CN101499282B - 一种语音模数转换方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种语音模数转换方法，首先对输入的模拟语音信号与预测模拟语音信号的比较结果进行过采样，然后对采样后输出的数字语音信号进行自适应增量调制，最后对经自适应增量调制的数字语音信号做降采样滤波处理后输出。所述方法中采用过采样技术，在实际的芯片中容易实现，由于语音信号本身的频率较低，所以过采样技术容易实现，当采样间隔降低到一定值时，相邻两个采样点的差值就能降低到一定幅度之内，可以更精确的近似跟踪源信号，减小量化误差；提高采样频率可以降低信号频带内的噪声功率，过采样后的量化噪声被扩展到较宽的频带范围内，而在信号频带内信号功率未发生变化，由此提高了信号信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及语音处理领域中的语音模拟信号转换为数字信号的方法及装置，尤其涉及一种基于自适应增量调制编码的数模转换方法及装置。
背景技术
随着多媒体技术和视频电子产品的发展，摄像头在多个领域得到越来越多的应用，目前市场上的摄像头主要是通过USB接口实现视频流的传输和在主机端的图象显示，大多数的摄像头没有音频功能或是直接将麦克风连接到电脑声卡上作为音频输入，也有用较复杂、成本较高的音频编解码器作为音频模数转换装置。另外摄像头的音频功能的使用主要集中在语音采样编码和传输上，经A/D转换后得到的数字语音信号通过USB接口传送至PC，对带宽上的要求不是很高。
自适应增量调制(ADM)是在增量调制的基础上加入自适应功能的一种调制方法，增量调制是对实际的采样信号与预测的采样信号之差的极性进行编码，其增量调制的量阶是固定的，自适应增量调制根据输入信号幅度的变化大小，即斜率变化大小自动调整量阶的大小，有效克服了增量调制波形编码过程中因斜率过大所产生的过载失真，同时可变的量阶也减小了量化噪声。
相对于现有技术中经常使用的脉冲编码调制(PCM)、增量求和调制等A/D转换技术来说，自适应增量调制在硬件实现上更为简单，资源消耗更小，但自适应增量调制也存在一定的缺点，主要表现在通过自适应增量调制得到的语音数字信号信噪比仍然较低，在语音效果上还是有一定的差距。
发明内容
本发明的目的是为了解决自适应增量调制编码调制得到的语音数字信号信噪比低、语音效果稍差的问题。
本发明公开了一种语音模数转换方法，该方法包括：
步骤一：对输入的模拟语音信号与预测模拟语音信号的比较结果进行过采样；
步骤二：对采样后输出的数字语音信号进行自适应增量调制；
步骤三：对经自适应增量调制的数字语音信号做降采样滤波处理后输出。
该方法所述步骤一之前还包括生成预测模拟语音信号的步骤。
所述的预测模拟语音信号通过对步骤二自适应增量调制的数字语音信号进行D/A转换后生成。
所述步骤二中的自适应增量调制是指根据数字语音信号变化规律做量阶调整，当语音信号波形斜率较大时相应增大量阶，斜率较小时减小量阶。
所述量阶调整时若数字语音信号波形斜率过大且连续以默认最大量阶进行量化编码，同时又未出现溢出，则将默认的量阶最大值扩大一倍。
所述步骤三中降采样滤波处理采用半带滤波器多级级联的方法。
一种应用如权利要求1所述方法的语音模数转换装置，其特征在于，该装置包括比较器101、采样模块102、增量调制模块103、降采样滤波模块104和D/A转换模块105；
模拟语音信号首先通过比较器101、采样模块102、增量调制模块103、D/A转换模块105和比较器101形成的反馈系统生成预测模拟语音信号，所述预测模拟语音信号再与模拟语音信号一起输入比较器101中进行比较，比较后输出的信号依次通过采样模块102、增量调制模块103之后分别输入D/A转换模块105和降采样滤波模块104，其中经D/A转换模块105生成预测模拟语音信号输入至比较器101，经降采样滤波模块104降采样处理后再经数据线输出。
所述降采样滤波模块104可采用两级半带滤波器级联结构。
所述降采样滤波模块104可采用多级半带滤波器级联结构。
