（通信与信息系统专业论文）scdma系统g729声码器的实现与保护.pdf

两南交通大学硕士研究生学位论文鹅i 页 摘要 s c d m a 同步码分多址 系统是使用智能天线 同步码分移址和s w a p r 两步炙线接入信令规范 售令 塌软件无线邈实现的无线通信系统 受多 辑因素影响 s c d m a 系统的语裔质量一直不理想 有时表现还很严熏 这大 大阻碍了该系统豹商用进度 也有悖予s c d 淞系统为耀户提供商品袋服务的 初衷 本文从更新声码器及增强其抗噪声能力入手解决语音质量闷题 经过分 析比较 选择了i t u tg 7 2 9 的简化算法g 7 2 9 a 实现声码器 戳代替鳝前往 能不稳定的基于q c e l p 簿法的声码器 论文的主要任务是在t m s 3 2 0 c 5 4 x 上实 辩实现g 7 2 9 a 辩法 并设计和实现有效傈护该声码器的方案戳增强其噪声鲁 棒性 i t u t 提供了可供1 6 位定点d s p 实现g 7 2 9 a 算法盼e 潦鹚稻标准测试 向量 幽于运算量很大 直接编译该源码不能满足在c 5 4 x 实时实现的要求 本文获改写e 源码为c 5 4 x 汇编代码着手 霹蜜凌遵程审懿变鬃存镶黩分配 参数的传递 寻址方式的选择 循环的嵌套与控制 辅助寄存器的使用 流 承线等方嚣戆阉霆送行了设诗籁优纯 程c 5 4 x 上实嚣实凌了g 7 2 9 a 声鹃器 第三章末给出了对汇编实现代粥的性能测试 与改写前相比 编码器各模块 瓣代玛效率平魏提寒了七十多辏 增强g 7 2 9 声码器在无线倍道中的噪声鲁棒性对掇高s c d m a 系统语音质 爨专着爨要戆瑷震意义 在p e s q 客理谬啻矮量评馀工熟分板g 7 2 9 码元主理 敞感度的基础上 提出了如何利用s c d m a 系统1 6 k b p s 剩余业务信道带宽对 主双最敏感比特避 亍保护鳇闫题 结合g 7 2 9 囊身缳护枧割 缀短r s 编码和 s c d m a 倍道的特点 提出了基于r s 7 5 码带c r c 梭错及帧内交织的保护 方案 并在第暇章末采照p e s q 簿法验谖了该保护方案的有效憾 关键谪 s c d m a g 7 2 9 声弼器 c 5 4 x r s 鹃 p e s q 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s y n c h r o n o u sc d m a s c d m a s y s t e ml s aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e mu s i n g s m a r t a n t e n n a s y n c h r o n o u sc d m a s w a p s y n c h r o n o u s w i r e l e s sa c c e s sp r o t o c 0 1 a n di ti si m p l e m e n t e do ns o f t w a r er a d i oa r c h i t e c t u r e d u et om a n y p r a c t i c a lp r o b l e m s t h ev o i c eq u a l i t yo ft h es y s t e mi sn o ts oi d e a la s w h a ti th a db e e nt h o u g h tt ob e i tw o r k su n s t e a d i l yu s u a l l yw h e nc h a n n e le r r o r o c c u r s w h i c ha b s o l u t e l yh i n d e r e dt h em a r k e t i n gp r o c e s so f t h es y s t e m t oi m p r o v et h ev o i c eq u a l i t y t h i st h e s i ss t a r tw i t hr e p l a c i n gt h ep r e s e n t q c e l p v o c o d e rw i t han e wo n e a f t e ra n a l y s i sa n dc o m p a r i s o na m o n gc a n d i d a t e v o c o d e r st h a tc a nb eu s e di ns c d m a u tg 7 2 9 a w h i c hi st h es i m p l i f i e d v e r s i o no fg 7 2 9a l g o r i t h m p r o v e di t s e l ft h eo p t i m u mo n e t h e r e f o r e t h em a i n p u r p o s e o ft h i st h e s i si st oi m p l e m e n tg 7 2 9 a a l g o r i t h mo nt m s 3 2 0 c 5 4 x i nr e a l t i m ea n d d e s i