论文研究-VoIP语音编码技术研究与基于ARM的声码器架构设计 .pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.34M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn V VoIP 语音音编码技技术研究究与基于于 ARM M 的声码码器架构构设计上海海交通大学， E-mail VoIP 通信的分为波形编码和解码技术是 V 技术可以被分 ion Union）制制定的 G.71 。声码器是进 Processing）成为了声码器进行语音压缩编）芯片的。鉴器设计的一个；声码器；压缩编码； N912.3 要：语音编解摘要础。 Tele 术的（D ARM 关键。语音编码技 ecommunicati 的协议标准。 Digital Signal M 取代 DSP 成键字：VoIP；图分类号：TN 君乔国君，微电子学院， l: byronqiao@h 的关键技术之一和参数编码两 1、G.729、G 编码的器件，鉴于 ARM 处理个新的参考方，上海，（2 hotmail.com 一，它是 IP 两大类，国际 G.723.1 是目，传统声码器理器高性能、方向。 200030）网络承载实际电信联盟（目前使用最为广器的设计都是、低成本、低实时音频信息流（ITU，Inter 广泛的语音编是基于专用 D 低功耗的特点流的基 rnational 编码技 DSP 点，使用中图 1. 引言进入二十一战传传统公共电话提供供较之传统电（即 Netw 的技即数据分组网 work）计划中技术驱动力。的浩 PST 浩大的网络基 TN 到 VoIP 的语音编解码器是 VoIP 设备类、原理、协码器分类 2. 一世纪后，Vo 话交换网（PS 电话通信更为 oIP（Voice o STN，Public 廉价的服务 over IP：IP 电 Switch Telep ，体现了 Vo 电话网）合一电话）迅速发 phone Netwo oIP 发展的服一是下一代网网络、有线电电视网和公共标[1]，VoIP 是息时代电话通信中的重点目标是三网合一之因此，信息信的前景将是之后话务通信是 VoIP 逐渐能起到重要作发展并进入技 ork）之势。一服务驱动力；网络（NGN，信的必然途径渐取代 PSTN，作用并提供可技术成熟期，一方面，VoI 另一方面，，Next Gener 径，体现了 V ，但由于 PS 可靠服务，所大有挑 IP 能够三网 ration VoIP 发展 STN 现有所以，基础设施在当前人们的日常生活中仍能长且任重道远远的过程[7]。的过渡将是一码技术是 VoIP 备的核心器件一个比较漫长 P 通信的关键件之一，是进键技术之一，进行语音信号协议标准进行行介绍和对比，并提出一种承载实时音频频信息流的基基础。声是 IP 网络承号编解码的实种基于 ARM 实体。本文将 M 处理器的声将对语音编码技术的声码器构架设设计思想。波形编码码与参数编编码语音编码技术根据编码原原理的不同，术可以分为波波形编码和参参数编码。事事实上，目前前使用最为普普遍的编码方方式叫做混合合编码，即在波波形编码的基基础上进行参参数编码，这这种折衷的编编码方式能够够兼得波形编编码和参数编编码各自的优点——高语音音质量和高压压缩效率。 2.1. 波形编码码波形编码是是能够忠实再再现语音信号时域波形的编编码方式，其其基本思想是是在发送端对对语音信号进进行抽样、量量化、编码，在接收端对接得到原始语音音。波形编码码能够得到较较好的语音质质量，不过其其最低编码率接收信号进行只能达到 16 行数字解码得 6kbps。 ‐ 1 ‐

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 在传统电话是典的量典型的波形编量化精度。PC 比较紧张的数源比编码码技术应运而话通信中使用编码方式，PC CM 编码能够数据传输网络而生。技术的基本思最为广泛的 CM 编码采用够保证相当好 PCM（Pulse 用 64kbps 固定好的话音质量 e Code Modu 定编码率，即 ulation：脉冲即采用 8kHz 的冲编码调制）的抽样频率和量，但其过高的速率成为了它应用于带编码就和 8bit 带宽资络的技术瓶颈。因此，诸如如差分编码、、自适应量化化编码等低速速率波形差分编码技思想在于编码过过程不对抽样样值本身进行是对相邻的抽抽样值之间的的差值进行编编码，由于抽样差值较小，因此编码比比特率得以降行编码，而是降低。