无线衰落信道中不等保护能力AMR-WB的性能研究
2009-04-02
作者：刘 伟, 张建政, 祁志娟
摘 要： 针对无线衰落信道中AMR-WB宽带语音编码，提出一种基于多速率删余卷积码的不等错误保护传输方案。根据AMR-WB语音编码数据的不同重要性，采用强错误保护能力的删余卷积码为AMR-WB语音编码中的A类数据提供错误保护能力，对B类数据采用高码率删余卷积码提供错误保护能力。研究结果表明，在同样传输带宽条件下，不等错误能力保护可以有效改善无线衰落信道中AMR-WB语音质量。
关键词： 自适应多速率宽带语音编码；无线衰落信道；不等错误保护；删余卷积码
国际电信联盟ITU（International Telecommunication Union）于2003年发布了高质量的自适应多速率宽带AMR-WB(Adaptive Multi-Rate Wideband)语音编码G.722.2作为未来全球移动通信系统GSM（Global System for Mobile）与宽带码分多址WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access）移动通信系统的宽带语音编解码标准[1]。该语音编码标准采样率为16kHz，支持的语音带宽为50～7 000Hz，其语音质量相对于G.711、G.723、G.728都有明显提高。G.722.2采用代数码激励线性预测ACELP（Algebraic Code-Excited Linear Prediction）算法，提供比特率从6.60kb/s到23.85kb/s的9种不同的编码模式，语音声码器根据无线信道和传输状况来自适应地选择合适速率进行编码传输，支持不连续传输模式、语音激活检测和舒适背景噪声产生的功能[2]。AMR-WB宽带编解码标准可以应用于无线通信网络和有线通信网络， 解决了不同网络之间的语音编码方式的转换问题，可以缓解通信系统与设备之间不同语音编码方式转换带来的额外复杂性[3]。
如何提高无线衰落信道中AMR-WB语音的传输质量是无线多媒体通信研究的一个热点，其中不等错误能力保护UEP（Unequal Error Protection）是一种简单有效的手段。UEP通过对语音编码中不同类型的数据提供不同的错误保护能力来改善语音的传输质量。本文研究平坦Rayleigh衰落信道中UEP下AMR-WB的性能，采用不同码率的变速率删余卷积码RCPC（Rate Compatible Punctured Convolutional Codes）为AMR-WB语音编码数据提供的不同错误保护能力。研究结果表明，在语音质量感觉评价准则下，采用不等错误保护能力的RCPC可以改善衰落信道中AMR-WB语音的传输质量。
1 AMR-WB语音编码器的分类保护特性
AMR-WB编解码器是按20ms为一帧进行处理的，在每帧中包括了三部分：AMR-WB头部、AMR-WB辅助信息(模式预测4bit、模式要求4bit、CRC校验8bit)、AMR-WB核心帧。AMR-WB核心帧存放的是语音数据或舒适噪声参数。由编码器产生的比特顺序为{s(1),s(2),…,s(K)}, K代表不同的编码模式所产生的总比特数。这些比特在输出编码器之前将根据它们的主观重要性的不同而重新调整顺序，以达到不等错误保护的目的。排序算法为：
其中m=0,1，…,8为编码模式，tablem(j)的内容在G.722.2附件E表格E.5中给出。
重新排序的比特顺序变为{d(0),d(1),…,d(K)}，其重要性随着K的增大而减小。重新排序的比特流根据它们的主观重要性被分成A、B和C三类数据。不同模式下三类分配的比特数如表1所示。
A类数据中的比特对错误非常敏感，其中的错误都会严重影响解码端正常的解码操作，因此需要采用合适的错误隐藏方法进行解决，A类需要用在帧的辅助信息中加入CRC校验来对数据进行差错校验。8位CRC产生的多项式为
B类和C类较A类对错误有更强的鲁棒性，其中的比特错误会降低语音质量，但这些类的错误比特在解码过程中不会影响到语音的可懂度。B类比C类对错误更敏感些。
2 AMR-WB编码器算法
G.722.2中AMR-WB语音编码采用ACELP算法，编码模型为码激励线性预测CELP（Code Excited Linear Prediction）模型。CELP采用合成分析、码本搜索过程、感觉加权、矢量量化和线性预测技术[4]。CELP合成模型如图1所示。
在这种模型中，线性预测编码LPC（Linear Prediction Coding）滤波器是一个16阶的短时滤波器，其传输函数为：
其中,
是量化的线性预测滤波器系数，基音周期合成滤波器(长时合成滤波器)形式为：
其中, T为基音延时，gp为基音增益。CELP采用自适应码本中的一个矢量来逼近语音的长时基音结构；同时采用固定随机码本中的一个码矢量来逼近语音短时、长时预测后的残差信号。从两个码本中搜索出最佳码矢量，乘以各自的最佳增益后相加，得到CELP激励信号源。将激励信号输入线性预测综合滤波器1/A(z)，得到合成语音信号
与原始信号s(n)的误差经过感觉加权滤波器W(z)得到感觉加权误差e(n)，CELP用感觉加权的最小均方预测误差作为搜索最佳码矢量及其幅度的度量准则，使感觉加权误差最小的码矢量即是最佳码矢量。AMR-WB的感觉加权滤波器的形式为：
