（信号与信息处理专业论文）8kbits低延迟语音编码算法研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 8 k b i t s 低延迟语音编码算法研究 摘要 低码率、低复杂度的l d c e l p 算法在通信领域具有十分重要的意义。 g 7 2 8 是目前低延迟码激励语音编码算法中唯一的1 6 k b i t s 的国际标准。本 研究以降低码率为目的对g 7 2 8 算法进行改进，提出了三个延迟为2 5 m s 的8 k b i t s 的语音编码算法。实验表明，提出的改进算法在主客观质量上均 接近于g 7 2 8 的水平。 低延迟的语音编码算法必须采用实时基音检测，到目前为止基音检测 都是基于帧长2 0 m s 以上的长延迟算法，不满足实时性要求。因此g - 7 2 8 算 法无法采用基音检测。所谓实时基音检测，是指连续监测每帧采样信号， 当采样的一帧样点里存在一个基音脉冲时，立刻将它检测出来并计算基音 周期。利用小波变换，本研究设计了帧长2 5 m s 的实时基音检测算法。依 据小波变换的多分辨率能力发现第4 阶小波系数极值与信号突变点之间存 在强相关。以此为基础设计了基于小波变换的语音基音周期实时检测算法。 该算法对语音信号分帧处理，通过结合小波域波形和时域波形，采取自适 应基准、多特征参数提取小波系数极大值来确定基音周期。该算法在准确 检测信号峰值点的基础上，精确提取基音周期，可以同时检测到基音周期 的值和起止点，是本文后向基音预测8 k b i t s 低延迟编码算法的基础。 本研究在g 7 2 8 中引入自适应码书结构，自适应码书由最近的历史激励 构成。算法采用归一化的固定码书。训练固定码书时，根据其使用频率对 固定码书进行优化设计，通过迭代求出最佳固定码书。增益量化时对自适 应码书采用固定量化方案，固定码书采用自适应量化。 本文比较了三种延迟为2 5 m s 的8 k b i t s 编码方案：方案一采用全搜索 模式，对1 2 8 个自适应码矢、8 个增益值和1 2 8 个固定码矢、8 个增益值的 奎堕里三奎堂堡主塑塑竺兰堡丝苎 全部组合进行搜索，获得最佳的码矢标号和增益；方案二在连续的两帧里 对自适应码书采用不同搜索模式：偶数帧的搜索与方案一相同；奇数帧的 搜索仅在偶数帧得到的自适应码矢标号前后的小范围内进行；方案三在方 案一的基础上增加了后向基音预测，在自适应码书中依据基音预测值确定 6 4 个码矢作为搜索对象，并将节省的1 个比特用于扩大固定码书尺寸，从 而进一步改善编码算法的主客观质量。 关键词：小波变换，基音检测，自适应码书，增益量化，信噪比，p e s q n 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho n8 k b i t sl o wd e l a y s p e e c hc o d i n ga l g o r i t h m a b s t r a c t t h el d - c e l p a l g o r i t h mw i t hl o wc o d i n gr a t ea n dl o wc o m p l e x i t yh a sv e r y i m p o r t a n tm e a n i n g i nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n ( 2 7 2 8w a st h eo n l y16 k b i t s i t ur e c o m m e n d a t i o ni nt h el o wd e l a ys p e e c hc o d i n ga l g o r i t h ma tp r e s e n t t h i s r e s e a r c hm a d ei m p r o v e m e n ti n ( 2 7 2 8a l g o r i t h ma i m i n ga tr e d u c i n gc o d i n gr a t e a n dp r e s e n t e dt h r e e8 k b i t ss p e e c hc o d i n ga l g o r i t h m sw h o s ed e l a ya r e2 5 m s t h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h ei m p r o v e da l g o r i t h m si nt h ea s p e c to fs u b j e c t i v e a n do b j e c t i v eq u a l i t yw e r ec l o s et ot h a to f g 7 2 8 s p e e c hc o d i n ga l g o r i t h mw i t hl o wd e l a ym u s ta d o p tr e a l - t i m ep i t c hd e t e c t i o n b u ts