一种基于非等重保护的速率自适应声码通信方法

摘要

本发明公开了一种基于非等重保护的速率自适应声码通信方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过发送方的话筒下传语音信号，通过声码器对其进行编码，得到声码数据块，对声码数据块进行封装；根据声码数据块的传输速率下的非等重信道编码，对封装后的声码数据块依次进行数据排列、LDPC编码和交织后，按照发送信号的结构进行调制并发送至接收方；(2)接收方进行同步检测和解调，并对声码数据块对应的walsh序列进行解算；计算发送声码数据块时信道的信噪比；将解调后的声码数据块依次进行均衡、解交织和LDPC译码，再将该LDPC译码经过声码器译码后，得到段语音信号，并上传给接收方的话筒。

说明书

技术领域

本发明属于语音通信技术领域，涉及一种基于非等重保护的速率自适应声码通信方法。

背景技术

目前，实现语音通信时的信道编码都是在一定失真度下的参数编码，所以信源编码的 输出不再是等概率分布，其中仍然有剩余冗余，而且在信源译码时语音编码后的不同比特 对误码的敏感度也不相同。其中，重要比特对误码比较相对敏感，一旦发生误码会大大降 低合成语音的质量，而不重要的比特对误码相对不敏感，一旦发生误码对合成语音的质量 影响较小。所以目前常用的等重编码对所有比特都进行相同的信道编码，容易在误码率较 高的情况下严重影响合成语音的质量。

目前，对声码话的传输主要采用调制解调器，在固定的传输速率下来实现。但是固定 速率的声码话传输技术并不能很好地适应实际的信道情况。当信道条件恶化时，传输波形 负载信息的能力降低，误码率就会增加，需要对大量传输出错的数据进行重传，降低了语 音通信的通信效率。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种基于非等重保护的速率自适应 声码通信方法。该方法针对低密度奇偶校验码(Low-DensityParity-Check，LDPC码)， 通过实时判断通信双方的信道质量，能够自适应地更换单倍、双倍和四倍三种传输速率， 能够在满足可懂度前提下，最大程度提高语音的自然度；同时，本发明方法针对上述三种 传输速率，设计了对应的非等重信道编码，该方案对重要的比特进行较强的信道编码保护， 对不重要的比特进行较弱的信道编码保护或者不进行信道编码保护，能够明显改善语音编 码的抗误码性能，并提高合成语音的质量。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种基于非等重保护的速率自适应声码通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设定声码通信的信道编码采用LDPC码；然后，针对单倍、双倍和四倍三种 传输速率，在声码器时延为固定时延的条件下，设计每种传输速率下的非等重信道编码；

步骤2，设定发送信号的结构：发送信号由四个不同功能的序列组成，分别为传输层 控制/自动增益控制(TransmitLevelControl/AutomaticGainControl，TLC/AGC)序列、同 步报头(Preamble，PRE)序列、walsh序列以及数据(DATA)序列；

步骤3，首先，通过发送方的话筒下传第1段语音信号，并设定第1段语音信号的传 输速率为单倍传输速率；然后，选择以单倍传输速率为编码速率的声码器对第1段语音信 号进行编码，得到第1声码数据块，发送方将第1声码数据块进行封装，得到封装后的第 1声码数据块；接着，根据单倍传输速率下的非等重信道编码对封装后的第1声码数据块 依次进行数据排列、LDPC编码和交织，得到第1待发送编码数据；最后，将第1待发送 编码数据按照发送信号的结构进行调制，以单倍传输速率发送至接收方；

步骤4，接收方进行同步检测，并对同步检测到的数据进行解调，得到解调后的第1 声码数据块；再对第1声码数据块对应的walsh序列进行解算，得到第1声码数据块的传 输速率，以及信道的初始估值；然后，接收方根据第1声码数据块对应的同步报头和信道 的初始估值对信道进行估计，计算得到发送第1声码数据块时信道的信噪比；最后，接收 方将解调后的第1声码数据块依次进行均衡、解交织和LDPC译码，再将该LDPC译码经 过声码器译码后，得到第1段语音信号，并将第1段语音信号上传给接收方的话筒；

如果接收方需要向发送方回话，则接收方根据发送第1声码数据块时信道的信噪比确 定第2声码数据块的传输速率，接收方将第2声码数据块的传输速率反馈至发送方；设定 码数据块的块数j为2，转到步骤5；

