一種基于CVSD 編碼特征的失步檢測(cè)方法*

廖蓉暉，許志強(qiáng)，張鶴鳴

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

連續(xù)可變斜率增強(qiáng)調(diào)制（Continuously Variable Slope Delta，CVSD）編碼方式，是一種適用于不同信道傳輸特性的語音編碼。CVSD 編碼速率為9.6～64 kbit/s，采樣頻率通常為16 kHz 或32 kHz，其編碼信噪比與采樣頻率成正比，信噪比隨著采樣頻率提升，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)30 dB，可滿足大部分通信系統(tǒng)的語音質(zhì)量要求。由于CVSD 按照單比特編碼，收發(fā)兩端之間無須進(jìn)行嚴(yán)格的編碼比特對(duì)齊，因而具有強(qiáng)抗誤碼能力，在10-3傳輸信道誤碼情況下仍可保持較高的通話質(zhì)量（MOS 分≥3.5），因而得到廣泛的應(yīng)用，尤其在野戰(zhàn)綜合通信網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、無線廣播、移動(dòng)通信網(wǎng)等通信系統(tǒng)中已經(jīng)使用CVSD 編碼多年。

雖然CVSD 編碼具有較好的抵抗信道誤碼能力,但無線傳輸信道普遍存在著延時(shí)、抖動(dòng)、誤碼、丟包、亂序等情況。近年來，隨著對(duì)通信安全保密重視程度的提升，無線信道通常采用加擾或加密方式對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，這要求語音數(shù)據(jù)在收發(fā)兩端傳輸同步，目前通常采用插入同步碼方式，這種方式需占用信道冗余帶寬（傳輸有效載荷之外的信道資源），尤其針對(duì)短包數(shù)據(jù)的開銷較大。本文提出一種基于CVSD 編碼特征的同失步檢測(cè)方法，通過對(duì)CVSD 編碼“特征碼型”的統(tǒng)計(jì)、分析，可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)CVSD 通話狀態(tài)的快速檢測(cè)。

1 現(xiàn)有檢測(cè)方法

當(dāng)前通信過程中常用的同失步檢測(cè)為：發(fā)端插入同步碼，收端逐位比較。這種方法需要利用信道冗余帶寬，發(fā)端周期性集中或分散插入同步碼以指示傳輸數(shù)據(jù)中編碼或加擾起始點(diǎn)。其基本工作原理如圖1 所示。

圖1 插入同步碼

接收端產(chǎn)生一組與發(fā)送端插入同步碼相同的本地同步碼組，在識(shí)別電路中對(duì)本地同步碼組與接收的信號(hào)序列進(jìn)行逐位比較、識(shí)別，實(shí)現(xiàn)同失步檢測(cè)[1]。

當(dāng)系統(tǒng)處于同步狀態(tài)時(shí)，各個(gè)對(duì)應(yīng)比較的碼位都相同，則沒有失步脈沖輸出；當(dāng)系統(tǒng)處于非同步狀態(tài)，對(duì)應(yīng)比較的碼位不同，這時(shí)就有失步脈沖輸出，使本地同步碼組逐位移動(dòng)，向接收序列中的同步碼組靠近，直至重新進(jìn)入同步狀態(tài)，如圖2 所示。

圖2 逐位比較法電路原理

由于逐位比較的失步檢測(cè)方法首先要求傳輸信道提供額外的帶寬資源，并且插入幀同步碼會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，同時(shí)為降低載荷數(shù)據(jù)的偽同步概率，同步碼組往往較長(zhǎng)，因此信道的容量勢(shì)必會(huì)降低。此外，在通信過程中，還可能由于傳輸信道誤碼，導(dǎo)致同步識(shí)別電路也會(huì)被誤認(rèn)為失步，從而造成“假失步”的情況。

