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話音處理技術(shù)

　　IP網(wǎng)絡(luò)電路中的話音處理主要需解決兩個(gè)問(wèn)題。一是在保證一定話音質(zhì)量的前提下盡可能降低編碼比特率，二是在IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保證一定的通話質(zhì)量。前者主要是話音編碼技術(shù)，包括靜音檢測(cè)；后者包括分組丟失補(bǔ)償和回波抵消技術(shù)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(ETSI)提出了關(guān)于IP網(wǎng)絡(luò)電話QoS的分級(jí)要求，如表1.1所示:

表中，MOS為話音質(zhì)量的主觀評(píng)測(cè)分，最高分為5分。在話音通信中，時(shí)延指標(biāo)是主要的，時(shí)延過(guò)大會(huì)使聽(tīng)話者有不連續(xù)的感覺(jué)，而時(shí)延抖動(dòng)是次要的，聽(tīng)話音對(duì)此感覺(jué)不很靈敏。

1.低比特率話音編碼

　　話音編碼算法需要考慮三個(gè)方面的問(wèn)題：編碼比特率、話音質(zhì)量和算法復(fù)雜度，一般說(shuō)來(lái)這些指標(biāo)是有矛盾的。比特率越低，線路利用率越高，但話音質(zhì)量會(huì)受到影響；在同樣比特率情況下，算法設(shè)計(jì)越復(fù)雜，話音質(zhì)量會(huì)有所提高，但處理時(shí)延將增加。因此，制訂一個(gè)編碼標(biāo)準(zhǔn)，首先必需確定其應(yīng)用環(huán)境，據(jù)此給出其性能要求，然后才能設(shè)計(jì)出編碼方案和算法，實(shí)際上就是在上述三個(gè)指標(biāo)中取得某種折衷。

　　目前在PSTN中廣泛應(yīng)用的是PCM話音編碼，其比特率為64-kbit/s,話音采樣頻率是8kHz。它屬于波形編碼類型。一般說(shuō)來(lái)，這類編碼的最低比特率為32khit/s,即ADPCM。若要進(jìn)一步降低其比特率，特別是低于16kbit/s的低比特率編碼方案，必須采用新的編碼原理，這就是參數(shù)編碼，又稱作聲碼器(Vocoder)技術(shù)。它是通過(guò)模擬人的發(fā)聲器官，提取模型參數(shù)來(lái)降低話音信息編碼率的。這種技術(shù)雖然早就提出，但是由于其算法太復(fù)雜未能實(shí)用。直至90年代，微電子業(yè)研制出了高性能的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)專用芯片，其定點(diǎn)運(yùn)算能力可高達(dá)幾十個(gè)MIPS,才使聲碼器技術(shù)得以實(shí)際應(yīng)用。首先廣泛使用的是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)，其比特率為2.4-13kbit/s。IP網(wǎng)絡(luò)電話推薦使用ITU-T定義的低比特率編碼標(biāo)準(zhǔn)，其比特率為5.3-16kbit/s,均為中低復(fù)雜度編碼算法，話音分組長(zhǎng)度在30ms以下，話音質(zhì)量較好。

2.靜音檢測(cè)

　　靜音檢測(cè)又稱話音活動(dòng)性檢測(cè)(VAI)--VoiceActivityDetection),它是一種靜音壓縮技術(shù)。

　　在電話通信中，平均說(shuō)來(lái)，每一方說(shuō)話的時(shí)間和聽(tīng)對(duì)方說(shuō)話的時(shí)間大體上各占一半，即使在說(shuō)話時(shí)也還有停頓間隙，因此任一方對(duì)線路的占用率，也就是話音活動(dòng)度大約只有40%左右。在電路交換中，即使通話者不說(shuō)話，也要占用64-kbit/s的信道；在分組交換中，由于傳輸通道是統(tǒng)計(jì)復(fù)用的，因此在通話者不講話時(shí)就可以不發(fā)送話音分組，從而進(jìn)一步降低話音比特率。這一技術(shù)的關(guān)鍵就是如何檢測(cè)說(shuō)話者處于不發(fā)聲狀態(tài)，即VAD。檢測(cè)的基本原理是判斷話音信號(hào)能量，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄩT限值就認(rèn)為是靜默狀態(tài)。

　　靜音檢測(cè)有兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。一是如何在噪聲較大的環(huán)境中檢測(cè)靜音，二是＂剪音"(clipping)問(wèn)題。所謂剪音指的是話音還原時(shí)有一部分被剪切掉了，使人感到失真。其原因是通話者從說(shuō)話到靜默以及從靜默到說(shuō)話的檢測(cè)都是要有一定時(shí)間和一定判定門限的，因此當(dāng)通話者從靜默剛剛轉(zhuǎn)為說(shuō)話時(shí)，開(kāi)始一段微弱話音部分就可能被作為靜默而丟棄了。解決這一問(wèn)題的方法是在一組突發(fā)話音分組前增加一個(gè)話音分組進(jìn)行平滑，話音突發(fā)后沿剪音也可用同樣方法解決。

在實(shí)際使用中還有一個(gè)問(wèn)題，如果靜音期不發(fā)任何分組，即完全無(wú)聲，收聽(tīng)者反而會(huì)感到不自然，因此實(shí)用的靜音壓縮算法由兩部分組成：

．話音活動(dòng)性檢測(cè)器(VAD):制定輸入信號(hào)是話音還是背景噪聲。如果信號(hào)被確認(rèn)為話音，就以編碼算法規(guī)定的固定比特率對(duì)其編碼；如果信號(hào)被確認(rèn)為噪聲，就以非常低的比特率對(duì)其編碼，或者根本就不發(fā)送任何比特。

·舒適噪聲生成器(CNG):接收方采用某種機(jī)制重構(gòu)背景噪聲的主要特征。噪聲生成方法的設(shè)計(jì)必須保證解碼器和編碼器之間的同步；即使在某段時(shí)間內(nèi)編碼器未發(fā)出任何比特，解碼器也能正確理解，使得復(fù)原后話音的有音段和無(wú)音段之間有平滑的過(guò)渡。

3.分組丟失補(bǔ)償

　　在IP網(wǎng)絡(luò)中分組丟失是不可避免的，丟失的原因可能是線路誤碼或者網(wǎng)絡(luò)路由故障，更常見(jiàn)的原因則是傳輸時(shí)延過(guò)長(zhǎng)或網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致分組被丟棄。由于低比特率聲碼器都是基于線性預(yù)測(cè)編碼原理，其當(dāng)前值是通過(guò)以前歷史值線性組合而得，因此通過(guò)內(nèi)插的方法不難得到丟失分組的近似估計(jì)值。mJ-T定義的標(biāo)準(zhǔn)編碼的解碼器部分都已包含分組丟失補(bǔ)償這一功能。實(shí)際試驗(yàn)表明，如果Internet電話話音分組丟失兩個(gè)以上，則可能此時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)很差，將會(huì)有一大堆分組丟失。所以Internet電話分組丟失補(bǔ)償以處理一個(gè)分組丟失為主要目的。所幸的是，話音通信對(duì)分組丟失的容忍性遠(yuǎn)比數(shù)據(jù)通信強(qiáng)，一般不會(huì)影響通話的可懂度。

4.回波抵消