（通信与信息系统专业论文）wcdma系统中amr语音编码技术与实现.pdf

w c d m a 系统中a m r 语音编码技术与实现 摘要 语音编码器的选择对移动通信系统设计是非常重要的，一个好的语音编码器 可阻使系统中语音质量和系统容量的折衷更加平稳、灵活，更加完美。a m r 语 音编码器就是这样一个提供多种编码速率以适应不j 司信道环境的语音编码器。 本论文完整的介绍了a m r 语音编码器的编解码原理和实现算法，对部分算 法公式进行了推导，突出了a c e l p 语音编码的本质和特点。论文讨论了a m r 语音编码器在w c o m a 系统移动终端中的实现。对系统中有关a m r 语音编码 器部分的软、硬件设计和实现都进行了详细的阐述，并介绍了系统测试的方法和 步骤。在定义了a m r 语音编码器在系统中的接1 ：3 后对可能存在的问题做了研 究，明确解释了一些系统接口在实际应用中有可能造成误解的问题。此外，论文 还研究了a m r 语音编码器的性能特性，通过对性能参数的分析给出了a m r 语 音编码器的速率分类。在迸一步的研究中，还给出了a m r 语音编码器速率切换 的一些参数门限和一个拥有速率选择模块的系统模型。这样的分类、门限和系统 模型的提出对a m r 语音编码器的应用有着指导意义。 关键词：w c d m a ( 宽带码分多址) ，a m r ( 自适应多速率) ，语音编码，软 件实现，硬件设计，性能分析，速率切换，系统设计，第三代移动通信系统 t h et e c h n o l o g ya n di m p l e m e n t a t i o no f a m rs p e e c hc o d e ri nw c d m as y s t e m a b s t r a c t t h es e l e c t i o no fs p e e c hc o d e ri sv e r yi m p o r t a n tf o rt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m d e s i g n ag o o ds p e e c hc o d e rw i l lm a k et h ec o m b i n a t i o no fs y s t e mc a p a b i l i t ya n ds p e e c h q u a l i t ys m o o t h e r , m o r e f l e x i b l e a n dp e r f e c t a m r s p e e c hc o d e r i sak i n do f s p e e c h c o d e r t h a tp r o v i d e se i g h te n c o d e rm o d e sa d a p t i n g1 0d i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n s t h i st h e s i sg i v e sat h o r o u g hi n t r o d u c t i o nt ot h es p e e c hp r o c e s s i n gf u n o t i o n sa n dt h e a l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o no fa m rs p e e c hc o d e r d e d u c t i n gp a r t so ft h ef o r m u l a e i t s h o w st h es p e c i a l t i e so f a c e i p a f i e ri h i st h et h e s i sd i s c u s s e si h ei m p l e m e n io f a m r s p e e c hc o d e ri nt h em o b i l et e r m i n a lo fw c d m as y s t e m sw i t ht h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g n so ft h er e l a t i v ep a n s t h ed e b u g g i n gm e t h o d sa r ea l s oc l a r i f i e db yg i v i n go u tt h e s t e p s a f t e rb e i n gd e f i n e d t h ei n t e f f a c eb e t w e e nt h ea m rs p s e c hc o d e ra n do t h e r f u n c t i o nu n i t si nt h em o b i l et e r m i n a l i ss t u d i e s t h ep o s s i b l ea p p l i c a t i o