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一、語言信號處理及技術的發展
隨著科學技術的快速發展,語音信號處理取得了重大的進展:
20世紀60年代中期形成的一系列數字信號處理的理論和算法,如數字濾波器、快速傅立葉變換等是語音信號數字處理的理論和技術基礎。
70年代后期提出了用于語音信號的信息壓縮和特征提取的線性預測技術,并已成為語音信號處理最強有力的工具,廣泛應用于語音信號的分析、合成及各個應用領域,以及用于輸入語音與參考樣本之間時間匹配的動態規劃方法。
80年代初一種新的基于聚類分析的高效數據壓縮技術―矢量量化應用于語音信號處理中;而用隱馬爾可夫模型描述語音信號過程的產生是80年代語音信號處理技術的重大發展,目前HMM已構成了現代語音識別研究的重要基石。
目前,人工神經網絡的研究取得了迅速發展,它的許多成果也體現在有關語音信號處理的各項技術之中。
二、語音信號處理技術概述
語音信號處理是綜合性的多學科領域和涉及面很廣的交叉學科。它與語音學、語言學、聲學、認知科學、生理學、心理學等許多學科也有非常密切的聯系。
語言信號處理大都采用數字計算機技術,所以又稱為語言數字處理。語言信號處理的研究起源于對發音器官的模擬,即建立發音過程的數字模擬系統,亦即聲道數字模型的研究。利用這一模型,可對語言信號進行分析與合成,借以發展各種通信頻帶壓縮技術和保密通信的新體制。在語言分析合成的基礎上,研制出了各種語言自動識別裝置,賦予計算機以聽覺功能。語言的信息主要包含在語言信號的參數之中。因此,準確而迅速地提取語言信號的參數是進行語言信號處理的關鍵。常用的語言信號參數有:共振峰頻率、音調和嗓音噪聲的判別等。這類參數僅反映發音過程的一些平均特性,而實際語言的發音變化相當迅速,需用非平穩的隨機過程來描述。因此,研究語言信號動態的非平穩的參數分析方法得到迅速發展。
三、語音信號處理技術的應用
語言信號處理的研究應用于工業中,話控技術可提高生產的自動化水平,提高生產效率;醫療部門可通過語言信號處理對聾啞病人進行病情診斷。公安部門可利用發音特征的鑒別對作案人進行鑒定;國防部門能實現高保密通信,還可實現指揮員直接口呼命令;其中最重要應用包括語音編碼、語音合成、語音識別以及語音增強等。
(一)語音編碼
目前語音編碼分為三類:波形編碼、參量編碼和混合編碼。主要應用在通信領域。語音信號的傳輸和存儲是語言信號的基本要求。對語音信號的傳輸,希望是傳輸的速度快,傳輸的質量高;對語音信號的存儲,希望存儲的空間小,存儲的信息多。這兩個方面的要求,促進了語音編碼的產生。語音編碼算法可以解決語音傳輸和存儲的問題。所以,語音編碼具有十分重要的價值,是目前語音信號處理最廣泛的算法。
(二)語音合成
語音合成和語音識別技術是實現人機語音通信,建立一個有聽和講能力的口語系統所必需的兩項關鍵技術。語音合成,又稱文語轉換(Text to Speech)技術,能將任意文字信息實時轉化為標準流暢的語音朗讀出來。它涉及聲學、語言學、數字信號處理、計算機科學等多個學科技術,是中文信息處理領域的一項前沿技術,解決的主要問題就是如何將文字信息轉化為可聽的聲音信息。
(三)語音識別
語音識別技術就是讓機器通過識別和理解過程把語音信號轉變為相應的文本或命令的高技術。語音識別技術所涉及的領域包括:信號處理、模式識別、概率論和信息論、發聲機理和聽覺機理、人工智能等等。
語音識別的應用領域非常廣泛,常見的應用系統有:語音輸入系統、語音控制系統、語音撥號系統、智能對話查詢系統等等。
(四)語音增強
語音增強是語音信號處理的重要應用之一。由于人們在語音通信過程中不可避免地會受到來自周圍環境、傳輸媒介引入的噪聲,通信設備內部電噪聲,乃至其它講話者的干擾。這些干擾最終將使接收者接受到的語聲已非純凈的原始語音信號,而是受噪聲污染的帶噪語音信號。語音增強技術就成為數字語音信號處理中的重要組成部分。
所謂語音增強就是對帶噪語音進行處理,以改善語音質量。提高語音的清晰度、可懂度和舒適度,使人易于接受或提高語音處理系統的性能。大多數實用的語音增強系統均是由精確的噪聲估計器和良好的濾波器來實現對帶噪語音進行去噪。所以,研究語音增強具有十分重要的價值,無論在民用還是在軍用都有非常大的應用前景。
(五)潛在的語音信號處理應用
