數字集群系統的話音編碼技術分析比較

2019-11-03 09:09:50

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供稿：網友

許愛裝　　[摘要] 在眾多數字集群系統標準中，Motorola公司研制的綜合調度增強型網絡iDEN、泛歐數字集群無線系統TETRA和以色列的數字集群系統FHMA屬姣妓者。在優選適合我國國情的數字集群系統標準的最后階段，就是從這三種系統標準中優選一種。本文主要介紹這三種系統的話音編碼技術，并對它們進行分析比較。

　　[關鍵詞] iDEN TETRA FHMA 數字集群話音編碼

　　近年來，移動通信也象其它通信行業一樣，正向數字化方向發展，集群通信系統也不例外。目前，在歐洲、美國和日本，數字集群系統正向著多業務、多功能、大容量、綜合化、標準化和智能化發展。

　　話音編碼為信源編碼，是將模擬信號轉變為數字信號，然后在信道中傳輸。在數字移動通信中，話音編碼技術具有相當關鍵的作用，高質量低速率的話音編碼技術與高效率數字調制技術相結合，可以為數字移動網提供高于模擬移動網的系統容量。目前，國際上話音編碼技術的研究方向有兩個：降低話音編碼速率和提高話音質量。

　　IDEN、TETRA、FHMA數字集群系統均采用國際上較先進的話音編碼方式，編碼速率也較低，本文將介紹這三種系統的話音編碼技術，并對它們進行比較。

l iDEN系統的話音編碼技術

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線性預測編碼(VSELP)，話音碼的基本速率為4．2kb／s。這種碼是美國近年提出的，屬于混合編碼，采用碼本激勵的方法。數字蜂窩區系統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的編碼技術是成熟的，但由于編碼速率較低，屬于Motorola專利，所以從技術角度來說，選用這種編碼是先進的，但技術公開性不好，價格較貴。

　　VSELP是CELP的改進算法，采用事先確定好結構的碼本，從而避免了全搜索過程，大大減少了尋找最佳碼字的時間，使碼本搜索過程所需的計算大大簡化，以致可用較簡單的軟硬件實現話音編碼。

1．2 iDEN話音編碼技術的特點

　　a. 碼本搜索效率非常高

　　碼本結構中具有互補碼矢量，只需對基本矢量總數進行加減乘除，就可獲得基本矢量;

　　b．碼本存儲條件低

　　在iDEN話音編碼中，不需存儲全部碼本，只需儲存M個基本矢量，所以內存較低；

　　c．信道抗誤碼能力強

　　在VSEip碼字中，單比特誤差僅轉變為一個基本矢量的符號，產生的碼矢量仍與所需碼矢量相似(總數M越大，越相似)。而對于隨機碼本，單個誤差產生不同的任意隨機碼本，它的特性與所需碼矢量無關，所以VSELP碼的激勵碼字比隨機碼本的激勵碼字具有更強的抗誤碼能力；

　　d．碼字和長時預測系數可有效共同優化

　　由于VSELP的碼本結構，碼字選擇可以通過增益和長時預測系數有效地結合起來進行優化；

　　e. 具有多模式編碼結構

　　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話音編碼的幀結構

　　iDEN話音編碼將30ms話音作為一個編碼子幀，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采用多碼率格子結構的前向糾錯碼和CRC校驗碼，形成7．4kb／s的數據流，使信號電平在較高和較低的輸出情況下，都可改善音頻質量，得到高質量的話音輸出信號。在系統覆蓋范圍的邊緣地區，VSELP改善話音質且效果相對會更好。

2 FHMA的話音編碼技術

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，數據編碼速率為1．2／2．4／4．8／9．6kb／s。

