【正文】 號。用各基音子幀的基音延遲和基音預(yù)測增益構(gòu)成基音合成濾波器。?偽隨機向量發(fā)生器激勵碼本隨機數(shù)種子1 / 8 速率其它速率基音合成濾波器共振峰合成濾波器后置濾波器P F ( z )增益控制輸出語音()d()dpdynfp()dsn1/A?/Pz?Lb?，GI? (,20)ia??輸入?yún)?shù)圖 4－4 8k QCELP 解碼器框圖解碼器根據(jù)編碼速率從接收到的碼流中提取出 LSP 參數(shù)、基音延遲、基音預(yù)測增益、固定碼本索引（或隨機數(shù)種子）和固定碼本增益。經(jīng)過編碼處理后，全速率的數(shù)據(jù)包有 171bit（包括 160bit的參數(shù)和 11bit 效驗位） ，1/2 速率數(shù)據(jù)包有 80bit， 1/4 速率數(shù)據(jù)包有40bit，1/8 速率數(shù)據(jù)包有 16bit，相應(yīng)的速率分別為 、4kbit/s、2kbit/s和 。（9）參數(shù)格式化輸出4 0 ( b i t )1 0 1 0 1 01 01 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 02 0 ( b i t )1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 ( b i t )1 01 01 01 0 ( b i t )06L P C 子幀音調(diào)合成子幀碼表子幀L P C 子幀音調(diào)合成子幀碼表子幀L P C 子幀音調(diào)合成子幀碼表子幀L P C 子幀音調(diào)合成子幀碼表子幀共計 1 6 0 （ b i t )共計 8 0 ( b i t )共計 4 0 ( b i t )共計 1 6 ( b i t )（ a ) 對速率 1 的參數(shù)幀結(jié)構(gòu)（ b ) 對速率 1 / 2 的參數(shù)幀結(jié)構(gòu)（ c ) 對速率 1 / 4 的參數(shù)幀結(jié)構(gòu)（ d ) 對速率 1 / 8 的參數(shù)幀結(jié)構(gòu)圖 4－3 不同速率的參數(shù)幀結(jié)構(gòu)32 / 45得到量化后的 LSP 參數(shù)、基音預(yù)測參數(shù)、基音延遲、固定碼本索引（或碼本種子） 、固定碼本增益后，將這些參數(shù)合成一個參數(shù)幀。LPC 系數(shù)由前一幀未經(jīng)內(nèi)插的 LSP 參數(shù) 轉(zhuǎn)換而來，用于全部的 160 個樣本點?；魠?shù)使用前一幀最后一個基音子幀的參數(shù)。（8）空幀根據(jù)上層指令編碼器可以產(chǎn)生一個沒有任何數(shù)據(jù)的空數(shù)據(jù)包。固定碼本的搜索的目的就是在 和 的所有取值中找出最佳碼本索引 和增益IG*I*G固定碼本的搜索與自適應(yīng)碼本搜索相似，也采用 ABS 的方法尋找出最佳的碼本索引和增益，使用這些參數(shù)合成的語音信號與輸入語音信號之間的知覺加權(quán)誤差最小。為了減少計算量，8kQCELP 聲碼器中僅MCL??用了 個碼矢量。例如，全速率時固定碼本子幀長度(碼矢量維數(shù)) 為 20，則第一個碼矢量為cL，第二個碼矢量為 ，第0(),1,(9)c?? 1()27),(0,18)nc??三個碼矢量為 ，依此類推。最后編碼傳送的參數(shù)為碼本增益和隨機數(shù)種子。1/8 速率時，每幀只有一個有 160 個樣本點的固定碼本IG子幀，只需確定一個碼本索引和一個碼本增益。8kQCELP 采用中心削波的高斯隨機碼本?；粞舆t和基音預(yù)測增益每基音子幀更新一次。每一個基音子幀進行一次的自適應(yīng)碼本搜索。（5） 自適應(yīng)碼本搜索每一個語音幀都被分成了等長的基音子幀，根據(jù)表 4－1 可知，1/8 速率30 / 45沒有基音子幀，不同速率的基音子幀也不同。B: 若聲碼器被要求不能產(chǎn)生全速率的數(shù)據(jù)包，而根據(jù)速率判決確定為全速率，則它產(chǎn)生一個 1/2 速率的數(shù)據(jù)包。另外，速率判決還必須遵循以下的原則：A: 每一幀的速率只能比前一幀降低一階，即如果前一幀速率為速率 1，而當前幀的數(shù)據(jù)速率判決為 1/4 或 1/8 速率，則當前幀應(yīng)為 1/2 速率。如果背景噪聲電平 ，則按式(4－4)計算三個門限：160iB?29 / 45 （4－4）621 52 23()). .94i i ii i iTBB?????????如果背景噪聲電平 ，則按下式計算三個門限：160i? （4－5）21 72 23()) i ii i iTBB??????? ???3．根據(jù)信號能量和門限決定數(shù)據(jù)速率當前幀的語音信號能量由下式計算： （4－6）1590()()wmRs??其中 是當前幀加窗后的語音信號。如果編碼器沒有話音輸入，當編碼i器重新有話音輸入時，則背景噪聲要重新初始化。當前第 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。1．估計語音信號能量8kQCELP 聲碼器利用當前第 幀輸入信號的第一個自相關(guān)系數(shù) 估計i (0)iR其能量。??（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。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)進行量化和內(nèi)插。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。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。預(yù)處理主要是對輸入信號幀去除直流分量和加窗。圖 4－2 給出了 8k QCELP 編碼器原理框圖。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。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。8k QCELP 對每幀語音信號進行分析，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。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。