码本激励线性预测(CELP)编码
3.2.7码本激励线性预测(CELP)编码
码本激励线性预测(Codebook Excited Linear Prediction ，cELP) 编码简称为码本激励编码。它是一种用码本(Codebook)作为激励源的编码方法。把残差信号可能出现的、已经量化了的、按一定规则排列的各种样值事先存储在存储器中，好像一本字典一样。每一个样值组合都有一地址码，所以这个存储器就称为码本。收、发方各有一个同样的码本。在线性预测的过程中，并不传输残差信号的本身，而是先在本方的码本中，榆查出与这信号最接近的样值组合的地址码，然后将这个码本的地址码发送到对方。对方收到这个地址码，从同样的码本中取出这个地址的残差信号，然后通过滤波器得到重建的话音。由于不传输残差信号的本身，而传输的是码本上的地址码，所以大大减少了传输的比特数，可得到低速率的编码器。因此只要码本编得好，只要它有足够的数量而义和实际的残差信号十分接近，那么在低速率的编码下就得到较好的话音质量。因此编一个好的码本是这种编码的关键。码本的要求如下：
①码本中的信号应与实际信号非常相近，即相差最少。
②在满足第一条的条件下，码本容量最小。这样地址码数目少，即编码的长度最小。 ③检查码本找出最接近信号(即搜索码本) 的时问最短。这样处理时间短，时延小。
码本的编制举例如下。
把话音每20ms 为一帧，每帧又分为4个子帧，则每个子帧为5ms ，采样率为8 000Hz，这样每个子帧共有40个样点。40个样点经LPC 预测分析后可得到残差信号，也是40个样点。将这40个样点组合用l0比特的编码来代表，l0比特共可编出l 024种序列。把这l 024种编码序列存储起来就可代表话音中的各种可能的残差信号，这就是码本，这个码本的容量为1024。显然，只用1024种编码来代表40个样点的各种可能的情况是不够的。但如果能够选择最可能的1024种情况，使它在实际运用时，合成话音的主观感觉误差最小，那么这个码本就是可以使用。因此编制码本是十分重要的。如果选定的码本中所代表的40样点组合后和实际话音相差太远，则合成的话音质量就不好。如果码本编得好，即实际的话音都能用码本中1 024种组合来代表，误差很小。只用10个比特就能传送一组40个样点的残差信号。这样不但码速低而且话音质量好。一般来说码本容量小，能存储的序列就少，但和实际信号的差别必然大，这是一对矛盾。但是不同的编制方法(即码本中样点组合的选取) 可以找到_种最佳的结果，则该码本即为最佳码本。
图3．13为CELP 原理图，它的两个时变线性滤波器各有一个预测器，其中一个为短时预测器，另一个为长时预测器。长时预测滤波器只用3阶，故有3个系数，短时滤波器在这里使用16阶，故有l6个系数，这些系数也要编码传输到对方，但和码本激励的编码分开，前者称为边信息，后者称为主信息。
从图3．13中可以看出，由码本取出的激励e(n)经短时预测和长时预测之后，可得到§(n)的预测值，此时实际话音S(n)加入，两者之差为残差信号d ，通过感觉加权滤波，并将它平方求和后再求出平均值，这就是均方误差。如果这个误差最小，则这个码本激励就是和实际最接近的激励，把这个激励传送出去。因此在选择这个地址之前，要做一系列的计算和比较，才能选定这个地址的码本，这就叫做码本的搜索。最简单也是最费事的搜索办法，就是将上例码本的l 024个激励值一一计算，就可比较出来。但这样计算量就太大了，而且时延也会增加。所以如何提高搜索的效率，也是改进CELP 编码器性能的一个重要方面。 近几年在研究码本激励技术方面取得了很大进展，而研究简化算法又是实现实时运算的关键。
随机激励线性预测编码(Stochastically Excited LPC，SEL) 和下面几节要介绍的低时延码本激励线性预测编码、矢量量化话音编码及矢量和激励线性预测编码均属于码本激励的范畴。
