G．723．1編譯碼算法的DSP實(shí)現(xiàn)

【摘　要】　介紹了ITU－TG．723．1標(biāo)準(zhǔn)語音編譯碼器的算法及其在ADSP－2181芯片上的實(shí)現(xiàn) 。軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了語音信號的采樣和實(shí)時(shí)編譯碼，完全符合ITU－TG．723．1標(biāo)準(zhǔn)的定點(diǎn)算法，通過了ITU－T的所有測試向量。
關(guān)鍵詞：語音編譯碼，DSP，ITU┐TG．723．1

1　引　言
　　當(dāng)前,Voice over IP（VoIP）技術(shù)正在不斷普及,其中使用的低碼率語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要有G．723 ．1和G．729兩種。隨著VoIP技術(shù)的不斷發(fā)展，要求產(chǎn)品的集成度與性能進(jìn)一步提高，利用新一代高性能DSP芯片，實(shí)現(xiàn)單片DSP處理多路語音信號，是今后的發(fā)展趨勢。
　　G．723．1標(biāo)準(zhǔn)是ITU組織于1996年推出的一種低碼率編碼算法。主要用于對語音及其它多媒體聲音信號的壓縮，如可視電話系統(tǒng)、數(shù)字傳輸系統(tǒng)和高質(zhì)語音壓縮系統(tǒng)等。G．723．1標(biāo)準(zhǔn)可在6．3kbps和5．3kbps兩種碼率下工作。其中，高碼率算法具有較高的重建語音質(zhì)量，而低碼率算法的計(jì)算復(fù)雜度則較低。與一般的低碼率語音編碼算法一樣，G．723．1標(biāo)準(zhǔn)采用線性預(yù)測的合成分析法。對激勵信號進(jìn)行量化時(shí)，高碼率算法采用多脈沖最大似然量化（MP－MLQ），而低碼率算法則采用算術(shù)碼本激勵線性預(yù)測（ACELP）。
2　算法介紹
　　語音信號的參數(shù)模型是用激勵信號激勵一個(gè)系統(tǒng)模型來模仿氣流沖激聲道產(chǎn)生的聲音。線性預(yù)測法基于全極點(diǎn)模型假定，采用時(shí)域均方誤差最小準(zhǔn)則來估計(jì)模型參數(shù)。分析過程中要提取的參數(shù)包括聲道系統(tǒng)的LSP參數(shù)、自適應(yīng)碼本的延遲和增益，
以及固定碼本中脈沖的位置和符號。
　　G．723．1編碼器能對以8kHz采樣的話帶語音信號進(jìn)行壓縮。為了降低碼率，G．723．1采用了較長的幀尺寸，每幀240個(gè)樣值，即30毫秒幀長。每幀輸入信號首先通過一階高通濾波器濾除直流分量，然后將之分成四個(gè)60個(gè)樣值的子幀，每個(gè)子幀獨(dú)立進(jìn)行LPC分析。為了提高LPC系數(shù)的連續(xù)性，采用了長度為180個(gè)樣值的重疊窗，即同時(shí)包含前后兩個(gè)子幀，這使算法引入60個(gè)樣值的超前時(shí)延，因此算法的總時(shí)延為37．5毫秒。LPC系數(shù)用線性譜頻率（LSF）表示，LSF參數(shù)采用預(yù)測分裂矢量量化，只對第四子幀進(jìn)行。為了提高量化感知質(zhì)量，高通濾波后的語音信號需通過共振峰感知加權(quán)濾波器和諧振峰噪聲整形濾波器以生成初始目標(biāo)信號。前者參數(shù)由各子幀的未量化LPC系數(shù)構(gòu)成，后者通過對每兩子幀進(jìn)行開環(huán)基音周期估計(jì)得到，其中基音周期的范圍為18到142個(gè)樣值。LPC合成濾波器、共振峰感知加權(quán)濾波器和諧振峰噪聲整形濾波器用于系統(tǒng)零輸入響應(yīng)計(jì)算和最佳激勵估計(jì)。G．723．1編碼器還包括一個(gè)五階基音預(yù)測器，其參數(shù)根據(jù)開環(huán)基音估計(jì)值和脈沖響應(yīng)進(jìn)行閉環(huán)基音搜尋得到。在進(jìn)行最佳激勵估計(jì)時(shí)，需從初始目標(biāo)信號中減去系統(tǒng)零輸入響應(yīng)和基音預(yù)測器貢獻(xiàn)以得到最終目標(biāo)信號，然后針對高低碼率分別采用MP－MLQ和ACELP方法進(jìn)行量化。其中，LSF參數(shù)、基音值和激勵參數(shù)需傳送給解碼器。
　　解碼器首先根據(jù)得到的LSF參數(shù)重建LPC合成濾波器，然后根據(jù)基音值和激勵參數(shù)得到自適應(yīng)碼本激勵信號和固定碼本激勵信號。
2．1　聲道模型參數(shù)的提取
十階全極點(diǎn)模型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：
　　
　　其中，S（z）和U（z）分別是輸出信號s（n）和輸入信號u（n）的Z變換。因此誤差信號為：