　　IMBE是改進型多頻帶激勵編碼，這種編碼方式不需要使用碼本，其激勵完全是由基頻和整個話音段的話音／非話音判決來確定的。為了更好地控制激勵頻譜，IMBE編碼方式將每個話音段分成不同的頻率段，并對每個頻率段進行話音和非話音判決，使特定話音段的激勵信號與周期(話音)和噪聲(非話音)的能量混合，從而增加激勵信號模式和自由度，使IMBE話音模式比傳統話音模式的話音質量更好，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的北美陸地移動無線通信系統，通信工業協會(TIA)對四種實時7．2kb／s話音編碼器進行了評估。這四種話音編碼方式包括：IMBE、VSELP、STC和CELP，這次實驗的結果示于圖2。從圖2可知，在測試條件相近的情況下，IMBE的話音質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衛星通信、數字移動通信、數字航空電話、視頻電話、語音信箱／電話應答設備等領域。 FHMA話音處理過程是根據INMARSAT和APCO標準實現的，但前向糾錯則不是根據這個標準實現的。

2．2 FHMA話音編碼幀結構

　　在話音編碼器輸出端，所處理的話音是在20ms話音幀產生的208bit編碼塊中傳送的，編碼塊中的88bit構成與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。每一話音幀的參數包括基頻、話音／非話音判決和頻譜包絡信息。 FHMA話音編碼子系統框圖見圖3，話音幀結構見圖4；FHMA話音編碼的平均評價分數(MOS)約比其它系統高0．8，FHMA于1995年12月開始運行，1996年1季度投入商用，實用結果證明其話音質量優良。

2.3 FHMA話音編碼功能

　　a．聲碼器，話音壓縮／解碼

　　b. 話音活動檢測(VAD)

　　c．信號音

　　d．產生本地信號音

　　e．消除回波，即電回波效應

　　f．傳真，傳真調制解調器

　　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檢測、壞幀控制和可接受噪聲(CN)插入。　　

3 TETRA的話音編碼技術

　　TETRA是泛歐數字集群系統，1992年開始對該標準進行基礎研究，1994年開始結構／功能研究，1995年進行早期全面研究，1997年開始實施380—400MHz頻段實用，計劃于1998年4月投入商用。目前，TETRA標準已比較詳細，但還不夠完善(主要標準已完善)，而話音編碼技術的標準還屬于草案部份，本文只作簡單介紹。

3．1 TETRA話音編碼方式

　　TETRA方式采用代數結構碼本激勵線性預測編碼ACELP，這種算法建立在碼本激勵線性預測(CELP)

編碼模式上，使用具有代數結構的特殊改進碼本。話音編碼速率為4．567kb／s，差錯保護速率為2．633kb／s，實際編碼速率為7．2kb／s 。

3．2 話音質量

　　TETRA話音編碼的平均評價分數為4分，具有良好的話音質量，即使在強背景噪聲干擾下也可懂，話音質量并不象調頻系統那樣隨場強減弱而降低。大量實驗證明，TETRA系統的話音質量比GSM系統好。

3.3 TETRA話音編碼幀結構

　　TETRA話音編碼將30ms話音作為一個編碼子幀，得到137bit話音編碼輸出，即信源編碼速率為4．567kb／s，其幀結構的比特分配見表2。 TETRA話音處理單元的功能包括幀竊用、可接受噪聲、重要參數跟蹤(Homing)、一致性試驗等。TETRA的話音編碼時延為95ms，解碼時延為13ms，從移動臺到移動臺的編碼傳輸時延為203．8ms。

4 三種系統話音編碼技術的比較

　　最理想的比較方法是對這三種系統的話音進行實際測量，客觀地測量它們的信噪比，主觀地測量它們的平均評價分數，并對話音編碼的算法分別進行計算機模擬，看哪種算法的實現更簡單，這樣才能對這三種系統的話音編碼技術進行深入比較。

　　在我們進行優選標準過程中，手頭只有三種系統的標準資料，時間也比較緊迫，無法進行實際測量和計算機模擬，所以本文只是根據標準資料，同時參考GEOTEK TECHNOLOGES INC所做的話音試驗結果，對這三種系統的話音編碼進行了分析比較。

摘自《移動通信在線》