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基于DSP的低速率语音编码分析.pdf

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沈刚航空航天大半砸十学位论文摘要近年来,随着信息化社会和通信技术的快速发展.人们对通信需求的不断增加,在各种通信系统中,频率资源变得越来越宝贵。目前,话音通信仍然为主要的通信业务.因此语音压缩技术也一直是人们的研究热点。人们迫切地要求在低速率上获得高质量的合成语音。以上这些情况对低速率语音编码提出了更高的要求。在众多低速率编码方法中,混合激励线性预测MgLP-Mixed Excitation LinearPrediction声码器具有低码率、低时延、低复杂度等优点。M£LP算法是非常优秀的低速率语音编码方法,它是在原有的LPC编码的基础上,引入多带混合激励、非周期脉冲、蛙差谐波处理技术、自适应谱增强技术以及眯冲整形滤波技术。采用了一种新的更为符合人发昔机制的语音生成模型来台成语音,使合成语音与碌始语音的匹配度更高.从而较好的降低了语音编码的速率。本论文对MELP的语音编解码算法的原理作了比较深入的研究.对基音周期的提取做了相应的改进,并作了仿真分析,最后用MATLAB软件实现了该算法的功能,同时编制和调试了MELP算法的c语占程序,以美国德州仪器T1公司的T\1S320VC5509为平台,使用TLV320AIC23对语音信号进行采集通过McBSP将采集的数字语音信号传送给TMS320VC5509在TMS320VC5509上实现语音MELP算法,并给出算法在DSP上的仿真结果。并对算法的实时实现出现的运算量大的问题,提出了算法实现的代码优化方法。关键词语音编码;混合嫩励线性预测声码器__~沈刚航空航犬人学硕学何论文AbstraetIn recent years.ulth the ination society and communication technology rapiddevelopment,With the increase requirement ofcommunication,the communication resourcesbecome more and more raritNow speech communication is still an importantoperation thus.speech compression appeals more people to regard on it for a long time Highquality synthefical speech on low bit rate is aspiringthese conditions of Iov,rate speechcoding put南r、~ard higher requirementsAmong the mang low-rate coding Mixed Excialion Linear Prediction codeeⅥlthlow bit rate】on delay Io,a complexit3 etc So MELP algorithm is one of the、ery best lowrate speech coding It is encoded in the original ofLPC、the introduction ofmult;-hartd mixedexcitation.aperiodic pulses.residual harmonic processing zdapti、e spectral enhancementtechniques and pulse shaping filtering Adopted a new mechanism is more consistent withhuman voice pronunciation model to generate synthetic speech s3nthetic speech to match theoriginaI voice ofthe high degree oforder to bener achieve the lo,x hit tale speech codingIn this paper.the thesis mairdy more in depth study the theory.of MELP、oine codingalgorithms