| 摘要：從語音編碼技術(shù)中常用的三種編碼方法入手,由淺入深地引出了IP網(wǎng)絡(luò)電話中常用的幾種語音壓縮編碼方法,并對之進(jìn)行了性能分析和比較。 關(guān)鍵詞：IP網(wǎng)絡(luò)電話 語音壓縮編碼 線性預(yù)測（LP） 合成-分析法 隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展,最近幾年出現(xiàn)了一種在互聯(lián)網(wǎng)上提供電話服務(wù)的新業(yè)務(wù)——IP電話業(yè)務(wù)。一次IP電話呼叫的成本為本地市話費(fèi)、IP網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)以及遠(yuǎn)端市話費(fèi),與傳統(tǒng)長途電話昂貴的長途通信費(fèi)相比,可以極大地降低用戶的通信費(fèi)用。正是由于這種極大的價格優(yōu)勢,使得它一出現(xiàn)便引起了世人充分的注意,同時互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展,有效地利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源,來緩解現(xiàn)有通信網(wǎng)的緊張局面,也是促成這項(xiàng)新技術(shù)迅速發(fā)展的另一原因。從另一個角度來看,互聯(lián)網(wǎng)的巨大成功,必將使IP成為未來信息網(wǎng)絡(luò)的支柱技術(shù),以IP為核心的分組化和以移動通信為核心的無線化已成為電信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的主流方向。其于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不但無可置疑地成為數(shù)據(jù)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù),而且已經(jīng)開始進(jìn)入電信領(lǐng)域,其突破口就是電話業(yè)務(wù)。IP網(wǎng)絡(luò)電話的成功開發(fā)和應(yīng)用,預(yù)示了以IP為基礎(chǔ)的新一代信息網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)。積極地探索和跟蹤這項(xiàng)新技術(shù)無疑是一項(xiàng)十分有必要和有意義的工作。 IP網(wǎng)絡(luò)電話是一項(xiàng)涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信令協(xié)議、數(shù)字信號處理等多個領(lǐng)域的綜合性技術(shù),它具有價格低廉、可以靈活地提供各種增值業(yè)務(wù)、有利于企業(yè)建立高效綜合服務(wù)內(nèi)部網(wǎng)、有利于運(yùn)營商開拓新的市場、有助于和IP網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的融合、促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展等獨(dú)特的優(yōu)勢。其中價格低廉是IP電話能夠進(jìn)入市場的首要因素,其根本原因是IP電話均采用語音分組技術(shù)、語音壓縮編碼和統(tǒng)計(jì)復(fù)用,帶寬利用率高,完成一次通信所需的成本大幅度降低。IP網(wǎng)絡(luò)電話中的語音處理主要需要解決兩個問題,一是在保證一定話音質(zhì)量的前提下盡可能地降低編碼比特率,二是在IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保證一定的通話質(zhì)量。前者正是我們剛剛提到的語音編碼技術(shù)。 1 語音編碼技術(shù)的分類 語音處理的研究是和通信技術(shù)的發(fā)展服密切相關(guān)的。人們?yōu)樘岣咄ㄐ畔到y(tǒng)的效率而研究語音編碼方法,為滿足低碼率的通信要求,而研究語音分析合成系統(tǒng)——聲碼器。研究語音編碼就是要解決傳輸速率和語音質(zhì)量的矛盾。最早的標(biāo)準(zhǔn)化語音編碼系統(tǒng)是速率為64kb/s的PCM波形編碼器。到二十世紀(jì)90年代中期,速率為4ks/s～8kb/s的波形與參數(shù)混合編碼器,在語音質(zhì)量上已逼近前者的水平且已達(dá)到實(shí)用化階段。根據(jù)語音編碼的發(fā)展過程,我們把該技術(shù)歸納為以下三類： （1）波形編碼（或稱為非參數(shù)編碼） 波形編碼方式是能夠忠實(shí)地表現(xiàn)波形的編碼方式。語音信號的波形編碼力圖使重建的語音波形保持原語音信號的波形狀態(tài)。這類編碼器通常是將語音信號作為一般的波形信號來處理,比如：脈沖編碼調(diào)制（PCM）、自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM或ΔM編碼）、自適應(yīng)差分編碼（ADPCM）、自適應(yīng)預(yù)測編碼（APC）、自適應(yīng)子帶編碼（ASBC）、自適應(yīng)變換編碼（ATC）等都屬于這類編碼器。