如果接收方不需要向发送方回话，则声码通信过程结束；

步骤5，首先，通过发送方的话筒下传第j段语音信号；然后，选择以第j声码数据块 的传输速率为编码速率的声码器对第j段语音信号进行编码，得到第j声码数据块，发送 方将第j声码数据块按照设定的帧结构进行封装，得到封装后的第j声码数据块；接着， 根据第j声码数据块的传输速率下的非等重信道编码，对封装后的第j声码数据块依次进 行数据排列、LDPC编码和交织，得到第j待发送编码数据；最后，将第j待发送编码数据 按照发送信号的结构进行调制，以第j声码数据块的传输速率发送至接收方；

步骤6，接收方进行同步检测，并对同步检测到的数据进行解调，得到解调后的第j 声码数据块；再对第j声码数据块对应的walsh序列进行解算，得到第j声码数据块的传输 速率，以及信道的第j-1估值；然后，接收方根据第j声码数据块对应的同步报头和信道的 第j-1估值对信道进行估计，计算得到发送第j声码数据块时信道的信噪比；最后，接收方 将解调后的第j声码数据块依次进行均衡、解交织和LDPC译码，再将该LDPC译码经过 声码器译码后，得到第j段语音信号，并将第j段语音信号上传给接收方的话筒；

如果接收方需要向发送方回话，则接收方根据发送第j声码数据块时信道的信噪比确 定第j+1声码数据块的传输速率，接收方将第j声码数据块的传输速率反馈至发送方；令 声码数据块的块数j增加1，返回步骤5；

如果接收方不需要向发送方回话，则声码通信过程结束。

本发明的特点和进一步改进在于：

(1)步骤1中，所述单倍、双倍和四倍三种传输速率分别为600bps、1200bps和2400bps， 所述固定时延为300ms。

(2)步骤2中，所述walsh序列携带的载荷为4bit，其中，前2bit表示传输速率，后 2bit表示信道的估值；

所述数据序列表示声码数据块，每块声码数据块包含n+1个数据包，依次为数据包 EDataPKT0到数据包EDataPKTn，其中，数据包EDataPKTi由3帧数据封装而成，每帧数 据均包括未知数据和已知数据，未知数据为要传送的声码数据，已知数据为训练序列，i 取0至n，n是自然数。

(3)步骤3中，将第1声码数据块按照设定的帧结构进行封装，得到封装后的第1 声码数据块，其中，所述设定的帧结构为：

对单倍传输速率，经过非等重编码后输出576比特，经过格雷编码形成576个BPSK 符号，拆分成3帧进行发送，每帧192个BPSK符号，其后插入的训练序列是48个BPSK 符号，为已知序列，则600bps传输速率的一个数据段长度为720个BPSK符号；

对于双倍传输速率，经过非等重编码后输出1152比特，经过格雷编码形成576个QPSK 符号，拆分成3帧进行发送，每帧192个QPSK符号，其后插入的训练序列是48个QPSK 符号，为已知序列，则1200bps传输速率的一个数据段长度为720个QPSK符号；

对于四倍传输速率，经过非等重编码后输出1152比特，经过格雷编码形成576个QPSK 符号，拆分成3帧进行发送，每帧192个QPSK符号，其后插入的训练序列是48个QPSK 符号，为已知序列，则1200bps传输速率的一个数据段长度为720个QPSK符号。

(4)步骤4中，根据发送第1声码数据块时信道的信噪比确定第2声码数据块的传输 速率，其具体过程为：

所述单倍、双倍和四倍三种传输速率分别为600bps、1200bps和2400bps，已知600bps、 1200bps和2400bps传输速率的最佳信噪比范围分别为：当SNR＜2dB时，信道能够保证 600bps可靠传输；当2dB≤SNR＜6dB时，信道能够保证1200bps可靠传输；当SNR≥6dB 时，信道能够保证2400bps可靠传输；将发送第1声码数据块时信道的信噪比所对应的传 输速率确定为第2声码数据块的传输速率。

(5)步骤4中，所述将解调后的第1声码数据块依次进行均衡、解交织和LDPC译 码，其具体过程为：

(b1)设置i表示迭代次数，令初始值i＝1；

(b2)采用基于最小均方误差的Turbo均衡算法，通过解调后的第1声码数据块计算 出第1声码数据块中的数据序列x₁的第i次均衡估计值并对其进行解交织；

(b3)将解交织后的第i次均衡估计值经过LDPC译码后，得到第i次LDPC译码估计 值

(b4)如果LDPC译码器判定第i次LDPC译码估计值不正确，将第1声码数据 块中的数据序列x₁更新为并令迭代次数i增加1，返回步骤(b2)；

如果LDPC译码器判定第i次LDPC译码估计值为正确，或者迭代次数i＝I，I 为设定的最大均衡迭代次数，则令第1声码数据块中的数据序列将第1声码数 据块中的数据序列x₁送入声码器进行译码。