and the extraction of the pitch improvement made Besides that simulationanalysis of algorithmis presented by usingMatlab Thisthesis alse wTotethe C programforthe MELP algorithm So based on the C program.this thesis implements the MELP algorithmon the TMS320VC5509 DSP of Texas Instruments TI company Make use of TLV320AT23pick the voice signal and by means ofMcBSP will be pick voice signal that is transmitted tothe TMS320VC5509 at last.implemented on the TMS320VC5509 voice MELP algorithmand the results of the simulation Real·time implementation of algorithm for computer largeproblems arise the code proposed algorithm optimization Kewords Speech Codingl Mixed ilatinnl Linear PredictionVocoder;洗13 EI航空航天人学硕十学俺论文第1章绪论目 录1 I课题米源,选题意义 1l 2低速率语音编码技术的发展状况 11 3低速率语音编码器的晟新成果 31 4本课题的主要工作 4第2章蜒LP声码器语音压缩编码算法...62 1IELP语音压缩编码算法由束 62 2 MELP声码器算法的五大特点 72 21混合的脉冲和噪声激励 .... 72 2 2采用周期或非周期脉冲82 2 3目适应谱增强技术 82 2 4味冲散布滤波器 92 2 5残差谐波幅度 92 3 ltELP声码器编码算注过程中参数未量化的处理 92 3 1 MELP声码器编码算法的原理框图 92.3 2去直流滤波 112 3 3基音周期的提取 122 3 4各频带语音的分析及清浊音判决 202 3 5线性预测LPC分析 242 3 6硅差信号的处理 262.3 7增盏的处理 27第3章皿LP编码算法中对参数的量化以及差错控制方式..283 1语音编码中的标量量化方法 283 2语音编码中的矢量量化方法 283.3线性预测系数的量化 293 3 l时间域LPc预测系数到频率域LSP的转化 303 3 2线谱频率参数LSP的量化 313 4基音周期量化 313 5增益的量化 323.6各子带清/浊L/V音混合比例的量化 32洗月I航空航天人学硕十学位论文3 7博早叶级数幅度的量化 333 8纠错处理 34第4章衄LP的解码算法3641 MELP解码算法过程的框图 364.2信道解码以及错误校诈4.9台成环路控制4】0基音周期改进以及语音合成实现第5章在DSP芯片上实现MBLP声码器算法51系统结构与原理框图 .. 4352 TMs320vc5j00DsP内核的结构及特点 445 3声音采集模块 455.4外部存储器模块 465.41 VC5509与SDRL~I的连接 465.4 2 VC5509与串行EEPROM的连接 475 5系统软件设计 485 51集成开发环境CCS .485 5 2系统的软件结构 495.5 3系统的初始化 505.6在DSP上的MELP编解码程序设计 525 7 MELP声码器算法仿真 555 8算法实现过程中的优化 .. 565.81存储区的优化 575 8 2代码的优化 .. 参考文献致谢.j8646567拍卯”卯弼粥~¨~¨~~¨¨¨h¨一¨”~~~~~~一¨¨¨¨一¨h¨¨一¨¨¨一~~~~~一~~~~~●●¨h¨h¨¨..¨.码~成一~~译~生成~波及~的合~滤制值励测整布抑插激顸调敏益数合性益冲增参混线增脉34j石7盘i;,‘’’i.苎攻读硬士期间发表含录用的学术论文68沈Ri航空航犬J、学硕十学位论文第l章绪论1_1课疆来源,选题意义随着数字时代的普及和信息的高速发展,应用最早和最广泛的语音编码是PcM脉冲编码调制 。国际电报电话咨询委员会/CCITT于1972年制定了G 711建议规定了A律和∥律这两种PCM编码,都是非线性量化的PCM编码方法,北美、同本使用Ⅳ律压扩方法,其他国家和地区使用A律压扩方法。