可再建丢失信号样本的传输系统

摘要

在传输系统中，发送信号样本串中只有部分信号样本由发送器2经信道4发送到接收器6。发送器中由特征装置12确定信号样本串的多个特征参数并发送到接收器。在接收端利用特征参数再建丢失的信号样本。这可通过给丢失信号样本赋值来实现，因此可以最佳方式由特征参数描述信号样本串。通过确定发送器较长周期，经信道送到接收器，并在接收器中将该周期性通过周期引入装置18引入到信号样本的再建序列，可大大减小插入误差。

说明书

本发明涉及用于顺序发送信号样本的传输系统，该系统包括一个发送器，该发送器包括用于确定信号样本参数特性的特征刻划装置，用于通过信道将特性参数和至少部分信号样本传送到接收器的装置，该接收器包括用于确定丢失信号样本值以获得具有对应于接收到特性参数的特征参数的连续信号样本串的插入装置。

此外，本发明涉及在这个传输系统中使用的发送器、接收器、编码器及译码器，以及插入器和插入方法。

从美国专利5，025，404中可了解在起始段中所述的一种传输系统。

例如，使用这种传输系统通过有限传输容量的信道或出现所谓短脉冲串误差的信道传输语音或音乐信号。

这种信道的第一个实例是移动台和固定基地台之间的无线电信道。由于该信道为大量用户所利用，因此该信道的可利用传输容量是有限的。此外，可能有一个周期，由于衰减而造成出现脉冲串误差的概率相当大。

第二个实例是使用磁性的、光的或诸如ROM之类其它记录介质的记录信道。其容量大都是有限的，在重现所记录样本时，可能出现一些记录介质短脉冲串误差。

在现有技术传输系统的发送器中，特性参数由被传输信号样本所确定。这可通过确定描绘当前信号样本和先前信号样本之间关系的线性预测参数来实现，而这些参数以这种方式确定以使根据先前信号样本估出的当前信号样本与当前样本实际值之间的误差最小。将这些特性参数和信号样本（部分）一起通过信道发送到接收器。

如希望节省传输容量，在信道上只发送部分信号样本。根据接收到的特性参数确定未传送的样本，所述特性参数提供了有关信号性质以及的确已传输样本的信息。

如果希望传送的信号样本对脉冲串误差有防护，则除了特性参数，还可发送所有信号样本。在接收器中，则根据特性参数和正确接收的信号样本检测错误接收的样本。然后认为该错误接收的样本丢失。

在发送器中，确定最好描述信号样本全范围的特性参数，而在接收器中，根据接收的特性参数和（正确）接收信号样本的值，确定丢失信号样本的值。再建信号样本的值通常并不是精确的等于原始信号样本值，而会出现插入误差。这样来确定丢失信号样本以使该插入误差最小。

模拟已显示，在一些语音和音乐信号中，插入误差最小值仍然相当大。此外，听力测试已证明接收信号质量远不理想。

本发明的一个目的是提供一种本文起始段定义的传输系统，其可大大减小插入误差从而大大提高接收到信号的可听质量。

为此目的，本发明的特征在于，发送器包含用于确定信号样本周期性的周期值的周期确定装置，其中周期值超过每一个信号样本串的时间长度，所述发送器还包含用于在信道上将周期值发送至接收器的装置、包含用于将具有对应于接收到的周期值的周期的周期性引入到由插入装置确定的信号样本中的周期引入装置的插入装置。

本发明基于这样一种认识，即以信号样本串在信道上发送的发送信号的周期性表现为长于每个信号样本串的时间长度。由于该周期长于每个信号样本串的时间长度，故通过插入不能从在信号样本串中出现的信号样本来确定这些周期性的出现率。因此，在某些情况下，插入误差相当可观。存在最大插入误差的时刻的时间间隔等于周期值。

通过在发送器中借助于周期确定装置确定这种周期性的周期，以及通过引入装置将接收器中这种周期性引入到由插入装置确定的信号样本中，在接收器的输出端获得完全表现出周期性的信号样本串。仿真和听力测试已明白无误地表明，由于按照该创意的测量而已大大改善了再建信号的质量。

