1 引言
語音壓縮編碼技術一直是在盡可能低的數(shù)碼率下獲得盡可能好的合成語音質(zhì)量的矛盾中發(fā)展的。數(shù)碼率實質(zhì)上反映的是頻帶寬度，降低數(shù)碼率實質(zhì)上就是壓縮頻帶寬度。近10年來，固定電話和移動通信高速發(fā)展,，頻率資源變得愈加寶貴，信道利用率成為一項關鍵因素，這促使語音壓縮技術,，即語音編碼技術不斷發(fā)展,。在有線通信及移動通信、衛(wèi)星通信和掌上電腦的語音傳送應用中,，語音編碼依舊扮演著十分重要的角色,。
基于多帶激勵(MBE)算法，1997年,，美國數(shù)字語音系統(tǒng)公司(DVSI)研制出先進的多帶激勵(AMBE-Advanced MBE)語音雙工編解碼芯片AMBE-1000TM,，AMBE算法是標準MBE的改進和補充。隨后又推出AMBE-2000TM型語音壓縮碼電路,。該壓縮技術已被證明優(yōu)于CELP,，RELP，VSELP,，MELP,，ECELP，MP-MLQ,，LPC-10及其他壓縮技術,。該語音電路能應用于包括數(shù)字移動通信系統(tǒng)在內(nèi)的許多領域，如衛(wèi)星通信,、保密通信,、語音多路技術、語音郵件,、多媒體、IP電話等,。
2 多帶激勵編碼的原理
美國麻省理工學院(MIT)的D．W．Griffin博士提出的多帶激勵(MBE)語音編碼方案突破了二元激勵的局限性,，是一個不用預測殘差的完全的參數(shù)語音編碼器，在2．0kb／s～4．8kb／s速率內(nèi)能夠合成質(zhì)量比傳統(tǒng)聲碼器好得多的語音,，并且具有較好的自然度和容忍環(huán)境噪聲的能力,，是目前這一速率范圍內(nèi)的一種較理想的編碼算法。
2．1 MBE的基本原理
多帶激勵的基本原理如圖1所示,，將語音譜按各基音諧波頻率分成若干個帶,，對各帶信號分別進行清濁音判決?？偟?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/激勵信號" title="激勵信號" target="_blank">激勵信號由各帶激勵信號相加構成,。對于濁音帶用以基音周期為間隔的脈沖序列譜作為激勵信號譜；對于清音帶采用白噪聲譜作為激勵信號譜,，最后將各帶信號相加,，形成全帶激勵信號。激勵信號通過時變數(shù)字濾波器,，確定各諧波帶的相對幅度和相位,，將激勵譜映射為語音譜,。這種方案能將合成語音與原始語音在頻譜的細致結構上擬合得很好，更加符合實際語音的特性,，因而能夠獲得較高的自然度,。
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2．2 AMBE的語音壓縮算法
AMBE是在MBE基礎上的改進和補充，基本算法是先將輸入的每幀160個數(shù)字話音取樣,，分成交迭的段,，經(jīng)模型分析后得出該幀的模型參數(shù)。編碼器先進行V／U判別,，將其分成交迭的8個段,；再對每個段進行模型分析，得到模型參數(shù),，然后量化編碼,，最后加上前向糾錯碼(FEC)，以2．0kb／s～9．6kb／s的碼率發(fā)送,。解碼器將接收到的比特流進行相應的糾錯解碼,，將重構模型參數(shù)，再利用這些參數(shù)進行合成,，恢復出語音,。
3 AMBE-2000TM電路簡介
3．1 電路優(yōu)點
1)優(yōu)異的語音質(zhì)量；2)低造價,，低功耗,，緊湊的引腳100 TQFP型封裝；3)無需外部存儲器,；4)較強的抗干擾能力,；5)支持插入前向糾錯碼的可變速率(2．0kb／s～9．6kb／s)；6)全雙工實時處理,；7)語音激活探測(VAD)／舒適背景噪音插入,；8)雙音多頻(DTMF)探測和生成；9)回音抵消,。
3．2 基本工作原理
該電路可以被視為兩個獨立的部分即編碼器和解碼器,。編碼器接收8kHz話音數(shù)據(jù)流(16位線性、8位A率,、8位μ率)并以所希望的碼率輸出數(shù)據(jù)流到傳輸信道上,，相反，解碼器接收從傳輸信道上傳送的數(shù)據(jù)流合成出8kHz話音數(shù)據(jù)流,。其編碼器與解碼器的接口時序是完全異步的,。基本工作原理如圖2所示。
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3．3 工作模式及其幀格式
3．3．1 工作模式
AMBE-2000TM不同于AMBE-1000TM,，AMBE-2000TM只有串行接口模式,，沒有并行接口模式。
AMBE-2000TM有四種工作模式：主幀格式,、主非幀格式,、從幀格式和從非幀格式。這四種工作模式都可以用軟件編程和硬件引腳設置來獲得,。
在從模式下,，AMBE-2000TM的編碼器輸出壓縮后的數(shù)據(jù)流所需的選通信號CHAN_TX_STRB由外部時鐘源提供。在主模式下,，CHAN_TX_STRB由內(nèi)部時鐘源提供,。
在正常工作中，編碼器要每20ms輸出一幀數(shù)據(jù),，而解碼器需要接收處理一幀數(shù)據(jù),，對于編碼器和解碼器都需要有一些數(shù)據(jù)格式，主要的目的是為編碼時提供一定的校正信息,。采用幀格式模式時,，編碼器輸出的數(shù)據(jù)都是已知的固定幀格式，在該模式下有一些狀態(tài)標志信息,，用于控制目的和同步,，并用于解碼器解碼。采用非幀格式時,，編碼器的輸出數(shù)據(jù)沒有固定的格式,，其同步和控制的狀態(tài)信息比特數(shù)據(jù)插入語音編碼比特流中，它們一起被視為連續(xù)的語音數(shù)據(jù)流,，因此,，該模式的一個優(yōu)點就是在信道上不用為傳幀頭而增加額外的帶寬。缺點是解碼器為了能在正確地合成語音波形之前獲得與數(shù)據(jù)流同步,，需要接收完10組～12組語音數(shù)據(jù)幀。
