基于低速率语音的自适应联合编码调制方案

摘 要:为了在时变衰落的高误码率无线信道上进行实时可靠语音通信，提出一种基于低速率语音的自适应联合信源信道编码与调制传输方案。该方案根据对合成语音质量影响程度不同自适应地将语音参数划分为不同重要性级别，配合采用不同效率的速率匹配的删余卷积码(rate compatiblepunctured code,RCPC)进行保护，在正交频分复用(orthogonalfrequency division modulation，OFDM)系统的不同子信道上进行传输。各参数均根据当前信道的噪声水平跟踪动态调整，子信道的瞬时噪声根据RCPC译码前后序列符号改变情况进行估计。仿真结果表明：在Nakagami-m时变衰落信道下，该自适应联合编码调制方案可以很好地适应信道地时变衰落特性，在恶劣的信道条件下提供良好的合成语音质量，相对传统分离传输方案，误码率降低20％～30％，语音合成质量明显提高。
关键词:数字通信系统;自适应联合编码调制;低速率语音编码；速率匹配的删余卷积码(RCPC)}正交频分复用(OFDM)

在条件较为苛刻或者恶劣的时变衰落高误码率无线信道环境下，联合信源信道编码与调制传输技术是一个很有前途的发展方向。码长和延时受限的实际无线信道中，例如野外无线信道、网络拥塞、保密通信等，传统香农分离编码定理不再能保证传输性能的最优，需要将信源编码、信道编码、调制进行联合优化，以获得最优的端到端合成质量。
改进的4 kb／s多重脉冲散布代数码本激励线性预测语音编码算法MPD-ACELP(multiple pulsedispersion-algebraic code excited linearprediction)并没有多余的比特提供给信道纠错和保护，而且采用预测技术和量化，导致每个参数或比特所承载的信息量加大，恶劣的信道条件对重建语音质量有很大影响。而语音的传输的特殊性要求又不允许有较大的信道编解码和调制传输时延，因此，可靠和实时的语音通信系统，必须在保证较高语音编码压缩率的前提下，提供语音码流传输的实时性和抗差错鲁棒性。
本文提出了一种联合信源信道编码与调制传输方案，从系统整体性能出发优化通信系统。实验表明，本方案能适应时变的信道环境，在恶劣的信道条件下能够提供良好的合成语音质量。

l 自适应联合编码调制总体方案
低速率语音传输系统总体设计如图l所示。

1．1 信道模型
本文采用Nakagami-m时变衰落信道模型，该模型能够很好地描述多径小尺度衰落信道的包络分布。其m参数的变化，涵盖了Rician分布、Rayleigh分布和Gauss分布，是研究实际无线多径信道的一个有力工具。在Nakagami-m时变衰落信道中，接收信号ri可以为

其中：si是发送的信号;ni是零均值的Gauss噪声；ai是衰落参数。Nakagami-m信道中衰落参数的概率密度函数为

其中：。假设信道根据频率等间隔划分为M个子信道，且每个子信道的衰落在一个传输瞬时可能处于3种状态：m=1，2，5。m=1对应于Rayleigh衰落，而m=2，5分别对应于2种Rician衰落。子信道不同传输瞬时衰落状态的跳转概率为。

由于实际无线信道的瞬时相关性，设3种状态之间的转移概率矩阵为

1．2 语音编码参数自适应划分
4 kb／s MPD-ACELP语音编码算法是基于CELP的改进型，是一种比较优秀的高质量低速率语音编码算法，适合于在恶劣信道条件下进行高质量的语音通信。
原始语音信号通过编码后产生4组参数：LSP(1ine spectral pair)参数、基音周期、代数码本、增益，见表1。经过大规模语音测试，从保证合成语音可懂度的角度来衡量，4种参数误码敏感度从高到低依次为：LSP参数，代数码本，基音周期，增益参数。按照GSM(global system for mobilecommunication)标准中对信源比特的分类方法，将语音编码输出参数分为A、B 2类，对于A类参数给予重点保护。A类参数的划分根据自适应控制指令动态调整:当信道条件较好时，为了提高传输效率，仅将LSP参数的第l级索引划为A类；当信道条件恶劣时，为了兼顾质量和效率，逐步按照重要性等级提高A类参数的个数。

1．3 RCPC可变编码方案
在信