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。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。()rsk（3） 后處理合成濾波器輸出信號 被送到 IIR 去加重濾波器進行處理，恢復(fù)出原()rsk24 / 45來的語音信號 。它的輸入為短時余量信號 ，輸出為未加去加重的39。39。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行處理以恢復(fù)短時余量39。r39。rb39。d39。()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。（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 。只有短時合成濾波器和去加重濾波器是新的子塊。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。每幀中160328??編碼信息的比特分配見表 32。()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 。()ek。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。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。39。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。將其用 APCM 編碼，每個樣值各用 3 比特編碼，共編 39 比特。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。()xk2．RPE 網(wǎng)格位置選取濾波后的信號 進行 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。()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。短時余量信號 。 被反饋到長時預(yù)測部分，用來恢復(fù)39。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。 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。在每個子幀中對長時分析濾波器的參數(shù) LTP 滯后和 LTP 增益進行估值和更新。但是，在 RPELTP 技術(shù)中，又進行一次長時預(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，進一步去除冗余度，達到最優(yōu)化，降低編碼速率。()i 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) 。經(jīng)過插值處理后參數(shù)為。39。濾波()CLARi結(jié)果是 160 個樣本的短時殘差信號。然后這些樣本被讀出并送到八階短時分析濾波器中。()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。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。對數(shù)面積比 具有相當均勻的幅度分布，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。()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。()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) 。然后，按幀進行 8 階 LPC 分析。1．分幀語音信號 被分割為不交疊的幀來進行處理。（2） LPC 分析部分預(yù)處理之后的信號 送入 LPC 分析部分，以便進行線性預(yù)測分析參數(shù)()Sk的提取。1．偏移補償輸入信號 通過一個陷波濾波器進行偏移補償，得到無偏移信號()oSk。預(yù)處理的目的是為了更好地進行 LPC 分析。eR P E 網(wǎng)格位置選擇39。dccS???39。加權(quán)濾波 器 H ( z )A P C M量化器39。b39。rN b39。圖 31 給出了編碼器的原理框圖。編碼處理是按幀進行的，每幀 20ms，含 160 個語音樣本，編碼后為 260bit 的編碼塊。SID 幀是在語音段結(jié)束時發(fā)射的，接收機根據(jù)收到的 SID 幀中的信號在無聲段時間內(nèi)插入舒適噪聲。在有聲段，進行語音編碼，產(chǎn)生編碼語音幀；在無聲段，對背景噪聲進行估計，產(chǎn)生靜寂描述幀（SID 幀） 。GSM 系統(tǒng)中的語音信號處理是分段進行的。這種編碼技術(shù)由于又使用了長時預(yù)測，進一步消除信號冗余度，使編碼速率降低。它的純編碼速率為13kbit/s，MOS 得分為 。17 / 45第三章 GSM 系統(tǒng)中的語音編碼 技術(shù) RPELTP 概述RPELTP 是規(guī)則脈沖激勵長時預(yù)測的縮寫，是歐洲移動通信特別小組（GSM ）在多種技術(shù)中經(jīng)過試驗、比較，最后選定的語音編碼技術(shù)，并作為GSM 標準予以公布。采用的激勵源不同，就構(gòu)成不同的編碼技術(shù)。由于混合編碼吸收了波形編碼和參量編碼兩者的優(yōu)點，在編碼信號速率和語音質(zhì)量兩方面都比較好。可以看出，這種改進的參數(shù)編碼，不但對語音信號的特征參數(shù)進行編碼，而且對原信號的部分波形進行編碼。當然，這種方法的代價是為了精確地描述信號的低頻部分，必須在信道中傳送更多的信息，因而其碼元速率比一般的 LPC 聲碼器要高，通常在 4kbit/s 以上，已屬中等速率編碼。也就是說，在濁音段，它是周期信號，在清音段，它近似噪音。在接收端的語音合成器中，接收到的低頻語音信號經(jīng)過適當組合以及平滑處理后作為激勵信號輸入到數(shù)字濾波器中恢復(fù)語音，而數(shù)字濾波器由接收到的預(yù)測參數(shù)所確定。一條路徑產(chǎn)生通常的線性預(yù)測參數(shù)（線性濾波器系數(shù)和增益等）并傳送出去。很顯然，激勵源可以從語音波形信號本身來提取，這就構(gòu)成了聲激勵聲碼器。針對這個問題，許多研究者提出了各種改善音質(zhì)的方法。其中一種思路是改善參數(shù)編碼的