一种基于ACELP的4.8kbps语音声码器

随着 Internet 的应用范围越来越广 , 人们对传 输带宽的需求也逐渐增大, 如在实时图像和声音的 高质量传输方面, 传统的 Modem 已经无能为力了 , 而在当今为了有效利用现有资源 电话线。提出 了 ADSL ( 不对称数字用户环路 ) 的技术, 利用电话 线上高于话音频带的带宽 ( 4kHz~ 1. 1MHz) , 采用 离散多音频调制来调制高速数字信号 ( 传统的 Mo dem 是用话音频带来调制数字信号的) , 下行速率可 达 8Mbit / s, 上行可达 1. 5M bit/ s。随着 VISI( 超大 规模集成电路) 和 DSP ( 数字信号处理 ) 技术的不断 进步 , DSL 技术也不断趋于成熟。 ADSL 完成 A/ D 和 D/ A 变换 , 采用 FFT / IFFT 作 DMT 和卷积编码 调制 , 既实现了高带宽利用率 , 又保证了传输的低误 码特 性。ADSL 网关 采 用 It ex 的 Apollo 3 ADSL PCI 解决方案作 Int ernet 的接入部 分, 另一侧 用以 太网或无 线局域 网接 多用 户, 接口 为 RJ45 和 AP ( 无线访问点) 天线, 提供了灵活方便的组网方式, 可 以广泛应用于家庭、 小型办公室的接入, 如 PC 、 笔记 器的合成语音质量高, 合成的语音具有很好的清晰 度和可懂度, 并且具有较好的自然度, 对该声码器进 行非正式主观测试, 测试所得到的 M OS 分为 3. 5。 该声码器总的话音质量令人满意 , 达到了最初的设 计要求。
参
1
考
文
献
IT U T Recommendat ion G. 723. 1. Dual rate speech coder for multimedia communications transmitting at 5. 3 and 6. 3 kbit/ s, 1995
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结束语
本文 介绍 了一种 基于 ACEL P 的编 码 速率 为
( 1) 通信模块 通信模块负责管理语音编码数据的收发以确保 通信双方的正常通信。在发送端, 通信模块负责在 编码数据中加入同步比特 ; 在接收端进行失步检测 并在确定失步的情况下进行再同步。 ( 2) 编码器 / 解码器模块 编码器 / 解码器模块负责完成语音信号的编码、 解码功能, 并将编码器的输出数据送到通信模块。 ( 3) 回波抵消模块 由于声码器系统各种时延的总和超过了 50ms, 并且通信线路上存在二 / 四线转换, 必须对输入的声 音信号进行回波抵消处理。回波抵消模块的输入是 PCM 语音和合成的上一帧语音信号。通过一个自 适应滤波 器对回波 进行预测 分析, 从输入的 P CM 语音中减去估计到的回波作为模块的输出。 ( 4) 信令检测模块 信令检测模 块的作用是检 测并产生 450H z 拨 号音、 800H z 测试音和 DT M F 信号。 4. 3 实时实现结果 ACELP 算法的复杂度比较低, 在不加入回波抵 消的情况下, 编解码器 的运算量约为 21M IP S。在 与 公用电话网的实际联网通话测试中表明 , 该声码 ( 021) 5854 3080 207 25
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4. 8kbit/ s 编解码算法的实时实现
我们 采 用 T MS320C5402 来 实 现 声 码 器。
T MS320C5402 具有很强的处理能力, 它的指令周期 是 10ns。T M S320C5402 具有 4K 字的片内 ROM 和 16K 字的片内 RAM ; 它提供了两个 M cBSP ( multi channel buf fered serial ports) 串口, 此外具有一个增 强的 HP I 接口并具备 DM A 功能。 T MS320C5402 为双电源工作方式 , 需要外围电路提供 3. 3V 和 1. 8 V 两个工作电压。 4. 1 声码器系统的硬件设计 声码 器 系 统 的 硬 件 设 计 框 图 如 图 2 所 示。 T MS320C5402 是该硬件系统的核心芯片。整个系 统硬件包 括 两个 部 分, 一是 DSP 处 理系 统, 包 括 T MS320C5402、 EPROM 、 RAM 、 时 钟 电路、 复位电 路等 ; 二是接口部分 , 包括模数转换电路等。 4. 2 声码器系统的软件设计 按照功能可将声码器划分为通信模块、 编码器 / 解码器模块、 回波抵消模块和信令检测模块。各模 块功能如下: !电子技术∀ 2002 年第 1 期
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硬件体系结构
1. 1 AMD 微控制器总体构架 用作协议处理器和网络处理器的 ElanSC520 在 嵌入式环境下功能强大, 是 AMD 公司推出的最新 的微控制系统, 兼容 PC/ AT , 支持 32 位 P CI 外部总 线 , 而且其传输的低延迟和低价位使其广泛的应用 于中高档的数据通信和其他信息技术市场中。它集 成了一 个工业 级的 X86 结构的 处理器 , 从而 为与 X86 结构适配的软件提供 了良好的接口和易移植 该声码器是一种比较好的中速率编码算法 , 在卫星 通信、 多媒体通信、 长途通信等方面有着比较广泛的 应用前景。
