基于A(yíng)CELP語(yǔ)音編譯碼算法的軟件實(shí)現及應用

摘要：文中針對Tetra通信系統中采用的ACELP算法，分析了該算法的基本原理，介紹了其算法基于VC++6.0的軟件實(shí)現過(guò)程，重點(diǎn)闡述了ACELP在網(wǎng)絡(luò )通信中的實(shí)現及應用情況。

隨著(zhù)通信技術(shù)的快速發(fā)展，語(yǔ)音編碼技術(shù)發(fā)展越來(lái)越迅速、應用越來(lái)越廣泛。TETRA(Terrestrial Trunked Radio)集群通信系統是歐洲電信標準協(xié)會(huì )ETSI制定的數字集群移動(dòng)通信標準。近幾年發(fā)展很快，其產(chǎn)品已被包括我國在內的世界多個(gè)國家廣泛采用。TETRA承載的語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)采用ACELP語(yǔ)音編碼算法，該算法是一種改進(jìn)型的CELP，它繼承了傳統CELP的主要優(yōu)點(diǎn)，并克服了其缺點(diǎn)。傳統CELP用固定的隨機碼本來(lái)逼近語(yǔ)音信號的余量信號，缺乏靈活性，不能很好地控制碼本的頻域特性。ACELP采用代數碼本結構，不僅降低了碼本的存儲量和搜索量，還提供了頻域控制函數，從而增強了碼本的靈活性和多樣性，能更好地逼近余量信號，保證了高質(zhì)量的語(yǔ)音服務(wù)。該算法占用帶寬較小，其編碼速率僅為4.567 kbps，同時(shí)編碼語(yǔ)音質(zhì)量高，特別適合多媒體語(yǔ)音通信使用。目前該算法已有許多在嵌入式系統中實(shí)現的方案，但由于編譯環(huán)境以及硬件條件的限制，應用不夠靈活方便，因此本文基于Visual C++軟件編程技術(shù)，采用服務(wù)器與客戶(hù)端網(wǎng)絡(luò )通信模式，在服務(wù)器端采用聲卡對語(yǔ)音信號進(jìn)行實(shí)時(shí)AD采樣，對采樣數據進(jìn)行ACELP語(yǔ)音編碼處理，并將編碼后數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)發(fā)送到客戶(hù)端;在客戶(hù)端實(shí)時(shí)接收服務(wù)器端發(fā)送的語(yǔ)音編碼數據并進(jìn)行軟件譯碼處理，同時(shí)將譯碼后數據采用聲卡進(jìn)行實(shí)時(shí)播放，從而實(shí)現基于A(yíng)CELP算法的網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音通信。

1 ACELP語(yǔ)音編譯碼算法的基本原理

ACELP是一種改進(jìn)的代數碼本激勵線(xiàn)性預測算法，該算法要求輸入語(yǔ)音信號為8 kHz采樣、16比特量化，信號以30 ms分幀，每一幀分為4個(gè)子幀，每個(gè)子幀7.5 ms，每幀數據編碼后為137比特，包括線(xiàn)性預測參數、基音延遲T、最佳碼本索引和最佳增益參數。編碼器原理框圖如圖1所示。

編碼過(guò)程主要由短時(shí)預測、長(cháng)時(shí)線(xiàn)性預測、碼本搜素和增益計算等組成。其中短時(shí)預測提取聲道濾波器的LPC系數并進(jìn)行插值和量化;長(cháng)時(shí)線(xiàn)性預測通常分為開(kāi)環(huán)基音分析和閉環(huán)基音分析兩步，開(kāi)環(huán)基音分析每幀數據(30 ms)處理一次，采用自相關(guān)法估算基音周期，按較低基音延遲優(yōu)先的原則獲取基音周期的大致范圍，閉環(huán)基音分析基于子幀完成，每7.5 ms處理一次，以獲取基音周期的準確值;碼本搜索和增益計算主要用于計算合適的碼本和增益，使重建語(yǔ)音的質(zhì)量具有更高的清晰度和自然度。