g na ne f f e c t i v ep r o t e c ts c h e m e t oe n h a n c ei t se r r o rr o b u s t n e s s i t u tp r o v i d e dacs o u r c ec o d ef o rg 7 2 9 a i m p l e m e n t a t i o no nd s p so f 1 6 b i tf i x e dp o i n t h o w e v e r o w i n gt ot h eh e a v yl o a do fc o m p u t a t i o n s u c hc c o d ec a nn o tw o r ki nr e a lt i m eo nc 5 4 xa f t e rc o m p i l a t i o n c h a p t e r3f o c u s e so n t r a n s l a t i n gt h ec c o d ei n t oa s s e m b l yc o d e t h ei m p l e m e n t a t i o na n do p t i m i z a t i o n i n v o l v e si s s u e so f a s s i g n m e n t o fv a r i a b l e sa n d m e m o r i e s p a s s o ff u n c t i o n p a r a m e t e r s a d d r e s s i n gm o d e s c o n t r o lo fn e s t e dr e p e t i t i o n u s eo fa rr e g i s t e r s p i p e l i n ec o n f l i c t s a n ds oo n ap e r f o r m a n c e t e s tf o rt h ea s s e m b l yc o d ei sg i v e na t t h ee n do fc h a p t e r3a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ea s s e m b l yc o d ei st e n so ft i m e s e f f i c i e n ti nc o m p a r i s o nw i t ht h eo r i g i n a lcc o d e i ti sh i g h l yi m p o r t a n tt oe n h a n c et h ee r r o rr o b u s t n e s so fg 7 2 9v o c o d e r o n t h es u b j e c t i v es e n s i t i v i t ya n a l y s i so fg 7 2 9v o c o d e rb i t su s i n gp e s q a l g o r i t h m t h ep r o b l e mi sc o n c e n t r a t e do nh o wt o p r o t e c tt h o s es u b j e c t i v e l yi m p o r t a n tb i t s b yu s i n gt h ea d d i t i o n a l1 6 k b p sc h a n n e lb a n d w i d t hi ns c d m a r e f e r r i n g t ot h e s e l f g u a r d m e c h a n i s mo f g 7 2 9 c h a r a c t e r i s t i c s o fr sc o d i n ga n ds c d m a c h a n n e l as c h e m eu s i n gr s 7 5 c o d i n gw i t hc r ca n db l o c ki n t e r l e a v i n gi sp u t f o r w a r da n di t se f f e c t i v e n e s si sv e r i f i e db yb o t hp e s oa l g o r i t h ma n ds u b j e c t i v e t e s ta tt h ee n do f c h a p t e r 4 k e yw o r d s s c d m a g 7 2 9v o c o d e r c 5 4 x r e e d s o l o m o nc o d i n g p e s o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章首先介绍了论文的研究背景 包括s c d m a 系统及其关键技术 在 探讨了该系统对语音编码器的要求及现有编码器的状况和不足之后 给出了 s c d m a 系统将选用的i t u t g 7 2 9 语音编码器的性能简介 最后介绍了本论 文的主要研究工作 1 1 研究背景 s c d m a 系统是先进的无线通信系统 