（电路与系统专业论文）第三代移动通信amr声码器的研究与开发.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a m r s p e e c hc o d e ri s an e w s p e e c hc o d e r r e c o m m e n d a t i o np r o d u c e db y3 g p pu s i n g o nt h e3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw - c d m a t h i s p a p e rm a i n l yd e a l w i t ht h ea l g o r i t h m so fa m r s p e e c h c o d e no nt h eb a s i so ft h es t u d yo nt h es p e e c hc o d e r a l g o r i t h m s ，p a p e rd e s c r i b ea na d v a n c e dm e t h o d o f d e v e l o p i n gd s ps y s t e ms o f t w a r e ，a n d a st h eg u i d l i n e s ，w ed e v e l o p e dt h ep r o g r a m m eo fw h o l ed e c o d e ru n i t p a p e rs t r e s so n a n a l y s i s o ft h ee c ui nd e c o d e r u n i t a i m i n g a ta m ra l g o r i t h m s d i s a d v a n t a g e o f a n g u l a r i t yo fs y n t h e t i c a ls p e e c h ，p a p e rs t u d y o nt h es p e c u t r a le x t r a p o l a t i o nw h i c ha p p l y t oe x t r a p o l a t er e f l e c tc o e m c i e n to ft r a c km o d e lt om a k ee r r o rc o n c e a lp r o c e s s i n go f a m r a tl a s t p a p e ra n a l y z ee x i s t i n g e c h oc a n c e l l a t i o n a l g o r i t h m su s i n go nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m a c c o r d i n g t od i f f e r e n t a l g o r i t h m s a n dd i f f e r e n t p a r a m e t e r s p a p e ra n a l y z e t h e e f f i c i e n c y o fa l g o r i t h m s ，a n ds i m u l a t et h ee c h o c a n c e l j a t j o nr e s u l t k e y w o r d ：a m rl i n e rp r e d i c ta n a l y t h s i s s p e e c hs y n t h e s i z a t i o n e c u e e h oc a n c e l l a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 语音编解码器简介 由于数字化的语音传输和存储，无论在可靠性，抗干扰，速交换，易保密和 廉价格等方面都远胜于模拟语音，现在已经非常清楚，在i s d n ( 综合业务数字网) ， 卫星通信，移动通信，微波接力通信和信息高速公路等系统中将无一例外地采用 数字化语音传输和存储。所以住不到5 0 年的时间里，语音编码已有了惊人的发展。 最早的标准化语音系统是速率为6 4 k b s 的p c n i 波形编码器，到九十年代中期，速 率为48 k b s 的波形与参数混合编码器，在语音质量上已经逼近前者的水平，且 已达到实用化阶段。 将语音作为一种信号来处理是语音信号处理的一个重要方面，也是语音编码 的基础。6 0 年代中期形成的一系列数字信号处理方法和算法，数字滤波器，陕速 博杜叶变换( f f i 、) ，与语音编码的要求是分不开的。7 0 年代初期产生了线陛 预测算法( l p c ) 。基于l p c 算法的线性预测声码器对语音产生模型的特征参数进 行编码，称为参数编码或模型编码。v q ( 矢量量化) 技术作为一种极其重要的信 号压缩方法也广泛的应用在语音编码中。 