基于IMBE語音編譯碼算法在PC機上的實時實現

韓紅幫,肖紅,李海雁

（昆明學院 現代教育技術中心，云南 昆明 650214）

基于IMBE語音編譯碼算法在PC機上的實時實現

韓紅幫,肖紅,李海雁

（昆明學院 現代教育技術中心，云南 昆明 650214）

對APCO 25集群通信系統中采用的改進型多帶激勵(IMBE)語音編碼算法進行了分析，在Windows XP環境下，基于VC++6.0開發平臺，利用聲卡作為采集與播放設備，通過軟件編程實現語音信號的實時采集、IMBE編譯碼以及譯碼語音的播放處理。IMBE語音編碼算法占用帶寬較小，編碼語音質量高，適合多媒體語音通信使用。

IMBE算法；APCO 25;聲卡編程；信號采集

隨著通信技術的快速發展，語音編碼技術發展迅速并得到廣泛應用。多帶激勵(Multi-Band Excitation,MBE)語音編碼技術是美國MIT大學林肯實驗室1988年提出的一種具有高語音質量、低編碼速率的語音編解碼技術，因其在小于4.8kbps速率上的優越性能，該算法在多領域得到廣泛應用。其改進的IMBE算法是北美APCO 25集群通信系統第一代FDMA體制標準中采用的語音編碼標準算法，同時也是國際移動衛星組織INMARSAT和AUSAT移動衛星通信的語音編碼標準算法。在 APCO 25系統中，IMBE編碼速率為 4.4 kbps，編碼時延為20ms。其占用帶寬較小，編碼語音質量高，特別適合多媒體語音通信使用。

目前針對該算法的實現，數字語音系統公司(DVSI)等有專門的編譯碼芯片，但由于硬件條件限制，應用不夠方便。本文基于Visual C++6.0軟件編程技術，通過軟件編程調用Windows底層接口函數控制聲卡實現語音信號的實時AD采樣，并對采樣量化數據進行IMBE語音編譯碼處理，最后將譯碼后的語音數據采用聲卡進行實時播放處理[1]。

1 IMBE語音編譯碼算法

1.1 MBE語音編譯碼算法介紹

多帶激勵編碼（Multi-Band Excitation，MBE）算法是在頻域中將語音頻譜按照各基因諧波頻率分成若干個頻帶，對各個頻帶信號分別判斷是濁音（V）還是清音（U），如果是濁音，將以基音為周期的脈沖序列作為激勵信號產生相應的合成語音；如果是清音，則以白噪聲作為激勵信號產生相應的合成語音。最終的激勵信號由各帶激勵信號相加構成，最后用激勵信號激勵聲道合成濾波器，合成出具有較高自然度的語音[2]。MBE編碼器不需要殘差信號和碼書等，有較低的復雜度。MBE語音編碼系統原理框圖如圖1所示。

圖1 MBE編碼系統原理框圖Fig.1 Flow chart of the principle of MBE coding system

1.2 IMBE語音編譯碼算法介紹

IMBE編譯碼算法是MBE編譯碼算法的改進，其編碼器基于MBE語音模型，該編碼器基本方法是將待傳輸的語音信號加窗處理為多個相互交疊的語音幀，然后將每個語音幀與內置的語音模型比對，并根據相應算法估算出一套模型參數，再對這些模型參數量化編碼，最后進行信道編碼處理并輸出編碼數據幀，譯碼過程為編碼過程的反過程[3]。在APCO25采用的IMBE編碼過程中，每20 ms語音數據為一幀語音幀，經編碼后為88比特編碼幀，由U0至U7共8個向量數據組成，其中第U0至U3向量均為12比特，采用（23,12,7）golay編碼，第U4至U6向量長度均為11比特，采用（15,11,3）漢明碼編碼，第U7向量為7比特，沒有進行信道編碼。經糾錯編碼后各向量還存在擾碼和矩陣交織。最終輸出幀長為144比特，速率為7.2 kbps的編碼數據。IMBE編碼器框圖如圖2所示。

圖2 IMBE語音編碼器Fig.2 IMBE speech coder

2 IMBE語音編譯碼算法在PC機上的實現過程

本文基于VC++6.0軟件平臺，采用聲卡作為采集播放設備，通過軟件編程實現語音信號的采集播放及IMBE編、譯碼算法，最終在PC機上實現IMBE語音編譯碼算法。具體實現過程為：調用Windows底層函數控制聲卡，實現語音信號以8 kHz采樣，16比特量化方式進行采集播放，對采集到的語音信號以每160樣點作為一幀送入IMBE編碼模塊進行壓縮編碼，壓縮后編碼數據幀長為88比特，對88比特編碼幀數據送入IMBE譯碼模塊進行譯碼，獲取160樣點長度的重建語音信號，最后將語音信號送入聲卡播放模塊進行播放處理[4]。在語音信號實時采集與播放實現過程中，為了實現聲卡采集與播放數據的實時性、連續性和可靠性，系統中采用了多線程多緩沖技術，有效保證了數據的連續性和信號處理的實時性[5-6]。下面重點對IMBE編譯碼算法軟件實現過程進行介紹。