码本激励线性预测(CELP)编码
3.2.7码本激励线性预测(CELP)编码
码本激励线性预测(Codebook Excited Linear Prediction ，cELP) 编码简称为码本激励编码。它是一种用码本(Codebook)作为激励源的编码方法。把残差信号可能出现的、已经量化了的、按一定规则排列的各种样值事先存储在存储器中，好像一本字典一样。每一个样值组合都有一地址码，所以这个存储器就称为码本。收、发方各有一个同样的码本。在线性预测的过程中，并不传输残差信号的本身，而是先在本方的码本中，榆查出与这信号最接近的样值组合的地址码，然后将这个码本的地址码发送到对方。对方收到这个地址码，从同样的码本中取出这个地址的残差信号，然后通过滤波器得到重建的话音。由于不传输残差信号的本身，而传输的是码本上的地址码，所以大大减少了传输的比特数，可得到低速率的编码器。因此只要码本编得好，只要它有足够的数量而义和实际的残差信号十分接近，那么在低速率的编码下就得到较好的话音质量。因此编一个好的码本是这种编码的关键。码本的要求如下：
①码本中的信号应与实际信号非常相近，即相差最少。
②在满足第一条的条件下，码本容量最小。这样地址码数目少，即编码的长度最小。 ③检查码本找出最接近信号(即搜索码本) 的时问最短。这样处理时间短，时延小。
码本的编制举例如下。
把话音每20ms 为一帧，每帧又分为4个子帧，则每个子帧为5ms ，采样率为8 000Hz，这样每个子帧共有40个样点。40个样点经LPC 预测分析后可得到残差信号，也是40个样点。将这40个样点组合用l0比特的编码来代表，l0比特共可编出l 024种序列。把这l 024种编码序列存储起来就可代表话音中的各种可能的残差信号，这就是码本，这个码本的容量为1024。显然，只用1024种编码来代表40个样点的各种可能的情况是不够的。但如果能够选择最可能的1024种情况，使它在实际运用时，合成话音的主观感觉误差最小，那么这个码本就是可以使用。因此编制码本是十分重要的。如果选定的码本中所代表的40样点组合后和实际话音相差太远，则合成的话音质量就不好。如果码本编得好，即实际的话音都能用码本中1 024种组合来代表，误差很小。只用10个比特就能传送一组40个样点的残差信号。这样不但码速低而且话音质量好。一般来说码本容量小，能存储的序列就少，但和实际信号的差别必然大，这是一对矛盾。但是不同的编制方法(即码本中样点组合的选取) 可以找到_种最佳的结果，则该码本即为最佳码本。
图3．13为CELP 原理图，它的两个时变线性滤波器各有一个预测器，其中一个为短时预测器，另一个为长时预测器。长时预测滤波器只用3阶，故有3个系数，短时滤波器在这里使用16阶，故有l6个系数，这些系数也要编码传输到对方，但和码本激励的编码分开，前者称为边信息，后者称为主信息。
从图3．13中可以看出，由码本取出的激励e(n)经短时预测和长时预测之后，可得到§(n)的预测值，此时实际话音S(n)加入，两者之差为残差信号d ，通过感觉加权滤波，并将它平方求和后再求出平均值，这就是均方误差。如果这个误差最小，则这个码本激励就是和实际最接近的激励，把这个激励传送出去。因此在选择这个地址之前，要做一系列的计算和比较，才能选定这个地址的码本，这就叫做码本的搜索。最简单也是最费事的搜索办法，就是将上例码本的l 024个激励值一一计算，就可比较出来。但这样计算量就太大了，而且时延也会增加。所以如何提高搜索的效率，也是改进CELP 编码器性能的一个重要方面。 近几年在研究码本激励技术方面取得了很大进展，而研究简化算法又是实现实时运算的关键。
随机激励线性预测编码(Stochastically Excited LPC，SEL) 和下面几节要介绍的低时延码本激励线性预测编码、矢量量化话音编码及矢量和激励线性预测编码均属于码本激励的范畴。