一种适合地面遥测接收站的语音编码方法

汪 洋 李海鹏 王 斌

(1.92941部队91分队 葫芦岛 125001)(2.海装重庆局 重庆 402263)



一种适合地面遥测接收站的语音编码方法

汪 洋1李海鹏1王 斌2

(1.92941部队91分队 葫芦岛 125001)(2.海装重庆局 重庆 402263)

论文提出了一种适用于地面遥测接收站的语音编码方法。针对地面简易站扩频接收带宽小的特点,在混合激励线性预测(MELP)算法的基础上,设计了一种2.4Kbps的低速率语音编码算法。该算法通过增加帧长、多帧联合及参数内插等方法降低语音的编码速率。经仿真结果表明该语音编码方法适合目前地面遥测接收站技术要求,实用性强,适合在其它遥测系统中推广应用。

地面遥测站; 语音编码; 多帧联合

Class Number V243

1 引言

随着靶船测试技术的发展,常规试验数据传输已经不能满足测试需要,语音的直接表述更适合对靶船的指令传递。现有地面遥测接收站特别是在采用扩频体制后数据带宽小(通常不超过10kbps),因此若需传输语音,则要求语音占用数据带宽尽可能小,更容易适应现有地面遥测接收站的信道传输要求[1]。

本文采用2.4kbps混合激励线性预测(Mixe Excitation Linear Prediction,MELP)低比特率数字语音编码技术,是在基本的线性预测编码(Linear Predictive Coding,LPC)的基础上结合混合激励、多带激励以及原型波形内插等编码方法的优点[2～4],采用了一种新的更符合人的发音机制模型来编码和合成语音,并利用自适应频谱增强技术,提高合成语音与原始语音的匹配度,从而实现了低码率、高质量的合成语音。既满足了语音的传输质量,又能满足现有地面简易遥测站的技术要求。

2 语音遥传系统

语音遥传是将语音采集到的原码编码后送入编码器组帧,生产PCM流经过发射机扩频后发射。地面遥测接收站收经接收解调,将语音数据挑路后送入语音解码模块后输出语音,如图1所示。

图1 语音遥传系统框图

3 MELP语音编码算法

原始语音信号经过8KHz/8位采样和滤除50Hz的工频干扰后,对每个子帧分别提取线谱对频率、基音周期、清浊音模式、能量、非周期标志及傅里叶幅度等参数[5],处理流程如图2所示。

图2 语音编码器的功能框图

本文算法由三个连续语音子帧组成一个超级帧,子帧帧长25ms,总帧长75ms,编码比特为180bit,总计为180bit/75ms=2.4kbps。本文算法选择了对合成语音质量影响较大的线谱对频率、傅里叶幅度、基音周期和清浊音模式、能量以及非周期标志等参数进行量化[6]。具体参数的量化比特分配如表1所示。

表1 MELP声码器比特分配表

本文考虑到线谱对频率的帧间相关性和误差的相对独立性,同时为了减少编码比特数,因此采用了帧间内插的方案:对1、3子帧的LSF参数采用多级矢量量化,而2子帧的LSF参数由内插方法得到。1、3子帧进行四级矢量量化,量化采用4级码本,各级量化比特数分别为7bit、6bit、6bit、6bit,总共25bit。

本文采用动态比特分配方案,将3个子帧共九种清浊音模式,分为五类情况对基音周期和清浊音模式进行动态比特分配以及联合矢量量化。编码比特共15位,包括模式位和基音位:当子帧全是清音,分配全0码字;当仅有1个浊音子帧时,基音周期采用8bit标量量化;当有2、3、4个浊音子帧时,分别采用10bit、12bit、12bit的加权矢量量化算法对基音周期参数进行编码[7]。

在每个子帧中,提取一个能量参数,组合成三维矢量,在对数域进行量化。再对残差信号进行FFT得到残差谱,然后残差谱经过峰值提取得到傅里叶谐波幅度,最后对最低10阶傅里叶谐波幅度采用8位矢量量化[8]。

4 MELP语音解码算法

解码算法先进行参数译码,再分别合成每个子帧的语音信号。与传统线性预测合成方法不同的是它充分反映了语音信号的本质特征,极大地提高了合成语音的质量。其他后续处理,如混合激励产生、自适应频谱增强、线性预测合成、增益校正、脉冲离散滤波等,与MELP算法一致[9～10]。

线谱对频率解码时先分别对第1、3子帧的线谱对频率进行解码,再通过内插公式得到第2子帧的线谱对频率。基音周期解码时先判断清浊音模式,再根据清浊音模式和码本序号对基音周期进行解码[11]。

上述参数保证了合成语音的可懂度,为了提高合成语音的自然度,还需对傅里叶幅度、能量参数以及非周期标志进行恢复,在降低语音编码速率的同时保证了合成语音的质量。

5 试验模拟

图3 原始语音和合成语音比较

本文使用Matlab对该2.4kbps语音编码算法进行了仿真,并给出仿真结果图,编码时将输入文件按联合帧75ms进行整体编码,经过高通滤波器后存入缓存器,提取参数时对基音周期、带通清的判决采用MELP标准算法,对第1、3子帧求得LSF系数,进行量化,解码时先对超级帧进行解包。利用文中提到的第1、3子帧LSF系数运算得到第2子帧的LSF系数,完成各参数解码。

图3是一组语音的仿真结果图,从时域波形上看合成语音在时间包络上同原始语音非常接近,包括能量强度也基本一致,根据实验表明,该方法适合地面简易遥测站扩频传输的带宽要求,满足遥测通信使用,同时语音清晰自然。

6 结语

本文设计并验证了一种低比特率数字语音编码算法,根据地面遥测站的技术指标特征选取MELP算法,并针对遥测传输要求完成了算法优化和实现。最终通过软件Matlab的仿真验证,实现了该语音编码系统。试验结果表明,该语音编码算法合成语音具备了一定的自然度,质量达到了预期的效果,可应用于地面遥测站语音传输。

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[11] 吕声,王炳锡.一种改进的混合激励线性预测的基音周期估计算法[J].信号处理,2001,17(1):56-59.

A Voice Coding Method for Ground Tele-metring Receive Station

WANG Yang1LI Haipeng1WANG Bin2

(1. Unit 91, No. 92941 Troops of PLA, Huludao 125001) (2. Chongqing Bureau of Naval Equipment Department, Chongqing 402263)

A voice coding method which is suitable for ground tele-metring receive station is presented in this paper. Aiming at that the spread spectrum characteristic of simple ground station receiver bandwidth is small, a 2.4K bps low rate voice coding algorithm based on the Mixed Excitation Linear Prediction(MELP) is designed. The algorithm reduces speech coding rate by increasing the frame length, joining multi frames, and interpolating parameters. The simulation results show that the voice coding method is suitable for the technical requirements of the current ground tele-metring receive stations, and it is applicable for other telemetry systems.

ground tele-metring receive station, voice coding, multi-frame joint

2015年1月3日,

2015年2月5日 作者简介:汪洋,男,硕士,高级工程师,研究方向:靶场测量与控制。

V243

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.026