本发明提供了在自适应增量调制编码基础上的一种语音模数转换方法和装置，所述方法中采用过采样技术，在实际的芯片设计中容易实现，由于语音信号本身的频率较低，所以过采样技术易于实现，当采样间隔降低到一定值时，相邻两个采样点的差值就能降低到一定幅度之内，这样就可以更精确的近似跟踪源信号，减小量化误差；从频谱的角度看，提高采样频率可以降低信号频带内的噪声功率，过采样后的量化噪声被扩展到较宽的频带范围内，而在信号频带内信号功率未发生变化，由此提高了信号信噪比。
本发明所述装置通过设置采样模块102，对信号采用过采样技术，减少量化误差；在增量调制模块103中设置量阶控制模块201，实现可变的最大量阶步长，在信号斜率过大的情况下进一步减小过载失真，同时在斜率变化较小时保证量化噪声足够小；对自适应增量调制的数字语音信号做降采样滤波处理，降低到合适的采样速率，消除一部分高频噪声，提高信噪比。
附图说明
图1是本发明具体实施方式结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述。
本发明所述语音模数转换装置，如图1所示，包括比较器101、采样模块102、增量调制模块103、降采样滤波模块104和D/A转换模块105；
其中，增量调制模块103包括量阶控制模块201和积分器202；降采样滤波模块104采用了两级或多级半带滤波器级联形式。
所述语音模数转换装置的具体工作流程如下：
首先，模拟语音信号X1(t)输入比较器101，与预测模拟语音信号X2(t)在比较器101中做比较；其中所述预测模拟语音信号X2(t)是经采样模块102采样，增量调制模块103调制，且经D/A转换模块105转换后得到的模拟语音信号。
然后，将比较后得到的模拟语音信号e(t)在采样模块102通过过采样频率进行采样，得到1bit的1、0信号，即ADM码流，1表示输入信号幅度大于预测信号，0表示输入信号幅度小于预测信号。
将所述采样后得到的数字采样信号e(n)输入增量调制模块103，在增量调制模块103中，量阶控制模块201输出的可变量阶的最大值通常是一个默认值，在本实施方式中，经过过采样后，由于采样间隔减小，所需的量阶也相应变小，假定默认量阶的最大值为2n，若出现斜率过大，连续出现以默认最大量阶进行量化编码的情况，同时又未出现溢出，则将默认的量阶最大值扩大一倍。量阶控制模块201根据采样得到的数字采样信号的变化规律做相应的量阶调整，如果连续出现使用3次默认最大量阶做积分则将量阶的最大值扩大一倍，并将调整后信号输入积分器202积分得到预测数字语音信号x[n]，预测数字语音信号x[n]被分别输入到降采样滤波模块104和D/A转换模块105。
输入到D/A转换模块105的预测数字语音信号x[n]经转换后输出预测模拟信号X2(t)，所述预测模拟信号X2(t)被输入到比较器101中作为与模拟语音信号X1(t)相比较的信号，在此比较器101、采样模块102、增量调制模块103、D/A转换模块105和比较器101形成一个循环反馈系统。
预测数字语音信号x[n]同时被输入降采样滤波模块104，由于之前的处理过程中使用了过采样技术，所以还需通过降采样处理将采样频率降到合适的频率上，在此处可采用半带滤波器多级级联的形式，预测数字语音信号x[n]每经过一级滤波处理同时降低一半的采样率，在级联的半带滤波器的选择上要求最后一级的半带FIR滤波器有较好的滚降系数，较窄的过渡带带宽。本实施例采用的是两级滤波器级联的结构。
最后将从降采样滤波模块104输出的语音信号通过数据线送至PC机播放、传输或录音。
本发明还提供了一种在消耗较小的资源代价的前提下得到适用于语音对话传输和录音等功能的语音模数转换的方法，本实施例结合摄像头DSP芯片对语音模数转换的方法做详细描述。
步骤一、对输入的模拟语音信号X1(t)与预测模拟语音信号X2(t)的比较结果进行过采样；
此步骤中，通过采用过采样技术提高采样率达到减小量化误差的目的，由于语音信号本身的频率较低，所以过采样技术容易实现，在系统中给予音频装置部分更高的时钟频率，充分利用系统本身的时钟资源；当采样间隔降低到一定值时，相邻两个采样点的插值就能降低到一定幅度之内，这样就可以更精确的近似跟踪原信号，减小量化误差；同时，提高采样率可以降低信号频带内的噪声功率，过采样后的量化噪声被扩展到较宽的频带范围内，而在信号频带内信号功率未发生改变，由此可以提高信噪比。