要注意原则上有可能通过增加每个信号样本串中信号样本的数目来减小插入误差。这也要求特性参数个数有相当大的增加。因此也可足够精确地从已知信号样本确定增多的丢失信号样本的个数。特性参数个数的这种增加会导致不可接收地增加了发射器的复杂性。此外，特性参数个数的增加还需要相当大的信道传输容量。

本发明的一个实施例具有的特征是：也配置周期确定装置以确定周期性的振幅系数;配置周期引入装置将周期性振幅系数设置为由周期确定装置确定的衰减因子。

一般，信号样本的周期性振幅并不是恒定的而是在零与最大值之间变化。这些变化可用振幅系数来描述。该振幅系数可以是例如周期性两个连续周期振幅之间的比率。如振幅系数超出1，则周期性振幅随时间而增大。如果振幅系数等于1，周期性振幅保持不变，而在振幅系数小于1时，周期性振幅随时间而减小。

通过在发射器中不仅确定周期值而且确定周期性振幅系数，以及在接收器中也使用这些值来设置周期引入装置，则可进一步改善传输系统的传输质量。

本发明另一实施例的特征在于，发送器包括用于从传送的信号样本确定未传送信号样本以获得具有对应于特征刻划装置确定的特征参数的特性参数的再建信号样本串的局部插入装置，该局部插入装置包含引入具有对应该周期值的周期值的周期性的局部周期引入装置，特征还在于，配置周期确定装置以可能最佳方式对应原始信号样本串的再建的信号样本串的周期值。

通过响应发送器中执行的局部插入确定周期性的周期值和（或）振幅系数，保证确定周期性的这种周期值和（或）振幅系数有最小插入误差，从而对确定周期值或振幅系数确保最优质量。

本发明的一个最佳实施例的特征在于，特征刻划装置包含用于以一个窗口加权较长信号样本串的窗口装置，以便确定特性参数，特征还在于，信号样本串包含较长串的最后信号样本。

在许多种场合下，从长于信号样本串时间周期的间隔中的信号样本导出特征参数值。然后，常将该信号样本乘以所谓窗口函数，该函数在间隔中间为最大值而向间隔两端下降至零左右。在现有技术的传输系统中，信号样本串位于该区间中央。结果，在信号样本串发送中有一附加延迟，该延迟大约为间隔的一半，而这是不希望有的。通过使信号样本串重合于间隔的终端，可通过实现窗口函数将该附加传输延迟降至基本为0。听力测试和仿真已证明，该措施几乎没有引起传输质量损失。

参考附图，进一步说明本发明，附图中。

图1示出按照本发明的传输系统;

图2示出为图1所示传输系统使用的发送器的最佳实施例;

图3示出用于确定预测参数和某些信号样本串所使用的窗口函数的相对位置;

图4示出窗口函数与图3所示信号样本串后的信号样本串的相对位置;

图5示出通过图1所示传输系统发送的语音信号的一个实例;

图6示出现有技术传输系统中描绘的接收器对时间的预测误差;

图7示出图1所示传输系统中接收器对时间绘出的预测误差;

图8示出在使用图2所示发送器时，按照本发明的传输系统中对时间绘出的接收器的预测误差。

在图1所示出的传输系统中，信号样本s（n）加到发送器2的输入端。发送器2的输入端连接到缩减（reduction）元件8、周期确定装置7的输入端以及在该发送器中由线性预测器12形成的用于确定预测参数的特性刻划装置的输入端。缩减元件8的输出连接到信道4的第一子信道4a。

周期判定装置7包含预测滤波器10和周期测量装置14的级联组合。其输出信号携带有信号样本中周期性振幅系数和周期的周期判定装置7的输出端连接到信道4的子信道4b和4c。线性预测器12的输出连接到信道4的子信道4d和预测滤波器10的控制输入端。

子信道4a的输出连接到存储单元16。携带有其输出信号中最近期的信号样本串的存储单元16的第一输出端被连接到插入装置19的第一输入端和乘法器24的第一输入端。携带有其输出信号中次最近期的信号样本串的存储单元16的第二输出端被连接到插入装置19的第二输入端。插入装置19的输出连接到乘法器24的第二输入端。乘法器24的输出连接到接收器的输出和插入装置19的第三输入。子信道4b和4c输出连接到插入装置19的第一和第二控制输入。子信道4d的输出连接到插入装置19的第三控制输入端。

