GSM语音编码

一、语音编码 由于GSM系统是一种全数字系统，话音和其它信号都要进行数字化处理，因此移动台首先要将语音信号转换成模拟电信号，以及其反变换，移动台再把这模拟电信号转换成13Kbit/s的数字信号，用于无线传输。下面我们主要讲一下TCH全速率信道的编码过程。 目前GSM采用的编码方案是13 Kbit/s的RPELTP（规则脉冲激励长期 预测），其目的是在不增加误码的情况下，以较小的速率优化频谱占用，同时到达与固定电话尽量相接近的语音质量。 它首先将语音分成20ms为单位的语音块，再将每个块用8 KHZ抽样，因而每个块就得到了160个样本。每个样本在经过A率13比特（μ率14比特）的量化，因为为了处理A率和μ率的压缩率不同，因而将该量化值又分别加上了3个或2个的“0”比特，最后每个样本就得到了16比特的量化值。因而在数字化之后，进入编码器之前，就得到了128Kbit/s的数据流。这一数据流的速率太高了以至于无法在无线路径下传播，因而我们需要让它通过编码器的来进行编码压缩。如果用全速率的译码器的话，每个语音块将被编码为260比特，最后形成了13Kbit/s的源编码速率。此后将完成信道的编码。 在BTS侧将能够恢复13Kbit/s的源速率，但为了形成16Kbit/s的TRAU帧以便于在ABIS和ATER接口上传送，因而需再增加3Kbit/s的信令，它可用于BTS来控制远端TCU的工作，因而被称为带内信息。这3Kbit/s将包括同步和控制比特（包括坏帧指示、编码器类型、DTX指示等）。总之，带内信息将能使TCH，知道信息的种类（全速率语音、半速率语音、数据），以及采用何种适用的方法用于上行和下行的传输。 在TCU侧，通过为了适应PSTN网络64Kbit/s的传输，因而在它其中的码型速率转换板将完成将速率由13Kbit/s转换为64Kbit/s的工作， 二、信道编码 信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响，但它是以增加比特降低信息量为代价的。编码的基本原理是在原始数据上附加一些冗余比特信息，增加的这些比特是通过某种约定从原始数据中经计算产生的，接收端的解码过程利用这些冗余的比特来检测误码并尽可能的纠正误码。如果收到的数据经过同样的计算所得的冗余比特同收到不一样时，我们就可以确定传输有误。根据传输模式不同，在无线传输中使用了不同的码型。 GSM使用的编码方式主要有块卷积码、纠错循环码（FIRE CODE）、奇偶码（PARITY CODE）。块卷积码主要用于纠错，当解调器采用最大似然估计方法时，可以产生十分有效的纠错结果。纠错循环码主要用于检测和纠正成组出现的误码，通常和块卷积码混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。奇偶码是一种普遍使用的最简单的检测误码的方法。 无论如何处理，全速率TCH编码都将在信道编码后,在每20ms内将形成456比特的编码序列。 1、全速率TCH信道编码 在对全速率语音编码时，首先将对语音编码形成的260个比特流分成三类，分别为50个最重要的比特，132个重要比特以及78个不重要的比特。然后对上述50个比特添加上3个奇偶校验比特（分组编码），这53个比特连同132个重要比特与4个尾比特一起被卷积编码，速率为1：2，因而得到378个比特，另外78个比特不予保护。于是最后将得到456比特。 1、 BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH信道的编码 LAPDm是数据链路层的协议（第二层），在连接模式下被用于传送信令。它被应用在逻辑信道BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH上，一个LAPDm帧共有23个字节（184个比特）。为了获得456比特的保护字段，便可通过对LAPDm帧的编码来得到。 首先给184比特增加40比特的纠错循环码，这样就可以来检测是否物理层的差错校正码能正确的校正传输差错。通过这种码型来监测无线链路，来确认是否SACCH消息块是否被正确的接收到。 为了实现卷积编码，还应加上4个比特的尾位。我们将得到的这228个比特通过1：2卷积编码速率，最后也会得到456比特的数据。 2、 SCH信道的编码 SCH信令信道不能用LAPDm协议。在每个SCH信道有25比特的消息字段，其中19比特是帧号，6比特用于BSCI号。由于每个单独的SCH时隙都携带着一个完整的同步消息，而且SCH的突发脉冲的消息位的字段是78个比特。因而我们需要将这25比特的数据编码成78个比特。 我们将这25个比特的数据再加上10个奇偶校验比特和4个比特的尾位，这就得到了39个比特。