MELP語音編碼的分析與其在DSP上的優(yōu)化

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1、浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文1．1引言第一章緒論隨著信息化社會的發(fā)展，通信技術(shù)成為代表當(dāng)今社會發(fā)展水平的一個重要標(biāo)志?，F(xiàn)代通信技術(shù)融合了計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等高科技技術(shù)，并且滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、航天航空等各個領(lǐng)域。通信技術(shù)發(fā)展日新月異，各種通信新技術(shù)不斷應(yīng)用到日常生活中，改變著人們的溝通方式和生活習(xí)慣。語音通信毫無疑問是人類通信的最重要的形式之一，固定電話、移動電話、視頻會議等等都會涉及到語音通信。為了提高語音信號數(shù)字傳輸?shù)挠行?，通常還要對語音進行壓縮編碼。實際上，語音信號中含有大量的冗

2、余信息，采用各種編碼技術(shù)減少語音信號的冗余度，并充分利用人耳的聽覺掩蔽效應(yīng)【401，就可以將其碼率壓縮很多倍，而同時又能恢復(fù)出可懂度甚至自然度都很好的語音。語音編碼技術(shù)實現(xiàn)的途徑主要包括基于Pc上的實現(xiàn)、基于AsIc的實現(xiàn)和基于嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)這三種方法?；赑c上的實現(xiàn)主要利用Pc豐富的軟硬件資源，這種方式易于實現(xiàn)；基于AsIc的實現(xiàn)，比較適合大規(guī)模的應(yīng)用，這樣可以降低應(yīng)用系統(tǒng)的成本；而嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)介于二者之問，可以在比較豐富的軟件資源的基礎(chǔ)上編程實現(xiàn)語音編碼的應(yīng)用。DSP作為一種運算能力相

3、當(dāng)突出的cPu，在嵌入式語音編碼系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)中占有極其重要的地位。TI的c6000系列DSP以其獨特的體系結(jié)構(gòu)和強大的運算能力，非常適合在音視頻編碼中應(yīng)用。當(dāng)前在嵌入式語音編碼系統(tǒng)的開發(fā)過程中，除了系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)外，開發(fā)者還要注重考慮在c代碼具體實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，針對DsP特有的體系結(jié)構(gòu)，在匯編層面對系統(tǒng)進行優(yōu)化，這樣才能體現(xiàn)出DsP相對于其他處理器所特有的優(yōu)點，發(fā)揮DSP在語音處理方面的強大能力。1．2語音編碼技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展自從20世紀(jì)30年代末提出PCM及通道聲碼器理論以來，語音編碼技術(shù)已有

4、60余年的發(fā)展歷史。隨著計算機、微電子和通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近幾浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文年來高質(zhì)量語音壓縮編碼技術(shù)的實用化，語音壓縮編碼技術(shù)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。尤其是最近20年，語音壓縮編碼技術(shù)在移動通信、衛(wèi)星通信、多媒體技術(shù)以及IP電話通信中得到普遍應(yīng)用，起著舉足輕重的作用。1．2．1語音編碼技術(shù)的分類語音編碼技術(shù)按傳統(tǒng)方法分類大致可分為三類：波形編碼、參數(shù)編碼以及混合編碼。波形編碼比較簡單，就是直接對語音信號的波形進行處理，力求使重建的語音信號波形保持原始語音信號的波形形狀。波形編碼

5、具有語音質(zhì)量好、抗噪性能強、實現(xiàn)方法簡單等優(yōu)點，不過其碼率較高，在16kb／s～64kb／s速率范圍內(nèi)能得到較好的重建語音質(zhì)量，但當(dāng)速率下降時，語音重建質(zhì)量會急劇下降。參數(shù)編碼又叫聲碼器，它的原理是根據(jù)人的發(fā)聲機理，從語音信號的波形中提取表征聲道和聲源激勵的有關(guān)特征參數(shù)，然后利用這些特征參數(shù)通過語音產(chǎn)生模型合成出語音信號，力求使重建語音信號具有盡可能高的可懂度和自然度，但重建語音信號的波形與原語音信號波形可能會有很大差異?；旌暇幋a是將波形編碼和參數(shù)編碼的原理結(jié)合起來，同時吸收了兩者的優(yōu)點?；旌暇幋a

6、音質(zhì)比較好，有個別算法【l】所取得的合成語音質(zhì)量與波形編碼相當(dāng)，算法實現(xiàn)的復(fù)雜程度介乎于波形編碼與參數(shù)編碼之間。半個多世紀(jì)以來，各國專家學(xué)者從人類發(fā)音機理和聽覺機理出發(fā)，對語音基本元素的聲學(xué)特性、頻譜特性和語意表達等做了大量研究，建立了發(fā)音模型和聽覺模型【4們，在不同程度上逐漸逼近真正的語音產(chǎn)生過程，并取得了長足的進步，接下來對語音壓縮編碼的發(fā)展作簡單概述。1．2．2語音編碼技術(shù)的發(fā)展語音編碼的發(fā)展過程，按所使用的編碼技術(shù)大致劃分為以下三個階段：(1)自從1939年美國HomerDudley發(fā)明聲

7、碼器【21以來，語音處理開始了參數(shù)編碼的研究，該聲碼器是以濾波器為主構(gòu)造的通道聲碼器。在20世紀(jì)60年代，Sato．Ital【ura和Atal．schroeder研究出共振峰聲碼器【3】’他們最早把‘‘線性預(yù)測(LPc)”技術(shù)‘4”應(yīng)用到語音編碼中。他們用線性組合模型以及均方誤差最小等方法逼近浙江大學(xué)碩十學(xué)位論文原始波形，并提取相關(guān)參數(shù)，還研究出自相關(guān)法、協(xié)方差法[40】等實用快速算法。在眾多聲碼器中，LPC聲碼器因其成熟的算法和參數(shù)的精確估計成為當(dāng)時研究的主流，并逐步走向?qū)嵱?。LPC．10聲碼器

8、后來被美國聯(lián)邦政府采納為聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)FSl015，并一直沿用到90年代。1996年3月美國國防部語音信號數(shù)字處理協(xié)會(DDVPC)開始選用TI公司和ASP公司聯(lián)合提出的混合激勵線性預(yù)測(MELP)聲碼器來取代舊標(biāo)準(zhǔn)Fs。1015，并于1998年年底正式公布這個新的標(biāo)準(zhǔn)。(2)從1985年B．s．Atal和M．R．schmeder提出cELP算、法【習(xí)以來，閉環(huán)分析算法成為主流。GsM于1988年公布了I沖E—LTP作為泛歐數(shù)字蜂窩移動電話的標(biāo)準(zhǔn)㈣，美國國防部于1989年公布了cELP聯(lián)