摘　要：語(yǔ)音編碼方案的選取對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的通話質(zhì)量、信道容量等有重要影響。討論了TD－SCDMA系統(tǒng)中AMR語(yǔ)音編碼的自適應(yīng)機(jī)制，分析了AMR中代數(shù)碼本線性預(yù)測(cè)（ACELP）算法及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。該方案可以在一塊TMS320C5510上實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在TD－SCDMA系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上自環(huán)測(cè)試，結(jié)果是理想的。

　　0　引　言

　　在語(yǔ)音編碼領(lǐng)域中，隨著傳輸、處理、存儲(chǔ)等各種信息量的巨增，信息的壓縮處理已成為迫切的要求，基于新的網(wǎng)絡(luò)和新的要求，無(wú)論是從節(jié)省傳輸頻帶資源，還是保持線路通信的高效率等方面來(lái)看，研究采用各種可變速率語(yǔ)音編碼技術(shù)的系統(tǒng)都有重要意義。目前為了適應(yīng)此需要提出了AMR（adaptivemulti－rate）概念，即自適應(yīng)話音編碼器?；趲挼目紤]可分為AMR－ NB（AMRNarrowband）和AMR－WB（AMRwideband）。對(duì)于AMR－NB，語(yǔ)音通道帶寬限制為3．7 MHz，采樣頻率為8 kHz，而AMR－WB為7 MHz的帶寬，采樣頻率為16 kHz，但考慮語(yǔ)音的短時(shí)相關(guān)性，每幀長(zhǎng)度均為20 ms。這2種編碼器根據(jù)帶寬的要求雖然選用了不同的速率，但有異曲同工

之處，以下著重介紹在TD－SCDMA中AMR－NB的實(shí)現(xiàn)。此編碼器運(yùn)用了代數(shù)碼本線性預(yù)測(cè)（ACELP）混合編碼方式，也就是數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)中既包括若干語(yǔ)音特征參數(shù)又包括部分波形編碼信息，再運(yùn)用這些特征信息重新合成語(yǔ)音信號(hào)的過(guò)程?？刂七@些參數(shù)的提取數(shù)目，根據(jù)速率要求對(duì)信息進(jìn)行取舍而得到了以下8種速率，混合組成如表1所示的自適應(yīng)語(yǔ)音編碼器。表1中模式AMR－12．20就提取出244比特的參數(shù)信息，而模式AMR－4．70卻只提取了95比特信息。根據(jù)這些比特所含的信息量可以將其分為3類比特class 0，1，2。在信道編碼時(shí)class0和1都將會(huì)使用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)，對(duì)于class 2則根據(jù)上一幀進(jìn)行恢復(fù)。

　　語(yǔ)音編碼或語(yǔ)音壓縮編碼研究的基本問(wèn)題，就是在給定編碼速率的條件下，如何能得到盡量好的重建語(yǔ)音質(zhì)量。主觀評(píng)定方法符合人類聽話時(shí)對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量的感覺得到了廣泛應(yīng)用。常用的方法有平均得分意見（mean opinion score,簡(jiǎn)稱MOS）判定法，表2說(shuō)明了AMR話音編碼器各模式的話音質(zhì)量。

　　1　AMR模式選擇的自適應(yīng)機(jī)制

　　自適應(yīng)的基本概念是以更加智能的方式解決信源和信道編碼的速率分配問(wèn)題，使得無(wú)線資源的配置和利用更加靈活和高效。實(shí)際的語(yǔ)音編碼速率取決于信道的條件，它是信道質(zhì)量的函數(shù)。而這部分的工作是解碼器根據(jù)噪聲等測(cè)量參數(shù)協(xié)助基站來(lái)完成的，選擇模式，決定速率快慢。原則上在信道很差的時(shí)候采用速率比較低的編碼器，這樣就能分配給信道編碼更多的比特?cái)?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)更可靠的差錯(cuò)控制，從而有效地抑制錯(cuò)誤發(fā)生，提高話音質(zhì)量［1］。

