移动通信技术与网络优化(第2版)第3章-语音编码、信道编码和交织课件.ppt
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1、移动通信技术移动通信技术第第3章章 语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2023/2/191第第3章章 语音编码、信道编码和交织技术语音编码、信道编码和交织技术3.1 语语 音音 编编 码码 3.2 信信 道编道编 码码 3.3 交交 织织 编编 码码2023/2/1922023/2/193图图 GSM手机电路基本组成框图手机电路基本组成框图2023/2/194图图 82108850型手机接收信号流程图型手机接收信号流程图 2023/2/196语音编码及信道编码技术:语音编码及信道编码技术:语音编码和信道编码语音编码和信道编码是通信数字化的两个重要技术领域。在移动通信是通信
2、数字化的两个重要技术领域。在移动通信数字化中,模拟语音信号的数字化,可数字化中,模拟语音信号的数字化,可提高频带提高频带利用率和信道容量利用率和信道容量。信道编码技术可。信道编码技术可提高系统的提高系统的抗干扰能力抗干扰能力,从而保证良好的通话质量。,从而保证良好的通话质量。蜂窝移动通信系统由于频率资源受限,一般数字蜂窝移动通信系统由于频率资源受限,一般数字语音编码技术如语音编码技术如PCM、ADPCM、M等,因为等,因为编码速率高而未被采用。蜂窝移动通信均采用编码速率高而未被采用。蜂窝移动通信均采用13kbit/s以下低速率语音编码。以下低速率语音编码。第第3 3章章 语音编码、信道编码和交
3、织技术语音编码、信道编码和交织技术2023/2/197信道编码是以增加传输码元冗余度,降低有效码信道编码是以增加传输码元冗余度,降低有效码元传输速率为代价,以牺牲通信的有效性换取通元传输速率为代价,以牺牲通信的有效性换取通信的可靠性。信的可靠性。交织交织编码:编码:突发性干扰是快衰落在衰落深度和持突发性干扰是快衰落在衰落深度和持续时间较长的情况下,对信号造成成串的错误,续时间较长的情况下,对信号造成成串的错误,用一般信道编码方法很难纠错;只能用交织技术用一般信道编码方法很难纠错;只能用交织技术将成串的错误转换成随机差错后,再用信道编码将成串的错误转换成随机差错后,再用信道编码方法纠错。方法纠错
4、。第第4 4章章 语音编码、信道编码和交织技术语音编码、信道编码和交织技术2023/2/1981信源编码的定义与作用信源编码的定义与作用源编码就是信源信号的模数(源编码就是信源信号的模数(AD)变换,即将)变换,即将模拟的信源信号转化成适于在信道中传输的数字模拟的信源信号转化成适于在信道中传输的数字信号形式。信号形式。在数字系统中,信源编码的基本目的就是通过压在数字系统中,信源编码的基本目的就是通过压缩信源产生的冗余信息来提高整个传输链路的有缩信源产生的冗余信息来提高整个传输链路的有效性。效性。2 信源编码的分类信源编码的分类(1 1)根据信源信号是离散的信号还是连续的信号,根据信源信号是离散
5、的信号还是连续的信号,可以将信源编码分为:可以将信源编码分为:3.1.1 概述概述 2023/2/1910离散信源编码;离散信源编码;模拟信源编码。模拟信源编码。(2)根据信源信号是语音还是图像,可以分为:根据信源信号是语音还是图像,可以分为:语音编码;语音编码;图像编码。图像编码。移动通信系统中,信源有语音信号、图移动通信系统中,信源有语音信号、图像(如可视移动电话)或离散数据像(如可视移动电话)或离散数据(如短信息如短信息服务服务)。本节主要讲语音编码。本节主要讲语音编码。3.1.1 3.1.1 概述概述 2023/2/1911 波形编码包括脉冲编码调制(波形编码包括脉冲编码调制(PCM)
6、、差分脉冲编码调)、差分脉冲编码调制(制(DPCM)、自适应差分脉冲编码调制()、自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)、)、增量调制(增量调制(DM)、连续可变斜率增量调制()、连续可变斜率增量调制(CVSDM)、)、自适应变换编码自适应变换编码(ATC)、子带编码(、子带编码(SBC)和自适应预测)和自适应预测编码(编码(APC)等。)等。声源编码是声源编码是基于人类语言的发声机理,找出表征语音的特基于人类语言的发声机理,找出表征语音的特征参量,对特征参量进行编码的一种方法。在接收端,根征参量,对特征参量进行编码的一种方法。在接收端,根据所接收的语音特征参量信息,恢复出原来的语音。由于据所接
