窄帶語(yǔ)音通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

引言
    當(dāng)今時(shí)代是個(gè)信息飛速膨脹的時(shí)代，為了滿足用戶不斷增長(zhǎng)的信息量需求，各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、信息平臺(tái)都在進(jìn)行不斷的擴(kuò)容建設(shè)。然而。頻帶資源終歸是有限的，無(wú)論是有線通信還是無(wú)線通信，頻帶資源正變得越來(lái)越寶貴。如何使用合理的數(shù)據(jù)壓縮編碼方法以節(jié)省帶寬已成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的壓縮編碼方法的研究，最終設(shè)計(jì)了一套語(yǔ)音匯接器，可連接電話等音頻終端，非常適合窄帶語(yǔ)音通信。

1 語(yǔ)音編碼方法
    語(yǔ)音編碼方式從編碼方法的角度可以劃分為：波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼。波形編碼具有抗噪性能強(qiáng)、語(yǔ)音質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)．但這種方式所需的編碼速率較高。一般在在16 kbit／s～64 kbit／s。參數(shù)編碼的特點(diǎn)是編碼速率低，可以達(dá)到1．2 kbit／s～2．4 kbit／s．甚至更低。但是參數(shù)編碼器也有語(yǔ)音質(zhì)量較差、自然度較低、對(duì)環(huán)境敏感等缺點(diǎn)?；旌暇幋a器，它結(jié)合了上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)從兩個(gè)方面構(gòu)造語(yǔ)音編碼：一方面增加語(yǔ)音的自然度，提高語(yǔ)音質(zhì)量；另一方面相對(duì)于波形編碼實(shí)現(xiàn)較低的數(shù)碼率指標(biāo)。當(dāng)前。混合編碼器正在得到人們較大的關(guān)注。這種編碼器既具備了聲碼器的特點(diǎn)(利用語(yǔ)音生成模型提取語(yǔ)音參數(shù))，又具備了波形編碼的特點(diǎn)(優(yōu)化激勵(lì)信號(hào)，使其與輸入語(yǔ)音波形相匹配)，同時(shí)還可利用感知加權(quán)最小均方誤差的準(zhǔn)則使編碼器成為一個(gè)閉環(huán)優(yōu)化的系統(tǒng)，從而在較低的比特率上能獲得較高的語(yǔ)音質(zhì)量。
    本文選用的是混合編碼中基于多帶激勵(lì)的AMBE算法，選擇AMBE的算法有以下優(yōu)點(diǎn)：AMBE是低比特率、高質(zhì)量的改進(jìn)語(yǔ)音壓縮算法，該技術(shù)在低比特壓縮系統(tǒng)中能提供極優(yōu)的語(yǔ)音質(zhì)量，卻對(duì)指令執(zhí)行速度和存儲(chǔ)器容量的要求大大的降低，它引入了語(yǔ)音分析和合成及矢量量化等新算法．在背景噪聲和信道誤碼方面也有極強(qiáng)的魯棒性。3．6 kb—psAMBE聲碼器。性能與全速率(8 kbps)VSELP的性能相當(dāng)，在同樣話音質(zhì)量的前提下，AMBE編碼占用的帶寬較小節(jié)省了頻率資源。

2 語(yǔ)音匯接器系統(tǒng)構(gòu)成
    語(yǔ)音匯接器系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換、壓縮解壓縮、編解碼功能等，如圖1所示：當(dāng)模擬語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后就可以變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，該信息再經(jīng)語(yǔ)音編碼單元壓縮后送至控制單元，經(jīng)過(guò)控制單元處理的信息就可以通過(guò)通信接口發(fā)送出去。當(dāng)接收方收到信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后送至語(yǔ)音解碼單元解壓縮．然后解壓縮后的數(shù)字信息經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生模擬語(yǔ)音信號(hào)送入語(yǔ)音終端。