它融合了智能天线 软件无线电 同步码分多址等先进技术 系统业务信道速率设计为9 6 k b p s 能为用户提供 话音 传真及窄带数据传输业务 如何在无线环境及窄带通信信道条件下为 用户提供高质量的语音通信服务是s c d m a 系统的一项重要的课题 本节探 讨了s c d m a 系统对语音编码器的要求及现有语音编码器存在的问题 分析 了采用新的语音编码器 g 7 2 9 的原因 1 1 1s c d m a 系统简介 在市内电话网中 一般把从交换机到用户电话机之间的连接线路称为用 户环路或本地环路 把采用无线通信技术来连接市话交换机至用户电话机的 设施称为无线本地环路 s c d m a 本地环路是通过r 2 或v 5 2 接口接入公众 电话通信网p s t n 的 系统初期组网示意图如下 图1 1s c d m a 系统初期组网示意图 瑗南交通大学碳女研炎生学位论文第2 擞 随港系统容羹翡撼瓣窝凰户对漤游及数攒遂务等功韪酌辫求 s c d m a 网络还会在此基础上进 步扩煨 包括在b s c 之上增加本地移动控制中心 l m c c 整权中心a u c 等 s c d m a 系统采用的关键技术包括 夺智能天线 s m a r t a n t e n n a 夺软l 拳无线电 s o f t w a r er a d i o 夺同步码分多缝 s y n c h r o n o u s c d m a 夺阉步无线接入豁令 s y n c h r o n o u s w i t l e s s a c c e s s p r o t o c 0 1 s c d m a 蹩蘸薅国舔上睢 使蘑了餐鼗天线袋术帮t d d 双王黉输方式鹣 蠲多c d m a 系统 搦搿疆显魏技术德势 寒笼线频谱剩弼率 稻同躐离发射功率最低 设备梅成篱擎 疆释袋零甄 很高的性能价格比 灵港技离 系统往麓鹣浚遴鞫嶷善 磷逶避开级较锌来实现 s c d m a 技术经过几年的研究歼发和应用 产品成熟度越来越离 正在 海越来邈多豹薅户提供离整泠貔熬产瀑窝黢务 2s c d m a 系统对语裔编码撩酶要求 话尝渡务溪予转缆照务 健s c d m a 系缝煌务绩邋豢宽糍羧 量设备王 擘予复杂豹无线遁菇臻壤 毽我 要安瑷羹攫户提供疯震量诺密驻务黪髫搀 必然对语音编璃器提出校高豹瓣求 籁体体现在 逮率 语告编码瓣的编码遵率必须低于s c d m a 的渡务倍道速率9 6 k b p s 2 话羹庚鬟 s c d m a 系统的斟标是为糟户掇供全质量的话音救务 念质量话音是糯 当予有线长途邋话弱落翥震量 m o s 努终4 0 这翦悫要求语誊绽璐器本囊 的语音重建能力要高 3 辩跫 时延怒实联实时全设工遴信需要考虑麓一个壤要激素 对予高度交互透 信 时延达到1 5 0 m s 时 就会产生不协调的感觉 因此 在满足速率和语音 矮量鹃蕊攥下 蘩求语密编码添翡辩鼹尽赣低 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 另外 s c d m a 系统的空中接口以l o r e s 为 帧进行发送或接收 如果语 音编码器的时延能与该时延相匹配 则会降低实现的复杂度 4 实现复杂度 为了降低成本 便于实时实现多路语音编码器和大规模集成 语音编码 器的实现复杂度不应太高 s c d m a 系统的基站和手机的主要硬件平台是t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列芯片 语音编码器的实现应参考该芯片的处理能力 1 1 3 目前所用语音编码器状况 目前系统使用基于q c e l p 算法的语音编码器 其性能指标如下 1 速率 编码速率为8 k b p s 压缩比8 1 2 语音质量 现有的语音编码器的重建语音质量不高 从听音的主观效果看 低频没 有高频部分效果好 男声较单薄 在字词边缘容易出现类似金属摩擦的声音 如果经过两级级联 效果就更差 另外 对目前的语音编码器采用了 2 9 1 8 缩短b c h 码对敏感度高 的线性预测和基音增益参数进行了保护 但是由于该纠错码保护能力有限 在信道恶劣的情况下 出错和译码错误概率的增加对重建语音帧造成了很大 伤害 具体表现为短促的 嚓嚓 声和 哗哗 声 这是目前系统在语音质 量方面很严重的问题 3 时延 算法时延为2 0 m s 即以2 0 m s 的采样数据编码为一帧 显然 该时延与 s c d m a 系统的1 0 m s 发送和接收时延不匹配 因此 系统将2 0 m s 编码帧分 为奇数帧与偶数帧与空中接口帧对应 这样一来 除了由于空中信道的不可 靠而增加坏帧概率以外 还增加了实现复杂度 4 实现复杂度 目前语音编码器的算法是比较复杂的q c e l p 算法 在s c d m a 系统的 基站和终端设备中 以在1 1 的c 5 4 1 6 d s p 上实现为例 复杂度为 程序r a m 5 5 k w o r d s 数据r a m 1 0 k w o r d s 运算量 加杈实现 4 计辣冲激饷应 趣权合成滤波嚣戆w z y 量g 懿冷激稳应h 魏 梭蘑予色逶应码本窝毽定 码本的搜索 5 耋卡舞嚣器继号 邋过台戏滤波器l 盖 和螺投滤波器簧舅嚣黪缝合r 对堙残麓售号 r n 进行滤波 可计算如愿于臼适应娼本搜索的目标信号矢量x n 6 自涟应碣本搜索 囊逶应弱本参数 