摘 要：在AMR的基礎(chǔ)上介紹了一種用來提高系統(tǒng)容量的源自適應(yīng)(SA-AMR)算法。簡要闡述了算法編解碼原理，分析了在無線通信系統(tǒng)中引入SA-AMR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并與AMR進(jìn)行性能比較，測試結(jié)果表明：SA-AMR編碼速率和模式可變，能夠提高語音質(zhì)量和發(fā)射穩(wěn)健性，有效增大系統(tǒng)容量，性能優(yōu)于AMR。

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關(guān)鍵詞：自適應(yīng)多速率;源自適應(yīng)多速率;語音活動性檢測;GSM系統(tǒng)容量;載干比

PerformanceAnalysisandResearchofSA-AMRAlgorithm

LV Feng，CHENG Min

(School of Information Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan，430070，China)

Abstract：Based on existing AMR codecs，a new technique named Source-Adaptive Adaptive Multi-Rate(SA-AMR) is introduced to improve system capacity in this paper.It briefly describes the SA-AMR speech coding and decoding principle and analyses the improvement of using this technique.And performance analysis comparison is described between SA-AMR and AMR.Finally，the result is presented that SA-AMR codec，with variable code rate and mode，seems to have better overall performance than the AMR codec and can be used to improve speech quality and transmission robustness.

Keywords：adaptive multi-rate;SA-AMR;voice activity detection;GSM system capacity；CIR

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1 引 言

GSM技術(shù)是世界上最為廣泛使用的移動通信技術(shù)，目前已經(jīng)有超過200個(gè)國家使用該技術(shù)。GSM占據(jù)了78%的無線通信市場，并在即將到來的很長一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)保持其優(yōu)勢，在移動通信市場上起到不可忽視的作用。

在當(dāng)前應(yīng)用廣泛、前景廣闊的GSM移動通信系統(tǒng)中，采用變速率語音編解碼算法對系統(tǒng)的容量和通話質(zhì)量有非常大的影響，不僅能滿足語音通信業(yè)務(wù)快速增長的要求，而且能為新的數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)的發(fā)展提供空間。GSM技術(shù)中的自適應(yīng)多速率(Adaptive Multi Rate，AMR)語音編解碼技術(shù)能提高頻譜效率，使系統(tǒng)容量增加一倍，從而使得GSM在語音業(yè)務(wù)上可與CDMA2000相競爭。

基于AMR技術(shù)，介紹了一種能靈活控制GSM系統(tǒng)容量，使通話質(zhì)量和系統(tǒng)容量達(dá)到某種程度的均衡的SA-AMR技術(shù)。通過使用該技術(shù)，不僅能夠提高通話質(zhì)量，而且能有效擴(kuò)大系統(tǒng)容量。SA-AMR技術(shù)與CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)中的可選模式語音編解碼(Selectable Mode Vocoders，SMV)技術(shù)相比，可以獲得更好的性能。

2 SA-AMR語音編解碼技術(shù)

2.1 SA-AMR的提出

目前，AMR語音編解碼已經(jīng)成為GSM和WCDMA系統(tǒng)中的語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)。它支持8種不同的編解碼模式，編碼速率從4.75~12.2 kb/s。AMR編解碼器能夠根據(jù)信道質(zhì)量動態(tài)切換編碼速率，從而提高資源利用率。當(dāng)信道質(zhì)量差時(shí)，采用低的編碼速率，這樣信道編碼中的冗余比特就會增加，從而對信息更好的保護(hù)；當(dāng)信道質(zhì)量好時(shí)，可以采用高的編碼速率來提高語音的質(zhì)量。從整個(gè)系統(tǒng)而言，通過采用AMR技術(shù)，話音質(zhì)量和系統(tǒng)容量都能獲得提高。

AMR算法基于載干比(Carrier-to-Interference Ratio，CIR)，根據(jù)接收端所測得的CIR，選擇當(dāng)前信道干擾情況下最適合的編碼模式。但從擴(kuò)大系統(tǒng)容量方面而言，不需要對信號中的所有語音幀以最大編碼速率進(jìn)行編碼來獲得高的語音質(zhì)量，可根據(jù)語音源特性，對某些幀采用較低的編碼速率，同時(shí)不會或只在很小程度上降低語音質(zhì)量，這種方法稱為源自適應(yīng)語音編解碼技術(shù)(Source Adaptive AMR，SA-MR)。