of a rp i t c hd e t e c t i o nh a sb e e nl o n gd e l a ya l g o r i t h mb a s e do nf r a m el e n g t h m o r et h a n2 0 m sa n dn o tm e e tt h er e q u i r e m e n tf o rr e a l t i m e s og 7 2 8c a n t a d o p tp i t c hd e t e c t i o n r e a l t i m ep i t c h d e t e c t i o ni s c o n t i n u o u s l yd e t e c t i n g s a m p l i n gs i g n a lo fe a c hf r a m e ，w h e nap i t c hp u l s ee x i s t si ns a m p l i n gp o i n t so fa f r a m e ，i ti si m m e d i a t e l yd e t e c t e da n dp i t c hi sc o m p u t e d t h i sr e s e a r c hd e s i g n e d r e a l t i m ep i t c hd e t e c ta l g o r i t h mw h o s ef l a m el e n g t hi s2 5 m su s i n gw a v e l e t c o e f f i c i e n t s e x t r e m u mo ft h e4 mo r d e rw a v e l e tc o e f f i c i e n t si ss t r o n g l yr e l a t e d w i t h s h a r pv a r i a t i o np o i n t so fs p e e c hs i g n a l b a s e do nt h em u l t i r e s o l u t i o n a n a l y s i sc h a r a c t e r so fw a v e l e t b a s e do nw h i c h ，r e a l t i m ep i t c hd e t e c ta l g o r i t h m b a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r mw a sd e s i g n e d t h i sa l g o r i t h md e t e c t e dp i t c ht h r o u g h f r a m e ，c o m b i n i n gw a v e f o r mo fw a v e l e td o m a i nw i t ht i m ed o m a i n ，a d o p t i n g a d a p t i v ec r i t e r i o na n dm u l t i f e a t u r ep a r a m e t e rt o e x t r a c tt h em a x i m u mo f w a v e l e tc o e f f i c i e n t t h ea l g o r i t h mc o u l de x a c t l yd e t e c tp i t c h ，s t a r tp o i n t sa n d e n dp o i n t sa n dt h en u m b e r so fp i t c hb a s e do ne x t r a c t i n gp e a kv a l u eo fs i g n a l ， w h i c hw a st h eb a s eo f8 k b i t sl o wd e l a yc o d i n ga l g o r i t h mo fb a c k w a r dp i t c h l i l 太原理工大学硕士研究生学位论文 p r e d i c t o r a d a p t i v ec o d e b o o ks t r u c t u r ew a s i n t r o d u c e di ng 7 2 8 ，w h i c hw a sc o m p o s e d o fl a t e s th i s t o r i c a le x c i t e di n f o r m a t i o n a n dn o r m a l i z e df i x e dc o d e b o o kw a s a d o p t e df o rt h ep r o p o s e da l g o r i t h m w h e nf i x e dc o d e b o o kw a st r a i n e d ，i tw a s o p t i m a l l