　　在TD－SCDMA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面為了便于量化比較而采用了C／I（載干比）這一概念，取其滑動(dòng)平均值，再將此值與一預(yù)先定義好的門限值進(jìn)行比較，來(lái)決定速率的選擇。由于不同的特性，全速率信道和半速率信道就應(yīng)有不同的定義值。在全速率信道，當(dāng)C／I≥13時(shí)，MR122的MOS值可以達(dá)到4以上，可以提供很好的性能；9≤C／I＜13時(shí)，MR122、MR102、MR795都是可以選擇的，速率越低，誤幀率越低；當(dāng)6≤C／I＜9時(shí)，最好選擇MR74、 MR67、MR59；而當(dāng)C／I＜6時(shí)就應(yīng)盡量選擇越低的速率，隨著信道質(zhì)量的下降，誤幀率都會(huì)增加，但相對(duì)選擇的速率低，就能提供相對(duì)較好的話音質(zhì)量。對(duì)于半速率信道，與上述類似，不再累述。下面進(jìn)一步說(shuō)明自適應(yīng)速率選擇的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。圖1是完整的說(shuō)明圖。自適應(yīng)要求有2類信息需要傳輸：在下行信道上，需要基站發(fā)送給移動(dòng)臺(tái)1模式選擇測(cè)量命令，而在上行信道上，移動(dòng)臺(tái)將信道測(cè)量信息傳送給基站。這種模式要求傳送信息準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)，才能有效達(dá)到自適應(yīng)的目的?；久繋l(fā)送1測(cè)量命令，得到返回信息，通過(guò)比較選擇，選擇1模式用于下一幀。這樣就可以實(shí)現(xiàn)速率間的轉(zhuǎn)換，達(dá)到自適應(yīng)的目的，在速率間的切換會(huì)有一定功率損耗，并且不同速率間的損 耗是不同的，這是在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中應(yīng)該考慮的［2，3］。

　　2　AMR編碼器算法

　　AMR編碼器算法是基于代數(shù)碼本線性預(yù)測(cè)（ACELP）的混合編碼算法［4，5］。基本原理是原始語(yǔ)音按幀輸入，根據(jù)使合成語(yǔ)音與原始語(yǔ)音的加權(quán)均方誤差最小的準(zhǔn)則，從隨機(jī)碼本和固定碼本中挑選合適的碼矢以代替殘差信號(hào)，并將碼矢地址和增益及各濾波器的參數(shù)量化編碼后傳送到接收端；接收端恢復(fù)各濾波器時(shí)，采用與發(fā)送端相同的碼本，按照碼矢地址找到該碼矢乘上增益，激勵(lì)合成濾波器，得到合成語(yǔ)音。在編碼部分需要抽取下列典型參數(shù)：線性預(yù)測(cè)濾波器系數(shù)（LP），自適應(yīng)碼本（ACB）和固定碼本（FCB）索引以及2種碼本的增益（ 見圖2）。下面將分別從編碼和解碼 的角度闡述AMR編解碼方案。

　?。?）線性預(yù)測(cè)計(jì)算。LPC濾波器表征語(yǔ)音信號(hào)發(fā)生模型中的聲道模型，圖2中

　　其中，A（z）為聲道傳輸函數(shù)，ai隨語(yǔ)音幀的變化不斷改變（ai具有短時(shí)穩(wěn)定性）。因此，在每個(gè)語(yǔ)音幀中，需要提取LPC系數(shù)。按其預(yù)測(cè)值與實(shí)際值最小 化均方誤差原則，可得下式：

　　上述正則方程［6］采用Durbin算法進(jìn)行線性預(yù)測(cè)便可得到參數(shù)ak?？紤]到線譜頻率（LSF）誤差的相對(duì)獨(dú)立性及有序有界性質(zhì)，與線性預(yù)測(cè)參數(shù)（LP）是一一對(duì)應(yīng)的，采用Chebyshev多項(xiàng)式估計(jì)方法是可以相互轉(zhuǎn)換的，因此在考慮傳輸時(shí)用LSF參數(shù)代替LP參數(shù)，將其進(jìn)行矢量量化，在解碼部分再對(duì)LP進(jìn)行恢復(fù)。在12．2 kbit／s模式下采用分裂矩陣（SMQ）的方式進(jìn)行矢量量化，在其它模式下采用分裂矢量（SVQ）的方式進(jìn)行矢量量化。由于在12．2kbit／s中，每一幀需要進(jìn)行2次線性預(yù)測(cè)編碼（LPC）分析，所以會(huì)得到2組LSF系數(shù)。AMR在TD－SCDMA系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中將這2組系數(shù)進(jìn)行聯(lián)合量化。也就是將矩陣（r（1），r（2））分為5個(gè)2×2的子陣，分別

進(jìn)行矢量量化，維數(shù)為4，碼本容量分別為128（子陣1），64（子陣5），256（子陣 2，3，4），失真　　測(cè)度選擇計(jì)算量最小也有主觀評(píng)價(jià)意義的歐式距離，在碼本搜索過(guò)程中采用了全搜索算法。同樣，對(duì)于其它的編碼速率，有相同的思路和操作步驟，最大的差別就是對(duì)LSF矢量的子陣劃分，它們的劃分方法是采用維數(shù)為3，3和4的3個(gè)子陣（子矢量）。

