一种应用于变速率语音和音频编码的码率自动控制系统

摘要

本发明公开了一种应用于变速率语音和音频编码的码率自动控制系统，通过计算信号子带信噪比来自动调节编码码率，压缩后的码流与现有技术大小相当的固定码率压缩后的码流相比，采用本发明解压后的信噪比有明显的提升。本发明的自动调节码率方式，比传统的能量判断的方法有较好的鲁棒性；既支持对语音编码的速率控制外，同时也支持对音频信号的变速率编码，可以应用在带宽受限条件下分组域移动语音通信中，以提升传输的语音和音频信号的质量。

说明书

技术领域

本发明涉及语音和音频码率自动控制技术，更具体的涉及一种应用于移动 互联网语音通信、移动流媒体服务器等的语音和音频编码的码率自动控制技术。

背景技术

语音和音频码率控制技术是指语音和音频信号在编码之前，根据信号的内 容的重要性，自动调整编码的速率，在重要信息时采样相对高的码率进行编码， 在次要信息(比如噪声)时候采样相对低的码率进行编码，使得在带宽下受限 的条件下，既能有较好的语音质量，又能节省带宽。该技术一般用于分组域(PS) 移动语音通信、移动流媒体服务器等应用中。

现有的分组域(PS)移动语音通信中的语音编码技术大多采用第三代移动通 信系统中AMR(自适应多码率)语音编码技术，传统的电路域(CS)AMR语音编 码的速率控制是由基站来控制的，由于AMR本身并没有提供码率控制功能，所 以分组域(PS)的AMR编码实际多采用固定速率进行编码，这个在移动互联网有 限的带宽条件下，在带宽和语音质量之间很难达到一个较好的平衡。其他的几 种传统的变速率语音编码(如QCELP、EVRC和SMV等)一般只用于传统的电路 域(CS)语音通信，且基本是采用语音活性检测(VAD，Voice Activity Detector) 检测加信号能量判断的方法来进行速率控制，这类方法过多依赖于信号能量的 大小，而实际上信号内容的重要性并不能完全反映在能量大小上。

发明内容

本发明解决的技术问题是提出一种应用于变速率语音和音频编码的码率自 动控制系统，实现在带宽受限条件下的分组域移动语音通信中，根据要编码的 信号内容的重要性来自动调整码率，提升语音和音频的质量。

本发明提出的应用于变速率语音和音频编码的码率自动控制系统，包括： 变速率编码器、自适应码率控制单元；输入的语音或音频PCM信号分别输入所 述变速率编码器和所述自适应码率控制单元的信号输入端，所述自适应码率控 制单元通过计算所述PCM信号的子带信噪比得到编码速率调整参数，并将所述 调整参数输出到所述变速率编码器的变速率编码控制端完成对所述PCM信号的 变速率编码。

进一步的，所述自适应码率控制单元包括：频域变换模块、子带处理模块、 子带信噪比计算模块、以及码率输出模块；所述PCM信号经过所述频域变换模 块进行频域变换，并由所述子带处理模块进行子带划分、子带信号能量计算以 及子带噪声能量计算，然后经过子带信噪比计算模块进行子带信噪比计算，并 由所述码率输出模块通过与历史帧的子带时域平均信噪比的比较得到编码速率 调整参数。

进一步的，所述子带处理模块包括：子带信号处理模块和子带噪声处理模 块；所述子带信号处理模块与所述频域变换模块相连，对所述频域变换后的信 号进行子带划分和子带信号能量计算，然后由所述子带噪声处理模块完成子带 噪声能量计算。