np r o b l e m so ft h e i n t e r f a c ea r ei n v e s t i g a t e dt op r e v e n tc o n f u s i o n s t h ef o l l o w i n gp a r t so ft h i st h e s i s c o n d u c tr e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea m rs p e e c hc o d e r w i t ht h er e s u l 协o fl h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i s t h ee i g h te n c o d e r - m n d e sa r ec l a s s i f i e di n t og r o u p s at a b l eo f t h r e s h o l d so f t h ec o d i n gr a t e i sa l s op r o v i d e da t t h ee n do f t h ep a p e r , as y s t e ms o l u t i o n l sb r o u g h to u tu s i n gam o d e s e l e c t i o n m o d u l ea n dt h et h r e s h o l d sg i v e nb e f o r et h e c l a s s i f i c a t i o no ft h ee n c o d e rm o d e s t h r e s h o l d sf o rh a n d o v e ra n dt h es y s t e ms o l u t i o n h a v ei m p o r t a n tm e a n i n gt o t h ea p p l i c a t i o no f t h e a m rs p e e c hc o d e r k e yw o r d s ：w c d m a ，a m r ，s p e e c hc o d i n g ，s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，h a r d w a r e d e s i g n ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，c o d i n g r a t e h a n d o v e r , s y s t e md e s i g n t h i r d - g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 型! ! ! ! 至竺! ! ! ! 堕童塑些垫查! ! 壅竺兰i ! ! ! 鱼 第一章绪论 自1 9 3 7 年脉冲编码调制( p c m ) 被a hr e e v e s 提出以来，语音通信进入了数字编码 传输时代。近2 0 年来语音编码的研究都集中在以码激励线性预测( c e l p ) 为核心的分 析合成方法上。1 9 9 2 年9 月囚际电信联盟( i t u ) 公布了1 6 k b s 低延迟码激励线性预测 ( l d - c e l p ) 语音编码算法，也就是( 3 7 2 8 建议。1 9 9 5 年又公布了8 k b s 共轭代数码激励 线性预测( c s - a c e l p ) 算法，即g 7 2 9 建议。国内清华大学在1 9 9 9 年也曾提出过4 k b s 有限状态代数码激励线性预测( f s - a c e l p ) 的语音编码算法。本论文所研究的a m r ( a d a p t i v em u f t i r a t e ) 语音编码器就是基于代数码激励线性预测( a c e l p ) 的语音编码箅 法。 1 1c e l p 和a c e l p 混合编码方式比较适合数字移动通信的需求，其中码激励线性预测( c e l p ) 语音编码 技术已被广泛地应用于比特率从4 1 也i s 至1 6 k b $ 的语音压缩由于它很好的集合了波形编 码的质量和参数编码的效率，相对于其它的语音压缩方法，c e l p 语音编码技术可提供最好 的合成语音的质量。 c e l p 语音编码技术有三个显著的特征：( 1 ) 解码参数是一个合成滤波器的参数和用于 激励这个合成滤波器的激励矢量，合成语音是激励矢量通过台成滤波器后得到的。( 2 ) 合 成滤波器是一个以线性预测分析为基础的时变滤波器，其参数周期性的更新，时变滤波器参 数由当前帧语音波形的线性预测分析所决定。( 3 ) 激励信号的编码采用综台分析法 ( a n a l y s i s - b y s y n t h e s i s ) ，将码本中的码矢量一一通过本地合成滤波器将其输出与原始语 音比较，再根据听觉加权失真量度最小的原则，确定一个最佳的码车矢量以及相应的码本增 益。