SJ 20770-2000 使用共轭结构代数码激励线性预测的8kbit s语音编码.pdf
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1、S.J 中华人民共和国电子行业军用标准FL 5895 SJ 20770-2000 使用共辄结构代数码激励线性预测的8 kbit/s语音编码Coding ofspch at 8 kbit/s using conjugate蝴structurealgebraic帽code-ecitedIinear-predictive CCS-ACELP) 2000-10甲20发布2000-10-20实施中华人民共和国倍思产业部批准自IJ吕本标准等问采用了盯U叩T0.729 (-1996年3月)(使用共辄结构代数码激励线性顶测(CS-ACELP)的8kbit句话音编码以及i丁U-丁0.729附件A(1996年11
2、月)3.1 35 I则令aJ10=3.135o下面叙述LSF参数的编码过程。分别对两个MA预测器搜索最接近当前LSF系数的值。逼近傻定义为最小化加市民均方误差:Er5叫(川1). . . (21) 式(21)中的权问作为未量化LSF系数的函数是自适应的,11.。W,嚣tI l10 (li.I 2同0.04厅_1)2+1 11.0 W, 2 S i S 9 = I - -II。如i叫咱H-ly + 1 11.0 Wto嚣1l10 (.9 + 0.92 1: - 1)2 + 1 句,吨,品,.、nu n lr-A.啕AUS 叶由匕若其若其官者9+ 0.92 1: - 1 0, 其它此外,还3耍g对
3、权w叫5和和Jw叫6分别乘以1.2当前帧m的侍f锺鼓化欠盘由下式计算:庐飞/j卢斗十十2斗十十卡卡卡扣叫叫旷iJ卢(伽寸闸肯先通过搜3媒k挺,第一级间|刊$L川1.选出使JJjt加权)均方误将殷小的入口L10然而进山13甲SJ 20770 2000 行第二级码自L2搜索IL2定义了第二级欠聋的低部。对每个可能的侠边项,用武(20)篮建部分矢盘仙,i= 1,.,5 ,同时对它们进行最新整现使矢盘问最小距离为0.0012,用武(21)计算加权MSE,选取产生最小误萍的矢盘L20用选定的第级矢最Ll手11第二级欠握的低部L2,在码书L3中搜索第二级欠麓的高部,再;在新鹦理使矢盘问最小距离为0.001
4、2,地取使加权MSE最小的矢最口。震新整理得到的欠最1;,i = 1,.电lof衷欠盘问最小距离沟0.0006.整个过程在白LO定义的两个MA预测器中分别完成,选取产生最低加权MSE的MA预测器LO。再如本条开始所讲的,蓝新得到的欠叫做两次整理,再进行稳定性检测以生成黛化LSF系数i0 3.2.5 LSP系数内描第二子帧采用己最化(和未量化)LP系数,对于第一子帧,已量化(和i未最化)LP 系数由相邻帧的对服系数线性内插得到,LSP系数的内插在余5京城究成。令q/rurrelll)为当前10msI帧计算的LSP系数,q /previous )为上一个10ms帧计算的LSP系数。计算两个子帧的(
5、米盘化)内插LSP系数的公式如F:Sub仕ame1:qi(l)z05qi(pmpious)+0.5qihrrent),ig1,.,10. (24) Slibihme2:qi(2)zqi(仰renr),izlv-,10用qj代替的,问样可用武(24)计算内插的巳盘化LSP系数。3.2.6 LSP到LP变换旦LSP系数究成盘化与内插,便又转换回LP系数衔。该转换过程如下:己知盘化和内插的LSP系数,通过扩展式(13)和(14)便能找出F(z)和几(z)系数。由qj计算系数fi(i1i叫,.,5,采用下面的递推算法:for i = lt05 川)=币2仇i-lh(i -1)+ 2月(i2)for j