2.1 IMBE語音編譯碼算法的軟件實現過程

根據IMBE語音編譯碼算法原理，采用面向對象思想，編制CIMBECod和CIMBEDec類分別實現語音信號的IMBE編碼和譯碼。

2.1.1 CIMBECod編碼類

該類為IMBE語音編碼類，主要實現對輸入該模塊的8 kHz采樣，16比特量化的語音樣點數據流進行編碼，類的主要函數定義如下：

其中 imbe_encode(IMBE_PARAM*pParam,short voice [160],BOOLEAN imbe[88])函數完成語音幀編碼。pitch_est (IMBE_PARAM*pParam,short Frmes_buf)函數完成待編碼語音信號幀的音頻參數估計。sa_encode(IMBE_PARAM *pParam)函數完成譜幅度編碼處理。voiced_sa_calc(int num, short den)函數完成濁音譜幅度計算。unvoiced_sa_calc(int num,short den)函數完成清音譜幅度計算。 v_uv_det (IMBE_PARAM*pParam,short fft_buf)函數完成清濁音判決處理。函數中，IMBE_PARAM*pParam為自定義的結構體變量，實時存儲更新編譯碼過程中相關參數，該結構體定義如下：

2.1.2 IMBEDec譯碼類

該類為IMBE語音譯碼類，主要實現對輸入該模塊的88比特編碼數據幀進行譯碼處理，譯碼后輸出8 kHz采樣、16比特量化的160樣點語音數據。類的主要函數定義如下：

其中imbe_Decode(IMBE_PARAM*pParam,BOOLEAN imbe[88],short voice[160])函數完成編碼幀譯碼處理。sa_Decode(IMBE_PARAM*pParam)函數完成譜幅度譯碼處理。v_synt(IMBE_PARAM*pParam,short voice[160])函數完成濁音合成。uv_synt(IMBE_PARAM*pParam,short voice[160])函數完成清音合成。v_uv_decode(IMBE_PARAM*pParam)函數完成清濁音譯碼合成處理。sa_enh(IMBE_PARAM*pParam)函數完成合成語音的增強處理。

2.2 IMBE語音編譯碼算法的軟件接口封裝

為了使軟件編程接口簡潔，使用方便，本文采用動態鏈接庫方式對編譯碼類進行封裝處理。生成IMBE_Vocoder.dll處理模塊，該模塊將CIMBECod編碼類和CIMBEDec譯碼類進行封裝并實例化。主要定義了 CIMBECod m_Enc [ENCUSERSIZE]和CIMBEDec m_Dec[DECUSERSIZE]對象數組，支持多用戶同時使用，該模塊主要提供如下接口函數：

其中 IMBEDll_EncInit函數和IMBEDll_DecInit函數分別完成各用戶線路的編、譯碼初始化工作；IMBEDll_Encode函數和IMBEDll_Decode函數分別完成各用戶線路幀數據的編、譯碼工作，imbe數組承載88比特編碼幀比特數據，signal數組承載160*16bits的語音樣點數據。

3 結束語

本文介紹了IMBE語音編譯碼算法，基于VC++6.0的編程實現過程，最后開發了相應系統，達到預期目的。經實踐證明，合成語音較好地保留了講話人的特征，其清晰度和自然度都比較好。IMBE算法占用帶寬小、編碼質量高，性能好，對語音編譯碼研究開發人員具有較好的實踐和借鑒意義。

[1]曲喜強,劉哲.基于聲卡的音頻信號采集與分析系統設計[J].電子測試 2009(2):75-77. QU Xi-qiang,LIU Zhe.Audio signal acquisition and analysis system design based on sound card[J].Electronic Test,2009 (2):75-77.

[2]陸奕奕,袁三男,宋文濤.AMBE語音壓縮算法實現及改進[J].通信技術,1998(4):63-66. LU Yi-yi,YUAN San-nan,SONG Wen-tao.The implement and improvement of AMBE voice compressing algorthm[J]. Commumicatios Technology,1998(4):63-66.

[3]Telecommunications Industry Association[S].Project 25 Vocoder Description BABA December 2003.

[4]葉向陽,黃國策,余侃民，等.計算機聲卡在實時采樣監控系統中的開發應用[J].微計算機應用,2006,27(5):582-584. YE Xiang-yang,HUANG Guo-ce,YU Kan-min,et al.The application of soundcard in the real--time monitoring system [J].Microcomputer Applications,2006,27(5):582-584.

[5]張兵.基于多緩沖區實時音頻采集和傳輸實現[J].計算機工程,2006,32(12):272-273. ZHANG Bing.Real-time audio collection and transmission implementation based on multi-buffer [J].Computer Engineering,2006,32(12):272-273.

[6]董華,易克初,田斌.一種基于聲卡的數據采集系統[J].山西電子技術,2006(1):3-4. DONG Hua,YI Ke-chu,TIAN Bin.A data acquisition system based on sound card[J].SHANXI Electronic Technology,2006 (1):3-4.

Real-time implementation based on algorithms of IMBE speech codec in PC

HAN Hong-bang，XIAO Hong，LI Hai-yan
（The Center of Modern Education Technology,Kunming University,Kunming 650214，China）

This paper is intended to discuss in detail the Improved Multi-Band Excitation(IMBE)speech coding algorithm, which is used to APCO 25 trunking communication system.In the Windows XP environment,based on the VC++6.0 development platform,using the sound card as the acquisition and playback equipment,through software programming to realize real-time speech signal acquisition,IMBE Co-decoding and voice playback processing.IMBE speech coding algorithm takes up less bandwidth,high quality speech coding,especially suitable for multimedia communication.

IMBE algorithm;APCO 25;sound card programming;signal collecting

TN912.3

A

1674－6236（2015）07-0186-03

2014-07-17 稿件編號：201407134

韓紅幫(1977—)，男，云南曲靖人，碩士，高級實驗師。研究方向：現代教育技術。