AMR-WB编解码器从每一帧中提取LPC滤波器系数、自适应码本和固定码本的序号和增益;对这些参数经过编码后传输到接收端。接收端从接收到的数据流中提取参数，构建滤波器来重建语音。
3 无线衰落信道的编码
RCPC是通过对标准码率为
码率的卷积码进行周期性删余得到不同码率兼容的卷积码，由同一个卷积码删余得到的各种码率的RCPC可以共用一个Viterbi译码器进行译码[5]。RCPC在通信系统中被广泛应用。本文利用不同速率的RCPC实现UEP功能，其中1/3卷积码的生成元为(13,15,17)8，自由距离为10，删余后1/2卷积码的生成元为(15,17)8，自由距离为6，二者共用一个Viterbi译码器[6]。图2为平坦瑞利信道中RCPC硬判决译码的性能，横坐标为比特信噪比(Eb/N0)，纵坐标为误比特率BER（Bit Error Rate）。
从图2可知,在相同的信噪比条件下，1/3码率的RCPC相对于码率为1/2的RCPC大约有2dB的编码增益。本文利用码率为1/2和1/3的RCPC实现AMR-WB数据的不等错误保护。
4 仿真与实验结果
在对语音文件仿真时，使用ITU-T G.722.2附件D提供的语音测试序列作为语音原材料。其文件名为tst.inp, 大小为125KB，采用ITU编码格式。实验过程为：AMR-WB编码器先对tst.inp进行压缩编码，输出码流经过RCPC信道编码之后采用BPSK进行调制，调制后的信号通过瑞利衰落信道传送到接收端；接收端采用与发送端相反的操作，最终得到以.out为后缀的语音输出文件。评判语音质量时采用ITU-T建议P.862.3中给出的语音质量感觉评价方法，即PESQ(Perceptual Evaluation of Speech Quality)算法[7]。PESQ得分用于衡量语音质量。
AMR-WB编码器提供了9种不同的编码模式，对每种模式都采用RCPC信道编码，对AMR-WB核心帧中重要程度最高的A类数据使用速率为1/3的信道编码，对B类数据使用速率为1/2的信道编码， C类数据没有编码比特，因此不予考虑。在不采用UEP时，对A和B类数据统一采用码率为4/9的RCPC，这样采用UEP和不采用UEP的编码方案具有相同的传输带宽。图3给出了tst.inp语音文件在采用UEP和不采用UEP情况下的部分语音时域波形图。从图中可以看出，在没有使用UEP情况下其质量相对要差一些。
对AMR-WB核心帧采用UEP方案的PESQ得分与没有采用UEP方案时的得分进行比较，可以得到图4的结果。在相同的编码模式下, 使用删余卷积码对语音进行删余保护，其PESQ值高于没有使用时的得分。从图中还可以看出在较低速率编码模式下两者的差别更为明显，说明在低速率语音编码情况下，采用UEP提高语音质量的效果更为明显。
本文利用不同码率的删余卷积码对AMR-WB核心帧中不同重要程度的语音编码数据提供不同的错误保护能力。研究结果表明，在相同传输带宽的条件下，不同错误保护可以改善AMR-WB语音质量，在低速率语音编码模式下效果更为明显。
参考文献
[1] ITU-T Recommendation G.722.2: Wideband coding of Speech at around 16kbit/s using Adaptive Multi-Rate
Wideband(AMR-WB) [S]. ITU, 2003.
[2] VARGA I, IACOVO R. Standardization of the AMR wideband speech codec in 3GPP and ITU-T [J]. IEEE Communications Magazine, 2006,44(5):66-73.
[3] OJALA P, LAKANIEMI A. Wideband speech codec: system characteristics, quality advances, and deployment
strategies [J]. IEEE Communications Magazine,2006,44(5):59-65.
[4] HUANG Yi Teng, BENESTY J. Audio signal processing for ext-generation multimedia communication systems [M]. Boston, MA, USA: Kluwer Academic Publishers.
[5] HAGENAUER J. Rate-compatible punctured convolutional codes(RCPC Codes) and their applications[J].IEEE Trans.Comm, Apr.1988,36(4):389-399.
[6] SHU LIN, COSTELLO D. Error control coding: fundamentals and applications [M]. Upper Saddle River, NJ,
USA: Prentice Hall, 2003.
[7] ITU-T recommendation P. 862.3: Application guide for objective quality measurement based on recommendations [S]. ITU, 2007.