(6)步骤1中，所述单倍600bps传输速率下的非等重信道编码为：对于600bps编码 速率的声码器，75ms帧的编码输出45比特，由4个75ms帧组成300ms超帧的编码输出 180比特；对300ms超帧中重要的156比特加上12比特的CRC校验位进行4/13码率的 LDPC编码输出546比特，对300ms超帧中剩余的24比特加上6比特的CRC校验位不进 行信道编码直接输出，每个300ms超帧共输出576比特；

所述双倍1200bps传输速率下的非等重信道编码为：对于1200bps编码速率的声码器， 50ms帧的编码输出60比特，由6个50ms帧组成300ms超帧的编码输出360比特；对300ms 超帧中重要的264比特进行1/4码率的LDPC编码输出1056比特，对300ms超帧中剩余 的96比特不进行信道编码直接输出，每个300ms超帧共输出1152比特；

所述四倍2400bps传输速率下的非等重信道编码为：对于2400bps编码速率的声码器， 25ms帧的编码输出60比特，由12个25ms帧组成300ms超帧的编码输出720比特；对 300ms超帧中重要的384比特加上24比特的CRC校验位进行1/2码率的LDPC编码输出 816比特，对300ms超帧中剩余的336比特不进行信道编码直接输出，每个300ms超帧共 输出1152比特。

本发明的有益效果为：本发明能够实时判断通信双方的信道质量，自适应地更换单倍、 双倍和四倍三种传输速率，在满足可懂度前提下，最大程度提高语音的自然度；本发明针 对上述三种传输速率设计的非等重信道信道编码能够对重要的比特进行较强的信道编码 保护，对不重要的比特进行较弱的信道编码保护甚至不进行保护，可以明显改善语音编码 的抗误码性能。

附图说明

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明方法的发送接收流程图；

图2是本发明的发送信号的结构图；

图3是600bps传输速率下等重信道编码和非等重信道编码在相同信噪比下重要比特的 残余误码率对比图，其中，横坐标为信噪比，单位为分贝(dB)，纵坐标为残余误码率；

图4是1200bps传输速率下等重信道编码和非等重信道编码在相同信噪比下重要比特 的残余误码率对比图，其中，横坐标为信噪比，单位为分贝(dB)，纵坐标为残余误码率；

图5是2400bps传输速率下等重信道编码和非等重信道编码在相同信噪比下重要比特 的残余误码率对比图，其中，横坐标为信噪比，单位为分贝(dB)，纵坐标为残余误码率。

具体实施方式

下面将结合附图说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于 本发明保护的范围。

本发明的一种基于非等重保护的速率自适应声码通信方法，包括以下具体步骤：

步骤1，设定声码通信的信道编码采用LDPC码；然后，针对单倍、双倍和四倍三种 传输速率，在声码器时延为固定时延的条件下，设计每种传输速率下的非等重信道编码。

在本发明实施例中，设定单倍、双倍和四倍三种传输速率分别为600bps、1200bps和 2400bps，所述固定时延为300ms。

在本发明实施例中，单倍600bps传输速率下的非等重信道编码为：对于600bps编码 速率的声码器，75ms帧的编码输出45比特，由4个75ms帧组成300ms超帧的编码输出 180比特；对300ms超帧中重要的156比特加上12比特的CRC校验位进行4/13码率的 LDPC编码输出546比特，对300ms超帧中剩余的24比特加上6比特的CRC校验位不进 行信道编码直接输出，每个300ms超帧共输出576比特；

双倍1200bps传输速率下的非等重信道编码为：对于1200bps编码速率的声码器，50ms 帧的编码输出60比特，由6个50ms帧组成300ms超帧的编码输出360比特；对300ms 超帧中重要的264比特进行1/4码率的LDPC编码输出1056比特，对300ms超帧中剩余 的96比特不进行信道编码直接输出，每个300ms超帧共输出1152比特；

四倍2400bps传输速率下的非等重信道编码为：对于2400bps编码速率的声码器，25ms 帧的编码输出60比特，由12个25ms帧组成300ms超帧的编码输出720比特；对300ms 超帧中重要的384比特加上24比特的CRC校验位进行1/2码率的LDPC编码输出816比 特，对300ms超帧中剩余的336比特不进行信道编码直接输出，每个300ms超帧共输出 1152比特。