在对码本和码本增益的编码中采用了矢量量化的技术。 虽然c e l p 编码有不少优点，但是它的编码算法复杂，需要的码本存储空间也较大。 为有效的减小创新码本搜索的复杂度，充分降低c e l p 编码中的码本存储空间，s a l a m i 等 学者在1 9 9 4 年提出码率为8 k b s 的代数c e l p 语音编码( a c e l p ) 。a c e l p 编码技术在 c e l p 编码的基础上，对创新码本采用了一个具有高度代数结构的码本，从而减小了码本搜 集的复杂度，并节省码本存储宅问。本论文中讨论的a m r 语音编码器就是基于a c e l p 编 码技术的语音编码器。 1 2a m r 语音编码器的概念 1 9 9 9 年初，3 g p p ( t h e3 r d g e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t ) 采纳了由e r i c s s o n ，n o k i a 和s i e m e n s 提出的a m r 标准( a d a p t i v em u l t i r a t es t a n d a r d ) 作为第三代穆动通信中的 语音编码器的标准。与g s m 语音编码器提供的3 种有同样容错率的编码速率不局，a m r 提供了多达8 种的编码速率，而且每种速率都有了不同的容错度。a m r 语音编码器拥有 1 22 k 到4 7 5 k 不同的编码速率，一方面是为了提供不同无线传袖环境下不同容错率的编码 器，从而使系统中语音质量和系统容量的折衷更加平稳、灵活，更加完美，另一反面也是为 了满足系统可能的特殊要求。a m r 有8 种固定的信源速率模式，从4 7 5 k b l t s 到1 2 2 k b i t ，s 此外还有一种低速率的背景噪声编码模式如表1 ，1 所示。 中国科学技术大学硕士学位论文 w c d m a 系统中a m r 语音编码技术与实现第一帝绪论 表1 - 1a m r 编码器的信源编码率 编码模式信源编码比特率 a m r l 2 2 1 2 2 0 k b i # s ( g s me f r ) a m r 佃21 02 0 k b i t s a m r 7 9 57 9 5 k b i u s a m r 7 4 074 0 k b i u s ( i s 6 4 1 ) a m r 6 7 0 6 7 0 k b i t s ( p d c e f r ) a m r 5 9 059 0 k b i f l s a m r 5 1 55 1 5 k b i t s a m r 4 7 547 s k b i u s a m r s i d1 8 0 k b i u s a m r 语音编码器的编解码处理可以用下面的处理框图来描述 燃旧 n 卜i 习 l 一v d l 一倒 ，l 一，一、 f 厂 、r 1 拿 一一做。 l 一0 ，广_ 。 l ，1 ：= h ： 。_ 一 盅射 | 孺卟q 一 。謦“ 瞄 i 订 、 j ” 上、 一叫m 一卜u j _ _ “2 o 一r 厂 卅 hr 叫d t * i 叫 【fu 。n y s - 剑锶叫接收靖 国1 1a m r 编解码处理框图 在囤1 - 1 中- 是8 比特a 律或p 律p c m 编码采样速率为8 k 样本，秒， 是1 3 比 特均匀量化p c m t 粟样速率也是8 k 样本，秒，是语音擞活检测( v a d ) 输出，是编码 的2 0 m s 语音帧，每帧中的比特教取决于a m r 编码器的编码横式， 是静音描述帧( s l d ) ， 中圆科学技术大学硕上学位论文 2 型鱼里堂皇墨竺! 璺竺璺堡堑塑堂丝查! 壅型 塑童塑堡 即噪声编码帧， 是t x t y p e 干l t x _ m o d e j n d i c a t i o n ，指示语音或是静音信息以及相应 的发送编码速率，是传给3 g 接入网( a n ) 的信息比特i n f o r m a t i o nb i t s ，是从3 g a n 接收的信息比特i n f o r m a t i o nb i t s 是接收指示r x t y p e 和r x m o d e i n d i c a t i o n 编码器输入端的8l - i ：特a 律或u 律的压缩数据，压缩装据需要转换成1 3 比特线性数据。 话音数据进入编码器后，首先进行语音激活检测( v a d ) 。v a d 的目的在于把语音段和说话 人停止发音、仅留下背景噪声的暂停段区分开。在语音通信中，人们大约有一半时问是不说 话的，由于噪声和语音信号一起传输，在没有语音时如果噪声不被传输就会导致了背最噪声 的币连续，这会使收听的人感觉很不舒服。v a d 的输入是输入语音本身和自适应多速率语 音编码器计算出来的参数集，v a d 用这个信息来决定每2 0 m s 语音帧中是否包括语音。如 果v a d 的输出结果是语音信号不激活的情况，就需要在发射端对背景噪声进行估计，并将 其特征参数用静音描述( s i d ) 帧传送到接收端，s i d 帧中有关的背景噪卢的参数被编码， 接收端对s i d 帧进行译码，然后就在没有正常语音期间产生合适的噪声。