CN111968653B - 一种轻载荷双Bit自适应增量语音编码译码方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻载荷双Bit自适应增量语音编码译码方法及装置，包括语音编码和语音译码及其装置；每4个采样数据执行一次编码算法，得到1字节的编码数据，编码过程采用双bit的增量符号和自适应增量台阶相结合的编码方式；每经过4个采样定时周期提取1字节编码数据，首先对得到的2进制编码数据进行拆解，按每2bit为一个单元进行译码，执行一次译码算法得到4个语音数据，然后在每个定时周期通过单片机DAC通道输出一个语音信号；采用本发明技术方案解决单Bit自适应增量调制(ADM)算法斜率过载和颗粒噪声过大等缺点，能够提高再生语音信号的自然度、清晰度和可懂度。

Description

一种轻载荷双Bit自适应增量语音编码译码方法及装置
技术领域
本发明涉及语音编码技术领域，尤其涉及一种轻载荷双Bit自适应增量语音编码译码方法及装置。
背景技术
无论在数字通信系统，还是在数字语音录放系统中，都离不开将模拟信号转化为数字信号这一关键环节，模拟信号数字化方法种类繁多，目前采用最多的是基于信号波形的模数转换方法，即波形编码、常用的波形编码方法有脉冲编码调制(PCM)、增量调制(DM)、差值脉冲编码调制(DPCM)，以及它们的改进方法自适应增量调制(ADM)以及自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)等。
随着微电子技术和通信技术的发展，功能强、集成度高的各种类型的编译码器不断涌现，如PCM编译码和滤波器MC14557、增量调制解调电路MC3417/MC3418、ADPCM编译码器MC145532等；另一方面，基于各种硬件资源，利用软件实现语音信号编码的应用也越来越多，如利用MCU单片机和DSP微处理器实现对语音信号编译码，并在此基础上产生了众多高效和更好性能的算法，如ADPCM、LPC(线性预测编码)、MP1(MPEG-1audio layer 1)、MP3(MPEG-1audio layer 3)、和CELP(码激励线性预测编码)等。
然而，对于实时性要求较高的应用中，对于以MCU为核心的低成本的终端产品而言，上述算法的复杂度普遍偏高，编、译码延时也过大，普遍延时都在毫秒级以上，在硬件资源不足的情况下，以上算法的适用性将受到很大限制。其中，ADM编码算法具有最低的复杂度和最短的编译码时延，但由于算法过于简单，极易出现斜率过载和颗粒噪声过大等问题，在采样速率较低时音质会变得较差。
发明内容
本发明为解决上述问题，提出了一种基于单片机进行语音编译码的一种轻载荷，运算复杂度底的双Bit自适应增量语音编码译码方法和装置，解决常规自适应增量编码调制(ADM)算法斜率过载和颗粒噪声大等缺点，提高再生语音信号的自然度、清晰度和可懂度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种轻载荷双Bit自适应增量语音编码译码方法，包括语音编码和语音译码，其特征在于，所述语音编码包括如下步骤：
(1)通过微处理器的ADC通道对原始语音信号进行定时采样，每4个采样数据执行一次编码，得到1字节的编码数据；
(2)每一个采样数据编码为2bit数据，前一比特为增量符号控制位，后一比特为增量台阶控制位，增量符号控制位依据当前采样数据的真实值X(n)和预测值P(n)进行确定，增量台阶控制位依据当前采样数据的真实值和预测值的差值△x＝|X(n)-P(n)|与当前增量台阶△进行确定；
增量符号控制位为1表示增量为正，为0表示增量为负，增量台阶控制位为1表示增量台阶增大为原来的2倍，为0表示增量台阶缩小为原来的1/2倍；
如果采样信号x(n)大于或等于预测信号P(n)，写入符号位为1，反之采样信号x(n)小于预测信号P(n)，写入符号位为0；预测误差△X＝|x(n)-P(n)|，如果△X大于或等于当前量阶△，写入增量位为1，反之如果△X小于当前量阶△，写入增量位为0；
所述语音译码包括如下步骤：
(3)每经过4个采样定时周期提取1字节编码数据，首先对得到的2进制编码数据进行拆解，按每2bit为一个单元进行译码，根据第一个bit来控制增量的正负符号，根据第二个bit来控制增量台阶的大小变化；
Y(n)为一个字节长度的已编码数据；dSteps为增量编码算法的量阶，即dSteps＝△；Dvalue为下一时刻的预测值；Dout(n)为当前时刻的译码输出值；首先对得到的2进制编码数据进行拆解，按每2bit为一个单元进行译码：
若接收bit为“11”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)*2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)+dSteps(n)；