步骤2，参照图2，设定发送信号的结构：发送信号由四个不同功能的序列组成，分 别为传输层控制/自动增益控制(TransmitLevelControl/AutomaticGainControl，TLC/AGC) 序列、同步报头(Preamble，PRE)序列、walsh序列以及数据(DATA)序列。

在本发明实施中，TLC/AGC阶段是一串前导序列，目的是在发送数据和接收数据的 时间内能使发送方达到要求的工作功率；PRE序列用于给接收方在同步检测数据时提供判 断信息；walsh序列携带的载荷为4bit，其中，前2bit表示传输速率，后2bit表示信道的 估值；DATA阶段表示声码数据块，每块声码数据块包含n+1个数据包，依次为数据包 EDataPKT0到数据包EDataPKTn，其中，数据包EDataPKTi由3帧数据封装而成，每帧数 据均包括未知数据和已知数据，未知数据为要传送的声码数据，已知数据为训练序列，i 取0至n，n是自然数。

步骤3，参照图1，首先，通过发送方的话筒下传第1段语音信号，并设定第1段语 音信号的传输速率为单倍传输速率；然后，选择以单倍传输速率为编码速率的声码器对第 1段语音信号进行编码，得到第1声码数据块，发送方将第1声码数据块进行封装，得到 封装后的第1声码数据块；接着，根据单倍传输速率下的非等重信道编码对封装后的第1 声码数据块依次进行数据排列、LDPC编码和交织，得到第1待发送编码数据；最后，将 第1待发送编码数据按照发送信号的结构进行调制，以单倍传输速率发送至接收方。

在本发明实施例中，将第1声码数据块按照设定的帧结构进行封装，得到封装后的第 1声码数据块，其中，设定的帧结构为：

对单倍传输速率，经过非等重编码后输出576比特，经过格雷编码形成576个BPSK 符号，拆分成3帧进行发送，每帧192个BPSK符号，其后插入的训练序列是48个BPSK 符号，为已知序列，则600bps传输速率的一个数据段长度为720个BPSK符号；

对于双倍传输速率，经过非等重编码后输出1152比特，经过格雷编码形成576个QPSK 符号，拆分成3帧进行发送，每帧192个QPSK符号，其后插入的训练序列是48个QPSK 符号，为已知序列，则1200bps传输速率的一个数据段长度为720个QPSK符号；

对于四倍传输速率，经过非等重编码后输出1152比特，经过格雷编码形成576个QPSK 符号，拆分成3帧进行发送，每帧192个QPSK符号，其后插入的训练序列是48个QPSK 符号，为已知序列，则1200bps传输速率的一个数据段长度为720个QPSK符号。

步骤4，接收方进行同步检测，并对同步检测到的数据进行解调，得到解调后的第1 声码数据块；再对第1声码数据块对应的walsh序列进行解算，得到第1声码数据块的传 输速率，以及信道的初始估值；然后，接收方根据第1声码数据块对应的同步报头和信道 的初始估值对信道进行估计，计算得到发送第1声码数据块时信道的信噪比；最后，接收 方将解调后的第1声码数据块依次进行均衡、解交织和LDPC译码，再将该LDPC译码经 过声码器译码后，得到第1段语音信号，并将第1段语音信号上传给接收方的话筒；

如果接收方需要向发送方回话，则接收方根据发送第1声码数据块时信道的信噪比确 定第2声码数据块的传输速率，接收方将第2声码数据块的传输速率反馈至发送方；设定 码数据块的块数j为2，转到步骤5；

如果接收方不需要向发送方回话，则声码通信过程结束。

在本发明实施例中，根据发送第1声码数据块时信道的信噪比确定第2声码数据块的 传输速率，其具体过程为：已知600bps、1200bps和2400bps传输速率的最佳信噪比范围 分别为：当SNR＜2dB时，信道能够保证600bps可靠传输；当2dB≤SNR＜6dB时，信道能 够保证1200bps可靠传输；当SNR≥6dB时，信道能够保证2400bps可靠传输；将发送第1 声码数据块时信道的信噪比所对应的传输速率确定为第2声码数据块的传输速率。

在本发明实施例中，将解调后的第1声码数据块依次进行均衡、解交织和LDPC译码， 其具体过程为：

(b1)设置i表示迭代次数，令初始值i＝1；

(b2)采用基于最小均方误差的Turbo均衡算法，通过解调后的第1声码数据块计算 出第1声码数据块中的数据序列x₁的第i次均衡估计值并对其进行解交织；

(b3)将解交织后的第i次均衡估计值经过LDPC译码后，得到第i次LDPC译码估计 值

(b4)如果LDPC译码器判定第i次LDPC译码估计值不正确，将第1声码数据 块中的数据序列x₁更新为并令迭代次数i增加1，返回步骤(b2)；

如果LDPC译码器判定第i次LDPC译码估计值为正确，或者迭代次数i＝I，I 为设定的最大均衡迭代次数，则令第1声码数据块中的数据序列将第1声码数 据块中的数据序列x₁送入声码器进行译码。

