數(shù)字集群系統(tǒng)的話音編碼技術(shù)分析比較

許愛(ài)裝

　　[摘要] 在眾多數(shù)字集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中，Motorola公司研制的綜合調(diào)度增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)iDEN、泛歐數(shù)字集群無(wú)線系統(tǒng)TETRA和以色列的數(shù)字集群系統(tǒng)FHMA屬姣妓者。在優(yōu)選適合我國(guó)國(guó)情的數(shù)字集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的最后階段，就是從這三種系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)選一種。本文主要介紹這三種系統(tǒng)的話音編碼技術(shù)，并對(duì)它們進(jìn)行分析比較。

　　[關(guān)鍵詞] iDEN TETRA FHMA 數(shù)字集群 話音編碼

　　近年來(lái)，移動(dòng)通信也象其它通信行業(yè)一樣，正向數(shù)字化方向發(fā)展，集群通信系統(tǒng)也不例外。目前，在歐洲、美國(guó)和日本，數(shù)字集群系統(tǒng)正向著多業(yè)務(wù)、多功能、大容量、綜合化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化發(fā)展。

　　話音編碼為信源編碼，是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后在信道中傳輸。在數(shù)字移動(dòng)通信中，話音編碼技術(shù)具有相當(dāng)關(guān)鍵的作用，高質(zhì)量低速率的話音編碼技術(shù)與高效率數(shù)字調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，可以為數(shù)字移動(dòng)網(wǎng)提供高于模擬移動(dòng)網(wǎng)的系統(tǒng)容量。目前，國(guó)際上話音編碼技術(shù)的研究方向有兩個(gè)：降低話音編碼速率和提高話音質(zhì)量。

　　IDEN、TETRA、FHMA數(shù)字集群系統(tǒng)均采用國(guó)際上較先進(jìn)的話音編碼方式，編碼速率也較低，本文將介紹這三種系統(tǒng)的話音編碼技術(shù)，并對(duì)它們進(jìn)行比較。

l iDEN系統(tǒng)的話音編碼技術(shù)

1．1 話音編碼方式

　　iDEN的話音編碼方式采用矢量和碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(VSELP)，話音碼的基本速率為4．2kb／s。這種碼是美國(guó)近年提出的，屬于混合編碼，采用碼本激勵(lì)的方法。數(shù)字蜂窩區(qū)系統(tǒng)IS—54(DAMPS)和PDC都采用這種編碼方式，但編碼速率比iDEN高，這證明iDEN的編碼技術(shù)是成熟的，但由于編碼速率較低，屬于Motorola專利，所以從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，選用這種編碼是先進(jìn)的，但技術(shù)公開(kāi)性不好，價(jià)格較貴。

　　VSELP是CELP的改進(jìn)算法，采用事先確定好結(jié)構(gòu)的碼本，從而避免了全搜索過(guò)程，大大減少了尋找最佳碼字的時(shí)間，使碼本搜索過(guò)程所需的計(jì)算大大簡(jiǎn)化，以致可用較簡(jiǎn)單的軟硬件實(shí)現(xiàn)話音編碼。

1．2 iDEN話音編碼技術(shù)的特點(diǎn)

　　a. 碼本搜索效率非常高

　　碼本結(jié)構(gòu)中具有互補(bǔ)碼矢量，只需對(duì)基本矢量總數(shù)進(jìn)行加減乘除，就可獲得基本矢量;

　　b．碼本存儲(chǔ)條件低

　　在iDEN話音編碼中，不需存儲(chǔ)全部碼本，只需儲(chǔ)存M個(gè)基本矢量，所以內(nèi)存較低；

　　c．信道抗誤碼能力強(qiáng)