2 CVSD 編碼原理

CVSD 采用差分波形量化技術(shù)，其自適應(yīng)量化器根據(jù)輸入語音信號(hào)平均斜率的大小連續(xù)調(diào)整量化步長(zhǎng)。通過量化步長(zhǎng)的自動(dòng)調(diào)整，使其較好地匹配語音信號(hào)的短時(shí)特性，防止因輸入信號(hào)振幅過大導(dǎo)致斜率過載和顆粒失真等情況，并且可在保證大信號(hào)性能的同時(shí)，高精度地跟隨通話中出現(xiàn)的小幅度信號(hào)波動(dòng)，以保障編碼數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提升通話質(zhì)量[2]。

CVSD 編碼原理為，通過量化步長(zhǎng)實(shí)時(shí)跟蹤輸入信號(hào)的斜率，折線斜率為正表示輸入信號(hào)X(t)相較反饋信號(hào)Xp(n)更大，對(duì)應(yīng)輸出二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)為“1”；折線斜率為負(fù)表示輸入信號(hào)X(t)相較反饋信號(hào)Xp(n)更小，對(duì)應(yīng)輸出二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)為“0”。當(dāng)輸出值連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)“1”或“0”時(shí)，表示可能發(fā)生斜率過載，CVSD 編碼器自動(dòng)對(duì)量化步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，確保對(duì)原始輸入信號(hào)的高精度跟隨[3]。當(dāng)編碼連續(xù)輸出5 個(gè)以上的“1”或連“0”碼時(shí)，預(yù)示輸入語音信號(hào)的幅度快速增加，編碼器增大量化步長(zhǎng)；當(dāng)一段時(shí)間未出現(xiàn)連續(xù)“1”或“0”碼時(shí)，表明輸入語音信號(hào)較為平緩，量化步長(zhǎng)則相應(yīng)地降低。系統(tǒng)工作架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 CVSD 語音編碼架構(gòu)

CVSD 的解碼處理流程與編碼類似，通過輸入的數(shù)字信號(hào)中“1”和“0”的碼型預(yù)測(cè)語音信號(hào)的斜率變化，同步調(diào)整量化步長(zhǎng)，并在最后增加一個(gè)抑制帶外干擾的低通濾波器（Low-Pass Filter，LPF），確保準(zhǔn)確還原原始的語音信號(hào)[4]。

3 基于CVSD 編碼特征的檢測(cè)方式

3.1 工作原理

根據(jù)上文介紹的CVSD 編碼思路，筆者認(rèn)為自然界中正常的各類聲音信號(hào)（例如人類話音、鈴音、音樂、背景聲、汽車鳴笛等）均是較為平緩、漸變的，在經(jīng)過CVSD 采樣、量化、編碼后，表現(xiàn)為在周期內(nèi)“特征碼型”（例如：連續(xù)多個(gè)“1”碼或“0”碼，101010 碼等）出現(xiàn)的概率滿足一定的規(guī)律，同時(shí)能量分布較為均勻。一旦出現(xiàn)周期內(nèi)“特征碼型”統(tǒng)計(jì)超出設(shè)定門限閾值以及高能量分布，則表明通信中的語音信號(hào)發(fā)生了不規(guī)律的跳變，預(yù)示著語音通信中出現(xiàn)了大量噪聲，即通話當(dāng)前處于異常或失步狀態(tài)，如圖4 所示。

圖4 語音數(shù)據(jù)解析

從圖4 可見，正常音頻數(shù)據(jù)總體按照一定規(guī)律相對(duì)平緩地變化，而一場(chǎng)音頻數(shù)據(jù)的變化存在較大的隨機(jī)性，而且跳變頻率和幅度較為劇烈[5]。因此，基于CVSD“特征碼型”分布規(guī)律，通過對(duì)語音數(shù)據(jù)本身特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，可在不增加額外帶寬開銷的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)語音通信系統(tǒng)的失步、異常等狀態(tài)的監(jiān)測(cè)[6]。