7、收的语音特征参量信息,恢复出原来的语音。由于参量编码只需传送语音特征参数,可实现低速率的语音编参量编码只需传送语音特征参数,可实现低速率的语音编码,一般在码,一般在1.24.8kbit/s。3.1.1 概述概述 2023/2/1913混合编码技术在数字移动通信中得到了广泛应用。混合编码技术在数字移动通信中得到了广泛应用。混合编码包括规则脉冲激励长期预测编解码器混合编码包括规则脉冲激励长期预测编解码器(RPE-LTP)、矢量和激励线性预测编码)、矢量和激励线性预测编码(VSELP)和码激励线性预测编码()和码激励线性预测编码(CELP)等等。3.1.1 概述概述 2023/2/1915表3.1常
8、用数字移动通信系统语音编解码 标标准准服服务类务类型型语语音音编码编码器(比特率:器(比特率:kbpskbps)GSM数字蜂窝网RPE-LTP13USDC(IS-54)数字蜂窝网VSELP16IS-95(CDMA)数字蜂窝网CELP1.2,2.4,4.8,9.6CT2、DECT、PHS数字无绳电话ADPCM32DCS-1800个人通信系统RPE-LTP13PACS个人通信系统ADPCM323.1.1 概述概述 2023/2/1916长期研究证明,发不同性质的音,激励的情况是长期研究证明,发不同性质的音,激励的情况是不同的。大致分为两类。不同的。大致分为两类。发浊音时,气流通过紧绷的声带,冲击声
9、带产生发浊音时,气流通过紧绷的声带,冲击声带产生振荡,是声门处形成准周期的脉冲列,用它来激振荡,是声门处形成准周期的脉冲列,用它来激励声道。励声道。发清音时,声带松弛而不振动,气流通过声门直发清音时,声带松弛而不振动,气流通过声门直接进入声道。接进入声道。根据以上机理我们构建如图根据以上机理我们构建如图3.13.1所示语音信号的产所示语音信号的产生模型。生模型。3.1.2 语音信号特征语音信号特征2023/2/1918图图4-1 语音信号的产生模型语音信号的产生模型3.1.2 语音信号特征语音信号特征2023/2/1919由图由图4-1可见,激励源可由冲击序列发生器或随机可见,激励源可由冲击序
10、列发生器或随机噪声发生器来产生,分别对应产生清音和浊音的噪声发生器来产生,分别对应产生清音和浊音的激励。增益系数激励。增益系数AV和和AN分别对应清音和浊音时分别对应清音和浊音时声门激励信号的强度,用以调节信号幅度和能量。声门激励信号的强度,用以调节信号幅度和能量。声道模型用来模拟声道谐振腔结构,以此形成谐声道模型用来模拟声道谐振腔结构,以此形成谐振频率。振频率。声码器是以人类语音的产生模型为基础,分析表声码器是以人类语音的产生模型为基础,分析表征语音激励源和声道等的特征参数,再运用这些征语音激励源和声道等的特征参数,再运用这些特征参数重新合成语音信号的设备。特征参数重新合成语音信号的设备。3
11、.1.2 语音信号特征语音信号特征2023/2/19203.1.3 声码器声码器 声码器又称为声码器又称为“参量编码器参量编码器”。声码器的数码率。声码器的数码率可以压缩到可以压缩到2.4kbit/s以下,但其语音质量,特别是以下,但其语音质量,特别是自然度,大大下降。自然度,大大下降。自自1939年来,研制各种声码器如通道声码器、相年来,研制各种声码器如通道声码器、相位声码器、图样匹配声码器、同态声码器、线性位声码器、图样匹配声码器、同态声码器、线性预测声码器等。研究最多是线性预测编码声码器预测声码器等。研究最多是线性预测编码声码器如图如图4-2,也是应用最广泛的。,也是应用最广泛的。线性预
12、测声码器在发送端进行语音分析,每隔线性预测声码器在发送端进行语音分析,每隔10-20ms取出一帧语音做请浊音区分和音调提取,已取出一帧语音做请浊音区分和音调提取,已给出激励信息,并计算出预测滤波器的各种参数,给出激励信息,并计算出预测滤波器的各种参数,经量化及编码后送往接收端。经量化及编码后送往接收端。2023/2/19213.1.3 声码器声码器 图4-2 典型的线性预测编码声码器原理框图2023/2/19223.1.4混合编码混合编码目前较成功的混合编码方案有两种,目前较成功的混合编码方案有两种,多脉冲激励多脉冲激励线性预测编码(线性预测编码(MPLPC)和和码激励码激励线性预测编码线性预
13、测编码(CELPC),前者使用一个数目有限且幅度和位置前者使用一个数目有限且幅度和位置要调整的脉冲序列作为激励源。后者使用一个波要调整的脉冲序列作为激励源。后者使用一个波形矢量作为激励源。图形矢量作为激励源。图4-3给出三种不同激励序列给出三种不同激励序列及其产生语音方法。及其产生语音方法。图4-3 三种不同激励的语言合成模型2023/2/19241多脉冲激励线性预测编码(多脉冲激励线性预测编码(MPLPC)3.1.4混合编码混合编码图4-4 MPLPC算法基本原理2023/2/1925无论合成清音或浊音,激励源一律使用无论合成清音或浊音,激励源一律使用多脉冲序多脉冲序列形式。列形式。图图4-