编码器输出的速率都是64kb/s。而且刚对于促进通信的数字化、推动通信和信息技术的迅速发展曾起到重要的作用。但是.由于PCM的编码速率过高t占用信道的带宽过大.不再适应于通信和信息的更快发展,为了压缩编码速率t减少传辅占用的带宽.人们一直致力于研究开发新的语音编码技术。这种强烈妁客观需求是推动语音编码技术迅速发展的巨大动力。最近几年来. 随着数字时代的飞快发展,对于有限的频率资源,越来越显得宝贵。这样摆在我们面前的挑战就是.如何在有限的资源条件下.更进一步压缩传输数字语音信号的带宽.从而柬达到,降低传输速率的目的.一直是我们研究者的追求目标,这其中以研究的最大热点是要以研究高质量的低速率编码技术;1.2低速率语音编码技术的发展状况语音编码是语音信号处理技术的一个非常重要的组成部分,按照语音倩号进行压缩处理,然后进行传输或存储,所达§Ⅱ的数据速率即比特率进行的编码分类方法。可以大致将语音编码分为以下3种参数的编码、波形的编码、混合的编码。分别对应为低速率语音编码编码速率在4 8Kb/s以下j,高速率语音编码编码速率在32Kb/s吼上,中速率语音编码编码速率在4.8~32Kb/s之问。20世纪30年代术期,随着社会的发展.尤其要提高军事保密通信的需求,贝尔电话实验室的Homor Dudley提出脉冲编码调制原理以及声码器的概念。并实现了在低带宽的电话电报电缆上,传输话音信号的通道声码器。尤其急需要完善信号带宽,解决传输干扰的问题t于是推动加快数字通信网的发展.当然也提高了低速率语音编码的迅速发展。洗F I辘空航犬人学项十学恤论文进入20世纪80年代.出于有线技术光纤传输技术的发展,很好的解决了有线信道通信容量的问题。但与此同时,人们对无线信道.比如.无线信道的通信。价格很高的卫星信道,保密通信的军事信道的需求不断增加。特别是对智能信息网的提出,各种与语音应用服务相关的新业务不断涌现,从而要求对语音信号的数据能被灵活处理。相关的低速率语音编码技术得到飞快的发展。比如,多媒体技术,移动通信技术,智能网技术,卫星通信技术.保密通信等。近年来,低速率语音编码技术在研究思路上有了很大的进展。这些技术的笈展基本上都是治着4个方同即.码激励线性预测编码CELP模型。,正弦波激励模型.插值编码模型.混合激励线性预测编码MELP模型。通常的低速率编码都是在以上4个模型基础上进行的改动.然后加上一些特殊的相关技术,比如.语音信号激励的划分,参数的联合矢量量化,残差信号处理,谱增强技术等。1码激励线性预测编码CELP5原理是它用线性预测技术提取声道参数,用一个包括根多典型的激励矢量的码书作为激励信号。经过开环的方法和闭环的方法柬确定基音预测器的参数,通过多次的搜索,从而得到的两个晟佳的码矢量.晟后在这得到的两个码矢量的基础上,再乘以它们各自的虽佳增益,最后再相加起柬,这样就获得了CELP的激励信号。码激励线性预测编码CELP的优点是对台成的语音来髓,可以得到很高的质量。而且抗噪声也很优良,由于这样一些优点,从而在低速率语音编码上得到了广泛应用。但其缺点是运算复杂度根大尤其是码矢量的搜索,另外对特定条件下使用的的速率,要想获得其好的码矢量,需要进行单独的训练。当编码速率在4Kb/s L2TIi寸,码激励CELP算法得到的合成语音质量效果一段。2J下弦波激励模型是它针对的是浊音信号来说的,其输入的浊音信号是由一组幅度t相位,频率,这些量都随时『岳]变化的J下弦波束相加产生的,并且这些正弦波的幅度,相位,频率t在相邻的语音帧问要保持连续性。是只对基音频率和谐波幅度进行的编码。而谐波相位则要根据基音频率在译码时产生。其中主要有两种类型正弦变换编码STC型和多带激励{gBE型。洗口}航空蛇犬人学硕士学位论文正弦变换编码STC模型的优点是在2 4kb/s|三【上的速率可以产生高质量的合成语音。其不足是模型产生的参数太多.最后其编码的速率也不低,想进一步降骶其速率根难。多带激励MBE摸型”’其优点是在2 4Kb/sM 8Kb/s速率上可以获得台成质量比传统声码器好的语音,具有较好的自然度,容忍抗噪声的性能。但其缺点是不能保证其合成语音基音周期有好的平滑过渡,特别是当帧长比较长时,会产生基音周期的跳变,会使合成语音变得不太自然。3插值编码模型”主要包台两类,一类为原型波形插值t刚1方法,另一类为时域插值TFI方法。原型波形插值PWI方法该算法主要是用于对浊音段的处理,而清音段用其它方法柬处理.比如码激励CELP的方法。其优点是可以重建原始信号的波形,但因只对浊音部分处理.因此方法比较简单。