語音編碼為信源編碼，是將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，然后在信道中傳輸。在無線通信，特別是在數(shù)字移動通信中，語音編碼技術(shù)起著關(guān)鍵的作用，高質(zhì)量低速率的語音編碼技術(shù)與高效率數(shù)字調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，可以為數(shù)字移動網(wǎng)提供高于模擬移動網(wǎng)的系統(tǒng)容量。目前，語音編碼技術(shù)的研究方向有兩個：降低語音編碼速率和提高語音質(zhì)量。
語音編碼技術(shù)有波形編碼、參量編碼和混合編碼三種類型。波形編碼是指在時域上對模擬語音的電壓波形按一定的速率抽樣，再將幅度量化，對每個量化點用代碼表示。解碼是相反過程，將接收的數(shù)字序列經(jīng)解碼和濾波后恢復(fù)成模擬信號。波形編碼能提供很好的語音質(zhì)量，但編碼信號的速率較高，一般應(yīng)用在信號帶寬要求不高的通信中。脈沖編碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制(ΔM)是常見的波形編碼，其編碼速率為16kb/s ~64kb/s。參量編碼又稱聲源編碼，是以發(fā)音模型作基礎(chǔ)，從模擬語音提取各個特征參量并進(jìn)行量化編碼，可實現(xiàn)低速率語音編碼，達(dá)到2kb/s~4.8kb/s。但語音質(zhì)量只能達(dá)到中等以下?；旌暇幋a是將波形編碼和參量編碼結(jié)合起來，既有波形編碼的高質(zhì)量優(yōu)點又有參量編碼的低速率優(yōu)點。其壓縮比達(dá)到4kb/s~16kb/s。在移動通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中一般采用混合編碼技術(shù)?；旌暇幋a克服了原有波形編碼和參量編碼的弱點，結(jié)合了各自的長處，力圖保持波形編碼的高質(zhì)量和參量編碼的低速率，又能獲得低速率上的高質(zhì)量的合成語音。如規(guī)則脈沖激勵長期線性預(yù)測編碼RPE-LTP、Qualcomm碼激勵線性預(yù)測編碼QCELP等。另外，自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制ADPCM也已成為語音編碼中常用的一種技術(shù)。
下面就幾種無線通信中典型的語音壓縮編碼技術(shù)做一介紹。
1、“小靈通”(PAS)的語音編碼
ADPCM語音壓縮編碼用于我國“小靈通”系統(tǒng)。ADPCM語音壓縮編碼即ITU-T的G. 721建議，是在1984年公布的。1986年作了進(jìn)一步修訂。它用于64kb/s的A律或μ律PCM到32kb/s ADPCM之間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了對PCM信道的擴(kuò)容（相應(yīng)的設(shè)備叫數(shù)字電路倍增器DCME）。圖1是32kb/s ADPCM編碼器和解碼器簡化框圖。編碼器的輸入信號是64kb/s A律或μ律PCM編碼。首先將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)PCM編碼，從中減去估計值，得到差值信號d(k)。15階自適應(yīng)量化器將d(k)量化成4位二進(jìn)制值I(k)。逆量化器從這4位二進(jìn)制數(shù)中產(chǎn)生量化的差值信號dq(k)。dq(k)和估計信號Sq(k)相加得到重構(gòu)信號ST (k)。自適應(yīng)預(yù)測器利用dq(k)和ST (k)生成輸入信號的估計值。
圖1：ADPCM簡化框圖
