G.729电话带宽的编码的标准

G.729性能特点
        G.729  是8khit/s的LPAS声码器,线性预测采用前馈型前向自适应技术,并使用予视提高合成模型的精度。预测器系数根据当前   帧和部分下一帧话音数据进行更新,因此算法时延相对 G. 728 较长。其帧长取为!Oms, 由2个子帧组成,予视5ms, 加上处理时间和传输时间,设计的单向系统时延为35ms。由于采用的是前馈型自适应技术,因此除了传送激励信号(包括波形和增益)外,还需传送预测器系数。为『降低比特率,线性预测系数、激励信号波形、激励增益都采  用矢星屈化,并利用了多级量化和分割量化技术。激励信号码本则   采用高效的共辄结构代数码本,因此G.729编码称为CS-ACELP。
        ITU-T制订G.729标准的主要应用目标是第一代数字蜂窝系统,因为日美系统均为8kbit/s左右,GSM系统为13khit/s。同时还想在已有的64、32、16khit/s标准基础上增加一个8kbit/s比特率编码,以构成4个完整的标准系列。由于要应用于移动系统,因此复杂度比G.728低,为中等复杂度算法,但是所需RAM容量比G.728多一半,原因是帧长时间加大了。
        为f进一步降低复杂度,G.729标准又制订了一个附件A,称之为G.729A,它的复杂度较G.729降低一半,主要原因是激励码本的搜索进一步简化,同时后置滤波器也有简化。其代价是在某些操作  条件下性能稍有下降。G.729A的设计应用是话音数据同传数字系统(DSVD---Digital Simultaneous Voice Data团),由于内含的V.34Modem已有较大时延,因此要求话音编码的复杂度不能太高。
        G.729A与G.729比特流兼容,即DSVD编码器分析所得的信号可由G.729解码器重建,反之亦然。G.729A标准在IP网络电话中得到了广泛应用。另外,最近的G.729附件还包含了静音抑制处理。
  话音质量是一个比较复杂的性能,也难以用精确的标准来衡量。表4.1从与G.726比较的角度给出了G.729的话音质量指标。
G.729话音质量指标
G.729编码器
        G.729编码器如图4.9所示。模拟话音信号经话带滤波器后,按8kHz频率抽样并转换成16bit线性PCM信号,这就是图中编码器的输人话音信号。该信号首先经预处理器,完成 2 个功能。一是信号定标,就是将信号幅度减半,以减小DSP定点实现时的数据上溢概率。二是高通滤波,阻止不希望的低频分矶,采用2阶极/零点滤波器,截止频率为l40Hz。
G.729编码器结构
        根据预处理后的输入信号进行线性预测分析,得到线性预测系数,即线性预测编码(LPC)信息,利用该系数即可构造合成滤波器。激励信号经合成滤波器后生成重构信号,与输入信号相减后得残差   信号。该残差信号经误差加权滤波器处理,根据听觉感受改变频谱,  反馈回控制回路,根据使加权残差均方差最小的原则确定激励信号   及其增益。误差加权滤波器也是根据预测分析所得的LPC 信息构造的。
  基音分析模块通过自相关分析推得基音周期,据此信息搜索自 适应码本,确定最佳自适应码本矢量。然后再搜索固定码本,根据最小化加权均方差(MSE)的准则确定最佳固定码本矢量。最后再确定二个码本矢量的增益。
  上述过程确定的线性预测编码信息(线谱频率)、自适应码本矢量、固定码本矢量和矢量增益构成完整的G.729声码器编码参数。所有这些参数均以码本索引的形式发往接收端。
下面简要说明主要模块的功能原理。
1.线性预测分析和量化
  短时相关分析采用IO 阶线性预测(LP)滤波器。LP分析每帧(lOms)进行1次,采用不对称窗口,计算窗口内话音信号自相关系数,然后用杜宾递推算法求得LP 系数。该系数再变换为线谱对(LSP)频域参数,供量化和子帧内插,内插求得的LSP参数再转换为LP滤波器系数,用以建立每个子帧的合成滤波器和误差加权滤波器,分析采用5ms予视,因此要用到当前帧80 个抽样信号和下一帧40个抽样信号。
        分析求得LP系数后,根据式(4.11)和(4.12)式转换成线谱对,式中取N=10。如前述,P(z)和Q(z)的根都在单位圆上,让其实部和虚部分别为:
转换成线谱对
其中。,就是线谱频率(LSF),其取值范围为0<W;<1C。现对W;进行量化。为了提高量化精度,先用滑动平均(MA-   MovingAverage)预测法预测当前帧的区F,然后对LSF的计算值和预测值之差进行量化。算法采用2级矢量量化。
第1级:10  维矢量量化,码本C1  ,共含128个矢量。其索引记为l1,为7bit。
第2级:10bit矢量量化,采用2段分割矢量量化实现。分割为2个S维码本C2和C3,各包含32个矢量。其索引分别为L2  和L3 ,各为5bit。C2和C3分别量化前5个W;和后5个W;每个码本按照最小化MSE搜索,各个区F量化系数由选定的2级码本矢量之和确定:算法规定用2个MA预测法进行预测,重复以上步骤,从中取最优值。因此用参数L。指示选定的是哪个MA预测法,L。为1bit。