自适应量化化编码是另一一种比较典型的低速率波形形编码技术，其基本思想想是通过对小小信号采用较较小量化步长长以保证其量量化精度、对大信号采用较较大量化步长长以减少冗余比特率，自适适应量化编码码要求系统能能够根据输入信信号的幅度变变化动态地调调整量化步长余从而降低比长。 2.2. 参数编码码波形编码能也很很难将编码率求是是不合适的。能够提供较好率降至 16kbps 参数编码技好的语音质量 s 以下，在信技术能够较大，但其编码比特率过高，低速率波形编编码技术，信息共享、带带宽资源弥足网络，这样的幅度地降低编编码率，使话行于共享网络，即使采用低足珍贵的 IP 网话务信息畅行参数编码的的基本思想是是根据声音的形形成原理构造造编解码模型型，在发送端端利用编码模入的的语音信号提提取一组参数数并进行参数传传输，在接收收端利用解码码模型和接收收到的参数数数据还原语音音信号。由于于传输过程中传递的是语音音信号经编码码模型提取的的参数信息，而不是语音音波形本身，因此参数编编码技术能够够大幅降低编码码率。参数编编码技术能够够达到的语音音信号比特率率一般都小于于 8kbps。鉴于编码比比特率低的特特点，参数编码型的构建源于于声音形成的的原理，因此此参数编码器器又被称作为根据人类发发声的原理，参数编码技术码又俗称压缩声码器（Vo 术构造的语音缩编码。由于 oice-coder 或音编码模型如于编解码模型 Vocoder）。如图 1 所示。的带宽要络。模型和输图 1 参数编码模图 Fig. 1 Parameter Cod 声源发出的声声源和声带，模型原理 der Diagram 声音经过声带人类的发声声器官包括声带将得到不同同的频率响应应，从而形成成不同的音节节和音素。图冲”和“白噪噪声”分别模模拟浊音和清清音，“增益益”模拟音量征浊量大小，三者浊音/清音的二声带变化的滤征声者构成人类的 “滤波器”模模拟声带器官官。语音信号号经编码模型型提取表二进制开关参参数、表征浊浊音特点的基基频参数、表征音量大小的的增益参数以以及表滤波器系数，以上参数经编码后传输至至接收端，接接收端将这些些参数通过对对应的参 1 中，“脉冲声源器官； ‐ 2 ‐

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 数解解码模型还原原出语音信号号。事实上参数编码技术利发声过程中声声源变化的长长时相关的短时相关性性降低了语音编码的比特率生在波形编码码预处理之后的，这就是所利用了人类发率[2]。是建立在 PCM 所谓的混合编 M 编码基础上编码技术。现过程中，语语音信号的压压缩处理都是上的，也就是是说，参性和和声带变化的 VoIP 的实现编码都是发生数编 3. 语音压缩缩编码标准准的对比国际电信联 29、和 G.723 能指标如表 1 联盟定义了一 3.1，这些同所示。 G.72 性能一系列语音编在电话通信领领域，使用最最为广泛的有样也是我国统所采用的主要编码标准。语音编码标编码标准，在 IP 电话系统有：G.711、标准的的性能指标表 1 语语音编码标准的 in Codec Protoc ormance of Mai Table 1 Perfo MO OS 比特率（bps） .3 4 .8 3 4 .0 64 6.3 8 cols 复杂度（MIPS 复）（ms）时延 0. 125 37 7.5 1 15 1 25 30 是使用比较广广泛的用于评评价语音质量量的计分方法法，其中 “复杂度” VoIP 领域，指实现编解码 30MIPS 以上上代表码所需 “MOS”指平语音质量很好理器能力，以码算法[1]。“时见，参数编码编码方式，G. 平均意见分，好；0 分最低以 MIPS（百万时延”指编码低，表示完全万指令/秒）码器的处理时的语音质量评 729 相对于 G 评价明显低于 G.723.1 的较全无法交流。为单位，在时延。于波形编码，但编码率远远优于波形编编码。另较高语音质量量和低处理延时，是以高复复杂度码方式形编码数编码数编码编码参数波形参数标准标 G. 711 723.1 G.7 G. 729 表 1 中，“ 最高，表示语定点 DSP 处理复杂度编解码由表 1 可见同为参数编 5 分的定高复代价获取的。外，为代 4. 4.1. 声码器构声码器的构架设计的处理器内核比较由于声码器器的作用是运运行复杂度相对对较高的参数数编解码算法法，因此对于于处理器的运运算能力存在在一定要求。目前大多的架。