yd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef l e q u e n c yf o ru s ea n dt h eo p t i m a lf i x e d c o d e b o o kw a so b t a i n e db yi t e r a t i v e l yt r a i n i n g t h e n ，f i x e dq u a n t i z a t i o nw a s u s e di n a d a p t i v ec o d e b o o ka n da d a p t i v eq u a n t i z a t i o nw a su s e d i nf i x e d c o d e b o o k t h r e es c h e m e so f8 k b i f f sc o d i n gw h o s ed e l a yi s2 5 m sw e r ec o m p a r e di n t h i sp a p e r t h ef i r s ts c h e m ea d o p t e dw h o l es e a r c hm o d e ，t h a ti ss e a r c h i n gt h e w h o l ec o m b i n a t i o no f12 8a d a p t i v ec o d e w o r d ，8g a i na n d12 8f i x e dc o d e w o r d ， 8g a i n ，t h e nt h eo p t i m a li n d e xo fc o d e w o r da n dg a i nw e r eo b t a i n e d ；t h es e c o n d s c h e m ea d o p t e dd i f f e r e n ts e a r c hm o d ef o ra d a p t i v ec o d e b o o ki nc o n t i n u o u st w o f r a m e s ：t h es e a r c ho ft h ee v e nf l a m ew a st h es a m ea st h ef i r s ts c h e m e ；t h e s e a r c ho ft h eo d df l a m ew a so n l yd o n ei nt h es m a l la r e aa c c o r d i n gt ot h ei n d e x g o r e ni nt h ee v e nf l a m e ；t h et h i r ds c h e m ea d d e db a c k w a r dp i t c hp r e d i c t o r t ot h e f i r s ts c h e m e 6 4c o d e w o r dw a ss e a r c h e da c c o r d i n gt op i t c hp r e d i c tv a l u ei n a d a p t i v ec o d e b o o k ，a n d1 b i ts a v e dw a su s e di ne x t e n d i n gt h es i z eo ff i x e d c o d e b o o k c o n s e q u e n t l y , t h es u b j e c t i v ea n do b j e c t i v eq u a l i t y o fc o d i n g a l g o r i t h mw a si m p r o v e d k e yw o r d s - w a v e l e tt r a n s f o r m ，p i t c hd e t e c t i o n ，a d a p t i v ec o d e b o o k ， g a i nq u a n t i z a t i o n ，s n r ，p e s q 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： _ 埠日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 日期：丑! ：! 日期：迦2 ：! 太原理工大学硕士研究生学位论文 0 1本课题研究的背景与意义 刚舌 低码率、低延迟话音编码算法是二十一世纪通信、计算机网络、视频电话会议和远 程教学系统等诸多应用领域的关键性核心技术。以数据包形式传输话音的i p 电话，其 极低廉的通话费用给传统电信网络造成极大的冲击。面对竞争，如何使现存的数以万亿 计的电信设备免遭淘汰，业界正在努力寻找降低通信费用，提高服务质量的途径。低成 本扩容是其首选方案。支持传统电信网设备扩容的话音编码算法必须满足采样延迟不超 过5 m s ( 4 0 个样点) ；速率在8 k b i u s ( 每样点1 位) 以下：音质与p c m 相当。