插入装置19的第一输入连接到插入器20的第一输入端，插入装置19的第二输入连接到插入器20的第二输入。插入装置19的第三输入连接到预测滤波器22的输入。

插入装置的第一控制输入连接到周期引入装置18的第一控制输入，插入装置19的第二控制输入连接到周期引入装置18的第二控制输入。插入装置的第三控制输入连接到反向预测滤波器的控制输入和插入器20的控制输入。反向预测滤波器22的输出连接到周期引入装置18的输入，周期引入装置18的输出连接到插入器20的第三输入端。

在图1所示传输系统中，假设信号样本s（n）各包含p+m个符号的连续串。缩减元件8从这些p+m个信号样本中移去m个信号样本，使得每个p+m信号样本串中不多于p个样本在子信道4a上传送。执行m个信号样本的移动以减少子信道4a的必要传输容量。为再建接收器6的未传送信号样本，发送器2中的线性预测器产生预测参数。这些预测参数指示信号样本多大程度上取决于多个在前信号样本。对信号样本s（n）的估值（n），可以写作：

$\mathrm{(n)=-}\underset{\mathrm{i=1}}{\overset{N}{\Sigma }}\mathrm{a(i)·s(n-i)}$

（1）式中，N是说明从过去已有多少个样本已结合到预测中的预测阶数。对于差值e（n）＝s（n）-s′（n）可求出：

对多个信号样本的均方差E，下式成立：

$>>E>=>>\Sigma >>n>=>>n>1>>>>n>=>>n>1>>>{}^{}$

预测器12计算有最小E值的a（i）的值。在IEEE论文集63卷、第4期（1975年4月）发表的J.Makhoul的文章“线性预测：一种指导观念”中详细描述了确定预测系数的方式。a（1）到a（N）包括在内的预测参数通过子信道4d发送到接收器。其预测参数设置为由线性预测器12计算出的值的预测滤波器10按照（2）从信号样本s（n）中导出预测误差e（n）。周期测量装置14从误差信号e（n）导出其周期超过信号样本串时间周期的周期性的周期和振幅系数。周期测量装置14使用信号e（n）代替s（n）作为输入信号，因为信号e（n）的周期性参数对接收器中将该周期性重新引入信号样本串中是必须的。参数b表明周期性的振幅系数，而参数1指用信号样本号表示的周期性的周期。

振幅系数b和周期值1通过子信道4b和4c发送到接收器。要注意对传送预测参数必需的传输容量比起对传送m个丢失信号样本所需传输容量要小得多。例如，子信道4a-4d可以用在单个传输信道4上发送的多路帧中的时间片形成。多工的其它形式例如，频率多工，对于发送4个子信道4a-4d的信息是可以想象的。

存储单元16存储从子信道4a接收的信号样本串。除了最近期的信号样本串p，在存储单元16中还存在次最近的信号样本串p′。将两个信号样本串p和p′加到插入器20。通过多工器，将m个插入信号样本与p个接收到的信号样本相结合以形成信号样本的完整串s′（n）。预测滤波器22响应接收到的预测参数，根据信号样本串s′（n）中计算预测误差e′（n）。周期引入装置18响应接收到的值b和1确定延迟1个采样周期并乘以因子b的预测误差e′（n）。周期引入装置18的输出信号用于在信号样本的插入序列中重新引入周期性。插入器20、多工器24、预测滤波器22，周期引入装置18的组合可以认为是具有谐振周期和由参数1和b确定的衰减因子的谐振电路，该谐振电路由p个信号样本串中出现的周期性启动。因此，周期性也可引入到初始也具有该周期性的m个信号样本串。

当由插入器再建m个信号样本时，假设根据信号d（n）使预测误差D最小，其中d（n）等于e′（n）-b·e′（n-1）＝e′（n）-q（n）。其原因是，如果e′（n）是循环的，如b和1有正确值，则输出信号b（n）等于0。通过使D最小，可以达到在信号e（n）以及在信号s′（n）中具有正确振幅系数和周期的有效周期性。如果假设预测的阶数N等于包括在插入中的信号样本个数，它等于2p+m-1，这样，预测误差可写作：