又禳基音参数 楚指对应于确定延避穗瑶蠢戆标号 每 一子巾贲的目标信号x n 和加权合成滤波器的冲激响应都计算出来后 围绕着 薄盎予开环蒸音惩遮毽诗一3 或 秘验豢弓 在第一予蒺避行阙舔鸯遥艨鹳本 搜索 在 1 9 妻 8 4 匀的范围臻1 3 分数样点分辨率 在8 5 一1 4 3 的范匿耀整数 样点分辨率 这秘分辫率的选撵使性熊和比特率鸯较好的折衷 第一孑帻的 自适应谒本褐本延迟的熬数部分被定义为t 1 在篇二子帧中 1 3 分数样点 分漤攀被溺 j r r l 5 专 t 1 4 刍鹣莲爨 每5 m s 孑蛱避行一次筏最曩 燕蔽均方差f 艇s 萎 瓣蘑环分橱 寒确定跫遨 西南交通大学硕士硒究生学位论文第1 6 页 在第一子帧 围绕开环基音延迟 t 搜索小区域 6 样点 范围内的值 在第二 予梭 围绕第一 孑赖选中熬延迟t l 进行淹环自遥应码本搜索 扶丽找到最 佳延迟t 2 闭环援索的准则是使原始语音和重建语音之澍的勰权均方差 m s e 最 小 一旦确定了綦音周期 就可以通过对过去激励信号 b 在给定的整数錾 音周期女和分数鐾音周期t 进行插值两计算出自适应码本矢量v n 第一子帧的蜒音周期五编码为8 比特 第二予帧的相对基音周期t 编码 为5 眈季等 分数基音瘸麓t 国它豹整数部分i n t t s 分数部分 f r a c 3 a c 一1 0 1 表示 基音周期索引p 1 按以下规则编码 p l 3 i 1 9 舡一1 矿7 j2 1 9 一8 5 肛 1 0 1 2 1 1 i n t t 1 一8 5 1 9 7 i f 五 f 8 6 1 4 3 a c 一0 第二尹帧的蒺音厨期 的使相对于第一子蜮戆基音周期置缡码 使1 鞠 前述相同的内插方法 分数基音周期l 由它的熬数部分i n t t 和分数部分 a c 3 秀僦 一1 0 1 表示 其编码筑羯如下 p 2 3 i n t tj t f r a c 2 2 1 2 为了镁编码瓣薅随祝误鹃有更强的毽壮往 对第一子帧翡基音髑籁互静 索引p l 设资了一 个校验比特p o 对j p l 的6 个高位比特进行异或运算 就得 到了p o 在解码端 这个校验比特羹新被计算 如果重新计算的结槊与传输 后数值不楗符 就会调用一个坏帧聪藏过程 一旦确定自适应码本标号 可按下式计算自适应码本增益 g 石 砟 h o y n 0 s g 墨1 2 2 1 3 其中茗和 是麓标信号 y 0 是鸯适应褐本矢羹f v 缸 通过加权合成滤波器 形如 j z 的零状态响应 由以下卷积公式计算 y 1 y v 0 讳 2 一i 月 o 3 9 2 1 4 怠 7 固定码本的结构和搜索 潮定璐搴携设诗基 哥一静采露交织单歉冲篓 残熬代数码本菇穆 每令玛 o2 3 一 0孵k 尹 枣一 曲 甜 v 岛 麓 2 每k k 曲 f o 骋 拜 一 玲 孓岛朝 摊 撑 西南交通大学硕士研究生学位论文繁17 磺 本矢量包括四个非零脉冲 表2 1 给出了这些脉冲的幅度 l 或 1 和位置 荠蹋这个表绘出盼比特分配进抒独立编码 表2 1 同定码本结构 拣津符号位置 l i 0 s o 1 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 s1 i 1 s 1 1 1 6 1 1 1 6 2 1 2 6 3 1 3 6l i 2 s 2 1 2 7 t 2 1 7 2 2 2 7 3 2 3 7i i 3 s 3 1 3 8 1 3 1 8 2 3 2 8 3 3 3 8l 4 9 1 4 1 9 2 4 2 9 3 4 3 擘i 码本矢量c n j 按以下方式构建 先取一个4 0 维的0 矢量 然后将四个单 位歇冲放在找到的位置 黪将它们乘以枢应的符号 c n 一s 6 h m s 6 n m s z 6 n m s 3 6 n m n 0 3 9 2 1 5 其中6 o 是蕈位踩挣 选中懿鹦本矢鬟要透过一个能增强谐波分量匏囊 适 i 预滤波器尸 z 以提高重建语音的质量 预滤波器由f 式给出 p z 矿红一芦z 一7 2 一1 6 其中r 是当静子帧的基音周期的整数部分 芦是基音增益 声的值随l f 帧的舀适应码本的蕊化增蓣变化 筘 害争一1 b o u n d e d b y 0 2 s 移s 0 8 2 1 7 砖于式 2 一1 5 踬示懿薅本c 擐 如果基音延送小于4 0 裁霈对其送 亍掺 币 i 司时修 f 冲激响应 强定礴本的羧索器刚是後燕投输入语音s wn 与麴较重建语音之闷静均 方误差最小 假设c 是第k 个固定码本矢量 则使下式的值最大的码本矢爨 就是固定码本搜索的目标 3 9 2 蔓 盈竖型沼 e 女c 圣c 女 其中 t 代表矩阵的转置 在搜索码本之前就要计算信号d n 与矩阵m 篮褥注意豹是 只有实际需要静元素力 需蘩计算 丽量设计了一个离散懿存 储过程来加速搜索的速度 由于一个代数结构的码本矢蕊只包含有4 个非零 脉冲 因此可以对其进行快速搜索 为了简化搜索过程 脉冲的幅度通过挞化信号d n 预先决定 这是通过 将在某一位霄卜 的脉冲的幅度没为与d n 在那个位置的符号相闻来实观的 默冲i o i 鲍位爱分别j j3 毙特编码 不斡位霆眉4 比特编码 每个脓 西南交通大掌硬士硪交生学位论文第 8 页 冲的幅度用1 比特编码 这样 4 个脉冲总必用了1 7e e 特编码 如果符号熄 疆 簋 定义s 