3.2 特征碼型

通過對(duì)人類話音、鈴音、音樂、背景聲、汽車鳴笛等原始音頻信號(hào)進(jìn)行CVSD 編碼之后得到的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，周期時(shí)間內(nèi)特征碼的分布可較為準(zhǔn)確地反映當(dāng)前通信狀態(tài)。在正常通話或音樂數(shù)據(jù)中，CVSD 特征編碼表現(xiàn)為自然、平緩的變化；當(dāng)發(fā)生通話失步、通信中斷時(shí)，特征編碼的分布則發(fā)生異常跳變，如圖5、圖6 所示。

圖5 CVSD 語音特征編碼統(tǒng)計(jì)

圖6 CVSD 音樂特征編碼統(tǒng)計(jì)

根據(jù)大量數(shù)據(jù)分析，總結(jié)了3 種較為通用的CVSD 特征碼型如下：

（1）極值碼：00001111。

（2）靜噪碼：10101010。

（3）全零碼：00000000。

通過在檢測(cè)周期內(nèi)對(duì)“特征碼型”的統(tǒng)計(jì)、分析，再與預(yù)設(shè)正常聲音信號(hào)的門限閾值進(jìn)行比較，可較為準(zhǔn)確地判斷當(dāng)前語音通信處于同步或失步狀態(tài)[7]。

3.3 實(shí)施方案

CVSD 編碼數(shù)據(jù)中任意比特可作為特征編碼分析的起始點(diǎn)，按比特進(jìn)行移位，將數(shù)據(jù)送入8 位移位寄存器實(shí)現(xiàn)CVSD 話音編碼數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換

每一個(gè)新比特移入寄存器，可讀取一字節(jié)數(shù)據(jù)，并對(duì)該字節(jié)數(shù)據(jù)的特征碼型根據(jù)CVSD 特征碼型進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。每次統(tǒng)計(jì)新增的特征碼型加入對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器中，檢測(cè)周期結(jié)束后清零，并將統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器的值與預(yù)設(shè)的判決門限進(jìn)行分析比較，可得出較為準(zhǔn)確的通信正常或異常狀態(tài)指示。

根據(jù)對(duì)自然語音、異常通話的編碼數(shù)據(jù)的測(cè)試分析，可提出初步判決標(biāo)準(zhǔn)如下文所述。

（1）統(tǒng)計(jì)周期：200～1 000 ms。

（2）判決門限：極值碼統(tǒng)計(jì)值大于12%，靜噪碼統(tǒng)計(jì)值大于5%，全零碼統(tǒng)計(jì)值小于3.2%。

當(dāng)一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期的數(shù)據(jù)滿足上述3 個(gè)條件之一，則表示當(dāng)前通信正常；3 個(gè)條件均不滿足，則表示通信發(fā)生異常。統(tǒng)計(jì)周期長(zhǎng)短可根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，但需注意過長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)周期可能導(dǎo)致檢測(cè)效率的降低，而過短檢測(cè)周期則會(huì)提升誤判概率，需按照實(shí)際需求選擇。此外，CVSD 算法包括16 kbit/s、32 kbit/s 等多種工作模式，相應(yīng)統(tǒng)計(jì)周期、統(tǒng)計(jì)值等參數(shù)也需進(jìn)行對(duì)應(yīng)的調(diào)整，以提升檢測(cè)效率。

4 結(jié)語

綜上所述，本文主要從編碼特征的角度對(duì)CVSD 算法進(jìn)行了研究，通過對(duì)自然界各類聲音信號(hào)的仿真分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，提煉對(duì)應(yīng)的CVSD 特征碼型，并通過對(duì)統(tǒng)計(jì)周期編碼數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，證明所提方法可以在無須插入同步碼組、不占用信道資源的情況下實(shí)現(xiàn)通信狀態(tài)檢測(cè)，還能提供較強(qiáng)的抗信道誤碼能力，有效防止“假失步”現(xiàn)象。本文提出的基于CVSD 編碼特征的通信狀態(tài)檢測(cè)算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、角度新穎，無論采用軟件、硬件均可實(shí)現(xiàn)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。