數(shù)字信號(hào)音頻電平的算法研究

丁光亮， 楚紀(jì)正， 王 琦

(①北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029；②北京瑞光極遠(yuǎn)數(shù)碼科技有限公司，北京100085)

0 引言

隨著數(shù)字化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，PCM設(shè)備在多路話音通信中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性和清晰度有了更高的要求。在通話過(guò)程中，由于模擬語(yǔ)音信號(hào)音量大小不同，會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)的電平大小不同。如果信號(hào)電平值計(jì)算不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致其與門(mén)限電平的差值誤差較大，從而降低系統(tǒng)的整體指標(biāo)，既體現(xiàn)不出數(shù)字設(shè)備動(dòng)態(tài)大、失真小的特點(diǎn)，還可能造成嚴(yán)重的削波失真，降低通話質(zhì)量。因此，音頻電平的計(jì)算對(duì)通信設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)有著非常重要的意義。

傳統(tǒng)的電平測(cè)量都采用電壓表測(cè)量電壓電平，但是在實(shí)際操作中，誤差較大且實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為繁瑣，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，采用由即時(shí)功率求功率電平的算法，具有操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。這里介紹了模擬與數(shù)字設(shè)備連接時(shí)音頻電平的基本概念，提出了數(shù)字信號(hào)電平算法，即適用于純音頻系統(tǒng)，也適用于視頻系統(tǒng)中的音頻部分。

1 電平的概念

電平是電路中兩點(diǎn)或幾點(diǎn)在相同阻抗下電量的相對(duì)比值，反映了電路中的功率、電壓、電流的相互關(guān)系。對(duì)于音樂(lè)、語(yǔ)音這種非正弦信號(hào)，可以用音頻電平來(lái)描述它的大小。音頻電平有功率電平和電壓電平之分[1]。以600 Ω電阻上消耗 1 mW的功率作為基準(zhǔn)功率，任意功率與之相比求常用對(duì)數(shù)乘以10稱(chēng)為絕對(duì)功率電平，單位為dBm，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（1）所示：

式中 LP代表絕對(duì)功率電平（單位：dBm），Px為任意功率，P0為零電平功率。

電路中某測(cè)試點(diǎn)電壓和標(biāo)準(zhǔn)比較電壓0.775 V之比取常用對(duì)數(shù)的20倍稱(chēng)為電壓電平，單位為dBu，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（2）所示：

式中LU代表電壓電平值（單位：dBu），Ux為任意功率。

功率電平和電壓電平之間有著非常密切的關(guān)系，從實(shí)質(zhì)上講，它們是一致的，但是它們并不是完全相等的，功率電平和電壓電平之間可用公式（3）來(lái)?yè)Q算：

由上式可見(jiàn)，當(dāng)Rx＝600 Ω時(shí)，電阻Rx的絕對(duì)功率電平等于它的絕對(duì)電壓電平，而當(dāng)Rx≠600 Ω時(shí)，電阻Rx的絕對(duì)功率電平不等于它的絕對(duì)電壓電平，而相差10lg(600/Rx)。

2 模/數(shù)變換

用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸語(yǔ)音信號(hào)，首先要在發(fā)送端把語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化，即模/數(shù)變換；再用數(shù)字通信的方式進(jìn)行傳輸；最后在接收端把數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào)[2]。模擬信號(hào)數(shù)字化有多種方法，最常用的是符合G.703標(biāo)準(zhǔn)的脈沖編碼調(diào)制（PCM）[3]。這種方法通過(guò)取樣、量化、編碼三個(gè)步驟將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，其原理如圖1所示。

圖1 PCM通信系統(tǒng)原理圖

2.1 抽樣

抽樣定理是任何模擬信號(hào)數(shù)字化的理論基礎(chǔ)，它也是時(shí)分多路復(fù)用及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的理論依據(jù)之一。抽樣是指把幅度隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)按一定的時(shí)間間隔來(lái)切取，得到是時(shí)間上不連續(xù)的連續(xù)脈沖列，每個(gè)脈沖列均表示各時(shí)刻的幅值。

2.2 量化

量化是把取樣得到的幅度連續(xù)變化的脈沖信號(hào)，用設(shè)定一定間隔的有限個(gè)不連續(xù)電平來(lái)表示。通常是將抽樣值壓縮后再進(jìn)行均勻量化，ITU-T推薦兩種壓縮方式，即A壓擴(kuò)律和μ壓擴(kuò)律。對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)，中國(guó)采用2.048 MHz的取樣時(shí)鐘，以8 kHz的速率進(jìn)行8位取樣，取樣數(shù)據(jù)按A律壓縮13折線編碼，偶數(shù)位交替反轉(zhuǎn)[4]。

