相關研究發展現況

近年來電子無線通訊與電腦技術不斷的進步,與多媒體系統與網際網路的普及,對於語音訊號編碼與分析的需求也越來越多。統計資料顯示網際網路之語音通訊會在西元2000年將成長503.1%,而在西元2003年透過網際網路所撥出的電話(Internet Telephony)通數將佔全球電話通數的30%。因此,語音通訊將是下一世代網際網路的一項重要應用,也是網際網路多媒體通訊的重要環節。TI 亞洲總裁程天縱表示,從一九九七年起,數位行動電話的年產量就已超過個人電腦,去年全球共有三億個行動電話用戶,預估到二一五年將增加九倍,達到廿七億個用戶,其中亞洲就將佔有十四億個用戶,超過世界的一半,此外,行動電話用戶平均每兩年半就轉換新機種,轉換周期並有縮短的趨勢。根據統計,全球市場市值中,消費性電子每年有一千三百億美元,資訊有六千億美元,通訊與資訊相當,也有六千億美元,媒體則佔有六千五百億美元,在消費電子、電腦、通訊及媒體業已產生產業匯聚(Industry Convergence),或數位匯聚(Digital Convergence)的發展下,未來更將創造出一個將近兩千兆美元的巨大市場和商機,這對於在世界資訊市場的地位越來越重要的台灣是很好的消息。因此本研究之主旨就是在發展低位元率、低時間延遲所需的語音分析用快速輔助晶片,低位元率語音編碼技術可以降低頻寬的使用,而低時間延遲的語音編碼技術可以減輕回音所造成的影響,提高聲音的品質。語音編碼的技術應用最廣的地方就是通訊,因此通訊傳輸的標準就非常的重要。目前國際電話網路的標準語音編碼技術,在國際無線通訊聯盟(International Telecommunication Union)的制定下有:PCM (64Kpbs)、G.711(64Kbps)、G.726 (ADPCM,16、24、32、40Kbps)、G.728(Low Delay CELP 16Kpbs)、G.729(Low Delay CELP 8Kbps)。至於於數位蜂巢式無線電話制定的標準,在北美有TIA(Telecommunication Industry Association) 所制定的VSELP編碼技術,在日本與歐洲則有JDC(Japanese Digital Cellular)與GSM(Global System for Mobil Telecommunication)所使用的RPE-LTP編碼技術。市面上所應用的即時編碼技術都還維持在8Kbps,新一代的編碼技術則是在4.8Kbps(LD-CELP)至2.4KBps(MELP,STC),能夠達到如此高的壓縮比,所需要的運算複雜度當然也相對的增高,因此使用一般通用的數位訊號處理器來實現即時的運算就不是很輕易的事。在發展語音訊號處理器之前,我們需先了解一般在市面上的產品是如何解決運算速度不足的問題。為了要符合設計上的需求,通常會有一個或多個特殊應用設計的數位訊號處理器(Digital Signal Processor)作為語音壓縮或辨識之用。DSP的特性具有很短的指令週期、高度的平行性以及各種特殊的定址模式用來解決各種一般數位訊號處理的問題。現今在市面上,已有許多商業用的數位訊號處理器(DSP)和特殊應用IC(ASIC),可以用作為發展音訊處理、影像處理、訊號處理用。一般來說將這些IC分成下列幾類:

  1. 特殊應用積體電路 (Application Specific Integrated Circuit; ASIC)
  2. 特殊應用處理器 (Application-Specific Processor)
  3. 一般通用數位訊號處理器 (General Purpose Digital Signal Processor)

 

在語音處理器的硬體設計上,速度、成本都是非常重要的考慮因素。依據上述條件的考量,若語音處理的演算法之計算複雜度相當的低,如PCM或ADPCM,就可以直接用ASIC的方法以簡單的資料路徑控制做成單一晶片。對於特殊應用處理器,優點在於快速的處理與低廉的價格,但由於功能已經限定無法改變所以並不適合發展其它的演算法。在一般的通用商業化的DSP晶片如Analog Device 的 21XX系列,以及德州儀器公司所生產的TMS320C30/40/50,他們的計算能力和上述的兩種比較起來效率會較低,而且所花費的成本也較高,但從一般的使用者立場來看,容易取得及建立發展環境,並且可根據所需的應用來撰寫程式實現其功能,所以在應用上會具有較大的彈性。在完成MELP(Mixed Excitation Linear Prediction 2.4Kbps)於DSP的軟體實現後,我們發現數位訊號處理器的運算速度不足以達到及時運算的需求。因此需要發展一個語音專用的輔助處理器,負責語音處理的運算。經由上述的分析,我們提出一個輔助處理器專門處理語音編碼在即時演算,所遭遇到的大量運算。加強語音處理系統在一個實際系統上的效用,並從各方面的條件做分析考量,以解決現有語音處理器所遭遇到的問題。

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