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
在信道条件发生改变的时候，需要对经过MPD-ACELP编码后的语音参数提供不同保护程度逐级可变效率的保护。本方案采用流行的速率匹配的删余卷积码(rate compatible punctured code，RCPC)编码。它是一种删除卷积码，编码器由一个母卷积码编码器和一个删除器组成，同组RCPC编码器的母卷积码编码器完全相同，仅删除器所使用的删除表不同，通过删除表的不同可灵活地调节编码码率，实现不同的差错保护。本系统中采用效率为8／9～8／24效率逐级可调的RCPC编码，2组RCPC编码效率根据传输瞬时根据信道状态由相应的反馈自适应控制指令控制逐级调整。
1．4 OFDM子信道调制方式自适应调整
为了对抗无线信道的时变多径衰落特性，本系统采用OFDM技术。将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽。每个子信道上的信号衰落可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。同时各子信道的调制方式根据信道质量自适应的改变以获得更好的传输性能。
1．5 自适应联合编码调制算法
经过4 kb／s MPD-ACELP低速率语音编码器压缩后的输出参数为20 ms一帧，每帧80 bit，记为Pi(1≤i≤80)。A类参数记为
，进行重点保护并加入CRC(cyclic reduandancy check)校验；其余为B类参数
对于不同类的语音参数，相应的RCPC编码效率分别为
，
则编码输出码流
通过Nakagami-m信道的信噪比计算出RCPC的误码上限，根据RCPC的纠错能力选择合适的RCPC编码效率以降低系统误码率。假设OFDM系统每个子信道的瞬时调制方式4种调制方式：BPSK，QPSK，8PSK，1 6QAM。经过Nakagami-m衰落信道和AWGN噪声干扰后，各个子信道进行解调、合路为待解码的RCPC序列rk。按照自适应控制指令规定的语音重要性参数的级别和RCPC的不同效率进行解码得
，送到MPD-ACELP解码端合成输出语音。同时序列反编码后送到子信道状态分析器进行误码率估计，并发出自适应控制指令控制以调整下一传输瞬时的参数。设Gup和Gdown分别为下一传输瞬时各子信道保持当前调制方式的最大和最小误比特率门限。自适应联合编码调制具体方法如下。
1)初始化MPD-ACELP语音A类参数设为最低级，RCPC效率由式(7)计算得到。各个子信道采用QPSK调制。接收端执行对应的解调合路解码。
2)接收端解调合路完整接收到一组可译码序列后，进行RCPC解码。首先对
进行CRC校验，若校验位不正确表明仍有误码，而A类参数对合成语音质量至关重要，因此其参数的划分和对应的RCPC效率首先进行调整。然后将码流按照控制指令的规定反编码得到rk*。在码组性能范围之内，通过比较rk和rk*，得到各个子信道当前瞬时误比特率的估计Ek(1≤k≤M)。对于子信道k，如果Ek≥Gup，则在下一传输瞬时语音A类参数范围扩大一个等级，RCPC效率调低一阶，第k子信道的调制方式降低一阶。如果Ek≤Gdown，则在下一传输瞬时语音A类参数范围缩小一个等级，RCPC效率提高一阶，第k子信道的调制方式提高一阶；其他情况则在下一传输参数瞬时不变。
3)信源编解码器、信道编解码器、分路调制器和解调合路器在完成当前瞬时码字编码传输后，根据自适应控制指令更新各自的编解码参数和调制合路模式。
4)如果需要继续进行编码传输则跳转到第2步，否则，结束编码传输。
注意到在上述算法中信道状态估计只需要比较码序列编解码前后的符号变化即得到各子信道的误比特率估计，且RCPC编解码延时只有几十μs，因此算法延时较小。
2 仿真结果
本实验中采用如前所述的Nakagami-m时变衰落信道进行系统性能仿真。选择约束长度为6，周期为8的效率8／9～8／24逐级可调的RCPC编码进行差错保护。信道根据频率等间隔划分为40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。
表2给出了不同信道信噪比γSNR、不同误比特率门限下，传统分离编码调制方案和本文提出的自适应联合编码调制方案的系统输出误比特率。可见当Gdown=O，Gup≤0．1时，自适应联合编码调制方案的传输误比特率都低于或等于传统分离方案。这是由于自适应联合编码调制方案能自适应跟踪信道的状态，改变相应的信源信道编解码参数和各子信道调制方式，因而获得了更好的系统整体性能。而当Gdown=O，Gup>0．1时，2种方案的输出误比特率相差很小，这是因为Gup过大导致在同一传输瞬时可能
有多个处于深衰落的子信道采用了过小的A类语音参数集，过低的RCPC保护等级和过高的调制阶数，反而会降低自适应联合编码调制方案的整体性能，有时甚至使输出误码率超过了传统分离传输方案。总体上自适应联合编码调制方案相对于传统分离传输方案，平均误码率降低了20％～30％。
考虑到低速率语音合成质量某种程度上已经不能完全用误码率来衡量，表3给出了在不同误码率门限下自适应联合编码调制方案和传统分离方案合成语音的韵字测试DRT(diagnostic rhyme test)测试结果。同样可见当Gdown=0，Gup从0．05增加到0．1时，自适应联合编码调制方案DRT分数均高于传统分离方案。其他情况下两者分数基本相当。综合来看，自适应联合编码调制方案的合成语音质量明显高于传统分离传输方案。
3 结 论
本文基于低速率语音传输提出了一种自适应联合信源信道编码与调制传输方案。该方案能自适应地跟踪信道状态，从系统整体性能优化的角度综合改变信源编码、信道编码参数和各子信道的调制方式，以适应时变衰落高误码率的无线信道环境。由于充分利用了编码与调制系统各模块之间的约束和关联信息并引入了反馈控制，因而很好地利用了资源，实现了动态噪声条件下的最佳传输，从而实现了在恶劣条件下实时可靠的语音通信。相对于传统分离传输方案，误码率平均降低了20％～30％，合成语音质量有明显的提高。