其中，主控的 VoIP 设备，控处理器负责例如 IP 电话责整个设备运行话、媒体网关行状况的监控处理理器负责执行理器，现在 D G.729 的参数于语音信号的处理或 G 用于行声码器的功 DSP 处理器的数编码算法是的模数转换及将主控处理理器和运算处使用用的方案。典协处处理器，以及典型的例子是及 USB、UAR 功能，即语音信信号的压缩编的运算速度一一般都可以到完全没有问题及 PCM 码流输处理器集成到一是 Palmmicro 公 RT 等外围接题的。当然，输出，即实现一块 SoC（S 公司的 PA16 接口，被广泛应理器的构机；运算的 DSP G.723.1 编码器，控，可选择成关，都是基于于主控处理器器与运算处理成本较低的 C CISC 单片机所以选择运算算能力较强的 S 以上，因此此对于运行 G 一个 PCM 编前必须配备一，也是一种被制器和 AD21 的设计中[4]。预处理过程。 hip）芯片上成了 8051 控制 P 相关设备的编码过程，所到达 100MIPS ，在 DSP 之前现波形编码预 System on Ch 688，它集成应用于 VoIP 被普遍 81 DSP ‐ 3 ‐

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 技术的高速发发展及其处理理器成本的不控处理器甚至至取代执行声取代传统主控 ARM 的 SoC 处理器取代方案已经被投 DSP 处理器进投入到实际应应用当中。进行声码器设设计，主要基不断降低，A 声码器功能的 ARM 进入 Vo 的 DSP 处理器 oIP 领域是必器是完全可行必然的结行的方案，器完全能够胜胜任语音压缩缩编解码算法的复杂度要求例，处理集成了硬件乘器相对于 DSP 模块和外设接乘法器，而处 P 处理器的控接口，能够满处理器运算能能力已经能够控制功能更强强，也就是说满足更为广泛泛的应用需求器的优势不在在于它的高性性能，而在于它的低功耗够在实现基于以下考量求。以 ARM 够接近于 130 说，在 ARM 内求。。因此 ARM 更少的产品功量， M7TDMI 为例 0MIPS。内核周围能够够集成 M 处理器能够功耗。 21 世纪初，甚至有超越不断下降。相对于 DSP 声出一种基于 A ARM 在 51 单片声码器仍 ARM 处在声码器架构构设计随着 ARM 技使用 ARM 至部分基于 A 果。甚至 1. 2. 3. 4. 采用 ARM 处 ARM 处理器器内部已经集 ARM 处理器更多的功能模 ARM 处理器设备功能及性 ARM 处理器 32 位 RISC 处机成为整个处性能的条件下下，能够提供供更小的芯片片面积以及更器的低成本也也是设计商在处理器的市场场占有率已经处理器市场龙龙头老大之势在芯片选型上经超过了 75% 势，随之相伴，但基于 AR dspeed 公司的必须考虑的要 %，在未来几伴的就是处理 RM 的声码器的 M82172 芯要素。早在几年内 ARM 理器成本的不器设计方案相芯片为例提出尽管得到了了大量关注甚是一一个新生事物物，本文接下理器器的声码器架架构设计思想甚至投入实用下来将以 Mind 想。 4.2. 基于 AR Mindspeed 公 RM 处理器的公司的 M821 所示。中的的应用如图 2 的声码器构 172 是一款集构架设计集成了 ARM1 11 双核的 So oC 芯片，它的声码器设计图 2 基 Fig. 2 Des M11 的内核，操作系统并监控基于 M82172 的 ign Diagram ba 一个叫做 C 控整个设备的 2 ased on M8217 CSP（Control l Signal Proce 一个叫做 M 的工作情况；要包括语音压实时处理，主 essing），即 MSP（Media 压缩编解码算即控制信 a Stream 算法的即媒体流处理理器，负责语语音分组的实 M82172 包含处理器，负责 cessing），即号处 Proc 含两个 ARM 责运行设备操 ‐ 4 ‐

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 频率都为 450 0MHz，且均均为哈佛结构，拥有各自的的一级、二级级数据运行和程行。CSP 和 M 程序高速缓存 M82172 的片用 S 此外 PCM （A 器能 SILICON LA 外还提供馈电 M 码流通过时 Advanced Peri 能够通过 SPI 上。系统启动 2172 外扩总线 VoIP 设备要 M11 较强的运功能外，还负 ARM 码功线上 M82 MSP 的工作频存。