隨著話音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的快速增長，GSM容量的增長受到干擾限制。SA-ARM算法可根據(jù)自身的特點(diǎn)解決這一問題，例如，通過使用SA-AMR算法，在幀刪除率(Frame Erasure Rate，F(xiàn)ER)較低情況下，語音質(zhì)量也能夠保持在一定程度上，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性，同時(shí)也可以在維持給定的FER均值時(shí)增加系統(tǒng)負(fù)載(FER也是計(jì)算無線通信網(wǎng)絡(luò)容量的主要標(biāo)準(zhǔn)之一)。因此，通過使語音傳輸更能抗干擾，SA-AMR可增加GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。

2.2 SA-AMR原理

當(dāng)前GSM標(biāo)準(zhǔn)中，不連續(xù)發(fā)送(Discontinuous Transmission，DTX)也代表一種源自適應(yīng)算法。兩人在交談時(shí)，總是一方講，一方聽，如果兩人同時(shí)講就會造成混亂。當(dāng)GSM話音編解碼器檢測到話音間隙后，在間隙期間不發(fā)送，這就是DTX。為了實(shí)現(xiàn)DTX，還要在發(fā)射端使用語音活動性檢測(Voice Activity Detector，VAD)來確定使用者是否在通話。通話期間，根據(jù)AMR算法所確定的編碼模式對語音信號進(jìn)行編碼；通話停頓期間，則對使用者的背景噪聲進(jìn)行編碼。

SA-AMR算法在AMR的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，語音源可根據(jù)當(dāng)前語音幀結(jié)構(gòu)的信息內(nèi)容選擇適用的編碼模式，從而避免對所有的幀結(jié)構(gòu)使用同一速率進(jìn)行編碼。例如，某些含信息量較低的語音序列可以選用較低的編碼速率，同時(shí)不會降低語音質(zhì)量。通過使用更精確的語音檢測技術(shù)，SA-AMR算法速率判決更符合語音幀特性，從而進(jìn)一步降低編碼速率，同時(shí)提高語音質(zhì)量。SA-AMR算法框架圖如圖1所示。

由圖1可知，SA-AMR編解碼模式的選擇主要取決于以下兩方面：

(1) VAD所提供的信號。VAD將語音信號劃分成幾個(gè)子帶，計(jì)算每個(gè)子帶的能量等級并估測背景噪聲。SA-AMR算法通過對輸入的語音信號進(jìn)行子帶能量等級規(guī)范化、幀結(jié)構(gòu)分析、長期能量預(yù)測以及低能量閾值轉(zhuǎn)換等過程，根據(jù)對當(dāng)前語音幀所包含的信息能量進(jìn)行分析，為每個(gè)語音幀選擇所需編解碼模式。

(2) 目標(biāo)編碼率。它是SA-AMR的輸入?yún)?shù)之一，通過選擇該參數(shù)，就能根據(jù)需要調(diào)整發(fā)射穩(wěn)健性和語音質(zhì)量。SA-AMR對每幀內(nèi)的平均編碼率進(jìn)行估測，并把它與給定的目標(biāo)編碼率進(jìn)行比較和調(diào)整，再進(jìn)行模式選擇，從而將平均編碼率轉(zhuǎn)換為最適合的編碼速率。

SA-AMR模式的選擇還取決于激活碼元設(shè)置，該設(shè)置是由碼元操作模式而定的。SA-AMR有4種可選操作模式，分別為12.2，7.40，5.90和4.75 kb/s。其中操作模式為4.75 kb/s時(shí)，激活碼元不能轉(zhuǎn)換為其他設(shè)置情況，與無源自適應(yīng)時(shí)情況相同。不同的操作模式對應(yīng)不同的操作范圍，包括了使用該模式時(shí)從最小到最大的編碼速率，表1列出了SA-AMR在不同操作模式時(shí)所對應(yīng)的激活碼元設(shè)置和操作范圍。