若接收bit为“10”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)/2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)+dSteps(n)；
若接收bit为“01”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)*2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)-dSteps(n)；
若接收bit为“00”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)/2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)-dSteps(n)。
其中，dSteps(n)和Dvalue(n)分别为当前定时周期的增量台阶和译码输出数据值，dSteps(n-1)和Dvalue(n-1)为前一个定时周期的增量台阶和译码输出数据值。
(4)执行一次解码步骤得到4个语音数据，然后在每个定时周期通过微处理器DAC通道输出一个语音信号；
一种轻载荷双Bit自适应增量语音编码译码装置，采用上述的语音编码和语音译码方法；包括语音传感器(1)、LNA放大器(2)、带通滤波器BPF(3)、微处理器(6)、RF收发器(7)、天线(8)和扬声器(9)；
首先由语音传感器(1)检测原始语音信号，经由LNA放大器(2)及带通滤波器BPF(3)送给微处理器(6)，在微处理器内进行A/D定时采集数据，得到数字信号；
然后，进行所述的语音编码处理，每4个数据经过所述语音编码处理后，得到语音编码信号，送给RF收发器(7)经天线(8)发送出去；
同时RF收发器(7)通过时分方式接收天线(8)信号，传给微处理器(6)，微处理器每经4个定时周期提取一个语音编码信号，然后经所述语音译码处理还原出语音信号；
最后经D/A转换器输出，送给低通滤波器LPF(5)和语音功率放大器(4)，驱动扬声器(9)发出声音。
采用本发明的产生的有益效果为：
1、本发明运行稳定，复杂度低，在相同的传输比特率情况下，能够提高再生语音信号的自然度、清晰度和可懂度，具有一定工程应用价值。
2、本发明的编、译码算法在常规自适应增量编码调制算法(ADM)的基础上，对其编码结构和运行方式进行了全新设计，解决了ADM算法存在的斜率过载和颗粒噪声大等缺点。
3、相对于现有的绝大多数的语音编、译码算法，本发明的编、译码算法复杂度低，系统资源占用极小，具有超低的处理时延，适合不同性能的单片机及微处理器完成对语音的编、译码处理，在合理配置采样速率的情况下，可以得到清晰度高、还原度好的传输语音。
附图说明
图1是本发明语音编码原理示意图
图2是本发明语音译码原理示意图；
图3是本发明语音编码译码装置结构示意图
图4是本发明语音编码流程示意图
图5是本发明语音译码流程示意图
图中，1—语音麦克风，2—低噪声放大器(LNA)，3—带通滤波器(BPF)，4—语音功率放大器，5—低通滤波器(LPF)，6—微处理器，7—射频(RF)收发器，8—射频天线，9—扬声器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，本发明涉及一种用于语音编码调制的实现方式，将模拟语音信号转变为数字信号以便在信道中传输。语音编码的目的是在保持一定的算法复杂程度和通信时延的前提下，占用尽可能少的通信容量，传送尽可能高质量的语音。语音编码技术又可分为波形编码、参量编码和混合编码三大类。本发明属于波形编码的一种。
本发明提供了一种用于语音编码调制的方法，完成对数字语音信号的编码、译码。
本发明使用双比特位来表示一位原始采样数据，使用增量符号和自适应增量台阶相结合的方式，完成对语音信号的编码、译码。
数据采集及编码：本发明通过单片机(或其它处理器)的ADC通道对原始语音信号进行定时采样，每4个采样数据执行一次编码算法，得到1字节的编码数据，编码过程参考图1。
编码过程采用双bit的增量符号和自适应增量台阶相结合的编码方式，即每一个采样数据编码为2bit数据，前一比特为增量符号控制位，后一比特为增量台阶控制位，增量符号控制位依据当前采样数据的真实值X(n)和预测值P(n)进行确定，增量台阶控制位依据当前采样数据的真实值和预测值的差值△x＝|X(n)-P(n)|与当前增量台阶△进行确定。编码算法流程参考图4。
数据译码及输出：每经过4个采样定时周期提取1字节编码数据，执行一次译码算法得到4个语音数据，然后在每个定时周期通过单片机DAC通道输出一个语音信号，译码过程参考图2。
译码过程为编码过程的逆过程。首先对得到的2进制编码数据进行拆解，按每2bit为一个单元进行译码，译码流程为：根据第一个bit来控制增量的正负符号，根据第二个bit来控制增量台阶的大小变化，算法流程图参考图5。
本发明的编、译码算法复杂度低，系统资源占用小，具有极低的处理时延，适合低性能的单片机及微处理器完成对语音的编码、译码处理，通过合理配置采样速率，能够得到清晰度高、还原度好的传输语音。