1 魏采符号是受僵 定义s 一0 簿号码字国下式褥到 s s o 2 s l 4 s 2 8 s j 2 1 9 固定鹳本码字出下式得到 c b s 8 k 5 6 4 融 5 5 1 2 2 如 5 十弦 2 2 0 如果m t3 8 3 8 剿豇 0 如果 t4 9 3 9 娜豇m 1 8 增鼗曩键 翻适应码本增益与固定码本增益是被量化为7 比特的矢量 增益码本搜 索是道过最4 讫爨始语音稼号与霪建添音镶晕之麓的均方麓束实瑷酶 e x l x g y f y g z 1z 一2 9 x y 一2 9 一z 2 9 g y 1 z t 2 2 1 其中x 怒目标矢量 y 是式f 2 t 4 c 扣自适应码本矢量邋过加权合成滤波器 的零状态确藏 o 怒固定弱本矢嚣与剜一瀚脊积 每 芗e 0 弦囊一i 一 o 3 9 2 2 2 嬲 瓣定羁零密签西以表示为 g yg 2 2 3 其中g 是基予骧羲蕊露定鹳本链 鬟羲预测增盏 楚校齐系数 囊适应 码本增益譬 和校正系数y 是使用两级共轭结构码本量化的矢量 共轭 是 据每一个输入矢量被量纯为两个码本豹线霞合成 这种结构弼辩减少了计算 的复杂程度耜存储爨的要求 第一级包含一 个3 比特的二维码本f 第二级 包含 个4 比特的二维码本g 每个码本的篇一个元素代表了鬣化的翻适应 码本增益季 第二个元豢代表羹他的固定鼹本增益校正系数 在分剐给定 码本f 和o 的索引i 和f 时 爨化的自适应码本增益由下式给出 霉 最簪r j g 霉 j 2 2 4 量化阉定码本增益由下式给出 窖 g g 溉 岛 劳 2 2 5 这秘共鞭结孝句通过馊餍预选过程矮简化了码本搜索 舔礞遮所瑁的最佳 臼适应增益g 和耐定码率增益骞 是从式 2 2 1 中继承得到的 粥本f 镪含了 8 个弱字 獒中第二个元素 捆应子g 一般逝筵一个元素 镶鏖于g 的 值要犬 这个偏移允许使用g 的值束进行预选 在这 预选过程中 篇二个 庀豢接近g 静罂个矢量簸选出 类觳地 羁本g 魁含l 鑫令玛警 其镶移豢 嚣夔交蘧大学琰童聚灸生攀鼗毒仑文繁19 凌 商第一个元素 稳应予g 个第 个元素接廷g 酌一事矢量簸迷密 闲 她 对予骜个码本 选出了5 0 戆最佳镁选矢量 然矮进行缎是对剩余的4 8 2 3 2 种可能性进行完全搜索 由此两个矢量的组合使得式 2 2 i 的加权均 方浚差最小 这一羲选过程在没有弓l 入褪瓣于完全搜索骞明晨质量降低约睹 况下减少了搜索的复杂度 臼适应弼本与圈定码本燕使用迭代方法离线训练 载褥到懿 这辨方洼在挠纯其中一令鹳本露傻冀一个缳持固定 9 滤波器存储变蓬更颥 合成滤波器积如投滤波器麴状态篱簧燹凝以便计簿下一予枣吏的疆标信 号 在将黼个增益量化之后 警藤予帧的激励信号n n 可隧佼掰下式计算 雪 v j 营 c n j n 一0 一 3 9 2 2 6 其中 圣 茅 l 枣 分疑是量纯后酶泰逶应灞本帮露定疆本静瑷益 v 嚣 是惫 适应码本矢量 对前面激励信号插值后 c h 魁包含了谐波增强的阐定码本 灾羹 将激励信号逶过夥羹 z 可瑷计葵慰本逸熏建谮音信号 章 滤波嚣 相应予输入 一 一 n 的输出等同于 0 s 一j 一 所以 合成滤波器1 a z 瓣揍态出g 蕊 馥 3 9 给宣 密漠燕信号g 妊 避过滤渡器a 影 a 舀r 2 j 町以得到感知加权误熬e w 仁 然而 信号口 n 也可以从下式得出 气耘j x 谤 一岔 y 摊 一霉 o 秘j 2 2 7 由于信号并b y 如x 2 都是可用的 加权滤波器的状态可以按式 2 2 7 计 霪o 0 慕更款 这节约了嚣个滤波爨的运簿 2 2 2 2g 7 2 9 解码嚣概述 解码器原理见图2 9 酋先从恢爱的比特流中提敷出参数索弓l 对这些 索零 遂行蘸羁得爨裙斑予l o r e s 语警梭鳇缡玛器参数 毽括l s p 系数 蘸个 分数基音周期 两个嘲定码本向量以及两套自适应码本和固定码本增益 每 兮予稹翡l s p 系数经晦捶蟊转换兔毛p 滤波器系数 然霜对每今5 m s 予犊聚 取下列步骤 j 斑码枣 t 幽2 9c s a c e l p 解弼器原理 耋建激髓 褥囊适应鹦奉自蒸穗霆定璐本蠢慧分爱慕戥各爨熬增盏禹 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 相加得到 将激励信号通过l p 合成滤波器后缛到重建添音 重建的语音再通过一个后处理阶段 这个阶段包括一个基于长时和短 时合成滤波嚣的后滤波器 后接一个高通滤波器 然后经过定标霪到输出语 音 1 长霹后滤波器 长时后滤波嚣 f 式给出 z 2 熹蠹1 0 5 9 t z r c z 猫 其中t 足摹奇周期 g 是增益系数 注意g 的上限是1 而h 它不袭 王楚密缀强静涮甥携时被漫为0 系数0 5 控制长时后滤波静比重 长时基爵 延迟与增益是由搏语音 如 通过短时岳滤波器的分子 t z i r 得到的残差信 号中德到的 2 域时后滤波器 短时后滤波嚣由f 式给出 峨 一言铡 言麓筹 沼 其中 z 怒收到的量化线性预测 l p 滤波器系数 系数y 和y 控制短时后滤 波器的作弼大小 丽置设置y o 5 5 y 0 7 这些值鼹使用单编鹳和多编 码遴过大茧的非形式听力溅试得警豹 增豢g 是飘滤波器二b y i a z l j 鲢截断冲激蟠应 b 得到鲍 并由下式绘浅 g 一 臃 b 2 3 0 据发现 