　　在VSEIP碼字中，單比特誤差僅轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�(gè)基本矢量的符號(hào)，產(chǎn)生的碼矢量仍與所需碼矢量相似(總數(shù)M越大，越相似)。而對(duì)于隨機(jī)碼本，單個(gè)誤差產(chǎn)生不同的任意隨機(jī)碼本，它的特性與所需碼矢量無(wú)關(guān)，所以VSELP碼的激勵(lì)碼字比隨機(jī)碼本的激勵(lì)碼字具有更強(qiáng)的抗誤碼能力；

　　d．碼字和長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)系數(shù)可有效共同優(yōu)化

　　由于VSELP的碼本結(jié)構(gòu)，碼字選擇可以通過(guò)增益和長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)系數(shù)有效地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行優(yōu)化；

　　e. 具有多模式編碼結(jié)構(gòu)

　　iDEN的話音編碼具有四種話音模式模式0(非話音)、模式l(微弱話音)、模式2(普通話音)、模式3(強(qiáng)話音)。

　　這四種話音的編碼原理不同，所以iDEN的話音編碼基本速率可壓得較低。

1．3 iDEN話音編碼的幀結(jié)構(gòu)

　　iDEN話音編碼將30ms話音作為一個(gè)編碼子幀，得到126bit話音編碼輸出，即信源編碼速率為4．2kb／s，再加上3．2kb／s采用多碼率格子結(jié)構(gòu)的前向糾錯(cuò)碼和CRC校驗(yàn)碼，形成7．4kb／s的數(shù)據(jù)流，使信號(hào)電平在較高和較低的輸出情況下，都可改善音頻質(zhì)量，得到高質(zhì)量的話音輸出信號(hào)。在系統(tǒng)覆蓋范圍的邊緣地區(qū)，VSELP改善話音質(zhì)且效果相對(duì)會(huì)更好。

2 FHMA的話音編碼技術(shù)

2．1 話音編碼方式

　　FHMA的話音編碼方式采用IMBE，話音編碼速率為4．4kb／s，數(shù)據(jù)編碼速率為1．2／2．4／4．8／9．6kb／s。

　　IMBE是改進(jìn)型多頻帶激勵(lì)編碼，這種編碼方式不需要使用碼本，其激勵(lì)完全是由基頻和整個(gè)話音段的話音／非話音判決來(lái)確定的。為了更好地控制激勵(lì)頻譜，IMBE編碼方式將每個(gè)話音段分成不同的頻率段，并對(duì)每個(gè)頻率段進(jìn)行話音和非話音判決，使特定話音段的激勵(lì)信號(hào)與周期(話音)和噪聲(非話音)的能量混合，從而增加激勵(lì)信號(hào)模式和自由度，使IMBE話音模式比傳統(tǒng)話音模式的話音質(zhì)量更好，并能克服背景噪聲的存在，維持話音在低比特率(2．4kb／s)上的可懂度和自然度。1992年，為了選擇用于APCO Project 25的北美陸地移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)，通信工業(yè)協(xié)會(huì)(TIA)對(duì)四種實(shí)時(shí)7．2kb／s話音編碼器進(jìn)行了評(píng)估。這四種話音編碼方式包括：IMBE、VSELP、STC和CELP，這次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果示于圖2。從圖2可知，在測(cè)試條件相近的情況下，IMBE的話音質(zhì)量大大高于其它編碼方式。目前，IMBE話音編碼已廣泛用于移動(dòng)衛(wèi)星通信、數(shù)字移動(dòng)通信、數(shù)字航空電話、視頻電話、語(yǔ)音信箱／電話應(yīng)答設(shè)備等領(lǐng)域。 FHMA話音處理過(guò)程是根據(jù)INMARSAT和APCO標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的，但前向糾錯(cuò)則不是根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的。

2．2 FHMA話音編碼幀結(jié)構(gòu)

　　在話音編碼器輸出端，所處理的話音是在20ms話音幀產(chǎn)生的208bit編碼塊中傳送的，編碼塊中的88bit構(gòu)成與4．4kb／s一致的壓縮話音比特，剩下的120bit包括控制和附加倍息。每一話音幀的參數(shù)包括基頻、話音／非話音判決和頻譜包絡(luò)信息。 FHMA話音編碼子系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖3，話音幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4；FHMA話音編碼的平均評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)(MOS)約比其它系統(tǒng)高0．8，F(xiàn)HMA于1995年12月開(kāi)始運(yùn)行，1996年1季度投入商用，實(shí)用結(jié)果證明其話音質(zhì)量?jī)?yōu)良。

