許志強(qiáng)，陳 明

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

在軍用無線、衛(wèi)星、水聲通信等特殊領(lǐng)域，信道質(zhì)量比較惡劣，信道特性復(fù)雜多變且受干擾比較嚴(yán)重，連續(xù)可變斜率增量調(diào)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(shí)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用[1-2]。為了提升在復(fù)雜多變環(huán)境下通話時的語音質(zhì)量，CVSD編解碼前都需壓擴(kuò)提高信噪比[3-5]。目前CVSD編碼常用的壓擴(kuò)方法都是使用專用芯片的硬件實(shí)現(xiàn)方案。

目前用于CVSD編碼壓擴(kuò)的硬件實(shí)現(xiàn)方案雖然具有較好的性能，但使用專用芯片會提高設(shè)備功耗和成本，且目前該類芯片（如SA575）都是由國外廠商生產(chǎn)，國內(nèi)無此類芯片，在當(dāng)前國際形勢下，存在斷供、停產(chǎn)風(fēng)險。

當(dāng)前專用芯片實(shí)現(xiàn)CVSD編碼壓擴(kuò)方法的壓擴(kuò)曲線如圖1所示。

1 解決的技術(shù)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(shù)字壓擴(kuò)算法，可零成本的替換當(dāng)前硬件實(shí)現(xiàn)CVSD編碼壓擴(kuò)所使用的專用芯片，并解決當(dāng)前使用專用芯片存在的風(fēng)險。本算法通過設(shè)計(jì)適合的循環(huán)隊(duì)列、查表法計(jì)算采樣點(diǎn)平方、滑動窗口算法計(jì)算采樣點(diǎn)平方和、二分法反向查找采樣點(diǎn)均方根值、根據(jù)壓擴(kuò)曲線設(shè)計(jì)壓擴(kuò)傳遞函數(shù)計(jì)算壓擴(kuò)值等方法，將數(shù)字壓擴(kuò)方法的運(yùn)算復(fù)雜度降到最低，利用處理器很少的處理能力即可實(shí)現(xiàn)，有利于簡化硬件設(shè)計(jì)，降低設(shè)備功耗和成本。

與使用專用芯片的硬件實(shí)現(xiàn)方法相比較，軟件實(shí)現(xiàn)壓擴(kuò)方法靈活性大，語音質(zhì)量優(yōu)于專用芯片實(shí)現(xiàn)方案，在具有多種語音編碼算法的設(shè)備中使用不同編碼算法時語音數(shù)據(jù)的前期處理完全一致，不需要根據(jù)不同語音編碼算法切換工作模式。

2 用于CVSD編碼的數(shù)字壓擴(kuò)算法技術(shù)方案

本文提出的用于CVSD編碼的數(shù)字壓擴(kuò)算法技術(shù)方案由循環(huán)隊(duì)列設(shè)計(jì)；查表法計(jì)算采樣點(diǎn)平方；滑動窗口算法計(jì)算采樣點(diǎn)平方；二分法反向查表，快速查找采樣點(diǎn)均方根值；根據(jù)壓擴(kuò)曲線設(shè)計(jì)壓擴(kuò)傳遞函數(shù)計(jì)算壓擴(kuò)值5個步驟實(shí)現(xiàn)。在開始進(jìn)行壓縮或擴(kuò)展前，先對循環(huán)隊(duì)列進(jìn)行初始化。正常語音通信過程中，語音數(shù)據(jù)發(fā)送方向處理流程為：麥克風(fēng)采集經(jīng)語音芯片模數(shù)（Analog to Digital，A/D）轉(zhuǎn)換后的語音數(shù)據(jù)插入循環(huán)隊(duì)列隊(duì)尾；采用查表法計(jì)算隊(duì)尾指針指向的采樣數(shù)據(jù)平方值；根據(jù)滑動窗口算法計(jì)算當(dāng)前窗口內(nèi)數(shù)據(jù)平方和；計(jì)算滑動窗口內(nèi)數(shù)據(jù)均方值；根據(jù)壓縮傳遞函數(shù)計(jì)算壓縮后的值；最后將壓縮后的語音數(shù)據(jù)送給CVSD編碼器編碼。接收方向處理流程與發(fā)送方向基本一致，本技術(shù)方案組成及處理流程如圖2所示。

2.1 循環(huán)隊(duì)列設(shè)計(jì)

由于硬件芯片實(shí)現(xiàn)CVSD編碼壓擴(kuò)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(yīng)采樣點(diǎn)為704，為設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)方法與專用芯片實(shí)現(xiàn)的完全兼容，故設(shè)計(jì)循環(huán)隊(duì)列的隊(duì)列深度為704。循環(huán)隊(duì)列定義如下所示，其中循環(huán)隊(duì)列數(shù)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(huán)隊(duì)列

int front ;//頭指針

int rear ;//尾指針

float square_aac;//循環(huán)隊(duì)列平方累加和

long square_front;//興指舒對應(yīng)采樣點(diǎn)平方long square_rear;//尾指針對應(yīng)采樣點(diǎn)平方