步骤二、根据输入增量调制模块103中的信号e(n)变化规律做相应的量阶调整；
自适应增量调制ADM一个重要的特性就是采用了可变的量阶来应对不同斜率情况下的失真问题。在语音波形斜率较大时相应增大量阶，斜率较小时减小量阶；为了实现量阶以2倍的数值取值，通常可变量阶的最大值是一个默认值，目的是为了防止输入波形幅度过大超出增量调制的范围时，产生溢出导致量阶持续增大。在本发明中，经过过采样后，由于采样间隔减小，所需的量阶也相应变小，假定默认量阶的最大值为2m，若出现斜率过大，连续以默认最大量阶进行量化编码的情况，同时又未出现溢出，则将默认的量阶最大值扩大一倍；在处理一般的语音信号幅度变化时，使用默认的较小的量阶，使得量化噪声较小，对一些比较特殊的存在幅度变化较大的情况下通过扩大到最大量阶的值来减小过载失真。
步骤三、对自适应增量调制的数字语音信号做降采样滤波处理；
此步骤中，做降采样滤波处理，将语音信号降低到合适的采样频率，消除一部分高频噪声，提高信噪比。
经过步骤一过采样和步骤二自适应增量调制之后需要将得到的语音信号降采样并滤波，降低采样率以节约带宽，同时对信号做滤波处理也可消除一部分高频噪声，提高了信噪比，减少失真，使得波形更加平滑，本发明在此步骤中采用了多级级联的半带滤波器实现所述功能。
步骤四、数字语音信号输出。
将经过降采样滤波处理后的数字音频信号通过USB总线送至PC机播放或录音等。
本发明所述的语音模数转换的方法及其实现装置可具体结合摄像头DSP芯片，在充分利用资源的情况下，使摄像头具有音频功能，并将得到的语音信号通过USB接口传至PC，且对带宽上要求不高。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种语音模数转换方法，该方法包括：
通过对自适应增量调制的数字语音信号进行D/A转换后生成预测模拟语音信号；
对输入的模拟语音信号与预测模拟语音信号的比较结果进行过采样；
对采样后输出的数字语音信号进行自适应增量调制，所述自适应增量调制是指根据数字语音信号变化规律做量阶调整，当语音信号波形斜率较大时相应增大量阶，斜率较小时减小量阶；
对经自适应增量调制的数字语音信号做降采样滤波处理后输出；
其特征在于，所述量阶调整时若数字语音信号波形斜率过大且连续以默认最大量阶进行量化编码，同时又未出现溢出，则将默认的量阶最大值扩大一倍。
2.如权利要求1所述一种语音模数转换方法，其特征在于，所述降采样滤波处理采用半带滤波器多级级联的方法。
3.一种应用如权利要求1所述方法的语音模数转换装置，该装置包括比较器(101)、采样模块(102)、增量调制模块(103)、降采样滤波模块(104)和D/A转换模块(105)；
模拟语音信号首先通过比较器(101)、采样模块(102)、增量调制模块(103)、D/A转换模块(105)形成的反馈系统生成预测模拟语音信号，所述预测模拟语音信号再与模拟语音信号一起输入比较器(101)中进行比较，比较后输出的信号依次通过采样模块(102)、增量调制模块(103)之后分别输入D/A转换模块(105)和降采样滤波模块(104)，其中经D/A转换模块(105)生成预测模拟语音信号输入至比较器(101)，经降采样滤波模块(104)降采样处理后再经数据线输出；
其中，所述采样模块(102)对模拟语音信号与预测模拟语音信号的比较结果进行过采样；
所述增量调制模块(103)包括量阶控制模块(201)和积分器(202)，量阶控制模块(201)根据采样得到的数字采样信号的变化规律做量阶调整，并将调整后的信号输入积分器(202)积分得到预测数字语音信号；
其特征在于，所述量阶调整时若数字语音信号波形斜率过大且连续以默认最大量阶进行量化编码，同时又未出现溢出，则将默认的量阶最大值扩大一倍。
4.如权利要求3所述一种语音模数转换装置，其特征在于，所述降采样滤波模块(104)可采用两级半带滤波器级联结构。
5.如权利要求3所述一种语音模数转换装置，其特征在于，所述降采样滤波模块(104)可采用多级半带滤波器级联结构。
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