【文章內(nèi)容簡介】 ()of ()Sk19 / 45處理。（2） LPC 分析部分預(yù)處理之后的信號 送入 LPC 分析部分，以便進(jìn)行線性預(yù)測分析參數(shù)()Sk的提取。這部分包括五個子處理器：分幀、自相關(guān)、Schur 遞歸、反射系數(shù)映射至對數(shù)面積比變換以及對數(shù)面積比的量化編碼。1．分幀語音信號 被分割為不交疊的幀來進(jìn)行處理。每幀長度為 ，()Sk 02Tms?含有 160 個樣本。然后，按幀進(jìn)行 8 階 LPC 分析。2．自相關(guān)編碼器采用自相關(guān)法求解 LPC 參數(shù)，由信號 求出自相關(guān)值 。()Sk()ACFk3．Schur 遞歸采用 Schur 遞歸法求解線性方程組，從而由自相關(guān)值 求出反射系()k數(shù) 。在這里，反射系數(shù)就是線性濾波器的參數(shù)。()ri4．反射系數(shù)至對數(shù)面積比的映射研究表明，反射系數(shù)是一組穩(wěn)定的參數(shù)，有 ，但其分布極不均勻。()1ri?為了按合理的方式配置固定的量化比特，對其進(jìn)行變換，變換后的參數(shù)稱為對數(shù)面積比。對數(shù)面積比 具有相當(dāng)均勻的幅度分布，而且參數(shù)之間的()LARi相關(guān)性很小，這對于數(shù)字傳輸十分有利。當(dāng)采用這組參數(shù)時，每個對數(shù)面積比只需要 5 至 6bit，即可保證一定的語音質(zhì)量。5．LAR 量化與編碼每個對數(shù)面積比參數(shù) 具有不同的動態(tài)范圍與分布密度，因而在量()LARi20 / 45化時取值范圍也是不相同的。 表示 量化和整數(shù)編碼后的值。()CLARi()i作為參數(shù)發(fā)送給解碼器，同時又送給下一部分，作短時分析濾波用。()CLARi（3）短時分析濾波語音信號的當(dāng)前幀樣本一直保存再存儲器中直到完成 LPC 參數(shù) 的()LARi計算。然后這些樣本被讀出并送到八階短時分析濾波器中。濾波器系數(shù)是前一階段 LPC 分析所得到的 經(jīng)過解碼、插值及反變換求出來的。濾波()CLARi結(jié)果是 160 個樣本的短時殘差信號。1．量化對數(shù)面積比的解碼這一模塊就是將已量化編碼的對數(shù)面積比參數(shù)解碼還原成抽樣值 。39。()LARi2．對數(shù)面積比插值為了使處理后語音信號各幀之間能夠平滑地銜接，需要對恢復(fù)后的預(yù)測參數(shù)進(jìn)行線性插值，這涉及到相鄰兩幀的參數(shù)。經(jīng)過插值處理后參數(shù)為。39。()LARi3．對數(shù)面積比至反射系數(shù)的映射將 經(jīng)反變換后可以確定反射系數(shù) 。 39。()i 39。()ri（4）長時預(yù)測一般來說，經(jīng)過短時預(yù)測就可以了。但是，在 RPELTP 技術(shù)中，又進(jìn)行一次長時預(yù)測，短時分析濾波器輸出的短時殘差信號 再這里作長期預(yù)測()dk（LPT）處理，進(jìn)一步去除冗余度，達(dá)到最優(yōu)化，降低編碼速率。在這里，處理是按子幀進(jìn)行的，每個幀分為四個子幀，每個子幀含 40 個樣本。在每個子幀中對長時分析濾波器的參數(shù) LTP 滯后和 LTP 增益進(jìn)行估值和更新。21 / 45（5）規(guī)則脈沖編碼長時余量信號 被送入這一部分進(jìn)行規(guī)則脈沖激勵序列的提取跟編碼，()ek此后的處理也是按子幀進(jìn)行。 首先經(jīng)過加權(quán)濾波，然后按 1：3 來抽取其()序列，將一個子幀分成四個子序列，每個子序列中含有 13 個樣本，其他樣本均作為零值。