【導讀】已不能完全滿足現有市場對通信質量的要求。針對如何提升通信速率和可靠性的。問題，本文中利用網格編碼調制技術來實現語音信號編解碼。文中對TCM在通信中應用的關鍵技術作了。詳細研究，包括殼狀映射、星座整形和卷積碼編譯碼。TCM接收端用維特比譯碼。算法來完成譯碼糾錯。本文以TMS320C6416DSP為核心部件，設計了一種通用語。音信號處理硬件平臺。圍繞DSP的體系結構，應用EDMA、McBSP和AIC23等。通過性能測試及Matlab系統(tǒng)仿真，驗證了上述TCM傳輸方案的有效

　　

【正文】 W ?2 nW23 nW ?3 nW24 nW ?4 nW2 T 2 T 圖 16 狀態(tài)卷積編碼器 18 基于 C6416DSK 的音頻 TCM 編解碼的程序開發(fā) 上圖中的 1nW ， 2nW ， 3nW ， 4nW ，表示編碼器的狀態(tài)，由此得到該編碼器的狀態(tài)轉移表，其中每列對應于一種輸入，每行對應一種現態(tài)（ 1nW ， 2nW ， 3nW ，4nW ），表格中的值表示次態(tài)。 表 狀態(tài)轉移表 21YY 1nW 2nW 3nW 4nW 00 10 01 11 0000 0000 0110 0001 0111 0001 1100 1010 1101 1011 0010 0001 0111 0000 0110 0011 1101 1011 1100 1010 0100 0010 0100 0011 0101 0101 1110 1000 1111 1001 0110 0011 0101 0010 0100 0111 1111 1001 1110 1000 1000 0100 0010 0101 0011 1001 1000 1110 1001 1111 1010 0101 0011 0100 0010 1011 1001 1111 1000 1110 1100 0110 0000 0111 0001 1101 1010 1100 1011 1101 1110 0111 0001 0110 0000 1111 1011 1101 1010 1100 如前所述，本系統(tǒng)中選用了表格中所述的 16 態(tài) 2/3 卷積編碼起來產生 TCM 編碼，而該表格所示的有限狀態(tài)機在程序中很容易用數 組方法來實現。所以本系統(tǒng)中用一個 16? 4 的數組來記錄卷積編碼器的各種狀態(tài)和轉移值。 當前所發(fā)送的兩個二維符號確定后，需要確定卷積編碼器的下一個輸入 21YY，即符號到比特的轉換。由于本系統(tǒng)僅適用 16 態(tài) 2/3/卷積編碼器，所以對參考資料中的 Figure 9/ 和 TABLE13/ 做了簡化。本系統(tǒng)中用如下的表格來決定 21YY，其中列變量表示需發(fā)送的四維符號中的 第一個二維符號取值，行變量表示第二個二維符號取值，表格中的值表示 21YY。 表 符號比特轉化表 A(00) C(01) B(10) D(11) A(00) 00 00 01 01 C(01) 11 10 10 11 B(10) 01 01 00 00 D(11) 10 11 11 10 第二章 TCM 網格編碼調制 19 所以，在軟件實現時，當殼狀映射在二維子網格 A 中選出需要的兩個星座點，由差分編碼器決定 Z(m)，并由 Z(m)， 1I 和前一個四維符號反饋回來的 0Y 決定這兩個星座點所需要旋轉的角度，也就是從表格中挑出一個四維子網格，從而確定所需要發(fā)送的四維符號，并根據表格決定卷積編碼器的輸入比特 21YY。 在上面的實現中，用有限狀態(tài)機來表示卷積編碼的另一個好處是是程序有較好的靈活性和可擴充性。當需要改變卷積編碼器的方式，如選用更復雜的 32 態(tài) 3/4編碼器或 64 態(tài) 4/5 編碼器時，只需要更改和擴大表格（數組），就可以實現，而不必改動發(fā)射端的其他部 分的軟件。 