要使均方誤差最小，｛ak｝必定滿足＝1，2，．．．10），由此可得到以k為變量的方程組：

其中，R（n）為S（n）的自相關(guān)函數(shù)值。對于這個(gè)Toeplitz矩陣，用Durbin遞推算法可方便求解。
　　因?yàn)榫€譜對參數(shù)（LSP）良好的量化特性和內(nèi)插特性，LPC參數(shù)要轉(zhuǎn)換為LSP參數(shù)進(jìn)行傳輸。
設(shè)線性濾波器的逆濾波器為

ωi和θi分別是P（z）和Q（z）的第i個(gè)零點(diǎn)。ωi和θi成對出現(xiàn)，反映信號的頻譜特性，因此稱為線譜對。對P（z）和Q（z）的系數(shù)做離散傅立葉變換得到zk＝e－jπk／N（k＝0，1，2．．．N）各點(diǎn)的值，搜索極小值點(diǎn)的位置，就是可能的零點(diǎn)位置。
2．2　自適應(yīng)碼本的搜索
　　開環(huán)搜索是基于整幀的整數(shù)基音估計(jì)。為了提高可靠性，對原始信號進(jìn)行預(yù)處理，用中心削波函數(shù)對原始信號進(jìn)行削波。然后用自相關(guān)基音檢測法估
計(jì)基音Top。閉環(huán)搜索是基于子幀的基音細(xì)搜索。將LPC合成濾波器、共振峰感知加權(quán)濾波器和諧波噪聲濾波器一起構(gòu)成綜合濾波器，計(jì)算出該綜合濾波器的沖激響應(yīng)。用估算出的開環(huán)基音周期和計(jì)算所得綜合濾波器的沖激響應(yīng)，通過一個(gè)五階的基音預(yù)測器，可計(jì)算出閉環(huán)基音周期。
2．3　固定碼本的搜索
　　對自適應(yīng)碼本搜索后得到的殘差余量信號進(jìn)行固定碼本搜索。
　　對高碼率（6．3kbps）的固定碼本搜索采用脈沖最大似然量化法（MP－MLQ）。激勵信號可表示為
其中，G為增益因子，δ（n）為單位脈沖響應(yīng)，｛ak｝和｛mk｝分別是單位脈沖響應(yīng)的符號和位置。M為脈沖的數(shù)目，偶數(shù)幀取6，奇數(shù)幀取5。
　　編碼算法的任務(wù)是估計(jì)G、｛ak｝和｛mk｝，使誤差信號e〔n〕的均方值最小。

其中，r〔n〕表示目標(biāo)矢量，自適應(yīng)碼本搜索后得到的殘差信號，h〔n〕表示加權(quán)合成濾波器的沖激響應(yīng)。
　　對低碼率（5．3kbps）編碼器固定碼本搜索采用代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測法（ACELP）。每一子幀中有4個(gè)脈沖，它們可能的位置如表1所示。
表1

　　碼本搜索同樣是使加權(quán)語音信號r〔n〕與加權(quán)合成語音信號之間均方誤差最小。即：

其中，r表示目標(biāo)矢量，自適應(yīng)碼本搜索后得到的殘差信號，G是碼本增益，vξ是代數(shù)碼本中索引ξ對應(yīng)的碼本，H是加權(quán)合成濾波器的截?cái)鄾_激響應(yīng)。
要求最佳碼本，即要搜索使τξ最大的ξ，

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