然后假设在丢失的和后继可用信号样本中使预测误差最小。而且，再假设1超出p+m。现可通过设置D关于丢失信号样本的偏差为零来求出丢失信号样本值。则下式成立：

由于s（k）只对从n＝k到n＝k+p包含在内的E有效，（5）式可转写为：

把（2）代入（6），导出$\underset{\mathrm{n=k}}{\overset{\mathrm{k+p}}{\Sigma }}\mathrm{a(n-k)·e(n)=0>}$（7）式对从p到p+m+1包含在内的k定义了m个不同数值的m次比较。这些m次比较可用矩阵写成如下：

其中，A是m×p+m矩阵，而e是有m个元素的列矢量。利用（2），可求出矢量e：

在（9）中，B是（p+m）×（2p+m）矩阵，而S是有2p+m元素的列矢量。用（9）代入（8）产生

ABs-Aq=Rs-Aq=0>

矩阵乘积AB的详细描述导出：

其中ri等于：

如果该求和式的上限小于0，则ri有一个为零的值。

矩阵R可分为三个子矩阵Rl，Rm，Rr，其中Rl由R中p个最左列构成，Rr由R中p个最右列构成，而Rm由R中剩余m列构成。

如果将矢量S划分为分别包含p、m和p个系数的三个子矢量，则（10）式可重写为：

不等于0的S的三个子矢量的元素可定义为子矢量Sl、Sm、Sr。对这些子矢量，下式成立：

利用（14），将（13）转写为

Rmsm=Aq-R₁s₁-R_rs_r（15）

矩阵Rm是m乘以m的平方矩阵。Rm是对称的明确正的和托普利兹矩阵。（15）式右边的部分表示已知分量的矢量。由于（Rm）的所述特性，可通过各种已知方法计算（15）式。这些方法之一例如，在题目为“数字信号处理快速算法”（R.E  Blahut著，Addison-Wesley出版公司，1985年出版，ISBN  0-201-10155-6，第352-358页）的书中描述的Levinson算法。

根据p和m的值，可改变矩阵Rl，Rm和Rp的结构。对m≤P+1的数值，矩阵Rm有如下结构

对m＞p，矩阵Rm的结构变成：

矩阵Rl和Rr的结构也取决于m和p的值。对m＜p，对矩阵Rl和Rr，下式成立

对m＝p，矩阵Rl和Rr等于：

对m＞p，Rl和Rr转为：

在周期引入装置18的输出端，存在对（14）的解所必需的矢量q的值。式（14）中所必须的a（i）值是从由信道4为在发送器中建立预测参数而提供的数值中获得。矢量S1的元素是由接收到信号样本的次最近串形成，而矢量Sr的元素由接收到信号样本最近串形成。

在图2所示发送器中，被发送的信号样本加到缩减单元8，周期确定装置30的第一输入和线性预测器12。缩减单元8的输出连接到信道4的第一子信道4a和局部存储单元9。局部存储单元9的第一输出、其输出信号携带有信号样本的最近期的串，被连接到局部插入装置31的第一输入和多工器23的第一输入。其输出信号携带有信号样本的次最近串的局部存储单元9的第二输出被连接到局部插入装置31的第二输入端。局部插入装置31的输出连接到多工器23的第二输入端。

多工器23的输出连接到局部插入装置31的第三输入端和周期确定装置30的第二输入端。线性预测器12的输出连接到信道4的子信道4d和局部插入装置31的第一控制输入端。周期确定装置30的第一和第二输出分别连接到子信道4b、4c以及局部插入装置31的第二和第三控制输入端。

局部插入装置31的第一输入端连接到局部插入器21的第一输入端，局部插入装置31的第二输入端连接到局部插入器21的第二输入端。局部插入装置31的第三输入端连接到反向预测滤波器10的输入端。反向预测滤波器10的输出连接到局部周期引入装置17的输入端。局部周期引入装置17的输出端连接到局部插入器21的第三输入端。局部插入装置31的第一控制输入端连接到反向预测滤波器10的控制输入端和局部插入器21的控制输入端。局部插入装置31的第二和第三控制输入端连接到局部周期引入装置17的第一和第二控制输入端。周期确定装置30的第一输入端连接到减法电路的第一输入端，周期确定装置30的第二输入端连接到减法电路13的第二输入端。减法电路13的输出端连接到平方电路15的输入。平方电路15的输出端连接到周期优化装置11的输入端。