2.3 FHMA話音編碼功能

　　a．聲碼器，話音壓縮／解碼

　　b. 話音活動(dòng)檢測(cè)(VAD)

　　c．信號(hào)音

　　d．產(chǎn)生本地信號(hào)音

　　e．消除回波，即電回波效應(yīng)

　　f．傳真，傳真調(diào)制解調(diào)器

　　g．比特填充，增加／刪除“填充比特”，僅限基站

　　FHMA話音處理模塊的附加功能有話音活動(dòng)檢測(cè)、壞幀控制和可接受噪聲(CN)插入。　　

3 TETRA的話音編碼技術(shù)

　　TETRA是泛歐數(shù)字集群系統(tǒng)，1992年開(kāi)始對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基礎(chǔ)研究，1994年開(kāi)始結(jié)構(gòu)／功能研究，1995年進(jìn)行早期全面研究，1997年開(kāi)始實(shí)施380—400MHz頻段實(shí)用，計(jì)劃于1998年4月投入商用。目前，TETRA標(biāo)準(zhǔn)已比較詳細(xì)，但還不夠完善(主要標(biāo)準(zhǔn)已完善)，而話音編碼技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)還屬于草案部份，本文只作簡(jiǎn)單介紹。

3．1 TETRA話音編碼方式

　　TETRA方式采用代數(shù)結(jié)構(gòu)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼ACELP，這種算法建立在碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)(CELP)

編碼模式上，使用具有代數(shù)結(jié)構(gòu)的特殊改進(jìn)碼本。話音編碼速率為4．567kb／s，差錯(cuò)保護(hù)速率為2．633kb／s，實(shí)際編碼速率為7．2kb／s 。

3．2 話音質(zhì)量

　　TETRA話音編碼的平均評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)為4分，具有良好的話音質(zhì)量，即使在強(qiáng)背景噪聲干擾下也可懂，話音質(zhì)量并不象調(diào)頻系統(tǒng)那樣隨場(chǎng)強(qiáng)減弱而降低。大量實(shí)驗(yàn)證明，TETRA系統(tǒng)的話音質(zhì)量比GSM系統(tǒng)好。

3.3 TETRA話音編碼幀結(jié)構(gòu)

　　TETRA話音編碼將30ms話音作為一個(gè)編碼子幀，得到137bit話音編碼輸出，即信源編碼速率為4．567kb／s，其幀結(jié)構(gòu)的比特分配見(jiàn)表2。 TETRA話音處理單元的功能包括幀竊用、可接受噪聲、重要參數(shù)跟蹤(Homing)、一致性試驗(yàn)等。TETRA的話音編碼時(shí)延為95ms，解碼時(shí)延為13ms，從移動(dòng)臺(tái)到移動(dòng)臺(tái)的編碼傳輸時(shí)延為203．8ms。

4 三種系統(tǒng)話音編碼技術(shù)的比較

　　最理想的比較方法是對(duì)這三種系統(tǒng)的話音進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，客觀地測(cè)量它們的信噪比，主觀地測(cè)量它們的平均評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，并對(duì)話音編碼的算法分別進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，看哪種算法的實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，這樣才能對(duì)這三種系統(tǒng)的話音編碼技術(shù)進(jìn)行深入比較。

　　在我們進(jìn)行優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中，手頭只有三種系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)資料，時(shí)間也比較緊迫，無(wú)法進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和計(jì)算機(jī)模擬，所以本文只是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)資料，同時(shí)參考GEOTEK TECHNOLOGES INC所做的話音試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)這三種系統(tǒng)的話音編碼進(jìn)行了分析比較。

摘自《移動(dòng)通信在線》