作为以卜几种主要技术的结合，1 9 8 5 年，m a n f r e dr s c h r o e d e r 和b is h n u s l ，。1 在i e e ei c a s s p 年会上首先提出了用码本作为激励源的线性预测编码技术 ( 【j ，) 。c e l p 以高质量的合成语音及优良的抗噪声和多次转接性能，住 4 8 1 6 k b s 速率上得到广泛的应用。1 9 8 8 年，美国政府标准语音编码标准在 1 8 k h s 速率采用有美国国防部与a t & t 贝尔实验室共同研制的c e l p 声码器 ( f e d s t d 1 0 1 6 ) ：1 9 8 9 年8 k b s 速率的北美数字移动通信全速率编译码器标准 采用修改的c e l p 技术矢量和激励线性预测编码( v e c t o rs u me x c i t e dl i n e a r p r e d i c t i v e c o d i n g ) ，缩写为v s e l p ；1 9 9 1 年i e e e 通过了用短延时码激励线性预 测编码( l o w d e l a yc o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i v ec o d i n g ) 缩写为l d c e l p 作为 1 6 k b s 语音编解码的标准。 语音编码质量是衡量语音编码算法优劣的关键性能之一。评价语音编码质量 的方法可以分为两类，即客观评定方法和主观评定方法。客观评定方法用客观测 量的于段来评价语音质量，常用的方法有信噪比，加权信噪比，平均分段信噪比 等。它们的特点是计算简单，但不能完全反映人对语音质量的感觉。主观评定方 法彳_ ；：合人类听话时对语音质量的感觉，目前得到了广泛的应用。常用的方法有平 均意见得分( m e a mo p i n i o ns c o r e ，简称m o s 得分) ，判断韵字测试( d i a g n o s t i c r h y n l et e s t ，简称d r t 得分) ，y - 0 断满意度测量( d i a g n o s t i ca c c e p t a b i l i t ym e a s u r e 翰称d a m 得分) 等。其r hm o s 得分采用五级评分标准，按照一定的标准，测 第一章绪论 第一章绪论 1 1 语音编解码器简介 由于数字化的语音传输和存储，无论在可靠性，抗干扰，速交换，易保密和 廉价格等方面都远胜于模拟语音，现在已经非常清楚，在i s d n ( 综合业务数字网) ， 卫星通信，移动通信，微波接力通信和信息高速公路等系统中将无一例外地采用 数字化语音传输和存储。所以住不到5 0 年的时间里，语音编码已有了惊人的发展。 最早的标准化语音系统是速率为6 4 k b s 的p c n i 波形编码器，到九十年代中期，速 率为48 k b s 的波形与参数混合编码器，在语音质量上已经逼近前者的水平，且 已达到实用化阶段。 将语音作为一种信号来处理是语音信号处理的一个重要方面，也是语音编码 的基础。6 0 年代中期形成的一系列数字信号处理方法和算法，数字滤波器，陕速 博杜叶变换( f f i 、) ，与语音编码的要求是分不开的。7 0 年代初期产生了线陛 预测算法( l p c ) 。基于l p c 算法的线性预测声码器对语音产生模型的特征参数进 行编码，称为参数编码或模型编码。v q ( 矢量量化) 技术作为一种极其重要的信 号压缩方法也广泛的应用在语音编码中。 作为以卜几种主要技术的结合，1 9 8 5 年，m a n f r e dr s c h r o e d e r 和b is h n u s l ，。1 在i e e ei c a s s p 年会上首先提出了用码本作为激励源的线性预测编码技术 ( 【j ，) 。c e l p 以高质量的合成语音及优良的抗噪声和多次转接性能，住 4 8 1 6 k b s 速率上得到广泛的应用。1 9 8 8 年，美国政府标准语音编码标准在 1 8 k h s 速率采用有美国国防部与a t & t 贝尔实验室共同研制的c e l p 声码器 ( f e d s t d 1 0 1 6 ) ：1 9 8 9 年8 k b s 速率的北美数字移动通信全速率编译码器标准 采用修改的c e l p 技术矢量和激励线性预测编码( v e c t o rs u me x c i t e dl i n e a r p r e d i c t i v e c o d i n g ) ，缩写为v s e l p ；1 9 9 1 年i e e e 通过了用短延时码激励线性预 测编码( l o w d e l a yc o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i v ec o d i n g ) 缩写为l d c e l p 作为 1 6 k b s 语音编解码的标准。 语音编码质量是衡量语音编码算法优劣的关键性能之一。评价语音编码质量 的方法可以分为两类，即客观评定方法和主观评定方法。客观评定方法用客观测 量的于段来评价语音质量，常用的方法有信噪比，加权信噪比，平均分段信噪比 等。