G.729语音编码与解码系统实现方案

资 源 简 介

本项目提供了基于MATLAB环境的G.729标准语音编码与解码源程序，旨在实现高质量的语音压缩与重构。该程序通过特定的调用流程完成语音信号的处理：编码阶段通过调用G729code(speech)函数实现，该函数要求输入必须是当前MATLAB工作区中已存在的speech语音数据行向量，处理后会自动在当前目录生成名为coding.bit的二进制压缩比特流文件。解码阶段则通过G729decodermain主程序完成，用户需将生成的coding.bit文件放置在解码器对应目录下，运行程序后系统会自动解析位流并合成

详 情 说 明

G.729语音编码与解码MATLAB实现项目说明

项目介绍

本项目是基于MATLAB环境开发的G.729标准语音编解码仿真系统。G.729是一种在语音通信中广泛使用的共轭结构代数码本激励线性预测（CS-ACELP）算法。本系统旨在演示如何将复杂的语音压缩算法转化为可操作的MATLAB脚本，实现从原始语音信号到二进制比特流的压缩，以及从比特流到重构语音的还原过程。该项目适用于语音信号处理的学习、算法验证以及通信系统仿真。

功能特性

1. 标准化处理：遵循G.729标准定义的8000Hz采样率和10ms（80样本点）帧长。
2. 核心算法实现：集成了线性预测分析（LPC）、线谱对（LSP）转换、基音周期搜索及代数码本激励等关键技术。
3. 压缩效率仿真：通过量化索引构建紧凑的位流结构，模拟低码率传输。
4. 质量评估可视化：系统自动计算重构语音的信噪比（SNR），并提供原始波形与重构波形的直观对比图。
5. 完整闭环流程：涵盖从预处理、编码、位流存储到解码合成、后处理的全过程。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
2. 工具箱需求：信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox），用于滤波及相关运算。
3. 硬件建议：支持音频输出的计算机（用于试听合成的wav文件）。

实现逻辑与功能详解

#### 1. 主程序流程 系统通过一个统一的入口函数启动。首先初始化采样率（8000Hz）和模拟信号。如果用户未在工作区提供名为speech的变量，系统会自动生成一个融合了正弦波与随机噪声的测试信号。流程依次触发编码模块、解码模块，最后进行SNR计算和波形绘图展示。

#### 2. 编码模块实现逻辑 编码器负责将连续的语音样值转化为离散的参数索引，具体步骤如下：

• 预处理：应用预加重滤波器（系数为[1, -0.97]）以提升高频分量。
• 帧处理：将语音划分为每帧80个样本点的片段。
• LPC分析：对每帧进行汉明窗加窗处理，利用莱文森-德宾（Levinson-Durbin）递归算法求得10阶线性预测系数。
• LSP量化：将LPC系数转换为更具鲁棒性的线谱对参数，并进行7位简化量化。
• 自适应码本搜索：在20至120的滞后范围内通过寻找自相关最大值来估算基音周期。
• 代数码本搜索：在预测残差信号中寻找幅度最大的脉冲，记录其位置和极性。
• 增益量化：提取帧的最大幅度进行5位量化。
• 比特流封装：将每帧产生的14个字节数据（含LSP、基音、脉冲、增益索引）以二进制格式写入文件。

#### 3. 解码模块实现逻辑 解码器负责解析二进制位流并重新合成语音：

• 位流读取：逐帧读取14字节的量化索引。
• 参数还原：将LSP索引反量化并转回LPC滤波器系数。
• 激励信号构建：结合代数码本脉冲和自适应码本（基于上文基音滞后的反馈）合成总激励。
• 合成滤波：使用全极点模型（1/A(z)）进行递归滤波，利用滤波状态保持帧间的连续性。
• 后处理：应用去加重滤波器还原原始频谱特性，并导出为标准音频文件。

关键算法分析

• 线性预测（LPC）：通过当前样本的前10个样本的线性组合来预测当前值，有效提取声道模型特征。
• 线谱对（LSP）变换：将LPC多项式分解为两个辅助多项式，通过求解单位圆上的根（角度）来表示，保证了合成滤波器的稳定性。
• 基音搜索：通过自相关函数定位语音的周期性，这是处理浊音信号的关键。
• ACELP激励：使用稀疏脉冲代替波形，大大降低了所需传输的数据量。
• 信噪比（SNR）计算：系统通过计算原始信号能量与误差信号能量的比值，定量评估压缩算法造成的质量损失。

使用方法

1. 准备阶段：在MATLAB中打开项目脚本。确保当前目录有写入权限以生成中间文件。
2. 运行编码：确保工作区存在speech行向量，或者直接运行主函数使用内置演示信号。运行后，当前目录会生成一个二级制比特流文件。
3. 运行解码：系统会自动读取生成的比特流文件进行处理。
4. 查看结果：程序运行结束后，MATLAB将弹出波形对比图并输出SNR数值。
5. 试听效果：生成的重构语音将保存为名为syn_speech.wav的音频文件，用户可直接播放对比。