解碼過(guò)程就是將線(xiàn)性預測參數、基音延遲T、最佳碼本索引和最佳增益參數等各個(gè)編碼參數等從編碼比特流中提取出來(lái)，重構輸出信號和各個(gè)濾波器，最后得到重構語(yǔ)音。解碼過(guò)程以分幀為單位進(jìn)行。首先將LSP矢量轉換為L(cháng)P濾波器系數，然后通過(guò)基音延時(shí)查找基音的整數和分數分量，將激勵進(jìn)行解碼，對解碼后的激勵信號通過(guò)后基音濾波器送入合成濾波器，得到合成信號。合成信號經(jīng)過(guò)共振峰后濾波器和增益放大單元控制得到語(yǔ)音信號。其ACELP解碼原理框圖如圖2所示。

2 ACELP語(yǔ)音編譯碼算法的軟件實(shí)現概述

根據ACELP語(yǔ)音編譯碼算法原理.本文基于VC++6.0軟件平臺，采用面向對象思想，編制CTetra_ACELP_Cod類(lèi)和CTetra_ACELP_Dec類(lèi)分別實(shí)現語(yǔ)音信號編、譯碼。另外，本文采用動(dòng)態(tài)鏈接庫方式對編譯碼類(lèi)進(jìn)行封裝，接口簡(jiǎn)潔，使用方便。

2.1 CTetra_ACELP_Cod編碼類(lèi)

該類(lèi)為ACELP語(yǔ)音編碼類(lèi)，主要實(shí)現對輸入該模塊的8 kHz采樣，16比特量化的語(yǔ)音樣點(diǎn)數據流進(jìn)行編碼，類(lèi)的主要函數定義如下：

其中Init(TETRA_ACELP_COD_PARAM*pCodParam)函數完成編碼模塊初始化工作，TETRA_ACELP_COD_PARAM結構體參數實(shí)時(shí)存儲編碼過(guò)程中相關(guān)參數。void PreProcess(Word16 signal[]，Word16 lg)函數完成待編碼語(yǔ)音信號幀的預處理。ACELPCod(Word16 signal[]，Word16parm[]，TETRA_ACELP_COD_PARAM*pCodParam)函數完成語(yǔ)音編碼處理，signal[]參數為待編碼的語(yǔ)音樣本幀數據，parm[]為編碼后參數。Prm2 bi ts(Word16 prm[]，Word16 bits[])函數實(shí)現編碼參數到比特流的轉化。

2.2 CTetra_ACELP_Dec編碼類(lèi)

該類(lèi)為ACELP語(yǔ)音譯碼類(lèi)，主要實(shí)現對輸入該模塊編碼數據幀(137比特幀長(cháng))進(jìn)行譯碼處理，輸出8KHz采樣，16比特量化的語(yǔ)音數據。類(lèi)的主要函數定義如下：

其中Init(TETRA_ACELP_DEC_PARAM*pDecParam)函數完成譯碼模塊的初始化工作，TETRA_ACELP_DEC_PARAM結構體參數實(shí)時(shí)存儲譯碼過(guò)程中相關(guān)參數。Bits2prm(Word16 bits[]，Word16 prm[])函數實(shí)現137比特幀數據到ACELP編碼參數的轉化。ACELPDec(Word16 parm[]，Word16 synth[]，TETRA_ACELP_DEC_PARAM*pDecParam)函數完成編碼參數的譯碼處理。編碼參數通過(guò)ana數組返回。PostProcess(Word16 signal[]，Word16 lg)對合成語(yǔ)音進(jìn)行后處理工作。

2.3 動(dòng)態(tài)鏈接庫封裝接口介紹

其中bits為137比特編碼比特幀，signal為240*16bits的語(yǔ)音樣點(diǎn)數據，pCodParam和pDecParam為編、譯碼過(guò)程中的中間結構體參量。

3 ACELP編譯碼算法在網(wǎng)絡(luò )通信中的應用

采用網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器、客戶(hù)端通信模式，將ACELP編譯碼模塊應用到網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音通信中，最終實(shí)現了基于A(yíng)CELP算法的網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音通信。具體通信過(guò)程為：服務(wù)器端采用聲卡以8 kHz采樣，16比特量化方式對語(yǔ)音信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對采集到的語(yǔ)音信號每240樣點(diǎn)作為一幀送入ACELP編碼模塊進(jìn)行壓縮編碼，壓縮后編碼數據幀長(cháng)為137比特，每幀數據進(jìn)一步封裝處理后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)發(fā)送到客戶(hù)端?？蛻?hù)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)接收服務(wù)器端編碼語(yǔ)音數據包，經(jīng)ACELP譯碼處理后實(shí)時(shí)發(fā)送到聲卡進(jìn)行播放處理，從而實(shí)現網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音通信。