它们的特点是计算简单，但不能完全反映人对语音质量的感觉。主观评定方 法彳_ ；：合人类听话时对语音质量的感觉，目前得到了广泛的应用。常用的方法有平 均意见得分( m e a mo p i n i o ns c o r e ，简称m o s 得分) ，判断韵字测试( d i a g n o s t i c r h y n l et e s t ，简称d r t 得分) ，y - 0 断满意度测量( d i a g n o s t i ca c c e p t a b i l i t ym e a s u r e 翰称d a m 得分) 等。其r hm o s 得分采用五级评分标准，按照一定的标准，测 第三代移动通信a m r 卢码器的研究与开发 i , t f l * t + 典聆杉，存听完测试语音后，五个等级中选择其中某一级作为他对所测语音 质量的评定。全体实验者的平均分就是所测的语音质量m o s 分。 语f i 编码的幕本问题就是要孑 ：给定编码速率的条件下，如何能得到尽量好的 匝建晤音质量，同时应尽量减少编解码延时以及算法的复杂程度。其实这四个因 素有着密切的联系，我们需要存不同的应用中对各个方而的侧重作出权衡。语音 编码的各利t 国际标准集中反映了语音编码技术的发展水平。标准的制定则是根据 应用背景，对于编码质量，编码速率，编码延时以及算法复杂程度等四个因素进 行综合权衡而作出的最优选择，以期在实际应用中获得最佳效益。本论文中讨论 臼勺a m r 语音编解码标准就是由3 g p p 所提出的应用在第三代移动通信w c d m a 系统中的语音编解码标准。 1 2数字移动通信系统中语音编解码器的应用现状及发展 随着数字蜂窝移动通信系统的广泛应用，人们越来越关心使用在移动通信系 统h 0 皓旨编觯码器。西欧，北美，和日本分别公布了数字蜂窝移动通信网用的全 速率语音编码标准，分别是1 3 k b sr p e l t p , 8 k b sv s e l p 和6 7 k b s v s e l p 算法。 i ” 止线带宽的限制，为了扩大系统通话容量，西欧和北美还在制定各自的半速 平：二i 1 绷鹏标准。所有这些算法都属于c e l p 型，但在码本结构和类型上有所不 f ? 1 j r p e l p c 是由e d f d e p r e t t e r e 和p e t e rk r o o n 在1 9 8 5 年i e e ei c a s s p 年会 上首先提出的。1 9 8 6 年k h e l l w i g r h o j m a n n 和p w a r y rs l u y t e r 等人在p k r o o n 抛出的规则脉冲激励编码的基础上，将它简化成实时算法，并用三片d s p 片实现 了编i 举码器。编码速率是1 6 k b s 。以后他们与c g a i a n dm r o s s o 等人合作，改进 dt ：u , ，加入了长时预测l t p ( l o n g t e r mp r e d i c t i o n ) ，并使速率降到1 3 k b s ，形成长 时预测规则脉冲激励( r p e l t p ) 编码方案。它的特点是算法简单，语音质量达 到了通信等级。r p e l t p 在1 9 8 8 年被确立为泛欧标准全速语音编码方案，称为 g s m 标准。 r p e l p c 与m p l p c 有相似之处，它们都是用搜索出来的激励脉冲序列作为 激励信弓源。图1 1 是它的编，解码器示意图。语音信号经过p 阶逆率波器后得 到余量信号r ( n ) 。v ( n ) 表示激励序列，r ( n ) 与v ( n ) 的误差输入到综合加权滤波器 h ( z i t ) ，输出综合加权误差e ( ) 。优化的过程就是调整激励序列v ( n ) ，使p ( ”) 在 一定范围内所取的平方和最小。 第三代移动通信a m r 卢码器的研究与开发 i , t f l * t + 典聆杉，存听完测试语音后，五个等级中选择其中某一级作为他对所测语音 质量的评定。全体实验者的平均分就是所测的语音质量m o s 分。 语f i 编码的幕本问题就是要孑 ：给定编码速率的条件下，如何能得到尽量好的 匝建晤音质量，同时应尽量减少编解码延时以及算法的复杂程度。其实这四个因 素有着密切的联系，我们需要存不同的应用中对各个方而的侧重作出权衡。语音 编码的各利t 国际标准集中反映了语音编码技术的发展水平。标准的制定则是根据 应用背景，对于编码质量，编码速率，编码延时以及算法复杂程度等四个因素进 行综合权衡而作出的最优选择，以期在实际应用中获得最佳效益。本论文中讨论 臼勺a m r 语音编解码标准就是由3 g p p 所提出的应用在第三代移动通信w c d m a 系统中的语音编解码标准。 1 2数字移动通信系统中语音编解码器的应用现状及发展 随着数字蜂窝移动通信系统的广泛应用，人们越来越关心使用在移动通信系 统h 0 皓旨编觯码器。西欧，北美，和日本分别公布了数字蜂窝移动通信网用的全 速率语音编码标准，分别是1 3 k b sr p e l t p , 8 k b sv s e l p 和6 7 k b s v s e l p 算法。 