6、 =卜ldownto 1 hi1 (J) = hi-I(j) 2q21mlflbmllo- 1)+ hi-l(j - 2) end end 其中初始值fi(0)叫,fi扫)嚣。同样,再用q2i代瞥qli-I类似地计算系数元价。求出fi(i)和12(i)之店,将F1(z)和F2(z)分别来以l+z-咱们mzml即获得町(z)丰11几(z), 它们的系数为:h(i)叫(i)+(i-1), i =:1,.叫5. (25) 儿(i)嚣几命)-/2(i-1),i= 1,.,5 最归自fi的和12(i)计算LP系数卧14-SJ 20770-2000 0.5矿5ff川lJ儿叫咱喻(ii)+0.5/2 (i)
7、 i 坦叫1,.俨川.J.川.(26) ; -lO.5月(11甲i)-0.5儿(11什)i: 6,.,10 式(26)是直接由A(z)=(町(z)+巧,(z)/2搜出,其中坷(z)和巧(z)分别为对称和反对称的多项式。3. 3 感知加权感知加权滤波器基于未最化的LP滤波器系数的表示为:A(zNI)1号山4W(z) -.-. = m A(Z/r2) -1也yJGiZYI和Y2决定了滤液器W(z)的频事响应,通过适当调整这两个变露可以使加权更为有效,其实现方法就是让YI和归作成输入信号频谱形状的函数。在每个10ms帧里做一次自适应,且要对每帧的第一子帧使用内插来平滑自适应过程。颇谱形状是由一个工阶
8、线性预测滤披器获得,该工阶线性预测滤披器由列文申唰杜宾(Levinson-Durbin)递推式(3.2.2条)的附产品ki推出。将反射系数kj转换成对数面积比(LAR)系数。i的算式为:叫112iji叫,2阳对应于当前10ms帧的LAR系数用于第二子!帧。第一子帧的LAR系数是由当前帧和上一帧的LAR参数线性内插得到。两个子帧的内插LAR系数表示为:Sub仕部ne1:oi(l)z05oymviOM)+050thmt),i$11 . (29) Sub仕创ne2:oi(2)noiem叫i = 1,2 频谱包络我征为平坦特性(flat=1)戚倾斜特性(flat出0)。每个子帧的特性是由向LAR系数施
9、加个门限函数得到。为避免频谱包络的快变,还要考虑前一个子l帧m斗的flat值,带有远滞关系的计算公式为:0 费。l(m)明1.74和O2(.) 0.65和自川.1)= I |(30) flat (川斗!者。1叫叩1.52威O2(m) 143出entmu : 143 tmin : tmax叩6end 第J子l帧则娃在第一子l帧所选取的基背附近进行闭环基音分忻,搜索最佳延迟巧。呵,-EE-SJ 20770-2000 搜索界限在wj至tmx+;内,披如F陆运F从川忡导山tm删mn:fl和和111 tmi肌n-刊斗(int叫)-5 扩tm切143 then tmax = 143 1m曲I= tmax町
10、9end 问环瑟膏搜索是使原始语音和重建语裔的均方加权误鼓值最小。这是由最大化下式实现的:?:。xobkb1)R(k)=?MHH-HH- . . . (37) Z阳。Yk(n)Yk (n) 其中x价)为目标信号,Yk (n)表示延迟为k的过去滤波激励信号(过去激励信号和11( )卷积)。需耍改意的是搜索范围限制在预选取值附近,即第子帧预先选取的开环基膏几p和第二子帧预先选取的罚。针对延迟trlin用卷积计算Ykn)。而对搜索范围在k= tntin + 1, ., t瞅内的其它黯数延迟,Yk (,)则利用如下边推公式更新Y.I;(n)=Yk_l(n斗)+u(-k)h(n),n=39川0 . .