3.1 語(yǔ)音信號實(shí)時(shí)采集與播放技術(shù)實(shí)現

在語(yǔ)音信號實(shí)時(shí)采集與播放實(shí)現過(guò)程中，如何實(shí)現聲卡采集與播放數據的實(shí)時(shí)性、連續性和可靠性是軟件設計的關(guān)鍵所在。在本文軟件系統中，通過(guò)直接凋用Windows最底層波形音頻接口函數，實(shí)現聲卡的編程控制，系統中采用了多線(xiàn)程多緩沖技術(shù)，即在服務(wù)器端，聲卡采集與語(yǔ)音壓縮編碼使用不同的工作線(xiàn)程，同時(shí)給聲卡提供多個(gè)用于承載采集數據的緩沖區，在同一時(shí)刻部分緩沖區供聲卡采集線(xiàn)程裝載數據的同時(shí)，另外已經(jīng)裝滿(mǎn)數據的緩沖區供語(yǔ)音壓縮數據處理線(xiàn)程處理，從而使得語(yǔ)音信號采集和壓縮編碼處理工作同時(shí)進(jìn)行，有效保證了采集數據的連續性和信號處理的實(shí)時(shí)性。服務(wù)器端聲卡實(shí)時(shí)采集原理框圖如圖3所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)實(shí)現

軟件系統采用客戶(hù)/服務(wù)器模式和TCP/IP協(xié)議，利用Socket套接字編程技術(shù)實(shí)現數據接收與發(fā)送。其中數據接收模塊采用VC++的CSo cket類(lèi)，具體通信過(guò)程為：1)程序啟動(dòng)的時(shí)候在指定端口創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )監聽(tīng)套接字，用以監聽(tīng)客戶(hù)端的連接請求。2)當有客戶(hù)請求連接時(shí)，創(chuàng )建接收套接字與客戶(hù)端建立連接。3)當有數據需要接收時(shí)，CAcceptSocket響應OnReceive消息，調用Receive函數從緩沖里獲取客戶(hù)端傳來(lái)的數據，實(shí)時(shí)的交給ACELP譯碼線(xiàn)程進(jìn)行譯碼還原處理。4)當通信結束時(shí)，關(guān)閉監聽(tīng)套接字和接收套接字并釋放資源。數據發(fā)送接口采用SOCKET通信技術(shù)，為了使系統在實(shí)時(shí)編碼處理的同時(shí)及時(shí)將編碼數據發(fā)送到服務(wù)器端，軟件采用多線(xiàn)程技術(shù);同時(shí)為了避免由于待發(fā)送數據流不均勻導致的數據幀丟失等情況發(fā)生，系統采用了多緩沖機制。主程序編碼模塊將要發(fā)送的編碼數據源源不斷的向緩沖隊列中寫(xiě)，同時(shí)發(fā)送線(xiàn)程不斷的檢測緩沖隊列中緩沖情況，當有緩沖滿(mǎn)時(shí)及時(shí)進(jìn)行發(fā)送。由于多線(xiàn)程與多緩沖機制的有效使用，使得網(wǎng)絡(luò )通信能夠實(shí)時(shí)高效的運行。

3.3 系統情況介紹

該系統實(shí)現了基于A(yíng)CELP算法的網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音通信，能夠對通信過(guò)程中的語(yǔ)音波形樣本數據、ACELP編碼數據等進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲和網(wǎng)絡(luò )發(fā)送，對通行過(guò)程中的波形進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示等。系統運行穩定，延遲較小，語(yǔ)音通信質(zhì)量較好。圖4所示為本文設計的軟件系統運行截圖。

4 結束語(yǔ)

文中研究了TETRA系統采用的ACELP語(yǔ)音編譯碼算法，在此基礎上基于VC++編程技術(shù)實(shí)現ACELP編、譯碼軟件模塊，并采用動(dòng)態(tài)鏈接庫對其進(jìn)行封裝處理，接口簡(jiǎn)單，使用方便。最后開(kāi)發(fā)相應系統，實(shí)現了ACELP編譯碼算法在網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音通信中的應用。經(jīng)實(shí)踐證明，ACELP算法編碼質(zhì)量高，性能優(yōu)異，具有較好的應用價(jià)值。