基于低速率語音的自適應(yīng)聯(lián)合編碼調(diào)制方案

摘  要:為了在時變衰落的高誤碼率無線信道上進(jìn)行實時可靠語音通信，提出一種基于低速率語音的自適應(yīng)聯(lián)合信源信道編碼與調(diào)制傳輸方案。該方案根據(jù)對合成語音質(zhì)量影響程度不同自適應(yīng)地將語音參數(shù)劃分為不同重要性級別，配合采用不同效率的速率匹配的刪余卷積碼(rate compatiblepunctured code,RCPC)進(jìn)行保護(hù)，在正交頻分復(fù)用(orthogonalfrequency division modulation，OFDM)系統(tǒng)的不同子信道上進(jìn)行傳輸。各參數(shù)均根據(jù)當(dāng)前信道的噪聲水平跟蹤動態(tài)調(diào)整，子信道的瞬時噪聲根據(jù)RCPC譯碼前后序列符號改變情況進(jìn)行估計。仿真結(jié)果表明：在Nakagami-m時變衰落信道下，該自適應(yīng)聯(lián)合編碼調(diào)制方案可以很好地適應(yīng)信道地時變衰落特性，在惡劣的信道條件下提供良好的合成語音質(zhì)量，相對傳統(tǒng)分離傳輸方案，誤碼率降低20％～30％，語音合成質(zhì)量明顯提高。
關(guān)鍵詞:數(shù)字通信系統(tǒng);自適應(yīng)聯(lián)合編碼調(diào)制;低速率語音編碼；速率匹配的刪余卷積碼(RCPC)}正交頻分復(fù)用(OFDM)

    在條件較為苛刻或者惡劣的時變衰落高誤碼率無線信道環(huán)境下，聯(lián)合信源信道編碼與調(diào)制傳輸技術(shù)是一個很有前途的發(fā)展方向。碼長和延時受限的實際無線信道中，例如野外無線信道、網(wǎng)絡(luò)擁塞、保密通信等，傳統(tǒng)香農(nóng)分離編碼定理不再能保證傳輸性能的最優(yōu)，需要將信源編碼、信道編碼、調(diào)制進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的端到端合成質(zhì)量。
    改進(jìn)的4 kb／s多重脈沖散布代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測語音編碼算法MPD-ACELP(multiple pulsedispersion-algebraic code excited linearprediction)并沒有多余的比特提供給信道糾錯和保護(hù)，而且采用預(yù)測技術(shù)和量化，導(dǎo)致每個參數(shù)或比特所承載的信息量加大，惡劣的信道條件對重建語音質(zhì)量有很大影響。而語音的傳輸?shù)奶厥庑砸�求又不允許有較大的信道編解碼和調(diào)制傳輸時延，因此，可靠和實時的語音通信系統(tǒng)，必須在保證較高語音編碼壓縮率的前提下，提供語音碼流傳輸?shù)膶崟r性和抗差錯魯棒性。
    本文提出了一種聯(lián)合信源信道編碼與調(diào)制傳輸方案，從系統(tǒng)整體性能出發(fā)優(yōu)化通信系統(tǒng)。實驗表明，本方案能適應(yīng)時變的信道環(huán)境，在惡劣的信道條件下能夠提供良好的合成語音質(zhì)量。

l 自適應(yīng)聯(lián)合編碼調(diào)制總體方案
    低速率語音傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計如圖l所示。

1．1 信道模型
    本文采用Nakagami-m時變衰落信道模型，該模型能夠很好地描述多徑小尺度衰落信道的包絡(luò)分布。其m參數(shù)的變化，涵蓋了Rician分布、Rayleigh分布和Gauss分布，是研究實際無線多徑信道的一個有力工具。在Nakagami-m時變衰落信道中，接收信號ri可以為

其中：si是發(fā)送的信號;ni是零均值的Gauss噪聲；ai是衰落參數(shù)。Nakagami-m信道中衰落參數(shù)的概率密度函數(shù)為

其中：。假設(shè)信道根據(jù)頻率等間隔劃分為M個子信道，且每個子信道的衰落在一個傳輸瞬時可能處于3種狀態(tài)：m=1，2，5。m=1對應(yīng)于Rayleigh衰落，而m=2，5分別對應(yīng)于2種Rician衰落。子信道不同傳輸瞬時衰落狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)概率為。

由于實際無線信道的瞬時相關(guān)性，設(shè)3種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率矩陣為

1．2 語音編碼參數(shù)自適應(yīng)劃分
    4 kb／s MPD-ACELP語音編碼算法是基于CELP的改進(jìn)型，是一種比較優(yōu)秀的高質(zhì)量低速率語音編碼算法，適合于在惡劣信道條件下進(jìn)行高質(zhì)量的語音通信。
    原始語音信號通過編碼后產(chǎn)生4組參數(shù)：LSP(1ine spectral pair)參數(shù)、基音周期、代數(shù)碼本、增益，見表1。經(jīng)過大規(guī)模語音測試，從保證合成語音可懂度的角度來衡量，4種參數(shù)誤碼敏感度從高到低依次為：LSP參數(shù)，代數(shù)碼本，基音周期，增益參數(shù)。按照GSM(global system for mobilecommunication)標(biāo)準(zhǔn)中對信源比特的分類方法，將語音編碼輸出參數(shù)分為A、B 2類，對于A類參數(shù)給予重點保護(hù)。A類參數(shù)的劃分根據(jù)自適應(yīng)控制指令動態(tài)調(diào)整:當(dāng)信道條件較好時，為了提高傳輸效率，僅將LSP參數(shù)的第l級索引劃為A類；當(dāng)信道條件惡劣時，為了兼顧質(zhì)量和效率，逐步按照重要性等級提高A類參數(shù)的個數(shù)。

1．3 RCPC可變編碼方案
    在信