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1、 TD-SCDMA 中 AMR 语音编码器的实现重庆邮电学院通信信息工程学院 夏娟 申敏摘要 语音编码方案的选取对移动通信系统的通话质量、信道容量等有重要影响。本文讨论了 TD-SCDMA 系统中 AMR 语音编码的自适应机制，同时分析了 AMR 中代数码本线性预测(ACELP)算法及实现过程。该方案可以在一块 TMS320C5510 上实现。关键词 语音编码 自适应 ACELPTD-SCDMA BASED ADAPTIVE MULTI-RATE CODECXIAJUAN SHENMIN(Department of Communication Engineering , Chongqing I
2、nstitute of Posts and Telecommunications)Abstract: This paper describes a adaptive multi-rate codec for TD-SCDMA, and it also introduces how to realize the adaption.Due to the codec consistes of eight codecs, that all use the same ACELP method(Algebraic Code Excited Linear Predictive Coding) and mod
3、es that have different bit-rate partitionings, it can extends wireless quality to poor channel condition. The whole codecs have implemented with a single DSP chip(TMS320C5510) without degradation of the reconstructed speech, furthermore, we have got the improvements result in a significant reduction
4、 in calculation complexity.Keywords: a adaptive multi-rate codec TD-SCDMA eight codecsAlgebraic Code Excited Linear Predictive Coding 引言在语音编码领域中，随着传输、处理、存储等各种信息量的巨增，信息的压缩处理已成为迫切的要求，基于新的网络和新的要求，无论是从节省传输频带资源，还是保持线路通信的高效率等方面来看，研究采用各种可变速率语音编码技术的系统都有重要意义。目前为了适应此需要提出了 AMR（Adaptive Multi-rate） 的概念，即自适应话音编码
5、器。基于带宽的考虑可分为 AMR-NB（AMR Narrowband）和 AMR-WB （AMR Wideband ）。对于 AMR-NB，语音通道带宽限制为 3.7M Hz,8000 Hz 的采样频率，而 AMR-WB 为 7M Hz 的带宽，采样频率 16000，但考虑语音的短时相关性， 每帧长度均为 20ms。这两种编码器根据带宽的要求虽然选用了不同的速率，但有异曲同工之处,以下着重介绍在 TD-SCDMA 中 AMR-NB 的实现。此编码器运用了代数码本线性预测（ACELP）混合编码方式，也就是数字语音信号中既包括若干语音特征参数又包括部分波形编码信息，再运用这些特征信息重新合成语音信
6、号的过程。控制这些参数的提取数目，根据速率要求对信息进行取舍而得到了以下 8 种速率，混合组成如表一所示的自适应语音编码器。如模式 AMR_12.20就提取出 244 比特的参数信息，而模式 AMR_4.70 却只提取了 95 比特信息。根据这些比特所含的信息量可以将其分为 3 类比特 class 0,1 和 2。在信道编码时 class 0 和 1 都将会使用循环冗余校验码进行差错检验，对于 class 2 则根据上一帧进行恢复。编码模型 编码器的比特速率 编码模型 编码器的比特速率AMR_12.2012,20kbit/s(GSM_EFR) AMR_5.90 5,90 kbit/sAMR_1
7、0.2010,20 kbit/s AMR_5.15 5,15 kbit/sAMR_7.95 7,95 kbit/s AMR_4.75 4,75 kbit/sAMR_7.40 7,40kbit/s (IS-641) AMR_SID 1,80 kbit/s (无语音信息传输)AMR_6.70 6,70kbit/s (PDC-EFR)表一 : AMR 编码器的编码速率Table .1 The AMR codecs rate语音编码或语音压缩编码研究的基本问题，就是在给定编码速率的条件下，如何能得到尽量好的重建语音质量。主观评定方法符合人类听话时对语音质量的感觉得到了广泛应用。常用的方法有平均得分意见