基于 標準的接收端關鍵技術 [4] 信號處理的接收端部分，其主要功能是實現信號解碼，還原發(fā)送端的輸入數據碼流。在本系統(tǒng)中主要采用了維特比譯碼算法，再結合逆差分編碼和反殼狀映射，就可以恢復原始碼流。接收端結構如下圖所示： ?????????????????? ?, , , 1 , , , 2 , , , , ...... ,i j k i j k i j k qQ Q Q? ?, 1 , 2 , , .. .. .. ,i i i KS S S? ?,i j kmi, j,1Ii, j,2Ii,j ,3I()Zm? ?0mU??????? ???????? 圖 TCM 解決方案接收端框圖 四維網格編碼調制的 Viterbi 譯碼 TCM 的最大似然譯碼采用的都是 Viterbi 譯碼算法。我們假設發(fā) 送端發(fā)出的信號序列是 V ，經信道傳輸變形后接收端實際收到的序列是 R ，我們通過對 V 和 R 兩個序列間每個元素的逐一比較，找出相似度最大的那個序列，作為譯碼輸出序列?V ，使之滿足條件： 20 基于 C6416DSK 的音頻 TCM 編解碼的程序開發(fā) ?( , ) m a x ( , )R V R V??? (223) 建議采用四維星座，每個四維星座點其實可以看出是兩個連續(xù)二維點的串聯(lián)。在第二節(jié)的四維網格編碼中我們已經說明了在四維星座中，通過 4 個二維子集的組合成 8 個四維星座。 我們這里定義兩個四維星座點之間的相似度為其下串聯(lián)的二維點各自的歐氏距離之和。在維特比解碼算法中，一個需要考慮的實際問題是解碼器的深度（ Path Memory Truncation）。對于線性卷積編碼器，給出了其參考值，一般約為編碼器約束長度的 4 至 5 倍。本系統(tǒng)中采用的是非線性的，很難確定精確的約束長度。另外，解碼器深度也決 定了解碼延遲。如果延遲過大，對語音數據傳輸來說會影響通話質量。綜合以上考慮，并注意到本系統(tǒng)的 16 態(tài)編碼器由 4 個 2T 延遲器組成，本系統(tǒng)選用的是解碼深度為 16 個四維符號間隔。 對于長序列，我們無法求出全序列的相似度，只能求出截止某一時刻的累積相似度，稱為路徑度量。而每個碼元的分支度量我們稱為分支度量。 算法實現的步驟如下： 1. 對于每個進入的四維信號將其串聯(lián)的兩個二維信號點拆開。 2. 計算每個二維信號點的分支度量。 3. 將兩個二維信號點的分支度量相加得到四維信號點的分支度量。 如下圖所示：即計算每個二維子 集里的信號點與收到點的平方歐氏距離，取最小的平方歐氏距離作為二維子集的量度。 第一個收到的2 D 信號點第二個收到的2 D 信號點確定每個二維子集的量度確定每個二維子集的量度確定每個四維子集的量度 圖 計算四維量度圖 1. 把該四維點的分支度量加入到路徑度量當中去。先確定 16 個四維子集的量度，其量度為組成它的兩個二維子集的量度和，然后比較同一子集 4iC 中的兩個四維子集量度，較小者作為 4iC 的量度。維特比譯碼的功能框見下圖： 第二章 TCM 網格編碼調制 21 ??????????????????????????????????????????? 圖 維特比譯碼框圖 2. 通過新的路徑度量計算出譯碼結果。 反點映射 反點映射單元包含：反殼狀映射、差分譯碼和比特恢復。 反殼形映射就是把接收的 N 維圓環(huán)序列還原為起始發(fā)射端的 k 比特，計算所接收的 N 維圓環(huán)序列在表中的標號，即所接收圓環(huán)序列在表中的位置與表的起始位置之間的表項的個數。同發(fā)射端一樣，假設用 0R 表示發(fā)射端輸入的 k 個二進制數據對應的值，協(xié)議中接收端還是采用了由 2()gp、 4()gp、 8()zp組成的三個表，以 p 為變量，通過查表來實現編碼算法。最終通過輸入反殼形映射器的一組八維的圓環(huán)序列 (每映射幀 8 個二維符號執(zhí)行一次 )求出 0R 。 