v a d 和噪声帧编 码，可以在不降低语音编码质量的前提下减少实际使用的编码速率，从而达到”省移动台的 功率，降低整个网络的干扰丰丌负载，更好利用有限的传输信道的作用。如果v a d 的输m 结 果是语音信号激活的情况，就对当前诰音进行编码井将编码参数发送。 庄解码端解码器根据接收到的参数按照语音帧和sj d 帻分! ； j 进行解码，恢复语音信 号。产生的语音信号被送往扬声器发声，在无线环境中，语音帧可能由于传输错误而丢失， 为了不但听的人感觉到丢帧，应告诉语音译码器进行错误删除，并用预测的参数集进行语音 合成，如果出现连续丢i 畸，解码器会用以前的语音参数插值得到当前帧的参数，再合成得到 当前帧的语音，同时还要采用减弱输出语音幅度的技术来减少解码器可能出现的异常。 1 - 3a m r 语音编码器的实现 c e l p 算法的提出不是虽近几年的事情，但各类c e l p 语音编码算法的d s p 实现却是 毋近几年才成为可能的。这是闻为c e l p 算法相当复杂，相应的d s p 实现对d s p 芯片在 速度，存储空间等等疗面的耍求很高。直到d s p 的芯片技术突飞猛进，可以适应c e l p 的 复祭算法后才有了d s p 对各类c e l p 语音编码算法的实现。a m r 语音编码器也正是在这 样的背景下被提出的，进步被3 g p p 选择为第三代移动通信中的语音编码器。 a d i 公司的定、浮点兼容3 2 一b i t 数字信号处理芯片a d s p 2 1 1 6 0 就是可以胜任a m r 语 音编码的d s p 芯片。在本论文涉及的w c d m a 系统移动终端中。就由一块a d s p 2 1 1 6 0 来 完成a m r 语音编码的基本功能。这块d s p 芯片和系统中的其他芯片( 主要包括块接1 ：3 f p g a ，一块8 6 0 芯片和块p c m 芯片) 共同实现了a m r 语音编硝器的功能为整个移 动终端提供话音业务的信源编码。 a m r 语音编码器的实现，除了对a c e l p 编码算法原理的研究和d s p 编程以外，各功 能芯片之间的分 ：和协同r 作也是至戈重要的。在完成a m r 语音编码器硬件设计的时候就 麻该充分考虑到各芯片之问的这种分【协作的能力对各芯片之阊的接口、时序安捶都要有 良好的保证。这样做一方面是为了充分利用系统中不同芯片的不同能力，另一方面这种协同 j 作的潜力挖掘可以把可能存在的不必要的编码延迟降到最低 除了共同完成a m r 语音编码器的各芯片之问的接口要定义晦漪晰而有效率之外，a m r 语音编码器作灯移动终端中的语音信源编码器，与系统中其他功能单元的接口也要进行准确 的 5 计和调试，才能保证语音编码器在系统中的正常应用和不必要的编码延迟的减小语音 编码器的编码结果要通过系统中的发送单元发送，解码参数要通过接收单元接收，整个系统 符功能模块之间也存在着协同二 ：作a m r 语音编码器和其他功能单元的接口定义，对、语音 编码器的应用也是非常重要的。 中国科学技术大学碗二【：学位论文 型曼旦竺皇墨竺! 皇竺璺堕生塑堕丝查! 兰些 兰二皇堑堡 有关a m r 语音编码器的调试是建立在它的硬件设计的基础上的整个调试过程可以分 为二步。首先进行的是a m r 语青编码器在编解玛芯片内部的语音序歹0 测试，这个测试是针 对编解码算法d s p 软件实现进行的完成了这个测试后的编解码算法基本上可猷保证其编 解码处理的止确| 生。白环测试是为了验证整个a m r 语音编码器备器件之间的接口可以协作 能力，它实现的是各器件2 - r q 数据通路和时序安捧的检验。厦后一个测试是8 6 0 回环，这 个测试的完成，代表着a m r 语音编码器和系统中其他功能模块之间接1 3 的正确性。经过了 上面三个测试后，a m r 语音编码器就可以在系统中正常t 作了。 1 4 a m r 语音编码器的应用 考虑到a m r 语音编码器在第三代移动通信w c d m a 系统中的应用时，我们需要对a m r 语音编码器的速率进行分类。前面已经提到，与g s m 语音编码器提供的3 种有同样容错率 的编码速率不同，a m r 语音编码器提供r 多达8 种的编码速率，从1 2 2 k 到47 5 k 不同。 a m r 语音编码器提供这么多编码速率的主要原嗣是为了提供不同无线传输环境下不同容错 率的编码器。然而在应用a m r 语音编码器的时候，服务的提供商可能面临8 种编码速率和 备速率之间的切换会不知所措。 这就需要对a m r 语音编码器提供的8 种编码速率的性能参数做出分析。必须承认的是 对8 中速率的语音质量评定和做性能分析时由于条件的限制没有办法完成对环境要求很 高而且费时费力的m o s ( m e a no p i n i o ns c o r e ) 得分评定。可喜的是语音编码的研究中已 经有了和m o s 具有良好相关性的客观评定标准，m e l 倒谱间距测量法是其中的位位者。 从语音质量的测试结果，我1 f j 发现对没有背景噪声的纯语音序列，a m r 语音编码器的8 种 速率表现出相对接近的语音质量，且语音质量有渐变趋势：而对有背景噪声的语音，8 种速 率的语音质量有明显区别。