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图 1 编码器原 理框图
分也要进行相应的修改。表 1 所示为编码速率降低 前后固定码本非零脉冲位置的对照 , 表中括号内的 数字是速率降低后增加的非零脉冲的位置。 表 1 ACELP 代数码本
符号 # 1 # 1 # 1 # 1 脉冲位置 0, 8, 16, 24, 32, 40, 48, 56 2, 10, 18, 26, 34, 42, 50, 58 4, 12, 20, 28, 36, 44, 52, ( 60) 6, 14, 22, 30, 38, 46, 54, ( 62) 图2 声码器系统硬件方框图
网络、 通信与多媒体
一种基于 ACELP 的 4. 8kbit/ s 语音声码器
解放军理工大学通信工程学院( 南京 210016) 王恩刚 成立新
摘 要 ACEL P( 代数码激励线形预测) 是 IT U T 于 1995 年制订的双速率语音编码标准 G. 723. 1 中 5. 3kbit/ s 所采用的算法 , 该算法具有良好的通话质量及抗噪声性能 。文章分析了基于 ACEL P 的5. 3kbit / s 语音编码的基本原理以及将编码速率降低为 4. 8kbit/ s 的改进方法 , 然后介绍 了 4. 8kbit/ s 声码器的 DSP 实现。 关键词 声码器 ACEL P DSP 滤波器 , 分别对各子帧信号进行滤波 , 得到感觉加权 语音。 每两个子帧的语音信号估计出一个开环基音周 期 , 然后基于各子帧信号进行以下运算: 利用开环基音周期构造一个谐波噪声整形滤波 器 , 并与 L PC 合成滤波器、 共振峰感觉加权滤波器 共同构成一个联合滤波器 , 产生的冲激响应用于后 面的计算。 利用开环基音周期值和冲激响应得到一个五阶 基音预测器, 用于计算自适应码本。同时在开环基 音周期附近进行闭环的基音分析。经过短时、 长时 预测后的余量信号随后用于固定码本搜索。 固定码本采用 17bit 的代数码本结构 , 每一个 固定的码矢量至多包括四个非零脉冲, 所以搜索过 程的运算量比较小。 编码器的原理框图如图 1 所示。 在解码端, 首先对量化 L PC 系数进行解码, 以 构造 L PC 合成滤波器; 对每个子帧 , 将解码得到的 自适应码本和固定码本相加后先经过一个基音后滤 波器, 再送入 L PC 合成滤波器。合成的信号作为共 振峰后滤波器的输入。经过滤波的信号利用一个增 益定标单元以使最终输出的合成语音信号的能量和 共振峰后滤波器的输入信号能量相当。
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编码速率降低为 4. 8kbit/ s 的改进方法
将速率由 5. 3kbit/ s 降为 4. 8kbit / s 的主要思想
是将帧长由原来的 30ms, 变为现在的 33. 5ms。同 时子帧长度由 60 个样点增加为 67 个样点。算法中 的 基音周期估计、 自适应码本和固定码本搜索等部 !电子技术∀ 2002 年第 1 期
2 杨行峻 , 迟 惠生 . 语 音信 号 数字 处理 . 电子 工业 出 版社 , 1995 3 张 雄伟 . DSP 芯片 的原理与 开发应 用 . 电子 工业出 版社 , 1997
4. 8kbit/ s 的语音编码算法。该算法采用代 数码本 作为激励 , 具有合成音质高、 复杂度低和所需存储空 间小等诸多优点。 在实际通信环境中的测试表明 , 26 上海欣方智能系统公司
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概述
为了满足在公用电话网上进行多媒体通信的要
求, IT U - T 于 1995 年制定了具有双速率( 5. 3kbit / s 和 6. 3kbit / s) 的低速语 音编码标 准 G. 723. 1。 这两种速率所采用的算法分别是 ACEL P( 代数码激 励线形预测 ) 和 MP ML Q( 多脉冲最大似然量化 ) 。 本文提出的 4. 8kbit / s 声码器 是由基于 ACEL P 的 5. 3kbit/ s 编码算法改进得到的。该算法具有非常好 的性能, 在良好的信道条件下接近长话质量, 在随机 比特误码和帧丢失等情况下具有良好的顽健性 , 所 以该算法能够在长途通信以及多媒体通信等多种场 合中得到较好的应用。本文首先分析 ACEL P 编解 码算法的基本原理以及将编码速率降低为 4. 8kbit / s 的改进 方法 , 然后 重点 介绍 4. 8kbit/ s 声 码器 的 DSP 实现。
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Байду номын сангаас
ACELP 编解码算法的基本原理
ACEL P 是采用代数码本激励的码激励线形预 测方法。算法在编码端引入合成分析法 ABS( anal ysis by synthesis) , 在编码器中产生与解码端完全一 致的合成语音, 通过与原始语音相比较 , 根据一定的 误差准则 , 来调整计算各个参数, 使得两者之间的误 差达到最小。 编码器对语音信号进行分帧处理 , 直流滤波后 分为四个等长的子帧。分别求取各子帧的 10 阶线 形预测系数( L PC) , 但只将最后一个子帧的 L PC 转 化为线谱对 ( L SP ) 形式并用预测分裂矢量量化器进 行量化。未量化的 L PC 用来构造共振峰感觉加权 24 上海欣方智能系统公司