同發(fā)射端，首先恢復出八個整數 A， B， C， D， E， F， G， H， , 0 , 0 , 0 ,1 ,1 , 0 ,1 ,1 , 2 , 0 , 2 ,1 , 3 , 0 , 3 ,1i i i i i i i iA m m m m m m m m? ? ? ? ? ? ? ? (224) , 0 , 0 , 0 ,1 ,1 , 0 ,1 ,1i i i iB m m m m? ? ? ? (225) ,0,0 ,0,1iiC m m?? (226) ,2,0 ,2,1iiD m m?? (227) , 0 , 0, 0 ,1 C M1 C Mi imEMm??? ? ? ? ??? (228) ,1 , 0,1 ,1 B C M1 B C Mi imFMm??? ? ? ? ??? (229) , 2 , 0, 2 ,1 D M1 D Mi imGMm??? ? ? ? ??? (230) 22 基于 C6416DSK 的音頻 TCM 編解碼的程序開發(fā) , 3, 0, 3, 1 A B D M1 A B D Mi imHMm??? ? ? ? ??? (231) 通過查 2()gp， 4()gp， 8()zp三張表，分別可以求出 2()gC、 2()gD、 4()gB、8()zA的值，根據發(fā)射端的編碼方案，從以下幾步恢 復出 0R 。 1. 由 ,DGH 以及 2()gD的值可以求得 52()R Hg D G??； (232) 2. 由 ,CEF 以及 2()gC的值可以求得 42()R Fg C E??； (233) 3. 由 5R 的值以及 ,ABD 代入下式求得 13 5 2 20 ( ) ( )DpR R g p g A B p??? ? ? ?? (234) 由 4R 的值以及 ,BC代入下式求得 12 4 2 20 ( ) ( )CpR R g p g B p??? ? ?? (235) 4. 由求得的 B 、 4()gB、 2R 、 3R 代入下式求得 1 2 4 3()R R g B R?? (236) 5. 由 1R 、 8()zA、 A 以及 B 代入下式求得 10 1 8 4 40( ) ( ) ( )BpR R z A g p g A p??? ? ? ?? (237) 由于 0R 表示發(fā)射端輸入的 k 個二進制數據對應的值，所以即可求得 k 個二進制數據，組成 S 比特。 由于在發(fā)射端對 I 比特組進行了差分編碼，所以在接收端為了 恢復 I 比特組就需進行差分譯碼。差分譯碼剛好是發(fā)射端差分編碼的反過程，如下圖所示： 2 T? ()Im()Zm( 1 )Zm ?m od 4 圖 差分解碼 差分譯碼的輸入數據是 ()Zm、 ( 1)Zm? 、 ()Wm，譯碼規(guī)則如下： ,( 3 2 ) [ ( ) ( 1 ) ] m od 4i j i jI I Z m Z m? ? ? (238) ,( 1 0) [ ( ) ( ) ] m od 4ijI U W m Z m?? (239) 由式 (328)和式 (329)兩式的差分譯碼，可以恢復出 4 組 I 比特。 第二章 TCM 網格編碼調制 23 組合及解擾 執(zhí)行與發(fā)射端相反的操作，通過差分譯碼恢復出 4 組 I 比特，通過查表得出的8 組 Q 比特 (每組對應映射幀中的一個二維符號 )，殼形映射譯碼找出一組 S 比特，最后通過執(zhí)行與發(fā)射端分解部分相反的過程，通過 DSP 的裝載、移位和存儲操作，把以上共 13 組二進制數據重新組合成與發(fā)射端擾碼后相同的比特輸入序列 (理想情況下 )。 由于在發(fā)射端對數據進行了擾碼，所以接收端在把數據輸出之前，應采取相應的反操作，恢復原始的數據序列，所以在接收端加了解擾 器。由于擾碼器是一個反饋電路，那么解擾器相應的就應該是一個前饋電路，如圖 所示。 1z ? 1z ?1z ?1z ?1z ?? ?18G