这种增益的规范化有助于减小中间信号的动态范围 值得注意 的凳一个全面的蹭益控箭过程仍被璃柬保证重建语音稻经过君滤渡器的语音 信号 鼹有同样的信号量级 3 倾斜补偿滤波器 滤波器h 2 对短时滤波器拄 如 的倾斜作出於偿 并出下式绘出 垦塞塞塑奎堂壁圭望塞釜兰堡婆壅 篁 墅茎 只 2 高 即 2 i s t 其中r k t 避倾斜系数 k 是从 r 仁 计算得出的第一个反射系数 f e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t 诗翼公式如下 夸一揣 捌 1 酗9 i 油力瑚 沼捌 攥蓥藤分器i k 露j 挺供了据 毫 掰燕嚣增益靛范亿 据发现 产生结攫 鹩滤波器嚣 扛 秘辩 f 2 般具有穗礴鲢增益 y 使用静鲻个僮藏赖于妃的符 号 如果k 是负数则y 一o 9 如果k l 是正数 相应于二频谱具有大量的高频 麓甏 鲻y o 2 避免按f 来鹩诋逶滤波对频谱滤影确 4 自逛应增靛控制 馥透应增益控剩用柬补偿羹建语酱信号l n 和经过后滤波嚣的信号 k j 之瞄的差肄 当翦予帧蛉壤盏修歪系数g 出下式跨舞 强y 艺 0 9 o l i i 2 3 3 式中绝对馥之鞍强是慧号能爨熊大约话诗 毽爨发瑰 因为霄固帮舒对中 等信号的修正 这样的大约估计是一个很好的拆衰 经过增益修正后滤波黪 的信号 如 由下式给出 0 g h 矬 撙 e 3 9 其中g 是敬以下式逐点谶新 g 和j o 9 8 7 5 9 一 0 0 1 2 5 g 撑 氓 3 9 2 3g 7 2 9 a 篱余 2 3 4 2 3 5 g 7 2 9 建议韵黼录a 筒称g 7 2 9 a 描述了簿低g 7 2 9 复杂度的谣音编 妈器舞 法 g 7 2 9 a 与g 7 2 9 具鸯完全辎鼹的比特定义 g 7 2 9 a 龄复杂壤降低 了近5 0 憾语音质量只比g 7 2 9 有非常轻微的降低 2 3 1g 7 2 9 a 算法 柳比g 7 2 9 完全舨本酌算法 g 7 2 9 a 在感知加权滤波嚣 玎环基音分析 酉鸯交通犬学硕士聚究生学位论文繁2 2 熨 自适应和固定码本搜索等方面进行了简化 大大降低了实现复杂度 这早对 其钵篱仡的算法透行搐述 1 感知加权滤波器中改用量化后的l p 滤波器参数 并将感知加权滤波器 修正为 舻 z j z l j z r 其中r 0 7 5 是定值 这就简化了计算冲激响 应 目标信号和更新滤波器状念的大爨运算 以及g 7 2 9 为提涛具有乎坦响 应的信号的性能而采用的自适应确定y 的计算过程 对于这样的信号 g 7 2 9 a 缒性能晓g 7 2 9 硝差 2 开环撼音分析中计算加权语音的相关时 有两处计算进行了简化 爱求自提关时 c t 7 2 9 a 不再逐点计算 两只计薄偶数摘样时刻豹样值 二是 在 8 0 1 4 3 中寻找基音时 第 步只计算偶数延迟时刻的值 然后再对找出的 延迟值的 1 偏移时亥8 进行测试 3 自适应码本的搜索得到简化 只是搜索以藏的激励鄱后向滤波后的蛙 标信号的相关最大值 不涉及滤波后的过去激励的熊量 4 固定代数玛本的搜索褥裂麓化 采用迭l 弋第 深发瓣搜索方法蘩代嵌 套循环的搜索方法 原搜索方法在最坏情况f 的搜索范围为1 4 4 0 个矢量 脉 冲位鼹蓑 列数 占整个矢量空麓 2 令 的1 7 5 g 7 2 9 a 采用静疆索方 法最多只搜索3 2 0 个矢量 占憋个的3 9 对固定码本搜索算法的简化大 约占整个海低复杂度贡献的5 0 约5 m t p s 丽只损害了语音旗量约o 2 d b 的s n r 1 1 l 5 在解码器中 长时后滤波器只在 t c t 3 t c l 3 1 搜索整数时延 托f 是当 藏予帧基音周期的整数部分 该部分的筮化降低了约i m p s 的葵法复杂度 2 3 2g 7 2 9 a 的性能 以下从c t 7 2 9 a 的实现复杂度和语音质量方面比较其与g 7 2 9 的性熊 2 3 2 1g 7 2 9 a 复杂度 为了对g 7 2 9 a 降低复杂度有一令定量的认识 下表给出了在t m s 3 2 0 c 5 0 实现两种算法时各编解码处理模块占用的m i p s 1 2 比较 最大情况 2 3 2 2g 7 2 9 a 语音质量 嘲际 多家机构都对g 7 2 9 a 编解码的语音质量进行了测试 测试条件 莲窝交遘文攀磷士骚受璧学黎论文纂囊3 黉 表2 2t m s 3 2 0c 5 0 上实现g 7 2 9 及g 7 2 9 a 的复杂度比鞍 m i p s l 鲢数 缝褥器 g 琵9娃7 蛰a 蠹数 瓣辩爨 7 2 9鑫7 2 9 a 预姓避 0 2 2 60 2 2 6 解码主函数 1 1 3 31 1 3 3 t p 分辑及鬟纯 3 湛勰3 2 5 9 基滤波器 2 5 3 9l 0 基裔分褥 5 0 1 62 7 3 2 焉巯壤 0 2 6 60 2 6 6 代数弼率搜索 8 4 0 63 0 4 6 墙蘸炙燕鼙镪 e 6 4 3o 6 4 3 其他 0 2 7 80 1 1 2 蕊计 1 8 3 7 71 0 0 1 9 恿诗 3 奎3 82 3 9 9 包稽戬下三种情况 与娃7 2 9 的互连时 有背景噪声存在时 有信道谍码及 犊隐藏霹 棂握文簸秘2 l 实验缝襞表饕 器3 2 k b p s 疑g 7 2 6 为参考 g 7 2 9 a 与g 7 2 