2.3 編碼

PCM編碼是指用二進(jìn)制代碼來(lái)表示有限個(gè)量化電平的過(guò)程。為了便于編碼，常采用分段折線來(lái)近似表示壓擴(kuò)特性曲線，中國(guó)和歐洲采A=87.6的A律13折線編碼。A律13折線編碼給出相應(yīng)的8位二進(jìn)制折疊碼，其中第一位極性碼外，其它7位為幅度碼。這8位碼的排列如表1所示。

表1 8位碼定義表

3 算法原理

由于PCM的采樣頻率是8 000 HZ，如果每幀的語(yǔ)音信號(hào)的電平都計(jì)算的話會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。通過(guò)有效值求即時(shí)功率，即計(jì)算在極短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)所有幀的平均功率。由于采樣時(shí)間極短，人耳感覺(jué)不到時(shí)間差異，可視為即時(shí)功率。如將采樣時(shí)間t暫定為20 ms,采樣點(diǎn)數(shù)N=0.02×8 000=160。在計(jì)算出采樣時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)的平均功率后，根據(jù)功率電平的定義可求出語(yǔ)音信號(hào)的電平值。其算法流程圖如圖2所示。

圖2 算法流程

算法描述如下：

① 初始化，將采樣點(diǎn)數(shù)N置0。即將緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)清0，以確保采樣時(shí)間內(nèi)采樣到160幀數(shù)字信號(hào)；

②采樣。順序地對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)達(dá)到160以后開(kāi)始計(jì)算。打開(kāi)中斷后，信號(hào)以幀為單位進(jìn)入中斷，采樣數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，當(dāng)一幀信號(hào)通過(guò)后，立即關(guān)閉中斷，采樣點(diǎn)數(shù)N加1；

③解碼。由于假定的采樣點(diǎn)數(shù)N為160，接下來(lái)要判斷N是否等于 160。如果 N ＜160，重復(fù)步驟②，直到 N達(dá)到160為止。當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)N達(dá)到160以后，DSP芯片上的解碼器對(duì)其進(jìn)行解碼，把收到的PCM信號(hào)碼字還原成量化電平。由公式（4）可得到每幀信號(hào)的量化電平值：

式中XBi表示段落碼對(duì)應(yīng)的段落起始電平，△i表示該段落內(nèi)的量化間隔。

④計(jì)算有效功率。為了減小對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分幀計(jì)算產(chǎn)生的誤差，筆者采用RMS算法[5]來(lái)計(jì)算采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)的有效功率。RMS算法是計(jì)算AC波形功率一種最普遍有效的方法，其公式如下所示：

式中P表示平均功率，Xi表示每幀信號(hào)的量化電平值，N表示采樣時(shí)間t內(nèi)傳送的幀數(shù)；

⑤計(jì)算功率電平。在求得音頻信號(hào)的平均功率之后，代入公式(1)即可求得音頻信號(hào)的即時(shí)電平值。

4 模擬仿真

當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)PCM編碼完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換后在數(shù)字系統(tǒng)中傳輸，由于噪聲的存在，往往需要判斷聽(tīng)筒收到的聲音是否為語(yǔ)音信號(hào)。如果不是語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，語(yǔ)音信道關(guān)閉，使噪聲信號(hào)不能到達(dá)語(yǔ)音終端。當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)到來(lái)時(shí)，語(yǔ)音信道打開(kāi)，這時(shí)雖然噪聲和語(yǔ)音一起送到語(yǔ)音終端，但是由于聲音屏蔽效應(yīng)，噪聲可以忽略。由于聲音的大小在數(shù)字階段是用電平描述的，需要計(jì)算語(yǔ)音信號(hào)的電平值并和門(mén)限電平值作比較，在門(mén)限電平值之下的信號(hào)認(rèn)為是噪聲，關(guān)閉語(yǔ)音信道；在門(mén)限電平值之上的信號(hào)則認(rèn)為是語(yǔ)音，打開(kāi)語(yǔ)音信道。

在該算法研究和仿真過(guò)程中采用了專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320C5402作為處理器，該芯片具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、體積小及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足了對(duì)信號(hào)快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求，在語(yǔ)音處理有巨大的優(yōu)越性。筆者采用基于TMS320C5402芯片的DSP仿真器以及和IDM-120 PCM設(shè)備組成一套音頻信號(hào)實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)，并已作為相關(guān)音頻算法的驗(yàn)證平臺(tái)。