語音信號處理在手持設備、移動設備和無線個人設備中的應用正在不斷增加。語音功能為用戶提供自然的輸人和輸出方式,它比其他形式I/O更安全。在大多數應用中,語音都是鍵盤和顯示器的理想補充。其他潛在的語音應用包括如下幾個方面:①個人信息管理。允許用戶通過語音指定預約、查看日歷、添加聯絡信息等等。②信息檢索。股票價格、標題新聞、航班信息、天氣預報等都可通過語音從互聯網收聽。③語音導航。在自動和人眼不夠用的條件下獲取導航的完全語音輸人/輸出駕駛系統。④語音瀏覽。利用語音程序菜單,用戶可以在網上沖浪、添加語音收藏夾并收聽網頁內容的讀出。⑤語音電子郵件。包括瀏覽郵箱、利用語音輸入寫電子郵件以及收聽電子郵件的讀出。
四、總結與展望
隨著計算機技術、數字信號處理技術和大規模集成電路的迅速發展,語音信號處理是目前發展最為迅速的信息科學研究領域的核心技術之一。語音具有便捷性、高效性、隨機性、交互性等顯著特點,是實現人機交互的一種重要通信方式,進一步提高社會的信息化和自動化程度。
參考文獻:
[1]楊行峻等,《語音信號數字處理》電子工業出版社 1995年
[2]劉靜萍,姜占財,德熙嘉措,語音信號的預處理技術探討[J] 甘肅聯合大學學報(自然科學版) 2006年05期
[3]韓紀慶,張磊,鄭鐵然,韓紀慶著,《語音信號處理》 清華大學出版社 2004年9月
[3]春勇,語音數據信號高質量無線傳輸解決方案[N] 電子報 2001年
發射分集的概念由接收分集技術引伸而來。它是為減弱信號衰落的效果，使用多個獨立的天線或相關天線陣列，把發射信號的復本以空間冗余的形式提供給接收端。分集發射利用不同基站或同一基站中不同位置的天線發射信號到達移動臺的不相關性，借助移動臺的Rake分集接收功能，分別接收由不同天線或不同基站發出的信號再分集合并，從而提高系統性能。
空時編碼(STC)是近年來移動通信領域出現的一種新的編碼和信號處理技術，在發射端和接收端同時使用多個天線進行信息的發射和接收，在不同天線發射信號之間引入時域和空域相關，綜合利用時域和空域二維信息，在接收端進行分集接收。空時編碼將空間分集、頻率分集及時間分集結合在一起，從通信系統的整體出發，提高多徑衰落信道的通信質量和數量。
圖1
由于移動用戶的增多，移動通信業務從單純的語音業務擴展到多媒體業務，無線頻譜資源日趨緊張，從而追求盡可能高的頻譜利用率已成為研究的熱點和重點。長時間以來，人們一直致力于開發高效的編碼、調制和信號處理技術以提高無線頻譜的效率。基于發射分集的空時編碼技術就是能夠有效提高無線頻譜利用率的重要方案之一，這是人們在對發射分集和空時編碼的重要意義認識的基礎上取得的豐碩成果。
1 基于發射分集的空時碼編碼原理
基于發射分集的空時碼分為空時格形碼STTC(Space-Time Trellis Code)和空時分組碼STBC(SpaCETime Block Code)，其編碼原理分別如下。
1．1 空時格形碼(STTC)
空時格形碼是將格形碼與多個天線相結合的一類空時碼。圖1給出了一種空時格形編碼方案。在第k個時刻有b個比特信息輸入到編碼器中，在該編碼器中還包括若干個存儲器，用于存儲k-1，k-2,……．時刻的輸入信息，這些存儲器的個數由編碼網格圖的狀態數決定。輸入的信息經過信道編碼器之后有n個輸出，每個輸出在格(Lattice)Z2b內取值，然后每個輸出分別送人對應的脈沖形成器，其輸出再送到調制器，形成規模為2b的空間內的星座點發送出去。Ckj表示第k個時刻第i個天線上發送的信息符號星座點。如果在準靜態衰落條件下，即在一幀信息內信道的衰落保持不變，而幀與幀之間的衰落也相互獨立，將lb個輸人比特送人編碼器，把這些比特分為l組，每組b個比特，則重排串符號星座點碼字C11C12…C1nC21C22…C2n…Cl1Cl2…Cln。通過適當的編碼方式，這種空時編碼方案可分別獲得最佳的分集增益和編碼增益。
1．2 空時分組碼(STBC)
從降低譯碼復雜度出發，Alamouti提出一種利用兩根發射天線的傳輸方法。在此基礎上，Tarokh利用廣義正交設計原理將其推廣，提出了空時分組碼的概念。
圖2是空時分組碼編碼原理框圖。輸入信息首先分成兩個符號一組[C1,C2]。經過空時分組編碼后，在兩個符號周期內，兩天線同時發射兩個符號。第1周期，天線1發cl，天線2發c2；在第2周期，天線1發-c2*，天線2發c1*(上標*表示取復共軛)。編碼矩陣的每一列符號同時在不同天線上發送出去，在一個天線上發送出去的星座點符號與另外任意天線上發送出去的符號是正交的。
2 應用舉例
2．1 CDMA系統的空時格碼調制
圖3是CDMA系統的空時格碼調制STTCM(SpaCETime Trellis Coded Modulation)發射機和接收機原理方框圖。在此假定m=n=2(m為接收天線個數，n為發射天線個數)。對CDMA系統而言，在天線1和天線2上，同一用戶數據部分使用相同的擴頻碼，但使用不同的導頻。