9 的各种编懈码甄涟组台的性能与之相当 7 2 9 a 与g 7 2 9 的所有谢 缓缀袋壤台骢语蠢麓藿褰予3 2 k b p s 翦g 7 2 6 麓嚣鬣缀袋 在育瀵声 误薅及 帧隐域时 g 7 2 9 a g 7 2 9 以及它们的各弛互连组台的语蛮质量都没密区剐 蕊乏 g 7 2 9 a 髓语音质霎 强育霉鬻轻微鼹降低 它每g 7 2 9 在绝大多数 憾况1 f 戆语誊质量榴当 2 4 小缝 本搴主装参考鞭馨 善建议 奔露了c t 7 2 9 声醛懿翳漂疆 褥瑟是该声羁 器采用的线性预测和矢燮爨化谶蠹信号处理技术及编码器 解码嚣主要模块 并薅箕麓纯敝本翡 7 2 9 a 葵漆豹链鬻帮蒋点进行了简奔 这鼹论文霜续工 佟黪蒸础 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第3 章g 7 2 9 a 算法在c 5 4 x 上的实现及优化 g 7 2 9 a 算法是g 7 2 9 建议的完全版算法的简化 算法复杂度降低了近5 0 而语音质量只有轻微的下降 g 7 2 9 a 与g 7 2 9 的比特定义完全相同 二 者在比特级具套宠全的夏操传性 殿越 s c d 殛a 系统实际采瘸了g 7 2 9 a 佟 为实现声码器的算法 美国罩i 公司的t 醚s 3 2 0 c 5 4 x 数字信号处理芯片其誊m i p s 高和功耗低的 优势 是j 旺线通信系统理想的设备 其省电管理模式特别适合手持机使用 并且拥有足够的r o m 空间将整个算法集成在片内 因此 s c d m a 系统选 用了该系列芯片作为实现g 7 2 9 声码器的平台 i t u t 提供了适于在定点d s p 上实现g 7 2 9 声码器的标准c 程序 但是 该程序在c 5 4 x 一 壹接绫译嚣代码天法满足实对榷要求 毽 鞋 霾娶将该e 程序改写为汇编代码并进行优化 本章完成了这部分工作 并对在c 5 4 x 上 实璜对霉要注意斡润题逡行了憨结 3 1 数字信号处理器简介 数字信号处理器是专门进行数字信号处理运算的微处理器 由于它体积 小 功耗低 运算速度挟 在进去十足年里褥到了非常快速抟发展 特别是 在以移动电话为代表的各种通信系统的设备中获得了广泛的应用 以下首先 套绍数字信号楚理嚣的特点 1 哈佛结构 眙佛结构是不同子溺一诺依曼 v o nn e u m a n 结构的并行体系绍构 其 主要特点是程序和数据拥有独立的存储空间 即程序存馕器和数据存健器 每个存储器拥有各自的燎址和数据总线 这种结构使得处理指令和数据能够 同时进行 为了进一步提凌运行速度裁灵活性 c 5 4 x 采震了改遴豹啥锑结构 与基本哈佛结构相比 改进结构允许数据存放在程序存储器中 并被算术运 算指令壹接使矮 二是将指令存嵇在裔速缓冲器 c a c h e 中 警执幸亍这些指 令时 不需要再从存储器中读取 从丽节省了一个指令周期 2 流水线 计算机在执行指令时 总要经过取指 译码 访问数据 执行等几个步 西南交通太学硕士研究嫩学位论文第2 5 页 骤 滚要若干个攒令露瓣君驻完成 d s p 大多采爝了滚东线缝擒 这释筵鞠 将各指令的执行时间重蹙起来 如图3 1 所示的三级流水线操作中 在某个 撂令灞麓蠹 三条不羁熬螽令郝链予激活菰态 襁每条撩令都处于不鼹静鼢 段 例如 在第n 条指令取指时 第n 1 条指令正在译妈 第n 2 个指令疆 在执行 习 厂 厂 厂 戢糖 一 兰 一 翌 一 竺一 一 译粥 i 一 坠 一 一 燮 一 执扦 一 i 生 k p i 菡3 1流永线承意图 实际上 啥佛鲢梅为涟承线技术掇供了缀大方便 滋水线题d s p 戆一个 菲常煎要的特点 但是宦很难垒速运行 流水线编程是d s p 的特色 同时也 是难熹 套俄豫钱玛穗会对这一辩分愆蘧避行枣终 3 专门的硬件 森数字穗号缝疆算法孛 黎法窝累燕爨蒺奉黪大量靛运算 镄翔 在数 字滤波 f i r i i r 卷积 相关 快速傅立叶变换等算法中 都有大撼形如 l 运算 为此 d s p 中 殳置了硬件獭法器 累加器和m a c 乘 法并辩加 一类的指令 取两个操作数到乘法器中相乘并将结聚加到累加器 中的搽终往往霹班在萃个指令塌矮走突残 c 5 4 x 述专门为无线通信系统中常用的维特比译码设计了硬件加速器 有 缝毫蘧完袋缭特魄译璐孛察蔼辩逝较 逸择 存裱搽箨熬疆孛 荤元c s s u 4 优化的指令系统 d s p 豹指令系统豁霪要特点怒吸彀了精简指令燕r i s c r e d u c e d i n s t r u c t i o n ss e tc o m p u t e r 的优点 搬令用期短掰煺则 且大部分指令是单 桶期指令 遮种指令系统的设计为保证流水线的高速运行创造了条件 而通 鼹处理爨鹣攒令爨鞭变纯灌墨缀大 不适合处理实瓣饪务 墩嚣个数髂定点 乘法逡算为例 在d s p 中可以在单个措令周期内完成 而通用处理器大概需 要1 3 4 1 6 0 个褪器瘸麓 t 6 1 每种d s p 芯片部有对应其硬件结构和特点的特殊指令 除了对应予乘法 西南交通大学硕士研究虫学位论文笫2 6 页 器的乘趣 m a c 等指令辨 c 5 4 x 中还煮针对f i r 计箨筋指令f i r s 毙较 指令m a x m i n 条件执行指令x c 求蠛小均方值的指令l m s 以及一嬷 并嚣技行舞令等等 3 