在图2所示发送器中，通过在发送器中执行与图1所示接收器中类似的插入，计算出周期值和振幅系数。为此目的，发送器2，如同图1的接收器6，包含局部存储单元9，多路复用器23，反向预测滤波器10、局部周期引入装置17和局部插入器21。对不同的b和l值执行这种（局部）插入，在信道上传送的周期值和振幅系数的最终值是使信号样本s（n）和插入信号样本s′（n）间的差的均方为最小的那些值。减法电路13计算差s（n）-s′（n），而平方电路15计算该误差的平方值。周期优化装置11对b和l的每一设置值计算平方差之和，该求和是对插入信号样本进行的。在实践中，业已证明对l＝20至140，步长为l以及对b＝0.5到1.5步长为0.1的所有组合执行该插入就够了。使用l的值，使得有可能对8KHz采样频率确定从50至400Hz的周期性频率。

周期优化装置11始终保持平方差出现最小和的b和l的值。如已对所有b和l执行了插入，则将b和l最优值发送到接收器6。在局部插入器21中以与在图2所示接收器6中同样的确定方式来确定丢失信号样本。

图3示出在给定时刻，信道4上传送信号样本串p的在特征刻划装置12中所用窗口函数之间的关系。此外所用窗口函数w（n）称为由以下关系式定义的所谓海明（Hamming）窗口。

其中L是以窗口周期信号样本号表示的长度。图3示出窗口函数由标号1到160的信号样本所确定，而标以151到160的信号样本形成发送器2信号样本的当前发送中。标号141到150的信号样本不被传送，但尚待借助特征参数和前面已收到的标号131到140的信号样本，在接收器6通过插入来确定。要注意由发送器发送的信号样本不受窗口函数支配。图3清楚地示出发送标有151到160的信号样本的时刻，而无须对诸如在现有技术传输系统中的有较高序列号的信号样本进行计算，在所述现有技术传输系统中，当前准备传输的信号样本位于窗口函数的中间。由于在发送信号样本151到160之前，无须有较高序列号的信号样本，因此在发送器中信号样本可经历一个有限的延迟。

图4示出对于直接在图3所示信号样本串后发送的信号样本串p的在特征刻划装置12中使用的窗口函数之间的关系。该窗口函数现由标有21到180的信号样本计算，已传送的信号样本是标号171到180的信号样本。标号161到170的信号样本不传送，但在接收器6中根据标号151到160的信号样本及标号171到180的信号样本通过插入法进行计算。

图5示出对时间绘出的发送语音信号。该语音信号有100ms的时间长度。这意味在8KHz采样频率下，图5所示语音信号由800个信号样本组成。

图6示出在现有技术传输系统中出现的插入误差，其中m的值（丢失信号样本数）等于10而p（传送信号样本数）也等于10。特征参数由160个信号样本确定，而使用由海明（Hamming）窗口构成。图6示出插入误差在出现周期（激励）脉冲位置处是相当大的。为获得传输系统质量的定量测量，信噪比可定义如下：

现有技术传输系统中信噪比的数值为9.9dB。

图7示出在图1所示传输系统中出现的插入误差，其中m的值（丢失信号样本个数）为10而p（传送信号样本的个数）也为10。特征参数同样由160个信号样本确定，而用法由Hamming窗口组成。此外，信号样本p位于窗口函数的中间。图7清楚示出，插入误差减小了。此外，信噪比值为12.5dB。

图8示出图1所示传输系统中存在的插入误差，其中，使用了图2所示发送器。m值（丢失信号样本个数）等于10而p（传送的信号样本的个数）也等于10。特征参数同样由160个信号样本确定，而使用由Hamming窗口组成。此处，信号样本p位于窗口函数的端部。图8清楚示出，插入误差被大大减小。信噪比值则为20.7dB。如果信号样本p位于窗口函数中央，则得到的信噪比为21.3dB。这意味着将信号样本置于窗口函数终端使得信号样本的延迟大大减少，信噪比下降仍然受限为0.6dB。