i ” 止线带宽的限制，为了扩大系统通话容量，西欧和北美还在制定各自的半速 平：二i 1 绷鹏标准。所有这些算法都属于c e l p 型，但在码本结构和类型上有所不 f ? 1 j r p e l p c 是由e d f d e p r e t t e r e 和p e t e rk r o o n 在1 9 8 5 年i e e ei c a s s p 年会 上首先提出的。1 9 8 6 年k h e l l w i g r h o j m a n n 和p w a r y rs l u y t e r 等人在p k r o o n 抛出的规则脉冲激励编码的基础上，将它简化成实时算法，并用三片d s p 片实现 了编i 举码器。编码速率是1 6 k b s 。以后他们与c g a i a n dm r o s s o 等人合作，改进 dt ：u , ，加入了长时预测l t p ( l o n g t e r mp r e d i c t i o n ) ，并使速率降到1 3 k b s ，形成长 时预测规则脉冲激励( r p e l t p ) 编码方案。它的特点是算法简单，语音质量达 到了通信等级。r p e l t p 在1 9 8 8 年被确立为泛欧标准全速语音编码方案，称为 g s m 标准。 r p e l p c 与m p l p c 有相似之处，它们都是用搜索出来的激励脉冲序列作为 激励信弓源。图1 1 是它的编，解码器示意图。语音信号经过p 阶逆率波器后得 到余量信号r ( n ) 。v ( n ) 表示激励序列，r ( n ) 与v ( n ) 的误差输入到综合加权滤波器 h ( z i t ) ，输出综合加权误差e ( ) 。优化的过程就是调整激励序列v ( n ) ，使p ( ”) 在 一定范围内所取的平方和最小。 第一章绪论 ( a ) 蝈一( 雪 预测系数 ( b ) 剀1 - 1 规则脉冲激励编解码器原理框图 由上述内容可知，g s m 采用主观加权最小均方误差准则逼近原始语音波形，具 有波形编码的特点，因此有较好的自然度，并对噪声及多人讲话不敏感。它采用 长时预测，对数面积比量化等一系列措施，是其在1 3 k b s 速率上得到相当好的语 音编码质量，其主观评分( m o s ) 达3 8 。它的抗误码性能较好，不加任何纠错 情况下，误码率达1 0 。3 时编码器的语音质量基本不下降。加纠错保护后，在2 2 8 k b s 速率上，误码率在1 0 “情况下语音质量下降不多。 1 9 8 9 年，m o t o r o l a 的8 k b s 矢量和激励线性预测编码( v s e l p ) 方案被选为北 美第- - 4 4 数字移动通信( i s 5 4 ) 全速率编译码器标准。它的编码方案和算法与美 国政府标准4 8 k b sc e l p 编码器f e d s t d 1 0 1 6 基本相同。针对8 k b s 比4 8 k b s 有更多的比特用于编码的特点，相应的在方案的具体实施上也有所改进。为了使 用比较大的码本来对激励信号源进行编码，同时希望存储量和计算量都比较小， 它采用了两个结构化的随机码本。这样再加上自适应码本，在v s e l p 中总共用 了三个激励码本。并对三个码本的增益采用矢量量化。v s e l p 编译码器的原理框 图如下： 感觉加权滤 涟器 图1 2e i a t i av s e l p 编译码器原理框图 第三代移动通信a m r 声码器的研究与开发 v s e l p 编译码器是一个比较好的c e l p 实施方案，它保留了c e l p 高效率编 码的优点，同时使计算量比普通的c e l p 减少了许多。该方案能在4 8 8 k b s 编码 速率上给出相当满意的编码语音质量。 在最初第二代数字移动通信系统中，分别作为g s m 和北美第一代数字移动 通信系统中的语音编解码标准分剐在各自的速率上达到了m o s 分3 7 和3 8 的水 平，都达到通信等级。随着移动通信的发展，在以后欧洲g s m 移动通信系统中 采用了更好的e f r 语音编码标准，北美第二代数字移动通信系统( i s 9 5 ) 采用 了高通公司的q c e l p 语音编码标准，这种算法不仅可工作于4 4 8 8 9 6 k b i t s 等固定速率上，而且可变速率地工作于8 0 0 b i t s 9 6 0 0 b i t s 之间。第三代移动 通信系统中采用的语音编解码标准都使用了可变速率技术，它可以有效的扩展系 统容量，降低终端的用电量。 1 3 第三代移动通信系统及其中使用的语音编解码器 移动通信经历了第一代的模拟系统，目前处于第二代系统发展的高峰时期， 并f 准备向第三代发展演进。经过近十年的研究，特别是从1 9 9 7 年起，第三代移 动通信的基本框架、网络技术、主要特征、业务种类已经基本成形。这种网络的 传输速率为2 m ，较之第二代移动网络，速率提高了- n 两个量级，使其可以强 劲支持除基本话音业务以外的多媒体、快速上网等多种新兴业务。