片内 MSP 处 ABS 公司的 S 电控制、过压时分复用总线 iphery Bus）总线接口对动代码及硬件线接口上的 F 要求将模拟语运算处理能力负责将压缩编式的的数据包，然较之之连接外设的系统，例如 μ P 收到 RTP 数网控制器进行作系 CSP 太网然后通过片内的 APB 总线具 Clinux 嵌入式数据包后可以决方用 R 意到以使方案除了实现由图 2 可见 RS232 串口调到，CSP 和 M 使用级联的方 M82172 只需时钟的要求降个时题。借助于 ARM 有利利于家用袖珍以 M82172 为广泛的关注行二层处理，现了系统监控见，M82172 片调试的途径， MSP 都有各自方法将两个 JT 需外接一个 2 降低了系统设 M 处理器的珍设备或便携为代表，AR 注和应用。处理器和片外 SI3226 芯片，压保护等媒体线到达 M8217 总线将信号送 SI3226 进行件驱动程序、操 Flash 存储器语音信号最终力，在 M821 编码后的语音包的 AHB（A 具有更高的传式操作系统，以直接进行 T 最后通过 M 控、声码器构片上还集成了 PCI 接口可自的 JTAG 接 TAG 接口串连 24M 的晶体振设计的复杂度低功耗特点携式设备的设计 RM 处理器及更为 5. 结束语本文介绍了 PCM 编码器该芯片主要器构成了声码码器的设计构要负责模拟语语音信号的模网关或数字交 72 的 TDM 接送至 MSP 进行配置和监控交换机必需的接口，TDM 接进行压缩编码控，SPI 接口模码、语音压缩操作系统代码的用户线功能接口模块通过码，另外，M8 模块同样挂接缩编码算法代编码器选 CM 编码，输出的构架。PCM 编模数转换及 PC 能。SI3226 输过片内 APB 82172 的 CS 接在片内的 A 代码都存储与 P 处理 APB 总与挂接在器中。终转换为 TCP 72 的应用中包添加实时信 Advanced Hig 传输速率，其 TCP/IP 协议 TCP/IP 处理， MII\GMII\RGM 建的设计目的 P/IP 数据包的中，MSP 除了信息，封装成 h-speed Bus）其工作频率高的形式在共享了实现 G.729 成 RTP（Rea ）总线传送至高达 165MHz。封装在嵌入式议栈通常被封生成 IP 数据 MII 接口输出的外，还完成了丰富的外设设功能模块，以用来挂接外外部存储卡，输。鉴于的压缩编 ocol）形 HB 总线设备操中，因此片内的以享网络上传输或 G.723.1 的 al Time Proto 至 CSP，AH 。CSP 运行设式操作系统中予 M82172 片 ARM 双核的应组的整个处理 T 接口模块提配置或故障信应用结理过程。提供了使信息。注接口模块，两两个处理器可测试或调试，，也可据分组后交予出。因此，A 成了网络分组例如 UART 用来记录配以分别进行测一调试。 C 的系统时钟容易产生的复最大功耗可以系统进行统一驱动整个 SoC 多时钟信号容整个 SoC 的最连起来，对系振荡器即可驱，且避免了多，M82172 整计开发。对于单钟，M82172 复杂的电磁兼以被限制在 2 兼容性问 2W 之内，及其 SoC 解决决方案将在声声码器和 VoIP P 设备设计领领域得到了作为 VoIP 关技术，本文重关键技术之一一的语音编解解码技术。波大语语音编解码技重点阐述了这两类技术的特特点与原理。前使般都完全使用最为广泛都是基于 805 全基于 ARM 处的设计参考方式的方向。泛的语音编解 1 控制器与 D 处理器的声码解码标准，本文 DSP 算法处理码器设计构架理器的组合，架，提供了声文对它们的特特点进行了罗本文以 AR 声码器及 VoI 波形编码和参。G.711、G. 罗列和对比。 RM 双核 SoC IP 相关设备一参数编码是 V 729 和 G.723 传统声码器 C 应用为例，一种不同于传 oIP 的两 3.1 是目器设计一提出了传统方 ‐ 5 ‐

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 本文旨在为领域的技术人人员提供语音音编解码技术术相关的理论论及设计参考，望有为涉足 VoIP 领正与批评。