基于超帧机制的极低速率语音编码方法的研究

摘要

随着数字通信理论和技术的发展，极低速率语音编码技术因为其很高的信道资源利用率和极低的编码速率，逐渐在网络通信、军事通信、短波与超短波通信、保密通信和卫星通信等领域中得到广泛的应用。
　　当前主流的低速率语音编码算法主要有码激励线性预测(CELP，Code Excited Linear Prediction)、二元激励线性预测编码（如LPC-10，Linear Predictive Coding-10）、多带激励模型(MBE，Multi-Band Excitation)、正弦变换编码(STC， Sinusoidal Transform Coding)、波形插值编码(WI，Waveform Interpolation)、混合激励线性预测模型(MELP，Mixed-Excitation Linear Prediction)等。混合激励线性预测模型(MELP)基于二元激励LPC算法，采用多带混合激励、非周期脉冲、自适应谱增强、脉冲离散滤波和残差谐波处理等5项新技术，使合成的语音更加自然，码率更低，并且具有良好的抗误码特性。而增强型混和激励线性预测(MELPe，Enhanced Mixed-Excitation Linear Prediction)是在MELP的基础上引入超帧机制，加入噪声预处理和后置滤波，改进谐波合成方法，降低码率至1.2kbit/s，同时提高了合成语音的质量，在各种环境下比其他算法具有更好的优越性和兼容性。
　　因此，本文选取MELPe算法为基础算法，主要完成了以下工作:
　　(1)深入研究和分析了噪声预处理算法和基音周期、子带声音强度、增益、线谱对参数、傅里叶级数幅度和非周期性标志等参数特征，同时研究了谐波合成（生成混合激励）算法和后置滤波算法。
　　(2)提出了一种基于超帧机制的极低速率语音编码算法，其中包括改进了噪声预处理中的先验信噪比估计算法，把基于软判决方案的预测估计算法和直接判决估计算法结合起来使用，能够更灵活的控制残余噪声，同时还增加了分帧长度，改进了提取基音周期和增益的算法，增加了线性预测分析的窗长，增加了解码器后置滤波的子帧长度，省略了傅里叶级数幅度和非周期性标志的传输，改进了线谱对参数的帧间插值技术等。
　　(3)完成了基于超帧机制的极低速率语音编码算法在PC机上的实现，在eclipse+cpp+win32和MinGW上用C语言开发了算法的定点程序，利用VC/MFC开发声码器的语音采集与播放程序和用户界面，包括语音文件的编解码和数字语音实时传输。测试结果表明，该声码器将编码速率从2.4/1.2 kbit/s降低为800bit/s，合成语音的清晰度、可懂度良好，声码器的抗干扰和抗误码能力较强。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 相关研究现状分析

1．3 论文的主要工作

1．4 论文的组织结构

第二章 极低速率语音编码技术

2．1 语音编码概述

2．1．1 语音编码的极限速率

2．1．2 语音编码的分类

2．2 低速率语音编码技述

2．2．1 码激励线性预测编码

2．2．2 二元激励线性预测编码

2．2．3 多带激励编码

2．2．4 正弦变换编码

2．2．5 波形插值编码

2．2．6 混合激励线性预测编码

2．3 极低速率语音编码中的新技术

2．3．1 非线性预测分析

2．3．2 多精度时频分析

2．3．3 超帧联合编码技术

2．3．4 分段编码技术

2．3．5 语音识别合成技术

2．4 本章小结

第三章 基于超帧机制的极低速率语音编码算法

3．1 分帧长度的研究与改进

3．2 超帧机制的研究与改进

3．3 噪声预处理的研究

3．3．1 基本原理

3．3．2 先验信噪比估计的改进

3．3．3 性能分析

3．4 基音周期参数的研究

3．4．1 语音信号的短时自相关函数

3．4．2 基音周期的计算与改进

3．4．3 各个参数从语音帧到基音周期的转换和插值

3．5 子带声音强度的研究

3．6 增益参数的'研究

3．6．1 增益参数的计算与改进

3．6．2 增益参数的插值与改进

3．7 线谱对参数的研究

3．7．1 线谱对参数的计算与改进

3．7．2 线谱对参数插值技术的改进

3．7．3 性能分析

3．8 傅里叶级数幅度的研究与改进

3．9 非周期性标志的研究与改进

3．10 谐波合成算法

3．11 后置滤波算法的研究与改进

3．12 算法综述

3．12．1 各个参数的量化

3．12．2 分帧编码器

3．12．3 分帧解码器

3．12．4 帧结构

3．13 本章小结

第四章 基于超帧机制的极低速率语音声码器的实现

4．1 实现方案

4．1．1 噪声预处理主流程

4．1．2 编码主流程

4．1．3 解码主流程

4．2 主要程序功能清单

4．3 主要模块实现说明

4．3．1 分帧编码模块的实现

4．3．2 分帧解码模块的实现

4．3．3 编解码接口

4．4 基于PC平台的最终实现

4．4．1 语音文件编解码

4．4．2 数字语音实时传输

4．5 本章小结

第五章 极低速率语音声码器的性能测试

5．1 声码器的编码速率比较

5．2 声码器的编解码时延比较

5．3 合成语音的波形比较

5．4 合成语音的语谱图比较

5．5 合成语音的PESQ分比较

5．6 鲁棒性测试

5．7 本章小结

第六章 结束语

6．1 工作总结和创新

6．2 下一步工作和展望

致谢

参考文献