本发明编码△值(增量台阶)自适应表和编码数据Bit位说明分别参见表1和表2，其中△为增量编码算法的当前量阶。
表1△值自适应表
第1位 第0位 新的增量值
1 1 +2△
1 0 +1/2△
0 1 -1/2△
0 0 -2△
数字量data1、data2、data3、data4为语音的A/D采样数据，先后顺序为从左到右，且每4个采样数据构成一个编码周期；编码周期形成一个字节的编码数据，每个字节分为4组，分别是bit7和bit6、bit5和bit4、bit3和bit2、bit1和bit0、每一组分别表示每个采样点数据编码后得到的编码值；
本发明编码Bit位说明：符号4和增量4为一组(2bit)，符号3和增量3为一组(2bit)，依次类推，分别表示每个采样点数据编码后得到的编码值，每4组形成1个字节；
表2Bit位说明
参考图2，采样周期等同于A/D的采样速率；
参考图3，本发明通过增加语音传感器、RF收发器、语音功放和扬声器等部件，实现语音信号的编解码和射频收发功能。
实现过程为：首先由语音传感器(1)检测原始语音信号，经由LNA放大器(2)及带通滤波器BPF(3)送给微处理器(6)，在微处理器内进行A/D定时采集数据，得到数字信号，然后，进行上述语音编码处理，每4个数据经过语音编码处理后，得到编码信号，送给RF收发器(7)经天线(8)发送出去；同时RF收发器(7)通过时分方式接收天线(8)信号，传给微处理器(6)，微处理器每经4个定时周期提取一个上述语音编码信号，然后经上述语音译码还原出语音信号；再经D/A转换器输出，送给低通滤波器LPF(5)和语音功率放大器(4)，驱动扬声器(9)发出声音。
参考图4，X(n)为当前点的A/D采样数据，P(n)为当前点的预测数据，△X＝|x(n)-P(n)为|预测误差，△为增量编码算法的当前量阶；
其基本编码过程是：如果采样信号x(n)大于或等于预测信号P(n)，写入符号位为1，反之采样信号x(n)小于预测信号P(n)，写入符号位为0；预测误差△X＝|x(n)-P(n)|，如果△X大于或等于当前量阶△，写入增量位为1，反之如果△X小于当前量阶△，写入增量位为0。
参考图5，Y(n)为一个字节长度的已编码数据；dSteps为增量编码算法的量阶，即dSteps＝△；Dvalue为下一时刻的预测值；Dout(n)为当前时刻的译码输出值。
轻载荷双Bit自适应增量语音编码译码方法及装置的译码过程的流程图参考图5。首先对得到的2进制编码数据进行拆解，按每2bit为一个单元进行译码，译码流程为：
若接收bit为“11”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)*2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)+dSteps(n)；
若接收bit为“10”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)/2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)+dSteps(n)；
若接收bit为“01”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)*2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)-dSteps(n)；
若接收bit为“00”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)/2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)-dSteps(n)。
其中，dSteps(n)和Dvalue(n)分别为当前定时周期的增量台阶和译码输出数据值，dSteps(n-1)和Dvalue(n-1)为前一个定时周期的增量台阶和译码输出数据值。
轻载荷双Bit自适应增量语音编码译码方法及装置△值(量阶)自适应表参考表1。它根据语音信号的幅值变化信息相应地改变△幅值，即在幅值变化不大的区域内，取小的量阶△值；在幅值变化大的区域内适当地调制量阶△的值，使得当语音信号的幅度变化较大时，量阶△值相应增大。
本发明公开了一种轻载荷双Bit自适应增量编、译码算法，使用双比特位来表示一位原始语音采样数据，采用增量符号和自适应增量台阶相结合的调制方式，完成对语音信号的编、译码。本发明对语音的编码压缩率可达L/2，其中L为语音采样数据位宽，即当原始数据位宽为16bit、12bit及8bit时，压缩比分别为1/8、1/6和1/4。此外本发明体量小，载荷轻，数据计算复杂度低，对处理器平台的运算速度要求较低，能够很好的适应高、低速率处理器。本发明可以解决单Bit自适应增量调制(ADM)算法斜率过载和颗粒噪声过大等缺点，能够提高再生语音信号的自然度、清晰度和可懂度。