3．3．2 幀格式工作模式下數(shù)據(jù)的幀格式
數(shù)據(jù)幀格式分為輸入幀格式和輸出幀格式,。
1)輸入幀格式
輸入格式如表1所示,，可以看出，Word0是固定的0x13EC,，起同步作用,。Word1控電源模式并包含幀丟失和舒適噪音插入信息。Word2～Word6用以調(diào)節(jié)碼率(2．0kb／s～9．6kb／s),。Word7～Word9為未用字,，全為"0"。Wordl0為雙音多頻的控制信息。WoM11含有語音激活探測,、休眠狀態(tài),、回音消除等控制信息。word 12～word 23是真正的話音數(shù)據(jù)(40 bit～192bit),。
2)輸出幀格式
輸出格式如表2所示,，輸出幀格式與輸入幀格式基本相同，只是將Word7作為位錯誤率信息字,，用以報告位錯誤信息,。Word8用于報告軟件決定距離信息。Word9用于報告最近解碼幀探測到的位錯誤數(shù),。
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4 AMBE-2000TM在系統(tǒng)中的應用
4．1 A／D-D／A接口的選擇
從模擬語音信號到AMBE-2000TM的接口是A／D及D／A轉(zhuǎn)換器,，其選擇很重要，將影響系統(tǒng)語音的質(zhì)量,，可以是標準的8位／4率或A率壓擴量化的PCM信號,，也可以是16位線性量化的PCM信號，使用16位線性量化的PCM編碼器能獲得更好的語音效果,。本系統(tǒng)采用Analog Devices公司的AD73311AR,，它是16位線性量化PCM編解碼器，采樣率為32kHz,，可同時進行A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換,。
4．2 AMBE-2000TM的傳輸信道接口
AMBE-2000TM的輸出數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)倪^程如圖3所示。
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從圖3可以清楚地看到,，從編碼器輸出的一幀數(shù)據(jù)并不全部送到信道上傳給接收方的解碼器,，而是在本地將前192bit的數(shù)據(jù)幀頭抽取掉，只發(fā)送后面的192個語音數(shù)據(jù)比特,，到達接收端后,，再由系統(tǒng)完成在這192bit的前面加上數(shù)據(jù)幀頭的工作，組成一幀完整的數(shù)據(jù)幀后送給接收端的解碼器進行解碼,。必須注意的是,，語音數(shù)據(jù)在信道上傳輸時必須加上系統(tǒng)幀頭，否則無法在接收端實現(xiàn)同步,。此外,，當碼率為9600b／s時，這192bit才全部為有效的壓縮語音數(shù)據(jù),，當?shù)陀? 600b／s時,，只有一部分為有效壓縮語音數(shù)據(jù)，其余的補"0",，這些"0"仍需通過信道傳輸給接收方的解碼器進行解碼,。
4．3 系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)采用AD73311AR實現(xiàn)模／數(shù),、數(shù)／模轉(zhuǎn)換，用xilinx公司的FPGA實現(xiàn)對AMBE-2000TM的數(shù)據(jù)幀頭的抽取和合成的控制處理,。如上所述,，AMBE-2000TM的一幀數(shù)據(jù)只將語音數(shù)據(jù)和加上的系統(tǒng)幀頭送入信道，發(fā)送給接收端,，在接收端收到的語音數(shù)據(jù)必須去掉系統(tǒng)幀頭再加上數(shù)據(jù)幀頭后才能送給解碼器進行解碼,。FPGA完成幀頭的控制功能。整個系統(tǒng)框圖如圖4所示,。在本系統(tǒng)中,，AMBE-2000TM是設置為主幀格式模式。在整個系統(tǒng)工作之前,，要對AMBE-2000TM復位,，低電平有效，復位時間不少于50μs,，在復位信號出現(xiàn)上升沿后95ms,，電路才開始處理AD73311的PCM信號。信道的傳輸率為4 kb／s,。
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5 仿真結果
圖5是從AMBE-2000TM出來的壓縮數(shù)據(jù)的幀頭,，192位幀頭只仿真了前面的16位，以后的全設為"0",。圖6是送給AMBE-2000TM解碼的數(shù)據(jù)(只顯示了幀頭),。圖7是去掉幀頭只加上系統(tǒng)幀頭Oxl3EC作為同步用的信道數(shù)據(jù)，為了方便,，仿真時將有效數(shù)據(jù)設定為"1001．．．．．．"(一幀有效數(shù)據(jù)共40bit),。傳輸率為4kb／s．
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6 結束語
本系統(tǒng)進行了30個小時的長時間實驗，一直保持著良好的工作狀態(tài),。在4kb／s的傳輸率下,，保持了較高的語音質(zhì)量，并具有較強的語音識別能力,。該系統(tǒng)的語音信號經(jīng)過調(diào)制后可用于無線通信,，我們用FSK進行調(diào)制傳輸取得了滿意的語音效果。