14、4 给出这一算法基本原理给出这一算法基本原理 加上感知加权滤波器后,主观听觉上的语音质量加上感知加权滤波器后,主观听觉上的语音质量有明显的提高。有明显的提高。MPLPC必须进行量化编码,它传输的内容包括多必须进行量化编码,它传输的内容包括多脉冲激励的脉冲位置和幅度、长时和短时预测器脉冲激励的脉冲位置和幅度、长时和短时预测器系数、音调周期等。系数、音调周期等。MPLPC产生的语音质量和比特率取决于提供一帧产生的语音质量和比特率取决于提供一帧语音激励信号的脉冲数目。语音激励信号的脉冲数目。多脉冲激励方式要优化众多脉冲的位置与幅度参多脉冲激励方式要优化众多脉冲的位置与幅度参数,计算量大。数,计算量大
15、。3.1.4混合编码混合编码2023/2/19261984年提出的一种新的混合型编码器算法年提出的一种新的混合型编码器算法 CELPC与与 MPLPC比,只是激励源不同,其他相同。比,只是激励源不同,其他相同。CELPC应用了矢量量化技术。应用了矢量量化技术。在数字移动通信中,码激励的一种变型即矢量和激在数字移动通信中,码激励的一种变型即矢量和激励(励(VSELP)已成为美国和日本数字蜂窝移动通信)已成为美国和日本数字蜂窝移动通信系统中的语音编码标准。系统中的语音编码标准。三种编码技术同时存在通信系统中,波形编码以三种编码技术同时存在通信系统中,波形编码以其高质量用于长途传输和宽带语音;声码器
16、以高效其高质量用于长途传输和宽带语音;声码器以高效压缩性用于保密通信;混合编码以其独有特性用于压缩性用于保密通信;混合编码以其独有特性用于各种通信系统。各种通信系统。3.1.4 线性预测编码器线性预测编码器2023/2/19283.1.5 移动通信中语音编码器的选择移动通信中语音编码器的选择 在低比特率语音编码中,有在低比特率语音编码中,有4个参数是很重要的,个参数是很重要的,即比特率、质量、复杂度和处理时延。即比特率、质量、复杂度和处理时延。1语音质量评估语音质量评估当前世界上流行的语音质量评估方法是采用原当前世界上流行的语音质量评估方法是采用原CCITT提议的从提议的从1分到分到5分的主观
17、评定的方法。分的主观评定的方法。这就是这就是“平均评价得分平均评价得分”(Mean Opinion Score)简称简称MOS。2023/2/19292 2语音编码器的复杂度和处理时延语音编码器的复杂度和处理时延语音数字编码的算法通常用数字信号处理器语音数字编码的算法通常用数字信号处理器(DSPDSP)来实现。)来实现。编码硬件的成本通常随着复杂度的提高而增加。编码硬件的成本通常随着复杂度的提高而增加。3.1.5 移动通信中语音编码器的选择移动通信中语音编码器的选择 2023/2/19313.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 1 GSM系统语音编码器性能要求系统语音编码器性能要求(1
18、)语音质量)语音质量对语音编码最基本的要求就是用户角度测试,在对语音编码最基本的要求就是用户角度测试,在可工作的范围内,平均语音质量应至少不低于可工作的范围内,平均语音质量应至少不低于900MHz模拟移动系统。模拟移动系统。语音编码算法应具有很强的适应频谱以及电平变语音编码算法应具有很强的适应频谱以及电平变化的能力。化的能力。语音编码器能够不受环境噪声以及很多语音信号语音编码器能够不受环境噪声以及很多语音信号混杂的干扰。混杂的干扰。2023/2/1932在移动台转接移动台时,会出现两套编在移动台转接移动台时,会出现两套编/译码器复译码器复接的情况。接的情况。(2)码速率)码速率仍然使用仍然使用
19、8kHz取样率,以便于和取样率,以便于和PSTN的接口连的接口连接。基于对频率利用率和语音质量相矛盾的协调,接。基于对频率利用率和语音质量相矛盾的协调,将将16kbit/s作为可接受的工作比特率。作为可接受的工作比特率。(3)码变换)码变换GSM系统所确定的基本语音编码的变码器可将系统所确定的基本语音编码的变码器可将13位线性位线性PCM码流变换成码流变换成16kbit/s的无线传输比特率。的无线传输比特率。3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 2023/2/1933在在GSM语音编码器网络一端将完成语音编码器网络一端将完成A律或律或 律的律的PCM变换。变换。3.1.6 GSM系统