1 9 9 2 年国际 电信联盟( i t 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 i l i o n ) 向全世界征集延迟低于5 m s ，音 质与p c m 相当，速率低于8 k b p s 的话音编码方案。目前这一目标仍未实现。1 9 9 2 年公 布的g 7 2 8 标准【1 1 和1 9 9 6 年公布的g 7 2 9 标准【2 】在音质上均符合要求，是i t u 公布的 i p 电话通信协议。但是，g 7 2 8 虽然延迟( 5 样点0 6 2 5 m s ) 符合要求，速度却为1 6 k b p s ； g 7 2 9 虽然速率为8 k b p s 但延迟是8 0 样点( 1 0 r e s ) 。在未来几年内，具有前述指标的话音 编码方案是这一领域科学工作者努力追求的目标。 1 9 9 2 年提出的i t u t g 7 2 8 标准语音压缩算法在1 6 k b i t s 速率上实现了单路延迟不 超过2 m s ，音质与p c m 相当，是数字电路倍增设备、i n t e r n e ti p 电话网关采用的首 选算法。尽管1 9 9 6 年提出的1 1 u t t 2 7 2 9 将码率降低到8 k b i t s 3 1 ，但由于它的采样延迟 为1 0 m s ，单路编译码延迟超过3 0 m s ，因此在上述应用场合以及有关涉及电信网接入方 面的应用中，g 7 2 8 仍是唯一的方案。 g 7 2 8 采用时变参数模型，每2 0 个样点后向地估计一次参数；采用5 0 阶滤波器， 而不用长时预测器：设计了增益滤波器降低了码书尺寸。由此可见，g 7 2 8 算法的优点 与不足，都可以为本研究所借鉴【4 j 。 本研究的主要内容在深入研究g 7 2 8 算法的基础上，提出了低码率编码方案：每个 矢量2 0 样点即延迟为2 5 m s 的8 k b i t s 的语音编码方案。 o 2 语音编码技术的国内外发展状况 语音编码技术的研究开始于3 0 年代d u d d l e y 发明声码器。尤其是最近2 0 年来，语 太原理工大学硕士研究生学位论文 音编码取得突飞猛进的发展。语音编码方法，按传统的观点可分为三类：波形编码、参 数编码( 声码器) 和混合编码 5 1 。【7 j 。 波形编码即针对语音波形进行编码( 直接对语音信号离散样值进行编码处理) ，它 不需要语音模型。尽量保持输入波形不变，即恢复的语音信号基本上与输入的语音信号 波形相同。这类编码方法将语音信号作为一般的波形信号进行处理，具有适应能力强、 算法简单、易于实现、语音质量好等优点，缺点是编码速率高。波形编码器一般比参数 编码器强健，它可以对各种信号进行处理。当然波形编码比参数编码具有较高的码率。 它们在1 6 6 4 k b i t s 的码率上能给出较高的编码质量，当编码速率进一步降低时，其性能 会急剧下降。国际电报电话咨询委员会( c c i t t ，c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e eo f i n t e r n a t i o n a l t e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e ) 现已并入国际电信联盟( i t u ) 于1 9 7 2 年制定的g 7 1 16 4 k b i t s 的脉冲编码调制( p c m ，p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 和i t u 在1 9 8 4 年公布的g 7 2 13 2 k b i t s 自适应差分脉冲编码调制( a d p c m ，a d a p t i v e d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 编码 器标准等都属于这一类编码器。 参数编码是以语音信号产生的数学模型为基础，先对语音信号进行分析，提取出其 参数，对参数进行编码；在解码后由这些参数重新合成出语音信号，这种编码方法称为 语音信号的分析合成方法。由于编码这些参数需要较少的比特数，因此这种方法具有编 码速率低的优点，可以达到2 4 k b i t s 或更低的速率，但语音音质差，而且对噪声较敏感。 这种编码称作“声码器技术”。美国政府1 9 8 0 年公布的2 4 k b i f f s 线性预测编码算法标 准l p c l o 就是采用的这种方法，另外，共振峰声码器、通道声码器、余弦声码器都 属于此类参数编码。 混合编码是上述两类方法的有机结合，混合编码技术在参数编码的基础上引入了一 些波形编码的特征，在编码位率增加不多的情况下，较大幅度的提高了传输语音质量。 它基于语音产生模型并采用了分析合成技术，而且同时它又利用了语音时间波形信息， 增强了重建语音的自然度，使得语音质量有明显提高。其代价是编码速率一般在 1 6 2 4 k b i f f s 之问，其中的主要技术称之为“分析合成法( a b s ，a n a l y s i s b y s y n t h e s i s ) ”。