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发信人: freshwind (浮云流水|生命何物), 信区: Communication
标  题: 三种数字集群系统的话音编码技术
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月20日19:05:15 星期三), 站内信件

三种数字集群系统的话音编码技术

分析比较 

  

许爱装

 

   [摘要]  在众多数字集群系统标准中，Motorola公司研制的综合调度增强型网
络iDEN、泛欧数字集群无线系统TETRA和以色列的数字集群系统FHMA属姣妓者。在
优选适合我国国情的数字集群系统标准的最后阶段，就是从这三种系统标准中优选
一种。本文主要介绍这三种系统的话音编码技术，并对它们进行分析比较。

   [关键词]  iDEN  TETRA  FHMA  数字集群  话音编码

   

    近年来，移动通信也象其它通信行业一样，正向数字化方向发展，集群通信系
统也不例外。目前，在欧洲、美国和日本，数字集群系统正向着多业务、多功能、
大容量、综合化、标准化和智能化发展。

    话音编码为信源编码，是将模拟信号转变为数字信号，然后在信道中传输。在
数字移动通信中，话音编码技术具有相当关键的作用，高质量低速率的话音编码技
术与高效率数字调制技术相结合，可以为数字移动网提供高于模拟移动网的系统容
量。目前，国际上话音编码技术的研究方向有两个：降低话音编码速率和提高话音
质量。

    IDEN、TETRA、FHMA数字集群系统均采用国际上较先进的话音编码方式，编码
速率也较低，本文将介绍这三种系统的话音编码技术，并对它们进行比较。

 

l  iDEN系统的话音编码技术

  

1．1  话音编码方式

    iDEN的话音编码方式采用矢量和码本激励线性预测编码(VSELP)，话音码的基
本速率为4．2kb／s。这种码是美国近年提出的，属于混合编码，采用码本激励的
方法。数字蜂窝区系统IS—54(DAMPS)和PDC都采用这种编码方式，但编码速率比
iDEN高，这证明iDEN的编码技术是成熟的，但由于编码速率较低，属于Motorola专
利，所以从技术角度来说，选用这种编码是先进的，但技术公开性不好，价格较贵
。

    VSELP是CELP的改进算法，采用事先确定好结构的码本，从而避免了全搜索过
程，大大减少了寻找最佳码字的时间，使码本搜索过程所需的计算大大简化，以致
可用较简单的软硬件实现话音编码。

    VSELP、的码本结构可由下式表示：

    

    式中：Vm(n)为第m个基本矢量，Ui(n)为第i个码矢量，0＜i＜2M，0＜n＜N—
l，．θm＝十1为码字i＝1的比特m，θm＝—l为码字i＝0的比特m。

    从上式可知，码矢量是由M个基本矢量的总和构成，每一基本矢量的符号(十或
—)是由码字i中相应比特的状态确定，因此对于每一码矢量，码本中的负数也是码
矢量。由于对应的码字是互补的，所以这些码对称为互补码矢量。

    因为iDEN的话音编码方案采用的码本是每对互补的基本矢量，只需对M(总数)
进行加减乘除，就可获得每个矢量，所以码本搜索效率非常高。

  

1．2  iDEN话音编码技术的特点

    a。码本搜索效率非常高

    码本结构中具有互补码矢量，只需对基本矢量总数进行加减乘除，就可获得基
本矢量;

    b．码本存储条件低

    在iDEN话音编码中，不需存储全部码本，只需储存M个基本矢量，所以内存较
低；

    c．信道抗误码能力强

    在VSEIP码字中，单比特误差仅转变为一个基本矢量的符号，产生的码矢量仍
与所需码矢量相似(总数M越大，越相似)。而对于随机码本，单个误差产生不同的
任意随机码本，它的特性与所需码矢量无关，所以VSELP码的激励码字比随机码本
的激励码字具有更强的抗误码能力；

    d．码字和长时预测系数可有效共同优化

    由于VSELP的码本结构，码字选择可以通过增益和长时预测系数有效地结合起
来进行优化；

    e，具有多模式编码结构

    iDEN的话音编码具有四种话音模式模式0(非话音)、模式l(微弱话音)、模式
2(普通话音)、模式3(强话音)。

    这四种话音的编码原理不同，所以iDEN的话音编码基本速率可压得较低。

  

1．3  iDEN话音编码的帧结构

    iDEN话音编码将30ms话音作为一个编码子帧，得到126bit话音编码输出，即信
源编码速率为4．2kb／s，再加上3．2kb／s采用多码率格子结构的前向纠错码和
CRC校验码，形成7．4kb／s的数据流，使信号电平在较高和较低的输出情况下，都
可改善音频质量，得到高质量的话音输出信号。在系统覆盖范围的边缘地区，
VSELP改善话音质且效果相对会更好。

iDEN话音编码器的话音质量已于1991年进行过仿真测试，1992年进行实时测试
iDEN话音编码子系统见图l，话音帧的参数见表1。





  