選擇 4 個子序列中能量最大的一個作為 RPE 脈沖序列，經(jīng)自適應(yīng) PCM(APCM)量化編碼后發(fā)送出去。選中的 RPE 格點位置 M 和子塊中的最大幅度 也被量化編碼并發(fā)送出去。上面的信息同時回送本地 RPE 解碼和maxX重建模塊以恢復(fù)長時余量信號 。 被反饋到長時預(yù)測部分，用來恢復(fù)39。()ek39。短時余量信號 。39。()dk1．加權(quán)濾波每個子幀的 40 個 樣本首先要通過加權(quán)濾波。加權(quán)濾波后的信號記()e為 。()xk2．RPE 網(wǎng)格位置選取濾波后的信號 進(jìn)行 1：3 抽取，每個子幀分成四個子序列，每個子()xk序列有 13 個樣本。由于在抽取位置上可以有四種不同的非零樣點序列，稱之為網(wǎng)格位置 M，將能量最大的子序列 的網(wǎng)格位置 M 用 2bit 量化為 。Mx c3．RPE 序列的 APCM 量化優(yōu)先選取能量最大的子序列 作為規(guī)則脈沖激勵（RPE）序列被量化，首先找到最大的非零點，將其用 6 比特編碼。再將 13 個非零樣點做歸一化處理，即最大樣值為 1，其他樣值均小于 1。將其用 APCM 編碼，每個樣值各用 3 比特編碼，共編 39 比特。這樣，預(yù)測誤差信號每 20ms 共編碼22 / 454（6+39 ） =180 比特。4．APCM 逆量化這個子塊將歸一化 RPE 樣本的量化值解碼，恢復(fù)子序列樣本。解碼過程中要用到最大值 。39。(),?， ， 39。max5．RPE 網(wǎng)絡(luò)位置恢復(fù)這個子塊根據(jù)已解碼的 RPE 樣本值 和最佳網(wǎng)格位置 來恢復(fù)長39。()micM時余量信號 。重構(gòu)的 被送回長時預(yù)測部分，以恢復(fù)短時余量信號39。()ek39。()ek。39。()dk綜上所述，編碼器輸入信號為每幀 160 個樣本，每個樣本是 13bit，所以每幀總比特數(shù)為 。經(jīng)過編碼處理后，每幀為 260bit。每幀中160328??編碼信息的比特分配見表 32。表 32 每幀比特分配參 數(shù) 數(shù)量 比特 / 參數(shù) 比 特 數(shù)L P C 系數(shù)L T P 增益L T P 滯后R P E 網(wǎng)格位置 M最大值R P E 樣本值()AijbjNmax合計844445 23 , 4 , 5 , 6272633 682 882 41 5 62 6 0 RPELTP 解碼器RPE 解碼器的原理圖見圖 33。解碼器包含四個部分：RPE 解碼、長時預(yù)測、短時合成濾波及后處理。其中大部分處理子塊在編碼器也要采用，前面23 / 45都已介紹過。只有短時合成濾波器和去加重濾波器是新的子塊。在圖 3－3 中，有關(guān)的量和參數(shù)都增加了下標(biāo) r，以區(qū)別于編碼器中相應(yīng)的量和參數(shù)。（1）RPE 解碼部分這部分包括 APCM 逆量化和 RPE 網(wǎng)格位置恢復(fù)，從接收到的信息 ，Mcr和 中恢復(fù)出長時余量信號 。maxcr()cri 39。()rekA P C M譯碼器插值L A R譯碼器去加重NZ?+ 參 數(shù)接 收 參 數(shù)信 號rccrbNLAR rsro39。re39。d39。rd譯碼預(yù)處理 長時預(yù)測 短時綜合濾波 后處理L T P 參數(shù)譯碼器R P E 網(wǎng)格位置恢復(fù)maxr 39。rb39。r39。r39。r39。r短時合成濾波器 1 / A ( z )反射系統(tǒng)圖 33 GSM 系統(tǒng)的 RPELTP 解碼器原理框圖（2） 短時合成濾波部分長時預(yù)測部分重構(gòu)的長時余量信號 送給長時合成濾波器進(jìn)行處理以恢復(fù)短時余量39。