基于压缩感知的抗丢包语音编码研究与实现

摘要

随着无线通信技术的飞速发展，手机等无线通信设备也越来越深入人们的生活。然而，在一些移动运营商信号不能覆盖的地区，如野外、山区等，人们需要一种小范围的、不依赖基础设施的、设备到设备之间直接进行的无线通信方法。传统的对讲机虽然能满足需求，但是对讲机需要授权的频段和专用的设备，大大提高了成本，仍然会给人们带来不便。
　　本文借助Wi-Fi Direct协议，在Android设备上实现了一种小范围内使用的、设备到设备之间直接进行通信的无线VoIP(Voice over Internet Protocol)系统，这种系统具有便携性、即时可用性、易用性等优点，使用公共ISM(Industry，Science，Medicine)频段，不需要授权的频段，而且只需要现今人手一部的智能手机，不需要专用的设备。
　　在VoIP的应用，尤其是无线VoIP中，由于信道衰落等原因造成的丢包现象是一个严重影响通话质量的问题，丢包带来的影响包括降低语音质量和增加通信时延。丢包处理技术是用来消除或降低丢包对通话质量的不利影响的技术，分为基于发送端的丢包恢复技术和基于接收端的丢包隐藏技术。基于发送端的丢包恢复技术如前向纠错编码等，虽然能有效恢复丢包，但是通常会增加通信时延、提高带宽需求;基于接收端的丢包隐藏技术，如波形替代、时域修正等，一般只能对丢包进行“掩盖”，而不能真正的恢复丢包。
　　压缩感知是近年来兴起的一种新的采样理论，这种以信号的稀疏性为前提的采样理论彻底颠覆了传统的基于奈奎斯特采样定理的采样理论，以更少的观测点数来完整恢复信号。本文借助压缩感知理论的思想，提出了一种基于发送端的丢包恢复技术，利用语音信号的短时平稳性质、在DCT域的近似稀疏性和压缩感知重构算法的稳定性，使得编码后的语音信号即使丢失部分数据也能进行完整的恢复。实验表明，使用基于压缩感知的抗丢包语音编码在各丢包等级下获得的语音质量，以PESQ等级衡量，比不使用该编码提高至少0.4。
　　基于压缩感知的抗丢包语音编码在实际使用中还存在一些细节问题，例如:如何分配编码到数据包、如何解决语音信号在DCT域为近似稀疏而非严格稀疏带来的不利影响、如何改进压缩感知重构算法以提高解码速度、如何设计协议以适应于此种编码等。本文针对这些细节问题也做了深入的讨论，并提出了相应的解决方法，通过实验验证了方法的有效性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 语音传输存在的问题

1．3 无线点对点通信技术的现状与发展

1．4 压缩感知理论的现状与发展

1．5 本文研究的内容

1．6 论文的结构安排

2 系统相关技术原理

2．1 语音信包丢失处理技术原理

2．1．1 网络丢包模型

2．1．2 丢包恢复技术

2．1．3 丢包隐藏技术

2．2 压缩感知技术原理

2．2．1 信号的稀疏表示

2．2．2 压缩感知模型

2．2．3 压缩感知信号重构算法

2．3 Wi-Fi Direct协议

2．3．1 Wi-Fi Direct简介

2．3．2 Wi-Fi CERTIFIED

2．3．3 Wi-Fi Direct特点

2．4 Android系统编程框架

2．4．1 架构图直观

2．4．2 Linux内核层

2．4．3 Android运行时层

2．4．4 Android库层

2．4．5 应用框架层

2．4．6 应用层

2．4 本章小结

3 基于压缩感知的抗丢包语音编码

3．1 语音信号的稀疏表示

3．1．1 语音信号的特性

3．1．2 语音信号的稀疏表示

3．2 基于压缩感知的抗丢包语音编码和解码

3．2．1 编码过程

3．2．2 解码过程和丢包恢复

3．2．3 应用示例

3．3 语音信号的加窗分帧

3．4 抗丢包编码性能评估

3．4．1 音频测试标准

3．4．2 实验条件

3．4．3 分帧长度对编码性能的影响

3．4．4 丢包率对编码性能的影响

3．5 本章小结

4 压缩感知语音丢包处理算法改进

4．1 解决DCT域近似稀疏造成的不完整重构

4．1．1 近似稀疏的影响

4．1．2 消除近似稀疏的影响

4．2 压缩感知编码与交织技术结合

4．2．1 包重排

4．2．2 结合交织技术

4．3 解码效率的改进

4．3．1 压缩感知单路重构算法

4．3．2 压缩感知多路重构算法

4．3．3 不压缩数据时的优化

4．4 本章小结

5 Wi-Fi直连语音通信系统设计与实现

5．1 概述

5．2 通信流程

5．2．1 两端通话的建立

5．2．2 建立连接过程中观测矩阵的交换

5．2．3 多端通话的建立

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