本发明提出了一种基于单片机进行语音编译码的一种轻载荷，运算复杂度底的双Bit自适应增量语音编码译码方法和装置，解决常规自适应增量编码调制(ADM)算法斜率过载和颗粒噪声大等缺点，而且理论分析和试验表明，该算法运行稳定，复杂度低，在相同的传输比特率情况下，能够提高再生语音信号的自然度、清晰度和可懂度，具有一定工程应用价值。
以上内容是结合具体实施例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限于此。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做出若干等同替代或明显变型，且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (2)

1.一种轻载荷双Bit自适应增量语音编码译码方法，包括语音编码和语音译码，其特征在于，所述语音编码包括如下步骤：
(1)通过微处理器的ADC通道对原始语音信号进行定时采样，每4个采样数据执行一次编码，得到1字节的编码数据；
(2)每一个采样数据编码为2bit数据，前一比特为增量符号控制位，后一比特为增量台阶控制位，增量符号控制位依据当前采样数据的真实值X(n)和预测值P(n)进行确定，增量台阶控制位依据当前采样数据的真实值和预测值的差值△x＝|X(n)-P(n)|与当前增量台阶△进行确定；
增量符号控制位为1表示增量为正，为0表示增量为负，增量台阶控制位为1表示增量台阶增大为原来的2倍，为0表示增量台阶缩小为原来的1/2倍；
如果采样信号x(n)大于或等于预测信号P(n)，写入符号位为1，反之采样信号x(n)小于预测信号P(n)，写入符号位为0；预测误差△X＝|x(n)-P(n)|，如果△X大于或等于当前量阶△，写入增量位为1，反之如果△X小于当前量阶△，写入增量位为0；
所述语音译码包括如下步骤：
(3)每经过4个采样定时周期提取1字节编码数据，首先对得到的2进制编码数据进行拆解，按每2bit为一个单元进行译码，根据第一个bit来控制增量的正负符号，根据第二个bit来控制增量台阶的大小变化；Y(n)为一个字节长度的已编码数据；dSteps为增量编码算法的量阶，即dSteps＝△；Dvalue为下一时刻的预测值；Dout(n)为当前时刻的译码输出值；首先对得到的2进制编码数据进行拆解，按每2bit为一个单元进行译码：
若接收bit为“11”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)*2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)+dSteps(n)；若接收bit为“10”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)/2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)+dSteps(n)；若接收bit为“01”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)*2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)-dSteps(n)；若接收bit为“00”，则dSteps(n)＝dSteps(n-1)/2，输出数据为Dvalue(n)＝Dvalue(n-1)-dSteps(n)；其中，dSteps(n)和Dvalue(n)分别为当前定时周期的增量台阶和译码输出数据值，dSteps(n-1)和Dvalue(n-1)为前一个定时周期的增量台阶和译码输出数据值；
(4)执行一次解码步骤得到4个语音数据，然后在每个定时周期通过微处理器DAC通道输出一个语音信号。
2.一种轻载荷双Bit自适应增量语音编码译码装置，包括如权利要求1所述的语音编码和语音译码；其特征在于，还包括语音传感器(1)、LNA放大器(2)、带通滤波器BPF(3)、语音功率放大器(4)、低通滤波器LPF(5)、微处理器(6)、RF收发器(7)、天线(8)和扬声器(9)；
首先由语音传感器(1)检测原始语音信号，经由LNA放大器(2)及带通滤波器BPF(3)送给微处理器(6)，在微处理器内进行A/D定时采集数据，得到数字信号；
然后，进行所述的语音编码处理，每4个数据经过所述语音编码处理后，得到语音编码信号，送给RF收发器(7)经天线(8)发送出去；
同时RF收发器(7)通过时分方式接收天线(8)信号，传给微处理器(6)，微处理器每经4个定时周期提取一个语音编码信号，然后经所述语音译码处理还原出语音信号；
最后经D/A转换器输出，送给低通滤波器LPF(5)和语音功率放大器(4)，驱动扬声器(9)发出声音。
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