()rek信號 供短時合成器使用。39。()rdk短時合成濾波器得系數(shù)從接收到的 經(jīng)過解碼、插值、求反射系數(shù)()crLARi等子塊處理后得到的。它的輸入為短時余量信號 ，輸出為未加去加重的39。rdk合成語音信號 。()rsk（3） 后處理合成濾波器輸出信號 被送到 IIR 去加重濾波器進(jìn)行處理，恢復(fù)出原()rsk24 / 45來的語音信號 。0rs25 / 45第四章 IS96 系統(tǒng)中的語音編碼技術(shù) QCELP 概述 IS96 CDMA 系統(tǒng)語音編碼采用 QCELP 技術(shù)，即碼激勵線性預(yù)測的可變速率混合編碼技術(shù)。這種編碼技術(shù)以線性預(yù)測編碼為基礎(chǔ)，使用碼表矢量量化差值信號，算法基于碼激勵線性預(yù)測（CELP）的編碼模式。它的特點有：根據(jù)信號能量和背景噪音動態(tài)調(diào)整編碼速率，屬于變速率編碼，在基本不影響語音質(zhì)量的前提下，能夠明顯地降低數(shù)據(jù)的平均速率；自適應(yīng)碼本搜索采用開環(huán)基音分析與閉環(huán)搜索相結(jié)合的模型；固定碼本采用循環(huán)遞歸結(jié)構(gòu)，減少了碼本搜索的計算量和存儲空間。QCELP 語音壓縮編碼算法有 8k 和 13k 兩種，在這里主要討論在 IS96 中使用的 8k QCELP , 它的合成語音質(zhì)量沒有 13kQCELP 高，但平均速率低。8kQCLEP 對輸入的信號用 8kHz 采樣，16 比特線性 PCM 量化，每 20ms分為一個語音幀，每幀包括 160 個樣本點，對這些樣本點可以選擇以下四種速率中的任一種進(jìn)行編碼：全速率，1/2 速率、1/4 速率、1/8 速率。8kQCELP將每一幀又分為 LPC 子幀、基音子幀和固定碼本子幀，編碼速率不同，每幀中各子幀的數(shù)目、包含的樣本點及其參數(shù)編碼所占比特數(shù)也不相同。具體分配見表 41。8k QCELP 對每幀語音信號進(jìn)行分析，確定該幀的編碼速率，并提取各種參數(shù)（線性預(yù)測濾波器系數(shù)、基音延遲、基音預(yù)測增益、固定碼本索引（或隨機(jī)數(shù)種子）固定碼本增益） ，然后將這些參數(shù)打包發(fā)送出去。在解碼端，從接收到的比特流中恢復(fù)出各個參數(shù)，用固定碼本索引從固定碼本中得到固定碼矢（或用隨機(jī)數(shù)種子得到偽隨機(jī)矢量） ，乘以固定碼本增益得到激勵序列。26 / 45用基音參數(shù)構(gòu)成基音合成濾波器，用線性預(yù)測濾波器系數(shù)構(gòu)成 LPC 合成濾波器。激勵序列依次通過基音合成濾波器、LPC 合成濾波器計算出合成語音，最后用后置濾波器進(jìn)一步增強(qiáng)音質(zhì)。表 4－1 8k QCLEP 速率與各幀更新、所占比特的關(guān)系參 數(shù)全速率1 / 2 速率 1 / 4 速率 1 / 8 速率每個 L P C 子幀包含的樣本數(shù)1 1 1 1每幀的 L P C 子幀數(shù)每個 L P C 子幀參數(shù)編碼所占比特數(shù)每幀的基音子幀數(shù)每個基音子幀包含樣本數(shù)每個基音子幀參數(shù)編碼所占的比特數(shù)每幀的固定碼本子幀數(shù)每個固定碼本子幀包含的樣本數(shù)每個固定碼本子幀參數(shù)編碼所占比特數(shù)()A()p()cL1 6 0（ 2 0 m s )1 6 0（ 2 0 m s )1 6 0（ 2 0 m s )1 6 0（ 2 0 m s )4 0 2 0 1 01 0421 04 0( 5 m s )8 0( 1 0 m s )1 6 0( 2 0 m s )1 0 1 0 1 0 8 4 2 12 0( 2 . 