目前，由于音頻帶寬較窄及非語音信號(hào)處理水平較差等限制因素，通話服務(wù)往往無法提供高品質(zhì)的聲音體驗(yàn)。然而，語音和音頻編碼技術(shù)取得的最新進(jìn)展將有助于大幅提升通話服務(wù)質(zhì)量，通過提供全頻帶音頻傳輸實(shí)現(xiàn)更貼近原聲的聲音體驗(yàn)，并改善語言清晰度及聆聽舒適度。
最新通過標(biāo)準(zhǔn)化的增強(qiáng)型語音通話服務(wù)（EVS）編解碼器是首個(gè)提供超寬帶音頻帶寬，且在9.6kbps比特率下仍能極大改善語音通話質(zhì)量的3GPP編解碼器。同時(shí)，在處理音樂以及混合內(nèi)容等信號(hào)方面，EVS的性能可與最新的音頻編解碼器相媲美。EVS的關(guān)鍵技術(shù)是在處理語音信號(hào)和音樂信號(hào)的專業(yè)編碼模型之間進(jìn)行靈活切換。這一編解碼器由運(yùn)營(yíng)商、終端設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施和芯片提供商以及語音與音頻編碼方面的專家聯(lián)合開發(fā)，其中包括愛立信、Fraunhofer集成電路研究所、華為技術(shù)有限公司、諾基亞公司、日本電信電話公司（NTT）、日本NTT DOCOMO公司、法國(guó)電信（ORANGE）、日本松下公司、高通公司、三星電子公司、VoiceAge公司及中興通訊股份有限公司等。
*Fraunhofer美國(guó)數(shù)字媒體技術(shù)部隸屬于Fraunhofer美國(guó)分部，旨在推廣和支持Fraunhofer集成電路研究所在美國(guó)推出的產(chǎn)品。
本文旨在簡(jiǎn)要介紹EVS技術(shù)的通信系統(tǒng)藍(lán)圖。在強(qiáng)調(diào)主要設(shè)計(jì)制約因素和特征的同時(shí)，也包含了簡(jiǎn)要的技術(shù)見解，并展示與探討了在標(biāo)準(zhǔn)化過程中，尤其是選擇和測(cè)定階段所進(jìn)行的音質(zhì)評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果。
通信系統(tǒng)
語音通話質(zhì)量與電視上播放的電影原聲相比，標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)通話的語音通常都非常模糊。這主要是受現(xiàn)有電話系統(tǒng)音頻帶寬的限制。圖1顯示了傳統(tǒng)通信/廣播電視系統(tǒng)的不同音頻帶寬容量及人耳聽覺系統(tǒng)所能聽到的聲音頻率范圍。
圖1：廣播電視和通信系統(tǒng)的音頻質(zhì)量
老式電話系統(tǒng)主要支持窄帶音頻信號(hào)，音頻帶寬的頻率僅到3.4kHz。高清語音服務(wù)(WB)則可支持寬帶音頻信號(hào)，音頻帶寬的頻率達(dá)到7kHz。考慮到人耳聽覺能力，實(shí)現(xiàn)高保真音質(zhì)需要帶寬頻率支持到20kHz，而高清語音服務(wù)技術(shù)仍無法實(shí)現(xiàn)。因此，在高清語音技術(shù)之后又進(jìn)一步出現(xiàn)了全高清語音技術(shù)，可提供超寬帶和全頻帶的語音通話質(zhì)量。超寬帶技術(shù)的音頻頻譜為16kHz，而全頻帶的頻率分量高達(dá)20kHz。
目前，固話服務(wù)可實(shí)現(xiàn)窄帶或?qū)拵дZ音質(zhì)量。這些系統(tǒng)主要采用比特率為64kbit/s的G.711【1】或G.722【2】編解碼技術(shù)。在移動(dòng)通信環(huán)境下，窄帶為默認(rèn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；而現(xiàn)在出現(xiàn)了越來越多的寬帶服務(wù)。用于窄帶或?qū)拵?a class="channel_keylink" href="/search.asp">移動(dòng)通信服務(wù)的編解碼器通常采用AMR-NB【3】和AMR-WB【4】編解碼技術(shù)，并且一般在12kbit/s比特率下運(yùn)行。一些移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)甚至可支持如23.85kbit/s等更高的AMR-WB速率，盡管與默認(rèn)速率相比，在語音質(zhì)量方面的改善仍較為有限。移動(dòng)通信編解碼器在處理語音信號(hào)方面進(jìn)行了極大的優(yōu)化，其結(jié)果導(dǎo)致在處理音樂等信號(hào)方面的能力則不盡如人意。
