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浅谈语音压缩编码的发展和应用

科技情报开发与经济 SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT &ECONOMY 2006年 第 16卷 第 22期

近 30年来 , 通信技术一直在发生着深刻的变化 , 编码技术日臻完善 , 高质量、 低速率的语音编码算法纷纷出现 , 各国相继成立了一些国际通信 标准化组织 , 及时地制定专门的通信编码标准 , 语音编码技术的发展也体 现在这些不断制定的标准中。由于实现方式的不同 , 语音压缩编码技术种 类很多 , 一直向着高质低速方向发展 , 并出现了不少令人振奋的成果。

1理论基础

随着信息技术的发展 , 信道资源显得更加宝贵 , 为了在有限的信道内 进行更多的信息传输 , 必须对语音信号进行压缩。语音信号能够压缩的基 本依据是语音信号中存在的冗余和人类的听觉感知机理。 语音信号存在多 种多样的冗余 , 可分别从时间域和频率域描述。 从时间域分析 :幅度的非均 匀分布 , 即语音中的小幅度样本出现的概率高 , 信息主要集中在低功率上 ; 采样数据间的相关 , 相邻的语音信号间有很强的相关性 , 研究表明 , 当采样 率为 8kHz 时 , 相邻样值之间的相关系数大于 0.85, 如果采样率提高 , 相关 性将更强 ; 周期间的相关 , 浊音语音段具有准周期性 , 反映在波形上出现图 形的重复 , 即信息冗余 ; 语音间隙 , 实际语音通信中 , 存在通话间隙 , 通话分 析表明 , 全双工话路的典型效率约为通话时间的 40%, 即静止系数为 0.6; 长时自相关 , 除了样本间、 同期间的相关外 , 在较长的时间间隔上 , 语音信 号也存在相关 , 统计表明 , 8kHz 采样时的平均相关系数高达 0.9。 从频率域 分析 :非均匀的长时功率谱密度 , 从相当长的时间内统计平均 , 语音信号的 功率谱呈现强烈的非平坦性 , 这说明语音信号对给定的频段利用的不充 分 , 存在固定的冗余度 ; 语音特有的短时功率谱密度 , 语音信号的短时功率 潜在某些频率上出现峰值 , 而在另一些频率上出现谷值 , 这些峰值频率是 能量较大的频率 , 称为共振峰 (Formant ) , 语音特征主要由前 3个共振峰频 率决定 , 随着频率的增高 , 对整个功率谱的影响会快速递减。

语音压缩的第二个依据是人的听觉生理和心理特性对语音的感知 , 其影响主要表 现 在 :第 一 , 人 的 听 觉 系 统 (Human Auditory System , HAS ) 对声音具有掩蔽效应 (Mask Effect ) , 即一个强的声音能够抑制另一个同 时存在相对较弱的声音 , 利用这一性质可以抑制与信号同时存在的量化 噪声。 第二 , 对不同频段的声音的敏感程度不同。 人的听觉对低频端比较 敏感 , 而对高频端不太敏感 , 这主要是因为浊音的周期和共振峰在这里。 第三 , 人耳对语音信号的相位变化不敏感。人耳的听觉不像人的视觉对 感知的信号相位那样敏感 , 一定程度的相位失真对听觉来说是可以容忍 的。人耳听不到或感知极不灵敏的语音信号都可以认为是冗余 , 可以利 用这些特性进行语音数据压缩。

语音压缩编码的目的是用尽可能低的数码率获得尽可能好的合成 语音质量 , 同时又使要编码过程的计算代价尽可能小。降低数码率的实 质就是压缩频带宽度 , 数码率低意味着算法的复杂度增加 , 延迟变大。 所 以语音压缩编码算法的研究一直在这个矛盾中向前发展。

2语音压缩编码的发展及应用

近 10多年来 , 语音编码技术取得了突飞猛进的发展 , 出现了多个国

际标准和区域标准 , 已具备了比较完善的理论和技术体系 , 随着高速信 号处理器的诞生 , 使多种算法复杂、 计算量很大的编码技术的实时化变 得容易起来 , 语音压缩编码进入了实用阶段。