5 m s )4 0( 5 m s )8 0( 1 0 m s )1 6 0( 2 0 m s )1 01 01 0 6 * * 1/8 速率用偽隨機(jī)激勵代替固定碼本， 6 比特包括 4 比特碼本種子和 2 比特碼本增益。 8k QCELP 編碼器 ??自適應(yīng)碼本固定碼本固定碼本搜索自適應(yīng)碼本搜索參數(shù)編碼知覺加權(quán)L P C 合成濾波器線性預(yù)測分析和量化插值預(yù)處理速率判決原始語音信號速率 1 / 8速率 1 / 4速率 1 / 2全速率 1L P C 參數(shù)發(fā)送比特流L P C 參數(shù)固定碼本參數(shù)基音參數(shù)L P C 參數(shù)pGc27 / 45圖 4－2 8k QCELP 編碼原理框圖8k QCELP 編碼器包括預(yù)處理、線性預(yù)測分析和量化、知覺加權(quán)、速率判決、自適應(yīng)碼本搜索、固定碼本搜索、編碼器的存儲器更新、空幀和參數(shù)格式化輸出等九個部分，其中每部分又包括若干處理過程。圖 4－2 給出了 8k QCELP 編碼器原理框圖。（1） 預(yù)處理輸入信號按 8kHz 抽樣后，將其分成許多 20ms（160 個樣本點）長的幀。預(yù)處理主要是對輸入信號幀去除直流分量和加窗。8k QCELP 速率判決算法用每幀樣本點的第一個自相關(guān)系數(shù)來估計該幀信號的能量。信號中的直流分量會使信號能量過大，導(dǎo)致速率判決算法失效。因此，需要去除輸入信號中的直流分量。8k QCELP 采用漢明窗，長度為 160 個樣本點，窗的中心位于每幀的第139 和第 140 個樣本點的中間。（2） 線性預(yù)測分析和量化8k QCELP 用 10 階線性預(yù)測（LPC）合成濾波器做短時分析，LPC 合成濾波器的傳輸函數(shù)為式（4－1）： （4－1）1()piiAzaz???10p?其中， 為短時線性預(yù)測誤差濾波器， 是1()piizz?? (,)ia?線性預(yù)測系數(shù)（LPC 系數(shù)） 。線性預(yù)測分析的目的就是求出 10 個 LPC 系數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成 LSP 參數(shù)，在 LSP 域內(nèi)進(jìn)行量化和內(nèi)插。（3） 知覺加權(quán) 知覺加權(quán)濾波器是基于量化 LPC 系數(shù)，其傳輸函數(shù)為式（4－2）：28 / 45 （4－2）101()/iiiiazAzW????????其中， 為線性預(yù)測誤差濾波器，LPC 參數(shù) 是由當(dāng)前子幀()Az? (,210)ia??內(nèi)插后的 LSP 參數(shù)轉(zhuǎn)換而來的，加權(quán)因子 。??（4） 速率判決8kQCELP 聲碼器有四種速率：全速率、1/2 速率、1/4 速率、1/8 速率。聲碼器利用速率判決算法（RDA，Rate Decision Algorithm）來選擇速率，即根據(jù)語音信號能量和背景噪聲動態(tài)地調(diào)整編碼速率，因而能夠在不犧牲話音質(zhì)量的前提下顯著地降低數(shù)據(jù)的平均速率。1．估計語音信號能量8kQCELP 聲碼器利用當(dāng)前第 幀輸入信號的第一個自相關(guān)系數(shù) 估計i (0)iR其能量。2．確定三個門限8k QCELP 聲碼器根據(jù)背景噪聲確定三個門限，每一幀數(shù)據(jù)速率判決之前都要更新這三個門限。當(dāng)前第 幀的背景噪聲電平 由式（4－3）估計：i iB （4－3）1 1min[(0),6,ax(.057,)]ii iiBR? ???其中，min(x,y,z)是取 x,y,z 中的最小值，max(x,y) 是取 x 和 y 的最大值