根据 这种方法进行编码的有1 9 8 2 年b i s h n us a r a l 和j o e lr r e m d e 提出的多脉冲激励线性 预测编码1 8 】( m p l p c ，m u l t i p u l s el i n e a r p r e d i c t i v ec o d e r ) ，码率在9 6 1 6 k b i f f s 范围内； 1 9 8 5 年e d d e p r e t t e r e 和p e t e rk r o o n 首先提出的规则脉冲激励语音编码( r p e l p c ， r e g u l a rp u l s ee x c i t e d l i n e a rp r e d i c t i v ec o d e rw i t hal o n gt e r mp r e d i c t o rl o o p ) ；同年 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 m a n f r e dr s c h r o e d e r 和b i s h n us a r a l 提出了用矢量量化技术对激励信号进行编码的码 激励线性预测编码( c e l ec o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ) ，在4 8 1 6 k b i v s 范围内可获 得质量相当高的合成语音。近年来码激励线性预测( c e l p ) 编码作为一种优秀的中、 低速率方案得到了很好的重视和研究，在降低复杂度、增强c e l p 的性能、提高语音质 量等方面取得了许多新的进展。1 9 8 9 年，m o t o r o l a 的8 k b i t s 矢量和激励线性预测编码 ( v s e l p , v e c t o rs u me x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ) 1 9 1 1 0 l 成为北美第一代数字蜂窝移动通信 网的语音编码标准，与美国政府4 8 k b i t sc e l p 语音编码器标准基本相同。1 6 k b i t s 的 低延迟码激励线性预测【l l l 【”( l d c e l p , l o wd e l a y c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ) 编 码已于1 9 9 2 年标准化为i t u 建议g 7 2 8 ，这个编码器与与一般的c e l p 编码器的共同 点是：利用合成分析法的搜索过程、感觉加权矢量量化和线性预测技术，从码本中搜索 出最佳码矢量，乘以最佳增益，代替余量信号作为激励信号：主要不同之处在于一般的 c e l p 编码器中使用前向自适应预测器( f o r w o r d - a d a p t i v ep r e d i c t o r ) 去除语音信号的冗 余度，而l d - c e l p 编码器使用后向自适应预测器( b a c k w o r d a d a p t i v ep r e d i c t o r ) 对短 时谱包络和增益进行预测，因而l d - c e l p 编码器向发送端传送的只是码激励矢量的地 址标号。美国政府制定了f s 一1 0 1 64 8k b i t sc e l p 保密电话网标准【7 】【1 3 1 之后，提出了制 定半速率2 4k b i t s 声码器的新课题。c e l p 编码方案在4 1 6k b i t s 速率上取得了很大成 功，但是，当速率低于4k b i u s 时，由于码本容量变的很小，不能很好地表示预测余量 信号，编码器性能会很快下降。于是，在现代数字通信系统中，为提高信道利用率，如 何用尽可能少的比特数来对语音信号进行编码已越来越受到重视。这种编码方法目前主 要有正弦变换( s t c ，s i n et r a n s f o r mc o d i n g ) 编码、多带激励( m b e ，m u l t i b a n d e x c i t a t i o n ) 编码、波形内插( w i ) 编码【1 4 】、混合激励线性预测【1 5 】( m e l p , m i x e d e x c i t a t i o n l i n e a rp r e d i c t i v e ) 编码等方案，而且在1 2 0 0b i t s 以下的极低速率语音编码也有广泛的 应用前景和吸引力。总之，低码率和高质量将是语音编码今后研究的主要方向。表0 1 给出了i t u 对8 k b i t s 语音编码性能的主要要求。 0 3 论文完成工作 工作一：用c + + 实现了基于小波变换的语音信号基音周期实时检测算法。 工作二：研究设计了三个8 k b i t s 语音编码方案，用c + + 实现设计算法，通过大量实验， 得到最佳的固定码书及增益码书。 