2  FHMA的话音编码技术

  

2．1  话音编码方式

    FHMA的话音编码方式采用IMBE，话音编码速率为4．4kb／s，数据编码速率为
1．2／2．4／4．8／9．6kb／s。

    IMBE是改进型多频带激励编码，这种编码方式不需要使用码本，其激励完全是
由基频和整个话音段的话音／非话音判决来确定的。为了更好地控制激励频谱，
IMBE编码方式将每个话音段分成不同的频率段，并对每个频率段进行话音和非话音
判决，使特定话音段的激励信号与周期(话音)和噪声(非话音)的能量混合，从而增
加激励信号模式和自由度，使IMBE话音模式比传统话音模式的话音质量更好，并能
克服背景噪声的存在，维持话音在低比特率(2．4kb／s)上的可懂度和自然度。
1992年，为了选择用于APCO Project 25的北美陆地移动无线通信系统，通信工业
协会(TIA)对四种实时7．2kb／s话音编码器进行了评估。这四种话音编码方式包括
：IMBE、VSELP、STC和CELP，这次实验的结果示于图2。从图2可知，在测试条件相
近的情况下，IMBE的话音质量大大高于其它编码方式。目前，IMBE话音编码已广泛
用于移动卫星通信、数字移动通信、数字航空电话、视频电话、语音信箱／电话应
答设备等领域。 FHMA话音处理过程是根据INMARSAT和APCO标准实现的，但前向纠
错则不是根据这个标准实现的。

  

  

2．2  FHMA话音编码帧结构

    在话音编码器输出端，所处理的话音是在20ms话音帧产生的208bit编码块中传
送的，编码块中的88bit构成与4．4kb／s一致的压缩话音比特，剩下的120bit包括
控制和附加倍息。每一话音帧的参数包括基频、话音／非话音判决和频谱包络信息
。 FHMA话音编码子系统框图见图3，话音帧结构见图4；FHMA话音编码的平均评价
分数(MOS)约比其它系统高0．8，FHMA于1995年12月开始运行，1996年1季度投入商
用，实用结果证明其话音质量优良。

  

  

2.3  FHMA话音编码功能

    a．声码器，话音压缩／解码

    b. 话音活动检测(VAD)

    c．信号音

    d．产生本地信号音

    e．消除回波，即电回波效应

    f．传真，传真调制解调器

    g．比特填充，增加／删除“填充比特”，仅限基站

    FHMA话音处理模块的附加功能有话音活动检测、坏帧控制和可接受噪声(CN)插
入。    ’

 

3  TETRA的话音编码技术

  

    TETRA是泛欧数字集群系统，1992年开始对该标准进行基础研究，1994年开始
结构／功能研究，1995年进行早期全面研究，1997年开始实施380—400MHz频段实
用，计划于1998年4月投入商用。目前，TETRA标准已比较详细，但还不够完善(主
要标准已完善)，而话音编码技术的标准还属于草案部份，本文只作简单介绍。

 

 3．1  TETRA话音编码方式

    TETRA方式采用代数结构码本激励线性预测编码ACELP，这种算法建立在码本激
励线性预测(CELP)编码模式上，使用具有代数结构的特殊改进码本。话音编码速率
为4．567kb／s，差错保护速率为2．633kb／s，实际编码速率为7．2kb／s 。

 

3．2  话音质量

    TETRA话音编码的平均评价分数为4分，具有良好的话音质量，即使在强背景噪
声干扰下也可懂，话音质量并不象调频系统那样随场强减弱而降低。大量实验证明
，TETRA系统的话音质量比GSM系统好。

 

 3.3  TETRA话音编码帧结构

    TETRA话音编码将30ms话音作为一个编码子帧，得到137bit话音编码输出，即
信源编码速率为4．567kb／s，其帧结构的比特分配见表2。 TETRA话音处理单元的
功能包括帧窃用、可接受噪声、重要参数跟踪(Homing)、一致性试验等。TETRA的
话音编码时延为95ms，解码时延为13ms，从移动台到移动台的编码传输时延为203
．8ms。

  

  

4  三种系统话音编码技术的比较

  

    最理想的比较方法是对这三种系统的话音进行实际测量，客观地测量它们的信
噪比，主观地测量它们的平均评价分数，并对话音编码的算法分别进行计算机模拟
，看哪种算法的实现更简单，这样才能对这三种系统的话音编码技术进行深入比较
。

    在我们进行优选标准过程中，手头只有三种系统的标准资料，时间也比较紧迫
，无法进行实际测量和计算机模拟，所以本文只是根据标准资料，同时参考GEOTEK
 TECHNOLOGES INC所做的话音试验结果，对这三种系统的话音编码进行了分析比较
，其结果见表3。

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 金风玉露一相逢
 便胜却人间无数

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