目前语音编码主要分为三类 :波形编码、 参数编码和混合编码。 2.1波形编码

最早的语音编码系统采用波形编码方法 , 这种方法主要是基于语音 信号的波形 , 力图使合成语音与原始语音的波形误差最小。由于语音信 号的全部信息都蕴含在原始波形里 , 所以这种方法编码后的合成语音质 量非常好 , 且适应能力强 , 抗信道干扰性能好。 所采用的压缩方法一般是 基于各种有效的数学变换 , 通过将波形从一个域变换为另一个更易于提 取特征参数的域来达到对变换后的参数进行量化编码的目的 , 在数学 上 , 这实质上是一个曲线拟合或数据近似的问题。主要的有以下的编码 器 :脉 冲 编 码 调 制 (PCM ) 、 自 适 应 增 量 调 制 (ADM ) 、 自 适 应 差 分 编 码 (ADPCM ) 、 自适应预测编码 (APC ) 、 自适应 子 带 编 码 (ASBC ) 、 自 适 应 变 换编码 (ATC ) 。波形编码的性能和压缩比特率决定于所用的变换方法的 性能 , 由于语音波形的动态范围很大 , 目前所用的变换算子的作用又有 限 , 因 此 , 波 形 编 码 的 比 特 率 不 能 压 得 很 低 , 一 般 在 16kb/s 以 上 , 再 往 下 , 性能就下降很快。新近蓬勃发展的小波变换 , 尽管具有分层的思想、 “ 显微镜” 的功能、 与图像的视觉感知相吻合 , 但用于语音编码效果不理 想 , 因为与人的听觉感知不相吻合。国际电报电话咨询委员会 CCITT (现 已并入国际电信联盟 ITU ) 于 1972年制定的 G.71164kb/s 的脉冲编码调 制 (PCM ) 和 ITU 在 1984年公布的 G.72132kb/s 自适应差分脉冲编码调 制 (ADPCM ) 编码器标准等都属于这一类编码器。

2.2参数编码

参数编码始于 1939年美国人 Homer Dudey 发明的声码器 , 它是根 据语音信号的特征参数来编码 , 所以又叫 “ 声码器技术” 。这种编码方法 是通过对人的发声生理过程的研究 , 建立一个模拟其发声的数字模型来 达到提取其特征参数进行量化编码的目的 , 它力图使合成语音具有尽可 能的可懂性 , 保持原语音的语意 , 而合成语音的波形与原始语音的波形 可能有相当大的差别。由于它是以滤波器为主来构造语音产生模型 , 发 送的只是滤波器的参数和相关的特征值 , 可以将比特率压得很低 , 但合 成语音质量不是很好。这种方法在低数率声码器中普遍采用。

主要声码器有通 道 声 码 器 、 共 振 峰 声 码 器 、 同 态 声 码 器 、 线 性 预 测 (LPC ) 声码器等。其中 LPC 声码器是以线性组合模型均方误差最小意义 下逼近原始波形的方法提取参数 , 较好地解决了编码速率和语音质量的 问题 , 以其成熟的算法和参数的精确估计成为研究的主流 , 并已走向实 用。美国政府 1980年公布的 2.4kb/s 线性预测编码算法 LPC-10就是采 用的这种方法。 1986年 , 美国第三代保密电话装置采用了 2.4kb/s 的 LPC-10e (LPC-10的增强型 ) 作为
话音处理方法。

主要声码器有通 道 声 码 器 、 共 振 峰 声 码 器 、 同 态 声 码 器 、 线 性 预 测 (LPC ) 声码器等。其中 LPC 声码器是以线性组合模型均方误差最小意义 下逼近原始波形的方法提取参数 , 较好地解决了编码速率和语音质量的 问题 , 以其成熟的算法和参数的精确估计成为研究的主流 , 并已走向实 用。美国政府 1980年公布的 2.4kb/s 线性预测编码算法 LPC-10就是采 用的这种方法。 1986年 , 美国第三代保密电话装置采用了 2.4kb/s 的 LPC-10e (LPC-10的增强型 ) 作为话音处理方法。

2.3混合编码

20世纪 80年代后期 , 综合波形编码和参数编码的混合编码算法成 为主流 , 这种算法也假定了一个语音产生模型 , 但同时又使用与波形编 码相匹配的技术将模型参数编码 , 吸收了两者的优点。所谓混合编码有

文章编号 :1005-6033(2006) 22-0157-02收稿日期 :2006-09-15浅谈语音压缩编码的发展和应用

苏 桃

(太原铁路机械学校 , 山西太原 , 030006)

摘 要 :近 30年来 , 高质量、 低速率的语音编码算法不断出现。编码技术种类很多 , 按

照波形编码、 参数编码和混合编码的分类方法论述了语音编码的发展进程、 各种标准

及其应用。

关键词 :语音编码 ; 波形编码 ; 参数编码 ; 混合编码 ; 编码标准

中图分类号 :TN912.3文献标识码 :A

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