一種用于CVSD編碼的數字壓擴算法設計及實現*

許志強，陳 明

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

在軍用無線、衛星、水聲通信等特殊領域，信道質量比較惡劣，信道特性復雜多變且受干擾比較嚴重，連續可變斜率增量調制（Continuous Variable Slope Delta Modulation，CVSD）編碼因其良好的抗信道誤碼魯棒性，以及容易實現，被廣泛應用[1-2]。為了提升在復雜多變環境下通話時的語音質量，CVSD編解碼前都需壓擴提高信噪比[3-5]。目前CVSD編碼常用的壓擴方法都是使用專用芯片的硬件實現方案。

目前用于CVSD編碼壓擴的硬件實現方案雖然具有較好的性能，但使用專用芯片會提高設備功耗和成本，且目前該類芯片（如SA575）都是由國外廠商生產，國內無此類芯片，在當前國際形勢下，存在斷供、停產風險。

當前專用芯片實現CVSD編碼壓擴方法的壓擴曲線如圖1所示。

1 解決的技術問題

針對目前使用硬件芯片時存在的問題，本文提出一種用于CVSD編碼的數字壓擴算法，可零成本的替換當前硬件實現CVSD編碼壓擴所使用的專用芯片，并解決當前使用專用芯片存在的風險。本算法通過設計適合的循環隊列、查表法計算采樣點平方、滑動窗口算法計算采樣點平方和、二分法反向查找采樣點均方根值、根據壓擴曲線設計壓擴傳遞函數計算壓擴值等方法，將數字壓擴方法的運算復雜度降到最低，利用處理器很少的處理能力即可實現，有利于簡化硬件設計，降低設備功耗和成本。

與使用專用芯片的硬件實現方法相比較，軟件實現壓擴方法靈活性大，語音質量優于專用芯片實現方案，在具有多種語音編碼算法的設備中使用不同編碼算法時語音數據的前期處理完全一致，不需要根據不同語音編碼算法切換工作模式。

2 用于CVSD編碼的數字壓擴算法技術方案

本文提出的用于CVSD編碼的數字壓擴算法技術方案由循環隊列設計；查表法計算采樣點平方；滑動窗口算法計算采樣點平方；二分法反向查表，快速查找采樣點均方根值；根據壓擴曲線設計壓擴傳遞函數計算壓擴值5個步驟實現。在開始進行壓縮或擴展前，先對循環隊列進行初始化。正常語音通信過程中，語音數據發送方向處理流程為：麥克風采集經語音芯片模數（Analog to Digital，A/D）轉換后的語音數據插入循環隊列隊尾；采用查表法計算隊尾指針指向的采樣數據平方值；根據滑動窗口算法計算當前窗口內數據平方和；計算滑動窗口內數據均方值；根據壓縮傳遞函數計算壓縮后的值；最后將壓縮后的語音數據送給CVSD編碼器編碼。接收方向處理流程與發送方向基本一致，本技術方案組成及處理流程如圖2所示。

2.1 循環隊列設計

由于硬件芯片實現CVSD編碼壓擴方法的啟動、釋放時間為22 ms，使用32 Kb/s CVSD編碼時22 ms對應采樣點為704，為設計的軟件實現方法與專用芯片實現的完全兼容，故設計循環隊列的隊列深度為704。循環隊列定義如下所示，其中循環隊列數組用于存放采樣值。

#define MAX_QUEUE_SIZE 704

typedef struct queue

{

unsigned short Queue_array[MAX_QUEUE_SIZE];//循環隊列

int front ;//頭指針

int rear ;//尾指針

float square_aac;//循環隊列平方累加和

long square_front;//興指舒對應采樣點平方long square_rear;//尾指針對應采樣點平方

}SqQueue;

對該循環隊列的使用過程如圖3所示，初始化時將循環隊列各參數初始化為0，并在使用前將尾指針移動到MAX_QUEUE_SIZE-2位置；在采樣點入隊后計算更新循環隊列中采樣點數據平方累加和及尾指針指向采樣點平方；計算完一次用于CVSD編碼的壓縮或擴展值后，進行出隊操作將頭指針指向下一個采樣點。

2.2 查表法計算采樣點平方

由于經模數轉換及采樣后的語音信號采樣值范圍確定，而計算采樣點平方運算占用處理器資源較多，因此將計算采樣點平方乘法運算轉換為查表法實現，可以顯著降低運算復雜度。

2.3 滑動窗口算法計算采樣點平方和

滑動窗口算法計算窗口內采樣點平方和過程如圖4所示。初始態窗口內采樣點平方值均為0，故窗口內采樣點平方和為0；當一個有效采樣點進入窗口前，通過步驟二查表法計算該采樣點平方為A，此時窗口向右滑動，則此時窗口內采樣點平方和為A；當窗口再次向右滑動時，則此時窗口內采樣點平方和為A-0+B。

窗口運行到某時刻假設窗口內采樣點平方和為x1，當窗口向右滑動，則此時窗口內采樣點平方和為x1-D+X；當窗口再次向右滑動時，則此時窗口內采樣點平方和為(x1-D+X)-E+Y，以此類推。

該方法計算滑動窗口平方和時每次僅需一次減法和一次加法，降低了處理器的運算復雜度。

2.4 二分法反向查表快速查找采樣點均方根值

2.5 根據壓擴曲線設計壓擴傳遞函數計算壓擴值

根據圖1壓擴曲線，設計的壓縮與擴展傳遞函數如下所示：

3 算法的實際應用

用于CVSD編碼的數字壓擴算法在數字語音通信終端中的應用場景如圖6所示。數字語音通信設備1（以下簡稱“設備1”）和數字語音通信設備2（以下簡稱“設備2”）使用CVSD編碼進行雙向通話。設備1、設備 2中均嵌入本文提出的數字壓擴算法。設備1的發送端語音經過麥克風采集進入語音芯片處理，語音芯片將模擬語音信號轉換為線性脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）數據，送入數字壓塊算法模塊進行數字壓縮，壓擴完畢后進行CVSD編碼后發送到線路；設備2的接收端接收到經壓縮及CVSD編碼后的數據后進行CVSD解碼，解碼完畢后將數據送入數字壓塊算法模塊進行數字擴展，還原為線性PCM數據送入語音芯片處理后通過揚聲器播放。

經實際測試，嵌入本算法后CVSD編碼可以在信道質量比較惡劣的環境中明顯提高通話清晰度，提升用戶體驗，同時嵌入本算法的設備比硬件實現方案設備互通時語音質量高。

4 結 語

本文提出的用于CVSD編碼的數字壓擴算法，使用軟件方法替代了原來由專用芯片實現用于CVSD編碼的硬件壓擴方法，利用設備自身處理器很少的處理能力即可軟件實現，有利于簡化硬件設計，降低設備功耗和成本。

同時，使用本算法的設備間進行CVSD編碼通信時，語音質量比硬件專用芯片實現用于CVSD編碼的壓擴設備語音質量高，通信品質更好。