}SqQueue;

對該循環(huán)隊(duì)列的使用過程如圖3所示，初始化時將循環(huán)隊(duì)列各參數(shù)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(diǎn)入隊(duì)后計(jì)算更新循環(huán)隊(duì)列中采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)平方累加和及尾指針指向采樣點(diǎn)平方；計(jì)算完一次用于CVSD編碼的壓縮或擴(kuò)展值后，進(jìn)行出隊(duì)操作將頭指針指向下一個采樣點(diǎn)。

2.2 查表法計(jì)算采樣點(diǎn)平方

由于經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換及采樣后的語音信號采樣值范圍確定，而計(jì)算采樣點(diǎn)平方運(yùn)算占用處理器資源較多，因此將計(jì)算采樣點(diǎn)平方乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為查表法實(shí)現(xiàn)，可以顯著降低運(yùn)算復(fù)雜度。

2.3 滑動窗口算法計(jì)算采樣點(diǎn)平方和

滑動窗口算法計(jì)算窗口內(nèi)采樣點(diǎn)平方和過程如圖4所示。初始態(tài)窗口內(nèi)采樣點(diǎn)平方值均為0，故窗口內(nèi)采樣點(diǎn)平方和為0；當(dāng)一個有效采樣點(diǎn)進(jìn)入窗口前，通過步驟二查表法計(jì)算該采樣點(diǎn)平方為A，此時窗口向右滑動，則此時窗口內(nèi)采樣點(diǎn)平方和為A；當(dāng)窗口再次向右滑動時，則此時窗口內(nèi)采樣點(diǎn)平方和為A-0+B。

窗口運(yùn)行到某時刻假設(shè)窗口內(nèi)采樣點(diǎn)平方和為x1，當(dāng)窗口向右滑動，則此時窗口內(nèi)采樣點(diǎn)平方和為x1-D+X；當(dāng)窗口再次向右滑動時，則此時窗口內(nèi)采樣點(diǎn)平方和為(x1-D+X)-E+Y，以此類推。

該方法計(jì)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(yùn)算復(fù)雜度。

2.4 二分法反向查表快速查找采樣點(diǎn)均方根值

2.5 根據(jù)壓擴(kuò)曲線設(shè)計(jì)壓擴(kuò)傳遞函數(shù)計(jì)算壓擴(kuò)值

根據(jù)圖1壓擴(kuò)曲線，設(shè)計(jì)的壓縮與擴(kuò)展傳遞函數(shù)如下所示：

3 算法的實(shí)際應(yīng)用

用于CVSD編碼的數(shù)字壓擴(kuò)算法在數(shù)字語音通信終端中的應(yīng)用場景如圖6所示。數(shù)字語音通信設(shè)備1（以下簡稱“設(shè)備1”）和數(shù)字語音通信設(shè)備2（以下簡稱“設(shè)備2”）使用CVSD編碼進(jìn)行雙向通話。設(shè)備1、設(shè)備 2中均嵌入本文提出的數(shù)字壓擴(kuò)算法。設(shè)備1的發(fā)送端語音經(jīng)過麥克風(fēng)采集進(jìn)入語音芯片處理，語音芯片將模擬語音信號轉(zhuǎn)換為線性脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）數(shù)據(jù)，送入數(shù)字壓塊算法模塊進(jìn)行數(shù)字壓縮，壓擴(kuò)完畢后進(jìn)行CVSD編碼后發(fā)送到線路；設(shè)備2的接收端接收到經(jīng)壓縮及CVSD編碼后的數(shù)據(jù)后進(jìn)行CVSD解碼，解碼完畢后將數(shù)據(jù)送入數(shù)字壓塊算法模塊進(jìn)行數(shù)字?jǐn)U展，還原為線性PCM數(shù)據(jù)送入語音芯片處理后通過揚(yáng)聲器播放。

經(jīng)實(shí)際測試，嵌入本算法后CVSD編碼可以在信道質(zhì)量比較惡劣的環(huán)境中明顯提高通話清晰度，提升用戶體驗(yàn)，同時嵌入本算法的設(shè)備比硬件實(shí)現(xiàn)方案設(shè)備互通時語音質(zhì)量高。

4 結(jié) 語

本文提出的用于CVSD編碼的數(shù)字壓擴(kuò)算法，使用軟件方法替代了原來由專用芯片實(shí)現(xiàn)用于CVSD編碼的硬件壓擴(kuò)方法，利用設(shè)備自身處理器很少的處理能力即可軟件實(shí)現(xiàn)，有利于簡化硬件設(shè)計(jì)，降低設(shè)備功耗和成本。

同時，使用本算法的設(shè)備間進(jìn)行CVSD編碼通信時，語音質(zhì)量比硬件專用芯片實(shí)現(xiàn)用于CVSD編碼的壓擴(kuò)設(shè)備語音質(zhì)量高，通信品質(zhì)更好。