2.3 SA-AMR的應(yīng)用

根據(jù)GSM協(xié)議要求，在上行鏈路中，移動臺(MS)必須遵循基站收發(fā)信機(jī)(BTS)所發(fā)送的編解碼模式命令，因此，SA-ARM只適用于模式無改變的下行鏈路。同時(shí)，下行鏈路容量也是制約整個(gè)系統(tǒng)容量的重要因素，研究SA-AMR在下行鏈路系統(tǒng)性能情況，同時(shí)也代表著整個(gè)系統(tǒng)性能。圖2展示了SA-AMR算法在下行鏈路中的應(yīng)用。

基于對接收端MS的CIR的估測，算法選擇在當(dāng)前干擾情況下最可能穩(wěn)定發(fā)射的編碼速率，將所選擇的模式在編解碼模式命令中發(fā)送給BTS，BTS的發(fā)射端通過對語音源特性進(jìn)行分析，選擇一個(gè)最適合的編解碼模式。

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3 SA-AMR算法性能分析

SA-AMR是在AMR的基礎(chǔ)上提出的，其性能優(yōu)于AMR。下面對采用SA-AMR語音編解碼算法與采用AMR算法的系統(tǒng)進(jìn)行分析，分別在編碼速率、算法復(fù)雜度、語音質(zhì)量和系統(tǒng)容量這4個(gè)方面對兩者進(jìn)行比較，并給出比較結(jié)果。

3.1 編碼速率

AMR支持8種不同的編碼速率，分別是：4.75 kb/s，5.15kb/s，5.9kb/s，6.7kb/s，7.4kb/s，7.95kb/s，10.2kb/s和12.2 kb/s。根據(jù)當(dāng)前信道質(zhì)量改變編碼速率，信道質(zhì)量好時(shí)，采用較高的編碼速率以提高語音質(zhì)量；反之則采用較低的編碼速率對信息進(jìn)行更好的保護(hù)，在典型的通話模式下，平均編碼速率約為8.2 kb/s。AMR聲碼器不會自動在8種工作模式間進(jìn)行切換，只是根據(jù)外部命令才進(jìn)行速率切換。

SA-AMR包括4種操作模式，不同模式對應(yīng)著不同的操作范圍。先根據(jù)當(dāng)前信道干擾情況在4種可能模式中選擇一種操作模式，確定對應(yīng)的激活碼元設(shè)置。例如，在這4種操作模式中選擇7.40 kb/s，則對應(yīng)的激活碼元設(shè)置為(7.40，5.90，4.75)，操作范圍為5.80~7.10 kb/s。平均編碼率根據(jù)當(dāng)前語音幀所包含的信息量多少在操作范圍內(nèi)自動轉(zhuǎn)換取值(碼元可以轉(zhuǎn)變成同一激活碼元設(shè)置內(nèi)的鄰碼元模式)，從而確定最適合的編碼速率。相比之下，SA-AMR在提高編碼速率和效率方面更為靈活。

3.2 編解碼復(fù)雜度

編解碼復(fù)雜度與語音編碼質(zhì)量、編碼速率三者之間存在著密切的關(guān)系，通?？梢员舜宿D(zhuǎn)化，采用復(fù)雜度高的算法可以在相同的編碼速率下獲得更高的語音編碼質(zhì)量，或在相同的編碼質(zhì)量下實(shí)現(xiàn)更低的編碼速率。語音編碼的算法復(fù)雜度主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：運(yùn)算所需的指令周期；數(shù)據(jù)存儲量；程序存儲量。

對兩種算法的復(fù)雜度進(jìn)行估算，用加權(quán)每秒百萬次操作(wMOPS)來定量。AMR的復(fù)雜度為17.85 wMOPS；SA-AMR的復(fù)雜度因模式的不同而不同，由于在每種模式下，編碼器在處理信號時(shí)還會依據(jù)語音特性選擇不同的編碼速率，因此每一種模式的復(fù)雜度有較大的差別，取4種模式中復(fù)雜度最大值20 wMOPS。由比較可知：從算法復(fù)雜度而言，SA-AMR的復(fù)雜度比 AMR大，這從SA-AMR的自適應(yīng)原理中也可看出。正是因?yàn)閼?yīng)用了比較復(fù)雜的算法，才使得SA-AMR能在較低的編碼速率下實(shí)現(xiàn)較好的語音質(zhì)量，從而提高系統(tǒng)性能。