11、. . (38) 其中un=由143川39表示激励锺忡,且y卜1(-1)=0。需要注意:在搜索阶段中来样u(n),n = 0,.,39是未知的,但它在基音延迟小于40的投索中需要用到。为了简化搜索,将LP残余拷贝到u(n),从而使得式(38)的递推关系对所有的延迟均有效。计算巧和引时,如果选取的最佳整数闭环延迟小子邸,必须测试最佳黯数闭环延迟附近的分散。分数基膏搜索是内插式(37)的归一化自相关值并找出最大值。内插使用FIR滤波器句,它基于汉明加1穷的sinc函数,sinc的截点为土门,在剖2处填零(如(12)嚣。)。此外,在过来样城里滤波器的截It频率(-3dB)为3600日Zo附)对分数j
12、,0,j咛的插值由内插公式(39)计算。R例1=LR(k叫);12(1 + i. 3)+ L R(k + 1 + i如12(3卢t+ i. 3) t = 0,1,2 (39) 其中户。,1,2分别对应于分数o.矛il20注意:考虑到适均插值,在计算式(37)的03 3 白相关假时使用范阁。min币4,ttnaX叫)娃必要的。3.7.1 自选脱码15矢撮产生计算山基音延迟后,在该延迟的黯数值k手11分数值t用F式对过去激励信号u机)进加18呻SJ 20770-2000 行内插,计算自适应码书矢最v伊)。仲各(川+ihob+i3)du(川+1+圳卅i.3) n = 0,凡t=矶1,2. (40)
13、内插滤波器b30基于汉明加窗的sinc函数,且戳,自:为土29.在土30处填零(句。(30)唱。)。在过采样城里滩波器的截止频率(】3dB)为3600日Zo3.7.2 自适应码书延迟的码字CCodeword)计算第一子帧的基音延返R编码为8bits.第斗子l帧的延迟编码为5bitso分数延迟T由整数部分int(丁)和分数部分fracf3.frac =斗.0,1组成。慕音序号Pl编码为:Plzj3(mt(Tl)币19)+frac叩1,若T,= 19,.,叫仰斗l刀,11 . (41) l(int(T)t - 85)+ 197,带T,骂86,.,1431卢C嚣。基音延迟马的编码与均有关。用与前面同
14、样的内插方法,分数延迟马表示为整数部分int(马)和分数部分frac/3,frac =斗,0,10编码为:乓=3int巳)tmiJ+卢ac+2.(42) 式中的tmiD是如3.7中所述由鸟求得。为使编码辑能更有效地防止随机比特位误盏,用第一子帧的延迟序号Pl计算奇偶校验位PO,即通过对川的商六位进行异或运算产生母偶校脆忱。在解码时耍m:新计算奇偶校验位,若计算出的值与传输值不吻合,则执行错误隐蔽处理。3.7.3 自通应间书增益计算计算出自适脱码书延迟店,接下来计算自适应码书增蔬岛计算公式如r:Zx(n)yn) Lynyn) 且O:S;gp:S;1. 2 . (43) 其中xn)为目标信号,yn
15、)表示经滤波的自适应码节欠盘(W(z)jA(z)对(n)的零状态响应)。该矢囊yn)由巾)与hn)卷积得到:y(n)= L v(i)h(n叫).n = 0,.,39 . (44) 3. 8 固定码书:结构与搜索固定码书基于种采用交织单脉冲忡列(inter1eavedsingle-pulse permutation ISPP) 设计的代数隅,目结构。在该码书中,每个码15欠最包括四个非零脉冲,且每个脉冲的幅度为叫琪斗,可按表?设定它们的位置。叫19明脉冲0 1 2 3 SJ 20770-2000 表7制定码t5c结构符号位商so:土lmo: O. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 3
16、S St=土lmp 1, 6, 11, 16. 21 , 26. 31. 36 S2:土1m2: 2, 7. 12. 17. 22. 27. 32. 37 S31丈lm3: 3. 8. 13. 18. 23. 28. 33. 38 4, 9, 14. 19. 24. 29. 34 , 39 码书矢最c如)的建立采用了包含40维数的零矢量,并且在设立的位i史上放宽4个单位脉冲,这4个单位脉冲与它们的对应符号相乘:c(n)叫。(咿(n甲mo忡忡知(n-mJ+呐l)(卜m2)+忡如(n-m3),n泣。,.,39(45)其中邱)为单位脉冲。码书还有一个特征,就是采用自适应预滤披器p(z)对选定的码书欠