圖4是兩天線8狀態空時格碼柵格及QPSK星座圖(即空時編碼柵格圖和星座圖)。卷積編碼為(2，1，3)，碼速率為1／2，卷積碼狀態數為8，幀結構為導頻符號加數據。其中s1表示在第一個天線上發送，s2表示在第二個天線上發送。理論證明，該空時碼可得到最優的特性，即可取得最大分集增益和編碼增益。空時格形碼的譯碼， 可采用VITERBI譯碼或BCJR-MAP算法。
2．2 WCDMA的空時分組編碼發射分集(STTD)
由于空時分組碼相對簡單的譯碼算法和較好的性能，WCDMA下行開環發射分集中采用了空時分組編碼技術。WCDMA的空時分組編碼發射分集STTD(SpaCETime transmit Diversity)原理框圖如圖5所示。信源比特流先經過STTD編碼，分成了A、B兩路，每一路又分成I、Q兩路，用信道碼和長擾碼進行擴頻調制，最后進行正交載波調制，分別從天線A、B發射。
STTD編碼后，每一路都由串變并，進行QPSK編碼。實際上，是將信號轉換成雙比特的復信號傳輸。將(2)式的基帶信號進行QPSK載波調制，并用復變量表示，得到天線A和天線B上的發射信號分別為：
s1=b0+jb1;s2=b2+jb3 (1)
假設兩根天線是相互獨立的，兩個獨立的衰落信道的沖激響應分別為丸h1、h2，則接收的信號為：
將（2）式的基帶信號進行QPSK載波調制，并用復變量表示，得到天線A和天線B上的發射信號分別為：
TA1=s1·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)
TA2=s2·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)
TB1=-s2·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)
TB2=-s1·(cos(wct)Wki+jsin(wct)Wkq)
假設兩根天線是相互獨立的，兩個獨立的衰落信道的沖激響應分別為h1、h2，則接收的信號為：
對(3)式進行載波和擴頻解調，解調后得到I、Q兩路數字信號，送人最大似然判決器，進行最大似然解碼。
3 基于發射分集的空時碼的性能分析
基于發射分集的空時碼集發射分集與空時編碼于一體，具有較好的頻率和功率有效性，大大改善了移動通信系統的信息容量和信息率，充分利用了無線頻譜資源。實驗仿真表明，基于發射分集的空時碼頻帶利用率可達到20～40bps／Hz，空時格形碼和空時分組碼均可達到系統提供的最大分集增益。
由于空時格形碼考慮了前后輸入的關聯，它除了可以獲得分集增益外還可以在不犧牲系統帶寬的前提下獲得一定的編碼增益。因此，它比空時分組碼具有更好的性能，抗衰落能力較強。窆時格形碼的主要缺點是編碼時搜索好碼比較困難，譯碼過程也比較復雜。對于發射天線數固定的空時格形碼而言，其譯碼復雜度(由譯碼器網格圖中的狀態數來衡量)將隨著傳輸速率的增加呈指數增加。空時格形碼另外兩個缺點是：采用軟輸入軟輸出的最大后驗概率MAP算法譯碼時譯碼延時較大，對于語音業務來說無法忍受；碼優化難度大，串行級聯系統的STYC碼優化準則目前還沒有確立。正是由于以上問題的存在，空時格形碼的實用化進程比較緩慢，實現難度較大。
空時分組碼構造容易，譯碼簡單。通過編碼正交設計，發射分集獲得了兩個顯著特性：一是正交設計使系統在全分集時提供了最大的發送速率，因而沒有損失傳送帶寬；二是應用編碼矩陣列之間的正交性，接收端獲得最佳信噪比，可以用最簡單的最大似然解碼算法進行解碼。空時分組碼的主要缺點是性能改善有限，不能像空時格形碼一樣通過增加狀態數來改善性能，抗衰落性能也不是很理想。此外，在譯碼時需要知道準確的信道衰落系數，這就要求發射端發射不同的導頻序列，接收端采用大量的信道估計運算，才可以達到空時分集效果。當空時分組碼與交織技術結合使用時，性能則有較大改善。根據正交設計理論的空時分組碼雖然不能獲得編碼增益，卻具有很低的譯碼復雜度，并且還可能得到最大的發射分集增益，所以已經被正式列入WCDMA提案中。
圖5
4 基于發射分集的空時碼的研究方向和發展展望
當前空時格形碼的設計中主要使用內積距離和漢明距離，在空時格碼編碼中如何尋找更合適的設計準則是一個值得深入研究的方向。V．Tarokh等人雖然給出了Rayleigh Ricean信道下的性能限，但是仍然缺乏更進一步對衰落信道的容量分析。空時格形碼與其它技術的結合(如智能天線、多用戶檢測和多重格碼調制MTCM的結合)已成為研究的熱點。