2t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 简介 s c d m a 系统采用c 5 4 xd s p 芯片作为实现声码器的设各 为此 本节 分缨该系列蕊片豁关键耱性 特爨是与算法实现蠢关戆c p u 穗攥令系统 1 c p u 1 7 1 彳并行暴法器及 个专用豹4 0 寝热法器 用于究成单鼹期的 乘 累加 m a c 运算 一一4 条内鄢蕊线 镪括3 个1 6 使的数据存储器总线和1 个程序存储器 总线 可以在 个对钟周期内完成对数据存储器 蹑读 写 的访闯 援上 从程序空间取指令 同一个周期可完成对所有4 个存储空间的访问 两个避蟪发生嚣 包括8 令辅璐毒移器鸯辫个骥勃寄存器算寒单元 比较 选择和存储单元 c s s u 用于维特比译码操作 拯数装强嚣 羯予肇爝潮蠹诗薄绱经累翻器翡辫数值 两个4 0 饺的a l u 包括4 0 位的撼形移位器和2 个4 0 位累加器 2 指令系统 一一单指令重复或块重复操俸指令 3 2 位长撵作数指令 露对读取2 个或慰3 个撵锋数遂行操作熬指令 并行存储和读入的算术指令 一一条f f 串存耱指令 具有延迟转移和调用揩令 3 存衡器系统及其絮 一一具有1 9 2 k 字的诳寻址空闯 r 的最小整数 侧如 3 l 字豹循环存储区蒸地蟪的最低5 比特必须为o 即 x x x x x x x x x x x o 0 0 0 0 2 b k 孛存入篮3 l 镶臻寻蛙必须瀵怒默下规戴 循环存储区的最低她址放在2 n 边界上 2 n 大于缓冲区大小 捷臻一个小予或等予缓羚区大枣鳇步辖寒寻蛙 当第一次寻址时 辅助寄存器必须指向缓冲区巾的一个元豢 如 4 矗翼3 牛妫 实现循环存储区的关键是实现循环寻址 循环寻址算法为 b k 为循环 存储嚣大小寄存器 如果0 索g 步幅 b k 索g l 索s l 步摇 否则如果索引 步幅 b k 索引m 索引 疹幅一b k 西瑙鲻象索引 步蠛 一o 索g 索 l 疹堰 b k 一般都用寄存器a r 0 来存储步幅使 循环寻址的句法为 a r x 妻 交示存取a r x 蔽撵麓撼墟戆霞 存敬雏隶螽 a r x 游疆按照禧嚣 寻址模式加1 或减1 a r x 毫0 表示存取a r x 所措韵地址韵氆 存取结束描 a r x 的值按照循环 寻 e 模式加上或减去a r 0 憋馕 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 c 源鹳中每次处理完一椟数据g 尊 会对三个数组o l ds p e e c h h o l dw s p h o l d e x c 进行类似先进先出的向前挪动操作 代码如下 语句中的全大写字母 雩聋号是定义能鬻羹 c 与汇编中帮便麓瘸葡的誊燕名 以后不再单独说明 c o p y o l d s p e e c h 肛f r a m e o l ds p e e c h o l l t o t a l l f r a m e c o p y o l dw s p lf r a m e o l dw s p o p i tm a x c o p y o l d f x c l f r a m e o t de x c l o p i tm a x li n t e r p o l 如果将这些数组设计成循环存储区结构 则可以省去每帧的数据搬移 在算法中涉及翻爝指针对这样麴循环存鼹区操俸时 要注意设疆b k 瓣值 例3 2 给出了在汇编中改写的循环存储区结构 例3 2 在i s t a t i c a s m 中如下的安排 c o d i d 8 ao l ds p e e c h u s e c f z s t a t i c0l t o t a l 1 j c o d l d 8 ao l d s p e e c h e n d u s e c f s t a t l c 乞2 c o d l d 8 al s po l d q u s e c t l s t a t i c0m q u a j g a i n p a s tq u ae n u s e c t s t a t i c 霉 2 4 0 2 1 0 4 2 5 6 c o dl d 8 a o l d w s p u s e c l l s t a t i cel f r a m e p i t m a x j j c o d l d s a o l dw s p e n d u s e c t s t a t i c03 c o d l d s a m e m w o u s e c t l s t a t i c0m c o d l d 8 am e r e w u s e c t s t a t i c0m c o d l d 8 a l s p o t a u s e c t l s t a t i c0m 8 0 1 4 3 3 3 0 2 5 6 c o d l d s ao l d e x c u s e c t l s t a t i c 二l f r a m e p i tm a x l i n t e r p o l 1 j 在c m d 文 牛中将l s t a t l c 段的起始地址定义在2 5 6 豹整数髂的逡蛙 l s t a t i c d a s r a m 4a l i g n 2 5 6 p a g e1 碍冤 数