它的频谱利用 率高，服务质量好，能够实现全球无缝漫游 l3 13 g 的三大主流标准 ( 1 ) c d m a 2 0 0 0 北美4 家大公司l u c e n t 、m o t o r o l a 、n o r t e l 、q u a l c o m m 提出了c d m a o n e 2 0 0 0 的建议。它受到h n s 、n o k i a 、s a m s u n g 、h i t a c h i 等公司的支持。建议采用多载 波d s c d m a ，射频信道带宽为1 2 5 5 1 0 2 0 m h z ，p n 码片速率为1 2 2 8 8 3 6 8 6 4 7 3 7 2 8 1 4 7 4 5 6m b i t s 。用户比特率为9 6k b i t s 2 m b i t s ，帧仅 为2 0m s 。扩频调制为q p s k ，解调为连续导频符号辅助的相干检波。功率控制采 用开环及快速闭环控制，上下链路均如此。在基站分集采用r a k e 接收及天线分 集。扩频码为i q 短p n 码及长p n 码。正交码为w a l s h 码。信道编码为卷积码 ( k = 9 ，r = 1 4 ，1 3 ) ，对高速数据也考虑用t u r b o 码，语声编码采用e 、i r c 。 多载波的目的在于将5 m h z 分为三个1 2 5 m h z 带宽的信道，以便与i s 9 5 后向兼 容，可以共存或重叠。基站同步则基于g p s 。 ( 2 ) w c d m a n t t d o c o m o 提出的建议为相干多码率宽带c d m a ( w c d m a ) 。多频带 第三代移动通信a m r 声码器的研究与开发 v s e l p 编译码器是一个比较好的c e l p 实施方案，它保留了c e l p 高效率编 码的优点，同时使计算量比普通的c e l p 减少了许多。该方案能在4 8 8 k b s 编码 速率上给出相当满意的编码语音质量。 在最初第二代数字移动通信系统中，分别作为g s m 和北美第一代数字移动 通信系统中的语音编解码标准分剐在各自的速率上达到了m o s 分3 7 和3 8 的水 平，都达到通信等级。随着移动通信的发展，在以后欧洲g s m 移动通信系统中 采用了更好的e f r 语音编码标准，北美第二代数字移动通信系统( i s 9 5 ) 采用 了高通公司的q c e l p 语音编码标准，这种算法不仅可工作于4 4 8 8 9 6 k b i t s 等固定速率上，而且可变速率地工作于8 0 0 b i t s 9 6 0 0 b i t s 之间。第三代移动 通信系统中采用的语音编解码标准都使用了可变速率技术，它可以有效的扩展系 统容量，降低终端的用电量。 1 3 第三代移动通信系统及其中使用的语音编解码器 移动通信经历了第一代的模拟系统，目前处于第二代系统发展的高峰时期， 并f 准备向第三代发展演进。经过近十年的研究，特别是从1 9 9 7 年起，第三代移 动通信的基本框架、网络技术、主要特征、业务种类已经基本成形。这种网络的 传输速率为2 m ，较之第二代移动网络，速率提高了- n 两个量级，使其可以强 劲支持除基本话音业务以外的多媒体、快速上网等多种新兴业务。它的频谱利用 率高，服务质量好，能够实现全球无缝漫游 l3 13 g 的三大主流标准 ( 1 ) c d m a 2 0 0 0 北美4 家大公司l u c e n t 、m o t o r o l a 、n o r t e l 、q u a l c o m m 提出了c d m a o n e 2 0 0 0 的建议。它受到h n s 、n o k i a 、s a m s u n g 、h i t a c h i 等公司的支持。建议采用多载 波d s c d m a ，射频信道带宽为1 2 5 5 1 0 2 0 m h z ，p n 码片速率为1 2 2 8 8 3 6 8 6 4 7 3 7 2 8 1 4 7 4 5 6m b i t s 。用户比特率为9 6k b i t s 2 m b i t s ，帧仅 为2 0m s 。扩频调制为q p s k ，解调为连续导频符号辅助的相干检波。功率控制采 用开环及快速闭环控制，上下链路均如此。在基站分集采用r a k e 接收及天线分 集。扩频码为i q 短p n 码及长p n 码。正交码为w a l s h 码。信道编码为卷积码 ( k = 9 ，r = 1 4 ，1 3 ) ，对高速数据也考虑用t u r b o 码，语声编码采用e 、i r c 。 多载波的目的在于将5 m h z 分为三个1 2 5 m h z 带宽的信道，以便与i s 9 5 后向兼 容，可以共存或重叠。基站同步则基于g p s 。 ( 2 ) w c d m a n t t d o c o m o 提出的建议为相干多码率宽带c d m a ( w c d m a ) 。多频带 第一章绪论 d s - - c d m a 采用1 2 5 5 l o 2 0 m h z 带宽。小区之间为异步运行，扩频码片速 率为1 0 2 4 4 0 9 6 8 0 1 9 2 1 6 3 8 4 m b i t s ，多码率业务高达2 m b i t s 。扩频码 信道化为长码短码。