根据此时的语音质量可以把8 种速率分成高、中、低三类速率， 岛速率提供的语音质量比低速率提供的语音质量有很大提高；各类中不同速率提供较接近的 语音质量。这些分析结果在一定程度上澄清了a m r 声码器应用过程中可能存在的误区( 例 如相邻速率之间的切换) ，在应用和模式切换的过程巾都会有所帮助 考虑到实用的信道参数，进一步的试验分析还给出了一些对应用有指导意义的切换门 限。这样的门限不是绝对的还受到很多因素影响，但是在应用中这样的门限又是有指导 意义的。晟终，一个拥有速率选择模块的系统可以利用上、下行信道的参数分别进行上、 卜 j 谙音编码速率选择，最大程度利用了信道信息，辅以适当的速率选择算法和门限，是能 够获得很好i 生能的， 中国科学技术大学豫j 学位论文4 型! ! 堂墨竺主! ! ! 堡! 塑堕垫查望塞塑 星= 童! ! ! 至塑塑些堂竺堕矍 第二章a m r 语音编码器的原理和算法 在本章中将参照参考文献【4 】详细介绍a m r 语音编码器的原理，并对编码器和解码 器的实现算法进行讨论。参考文献【4 】是3 g p p 给出的实现a m r 语音编码器的技术协议， 在介绍其算法时，部分公式没有给出原理和推导，本章就此对部分公式进行了推导。 2 1a m r 编解码基本原理 a m r 编码器是基于耸术码本激励线性预测( a c e l p ) 编码模型。 1 ) c e l p 语音合成 自适应码本 幽2 1c e l p 语音合成模型框图 c e l p 语音合成模型如图2 1 所示。在这个模型中，短时l p 合成滤波器的输入激励信 号由自适应和创新码本的激励矢量相加构成。这两个激励矢量通过短时合成滤波器实现语音 合成。 2 ) 短时预测 在a m r 编码器中使用的1 0 阶短时线性预测台成滤波器为全极点模型，其传输函数为 叫：) ：去：= 三 ( 2 - 1 ) 肌2 2 丽2 面m - i 幢。1 式中，五，i = 1 ，m ，是量化后的线性预测参数，小一1 0 是短时台成滤波器的阶数。 3 ) 眭时预测 民时基音合成滤波器可以用下式来表示 11 口( 0 1 - g p = 一7 式中，r 是基音时延，g 。是基音增益 中国科学技术大学硕上学位论文 ( 2 2 ) w c d m a 系统中a m rl 舟编码技术o4 实脱销一章a m r 语 编峭器的原理 4 ) 感觉加权滤波器 在码本搜索过群中选择最佳激励信号时采用分析、合成的方法。在这个过秣中，根据感 知权重畸变测量使原始信号和合成信号的误差最小。感觉加权滤波器的依据足人耳掩蔽效 应，它使实际误筹信号菅产生与语音信弓谱相似的包络，使误差度量的优化过程与感觉上的 苁振峰对误差的掩蔽效应相吻台，从而产生较好的主观听觉效果感知加权滤波器为： 州拈坐型 一a ( z y 2j ( 2 3 ) 式中，a ( z ) 是未量化的线性预测滤波器，0 0 5 ，1 2 2k b i t sm o d e 营口 0 5 ，a l lo t h e rm o d e s( 2 - 5 9 ) 氏s0 5 为弥补“( ”) 和品( ”】之日| 差异对合成语音造成的影响，在这里用自适应控制因子t 1 米修改玉) ( = 蠡0 ) 玎 中国科学技术大学硪士学位论文 ( 2 - 6 0 ) 坐! ! ! ! ! 堕! ! ! ! 堕蔓塑! ! 苎查兰兰些堡= 里竺曼堕童璺旦璺塑! ! ! l 叩= 当前子帧的合成语音信号町蛆用卜式计算 易o 5 ， ( 2 6 1 ) 。0 5 1 0 ；0 ) = ( n ) 一d ，；( h f ) ，n = o 3 9 ( 2 - 6 2 ) f = l 其中盈是插值得到的本子帧的l p 滤波器系数 3 自适应后滤波 在每子帧中合成语音j ( 曲都要经过后滤波处理。这电使用的自适麻后滤波包括两个滤波 器：扎振峰后滤波器和倾斜补偿滤波器。拭振峰后滤波器可以用卜式表示： 啦) = 象貉 恤删 式中五( 力是接收到的量化插值后的l p 逆滤波器，囚子丫。和y d 控制着后滤波的兆振峰个 数。倾斜补偿滤波器用于补偿共振峰后滤设器造成韵倾斜，它的表达式是： q ( 0 = l 一肛“ ( 2 6 4 ) 其中斗= 7 ，q 是倾斜因子，叫是反射因子，它是利崩共振峰后滤波器量( 利y 。) 五留) 的 冲击响应h f ( ”) 在“= 2 2 截断后得到的序列计算出的： ”器；拍) = l l 驴- i - i ( 帆( 川) ( 2 - e s ) 对1 22k b i t s 和7 9 5k b i t j s 速率有y 。= 0 7 y d = 0 7 5 ， 旷牌篡羔 对其他速率7 。= 0 5 5 7 j = 0 7 一y ，= 0 8 经过了上述两个滤波器而完成后滤波处理后的合成语音信号为知( h ) ，还要通过一个自 适应控制幽子7 w 来修正这个自适应因子丫。是利用比较后滤波处理前后的合成语音信号 的能量来得到的： 中国科学技术大学硬十学位论文 2 5 一曲一一1 1 一“一 “ 一 0 o万戛i ”肛 一一 w c d m a 系统中a m i r 语音编码扯术与，共岘 第一二童a m r 语音编峭器的原理 ，s c = r 2 6 7 ) 最终的后滤波后的信号为： j ( 月) = 风( ) j r ( ) ( 2 6 8 ) 其中p 。