[!--empirenews.page--]
3 語(yǔ)音編解碼芯片的選型與接口電路的設(shè)計(jì)
    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，A／D、D／A芯片選用了LHeent公司推出的適用于蜂窩電話和調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用開(kāi)發(fā)的話音頻帶CodecCSPl027．CSPl027片上集成了16位的∑一ΔA／D、D／A．通過(guò)16位串行I／0口與后續(xù)系統(tǒng)相連。CSPl027具有一定的軟件編程控制功能，可根據(jù)不同的應(yīng)用要求．通過(guò)軟件編程來(lái)控制系統(tǒng)的音頻接口的增益衰減、采樣速率和接口方式等。這樣的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)整體集成度提高，可靠性得以增強(qiáng)，很好的滿足了系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)音通道的設(shè)計(jì)要求。
    語(yǔ)音壓縮選用的是國(guó)產(chǎn)的低比特率聲碼器AMBE-1000，它是一款高性能的基于多帶激勵(lì)概念A(yù)MBE技術(shù)成功應(yīng)用的語(yǔ)音編譯碼器，編碼質(zhì)量明顯優(yōu)于CELP、RELP、VSELP、MELP、ECELP、MP-MLQ、LPC-lO等編碼方案，具有很高的合成語(yǔ)音質(zhì)量和較強(qiáng)的抗背景噪聲和誤碼的能力。其編碼速率在2．4 kbPs～9．6 kbPs之間可調(diào)，F(xiàn)EC速率在50 bps～7．2 kbps可實(shí)現(xiàn)在線設(shè)定，模塊主處理器可以通過(guò)判讀誤碼率的大小來(lái)依據(jù)事先制定的策略調(diào)整語(yǔ)音編碼速率和FEC速率，以盡可能的保持最佳的語(yǔ)音質(zhì)量。當(dāng)信道質(zhì)量很好時(shí)，系統(tǒng)將語(yǔ)音編碼速率和FEC數(shù)據(jù)速率均可適當(dāng)減小，以傳輸更多路話音信號(hào)，增加信道復(fù)用效率；當(dāng)信道質(zhì)量比較糟糕時(shí)，系統(tǒng)將語(yǔ)音編碼速率和FEC數(shù)據(jù)速率均可適當(dāng)增大．以確保一定的傳輸質(zhì)量。這一系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)的速率組合。
    VAD(話音激活)／CNI(舒適噪音插入)技術(shù)的應(yīng)用也使得該聲碼器具用鮮明的特點(diǎn)。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前語(yǔ)音信號(hào)的功率。判斷本幀信號(hào)靜默與否。如果認(rèn)定本幀為靜默，則業(yè)務(wù)信道將改用另外的。PN碼以遠(yuǎn)低于正常水平的功率發(fā)送靜默信息。相應(yīng)的，若接收到靜默信息后，系統(tǒng)則會(huì)產(chǎn)生一幀時(shí)長(zhǎng)的符合聽(tīng)覺(jué)習(xí)慣的背景噪聲。VAD／CNI技術(shù)的運(yùn)用．一方面減少了運(yùn)算量，降低了功耗。另一方面在使用者沒(méi)有接收到語(yǔ)音信息的同時(shí)，以舒適的背景噪聲提示鏈路目前暢通。大量研究表明，在一路全雙工電話交談中．只有36％～40％的信號(hào)是活動(dòng)的或有效的。當(dāng)一方在講話時(shí)，另一方在聽(tīng)，而且講話過(guò)程中有大量顯著的停頓。通過(guò)靜噪抑制技術(shù)，可以大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，采用靜音檢測(cè)和丟幀恢復(fù)等功能，在很大程度上能夠彌補(bǔ)電磁干擾對(duì)語(yǔ)音傳輸質(zhì)量的影響。而且，靜音檢測(cè)對(duì)于交談來(lái)說(shuō)，其節(jié)省的通訊量是相當(dāng)可觀的。其接口如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件主要包括接收和發(fā)送兩大部分。
    發(fā)送部分(圖4)主要是先從AMBEl000接收PCM數(shù)據(jù)，然后把該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再按照通信格式打包并且加CRC32校驗(yàn)．通過(guò)串口發(fā)送出去。然后等待對(duì)方的回應(yīng)數(shù)據(jù)。若是ARQ(Automatic Repeat reQuest，自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求)數(shù)據(jù)則重新發(fā)送。若是ACK(acknowledgement，確認(rèn))數(shù)據(jù)則表示發(fā)送成功。若在設(shè)置時(shí)間內(nèi)未收到任何數(shù)據(jù)，則重新發(fā)送。若在設(shè)置的重發(fā)次數(shù)后仍未收到ACK數(shù)據(jù)，則舍棄該數(shù)據(jù)包繼續(xù)發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)包。接收部分(圖5)通過(guò)串口接收到數(shù)據(jù)幀后首先解包，然后進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，若有錯(cuò)，則發(fā)送ARQ，若正確，則發(fā)送ACK。若接收成功。則回到串口繼續(xù)接收后面的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論
    本文所設(shè)計(jì)的語(yǔ)音通信系統(tǒng)采用的碼率較低，為2．4 kbps的話音速率，傳輸時(shí)輸出的語(yǔ)音清晰，辨識(shí)率好。本文設(shè)計(jì)是基于語(yǔ)音壓縮傳遞基礎(chǔ)上的，對(duì)于研究和應(yīng)用窄帶語(yǔ)音通信系統(tǒng)具有一定的借鑒價(jià)值。