20、语音编码器系统语音编码器 2023/2/1934(4)非话信号的传输)非话信号的传输语音编译码器没有对语音频段的数据做出要求,语音编译码器没有对语音频段的数据做出要求,然而,必须要求语音编译器能够传输由网络提供然而,必须要求语音编译器能够传输由网络提供给用户的各种音频信号音,如拨号音、振铃音、给用户的各种音频信号音,如拨号音、振铃音、忙音等。忙音等。考虑到中、低比特率的编译码器将尽量利用语音考虑到中、低比特率的编译码器将尽量利用语音中的一些特征,将语音以及语音频段内的数据一中的一些特征,将语音以及语音频段内的数据一起协调的编码算法必将降低语音的质量。因此,起协调的编码算法必将降低语音的质量。因
21、此,在设计语音编码器时,应首先考虑语音的质量,在设计语音编码器时,应首先考虑语音的质量,而对于语音频段内的数据信号,则通过特殊的终而对于语音频段内的数据信号,则通过特殊的终端适配器来实现。端适配器来实现。3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 2023/2/1935(5)传输时延)传输时延 造成传输时延的主要原因有以下两方面。造成传输时延的主要原因有以下两方面。语音编码的时延。语音编码的时延。无线分系统中的时延。无线分系统中的时延。为此对这两种时延的限定各自可不超过为此对这两种时延的限定各自可不超过65ms。考。考虑到二四线转换阻抗不匹配会导致反射现象发生,虑到二四线转换阻抗不匹配会导
22、致反射现象发生,上述的时延将给用户带来令人厌烦的回声,因此需要上述的时延将给用户带来令人厌烦的回声,因此需要采用回波抑制器来消除时延的影响。采用回波抑制器来消除时延的影响。3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 2023/2/1936(6)硬件实现)硬件实现 对语音编码器的要求主要来自手持机。为了保障对语音编码器的要求主要来自手持机。为了保障手持机的轻小和长期工作,需要硬件能够在一块手持机的轻小和长期工作,需要硬件能够在一块VLSI芯片上实现,并要求功率消耗尽可能的低芯片上实现,并要求功率消耗尽可能的低。2GSM系统语音处理功能结构系统语音处理功能结构RPE-LTP编译码器特性如下编译
23、码器特性如下:取样速率为取样速率为8kHz。帧长为帧长为20ms,每帧编码成为,每帧编码成为260bit。每帧分为。每帧分为4个个子帧,每个子帧长子帧,每个子帧长5ms。纯比特率为纯比特率为13kbit/s。3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 2023/2/1937 语音比特分为两类。第一类含语音比特分为两类。第一类含182bit/s,它们对误,它们对误码是敏感的,即这些比特中发生差错会对语音质量码是敏感的,即这些比特中发生差错会对语音质量产生严重影响。这些比特受到循环冗余校验产生严重影响。这些比特受到循环冗余校验(CRC)码和一个具有恒定长度为)码和一个具有恒定长度为5的的1/2
24、率卷积码率卷积码的保护。第二类含的保护。第二类含78bit,它们抗差错的能力强,不,它们抗差错的能力强,不受保护。同时,为了抗突发差错,编码语音块的交受保护。同时,为了抗突发差错,编码语音块的交积跨越了积跨越了8个个TDMA帧。帧。分配给编译码器的最大时延为分配给编译码器的最大时延为30ms。端对端的最大。端对端的最大时延在时延在75ms左右,其中左右,其中40ms以上分配给时隙交织以上分配给时隙交织和信道编译码。和信道编译码。为了进行不连续的传输,可应用语音激活检测器。为了进行不连续的传输,可应用语音激活检测器。3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 2023/2/19383.1.7
25、 IS-95系统语音编码器系统语音编码器 QCELP是是Qualcomm公司公司CDMA系统中的语音编系统中的语音编码标准码标准IS-95。QCELP主要是使用码表矢量量化差值信号,然后主要是使用码表矢量量化差值信号,然后基于语音的激活程度产生一个可变的输出数据速基于语音的激活程度产生一个可变的输出数据速率。率。2023/2/19393.1.8 移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例1 2G/3G中的话音信源编码中的话音信源编码 2G/3G中的话音信源编码的基本原理是相同中的话音信源编码的基本原理是相同的,都采用了矢量量化和参数编码的方式。的,都采用了矢量量化和参数编码的方式。(1)
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