基于离散余弦变换的语音压缩采样和编码算法

针对语音无线通信中带宽资源受限的问题,提出基于压缩采样的低速率语音编码算法。以基尼系数为指标,比较不同稀疏变换域下语音信号的稀疏性,分析常见重构算法对语音信号压缩采样观测信号的重构特性。对标准耳蜗滤波器——伽马啁啾滤波器组的参数进行研究,并以梯度投影稀疏重建(GPSR)算法重构语音信号。利用语音质量感知评估(PESQ)、信噪比和主观听觉测试,对编解码后的合成语音信号进行了质量评估。实验表明,基于压缩感知的语音编码器以4 kbps的低速率对语音进行编码时,PESQ得分可达到3.16,计算复杂度相对较低,可以用于实际的语音编码环境。     

语音编码技术及其硬件实现

压缩编码技术是无线语音通信的关键技术之一。介绍了语音编码技术的基本概念及分类,并选用AMBE多带激励压缩编码算法,通过单片机控制专用语音压缩DSP芯片,提出了一种适合低速无线语音、数据实时通信的系统解决方案,完成了硬件、软件设计,实现了低速率下的语音、数据的同步大气传输。测试结果显示,在语音编码速率为2．4kbps以下时,仍然可以得到音质较好的语音输出。     

采用时反和时频差分OFDM的水声语音通信方法

针对水声信道多径、时变、多普勒等恶劣传输特点对水声语音通信的严重影响,本文采用多通道时间反转和时频差分OFDM进行水声语音通信技术方案设计,该方法首先通过多通道时间反转进行时间域和空间域多径聚焦,进而结合时频差分OFDM调制解调抑制残留多径的影响。由于无需采用信道估计和均衡算法,系统实现方便、复杂度低,同时对信道具有一定程度的稳健性。该方法语音压缩编码采用混合激励线性预测编码。仿真实验和海试实验表明了本文方案的有效性。     

定点脉冲线性预测编码方法研究*

在多脉冲线性预测编码的基础上,本文提出了位置无关脉冲搜索算法。该算法不需要搜索脉冲位置,而是根据给定的脉冲位置一次性解出脉冲幅度矢量。这就保证了得到的脉冲组合在最小二乘意义下是最优的,为改进合成语音质量提供了理论基础。进而在激励脉冲与位置无关的理论基础上,提出了定点脉冲线性预测编码方法。对所提出的算法在MATLAB下进行了仿真,仿真结果发现位置无关脉冲搜索算法得到的合成语音质量优于序贯法,编码时间也要比序贯法短。定点脉冲线性预测编码方法可以在2.7 kbps的编码速率下获得与G.729相近的合成语音。     

混合激励线性预测语音编码标准中线谱频率量化的研究

线谱频率(Line Spectral Frequency,LSF)是线性预测频谱系数(Linear Predication Coefficient,LPC)有效的编码形式。语音线性预测模型中,LPC反映了声道调制的模型,是影响语音听觉感知重要的参数之一。在混合激励线性预测语音编码(Mixed Excitation Linear Prediction,MELP)标准中,对LSF采用4级码本进行分级式矢量量化。首先,为减少其量化冗余度以降低编码速率,本文提出了一种改进的选择算法,生成了一个2级码本替换之。其次,为提高合成语音质量,依据LSF矢量量化的精度与合成语音质量的关系的实验结果,提出根据人耳听觉感知特性进行LSF量化和评价的方法,并予以实验证明。     

极化编码调制正交频分复用水声通信中的极化码构造方法

为进一步提高水声通信可靠性和频带利用率,针对极化编码调制的水声通信需求和信道特性,基于蒙特卡洛法提出动态水声信道认知优化统计目标参数、联合译码的判决反馈信道估计两点改进,建立了适用于编码调制水声信道中的极化码构造算法。为验证该算法性能,建立了极化编码调制水声通信的两步应用机制。通过仿真,比对并分析改进前后的极化码构造方法性能、对时变信道的鲁棒性,以及在不同映射规则下的联合比特交织和多级编码的极化编码调制水声通信性能,并与低密度校验(LDPC)编码调制系统进行对比。湖试结果表明,提出的极化编码调制水声通信方案有效保证了信息在浅水水声信道中的可靠传输,在信噪比约为14 dB、通信距离约1 km时,实现无误码传输,性能优于相同条件下的LDPC编码调制系统。     