  为了防止由此构成的LP合成滤波器的共振峰太陡,确定的系数需重新安排,使相邻系数至少保持一个最小间距。Wi的量化值也确定后,尚需按下列步骤校核滤波器的稳定性:
.按升序排列
LSP系数的内插方式是:
对第1子帧:
q)1) = 0.5q)p) +0.5q;c\= l,··?10(4.39)
式中,q尸和q尸分别为上一子帧和本子帧的q;值对第2子帧,就用本帧计算伯:
q\2>=q\Cli = l,···10(4.40)
LSP系数植化,内插完成后,再转换成LP系数a;'供合成滤波器和误差加权滤波器使用。
2.开环基音分析
   为了降低自适应码本搜索的计算量,先通过开环分析大致估算   基音周期,记为T。p' 自适应码本就限定在T。P 附近进行搜索。开环分析每lO ms进行一次,分析方法是计算加权话音信号归一化自相关系数,其最大值对应的就是基音周期。周期范围设定为20- 143个抽样,即2.5-18ms,对应基音频率为551-Iz-4001-Iz。计算时分为
-三个时延段:
i=1:80-143抽样周期,最大值R( t1  )
i=2:40- 79抽样周期,最大值R(t2 )
i = 3:20-39抽样周期,最大值R(3t )
取最大的R(ti)对应的时延为基音周期。如果有二个最大值相同,则优选低时延值,以避免选到基音周期的倍数。
3.加权合成滤波器的特征量计算
  包括两个量值的计算。一是滤波器的冲激脉冲响应h(n),二是目标信号X(n)。这两个量值按子帧计算,其结果供该子帧自适应码本和固定码本搜索时计算误差方差使用。目标信号的通常计算 方法是加权话音信号减去加权合成滤波器的零输入响应,即4.3.2节所述的S立,G.729采用计算残差信号经加权合成滤波器响应的等效算法。
4.自适应码本搜索
  自适应码本参数包括时延和增益,它是实现长时相关滤波的一种有效方法。码本搜索每子帧进行一次。搜索方法是在一定的码本范围内,按最小化残差均方差的准测确定最佳码本矢量,计算判据即为式(4.25)式。在G.729中,记X(n)全5(n)-凡(n)'为目标信号;u(n) CP(n),为自适应码本矢量;R尘为勾判据准则,则有:
判据准则
即激励u的冲激响应,可简记为y(n)=u(n)*h(n)。搜索范围取为第1子帧在开环基音分析确定的T。P附近的小范围[tmin,tmax]内搜索,范围宽度为6个抽样周期。由于基音周期范围为20-143个抽样时长,因此t皿n?tmax的确定算法为:
6.码本增益量化
  自适应码本增益gp和固定码本增益gc组合起来采用分级矢屈晕化方法进行量化。
7.参数编码比特分配
  根据以上分析,可得G.729声码器参数编码的比特分配如表4.3所示。其中,线谱对参数决定合成滤波器的系数,每帧更新一次;其余参数决定激励信号,每子帧更新一次。总比特数为每帧(10ms)80bit,即编码比特率为8kbit/s。G.729解码器结构
G.729解码器结构
  G.729解码器的结构如图4.10所示。其解码过程基本上是编码的逆过程。  首先利用接收到的LO、l1、L2和L3参数重建ISP系数,由内插推得两个子帧的ISP系数,并由此转换得庄滤波器系数a;'用a;可构成合成滤波器。然后在每一子帧解码激励信号。
G.729解码器结构和功能
  先校核凡的奇偶校是否有错。若有错,则置T1  =  INT(T2(pl),其中Tz(p ) 为前一帧的T2 ,然后再根据此T1 计 算T2 。若奇偶校正确,则由片、几推得第1和第2 f帧的时延T1 和T2 ,包括其分数时延。
2.帧丢失处理
  如果解码器检测到一帧编码器参数丢失时,将启动帧丢失处理过程。其原则是根据以前收到的信息重建当前帧,用类似特性的激励替代丢失的激励,其能量应逐渐衰减。
  其实现方法是根据长期相关预测增益对话音帧进行分类,该增益是长期相关后置滤波器分析的中间结果。如果lOms帧中至少有1个子帧的预测增益大于3dB, 则为周期性帧,否则为非周期性帧。丢失帧重构继承前面帧的类型。
其步骤包括:
.重复使用上一个好帧的LP参数构成合成滤波器。
  ·衰减上一帧的自适应和固定码本增益:gc(m)=0.98g}m-l)'g/m)=0.9g/m-l),且g/m)  <0.9。
·衰减增益预测器的存储值。
.生成替代的激励信号。
  如果上次重构帧是周期性的,则本帧也认为是周期性的。此时只用自适应码本,固定码本的贡献置零。基音时延基于上一帧基音周期的整数部分,以后逐帧时延加1,增益逐帧衰减。
  如果上次重构信号是非周期性的,则本帧也认为是非周期性帧,自适应码本贡献置零。固定码本矢量生成采用随机数选择码本索引和符号索引。固定码本索引由随机数的低13位比特确定,符号索引由随机数的低4位确定,码本增益逐帧衰减。

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