窄帶語音通信系統(tǒng)的研究與設計 - 全文

　　引言

　　當今時代是個信息飛速膨脹的時代，為了滿足用戶不斷增長的信息量需求，各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、信息平臺都在進行不斷的擴容建設。然而。頻帶資源終歸是有限的，無論是有線通信還是無線通信，頻帶資源正變得越來越寶貴。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用的熱點。本文通過對語音信號的壓縮編碼方法的研究，最終設計了一套語音匯接器，可連接電話等音頻終端，非常適合窄帶語音通信。

　　1 語音編碼方法

　　語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、語音質量好等優(yōu)點．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)編碼的特點是編碼速率低，可以達到1．2 kbit／s～2．4 kbit／s．甚至更低。但是參數(shù)編碼器也有語音質量較差、自然度較低、對環(huán)境敏感等缺點?；旌暇幋a器，它結合了上述兩種方法的優(yōu)點，同時從兩個方面構造語音編碼：一方面增加語音的自然度，提高語音質量；另一方面相對于波形編碼實現(xiàn)較低的數(shù)碼率指標。當前?；旌暇幋a器正在得到人們較大的關注。這種編碼器既具備了聲碼器的特點(利用語音生成模型提取語音參數(shù))，又具備了波形編碼的特點(優(yōu)化激勵信號，使其與輸入語音波形相匹配)，同時還可利用感知加權最小均方誤差的準則使編碼器成為一個閉環(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音質量。

　　本文選用的是混合編碼中基于多帶激勵的AMBE算法，選擇AMBE的算法有以下優(yōu)點：AMBE是低比特率、高質量的改進語音壓縮算法，該技術在低比特壓縮系統(tǒng)中能提供極優(yōu)的語音質量，卻對指令執(zhí)行速度和存儲器容量的要求大大的降低，它引入了語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，在同樣話音質量的前提下，AMBE編碼占用的帶寬較小節(jié)省了頻率資源。

　　2 語音匯接器系統(tǒng)構成

　　語音匯接器系統(tǒng)主要實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的模數(shù)數(shù)模轉換、壓縮解壓縮、編解碼功能等，如圖1所示：當模擬語音信號經(jīng)A／D轉換后就可以變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號，該信息再經(jīng)語音編碼單元壓縮后送至控制單元，經(jīng)過控制單元處理的信息就可以通過通信接口發(fā)送出去。當接收方收到信息對數(shù)據(jù)進行分析處理后送至語音解碼單元解壓縮．然后解壓縮后的數(shù)字信息經(jīng)過D／A轉換后產(chǎn)生模擬語音信號送入語音終端。

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　　3 語音編解碼芯片的選型與接口電路的設計

　　在系統(tǒng)設計時，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)器應用開發(fā)的話音頻帶CodecCSPl027．CSPl027片上集成了16位的∑一ΔA／D、D／A．通過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)不同的應用要求．通過軟件編程來控制系統(tǒng)的音頻接口的增益衰減、采樣速率和接口方式等。這樣的設計使得系統(tǒng)整體集成度提高，可靠性得以增強，很好的滿足了系統(tǒng)對語音通道的設計要求。

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　　語音壓縮選用的是國產(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概念AMBE技術成功應用的語音編譯碼器，編碼質量明顯優(yōu)于CELP、RELP、VSELP、MELP、ECELP、MP-MLQ、LPC-lO等編碼方案，具有很高的合成語音質量和較強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可實現(xiàn)在線設定，模塊主處理器可以通過判讀誤碼率的大小來依據(jù)事先制定的策略調(diào)整語音編碼速率和FEC速率，以盡可能的保持最佳的語音質量。當信道質量很好時，系統(tǒng)將語音編碼速率和FEC數(shù)據(jù)速率均可適當減小，以傳輸更多路話音信號，增加信道復用效率；當信道質量比較糟糕時，系統(tǒng)將語音編碼速率和FEC數(shù)據(jù)速率均可適當增大．以確保一定的傳輸質量。這一系統(tǒng)可以實現(xiàn)相關的速率組合。

　　VAD(話音激活)／CNI(舒適噪音插入)技術的應用也使得該聲碼器具用鮮明的特點。系統(tǒng)根據(jù)當前語音信號的功率。判斷本幀信號靜默與否。如果認定本幀為靜默，則業(yè)務信道將改用另外的。PN碼以遠低于正常水平的功率發(fā)送靜默信息。相應的，若接收到靜默信息后，系統(tǒng)則會產(chǎn)生一幀時長的符合聽覺習慣的背景噪聲。VAD／CNI技術的運用．一方面減少了運算量，降低了功耗。另一方面在使用者沒有接收到語音信息的同時，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％的信號是活動的或有效的。當一方在講話時，另一方在聽，而且講話過程中有大量顯著的停頓。通過靜噪抑制技術，可以大大節(jié)省網(wǎng)絡帶寬。針對網(wǎng)絡傳輸?shù)奶攸c，采用靜音檢測和丟幀恢復等功能，在很大程度上能夠彌補電磁干擾對語音傳輸質量的影響。而且，靜音檢測對于交談來說，其節(jié)省的通訊量是相當可觀的。其接口如圖3所示。

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　　4 系統(tǒng)軟件設計

　　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)進行處理后再按照通信格式打包并且加CRC32校驗．通過串口發(fā)送出去。然后等待對方的回應數(shù)據(jù)。若是ARQ(Automatic Repeat reQuest，自動重復請求)數(shù)據(jù)則重新發(fā)送。若是ACK(acknowledgement，確認)數(shù)據(jù)則表示發(fā)送成功。若在設置時間內(nèi)未收到任何數(shù)據(jù)，則重新發(fā)送。若在設置的重發(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)通過串口接收到數(shù)據(jù)幀后首先解包，然后進行差錯檢測，若有錯，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)。

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　　5 結論

　　本文所設計的語音通信系統(tǒng)采用的碼率較低，為2．4 kbps的話音速率，傳輸時輸出的語音清晰，辨識率好。本文設計是基于語音壓縮傳遞基礎上的，對于研究和應用窄帶語音通信系統(tǒng)具有一定的借鑒價值。

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