8、（Mean Opinion Score, 简称 MOS）判定法，下表说明了 AMR话音编码器各模式的话音质量。编码方式 AMR122 AMR102 AMR795 AMR74 AMR67 AMR59 AMR515 AMR475MOS 401 406 391 383 377 372 350 350表二 ： AMR 话音编码器各模式的 MOS 值Table.2 the MOS of the AMR codecs1 AMR 模式选择的自适应机制自适应的基本概念是以更加智能的方式解决信源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。实际的语音编码速率取决于信道的条件，它是信道质量的函
9、数。而这部分的工作是解码器根据噪声等测量参数协助基站来完成，选择模式，决定速率快慢。原则上在信道很差的时候采用速率比较低的编码器，这样就能分配给信道编码更多的比特数来实现纠错，实现更可靠的差错控制，从而有效地抑制错误发生，提高话音质量。在 TD-SCDMA 系统实现方面为了便于量化比较而采用了 C/I（载干比）这一概念，取其滑动平均值，再将此值与一预先定义好的门限值进行比较，来决定速率的选择。由于不同的特性，全速率信道和半速率信道就应有不同的定义值。在全速率信道，当 C/I13时，MR122 的 MOS 值可以达到 4 以上，是可以提供很好的性能，9C/I13 时，MR122、MR102、MR
10、795 都是可以选择的，速率越低，误帧率越低，当 6C/I9 时，最好选择 MR74、MR67、MR59，而当 C/I6 时就应尽量选择越低的速率，随着信道质量的下降，误帧率都会增加，但相对选择的速率低，就能提供相对较好的话音质量。对于半速率信道与上述类似，不再累述。下面进一步说明自适应速率选择的实现过程。图一是完整的说明图。自适应要求有两类信息需要传输：在下行信道上，需要基站发送给移动台一模式选择测量命令，而在上行信道上，移动台将信道测量信息传送给基站。这种模式要求传送信息准确、可靠、及时,才能有效达到自适应的目的。基站每帧发送一测量命令，得到返回信息，通过比较选择，选择一模式用于下一帧。这
11、样就可以实现速率间的转换，达到自适应的目的，在速率间的切换会有一定功率损耗，并且不同速率间的损耗是不同的，这是在实现过程中应该考虑的。 MOBILE BASE话音 话音 编码比 测定值 下行测量 下行话音测量 上行话音模式 下行话音 上行话音模式 话音 测定值 编码比特 话音图 一 自适应过程实现框图Fig.1 T the adaptive schematic diagram2AMR 编码器算法此编码器是基于代数码本线性预测（ACELP）这种混合编码算法5 、6。基本原理是原始语音按帧输入，根据使合成语音与原始语音的加权均方误差最小的准则，从随机码本和固定码本中挑选合适的码矢以代替残差信号，并
12、将码矢地址和增益及各滤波器的参数量化编码后传送到接收端；接收端恢复各滤波器时，采用与发送端相同的码本，按照码矢地址找到该码矢乘上增益，激励合成滤波器，得到合成语音。编码器提取 ACELP 模型参数，解码器再根据这些参数构成的激励信号合成、重建语音信号。在编码部分需要抽取下列典型参数：线性预测滤波器系数（LP） ，自适应码本（ACB）和固定码本（FCB）索引以及 2 种码本的增益。原理如图二所示。下面将分别从编码和解码的角度概述 AMR 编解码方案。 )(ne)(ns 固 定 码 本 gc gp 自 适 应 码 本 LPC加 权 合 成 滤 波 器 感 觉 加 权 滤 波 器 原 始 语 音 最
13、 小 感 觉 加 权 误 差 )(w )(s 图二 AMR 编码原理 Fig.2 The algorithm of the AMR codec （1）线性预测预测计算。LPC 滤波器表征语音信号发生模型中的声道模型，图中 P=10PiizaA0)(为声道传输函数， 随语音幀的变化不断改变（ 具有短时稳定性） 。因此，在每个)(zAiai信源/信道编码 上行链路 信源/信道解码上行链路分析上行模型选择下行模型选择信源/信道编码下行链路分析信源/信道解码 下行链路语音幀中，需要提取 LPC 系数。按其预测值与实际值最小化均方误差原则，可得下式： Pi Pkika1 1),0(),(Piinsn 0
14、,上述正则方程1采用 Durbin 算法进行线性预测便可得到参数 。考虑到线谱频率（LSF）ka误差的相对独立性及有序有界性质，与线性预测参数（LP）是一一对应的，采用Chebyshev 多项式估计方法是可以相互转换的，因此在考虑传输时，用 LSF 参数代替 LP参数，将其进行矢量量化，在解码部分再对 LP 进行恢复。在 12.2Kbps 模式下采用分裂矩阵（SMQ ）的方式进行矢量量化，在其它模式下采用分裂矢量（SVQ）的方式进行矢量量化。由于在 12.2Kbps 中，每一帧需要进行 2 次线性预测编码（LPC）分析，所以会得到 2组 LSF 系数。AMR 在 TD-SCDMA 系统的具体实现过程中将这两组系数进行联合量化。也就是将矩阵（ ）分为 5 个 22 的子阵，分别进行矢量量化，维数为 4，码本容量)1(r)2(分别为 128（子阵 1） ，64（子阵 5） ，256（子阵 2，3，4） ，失真测度选择计算量最小也有主观评价意义