圖3 系統(tǒng)方案框圖

系統(tǒng)方案框圖如圖3所示。語(yǔ)音信號(hào)在IDM-120設(shè)備內(nèi)進(jìn)行高速高精度的PCM編碼后得到一串?dāng)?shù)字信號(hào)，分幀輸入到TMS320C5402芯片的MCB多功能緩沖口中并進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)達(dá)到160以后，在TMS320C5402芯片的內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出該信號(hào)的電平值。如果電平值大于門(mén)限電平，則該芯片的I/O口打開(kāi)；如果小于門(mén)限電平值，則I/O口關(guān)閉。經(jīng)過(guò)處理的數(shù)字信號(hào)，再輸入到ADM-120設(shè)備中，還原成模擬語(yǔ)音信號(hào)。

在信號(hào)電平超過(guò)門(mén)限電平值或門(mén)限電平值之下時(shí)，需要一定的時(shí)間延遲。當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)在超過(guò)門(mén)限電平值后到語(yǔ)音信道打開(kāi)會(huì)有一定的延時(shí)。這一時(shí)間太長(zhǎng)將造成語(yǔ)音的起始音素被切除，是不允許的。但這一時(shí)間又不能太短，太短的話任何幅度超過(guò)噪聲抑制閾值的突發(fā)的短暫干擾都會(huì)立刻打開(kāi)語(yǔ)音通道并將這干擾送到語(yǔ)音終端，破壞靜音效果。為盡可能地吸收這類(lèi)干擾又不至于造成“頭切”[6]，根據(jù)語(yǔ)音聲學(xué)特征的有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料與經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，這一時(shí)間可在0.5～4 ms之間選擇。

當(dāng)語(yǔ)音信道被打開(kāi)并傳送語(yǔ)音時(shí)，從語(yǔ)音信號(hào)電平值回落至門(mén)限電平值之下到語(yǔ)音信道關(guān)閉同樣會(huì)有時(shí)間延遲。由于語(yǔ)音信號(hào)波形的動(dòng)態(tài)范圍很大，講話時(shí)又隨著語(yǔ)氣的變化而起伏停頓，因此后延時(shí)時(shí)間太短會(huì)造成語(yǔ)音的斷續(xù)，影響語(yǔ)音傳送質(zhì)量。后延時(shí)時(shí)間太長(zhǎng)，則造成語(yǔ)音停頓時(shí)噪聲拖尾，同樣影響語(yǔ)音質(zhì)量。為兼顧這兩方面，這一時(shí)間的量值范圍約為0.5～2 s左右。

經(jīng)過(guò)仿真后可以得出：當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)PCM設(shè)備之后，當(dāng)語(yǔ)音音量達(dá)到一定程度時(shí)，語(yǔ)音通道打開(kāi)，在對(duì)端還原成模擬信號(hào)，同時(shí)人耳感覺(jué)不到時(shí)間差異的存在，體現(xiàn)了算法即時(shí)性的特點(diǎn)；當(dāng)音量較小的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)時(shí)，語(yǔ)音通道關(guān)閉，對(duì)端無(wú)信號(hào)，體現(xiàn)了算法準(zhǔn)確性的特點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者提出的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)電平有效值算法，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)電平進(jìn)行了準(zhǔn)確的計(jì)算，并建立仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真。該算法具有失真小，清晰度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，符合SJ/T11180-1998標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，是一種有效可行的算法，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

[1] 李正本.模擬與數(shù)字設(shè)備混用系統(tǒng)中的音頻電平設(shè)置[J].演藝設(shè)備與科技,2006,68(01)：18-21.

[2] 陸珉,季曉勇.多媒體通訊系統(tǒng)中的靜音檢測(cè)[J].通信技術(shù),2001(07)：29-30.

[3] 柴曉東,劉紅.利用isp 器件實(shí)現(xiàn)可編程PCM采編器[J].通信技術(shù),2001(06)：103-104.

[4] 李明,鄧家梅,曹家麟.一種新型的信道糾錯(cuò)編碼——之型碼[J].2001(03)：17-18.

[5] 何志遠(yuǎn),李顯文. G_169自動(dòng)電平控制裝置標(biāo)準(zhǔn)及其實(shí)現(xiàn)[J].電聲技術(shù),2003,58(03)： 9-14.

[6] 陳演平.語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化噪聲抑制技術(shù)[J].電子應(yīng)用技術(shù), 2002,48(10)：76-79.