3.3 語音質(zhì)量

通過使用GSM系統(tǒng)模擬器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以考察SA-AMR和AMR對系統(tǒng)性能的影響，可得到結(jié)果圖如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)表示頻率的有效負(fù)荷率，即每個(gè)頻點(diǎn)所負(fù)載的通信業(yè)務(wù)量，是對系統(tǒng)負(fù)載的測量(只考慮語音業(yè)務(wù)，且所有業(yè)務(wù)都分配給跳頻頻點(diǎn))?？v坐標(biāo)表示在FER保持恒定值時(shí)(FER＞0%)，4個(gè)GSM復(fù)合幀中錯(cuò)誤語音信號所占的比率。由結(jié)果圖可知，隨著系統(tǒng)負(fù)載的增加，SA-AMR的錯(cuò)誤語音采樣信號少于AMR，故使得語音質(zhì)量在AMR的基礎(chǔ)上有所提高。

3.4 系統(tǒng)容量

根據(jù)語音測試實(shí)驗(yàn)對SA-AMR和AMR在系統(tǒng)容量方面進(jìn)行比較，可得結(jié)果如表2和表3所示。

測試實(shí)驗(yàn)中，在無噪聲情況下，測量語音信號的平均意見分(Mean Opinion Scores，MOS)；在有噪聲(SNR 15 dB)的情況下，測量語音信號的失真平均意見分(Degradation Mean Opinion Scores，DMOS)。由表可知，在保持語音質(zhì)量不變的情況下，SA-AMR算法采用比AMR更低的編碼速率，可以用剩余碼元增加編碼冗余，從而擁有更好的語音幀，同時(shí)在幀擦除率取值較低時(shí)，語音質(zhì)量能夠維持在一定程度上，增加了系統(tǒng)的抗干擾性，從而擴(kuò)大GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，使系統(tǒng)性能更優(yōu)。

4 結(jié) 語

為滿足GAM無線網(wǎng)絡(luò)不斷增長的需要，在AMR的基礎(chǔ)上提出能夠有效擴(kuò)大系統(tǒng)容量的源自適應(yīng)語音編解碼(SA-AMR)技術(shù)，并在編碼速率、算法復(fù)雜度、語音質(zhì)量和系統(tǒng)容量這四個(gè)方面與AMR技術(shù)進(jìn)行比較，由比較結(jié)果可知，SA-AMR在各方面的性能優(yōu)于AMR。SA-AMR的優(yōu)點(diǎn)主要在于編碼速率和碼元模式可變，能夠靈活控制系統(tǒng)容量，從而使通話質(zhì)量和系統(tǒng)容量達(dá)到某種程度的均衡，非常符合未來移動通信的高質(zhì)量、高容量的要求，因此，SA-AMR語音編解碼技術(shù)將會在未來的移動通信中發(fā)揮重要的作用。同時(shí)，與CDMA2000的變速率語音編解碼SMV技術(shù)相比，SA-AMR能夠更靈活地提高編碼效率，有效提高語音質(zhì)量，但兩者性能的比較還有待進(jìn)一步研究。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］胡偉，蔣鈴鴿.AMR技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用\\[J\\].通信技術(shù)，2003(6):5-6.

［2］郭毅峰，謝鑫.一種在無線網(wǎng)絡(luò)中有效保證話音質(zhì)量的AMR方法\\[J\\].北京電子科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，15(2):23-26.

［3］Makinen J，Vainio J.Source Signal-based Rate Adaptation for GSM AMR Speech Codec.ITCC 2004.International Conference on，2004，2:308-313.

［4］Makinen J，Ojala P，Toukomaa H.Performance Comparison of Source Controlled GSM，AMR and SMV Vocoders.ISPACS 2004，2004:151-154.