17、量滤波。滤披器p(:)可以增强谐波成份,以改善重建语音的质量。p(z)的形式为:p(z) = 1/(1- z -T) . . (46) 其中T表示当前子帧基音延迟的黯数部份,为基音增菇。值为自适应的,它使用上一子帧的盘化自适应码书增益值,P:-p=gp且0.2:;:;0.8. (47) 若延迟小子40,式(45)中的码书CII)按照下式修正:r c(n), n = 0,., T - 1 。)嚣J.(48) lc(n)+pc(n 白T), n 嚣T,飞飞T,.俨俨户. .,3叫.,3叮.,3实际是在圄定码书搜索中用下式修改脉冲响应h伊),以实现问书的修正。h(n)斗h(n).n = 0,.,1
18、. .附lh(n)+ph(n-T). n口T川393. 8. 1 固定间书搜索过程罔定码书搜索是通过最小化加权输入谐音信号叫n)与加权意建语音信号之间的均方误差信号进行,力日权输入语音信号叫n)由式(3)求得。用于闭环基膏搜索的目标信号通过减去自适应间书贡献盘进行更新,即:x(n)篇x(n)- g py(n), n = 0,.,39 . (50) 其中Iyn)为自式(44)求得的经滤波的自盾阳码书欠盏Igp为由式(43)求得的自适应码节增益。矩阵H定义为下三角形托曾盟兹卷积矩阵,对角线上的元素为h(O)h(39)。矩阵=HH由h(n)的相关值组成,肉此,这个对称矩阵的各元素表示为:(i.j)=
19、 Lh(n -i)h护j).;=0.,39. j叫,.,39.(51) 阳j相关信d(叶由目标倍号x市)和脉冲响向(11)获得:也20叫SJ 20770-2000 dn)骂Lxi)hi- n), n = 0, ., 39 . (52) 如果Ck是第k个固定码书欠蠢,则码刊搜索即为最大化下面的项:r?|ZdO)忡)J叫_k_=、川/.(53) Ek c ck 其中t表示转置。在码书搜索前要首先计算信号d(n)和矩阵。注意:只计算实际需要的元素,且设计了一个有效存储过程来加速黯个搜索过程。由于阴书矢囊Ck仪包含四个非零脉冲,因此,码书C的代数结构允许采用一个快速的搜索过程。对个给定矢盘Ck式(53
20、)的分子相关表示为:C=L耐i).(54) mi是第i个脉冲的位置,Si是它的幅度。式(53)分母中的能量为:E=土(饵,m;+2立立时(mj,mj).(55) 为了简化搜索过程,脉冲幅度由对信号d(lI)最化预定。即通过设某个位置的脉冲幅度等于该点的d伊)的符号。所以,在码书搜索之前要先完成下面的步骤:首先将信号d(lI)分解为绝对值Id仰和符号s韧d(n)两个部分,再用符号信息修正矩阵,即:功I(i, j) = sign d (i)pi.伊d(j)P(i, j), i = 0, .,39,归i川,.,39.(56)移去式(55)中的因子2对的生对角线元素进行调整:的,i)=O.5饰,i),
21、i = 0, .,39. . .t .t .t .t .t .t .t .t .t . .t t (57) 现在,式(54)中的相关就能表示为:C嚣Id帜。+ Id (m 1 + Id (m 2 + Id机. (58) 而式(55)中的能最则表示为:E嚣;帆,mo)+ ;(m1月1)+份(mO,ml)+;(m2 ,m2+ ;(mO.m2)+ ;(ml ,m2) . (59) +功m3.m3+;(mO.m3)+ (ml叫+;(m2,m3)最后,采用聚焦搜索方、法用于简化搜索过柄。在该方法中进入末一级循环以前要用预先计算的门限进行检测,仅鸣大于这个门限时才进入末一级循环。能够进入术级循环的最大次数
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