个数可变脉冲线性预测编码研究

不同语音帧的激励信号复杂性不同,所以采用相同个数的脉冲作为激励信号并不合理。针对这一点,提出了个数可变脉冲线性预测编码算法。该算法不固定脉冲个数,而是根据激励信号的复杂度而确定。个数可变脉冲线性预测编码的目的是用尽量少的脉冲数来满足误差约束,这可以看作一个稀疏表示问题。进而,给出了具体的脉冲搜索算法以及个数可变脉冲线性预测编码方案。实验结果发现增加脉冲可以减少误差,但是前面搜索出的脉冲对误差的贡献要大于后搜索出的脉冲。与G.723.1和G.729比较发现,个数可变脉冲线性预测编码可以在约4.2 kbps的编码速率下获得优于G.723.1的合成语音,但略差于G.729。本文算法的编码时间较长,是下一步需要解决的问题。     

低信噪比下采用感知语谱结构边界参数的语音端点检测算法

提出了一种采用感知语谱结构边界参数(PSSB)的语音端点检测算法,用于在低信噪比环境下的语音信号预处理。在对含噪语音进行基于听觉感知特性的语音增强之后,针对语音信号的连续分布特性与残留噪声的随机分布特性之间的不同点,对增强后语音的时-频语谱进行二维增强,从而进一步突出连续分布的纯净语音的语谱结构。通过对增强后语音语谱结构的二维边界检测,提出PSSB参数,并用于端点检测。实验结果表明,在白噪声-10 dB到10 dB的各种信噪比环境下,采用PSSB参数的端点检测算法,相对于其它端点检测算法,更有效地检测出语音的端点。在-10 dB的极低信噪比下,提出的方法仍然有75.2%的正确率。采用PSSB参数的端点检测算法,更适合于低信噪比白噪声环境下的语音端点检测。      

Pattern时延差编码四信道水声通信技术研究

本文所研究的是基于Pattern时延差编码（PDS）体制下的水声通信技术.PDS水声编码体制利用Pattern码片出现在码元窗的时延差值进行时延编码,通过码元分割,有效的降低了水声信道的多途干扰;通过频率分割划分四个通信信道,增加通信速率至1000bit/s.在接收端利用带通滤波器来实现通信信道分割,每个信道再应用拷贝相关器实现码元分割并估计出时延差值,完成译码.仿真实验表明,该系统适合于大量不同水声信道高可靠性工作,为水声通信网络化打下坚实基础.     

低码率语音编码中过渡帧对合成语音的影响*

过渡段对语音清晰度、可懂度和人耳听觉感知都起到不可忽视的作用。参数语音编码中,包含有过渡段的语音帧能否得到恰当处理,是决定其合成语音是否清晰可懂的关键。本文以混合激励线性预测编码为参考,将其中的语音帧划分为静音、清音、浊音、过渡四大类后分别处理,在以往低码率语音编码(1 kbps)工作基础上,比较了八种过渡帧划分方法对合成语音PESQ MOS的影响。经分析后发现:不同的过渡帧对PESQ MOS的贡献也不同。由清、静音向浊音变化的过渡帧的贡献最大;介于浊辅音与元音之间的过渡帧的贡献也不应被忽略。     

循环移位扩频水声通信

针对常规直接序列扩频水声通信数据传输速率低及M元扩频水声通信接收机复杂度高的问题,基于扩频序列优良的相关特性,提出循环移位扩频水声通信方法.在发射端,根据输入信息对基本波形进行循环移位编码;在接收端,利用快速相关技术进行时延估计及译码.进行了中远程湖上实验研究,在15 km距离,2 kHz带宽内,总数据传输速率可达438 bit/s, 误码率为10^-2—10^-5.实验结果表明该方法具有带宽利用率高、复杂度低的特点,适用于中远程及多用户水声通信. 关键词： 水声通信 扩频 循环移位 时延估计     