( ) 是每采样点更新的： p 。( h ) = 邮j c ( 月一1 ) + ( 1 一d ；。 ( 2 - 6 9 ) 匕式中的旺也是一个自适应控制因子，它的值是0 9 。 4 后处理 在编码器的最开始，每帧都对编码前的语音信号进行了预处理。和预趾理相对应的是解 码完成后进行的后处理。后处理土要完成高通滤玻和下比例放缩。其中高通滤波由截至频率 为6 0 h z 的高通滤波器完成，上比例放缩是将信号乘以2 以补偿编码器下比例放缩的影响。 高通滤波器的系统函数为如下，上比例放缩的做法是将分子的系数乘以2 ： 蹦加塑箬11 型9 3 3 1 0 型5 4 6 9 鬻稳9 3 5 竺9 1 3 0 篓8 5 z 坚( ) 。“2 j 一 一z 1 + 0 一2 、 在解码的过程中为了提供合成语音的质量避免合成滤波器的异常激励，还采用了 创新码本增益平滑，刨新码本反稀疏处理，不稳定保护等特殊处理方法。 中国科学技术大学硕士学位论文 型! ! ! ! 墨堕! ! ! ! 堕堂鱼些丝查11 兰坐 竺三兰! 竺! ! ! 墨竺堡苎叁塑! 竺! ! ! 型型旦壁! ! ! 鲨 第三章w c d m a 系统移动终端中a m r 语音编码器的实现 c e l p 语音编码技术的提出可以追溯到上个世纪8 0 年代但足由于它的算法复杂、计 算量犬，所以算法真正的实现和在通讯领域中的应用并没有很长的时间随着苍片技术的飞 逮发展数字信号处理( d s p ) 芯片对信号的处理能力不断增强特别是d s p 芯片果h j 丁 并行结构后，其处珲速度有了质的飞跃，已经可以适应像c e l p 语音编码这样对处理速度 和存储空间都有严格要求的算法。本章中介绍的就是利片j 美国模拟仪器公司( a d i ) 生产的 a d s p 2 1 1 6 0 数字信号处理茁片在w c d m a 系统移动终端中对a m r 语音编码器的实现。 在用a d s p 2 1 1 6 0 实现了a m r 语音编码器的算法后，本章给出了a m r 语音编码器在 系统中的位置和系统的硬件设i i ，介绍了w c d m a 系统中a m r 语音编码器部分的测试方 法和测试过程。在本章的虽后讨论了存w c d m a 系统移动终端中a m r 语音编码器部分的 接u ，指出了这部分接口现存的问题和可能导致的后果。 3 1 利用a d s p 2 1 1 6 0 实现a m r 语音编码器 在这一节中首先介绍a o f 公司的a d s p 2 1 1 6 0 芯片的特点，然后讨论了a m r 语音编码 器在w c d m a 系统移动终端中的软件实现。 3 2 1a d s p 2 1 1 6 0 的特点 a d s p 2 1 1 6 0 可| 三 提供超过1 0 0 m h z 的主频，是模拟仪器公司s h a r c 系列d s p 中主 频最高的d s p 。它是3 2 b i t 定、浮点兼容d s p ，被广泛的应用在医学成像、通信、军事、 语音处理、测试仪器、3 d 幽像处理、语音识另等数字信号处理的应坩中。a d s p 2 1 1 6 0 是 在a d s p 2 1 0 0 0 家族d s p 核上，加入片内双端口s r a m ，集成输入输出外设，井加上一个 独立的处理单元而实现单指令多数据( s i m d ) 处理。 图3 - 1 说明了a d s p 2 1 1 6 0 芯片模块结构： 中国科学技术大学硕士学位论文 图3 1a d s p 2 1 1 6 0 模块结构 型璺旦竺垒墨堑! 皇! 里! 兰堡塑! ! 丝查! 兰些 墨三兰型! 旦竺垒墨竺壁垫竺塑主垒竺垦堕童苎型壁塑壅塾 从3 1 图中可以唇出a d s p 2 1 1 6 0 纪丰勾卜的特点 1两个支持3 2 b i ti e e e 浮点数据操忭_ 的处理单元( p e xa n dp e y ) ，包括乘法器+ 运 算器，移何器和寄存器绢，可以支持s i m d 指令。这两个处理单元可以处理3 种数 据格a ：3 2 - b l t 定点数据，3 2 龇浮点数据和4 0 - b i t 浮点数据。 2程序序列发生器包括相关的指令缓存，内部时钟和_ j 以覆盖片内外4 g 地址空吲的 3 2 _ b l t 地址产生器。 3 片内双端l is r a m 支持片内核心处理单元和输入输出处理单元的同时访问。同时 这个双端口s r a m 又分成两个b l o c k ，支持处理单元对两个b l o c k 的同时访问。 4 外端口可以用于连接片外存储器，外围设备和多处理器系统。在多处理器系统中可 以利用地址总线实现各芯片片内存储器的共享。 5 输入输出处理器集成了d m a 控制嚣，串口和l i n k - p o r t 利用l i n k p or t 实现多处理器 互联是s h a r c 系列d s p 芯片的特点 6 集成了 i j 于仿真和测试的j t a g 端口可以方便的控制程序的运行，读取状态，便 于对程序的调试和检验。 