调制为基于导频码的相干q p s k ，信道编码为卷积码( r - - - - - l 3 ，k = 7 ) 及r s 级连码( r = 9 1 0 ) 。分集采用r a k e 接收加天线分集。功 率控制采用基于s i r 的快速控制。交织帧长为1 0m s 。此建议受到日本富士、松 下及n e c 等公司的支持。现在欧洲爱立信等公司已与n t t d o c o m o 公司合作， 共同提出r t t 采用w c d m a ，而核心网络则沿用g s m 的网络平台：其目的在 于能从g s m 演进到3 g 。 ( 3 ) t d s c d m a 由我国提出，技术特点为时分双工，应用同步和智能天线技术。这种制式的优 点是很适合于不对称业务比如说下行业务多、上行业务少，能够节省频道资 源。缺点是不适合人烟稀少的地区和高速移动的状态 1 3 2c d m a 2 0 0 0 中使用的语音编解码器e v r c e v r c 也是一种多速率语音编解码器，它应用在第三代移动通信系统 c d m a 2 0 0 0 中。码片速率从0 8 k 到8 5 5 ki s 1 2 7 的e v r c 声码器是基于r c e l p 算法的。和普通c e l p 算法相比较，r c e l p 中使用了波型匹配技术。它是通过 匹配一个原始残差信号来实现此波型匹配的。另外，基音周期的内插使的在传送 每一帧时只有一个基音周期参数。所以在基音周期方面，用很少的比特来传送基 音周期信息。声码器的输入和输出都遵从g 7 1 l 的p c m 信号，采样率8 k h z ，每 个样点1 6 b i t 。编解码延时小于等于2 0 m s 。r c e l p 的进步提高了c d m a 系统( 例 如i s 一9 5 ) 的可变速率操作和顽健性。可以看出e v r c 也是一种非常有效的语音 编解码器，作为第三代移动通信系统c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 的语音编解码器， e v r c 和a m r 是无论从语音质量还是算法的复杂度来说都处于同一水平。 1 4 研究工作概要和章节安排 1 4 1 主要工作 a m r 语音编解码标准是3 g p p 提出的第三代移动通信系统w c d m a 的语音编解码 标准。本文主要对a m r 语音编解码算法进行了分析和研究。在此基础上，描述了一 种较为先进的大型d s p 系统程序开发策略，并以此为指导思想，基于美国t i 公司 c 6 0 0 0 d s p 开发平台开发出了整个a m r 解码器单元的系统程序。论文对a m r 解码器 的误码隐藏处理单元进行了重点分析，针对原有算法合成语音自然度不好的缺点， 将谱外推法应用到a m r 箕法中外推出声道模型反射系数参数进行误码消除处理。 最后，文章分析了现有移动通信中的回波抵消算法，针对不同的算法和算法中的不 同参数，研究了它们在工程应用中的计算量，并进行了回波抵消效果的的仿真。 第一章绪论 d s - - c d m a 采用1 2 5 5 l o 2 0 m h z 带宽。小区之间为异步运行，扩频码片速 率为1 0 2 4 4 0 9 6 8 0 1 9 2 1 6 3 8 4 m b i t s ，多码率业务高达2 m b i t s 。扩频码 信道化为长码短码。调制为基于导频码的相干q p s k ，信道编码为卷积码( r - - - - - l 3 ，k = 7 ) 及r s 级连码( r = 9 1 0 ) 。分集采用r a k e 接收加天线分集。功 率控制采用基于s i r 的快速控制。交织帧长为1 0m s 。此建议受到日本富士、松 下及n e c 等公司的支持。现在欧洲爱立信等公司已与n t t d o c o m o 公司合作， 共同提出r t t 采用w c d m a ，而核心网络则沿用g s m 的网络平台：其目的在 于能从g s m 演进到3 g 。 ( 3 ) t d s c d m a 由我国提出，技术特点为时分双工，应用同步和智能天线技术。这种制式的优 点是很适合于不对称业务比如说下行业务多、上行业务少，能够节省频道资 源。缺点是不适合人烟稀少的地区和高速移动的状态 1 3 2c d m a 2 0 0 0 中使用的语音编解码器e v r c e v r c 也是一种多速率语音编解码器，它应用在第三代移动通信系统 c d m a 2 0 0 0 中。码片速率从0 8 k 到8 5 5 ki s 1 2 7 的e v r c 声码器是基于r c e l p 算法的。和普通c e l p 算法相比较，r c e l p 中使用了波型匹配技术。它是通过 匹配一个原始残差信号来实现此波型匹配的。另外，基音周期的内插使的在传送 每一帧时只有一个基音周期参数。所以在基音周期方面，用很少的比特来传送基 音周期信息。声码器的输入和输出都遵从g 7 1 l 的p c m 信号，采样率8 k h z ，每 个样点1 6 b i t 。编解码延时小于等于2 0 m s 。r c e l p 的进步提高了c d m a 系统( 例 如i s 一9 5 ) 的可变速率操作和顽健性。