太原理工大学硕士研究生学位论文 表o 1l t u 对8 k b i t s 语音编码性能的主要要求 t a b l e0 - 1m a i nr e q u e s to f 8 k b i t ss p e e c hc o d i n gp e r f o r m a n c e 参数要求最终目标 不比g 7 2 13 2 k b i t s 无误码语音质量 a d p c m 差 有误码语音 不比g 7 2 13 2 k b i t s 于g 7 2 81 6 k b i t s ( b e r 1 0 3 随机误码)a d p c m 语音质量差l d c e l p 相当 单次编解码延迟 f 斗_ 。? 。w。tfl 。r a4 l - 1 f 。+ t m + 2 l - 1 卅- _ i 图卜3 混合窗 fi g u r e1 - 3h y b r i dw i n d o w 利用白噪声修正后的自相关系数和l e v i n s o n d u r b i n 递推公式，就可以计算出l p c 系数。令第i 阶预测器的第，个系数为矾”，则递推方法可如下描述： 6 磊一 换一 黜塑 格一 太原理工大学硕士研究生学位论文 e ( o ) = 尺( o ) r ( o + 芝。，卜”r ( i 忌= 一 e ( i 一1 ) a “= k 。 a j ”= 口“+ ta w ( t - ”，1 对- i 一1 e ( f ) = ( 1 一七? ) e ( f 一1 ) 方程( 1 3 ) 到( 1 ，6 ) 对f = 1 , 2 ，m ( 膨是阶数) 递归计算，最终的解可给出： 吼= a l ， 1 i m ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 1 3 感觉加权滤波器 如图i - 4 所示，当前的输入语音矢量j ( n ) 经过加权滤波器，得到加权的语音矢量i ，( ”) 。 图1 - 4 感觉加权滤波器系数更新 f i g u r ei - 4c o e 珩c i e n tu p d a t eo f p e r c e i v ew e i g h t e df i l t e r 加权滤波器的传递函数为： 喇= 篙躺，o y 2 7 1 1 s ， 上式中，q 0 ) 为线性预测器的传递函数： q g ) = - z q ，z 一 ( 1 9 ) 吼即为求得的预测系数，g o = 1 。y 1 和y 2 为根据人耳的听觉特性经实验得出的加 权因子，在这里，l = 0 9 ，y 2 = 0 6 。所以， 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 0 ) = + 兰( q ，i 一 t + 兰g ，死p ( 1 1 0 ) 感觉加权滤波器分子分母系数的更新每帧进行一次，更新发生在每帧的第三个矢 量。图1 - 4 为感觉加权滤波器系数更新框图。经过综合滤波器后合成的语音也需经同样 的加权滤波器处理，以提高听觉质量。这两个感觉加权滤波器是完全一样的。其工作过 程如下：首先对输入语音或量化语音的前一帧加混合窗，计算出加窗后的自相关系数， 利用莱文森一杜宾( l e v i n s o n d u r b i n ) 递推公式将自相关系数转换为预测系数，再计算 出加权滤波器系数，对当前帧的语音矢量进行滤波，输出加权后的语音矢量。 1 4 综合滤波器 在图1 - 1 中可以看到，有两个综合滤波器，它们是分别用来计算激励的零输入响应 和零状态响应的，二者有相同的滤波器系数，每帧更新一次，更新时刻也在每帧的第三 个矢量处。其传递函数为 f o ) 。西1 羽 ( 1 1 1 ) 只力是5 0 阶l p c 预测器的传递函数： p ( z ) = 一q z l ( 1 1 2 ) 其中，a ，= 名6 ，( f = l ，2 ，3 ，5 0 ) ，反为杜宾递推计算出的l p c 系数，五为带宽扩展因 子，2 = 0 9 8 8 3 ，带宽扩展b = 1 5 h z 。 综合滤波器系数更新框图如图i - 5 所示。 量 图1 - 5 综合滤波器系数更新 f i g u r e1 - 5c o e f f i c i e n tu p d a mo f s y n t h e s i sf i l t e r 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 5 对数增益滤波器 设矢量y ( n ) 是在一时刻时的激励矢量，e ( n ) 是经过增益调节后的激励矢量，盯，0 ) 和 o e 如) 分别对应于j ( 栉) 和e ( n ) 的均方根( r m s ) ，盯o ) 是用于调节p ( 一) 的后向自适应激励 增益，则有： e o ) = 盯0 h o ) l o g p 。0 ) 】= i o g b 如) 】+ l o g b ，g ) j ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 本质上讲，增益滤波的目的就是想通过e ( n - 1 ) ，e ( n 一2 ) ，的增益来预测p ( n ) 的增益。 算法中，在对数域进行l p c 分析预测。 