基于差分Pattern时延差编码和海豚whistles信号的仿生水声通信技术研究

为解决传统的隐蔽水声通信方法带来的通信性能降低问题, 提出了一种将差分 Pattern 时延差编码通信体制与海豚whistles信号相结合的仿生水声通信技术. 海豚whistles信号频带较窄且各信息码元间隔不等、码元之间互相关性较弱, 选取whistles信号作同步码和Pattern 码, 并以相邻whistles信号之间的时延差值携带信息. 这种仿生的水声通信信号不易被敌方探测、截获, 且差分Pattern时延差特殊的编码方式也不易使信息被破译, 因此该水声通信技术具有较强的隐蔽性和保密性, 且在抗码间干扰以及抗多普勒效应方面具有优异性能. 本文对系统进行了水池实验, 在信噪比为0 dB、存在相对运动时实现了通信速率为67 bit/s的低误码数据传输, 验证了系统的有效性、稳健性和隐蔽性. 关键词： 仿生水声通信 差分Pattern时延差编码 海豚whistles信号 隐蔽性     

参量阵差分Pattern时延差编码冰下水声通信方法

为提高差分Pattern时延差编码水声通信方法的通信速率以及抗多途能力,使其能有效适用于冰下水声环境,提出了基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法,推导了Pattern码的参量发射原理,分析了参量阵发射对该方法性能的影响,利用参量阵发射产生低频宽带窄指向性声柬,减少了声线触碰上下边界的次数,提高了系统抗多途的能力。冰下水域外场试验结果表明:本方法可有效抑制多途效应,同时低频宽带特性提高了系统通信速率。      

Experimental demonstration of underwater acoustic communication using bionic signals

This paper applies dolphin whistles to covert underwater acoustic (UWA) communication and proposes a UWA communication scheme based on M-ary bionic signal coding. At the transmitter end, the scheme maps multiple information bits into a dolphin whistle through a signal selector. At the receiver end, passive time reversal mirror (PTRM) is used for channel equalization and source information is restored according to the decision of which whistle is transmitted. The scheme has high spread spectrum gain. The anti multi-path performance is greatly improved when using PTRM. Different from traditional covert UWA communication methods, this mimicked signal is unlikely to alert an adversary even in high SNRs because of its real existence in marine environment. A tank experiment is conducted for the scheme, at communication rate of 50 bit/s with SNR −5 dB user information is recovered at a very low bit error rate. The results of tank experiment demonstrate the feasibility of this covert UWA communication scheme.     

参量阵差分Pattern时延差编码冰下水声通信方法（英文）

In order to meet the demands of underwater acoustic communication in under ice environment,a differential Pattern time delay shift coding underwater acoustic communication method based on parametric array is introduced in this paper.The under ice underwater acoustic channel is characterized by heavy multipath transmission.Under this model,a parametric array emission method of Pattern signal is derived and the system performance is analyzed.A broadband low frequency sound waves with narrow beam-pattern,which will reduce the interface reflections and suppress the effects of multipath transmission,can be obtained by the emission method.The Songhua River under ice trial results show that there is an anti-multipath property and a higher data rate in the under-ice acoustic channel in proposed approach.     

基于扩频码的单载波迭代频域均衡水声通信

单载波时域均衡在长时延扩展水声信道中计算量大,并对接收机参数的选择较为敏感,可靠性低,而正交频分复用信号峰均功率比高、对频率偏移敏感. 针对这些问题,提出基于扩频码的单载波块传输高速率水声通信方法和基于T/4分数间隔迭代频域均衡的接收机算法. 该接收机利用已知扩频码进行信道估计以及对由多普勒偏移引起的旋转相位进行估计,并通过一种低复杂度迭代频域均衡算法改善系统性能. 开展了湖上实验研究,结果表明在浅水1.8 km距离且复杂多径干扰条件下,利用BPSK/QPSK调制可实现10^-2–10^-4的误码率并达到1500–3000 bit/s的有效数据率. 关键词： 水声通信 单载波 频域均衡 迭代处理     