　?。?）碼本搜索［4］。TD－ SCDMA系統(tǒng)中，AMR自適應(yīng)碼本搜索和代數(shù)碼本搜索是語(yǔ)音合成的關(guān)鍵，它們都是在子幀的基礎(chǔ)上完成的，其中，每個(gè)子幀長(zhǎng)為5 ms，對(duì)應(yīng)4個(gè)樣點(diǎn)。自適應(yīng)碼本表征語(yǔ)音信號(hào)發(fā)生模型中的周期性結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)碼本搜索通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)濾波器（LTP），去除信號(hào)中存在的長(zhǎng)時(shí)相關(guān)，使殘差信號(hào)頻譜更加平坦，以便于形成白噪聲激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)提取基音延遲和對(duì)應(yīng)的基音增益。再經(jīng)過(guò)基音開環(huán)和閉環(huán)分析得到分?jǐn)?shù)基音延遲決定后，自適應(yīng)碼本矢量v （n）通過(guò)在最佳的整數(shù)延遲kopt和相位（分?jǐn)?shù)延遲）t處內(nèi)插就得到

　　代數(shù)碼本表示語(yǔ)音信號(hào)發(fā)生模型中的隨機(jī)信號(hào)，根據(jù)感覺加權(quán)均方誤差最小的原則，最終獲得［2］。代數(shù)碼本結(jié)構(gòu)是基于交織單脈沖序列（ISPP）的，其脈沖幅度和位置的取值都要受到一定的限制以滿足一定的代數(shù)結(jié)構(gòu)和比特分配要求，對(duì)于不同速率，脈沖位置和個(gè)數(shù)都選擇不同。而且在系統(tǒng)中，碼本設(shè)計(jì)上改進(jìn)了以前的高斯隨機(jī)碼本結(jié)構(gòu)，構(gòu)造了中心削波的重疊碼本。經(jīng)稀疏后，碼本中就會(huì)產(chǎn)生90％的零值。這樣是可以簡(jiǎn)化搜索過(guò)程的。通過(guò)最大化下式可?量，d＝Htx2表示目標(biāo)信號(hào)x2（n）和沖激響應(yīng)h′w（n）之間的相關(guān)性。在得到以上參數(shù)后，AMR中系統(tǒng)總共設(shè)計(jì)了3種量化器。AMR－12．2代數(shù)碼本增益的量化是采用6比特標(biāo)量量化器，AMR －4．75是將自適應(yīng)碼本增益和代數(shù)碼本增益進(jìn)行聯(lián)合量化，而對(duì)于其他速率則是按原始語(yǔ)音與合成語(yǔ)音的加權(quán)誤差最小找出目標(biāo)矢量。由于考慮多速率的公用，所以碼本容量較大，這與其他編碼器是不同的。

　?。?）AMR解碼原理。解碼器分為3大部分：譯碼部分、語(yǔ)音合成和后濾波。在解碼器輸入端，從接收的比特流中獲得LSP矢量、自適應(yīng)碼本和代數(shù)碼本參數(shù)（索引和增益）等。LSP線譜對(duì)參數(shù)還需要轉(zhuǎn)化為線性預(yù)測(cè)濾波器系數(shù)，再根據(jù)LP系數(shù)內(nèi)插得到各子幀的合成濾波器系數(shù)。激勵(lì)矢量由自適應(yīng)碼本和代數(shù)碼本經(jīng)各自的增益加權(quán)后獲得，將激勵(lì)矢量輸入合成濾波器得到重建的語(yǔ)音信號(hào)。最后，重建的語(yǔ)音信號(hào)還需要經(jīng)過(guò)后濾波處理。ACELP編碼器編碼的語(yǔ)音可看成是包含了高斯噪聲的原始語(yǔ)音。使用后濾波可以減少合成語(yǔ)音中包含的噪聲信號(hào)，從而有效地提高合成語(yǔ)音的語(yǔ)音質(zhì)量。后處理包括兩部分功能：自適應(yīng)后濾波和信號(hào)放大。自適應(yīng)增益控制用于補(bǔ)償合成語(yǔ)音和經(jīng)過(guò)后濾波的合成語(yǔ)音之間的失真。將信號(hào)通過(guò)以下濾波器，就可得到修正的后濾波合成語(yǔ)音。

　　3　結(jié)束語(yǔ)

　　AMR的提出能提供高質(zhì)量的語(yǔ)音，增強(qiáng)抗信道誤差的能力，通過(guò)低編碼速率靈活配置提高了系統(tǒng)容量，編碼速率根據(jù)無(wú)線環(huán)境和本地容量需求動(dòng)態(tài)選擇不同模式。筆者圍繞AMR語(yǔ)音編碼算法進(jìn)行分析和研究。該算法已在TI公司的TMS320 C5510DSP上采用定點(diǎn)C語(yǔ)音和匯編語(yǔ)言的混合編程實(shí)現(xiàn)，并用于TD－SCDMA系統(tǒng)中，運(yùn)算量能降低到20 MIPS左右，通過(guò)在TD－SCDMA系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上自環(huán)測(cè)試，可得到良好的通話語(yǔ)音質(zhì)量，結(jié)果是很理想的。