进一步的，在所述子带信号处理模块和子带噪声处理模块之间还包括判断 输入信号是否为噪声信号的语音活性检测模块。

本发明通过计算信号子带信噪比来自动调节编码码率，压缩后的码流与现 有技术大小相当的固定码率压缩后的码流相比，采用本发明解压后的信噪比有 明显的提升。在一个实验中，将相同的一端语音信号分别采用固定码率(AMR 7.95kbps)进行编码和采用本发明的码率自动控制系统进行辅助编码的比较分 析，对解码后得到的两个信号的信噪比曲线进行对比，两种方式压缩后的码流 大小相当，但是采用本发明时，解压后信噪比有明显提升，最大有13dB的信噪 比提升。在另一个实验中，将相同的一段音乐信号采用固定码率(AMR 7.95kbps) 进行编码和采用本发明的码率自动控制系统进行辅助编码的比较分析，对解码 后得到的两个信号的信噪比曲线进行对比，两种方式压缩后的码流大小相当， 但是采用本发明时，主旋律信号信噪比有明显提升，最大有10dB的信噪比提升。

附图说明

图1为本发明实施例一的码率自动控制系统原理图；

图2为本发明实施例二的自适应码率控制单元结构示意图；

图3为本发明实施例二中的子带处理模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，并通过具体实施例对本发明的具体实现进行说明。

本发明的主要发明构思是通过计算信号子带信噪比来自动调节编码码率 的。首先通过对输入的语音或音频PCM信号进行预处理和频域变换，得到频域 信号后，划分子带并计算子带信噪比，然后进行背景噪声检测来区分输入信号 是否为噪声，如果为噪声则进行背景噪声能力更新，最后计算子带信噪比并根 据信噪比自适应计算最优码率，最优码率值输出给变速率编码器进行语音或者 音频信号编码。

实施例一

如图1所示的码率自动控制系统，包括：变速率编码器和自适应码率控制 单元。输入的语音或音频PCM信号分别输入变速率编码器和自适应码率控制单 元的信号输入端。自适应码率控制单元通过计算PCM信号的子带信噪比得到编 码速率调整参数，并将该调整参数输出到变速率编码器的变速率编码控制端。 变速率编码器根据编码速率调整参数完成对所述PCM信号的变速率编码处理， 输出编码后的码流。

实施例二

本发明的核心单元为自适应码率控制单元。如图2所示，在本实施例中该 单元包括：频域变换模块、子带处理模块、子带信噪比计算模块、以及码率输 出模块。PCM信号输入自适应码率控制单元时，先经过所述频域变换模块进行频 域变换，并由子带处理模块进行子带划分、子带信号能量计算以及子带噪声能 量计算，然后经过子带信噪比计算模块进行子带信噪比计算，并由码率输出模 块通过与历史帧的子带时域平均信噪比的比较得到编码速率调整参数。

其中的确定编码速率调整参数的处理可以采用以下方式：

在频域坐标上，计算关键频带(窄带语音一般为750Hz～3400Hz，音频 信号视采样率而定)平均信噪比a，然后在时间坐标上，计算连续若干历史帧的 时域平均信噪比b，再根据两者之间的实时变化差异(波动)来映射相应的码率， 从而达到码率自动调整的目的。

在一种实施方式中，如图3所示，子带处理模块包括：子带信号处理模块 和子带噪声处理模块。子带信号处理模块与频域变换模块相连，对频域变换后 的信号进行子带划分和子带信号能量计算，然后由子带噪声处理模块完成子带 噪声能量计算。为了检测当前信号是否为噪声或语音，还可以在子带信号处理 模块和子带噪声处理模块之间设置用于判断输入信号是否为噪声信号的语音活 性检测模块。该语音活性检测模块可以采用语音尺度计算和谱偏估计来完成语 音活性检测。

综上所述，本发明提出的码率自动控制系统，能够根据信号内容自动调节 编码的码率，在重要语音信号或音乐主旋律时采用高的码率进行编码，在噪声 或者次要的背景音乐时采用低的码率，以保证整体的语音质量。和现有的码率 控制技术相比，具有以下特点：(1)它通过计算信号子带信噪比来区分信号内 容的重要性，从而实现自动调节码率的目的，比传统的能量判断的方法有较好 的鲁棒性；(2)既支持对语音编码的速率控制外，同时也支持对音频信号的变 速率编码，因为音乐信号的主旋律也是可以通过计算子带信噪比来检测的。该 系统在编码之前进行实施。本发明的码率自动控制系统，可以应用在带宽受限 条件下分组域移动语音通信中，以提升传输的语音和音频信号的质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。