可以看出e v r c 也是一种非常有效的语音 编解码器，作为第三代移动通信系统c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 的语音编解码器， e v r c 和a m r 是无论从语音质量还是算法的复杂度来说都处于同一水平。 1 4 研究工作概要和章节安排 1 4 1 主要工作 a m r 语音编解码标准是3 g p p 提出的第三代移动通信系统w c d m a 的语音编解码 标准。本文主要对a m r 语音编解码算法进行了分析和研究。在此基础上，描述了一 种较为先进的大型d s p 系统程序开发策略，并以此为指导思想，基于美国t i 公司 c 6 0 0 0 d s p 开发平台开发出了整个a m r 解码器单元的系统程序。论文对a m r 解码器 的误码隐藏处理单元进行了重点分析，针对原有算法合成语音自然度不好的缺点， 将谱外推法应用到a m r 箕法中外推出声道模型反射系数参数进行误码消除处理。 最后，文章分析了现有移动通信中的回波抵消算法，针对不同的算法和算法中的不 同参数，研究了它们在工程应用中的计算量，并进行了回波抵消效果的的仿真。 第三代移动通信a m r 声码器的研究与开发 1 4 2 章节安排 全文共分五章，第一章为绪论，简要介绍移动通信中的声码器的发展历史和 应用前景及发展方向。第二章，介绍了a m r 语音编解码标准的概况。第三章重点 分析了解码器单元算法，描述了整个解码器单元程序的开发和优化过程。第四章， 介绍了谱外推法应用于a m r 声码器中进行误码消除处理的研究与探索。在第五章， 介绍了移动通信中回波抵消算法，并给出了分析和仿真结果，并介绍了其软件的实 现。 第二章a m r 语音编解码器原理概述 第二章a m r 语音编解码器原理概述 2 1a m r 语音编解码器在w c d m a 系统中的位置及功能 a m r 语音编解码器作为w c d m a 系统中的关键技术，在系统的移动交换子 系统中处于相当重要的地位。一般的，在移动通信系统中，语音编解码器的位置 有三种，分别位于交换机，基站或基站控制器中。不同的语音编解码器位置决定 了系统中各接口交换数据的形式是p c m 码流，还是编码后的比特流。本次开发的 a m r 语音编解码器位于移动交换子系统中，与a a l 2 适配层交换模块一起构成系统 的话音业务适配模块。以下是话音业务处理( 适配) 示意图 图2 - 1 话音业务处理( 适配) 示意图 a a l 2 话音信元经过a t m 接口电路进入a a l 2 复接分接电路，a a l 2 复接分接 电路中，对复用在a a l 2 信元中的用户话音信号进行分离，并把它们送入不同的缓 冲器队列，再经a m r 语音压缩编解码器转换为6 4 k b p s 信号，多路用户的6 4 k b p s 话音信号复用成8 m 3 2 mp c m 信号送往s t m 模块，通过s t m 模块交换后送往p s t n 或i s d n 网络。由p s t n 或i s d n 网络来的用户话音信号需要执行相反的操作。 2 2a m r 语音编解码器的系统组成及工作原理 a m r 语音编码算法是3 g p p 所提出的第三代移动通信语音编码标准，它由多速 率语音编码器、含有语音激活检测器( v a d ) 与舒适背景噪声( s i d ) 产生系统的源控 速率方案( s c r ) 和能减小传输误码与包丢失对合成语音影响的错误消除机制( e c u ) 三大部分组成。其中多速率语音编码器是一个编码速率从4 7 5 k b p s 到1 2 2 k b p s 和背景噪声低速率编码模式( 1 8 k b p s ) 的一个整体语音编解码器，它允许每一帧信 第二章a m r 语音编解码器原理概述 第二章a m r 语音编解码器原理概述 2 1a m r 语音编解码器在w c d m a 系统中的位置及功能 a m r 语音编解码器作为w c d m a 系统中的关键技术，在系统的移动交换子 系统中处于相当重要的地位。一般的，在移动通信系统中，语音编解码器的位置 有三种，分别位于交换机，基站或基站控制器中。不同的语音编解码器位置决定 了系统中各接口交换数据的形式是p c m 码流，还是编码后的比特流。本次开发的 a m r 语音编解码器位于移动交换子系统中，与a a l 2 适配层交换模块一起构成系统 的话音业务适配模块。以下是话音业务处理( 适配) 示意图 图2 - 1 话音业务处理( 适配) 示意图 a a l 2 话音信元经过a t m 接口电路进入a a l 2 复接分接电路，a a l 2 复接分接 电路中，对复用在a a l 2 信元中的用户话音信号进行分离，并把它们送入不同的缓 冲器队列，再经a m r 语音压缩编解码器转换为6 4 k b p s 信号，多路用户的6 4 k b p s 话音信号复用成8 m 3 2 mp c m 信号送往s t m 模块，通过s t m 模块交换后送往p s t n 或i s d n 网络。由p s t n 或i s d n 网络来的用户话音信号需要执行相反的操作。 