 骇- 0 7 1 8 7 5 ( 2 1 3 ) 其他情况 、_ 当d ：0 ) 2 4 2 ”o 其健情况 ( 2 1 4 ) 以上介绍的模块在编码和解码部分是相同的。在解码部分有同步码率调整 ( s y n c h r o n o u sc o d i n ga d j u s t m e n t ) 单元，是为了防止多级传输、转换过程中的误 差的，这里就不详细介绍了，请参考g 7 2 6 标准 i t u 9 0 】。 性盛 = = 、 以 0 0 第三章s i