之士不吝指正识之献参考文献 [1] 王王瑞刚，李燕，桂海源，IP 电话 [2] 桂 [3] 于于红岩，吴选勇 [4] 黄黄学达，王典洪 [5] 朱朱海毅，周春楠 [6] 罗罗英军，曾嵘， 3 12~1 onathan David [7] Jo 187~ ~228 Lin Cai, Jon W. [8] L Shifta Ansari, K [9] S national Journa Intern Ke Liu, Zhich [10] Scien nce and Techno IP 电话终端设话技术与软交换勇，IP 电话的 V 洪，陈分雄，基楠，VOIP 基本一种基于 TM 设备——原理、换，北京，北京 VoIP 语音网关基于 PA1688 的原理，信息技 MS320C5409D 电路及应用，京邮电大学出版关设计，应用天的 VOIP 语音网技术，2003（5） DSP 系统的多速西安，西安电版社，2004，1 天地，2005（6）关技术，电子），83~84 速率声码器设计电子科技大学出 1~181 ），64~67 子器件，2005，出版社，2003，，49~144 28（1），184 4~187 计，现代电子技技术，2007，3 30（6）， son, Voice Ove er IP Fundame entals, Second E Edition, Beijin g, Posts & Tel lecom Press, 20 009, 1~33, Mark, VoIP ov Kashif Nizam K al of Computer hun Mu, Zhong ology Beijing, 2 ver WLAN, Inte Khan, Jinat Reh Science and Ne g Wang, High 2001, 8(3), 229~ ernational Journ hana, Different etwork Security Performance S ~233 nal of Commun Approaches o y, 2009, 9(3), 23 Speech Compre nication System f interworking 32~239 ession System, ms, 2006(19), 49 between SIP a 91~508 and H.323, Journal of Un niversity of V oIP Cod dec Tech Voice hnology R -coder b Research based on h and Ar ARM P rchitectu ure Desig Processor r gn of Shangh hai Jiao Tong g University, ment, Shangha ai (200030) Guojun Qiao onics Departm Microelectro t Abstract hnologies in V mportant tech e Codec Techn network. Voice Codec, and G .711, G.729, G ocoder is the d ce-coder or vo gn is mostly ba vocoder desig nd low power ce, low cost an d direction of v vocoder desig VoIP field, and nology can be G.723.1 codec device which p ased on specif consumption gn. d it is the basic e divided into c protocols est plays code fic DSP chip. of ARM proc c stuff for tablished cessor, Voic real- categ by IT comp Cons repla Keyw ce Codec Tech -time voice inf gories: Wavef TU are in com pression of vo sidering such acing DSP wit words: VoIP; hnology is one formation to s form Codec an mmon usage no oice signal, an feature as hig th ARM becom Codec; Voice e of the most i spread on IP n nd Parameter C owadays. Voic nd traditional v gh performanc mes a referred e-coder ‐ 6 ‐

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