再将这39个比特按照1：2的卷积编码速率，便得到了78个比特的消息。 3、 RACH信道的编码 随机接入信道RACH的消息是由8个消息比特组成，包括3个比特的建立原因和5个比特的隋机鉴别符。由于RACH的突发脉冲的消息位的字段是36个比特。因而我们需要将这8比特的数据编码成36个比特。 首先，我们给它加上6个比特的色码，这六个比特的色码是通过将6个比特的BSIC和6个比特的奇偶校验码取模2而获得的。然后再加上4个比特的尾位。这样就得到了18个比特，我们再将这18个比特按照1：2的卷积编码速率，最后将得到RACH突发脉冲上的36比特的消息位。 三、交织技术 在移动通信中这种变参的信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。但是，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效，为了解决这一问题，希望找到把一条消息中的相继比特分开的办法，即一条消息的相继比特以非相继的方式被发送，使突发差错信道变为离散信道。这样，即使出现差错，也仅是单个或者很短的比特出现错误，也不会导致整个突发脉冲甚至消息块都无法被解码，这时可再用信道编码的纠错功能来纠正差错，恢复原来的消息。这种方法就是交织技术。 在GSM系统中，在信道编码后进行交织，交织分为两次，第一次交织为内部交织，第二次交织为块间交织。 在上一节我们提到了，通过话音编码和信道编码将每一20ms的话音块数字化并编码，最后形成了456比特。我们首先将它进行内部交织，将456比特按（0，8…448）、(1,9…449)…...（7，15…455）的排列方法，分为8组，每组57个比特，通过这一手段，可使在一组内的消息相继较远。 但是如果将同一20ms话音块的2组57比特插入到同一普通突发脉冲序列中，那么，该突发脉冲丢失则会使该20ms的话音损失25%的比特，显然信道编码难以恢复这么多丢失的比特，因此必须在两个话音帧间再进行一次交织，即块间交织。 设进行完内部交织后，将一语音块B的456比特分为八组，再将它的前四组（B0、B1、B2、B3）与上一个语音块的A的后四组（A4、A5、A6、A6）进行块间交织，最后由（BO，A4）、（B1，A5）、（B2，A6）、（B3，A7）形成了4个突发脉冲，为了打破相连比特的相邻关系，使块A的比特占用突发脉冲的偶数位置，块B的比特占用奇数位置，即B0占奇数位，A4占偶数位。同理，将B的后四组同它的下一语音块C的前四组来进行块间交织。 这样，一个20ms的语音帧经过二次交织后分别插入了8个不同的普通突发脉冲序列中，然后一个个的进行发送，这样即使在传输过程中丢掉了一个脉冲串，也只影响每一个话音比特数的12.5%，而且它们不互相关联，这能就通过信道编码进行校正。 应注意的是，对控制信道（SACCH、FACCH、SDCCH、BCCH、PCH和AGCH）的二次交织有所不同。我们不象话音交织一样，要用到3个话音块。在这里我们这一456比特的消息块在经历过内部交织并分为8组后（这一过程同话音的内部交织一样），将把它的前四组与后四组进行交织（交织方法也与话音的交织一样），最后获得了4个整突发脉冲。 由上可知，交织对于抗干扰具有很重要的意义，但是它的缺点是时延长，在传输20ms 语音块中，从接收第一个比特开始到最后一个比特结束并考虑到SACCH占一个突发脉冲的话，那么时延周期是（9*8）-7=65个突发脉冲的周期，即37.5ms 的延时。因此在GSM系统中，移动台和中继电路上增加了回波抵消器，以改善由于时延而引起的通话回音。 四、加密 在数字传输系统的各种优点中，能提供良好的保密性是很重要的特性之一。GSM通过传输加密提供保密措施。这种加密可以用于语音，用户数据和信令，与数据类型无关，只限于用在常规的突发脉冲之上。加密是通过一个泊松随机序列（由加密钥Kc与帧号通过A5算法产生）和常规突发脉冲之中114个信息比特进行异或操作而得到的。 在接收端再产生相同的泊松随机序列，与所收到的加密序列进行同或操作便可得到所需要的数据了。 五、调制和解调 调制和解调是信号处理的最后一步。简单的说GSM所使用的调制是BT=0.3的GMSK技术，其调制速率是270.833Kbit/s，使用的是Viterbi（维特比）算法进行的解调。调制的功能就是按照一定的规则把某种特性强加到的电磁波上，这个特性就是我们要发射的数据。GSM系统中承载信息的是电磁场的相位，即调相方式。解调的功能是接收信号，从一个受调的电磁波中还原发送的数据。从发送角度来看，首先要完成二进制数据到一个低频调制信号的变换，然后再进一步把它变到电磁波的形式。解调过程是一个调制的逆过程。