目前，用于遠(yuǎn)程或?qū)Ｓ靡曨l會(huì)議的通信系統(tǒng)已能實(shí)現(xiàn)全高清語音通話質(zhì)量。針對(duì)這些系統(tǒng)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)編解碼器為AAC-(E)LD音頻編解碼器【5】。這類編解碼器可在24kbit/s至64kbit/s的比特率范圍下運(yùn)行，能夠傳輸語音和音樂信號(hào)。
AAC-(E)LD音頻編解碼器也被應(yīng)用于OTT服務(wù)。典型的OTT應(yīng)用包括Skype、Facetime等，針對(duì)這些應(yīng)用的IP數(shù)據(jù)包傳輸處理不涉及運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)管理。
3GPP EVS編解碼器【6,7】解決了移動(dòng)通話和固話系統(tǒng)中存在的兩大主要問題，即音頻帶寬較窄及非語音信號(hào)處理能力較差。同時(shí)，這一編解碼器能在移動(dòng)服務(wù)的常用比特率下運(yùn)行。這為適用于各類網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量方面的用戶體驗(yàn)新標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)，包括固話服務(wù)、移動(dòng)通話服務(wù)和OTT服務(wù)等。在以下的章節(jié)中，本文將概述EVS設(shè)計(jì)可大幅提升服務(wù)質(zhì)量的主要技術(shù)要素。需要注意的是，除音頻編碼器之外，還有很多因素也會(huì)對(duì)端到端服務(wù)的用戶體驗(yàn)產(chǎn)生重大影響。這些因素包括音頻前端處理（包括回聲消除、噪聲抑制、自動(dòng)增益控制、風(fēng)噪聲過濾和混響消除等）以及導(dǎo)致延遲抖動(dòng)及數(shù)據(jù)丟包等的網(wǎng)絡(luò)行為。
EVS編解碼器介紹
設(shè)計(jì)目標(biāo)
EVS編解碼器于2014年9月在3GPP通過標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估【6】，具有多項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)前所未有的多功能性及通訊高效性。這一編解碼器主要面向VoLTE服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)3GPP設(shè)定的以下目標(biāo)：
1. 提高窄帶（EVS-NB）和寬帶（EVS-WB）語音服務(wù)的質(zhì)量和編碼效率；
2. 引入超寬帶（EVS-SWB）語音服務(wù)，提高通信質(zhì)量；
3. 提高會(huì)話應(yīng)用程序中混合內(nèi)容和音樂信號(hào)的質(zhì)量；
4. 具備防止數(shù)據(jù)丟包和延遲抖動(dòng)的能力；
5. 針對(duì)AMR-WB編解碼器【20】向下兼容。
如上文所述，本文將主要圍繞設(shè)計(jì)目標(biāo)2和3展開討論。為確保信息完整性，本文后面部分也將討論如何改善目標(biāo)1中提出的傳統(tǒng)窄帶和寬帶服務(wù)。除上述指出的質(zhì)量改善外，EVS編解碼器還具備通信系統(tǒng)所需的一系列功能，如語音活動(dòng)檢測(cè)（VAD）、非連續(xù)傳輸（DTX）、舒適噪音生成（CNG）或抖動(dòng)緩沖管理（JBM）等。該編解碼器可在5.9kbit/s至128 kbit/s寬比特率范圍內(nèi)運(yùn)行，從而提供可適用于所有網(wǎng)絡(luò)的比特率。參考【6】中介紹了EVS標(biāo)準(zhǔn)化中所有的設(shè)計(jì)限制因素。
技術(shù)概述
編碼模式
總體來看，音頻編碼可被分為以下兩種模式：
- 語音編碼：模擬人類聲道
- 感知編碼：利用人類聽覺系統(tǒng)感知的限制因素
正如參考【8】中所述，AMR-NB和AMR-WB等高效的語音編碼體系通常擁有三大主要組成部分，包括：（1）模擬人類聲道的短期線性預(yù)測(cè)（LP）濾波器；（2）模擬聲帶激勵(lì)信號(hào)周期的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)（LTP）濾波器；及（3）用于對(duì)語音信號(hào)非預(yù)測(cè)性內(nèi)容進(jìn)行編碼的創(chuàng)新型代碼本。
AAC【9】等感知編碼體系主要基于以下三大步驟：（1）進(jìn)行時(shí)間/頻率轉(zhuǎn)換；（2）通過后續(xù)量化階段減少不相關(guān)性，在這一階段可使用心理聲學(xué)模型信息來控制量化誤差；（3）減少冗余，即在編碼階段，通過熵編碼的方式使用代碼表處理量化頻譜系數(shù)和相關(guān)邊信息。這就形成了適應(yīng)于輸入信號(hào)數(shù)據(jù)及人類感知特點(diǎn)的受源代碼控制的編解碼器。