步骤5，首先，通过发送方的话筒下传第j段语音信号；然后，选择以第j声码数据块 的传输速率为编码速率的声码器对第j段语音信号进行编码，得到第j声码数据块，发送 方将第j声码数据块按照设定的帧结构进行封装，得到封装后的第j声码数据块；接着， 根据第j声码数据块的传输速率下的非等重信道编码，对封装后的第j声码数据块依次进 行数据排列、LDPC编码和交织，得到第j待发送编码数据；最后，将第j待发送编码数据 按照发送信号的结构进行调制，以第j声码数据块的传输速率发送至接收方。

步骤6，接收方进行同步检测，并对同步检测到的数据进行解调，得到解调后的第j 声码数据块；再对第j声码数据块对应的walsh序列进行解算，得到第j声码数据块的传输 速率，以及信道的第j-1估值；然后，接收方根据第j声码数据块对应的同步报头和信道的 第j-1估值对信道进行估计，计算得到发送第j声码数据块时信道的信噪比；最后，接收方 将解调后的第j声码数据块依次进行均衡、解交织和LDPC译码，再将该LDPC译码经过 声码器译码后，得到第j段语音信号，并将第j段语音信号上传给接收方的话筒；

如果接收方需要向发送方回话，则接收方根据发送第j声码数据块时信道的信噪比确 定第j+1声码数据块的传输速率，接收方将第j声码数据块的传输速率反馈至发送方；令 声码数据块的块数j增加1，返回步骤5；

如果接收方不需要向发送方回话，则声码通信过程结束。

本发明的效果可由以下仿真实验来进一步说明：

1)仿真参数：

设定在多径延时为300ms。

设定600bps传输速率下的等重信道编码为：75ms帧的编码输出45比特，由4个75ms 帧组成300ms超帧的编码输出180比特，对等重的180比特加上12比特的CRC校验位进 行1/3码率的LDPC编码输出576比特。

设定1200bps传输速率下的等重信道编码为：50ms帧的编码输出60比特，由6个50ms 帧组成300ms超帧的编码输出360比特，对等重的360比特加上24比特的CRC校验位进 行1/3效率的LDPC编码输出1152比特。

设定2400bps传输速率下的等重信道编码为：25ms帧的编码输出60比特，由12个 25ms帧组成300ms超帧的编码输出720比特；对等重的720比特加上48比特的CRC校 验为进行2/3效率的LDPC编码输出1152比特。

2)仿真实验内容及结果分析：

分别对比600bps、1200bps和2400bps传输速率下，等重信道编码和非等重信道编码 在相同信噪比下重要比特的残余误码率。

绘制600bps传输速率下等重信道编码和非等重信道编码在相同信噪比下重要比特的 残余误码率对比图，如图3所示；图3中，黑色圆点曲线表示600bps传输速率下等重信道 编码的重要比特的残余误码率，黑色加号曲线表示600bps传输速率下非等重信道编码的重 要比特的残余误码率。从图3中可以看出，在相同的残余误码率下，非等重信道编码的信 噪比相比于等重信道编码的信噪比有0.5dB的提高。

绘制1200bps传输速率下等重信道编码和非等重信道编码在相同信噪比下重要比特的 残余误码率对比图，如图4所示；图4中，黑色圆点曲线表示1200bps传输速率下等重信 道编码的重要比特的残余误码率，黑色加号曲线表示1200bps传输速率下非等重信道编码 的重要比特的残余误码率。从图4中可以看出，在相同的残余误码率下，非等重信道编码 的信噪比相比于等重信道编码的信噪比有1db以上的提高。

绘制2400bps传输速率下等重信道编码和非等重信道编码在相同信噪比下重要比特的 残余误码率对比图，如图5所示；图5中，黑色圆点曲线表示2400bps传输速率下等重信 道编码的重要比特的残余误码率，黑色加号曲线表示2400bps传输速率下非等重信道编码 的重要比特的残余误码率。从图5中可以看出，在相同的残余误码率下，非等重信道编码 的信噪比相比于等重信道编码的信噪比有1.5dB以上的提高。

综上分析可知，本发明设计的非等重信道编码能够明显改善语音编码的抗误码性能， 并提高合成语音的质量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和 范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内， 则本发明也意图包含这些改动和变型在内。