 

 

GSM语音编码技术简述

2010年07月14日 星期三 10:28

由于GSM系统是一种数字通信系统，话音或其它信号都要进行数字化处理，因而第一步要把话音模拟信号转换成数字信号（即1和0的组合）。如我们熟悉的我国固定电话系统采用的PCM－A律编码，它是采用A律波形编码，分为3步： 采样：在某个短时间间隔内测量模拟信号的值。采样速率8kHz/s。 量化：对每个样值用8个比特的量化值来表示对应的模拟信号瞬间值，即为样值指配256（28）个不同电平值中的一个。 编码：每个量化值用8个比特的二进制代码表示，组成一串具有离散特性的数字信号流。 使用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特速率为64kbit／s（8kbit／s×8）。如果GSM系统也采用此种方式进行话音编码，那么每个话音信道是64kbit／s，8个话音信道就是512kbit／s。考虑实际可使用的带宽，GSM规范中规定载频间隔是200kHz。因此要把它们保持在规定的带宽内，必需大大地降低每个话音信道的编码的比特率，这就要靠采用低速率话音编码技术来实现。 为了满足GSM系统的窄带通信模式，GSM采用三种话音编码技术，即： 速率为13k的全速率（FR）编码技术：规则脉冲激励线性预测编码技术（RPE-LPT）。 速率为12.2k的增强型全速率（EFR）编码技术：代数码激励线性预测编码技术（ACELPT）。 速率为6.5k的半速率（HR）矢量和激励线性预测编码技术编码方式（VSELP）。 下面以最常用的规则脉冲激励线性预测编码技术（RPE-LTP）为例来了解GSM的语音编码技术。     规则脉冲激励线性预测编码技术是一种混合编码技术，它集成了波形编码与声源编码两项技术之长。波形编码器可精确地再现原来的话音波形，话音质量较高，但要求的比特速率相应的较高，在12-16Kbit/s的范围内会造成话音质量恶化，波形编码器硬件上更容易实现，不受时延影响。声源编码是将话音信息用特定的声源模型表示。声码器编码可以是很低的速率（可以低于5kbit／s，虽然不影响话音的可懂性，但话音质量听起来不自然，很难分辨是谁在讲话。因此GSM系统话音编码器是采用声码器和波形编码器的混合物--- 混合编码器，全称为线性预测编码-长期预测编码-规则脉冲激励编码器（LPC-LTP-RPE编码器），见图1所示。LPC+LTP为声码器，RPE为波形编码器，再通过复用器混合完成模拟话音信号的数字编码，每话音信道的编码速率为13kbit／s。     声码器的原理是模仿人类发音器官喉、嘴、舌的组合，将该组合看作一个滤波器，人发出的声音使声带振动就成为激励脉冲。当然“滤波器脉冲m频率是在不断地变换，但在很短的时间（10ms～30ms）内观察它，则发音器官是没有变换的，因此声码器要做的事是将话音信号分成20ms的声码块，然后分析这一时间段内所相应的滤波器的参数，并提取此时的脉冲串频率，输出其激励脉冲序列。相关的话音段是十分相似的，LTP将当前段与前一段进行比较，相应的差值被低通滤波后进行一种波形编码。故：LPC十LTP参数：3.6 kbit/s；RPE参数：9.4kbit/s；因此，话音编码器的输出比特速率是13kbit。