2 2a m r 语音编解码器的系统组成及工作原理 a m r 语音编码算法是3 g p p 所提出的第三代移动通信语音编码标准，它由多速 率语音编码器、含有语音激活检测器( v a d ) 与舒适背景噪声( s i d ) 产生系统的源控 速率方案( s c r ) 和能减小传输误码与包丢失对合成语音影响的错误消除机制( e c u ) 三大部分组成。其中多速率语音编码器是一个编码速率从4 7 5 k b p s 到1 2 2 k b p s 和背景噪声低速率编码模式( 1 8 k b p s ) 的一个整体语音编解码器，它允许每一帧信 第三代移动通信a m r 声码器的研究与开发 号( 2 0 m s ) 的编码速率可以不同，是a m r 语音编码标准核心。a m r 语音编码器典型功 能框图如图2 2 所示： r 一一一一一一一t 一一一一 二 0 6 5 ，语音延长计数器复位( 置o ) 。 ( 5 ) 计算平滑控制参数 为了消除误码造成的增益的剧烈突变，标准在计算平滑控制参数时进行了相应 的处理。控制参数的计算公式为 女。= m i n ( 心，m a x ( 0 ，d i f f m 一局) ) 如 ( 3 1 2 1 其中 l o4 0没有误码 k l = i o 5 5，有误码 k 2 = n 2 5 蛳 删 舢 删 帅 p 仔 p p p 第三章解码器单元工作原理及实现 ( 6 ) 根据当前语音状态和频谱变化率修正控制参数 。 如果啦 o 6 5 或语音延长计数器没有达到4 0 ( 需要延长的时间少于1 0 帧) ，则 不进行平滑，即“m = 1 0 ( 7 ) 计算分帧代数码矢量增益均值 为了使合成语音在误码时或背景噪声时输出的幅度变化更平滑，标准中计算代 数码矢量增益均值时采用不同的计算公式，即： 蚕) = 4 0 , 2 0 0 + 誊。m f x 无误码 l = o 7 o 1 4 3 + 富。m f l 有误码 ”o ( 3 1 3 ) ( 1 ) 计算平滑后代数码矢量增益： 量。= 营。k 。+ 蚕。( 1 一k 。) ( 3 一1 4 ) 3 2 7 代数码矢量相位弥散 由码书结构可知，7 9 5 ，6 7 0 ，5 9 0 ，5 1 5 ，4 7 5 k b p s 模式中代数码矢量中非零 样点数非常有限，用这样的激励序列仿真语音产生过程中的噪声成分会导致合成 的语音机器声比较明显( 非零值少，激励序列不够随机，但是合成语音的能量和原 始语音的能量基本保持相同，这样就会导致听觉上不自然的合成语音) ，为了消弱 这种情况的影响，标准中对代数码矢进行脉冲相位弥散处理f 抗稀疏处理) 。其处理 步骤为： ( 1 ) 根据当前分帧基音增益( 自适应码矢量增益) 选取相位弥散处理程度 i f 基音增益 o 9i m p n r = 2 ( 不进行相位弥散处理) ： e l s ei f 基音增益 o 6i m p n r = 1 ( 进行中等相位弥散处理) ： e l s e i m p n r = 0 ( 进行强相位弥散处理) 。 这样做的理由是当自适应码矢量的增益较大时，说明当前分帧的周期性比较 强，和自适应码矢量相比，代数码矢量对合成语音的贡献比较小，可以放松考虑 其稀疏脉冲所造成的影响。 ( 2 ) 根据代数码矢量的增益修正相位弥散处理程度控制参数i m p n r i f 当前分帧代数码矢量增益 o n f a c t * 前一分帧代数码矢量增益 设置不需要进行相位弥散处理的时间o n s e t ( 以分帧数量为单位) = 2 ； e l s e i f 不需要进行相位弥散处理的时间o n s e t 0 不需要进行相位弥散处理的时间o n s e t i f 可能需要进行相位弥散处理( o n s e t = = 0 ) 检查连续5 个分帧中自适应码矢量增益低于某一门限的次数n 1 1 m ， 第三代移动通信a m r 声码器的研究与开发 检查连续5 个分帧中自适应码矢量增益低于某- - i j 限的次数n u l n ， 如果n u m 2 ，则要进行强处理，即i m p n r = 0 i f 可能需要进行相位弥散处理f o n s e t = = o ) 并且当前分帧所要进行的弥散处理 程度弱丁二前一分帧 当前相位弥散处理程度增加i m p n r i f 不需要进行相位弥散处理的时间o n s e t 0 并且当前分帧需要进行相位 弥散处理i m p n r ! = 2 当前相位弥散处理程度下降i m 口n r + + ； i f 当自u 分帧代数码矢量增益很弱 不需要进行相位弥散处理i m p n r = 2 ： i f 当前分帧是4 7 5 k b p s ，5 1 5 k b p s ，5 9 0 k b p s 模式下的非误码帧、非背景噪 声帧和语音延长时间已经超过3 帧 要进行强处理，即i m p n r = 0 ： 这样处理考虑了4 5 7 k b p s ，5 1 5 k b p s ，5 9 0 k b p s 模式稀疏脉冲的影响，而对于 其它模式则根据代数码矢量对合成语音的贡献( 即其对听觉的影响) ，采取相应程度 的相位弥散处理。 ( 3 ) 相位弥散处理 除了1 2 2 k b p s ，1 0 2 0 ，7 4 0 k b p s 模式，如果需要进行相位弥散处理( i m p