語音編碼

语音编码的应用

几乎语音编码领域的所有研究都是受应用驱动的，由于数字化语音的传输和存储，在可靠性、抗干扰、易保密等方面都远远胜过模拟语音，从1950年代以来，在通讯系统中数位语音所占的百分比不断增加。目前，在整合服务数位网络(Integrated Services Digital Network，ISDN)、卫星通讯、行动通讯、微波接力通讯等系统无一例外采用的都是数字化语音传输和存储。近几年，被称为“最后一个数字化电子行业”的无线对讲机领域也升始研究应用数字化语音编码方案了。
行动通讯系统和互联网( internet )是语音编码技术的两个重要应用领域。行动通讯的发展日新月异，除第一代行动通信系统采用模拟式语音传输外，从第二代移动通信系统开始，全部采用数位语音编码方式。目前广泛使用的“全球通”等第二代数位蜂窝移动通信系统采用了13 kb/s 的 RPE - LTP ( Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction )语音编码技术。北美第二代数位移动电话(CDMA) 采用的是Qualcomm (高通)公司的QCELP( Qualcomm Code Excited Linear Prediction) 语音编码预测。 QCELP 语音编码预测不仅可以工作在4/4.8/8/9.6 kb/s 等固定速率上，还可以变速率地工作在0.8～9.6 kb/s 之间。在第三代行动通讯系统中，变速率语音编码技术得到了广泛应用。 TD- SCDMA 标准采用了AMR ( Adaptive Multi-rate )语音编码技术，WCDMA标准主要采用了AMR 语音编码技术，cdma2000 主要采用了QCELP 或 EVRC ( Enhanced Variable Rate Codec ) 语音编码技术。近些年，由于成本低廉，网络电话得到深入研究，目前世界多个标准组织和工业实体提出了很多语音编码方案。其中包括国际电信联盟的 G.711 (速率为64 kb/s ) , G.723.1 (速率为5.3 kb/s 或 6.3 kb/s ) , G.729A （速率为8 kb/s）编码方案。 GIPS (Global IP Sound )公司、 Skype 公司等业界企业也有自己的编码方案，如 iLBC、SILK 等编码算法等。考虑到语音数据封包包在网络环境中传输的特殊性，以及不同通讯网络的结构性等因素，嵌入式多速率语音编码算法也在近几年成为一个重要的研究领域。随着网络带宽的不断增加，终端处理能力的不断增强，用户对话品质要求的提高，宽频、超宽频、全带宽语音编码技术得到了广泛的研究，很多传统的窄频语音编码技术得到探入研究并扩充到宽频编码版本上。
除了行动通讯系统和互联网外，语音压缩编码技术还广泛应用于保密通讯、卫星通信以及水下通信等领域。在这些应用领域中，传输带宽通常较窄，超低速率语音压缩编码算法的研究成为一个焦点。

语音编码的分类

针对不同的应用场合、不同的语音来源以及对语音编码目的的不同，可作如下的分类:编码、编码速率、编码语音带宽以及编码讯号环境。

按编码语音带宽分类

通常将人耳可以听到的频率在20 Hz～20 kHz 的声波称为音频讯号,标准的话路带宽语音信号是300～3400 Hz，若加上少量保护频带，一般意义上说的标准话路频带宽度应该是4 KHz，根据取样定理，带宽为4 Hz 的语音讯号的取样频率应为8 kHz，量化精度一般在16 位左右。通常所说的窄频语音编码指的就是这种频带范围内的语音讯号编码。
随着网络传输带宽的不断增加，语音编码的另一研究领域也开始引起广泛重视，这就是宽频语音编码。宽频语音编码的频率范围通常在50～7000 Hz，加上保护带宽，通常为8 kHz，取样频率一般为16 kHz。国际电信联盟公布的自适应多速率带宽( AMR-WB )语音编码器的杯标准为G.722.2 协议，其频率带宽就在50～7000 Hz，取样频率为16 kHz，属于带宽语音编码的范畴。
在多媒体领域中，主要处理音频讯号，包括音乐、语音、风声、雨声、鸟呜声、机器声等。音频编码主要是针对频率范围较宽的音频讯号进行的编码，主要应用于数位广播和数字电视广播、消费电子产品等。典型的编码有MPEG-1 / MPEG-2 的 layer 1、2、3 和 MPEG-4 AAC 的音频编码等。

语音编码的发展趋势

经过近几十年的发展，语音编码领域涌现了很多的成果。目前在语音编码方面有几个热门的领域：低速率语音编码、频带语音编码、变速率语音编码以及嵌入式语音编码。
ITU 已制定的语音编码标准主要集中在中速率以上。如何在低速率甚至超低速率上获得较高的语音品质，仍然是语音编码领域的焦点。在低速率语音编码领域，目前研究较多的模个型包括混合激励线性预测模型、正弦激励线性预测模型、正弦变换编码、多频激励编码以及波形插值编码等。
除了致力于制定更低速率的语音编码标准外，ITU正在讨已制定的语音编码标准近进行全带宽的拓展，使其能够适应语音的应用，例如 AMR 从窄频带AMR-NB 到宽频AMR-WB 再到超宽频AMR-WB+， G.729 全频带扩展到G.729.1等。 ISO/MPEG从标准化组织目前正在制定下一代音频编／解码标准USAC (Unified Speech and Audio Coding)，即语音/乐音联合编解码器。USAC可以对任意比例混合的语音/音乐讯号进行编/解码，同时，无论是语音成分还是音乐成分，其编码性能至少不亚于当前最好的专业语音编码器或乐音编码器的编码性能。USAC 标准具有广泛的应用前景，可以广泛地应用于全球数字广播，第三、四代行动通讯等领域。
随着行动通讯的发展，尤其是第三行动通讯的发展，对于语音压缩编码算法提出了更高的要求，不但要求编码速率较低以增加系统容量，而且要求合成语音音值较高以确保通话品质。用传统的压缩编码方式，很难同时满足这两个要求，在这种情形下，提出了变速率语音压缩编码的方法。在行动通讯系统中采用变速率语音压缩编码，可以根据需要动态地调整编码速率，在合成语音质量和系统容量中取得灵活的折衷，最大限度地发挥系统的效能。1990年代，随看CDMA 行动通讯系统的快速发展，各种通讯组织相继推出了不同的变速率语音编码技术标准，主要包括QCELP、EVRC、 AMR 和 SMV 4种算法标准。
随着网络技术的不断发展，以网络为载体的语音讯号传输得到了广泛研究。在现实的网络条件下，由于网络拥塞、过延时和缓冲器溢出等原因，决定了网络传输中必然经常出现封包丢失等问题，这对语音讯号的实时传输具有很大影响，传统的编码器因为本身的特点，包丢失合导致合成语音品质严重下降。嵌入式语音编码算法从本质上来说也是一种变速率语音编码算法，其码流的分布为嵌入式结构，核心码流能够保证基本的合成语音质量，外围层的码流不断提高合成语音的品质，收到的比特流越多，合成语音的品质就越好，嵌入式语音编码的这种结构特别适用互联网上的语音传输，因此得到了各国学者的重视与研究。2006年，ITU制定了新的带宽嵌入式语音编/解码方案G.729.1，并制定了新一代宽频嵌入式(EV-VBR)语音编码提案，具有5层嵌入式编码结构，最终由VOICEAGE 和 Nokia提交的编码器成为基线编码器，经这与其他竞争者的技术融合后，在2008年成为新一代嵌入式语音编码标准G.718。由于其没有兼容G.729的要求，相应速度上具有比G.729.1 更高的语音通讯品质。