l o 即l o g 4 , 0 ：只l o g a 。o f ) _ o f f s e t + o f f s e t ，= l ：兰p ，l 。g ( 疗一f b 加一f ) 一移。r 】+ 够甜 上式实际上是一个以盯，o 一1 ) 作为输入，盯( n ) 为输出的1 0 阶零极滤波器。 ( 1 1 5 ) 通过对先前的l o g k 。g ) 】序列加混合窗，进行l p c 分析，求得预测系数 a ( f - 1 ，2 ，1 0 ) ，再进行带宽扩展，求得p 。= 爿a ( i = - 1 ，2 ，l o ) ，这里九= o 9 0 6 2 5 ，扩展 带宽b = 1 2 5 h z ，改善了增益调节器的坚韧性。图1 - 6 为后向自适应增益调节器框图。 这个调节器逐个矢量更新激励增益，计算过程如下： “胛) 经过一矢量延迟得到e ( n 一1 ) ，对d h 一1 ) 的均方根值r m s 取对数、去偏，得到对 数域增益文n 1 ) ，将文n 1 ) 加混合窗，然后计算l p c 系数a ，( i = l ，2 ，l o ) ，再将a ，与带宽 扩展因子五的i 阶指数相乘，得到预测系数a i ，即口，= 爿舀，将预测系数用于对数域 线性预测器得到预测值占0 ) ： 占o ) ：兰q 6 ( n f ) ( 1 1 6 ) 上式中的预测系数每4 个语音矢量更新一次，在第二个语音矢量处更新。得到占) 之后，加上在块4 1 中储存的对数增益补偿值3 2 d b ，然后对数增益限幅器4 7 检查得出 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 的对数增益值，增益限幅器保证线性域的增益在l 1 0 0 0 之内。再经过反对数变换及平 滑，最后得到激励增益盯0 ) ，盯o ) 是一个调节因子，用来调节选择的激励矢量y ( ，z ) 。 1 6 码书搜索 1 6 1 目标矢量 图1 6矢量增益后向调节器 f i g u r e1 6b a c k w a r da d j u s t e ro f v e c t o rg a i n 激励 矢量 e ( h ) 参见图1 1 码书搜索部分，码书搜索的对象就是目标矢量“”) 。码书搜索时，1 0 2 4 个候选码矢激励通过滤波器肌刁输出的是零状态响应，所以为了和这个“零状态”具 有可比性，输入的原始语音j ( ，z ) 作为综合滤波器全响应逼近的目标，必须减掉一个自身 的“零输入”响应，才能得到含有原始输入语音信息的零状态响应，作为码书搜索的逼 近目标：又原始语音引入感觉加权，所以码书搜索也必须引入感觉加权滤波瞅z ) ，即 俄2 ) = ，( z ) 职z ) ，以z ) 为综合滤波器。 1 6 2 码书结构 在1 6 k b i v s l d c e l p 算法中，使用一个固定码书，为减小计算量，采用了乘积码书 中的波形增益码书法。设全搜索矢量编码中的码本大小为2 村，相应地编码时搜索一次 的最小失真运算量也等于2 村次。如果将总位数m 分成两部分m = m l + m 2 ，把m l 用 于增益编码，m ，用于波形编码，这样，增益码本中的码字数为2 m i ，波形码本中的码 字数为2 地，总存储量及搜索时计算距离的次数都降低到与2 m + 2 肘：相同的数量级， 这就减小了存储量和运算量。在g 7 2 8 算法中，m = i o ，m = 3 ，m 2 = 7 ，即波形码书含 o 太原理工大学硕士研究生学位论文 有2 7 ：1 2 8 个码字，增益码书含有23 = 8 个增益，且其中有一位为符号位。 163 码书搜索算法 设加权的综合滤波器其传递函数为麒z ) ，a ( 月) 是其冲激响应，y ，是第j ，个波形码矢， 吕是第i 个增益电平，下标为i 、，的码矢经过瞰z ) 滤波，输出为砖： 艺= u 4 ) g ，j ， ( 1 1 7 ) 式中的为：h = 厅( o ) 0 0 0 0 厅( 1 ) h ( o ) 0 0 0 厅( 2 ) h o ) 向( o ) 0 0 ( 3 ) h ( 3 ) h ( 1 ) h ( o ) 0 矗( 4 ) ( 4 ) h ( 2 ) h ( oh o ) i 和，的组合应使下面的均方误差最小： d = f 卜如) 一曼，| f 2 = 廖2 0 1 i 圣o ) 一g ，毋，8 2 这里，圣0 ) = x o ) 一0 ) 为归一化目标矢量，展开上式： d ：盯2 ( ”) 啦( 盯) 卜2 9 ，叠伽) b y ，+ g 硼母21 使d 最小，等价予使下面的西最小： 6 = _ 2 9 t p t yj + g ? ej 式中， p 0 ) = 日7 主0 ) e ，= 渺州2 又设， b ，= 2 9 ， q = 2 ，i = 0 , 1 ，7 则西成为： 6 = 一b i pj + c i e i 其中 ( i 1 8 ) ( 1 1 9 ) ( 1 2 0 ) ( 1 2 0 ( 1 2 2 ) ( 1 2 3 ) ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 乞= p 7 g h ， ( 1 2 7 ) 因为包、c