其缺点是采用原型波形插值PWI方法,在编码的过渡部分,会出现很大的失真.而且不易控制;另外在合成的语音中会产生一些蜂呜声。时域插值TFI方法是基于原型波形插值PWI原理的一种被称为时域插值TFI的方法,首先是经过LPC分析,再根据浊化及基音分析单元的判决,最后将语音划分为两种不同的编码路径。针对浊音时使用TFI编码,针对清音时采用CELP的编码。其优点是在2 4Kb/s~4Kb/s速率之间获得了比较好的效果。其缺点是其在编码速率和编码质量方面存在着一些矛盾。4混合激励线性预测编码MELP模型其算法原理是建立在简单的二元线性预涣4编码LPC模型之上,采用周期性的脉冲信号来激励全极点滤波器.从而来代替语音浊音信号,对于清音信号,则用随机白噪声来激励。其优点是对语音的分类更加精细,可以很好的解决二元模型中存在的对中间音不能分类的难题,而且合成的语音的自然度比较好.减少了LPC带来的蜂鸣声。1.3低速率语音犏码罂的最新成果目前低速率语音编码的最新研究成果主要有下面几点浇口j航空航天J、学硕学恃论文1练合分析同各声码器9综合分析激励算法最早是出阿特尔Atal等提出,并用于线性预测编码LPC声道模型以确定其激励信号。后柬由美国电报电话公司AT&T的叭尔实验室和乔治Ⅱ电气工程技术研究所推出了同态的声码器,其时变声道信息用低时对数倒谱柬表征。22 4Kb/s的多带激励线性预测编码船ELPC语音编码器是由澳大利亚亚伦贡Wollongong大学电气和计算机工程系丌发出的一种以多带激励MBE模型为基础的语音编码器。MBELPC语音编码嚣模型先将MBE模型频谱幅度的抽样变为固定数量的LPC系数.然后利用线谱对LSP来量化LPC的系数。3美国国防部的600b/s一800b/s语音编码器该声码器是使用分裂矢量量化器用每帧18b、22b编码频谱参数,它通过分组编码基音,发声和能量参数以及有选择地内插频谱参数从而运到利用帧间冗余度的目的。4美国国际电话电信公司ITT国防通信分公司400b/s的高质量语音编码器该声码嚣是以官方标准LPc一10算法为基础,输出参数后来处理实现必要的速度压缩.它具有抗干扰以及抗信道噪声的特性。5加拿大INRS一电信公司的450b/s声码器该声码器使用声激励的语音模型,实现了一种准确而叉经济的语音频率压缩,并使用短时间分解以实施时间的压缩。1.4本谋题的主要工作本论文主要对忸LP的语音编解码算法的原理作了比较深入的研究,对基音周期的提取做了相应的改进,并作了仿真分析,最后用MATLAB软件实现了该算法的功能,合成的语音质量得到一定的改善c同时编制和调试了MELP算法的c语言程序,以美国德州仪器TI公司的TMS320VC5509为平台,使用TLV320AIC23对语音信号进行采集;通过McBSP将采集的数字语音信号传送给TMS320VC5509在TYS320VC5509上实现语音脏LP洗日『航宅航犬大学硕学恤论文算法.井给出算法在DSP上的仿真结果。并对算法的实时实现出现的运算量大的问题.提出了算法实现的代码优化方法。下面是本论文的主要内容第一章简要叙述丁课题的来源以及选题的意义,详细介绍了当前低速率语音编解码技术的拉展状况.井评价了几种主要算法的优缺点,引出了本论文将要讨论的低速率混合激励线性预测语音压缩编码算法,即MELP声码器的研究,接下来.对本论文的主要研究框架作了简要的彳r绍。第二章主要介绍了MELP声码器的一系列新的特点,并且具体的说明了每一个特点的原理以及采用的技术。通过这些详细的说明使我们对以前的LFC算法有了很好的理解。除此之外.还比较具体的说明了MELP声码器算法在编码过程中.对各个主要知识点未量化参数的解释和说明。而且对一些参数也做了简单的概述,比如滤波器的处理,浊音强度的处理等。对另一些参数则做了具体的解释.比如基音周期的提取,线性预测系数LPc,增益等参数。第三章详细叙述了MELP声码器算法在编码过程中对各种参数进行量化的方法。摄后介绍了对这些参数如何进行差错控制方式。第四章详细介绍了MELP声码器解码算法的原理。对一些参数的特殊译码做丁具体的说明。最后把原算洼的合成与改进的算法合成做了比对,通过测试证明改进前与改进后没有太大的差别但实现起来比较简单。第五章主要介绍了在硬件DSP上实现TMELP声码器算法,并对原始语音和合成的语音的质量进行了对比,同时解决了程序向DsP移植过程中遇到的问题,井对程序进行了优化.使得该程序模块能够在有限的时间内在TMS320VC5509上完成编码和解码的实现。
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