矿用数字漏泄移动通信系统中语音编解码的研究

摘要

我国是煤炭大国，煤矿的生产对我国的民生、工业等方面有着重要的意义，可以说煤炭生产是国家经济生活的命脉。在煤炭的生产过程中，一套优良的通信系统的作用至关重要，是煤矿企业必须配备的设施。不管是平时的生产调度还是紧急情况下的应急指挥，都需要保障通信的畅通，所以研究先进的矿用数字漏泄移动通信系统不仅可以提高矿井生产的效率，还可以在紧急情况下有效的辅助救援工作的良好运行，减少人身和财产的意外损失，对矿井生产有着重要的作用。　　随着通信技术发展的日新月异，应用于矿井下的通信系统也得到了很大的发展，近年来逐渐完成了从模拟通信向数字通信的过渡。矿井下通信技术的选用也各不相同，目前应用较多的是漏泄通信和小灵通通信；而在通信系统中最基本也是最重要的语音通信技术的选择上，CVSD(连续可变斜率增量)调制技术是现阶段矿井语音通信应用最广泛的方式。随着通信技术的发展，矿井企业需要在通信系统中增加图像和视频通信，这就需要语音通信尽可能占用较少的带宽，所以需要研究适合矿井下语音通信的低速率语音编码，能够应用于新一代的数字漏泄通信系统中。　　本文涉及的工作是研究开发先进的低速率语音编解码技术，应用在矿井通信系统井下基地电台中。总的来说，本文主要工作分为以下几个部分展开，首先介绍了课题的研究背景和意义，以及主要的矿用通信模式和国内外的研究现状；随后介绍了语音编解码技术，重点了解了语音编码中应用的主要技术：之后介绍了目前应用较多的CVSD技术，分析了在矿井特定条件下语音编码选择的标准，选用了LD-CELP(低延时码本激励线性预测)技术作为开发对象，了解其原理，分析其各模块技术，以及其复杂度和性能；最后分别在软件MATLAB环境和硬件DSP平台上仿真和实现了LD-CELP的编解码功能，其中，软件仿真给出了整个设计方案的流程，包括了语音源的建立，音频数据的提取，以及对数据的编解码处理。随后对一段具体的人声录音进行编解码的处理并给出了直观的结果分析，硬件开发根据项目实际的需求选择了适合矿井下数字漏泄通信的DSP开发板，介绍了SEED-DEC643的基本模块结构以及性能参数。最后具体给出了在DSP芯片上开发LD-CELP的方案，展示了直观的结果。

目录

文摘

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致谢

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.1.1 课题的研究背景

1.1.2 课题的研究意义

1.2 主要的矿用通信模式

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

1.5 论文的结构安排

第二章 语音压缩编码概述

2.1 语音压缩编码技术基础

2.1.1 语音产生的原理

2.1.2 语音信号的模型

2.1.3 语音的压缩理论依据

2.2 语音压缩编码的产生发展及现状

2.2.1 语音压缩编码的产生和发展

2.2.2 语音压缩编码的分类

2.2.3 语音编码性能的评价标准

2.3 语音编解码应用的主要技术

2.3.1 语音信号的线性增量调制

2.3.2 语音信号的线性预测分析

2.3.3 语音信号的矢量量化

2.4 本章小结

第三章 CVSD和LD-CELP编码技术

3.1 CVSD编码技术

3.1.1 CVSD调制技术原理

3.1.2 CVSD在矿井无线通信中的应用

3.2 LD-CELP编码技术原理

3.2.1 预处理

3.2.2 高阶后向自适应线性预测

3.2.3 感觉加权滤波器

3.2.4 激励增益适配器

3.2.5 码书结构与搜索

3.2.6 自适应后置滤波器

3.3 LD-CELP编/解码器的复杂度和性能

3.4 本章小结

第四章 LD-CELP算法的仿真实现

4.1 LD-CELP的C程序实现

4.1.1 编码主程序模块

4.1.2 解码主程序模块

4.1.3 编解码函数库模块

4.1.4 信号处理函数库模块

4.2 LD-CELP算法的计算机仿真

4.2.1 算法仿真环境

4.2.2 仿真设计方案

4.2.3 LD-CELP算法的仿真实现

4.3 LD-CELP算法的关键技术研究

4.3.1 预处理

4.3.2 线性预测分析

4.3.3 感知加权滤波器

4.3.4 码本搜索

4.4 本章小结

第五章 LD-CELP编/解码器的DSP实现

5.1 DSP设计的流程和基本知识

5.1.1 DSP开发LD-CELP的流程

5.1.2 DSP的定点运算

5.2 DSP开发LD-CELP的硬件设计

5.2.1 DSP芯片的选择

5.2.2 硬件设计

5.3 DSP开发LD-CELP的软件设计

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文