a d s p 2 1 1 6 0 拥有6 4 一吼数据总线和3 2 _ b i t 地址总线。3 2 1 图中也可以看到a b s p 2 1 1 6 0 的三条片内总线：稃序存储器( p m ) 总线、数据存储器( d m ) 总线和输入输出( i o ) 总 线。其中p m 总线既可用于指令的存取也可用于数据的存取。在一个指令周期中通过这几 条总线可以同时完成两个操作数、一条指令的存取和一周期d m a 传输。同时这螳总线也提 供处理器对外部存储器，存储器映射的i o 设备的访问，以及对某个土处理器和其他多处理 器的连接。外端口提供总线仲裁和其他控制信号。 a d s p 2 1 1 8 0 还拥有4 m b i t s 片内s r a m 存储器。这4 m b i t s 存储器被分成两个b l o c k ， 每个b l o c k 为2 m b i t s 可以分别被用丁稗序代码、数据或者是两个混合的存储。这两个b l o c k 都是舣端口的，在个指每周期中，可以被核处理器和i t o 处理器同时访问。a d s p 2 1 1 6 0 的片内存储器可咀以1 6 、3 2 、4 8 或6 4 b j t 的形式被访问。档个存储器可以被设置成1 2 8 k 的3 2 _ b i l 数据，2 5 6 k 的1 6 b n 数据或8 0 k 的4 8 一b i t 指令，也可l 三【被设置成上述几种数据的 组合。此外，a d s p 2 1 1 6 0 还支持一种1 6 - b i t 的浮点数据存储格式，可以把3 2 - b i t 浮点数据 的存储空间扩大一倍。而这种1 6 - b i i 的浮点数据和标准3 2 - b i ti e e e 浮点数据之问的转换可 以在一个指令周期内完成。 除了卜面介绍的结构卜的特点外，a d s p 2 1 1 6 0 还具有数字信号处理器其他一些重要的 特点：算术计算单元快速、灵活，计算单元的输入输小数据流无限制，计算单元精度可扩展 并且范围可动态变化，般地址发生器具有循环的地址缓存，高效的程序序列发生器。 a d s p 2 1 1 6 1 3 的所有指令都是在一个时钟周期内完成的即一个指令周期就是个时钟 周期。基于a d s p 2 1 1 8 0 的上述特点，它可以很好的完成a m r 语音编码器a c e l p 的算法。 本节接f 来的部分中将详细介绍a m r 语音编码器基于a d s p 2 1 1 6 0 的软件实现 3 1 2a m r 语音编码器的软件实现 上一章了解了有关a m r 的算法原理后，枉下面的部分就开始讨论利用a d s p 2 1 1 6 0 完 成籀个编解码算法。编码器的模块图可以用下图来表示： 中国科学技术大学域十学位论文 w c d m a 系统r p a m r 语哿编码挫术实帆第二章w c d m a 系统移动堡塑垒塑垦堕堂塑堡矍竺茎些 图3 - 2 编妈器的模块圈 整个编码器是在速率控制模块的控制下进行编码的。编码器的输入数据是一个语音巾虫 ( 2 0 m s ) 的1 6 0 个采样值，在进行编码前，速率控制模块首先读入控制信息按照控制信 息给出的e n c o d e rm o d e 选择当前帧的编码速率。但实际编码也可能是噪声帧编码，因为速 率控制模块在每帧最开始的时候会调用语音激活检测( v a d ) 模块来检测当前j 浈的输入信号 中是否有语音。如果有语音( v a d f l a g = 1 ) ，速率控制模块就调用语音编码模块，按照指 定的编码速率进行编码；如果检测结果是没有语音( v a df l a g = 0 ) 速率控制模块就启用噪 声编码模块( c o m f o r ln o i s e ) 进行噪声帧编码。编码结束后的输出参毁包括发送类型指示 t j y p e ，发送速率指示t x _ m o d e _ l n d i c a t i a n 和相应的参数比特。值得注意的是控制信 息给出的e n c o d e r m o d e 并不一定会映射到发送速率指示t x m o d e i n d i c a t i o n 中，因为如 果是噪声帧编码的话，t x m o d a i n d i c a t i o n 将指示当前帧是噪声帧。整个编码流程参见图 3 - 4 圈3 - 3 解码器的模块图 解码器的模块图州图3 3 米表示与编码器相类似，整个解码器趋在解码控制模块的控 制f 进 ，的。解码器的输入参数是对应于编码器的三类参数接收共型指示r xt y p e 接收 选率指示r x _ m o d e _ i n d i c a t i o n 和相应的参数比特。这里值得注意的是接收速率指示 r x m a d e i n d i c a t i o n 与编码端不同，不能是嗓卢解码类型，而只能是当前语音编码的原始 速率( 即编码端控制信息中的e n c o d e rm o d e ) 。如果本帧是噪声帧，相应的指示在r x - t y p e 中会有表示。有关编解码的输入输出参数将在第三节有关a m r 接口部分中详细介绍。解码 器根据解码速率指示进行解码。在实际的系统中，特别是无线避信系统中，语音帧的丢失和 出错是经常遇到的这时就需要利用特殊的处理模块来恢复语音了，解码器中的丢帧错帧处 理模块就是崩来处理这种特殊情况的。