一般來說，在低比特率情況下，語音編碼方式可更好地處理純粹、清晰的語音信號(hào)，而感知編碼方式可更好地處理音樂等一般聲音內(nèi)容，并實(shí)現(xiàn)可感知的、明晰的聲音質(zhì)量。
首個(gè)結(jié)合了這兩大編碼方式的編解碼器為語音/音頻統(tǒng)合編解碼器（USAC）【8】。USAC算法延遲超過了100毫秒，這是雙向通信應(yīng)用不可接受的。然而，得益于USAC卓越的編碼性能，這一統(tǒng)合的編碼方法已經(jīng)被采用并且取得了進(jìn)一步的優(yōu)化，以滿足EVS極具挑戰(zhàn)性的要求。
低延遲語音/音頻切換編碼
在32毫秒低算法延遲下，EVS編解碼器是首個(gè)在語音和音頻壓縮之間部署基于內(nèi)容且具備即時(shí)切換功能的移動(dòng)通信編解碼器，極大地改善了針對(duì)音樂信號(hào)等一般內(nèi)容的編碼性能。
該語音編碼器是改進(jìn)型代數(shù)碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（ACELP），還采用了適合不同語音類別的線性預(yù)測(cè)模式。對(duì)于音頻信號(hào)編碼，則采用頻域（MDCT）編碼方式，并特別關(guān)注低延遲/低比特率情況下的頻域編碼效率，從而在語音處理器和音頻處理器之間實(shí)現(xiàn)無縫可靠的切換。圖2展示了EVS編碼器和解碼器的高級(jí)框圖。
圖2：EVS編解碼器結(jié)構(gòu)
超寬帶編碼及更先進(jìn)的技術(shù)
EVS可支持超寬帶甚至全頻帶服務(wù)，從而克服當(dāng)前通話中聲音不清晰的問題。從技術(shù)上來看，EVS可通過擴(kuò)展帶寬實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。根據(jù)是否采用語音或音頻模式，可部署時(shí)域帶寬擴(kuò)展（TBE）技術(shù)或一體化頻域解決方案。后者可提供多個(gè)子模式，如可處理傳統(tǒng)音樂信號(hào)的諧波模型編碼模式等。EVS是首個(gè)可提供通過不同方式優(yōu)化的帶寬擴(kuò)展方式的編解碼器，而這樣的帶寬擴(kuò)展方式通常基于源代碼控制來進(jìn)行使用或切換。基于專用的內(nèi)容優(yōu)化方式，即便在比特率非常低的情況下也能夠提供非常自然、清晰的音質(zhì)。
性能評(píng)估
圖3：3GPP EVS編解碼器針對(duì)多帶寬清晰語音的鑒定測(cè)試結(jié)果
圖4：3GPP EVS編解碼器針對(duì)多帶寬混合內(nèi)容和音樂信號(hào)的鑒定測(cè)試結(jié)果
目前，3GPP已進(jìn)行了大量測(cè)試來驗(yàn)證EVS在不同情況下以及處理不同內(nèi)容【11】時(shí)所表現(xiàn)出的性能，其中包括根據(jù)P.800 DCR方法【12】進(jìn)行的多頻帶測(cè)試。圖3和圖4分別顯示了（DOMS評(píng)分表）中清晰語音（英語）及混合內(nèi)容和音樂信號(hào)的音質(zhì)級(jí)別。結(jié)果顯示了在不同比特率下移動(dòng)蜂窩業(yè)務(wù)常用的窄帶、寬帶和超寬帶下的不同音質(zhì)。下面將對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行討論：
對(duì)于（超寬帶模式下運(yùn)行的）EVS編解碼器，比特率為9.6kbit/s時(shí)純語音音質(zhì)評(píng)價(jià)值已非常高，大大超過了AMR-WB在23.85kbits/s比特率下的音質(zhì)，同時(shí)這一數(shù)值將隨比特率的增加而增加。從13.2kbits/s開始，EVS-SWB的語音音質(zhì)已經(jīng)接近“直接來源”（原音）的音質(zhì)。
（在超寬帶模式下運(yùn)行的）EVS編解碼器在處理混合內(nèi)容和音樂信號(hào)時(shí)的性能大大優(yōu)于AMR-WB編解碼器。在相同比特率下，其得分基本都比AMR-WB編解碼器高出1.2個(gè)平均意見得分（MOS）。在比特率為24.4kbit/s的情況下，EVS編解碼器在處理混合內(nèi)容和音樂信號(hào)時(shí)所呈現(xiàn)的音質(zhì)可接近“直接來源”（原音）的音質(zhì)。
