窄带语音通信系统的研究与设计

引言
    当今时代是个信息飞速膨胀的时代，为了满足用户不断增长的信息量需求，各种数据网络、信息平台都在进行不断的扩容建设。然而。频带资源终归是有限的，无论是有线通信还是无线通信，频带资源正变得越来越宝贵。如何使用合理的数据压缩编码方法以节省带宽已成为研究和应用的热点。本文通过对语音信号的压缩编码方法的研究，最终设计了一套语音汇接器，可连接电话等音频终端，非常适合窄带语音通信。

1 语音编码方法
    语音编码方式从编码方法的角度可以划分为：波形编码、参数编码和混合编码。波形编码具有抗噪性能强、语音质量好等优点．但这种方式所需的编码速率较高。一般在在16 kbit／s～64 kbit／s。参数编码的特点是编码速率低，可以达到1．2 kbit／s～2．4 kbit／s．甚至更低。但是参数编码器也有语音质量较差、自然度较低、对环境敏感等缺点。混合编码器，它结合了上述两种方法的优点，同时从两个方面构造语音编码：一方面增加语音的自然度，提高语音质量；另一方面相对于波形编码实现较低的数码率指标。当前。混合编码器正在得到人们较大的关注。这种编码器既具备了声码器的特点(利用语音生成模型提取语音参数)，又具备了波形编码的特点(优化激励信号，使其与输入语音波形相匹配)，同时还可利用感知加权最小均方误差的准则使编码器成为一个闭环优化的系统，从而在较低的比特率上能获得较高的语音质量。
    本文选用的是混合编码中基于多带激励的AMBE算法，选择AMBE的算法有以下优点：AMBE是低比特率、高质量的改进语音压缩算法，该技术在低比特压缩系统中能提供极优的语音质量，却对指令执行速度和存储器容量的要求大大的降低，它引入了语音分析和合成及矢量量化等新算法．在背景噪声和信道误码方面也有极强的鲁棒性。3．6 kb—psAMBE声码器。性能与全速率(8 kbps)VSELP的性能相当，在同样话音质量的前提下，AMBE编码占用的带宽较小节省了频率资源。

2 语音汇接器系统构成
    语音汇接器系统主要实现语音数据的模数数模转换、压缩解压缩、编解码功能等，如图1所示：当模拟语音信号经A／D转换后就可以变为数字信号，该信息再经语音编码单元压缩后送至控制单元，经过控制单元处理的信息就可以通过通信接口发送出去。当接收方收到信息对数据进行分析处理后送至语音解码单元解压缩．然后解压缩后的数字信息经过D／A转换后产生模拟语音信号送入语音终端。

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3 语音编解码芯片的选型与接口电路的设计
    在系统设计时，A／D、D／A芯片选用了LHeent公司推出的适用于蜂窝电话和调制解调器应用开发的话音频带CodecCSPl027．CSPl027片上集成了16位的∑一ΔA／D、D／A．通过16位串行I／0口与后续系统相连。CSPl027具有一定的软件编程控制功能，可根据不同的应用要求．通过软件编程来控制系统的音频接口的增益衰减、采样速率和接口方式等。这样的设计使得系统整体集成度提高，可靠性得以增强，很好的满足了系统对语音通道的设计要求。
    语音压缩选用的是国产的低比特率声码器AMBE-1000，它是一款高性能的基于多带激励概念AMBE技术成功应用的语音编译码器，编码质量明显优于CELP、RELP、VSELP、MELP、ECELP、MP-MLQ、LPC-lO等编码方案，具有很高的合成语音质量和较强的抗背景噪声和误码的能力。其编码速率在2．4 kbPs～9．6 kbPs之间可调，FEC速率在50 bps～7．2 kbps可实现在线设定，模块主处理器可以通过判读误码率的大小来依据事先制定的策略调整语音编码速率和FEC速率，以尽可能的保持最佳的语音质量。当信道质量很好时，系统将语音编码速率和FEC数据速率均可适当减小，以传输更多路话音信号，增加信道复用效率；当信道质量比较糟糕时，系统将语音编码速率和FEC数据速率均可适当增大．以确保一定的传输质量。这一系统可以实现相关的速率组合。
    VAD(话音激活)／CNI(舒适噪音插入)技术的应用也使得该声码器具用鲜明的特点。系统根据当前语音信号的功率。判断本帧信号静默与否。如果认定本帧为静默，则业务信道将改用另外的。PN码以远低于正常水平的功率发送静默信息。相应的，若接收到静默信息后，系统则会产生一帧时长的符合听觉习惯的背景噪声。VAD／CNI技术的运用．一方面减少了运算量，降低了功耗。另一方面在使用者没有接收到语音信息的同时，以舒适的背景噪声提示链路目前畅通。大量研究表明，在一路全双工电话交谈中．只有36％～40％的信号是活动的或有效的。当一方在讲话时，另一方在听，而且讲话过程中有大量显著的停顿。通过静噪抑制技术，可以大大节省网络带宽。针对网络传输的特点，采用静音检测和丢帧恢复等功能，在很大程度上能够弥补电磁干扰对语音传输质量的影响。而且，静音检测对于交谈来说，其节省的通讯量是相当可观的。其接口如图3所示。

4 系统软件设计
    系统软件主要包括接收和发送两大部分。
    发送部分(图4)主要是先从AMBEl000接收PCM数据，然后把该数据进行处理后再按照通信格式打包并且加CRC32校验．通过串口发送出去。然后等待对方的回应数据。若是ARQ(Automatic Repeat reQuest，自动重复请求)数据则重新发送。若是ACK(acknowledgement，确认)数据则表示发送成功。若在设置时间内未收到任何数据，则重新发送。若在设置的重发次数后仍未收到ACK数据，则舍弃该数据包继续发送后续数据包。接收部分(图5)通过串口接收到数据帧后首先解包，然后进行差错检测，若有错，则发送ARQ，若正确，则发送ACK。若接收成功。则回到串口继续接收后面的数据。

5 结论
    本文所设计的语音通信系统采用的码率较低，为2．4 kbps的话音速率，传输时输出的语音清晰，辨识率好。本文设计是基于语音压缩传递基础上的，对于研究和应用窄带语音通信系统具有一定的借鉴价值。