解碼器包括一個與編碼器反饋部分相同的結(jié)構(gòu)，還有A律或μ律的轉(zhuǎn)換器，以及同步編碼調(diào)節(jié)器。同步編碼器用于防止同步級聯(lián)編碼（ADPCM-PCM-ADPCM）在某些情況下產(chǎn)生累積失真。用試圖消除下一個ADPCM編碼的量化失真的方式調(diào)節(jié)PCM輸出，以實現(xiàn)同步編碼調(diào)節(jié)。
2、GSM的語音編碼
RPE-LTP（Regular Pulse Excited-Long Term Predition-Linear Predictive Coding）即RPE –LTP-LPC（規(guī)則脈沖激勵-長時預(yù)測-線性預(yù)測編碼），是泛歐第二代數(shù)字移動GSM系統(tǒng)所采用的語音編碼方案，純編碼速率為13kb/s，語音質(zhì)量較好。
大家熟悉的PCM編碼采用A律波形編碼時，分為采樣、量化、編碼3步。用這種編碼方式，數(shù)字鏈路上的數(shù)字信號比特速率為64kb/s。如果GSM系統(tǒng)也采用此種方式進(jìn)行語音編碼，那么每個語音信道是64kb/s，8個語音信道就是512kb/s。考慮實際可使用的帶寬，GSM規(guī)范中規(guī)定載頻間隔是200kHz。因此要把它們保持在規(guī)定的頻帶內(nèi)，必需大大地降低每個語音信道的編碼的比特率，這就要靠改變語音編碼的方式來實現(xiàn)。
聲碼器（一種參量編碼）編碼可以是很低的速率（可以低于5kb/s），雖然不影響語音的可懂性，但語音的失真很大，很難分辨是誰在講話。波形編碼器語音質(zhì)量較高，但要求的比特速率相應(yīng)地較高。因此GSM系統(tǒng)語音編碼器是采用聲碼器和波形編碼器的混合--混合編碼器，全稱為線性預(yù)測編碼-長期預(yù)測編碼-規(guī)則脈沖激勵編碼器（LPC-LTP-RPE編碼器），如圖2所示。LPC+LTP為聲碼器，RPE為波形編碼器，再通過復(fù)用器混合完成模擬語音信號的數(shù)字編碼，每個語音信道的編碼速率為13kb/s。
聲碼器的原理是模仿人類發(fā)音器官喉、嘴、舌的組合、將該組合看作一個濾波器，人發(fā)出的聲音使聲帶振動就成為激勵脈沖。當(dāng)然“濾波器”脈沖串頻率是在不斷地變換，但在很短的時間（l0ms~30ms）內(nèi)觀察它，則發(fā)音器官是沒有變換的，因此聲碼器要做的事是將語音信號分成20ms的段（一個音節(jié)），然后分析這一時間段內(nèi)所相應(yīng)的濾波器的參數(shù)，并提取此時的脈沖串頻率，輸出其激勵脈沖序列。相繼的語音段是十分相似的，LTP將當(dāng)前段與前一段進(jìn)行比較，相應(yīng)的差值被低通濾波后進(jìn)行一種波形編碼。經(jīng)過LPC+LTP編碼的碼速率為3. 6kb/s，RPE編碼的碼速率為9.4kb/s。因此，語音編碼器的輸出比特速率是13kb/s。
3、CDMA系統(tǒng)的語音編碼
CDMA系統(tǒng)如同其他數(shù)字式移動電話系統(tǒng)，它也采用語音壓縮編碼技術(shù)來降低語音的速率。CDMA系統(tǒng)的語音編碼主要有從線性預(yù)測編碼技術(shù)發(fā)展而來的激勵線性預(yù)測編碼QCELP和增強(qiáng)型可變速率編碼EVRC。目前13kb/s CELP語音編碼已達(dá)到有線長途的音質(zhì)水平，我國已正式將CELP編碼列入CDMA標(biāo)準(zhǔn)中?？傊?/SPAN>CDMA系統(tǒng)中所使用的編碼技術(shù)是對現(xiàn)有編碼技術(shù)的有機(jī)組合和高效利用。
1）QCELP受激線性預(yù)測編碼
QualComm受激線性預(yù)測編碼（QualComm Code Excited Linear Predictive，QCELP），是美國Qualcomm通信公司的專利語音編碼算法，也是北美第二代數(shù)字移動電話（IS-95 CDMA）的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)(IS-95）。這種算法不僅可工作于4/4.
