语音编解码技术

1、学习指导学习指导 在移动通信发展的近三十年里，从传统大功率的单基站到蜂窝移动通信系统，从本地覆盖到区域、全国覆盖，并实现了国内与国际的漫游，从提供单一的话音业务到提供多媒体业务，从1G、2G系统到3G、4G系统等等，移动通信技术取得了巨大的进步。因此本章主要介绍现代移动通信系统中应用的和正在不断发展的一些关键技术，如语音编码技术、调制解调技术、多址技术、分集技术、扩频通信链路自适应技术、OFDM技术、软件无线电、智能天线、MIMO系统、联合检测技术、认知无线电等。本章涉及的基本概念很多，大家要仔细领会它们的涵义，而且这些关键技术是学习后续内容的基础。为了帮助您对学习内容的掌握，建议您在学习本章

2、时充分利用我们为您提供的本章知识地图。 1波形编码 该技术基于时域模拟话音的波形，按一定的速率采样、量化，对每个量化点用代码表示。解码是相反过程，将接收的数字信号序列经解码和滤波后恢复成模拟信号。波形编码能提供很好的话音质量，但编码速率较高，一般应用在对信号带宽要求不高的通信中。常见的波形编码技术包括有脉冲编码调制（PCM）、增量调制（DM）、差分脉冲编码调制（DPCM）、自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）、自适应增量调制（ADM）、自适应传输编码（ATC）等。2参数编码 参数编码又称声源编码，该技术基于发音模型，从模拟话音中提取各个特征参量并进行量化编码，可实现低速率语音编码，但话音质量只

3、能达到中等。常见的参数编码技术包括有线性预测（LPC）声码器和余弦声码器等，80年代中期人们又对LPC声码器进行了改进，提出了混合激励、规则激励等。3混合编码 混合编码是将波形编码和参数编码结合起来，吸收有波形编码的高质量和参数编码的低速率这两者之优点。常见的混合编码技术有基于线性预测技术的分析-合成编码算法，如泛欧GSM系统的规则脉冲激励-长期预测编码（RPE-LTP）混合编码方案等。 图3-1 RPE-LTP编码示意图表3-1 编码后260bit分配LPC滤波8参数每5ms中bit数每20ms中bit数LPT滤波Nr（延时参数）728br（采样相位）28激励信号（话音）子采样相位28最大幅

4、度62413个采样39156RPE-LPT总计260 GSM语音信源解码技术是上述编码技术的逆过程，但也略有不同，它在信道解码后获得的语音信息中进行RPE解码、长时预测分析滤波、短时分析滤波和后处理，来实现语音解码，最后还要将获得的离散信号去加重滤波，送D/A转换电路后即可得到语音信号。具体过程这里就不赘述了。 1CELP（Code Excited Linear Prediction，码激励线性预测）编码概述 CELP语音编码算法综合使用了线性预测、矢量量化、感觉加权、A-B-S（综合分析法）等技术，具有很清晰的语音品质和很高的背景噪音免疫性。CELP编码器的基本原理框图如图3-2所示。图 3

5、-2 CELP编码其原理框图图3-3 CELP 语音合成示意图 对CELP算法来说码本是关键。如果码本编得好，就可以在低码率的情况下获得较好的语音质量。CELP 码激励线性预测编码的主要特点是利用了人类听觉的掩蔽性等特性，采用了对误差信号进行感觉加权、用分数延迟改进基音预测、用修正的MSPE准则来寻找“最佳”的延迟、基于信道错误率估计的自适应平滑器等多项技术，从而大大改善了语音的质量，尤其改善了女性语音的质量，在信道误码率较高的情况下也能合成自然度较高的语音。图3-4 QCELP方案框图表3-2QCELP的参数参数速率1(9.6kbit/s)速率2(4.8kbit/s)速率3(2.4kbit/

6、s)速率4(1.2.kbit/s)每帧更新LPC子帧次数1111每次LPC子帧更新所需取样值160（20ms）160（20ms）160（20ms）160（20ms）每个子帧所占比特40201010每帧更新的音调合成子帧次数4210每次音调合成子帧更新所需取样值每个音调合成子帧所占比特数101010每帧更新的码表子帧次数8421每次码表子帧更新所需取样值20（2.5ms） 40（5ms） 80（10ms）160（20ms）每个码表子帧所占比特数1010106*3.1.3 AMR语音编码技术简介 AMR (Adaptive Multi Rate,自适应多速率)语音编码是由3GPP制定的应用于第三代

7、移动通信WCDMA和TD-SCDMA系统中的语音压缩编码。AMR的概念就是以更智能的方式解决信源编码和信道编码的速率分配问题，使得无线资源的配置和利用更加灵活和高效。也就是说，语音编码速率是信道质量的函数，即在不同的信道条件下，实际的语音编码速率不同。1 AMR支持的速率 AMR编码技术采用自适应算法选择最佳的语音编码速率。它支持八种速率：12.2kb/s，10.2kb/s，7.95 kb/s，7.40 kb/s，6.70 kb/s，5.90 kb/s，5.15 kb/s和4.75 kb/s，此外它还包括低速率（1.80 kb/s）的背景噪声编码模式，如表3-3所示：表3-3 AMR所支持的速

8、率编码模式信源编码速率AMR_4.754.75kb/sAMR_5.155.15 kb/sAMR_5.905.90 kb/sAMR_6.706.70 kb/s(PDC EFR)AMR_7.407.40 kb/s(TDMA EFR)AMR_7.957.95 kb/sAMR_10.210.2 kb/sAMR_12.212.2 kb/s(GSM EFR)AMR_SID1.90 kb/s2 实际系统中AMR语音传输处理 下图3-5为一个实际系统中的AMR语音处理框图，基站侧和移动台侧的AMR模型都是由以下的功能模块组成的：可变速率的语音编码器、可变语音编码器速率对应的可变速率信道纠错编码器、信道估计单元

9、与控制速率改变的控制单元。图3-5 采用AMR语音处理框图语音传输的具体过程如下：（1）上行链路：初始化后移动台以最低语音编码速率传输，有关的速率模式和下行信道质量信息送经信道编码器，并通过反向信道送给基站，基站首先进行信道解码，再进行语音解码。同时，对上行信道的质量进行信道估计，并检测出移动台送来的有关下行信道质量的信息，将此信息送给基站控制单元，以此决定下行信道的语音编码和信道编码速率。基站还根据测量得到的有关下行信道质量，请求上行信道的语音和信道编码速率。（2）下行链路：基站将当前下行链路的速率模式和上行链路需要的速率请求通过下行链路送给移动台，移动台根据监测到的下行速率模式进行语音和信

10、道解码。同时，移动台对下行信道的质量进行信道估计，并将结果送给基站。从此，语音编码器以新的请求速率进行工作。（3）信道估计：对上行和下行无线信道的质量进行估计，AMR选择最佳信道和编码模式以得到最佳的语音质量并充分利用系统容量。 3 AMR语音编码的关键技术（1）VAD：话音激活检测技术，用来检测语音通信时是否有话音存在，它是变速率语音编码中的关键。其基本原理是用部分语音编码参数和自带点评估计得到的能量信息与一个门限值做比较来检测信号帧是否为语音帧。（2）RDA：速率判决技术，主要包括SCR（信源控制速率）和CCR（信道控制速率），基本原理就是在无话和有话时采用不同的编码速率，从而降低平均速率。（3）ECU：差错隐藏技术，基本原理是在接收端对接收到的信号帧采用一定的方法进行差错控制，如果发现该帧是正常语音帧，则用相应的译码算法合成语