完成丢帧和错帧处理后，如果是语音帧，解码控制模 块就调用语音解码模块进行解码；如果是噪声帧，解码控制模块抗调用噪声帧解码模块完成 中国科学技术，= 学硕士学位论文 型! ! ! ! 墨竺! ! ! ! 里! 塑! ! 丝查竺盎些 塑三童型! ! ! ! 墨堕壁璺垡塑生型旦堡宣塑堕壁! ! ! 盟 解码。解码戏恢复后的语音信号是1 6 0 个合成的话音样本，它们被送往接下来的发声电路。 解码流程图址图3 - 5 编码器总流程图 s p e e c he n c o d e 细流程圈 d j n 札1 盐k 图3 - 4 编码器的流程图 l 二型竺! 竺叫 = ：) 【譬描 图3 _ 4 用来说明编码器的流程，图中右侧是左侧流程图中语音螭码部分的详细流程图 中国科学技术大学硬士学位栳文 w c d m a 系统中a m r 语音编蚂挫术w 爻现 锦三章w c d m a 系统移动终端申苎坠垦堕童塑里堂堕兰些 这里是以1 22 k b s 速率为例说明的，其他速率和部分细节上有所不同，基本的流程是相同 的。右图中上而虚线部分表示的是一帧数据的l p c 处理，f 面部分的两条虚线表示的是码 本搜索的处理，其中右侧虚线说明的是码本搜索在一个子帧中进行的处理，图中的省略号表 示这样的子帧处理在一帧当中进行了4 次，这里省略了重复部分的流程图。 解码器总流程图 日+ * 图3 5 解码器的流程图 图3 5 可咀说明解码器的流程，与编码器的流程图相同，图中右侧有对左侧流程图中 s p e e c hd e c o d e r 部分的详细流程图这里也是以1 2 ，2 k b l s 速率为例说明的。其他速率类似。 右图中上面虚线部分表示的是l p c 解码；同样的下面部分的两条虚线表示的是码本的恢 复其中右侧虚线说明的是每个子帧的码本重建，图中的省略号表示这样的子帧码本重建在 一帧当中进行了4 次，省略了重复部分的流程幽 中胃科学技术大学硕士学位论文 一 摹享举 型! ! 坐! 竺! ! ! 堕童堡坐丝查。! 苎型 笙三主型! ! ! ! 墨堑堡苎竺堂! ! ! ! 堕童堡竺型塑! ! 丝 3 - 2w c d m a 系统移动终端中的a m r 语音编码器 在讨论了 ja d s p 2 1 1 6 0 实现w c m d a 系统中a m r 语音编码器的程序后，麻该了解 fa m r 语音编码器在w c d m a 系统移动终端中的忙置再讨论相应的硬件设计。 3 2 1a m r 语音编码器在w c d m a 系统移动终端中的位置 在本论文中参与论的一个实际的w c d m a 系统移动终端的模块图可以用图3 - 6 来说 明。 图3 - 6w c d m a 系统移动终端模块图 剐中符模块的名称如下：p c m ：p c m 芯片r x u ：接收单元，c p t r ：捕获单元，t r k ： 跟踪单元d e c ：译码单元，m a i nd s p ：土控d s p i n t e r f a c ef p g a ：接口f p g a ，a m r d s p ：a m r 语音编码器d s p ( a d s p 2 1 1 6 0 ) ，c p u ：c p u 处理器( 这里用的是个8 6 0 芯片) ，t x u 发送单元，p o w e r = 电源模块，e x t e r n a li n t e r f a c e ：外端接口，r fm o d u l e ： 射频模块。 其中州阴影标出的器件是和a m r 语音编码有关的器件它们一起协同完成整个语音编 码器的功能。a m rd s p 是语音编码的核心器件，它通过接口f p g a 同p c m 芯片和8 6 0 完 成数据交换。编码发送是从p c m 采样产生语音数据开始的，这些数据波缓存在接1 3f p g a 预设的d s p 与p c m 侧的缓存中，并由a m rd s p 按时读取。d s p 在完成对语音数据的编 码后，将编码参数写同接口f p g a ，保存在d s p 与8 6 0 侧的数据缓存中。c p u ( 8 6 0 ) 在 适当时间读取编码参数，分类打包后交给发送单元t x u 完成语音数据的发送。通话对方来 的语音数据是由跟踪单元t r k 送给译码单元d e c 进行译码的，完成译码后的数据由d e c 送人8 6 0 芯片。8 6 0 首先进行障码数据到语音解码参数的映射再通过接口f p g a 送给a m r d s p 。d s p 接到解码数据后按照解码参数完成解码和语音合成，合成后的语音数据再次通 过接口f p g a 被送剑p c m 芯片。这就是整个语音编解码在移动终端中的数据流向。 3 2 1a m r 语音编码器的硬件设计 在上面已经看到了a m r 语音编码器在w c d m a 系统移动终端中的位置，它的协议位 置足在应用层在实际硬件设计中，用一个f p g a 作为它的接口芯片，_ q j 于完成它和c p u 即8 6 0 芯片以及p c m 芯片的通讯。这一部分与a m r 语音编码器有关的硬件设计示意图可 以用f 圉表示： 中国科学技术大学