2）CELP碼激勵線性預(yù)測編碼
CELP碼激勵線性預(yù)測編碼（Code Excited Linear Prediction，CELP）是近10年來最成功的語音編碼算法。CELP語音編碼算法用線性預(yù)測提取聲道參數(shù)，用一個包含許多典型的激勵矢量的碼本作為激勵參數(shù)，每次編碼時都在這個碼本中搜索一個最佳的激勵矢量，這個激勵矢量的編碼值就是這個序列的碼本中的序號。CELP已經(jīng)被許多語音編碼標(biāo)準(zhǔn)所采用，美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)FS1016就是采用CELP的編碼方法，主要用于高質(zhì)量的窄帶語音保密通信。CELP是一個簡化的LPC算法，以其低比特率著稱（4800kb/s~9600kb/s），具有很清晰的語音品質(zhì)和很高的背景噪聲免疫性。
CELP是一種在中低速率上廣泛使用的語音壓縮編碼方案。它綜合使用了線性預(yù)測、矢量量化、感覺加權(quán)、A-B-S（綜合分析法）等技術(shù)，在4kb/s~16kb/s的速率上，使電話寬帶語音編碼得到很高的編碼質(zhì)量。編碼器的基本原理框圖如圖3所示。與LPC模型類似，CELP模型中也有激勵信號和聲道濾波器，但它的激勵信號不再是LPC模型中的二元激勵信號。在目前常用的CELP模型中，激勵信號來自兩個方面：長時基音預(yù)測器（又稱自適應(yīng)碼本）和隨機(jī)碼本。自適應(yīng)碼本被用來描述語音信號的周期性（基音信息）。固定的隨機(jī)碼本則被用來逼近語音信號經(jīng)過短時和長時預(yù)測后的線性預(yù)測余量信號。從自適應(yīng)碼本和隨機(jī)碼本中搜索出的最佳激勵矢量乘以各自的最佳增益后相加，便可得到激勵E(n)。它一方面被用來更新自適應(yīng)碼本，另一方面則被輸入到合成濾波器H(z)以得到合成語音Š(n)。Š (n)與原始語音S(n)的誤差通過感覺加權(quán)濾波器W(z)后可得到感覺加權(quán)誤差信號e(n)。使e(n)均方誤差為最小的激勵矢量就是最佳激勵矢量。
圖3：CELP編碼原理框圖
CELP的解碼過程已經(jīng)包含在編碼過程中。在解碼時，根據(jù)編碼傳輸過來的信息從自適應(yīng)碼本和隨機(jī)碼本中找出最佳碼矢量，分別乘以各自的最佳增益并相加，可以得到激勵信號E(n)，將E(n)輸入到合成濾波器H(z)，便可得到合成語音Š (n)?？梢钥闯?，搜索最佳激勵矢量是通過綜合出重建語音信號進(jìn)行的。這種通過綜合來分析語音編碼參數(shù)的優(yōu)化方法稱為綜合分析法，即A-B-S方法。采用這種方法明顯提高了合成語音的質(zhì)量，但也使編碼運算量增加不少。固定碼本采用不同的結(jié)構(gòu)形式，就構(gòu)成了不同類型的CELP。例如采用代數(shù)碼本、多脈沖碼本、矢量和碼本的CELP分別稱為ACELP、MP-CELP和VSELP編碼。
對CELP來說關(guān)鍵是碼本，如果碼本編得好，就可以在低碼率下獲得較好的語音質(zhì)量。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，這些成果得到了廣泛應(yīng)用。如1989年通過的碼速率為13. 6kb/s，采用規(guī)則脈沖激勵長時預(yù)測算法的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)，在誤碼率為10-3的GSM用信道中傳輸，語音質(zhì)量不降低；而碼速率為5. 6kb/s的VSELP編碼則足以使現(xiàn)有的GSM擴(kuò)容1倍。ITU于1995年下半年通過了具有長話音質(zhì)的8kb/s編碼標(biāo)準(zhǔn)，它采用共扼結(jié)構(gòu)代數(shù)(CSA-CELP)算法，將用于第三代移動通信系統(tǒng)；具有多種碼率的IS-96則是美國Qualcomm公司為CDMA研制的又一種CELP編碼?？偟膩碚f，語音壓縮倍率越高，數(shù)碼率越低，編碼算法也越復(fù)雜，在實時壓縮的條件下就不可能用邏輯電路實現(xiàn)，也不會用體積大、速度慢、成本高的微機(jī)實現(xiàn)，此時DSP是一種合適的選擇。
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