可重编程正交频分复用水声调制解调技术进展*

随着海洋探索和军事应用的迫切需求,水声通信需要向高数据率、高可靠性方向发展。正交频分复用技术被视为水声高速通信的新途径,并被成功应用于水声通信,在水声通信中展现了其优越性。高度灵活的自适应平台的发展,激发了可重编程水声调制解调器的发展,以适应不同实验/应用场景的需求。文中从带宽、调制方案、数据率、传输距离、误码率方面,介绍了国内外研究机构对可重编程正交频分复用水声调制解调器研究的进展,并对其中的技术进行概述。最后对可重编程正交频分复用水声调制解调器进行了展望。认为可重编程正交频分复用水声调制解调器需要的是分块接收处理的自适应实时扩展平台,同时也坚信水声网络的发展和需求必将推动智能水声通信的发展。     

Signal processing for high speed underwater acoustic transmission of image

A signal processing method for high-speed underwater acoustic transmission of image is presented. It has two parts. Part 1 introduces signal processing for underwater acoustic coherent communication. Part 1 includes 3 technical points. （1） Doppler shift compensation. Chirp signals are inserted between data packages. A correlation process between two copy correlation functions gives more accurate estimation of the mean Doppler shift. Then it could be compensated by resampling the data. In adaptive decision feedback equalizer （DFE） an adaptive phase compensator with fast self-optimized least mean square （FOLMS） adaptation algorithm is utilized resulting in better motion tolerance than compensators with 2nd order Phase-Lock Loop algorithm. The performance of the combination of mean Doppler shift compensation and adaptive phase compensator is quite good. （2） A diversity combiner （DC） used in advance of equalizer. Both combiner and adaptive DFE are based on FOLMS adaptation algorithm. This results in reduced computation complexity and better performance. （3） Cascaded equalizer and Turbo-Trellis Coded Modulation （TCM） decoder and the iteration algorithm. A new bitsymbol converter based on Soft Output Viterbi Algorithm （SOVA） is studied. Comparing with the traditional decision, coding and mapping algorithm, the new converter can reduce Bit Error Rate（BER） by nearly 2 orders. Part 2 is mainly around a robust image compression algorithm. Based on Discrete wavelet transform and fixed length coding, a robust compression algorithm for acoustic image is studied. The algorithm includes 4 technical points. （1） Utilizes CDF9/7 wavelet bases to transform the images. （2） Analyses the energy distribution of subband coefficients. Suitable transformation layer number is 3. （3） Applies different quantization steps to different subbands in accordance with their energy distribution. （4） Uses fixed length coding to prevent error propagation. The results show the algorithm achieves a balance among image quality, compression rate, and most important, robustness to BER. The compressed bit rate of gray scale acoustic image is 0.85 bit/pixel. Image quality remains good when BER is lower than 10^-3. There are some small dirty points when BER rises to 10^-2. Based on the signal processing techniques above mentioned, an underwater acoustic commumcation system is built. Its operational frequency band is （7.5-12.5） kHz. Its receiving array is an 8 elements uniform linear array. QPSK and 8PSK modulation and iteration algorithm for cascaded equalizer and 1-Turbo-TCM decoder based on hard SOVA are used. The system has been tested in Qiandao Lake. Low BER is achieved in 5.5 km range when data rate is 10 kbps. One gray scale image can be transmitted in 7 s. The product of its communication distance and data rate is 55 km kbps.     

基于单矢量差分能量检测器的扩频水声通信

通过获得扩频处理增益, 直接序列扩频水声通信系统具有较高的稳定性, 是高质量水声通信及远程水声通信的首选通信方式. 但复杂的海洋环境使得直扩系统在解扩时受到载波相位跳变的影响, 这将导致直扩系统的扩频处理增益下降. 为此, 本文针对直扩系统提出了差分能量检测器算法, 通过比较接收端相关器输出能量完成解码, 并与有源平均声强器算法相结合, 提出单矢量差分能量检测器算法. 该算法具有很好的抗载波相位跳变和多途扩展干扰的能力, 并可对信号方位信息实时跟踪估计, 利用估计方位进行矢量组合可获得矢量处理增益, 从而保证直扩系统可以在低信噪比、时变信道条件下稳定工作. 通过仿真分析和大连海试试验, 验证了本文提出的单矢量差分能量检测器算法的有效性和稳健性.