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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。
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。
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。
摘自《移动通信在线》
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