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语音编码与应用研究 作者：XXX 单位：北京交通大学电子信息工程学院 摘 要： 本文首先介绍了编码与编码速率等基本概念，然后详细研究学习了PCM、CDMA、GSM、IP电话的语音编码原理，并对其中一些技术关键做出了对比分析。还研究了CELP编码的相关实际应用，提出了功能改造的一个构想。 关键词： 语音编码；混合编码；PCM；CDMA；GSM；IP 1.编码与编码速率 　 编码(Encoding)在认知上是解释传入的刺激的一种基本知觉的过程。技术上来说，这是一个复杂的、多阶段的转换过程，从较为客观的感觉输入（例如光、声）到主观上有意义的体验。字符编码(Character encoding)是一套法则，使用该法则能够对自然语言的字符的一个集合（如字母表或音节表），与其他东西的一个集合（如号码或电脉冲）进行配对。 编码、传输、存储和译码是语音数字传输和数字存储的必要过程。随着语音通信技术的发展，压缩语音信号的传输带宽，降低信道的传输速率，一直是人们追求的目标。语音编码在实现这一目标的过程中担当重要的角色。语音编码就是对模拟的语音信号进行编码，将模拟信号转化成数字信号，从而降低传输码率并进行数字传输，语音编码的基本方法可分为波形编码、参量编码（音源编码）和混合编码，波形编码是将时域的模拟话音的波形信号经过取样、量化、编码而形成的数字话音信号，参量编码是基于人类语言的发音机理，找出表征语音的特征参量，对特征参量进行编码，混合编译码是结合波形编译码和参量编译码之间的优点。波形编译码器虽然可提供高话音的质量，但数据率低于16 kb/s的情况下，在技术上还没有解决音质的问题。 编码速率：用比特/秒（b/s或bps）来度量，用I表示， I=R ? fs ,R代表每个语音采样值编码所需的比特数；fs是采样频率。 Q为量化器，输出y称为量化电平或重建电平。量化间隔： A律：具有如下压缩特性的： , 图1 A律相关计算参数 表中第二行x值是根据A=87.6是计算得到的，第三行的x值是根据13折线分段时的值。 图2 PCM编码示意图 图3 PCM编码波形示意 具体波形示意图如上图所示：（a为信号的抽样值和量化抽样值，b为单极性二进制PCM信号，） 一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。 编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。话音信号先经防混叠低通滤波器，进行脉冲抽样，变成8KHz重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号，再经编码后转换成二进制码。对于电话，CCITT（国际电报电话咨询委员会）规定抽样率为8KHz，每抽样值编8位码，即共有2∧8=256个量化值，因而每话路PCM编码后的标准数码率是64kb/s。为解决均匀量化时小信号量化误差大，音质差的问题，在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法，即量化特性在小信号时分层密，量化间隔小，而在大信号时分层疏，量化间隔大。在实际中使用的是两种对数形式的压缩特性：A律和U律，A律编码主要用于30/32路一次群系统，U律编码主要用于24路一次群系统。A律PCM用于欧洲和中国，U律PCM用于北美和日本。 PCM编码使用的是折叠二进制码。 图4 二进制码示意图 编码方式：采用A律非均匀87.6/13折线： 编码后的PCM码组，经数字信号传输，可以是直接的基带传输或者是微波、光波载频调制后的通带传输。 3.CDMA语音编码 CDMA系统如同其它数位式行动电话系统，它也采用语音编码技术来降低语音的资料速率。CDMA系统的语音编码主要有从线性预测编码技术发展而来的激励线性预测编码QCELP和增强型可变速率编码EVRC。目前13bit/s CELP语音编码已达到有线长途的音质水平，我国已正式将CELP编码列入CDMA标准中，总之，CDMA系统中所使用的编码技术是对现有编码技术的有机组合和高效利用。 3.1 QCELP 受激线性预测编码 QCELP，即Qualcomm Code Excited Linear Predictive（Qualcomm受激线性预测编码）。美国Qualcomm通信公司的专利语音编码算法，是北美第二代数字移动电话（CDMA）的语音编码标准（IS95）。这种算法不仅可工作于4/4.8/8/9.6kbit／s等固定速率上，而且可变速率地工作于800bit／s～9600bit／s之间。Q4401、Q4413单片语音编码器就是基于这种编码算法。QCELP算法被认为是到目前为止效率最高的一种算法，CELP是一种在中低速率上广泛使用的语音压缩编码方案。它综合使用了线性