以上幾種波形編碼方式分別在64kb/s～16kb/s的速率上能給出高的編碼質(zhì)量。當(dāng)速率進(jìn)一步降低時,其性能會下降較快。由于這類編碼器通常將語音信號作為一般的波形信號來處理,所以它具有適應(yīng)能力強(qiáng)、話音質(zhì)量好、抗噪抗誤碼的能力強(qiáng)等特點(diǎn),但所需的編碼速率高,其中64kb/s PCM的語音質(zhì)量成為一個編碼質(zhì)量的參照標(biāo)準(zhǔn)。 （2）參數(shù)編碼（或稱為模型編碼或聲碼化編碼） 參數(shù)編碼是根據(jù)聲音的形成模型,把聲音變換成參數(shù)的編碼方式。其基本方法是通過對語音信號特征參數(shù)的提取及編碼, 力圖使重建語音信號具有盡可能的可懂性,即保持原語音的語義。而重建的信號的波形同原語音信號的波形可能會有相當(dāng)大的差別。參數(shù)編碼的典型例子語音信號的線性預(yù)測編碼（LPC）已被公認(rèn)為是目前參數(shù)編碼中最有效的方法,它能夠在2.4kb/s的低比特速率下獲得清晰、可懂的合成音。并且易于硬件實(shí)現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不但能極為精確地估計(jì)參數(shù),還在于它的計(jì)算速度比較快。另外多帶激勵（MBE）編碼,余弦變換編碼（STC）均屬參數(shù)編碼。 由于參數(shù)編碼是保護(hù)語聲模型,重建清晰可識別的語聲,而不注重波形的擬合,所以這類編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的是合成語聲質(zhì)量下的低速或極低速的編碼。參數(shù)編碼的優(yōu)點(diǎn)是：編碼速率低,編碼速率通常小于4.8kb/s,可以低至600b/s至2.4kb/s。缺點(diǎn)是：合成語音質(zhì)量差,特別是自然度較低,連熟人之間都不一定能聽出講話人是誰;另外,這類編碼器對講話環(huán)境噪聲較敏感,需要安靜的講話環(huán)境才能給出較高的可懂度,且時延大。 （3）混合編碼 混合編碼是將波形編碼與參數(shù)編碼結(jié)合而產(chǎn)生的一種編碼方式。使語音編碼技術(shù)有了突破性的進(jìn)展。其中提出了一些非常有效的處理方法,產(chǎn)生了新一代的參數(shù)編碼算法,構(gòu)成了新一代的聲碼器。 混合編碼結(jié)合了以上兩種編碼方式的優(yōu)點(diǎn),采用線性技術(shù)構(gòu)成聲道模型,不只傳輸預(yù)測參數(shù)和清濁音信息,而是將預(yù)測誤差信息和預(yù)測參數(shù)同時傳輸,在接收端構(gòu)成新的激勵激去激勵預(yù)測參數(shù)構(gòu)成的合成濾波器,使得合成濾波器輸出的信號波形與原始語聲信號的波形最大程序的擬合,從而獲得自然度較高的語聲。這種編碼技術(shù)的關(guān)鍵是：如何高效地傳輸預(yù)測誤差信息。依據(jù)對激勵信息的不同處理,這類編碼主要有：多脈沖線性預(yù)測編碼（MPLPC）、規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測編碼（RPELPC）、碼激勵線性預(yù)測編碼（CELPC）、低時延的碼激勵線性預(yù)測編碼（LD-CELPC）。 混合編碼克服了原有波形編碼器與聲碼器的弱點(diǎn),而結(jié)合了它們的優(yōu)點(diǎn),在4～16kb/s速率上能夠得到高質(zhì)量合成語音。在本質(zhì)上具有波形編碼的優(yōu)點(diǎn),有一定抗噪和抗誤碼的性能,但時延較大。 2 語音壓縮編碼的原理 IP網(wǎng)絡(luò)電話中的語音處理需要解決的兩個問題之一是在保證一定話音質(zhì)量的前提下,盡可能降低編碼比特率。這主要依靠語音編碼技術(shù)來解決。IP網(wǎng)絡(luò)電話宜使用ITU-T定義的低比特率編碼標(biāo)準(zhǔn),其比特率為5.3～16kbit/s,均為低復(fù)雜度編碼算法,話音分組長度在30ms以下,話音質(zhì)量較好。從前面列舉的幾種編碼方式也可看出,同一段語音信號,采用不同的編碼方式,其編碼后的比特率各不相同。那么為什么我們能夠?qū)φZ音信號進(jìn)行壓縮編碼從而達(dá)到降低語音信號的比特率呢？ （1）利用了語音信號的相關(guān)性 語音信源是相關(guān)信源,因此經(jīng)過采樣和量化的信號之間還有很強(qiáng)的相關(guān)性,為了降低編碼速率,人們就希望盡可能多地去除語音信號之間的相關(guān)性。線性預(yù)測編碼技術(shù)（LPC）就是一種用來去除語音信號之間相關(guān)性的常用技術(shù)。語音信號中存在兩種類型的相關(guān)性：其一是在樣點(diǎn)之間短時相關(guān)性。語音信號在某些短時段中呈現(xiàn)出隨機(jī)噪聲的特性,在另一些短時段中,則呈現(xiàn)出周期信號的特性,其它一些是二者的混合。 |
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