甚至在寬帶模式（當(dāng)前僅支持寬帶模式的設(shè)備或服務(wù)）下，EVS編解碼器在比特率為9.6kbit/s時(shí)所能呈現(xiàn)的音質(zhì)超過了AMR-WB編解碼器在比特率為23.85kbits/s時(shí)所能實(shí)現(xiàn)的音質(zhì)。此外，在同一比特率（24.4kbit/s）下，EVS編解碼器在處理純語音以及音樂信號(hào)時(shí)所呈現(xiàn)的音質(zhì)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于AMR-WB編解碼器。
初看上去，在同等比特率下，即便使用雙倍音頻帶寬，AMR-WB編解碼器在處理混合內(nèi)容和音樂信號(hào)時(shí)呈現(xiàn)的音質(zhì)也比不上AMR-NB編解碼器，這讓人覺得出乎意料。但EVS編解碼器已經(jīng)解決了這一問題。
在處理窄帶輸入信號(hào)時(shí)，EVS編解碼器處理純語音及混合內(nèi)容和音樂信號(hào)時(shí)實(shí)現(xiàn)的音質(zhì)要優(yōu)于AMR-NB編解碼器。這一模式在連接至如固話網(wǎng)絡(luò)等窄帶網(wǎng)絡(luò)時(shí)非常有用。
眾所周知，由于語言和所選內(nèi)容的不同，測(cè)試的結(jié)果及結(jié)果分析也各有不同。然而，在3GPP進(jìn)行篩選的階段，EVS編解碼器已經(jīng)過10種語言、6種不同背景噪音及各種音樂內(nèi)容的測(cè)試，展現(xiàn)出了其卓越的性能并大大改善了早期標(biāo)準(zhǔn)。這些測(cè)試結(jié)果以及之后對(duì)EVS編解碼器進(jìn)行的進(jìn)一步性能鑒定結(jié)果已在3GPP發(fā)布的技術(shù)報(bào)告（TR）26.953【11】中公布。
應(yīng)用
自第四代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)LTE問世以來，蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)開始向基于IP的傳輸方式轉(zhuǎn)變。LTE標(biāo)準(zhǔn)以發(fā)展成熟的GSM和UMTS標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，可提供全I(xiàn)P架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)低延遲。LTE需要部署全I(xiàn)P語音業(yè)務(wù)或VoLTE業(yè)務(wù)，而這也可促使所有語音服務(wù)采用IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最終淘汰基于GSM、UMTS和CDMA等網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換服務(wù)。
在全高清語音技術(shù)的推動(dòng)下，服務(wù)提供商可擺脫這些傳統(tǒng)服務(wù)的限制，包括音頻帶寬方面的較大限制及需要使用以處理語音信號(hào)為主的編解碼器等。由于VoLTE可在管理有序的網(wǎng)絡(luò)中提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)（QoS），EVS有望在音質(zhì)、穩(wěn)定性和服務(wù)可用性方面超越Skype或Viber等OTT服務(wù)。因此，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商將可能在語音服務(wù)領(lǐng)域收復(fù)失地。
得益于杰出的防錯(cuò)能力【10】，EVS非常適用于Wi-Fi語音等最佳網(wǎng)絡(luò)，而且未來還可用于3G/電路交換系統(tǒng)。
結(jié)語
憑借無法比擬的語音和音頻質(zhì)量等多項(xiàng)新特性，符合3GPP最新標(biāo)準(zhǔn)的EVS編解碼器可作為一種效率最高、功能最全的編解碼器適用于各種網(wǎng)絡(luò)（尤其是蜂窩LTE網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi語音網(wǎng)絡(luò)等），以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量通信。即便在移動(dòng)通信服務(wù)中，EVS編解碼器也能呈現(xiàn)接近原音的音質(zhì)，從而為用戶帶來全新的體驗(yàn)。因此，即將推出的EVS編解碼器可為移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商及其客戶帶來長(zhǎng)遠(yuǎn)的好處。
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