3.1語(yǔ)音編碼3.2信道編碼第3章編碼技術(shù)

3.1語(yǔ)音編碼

語(yǔ)音編碼是一種信源編碼，其目的是解除語(yǔ)音信源的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，去掉信源冗余信息，提高通信系統(tǒng)的有效性。通常，數(shù)字化語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)據(jù)量非常大，因此在傳輸和存儲(chǔ)前，往

往需要進(jìn)行壓縮處理，以減少其傳輸速率或存儲(chǔ)量，即進(jìn)行壓縮編碼。語(yǔ)音壓縮編碼研究的基本問(wèn)題是在給定編碼速率的條件下，如何得到盡可能好的語(yǔ)音質(zhì)量，同時(shí)盡量減少編解碼時(shí)延和算法復(fù)雜度。3.1.1語(yǔ)音編碼的分類(lèi)

1.波形編碼

波形編碼是以精確再現(xiàn)語(yǔ)音波形為目的，并以保真度即自然度為度量標(biāo)準(zhǔn)的編碼方法。這類(lèi)編碼是保留語(yǔ)音個(gè)性特征為主要目標(biāo)的方法。常用的波形編碼有：脈沖編碼調(diào)制(PCM)、

差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)等。其碼速較高，語(yǔ)音質(zhì)量較好，適用于骨干(固定)通信網(wǎng)。

2.參量編碼

參量編碼是利用人類(lèi)的發(fā)聲機(jī)制，僅傳送反映語(yǔ)音波形變化主要參量的編碼方法。在接收端，可根據(jù)發(fā)聲模型，由傳送過(guò)來(lái)的變化參量激勵(lì)產(chǎn)生人工合成的語(yǔ)音，因此，參量編碼器又稱(chēng)為聲碼器。圖3-1線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼(LPC)

3.混合編碼

混合編碼是吸取上述兩類(lèi)編碼的優(yōu)點(diǎn)，以參量編碼為基礎(chǔ)，并附加一定的波形編碼特征，以實(shí)現(xiàn)在可懂度基礎(chǔ)上適當(dāng)改善自然度為目的的編碼方式，也稱(chēng)軟聲碼器。常用的混合編

碼包括：MPLPC(多脈沖激勵(lì)線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼)、規(guī)則脈沖激勵(lì)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)編碼(RPE-LTP)、碼激勵(lì)線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼(CELPC)等。其碼速介于上述兩類(lèi)編碼之間，主要應(yīng)用于移動(dòng)通信。3.1.2混合編碼的性能參數(shù)

1.數(shù)據(jù)比特率(b/s)

數(shù)據(jù)比特率是度量語(yǔ)音信源壓縮率和通信系統(tǒng)有效性的主要指標(biāo)。數(shù)據(jù)比特速率越低，壓縮倍數(shù)就越大，可通信的話(huà)路數(shù)也就越大，移動(dòng)通信系統(tǒng)也就越有效。但數(shù)據(jù)比特率低，

語(yǔ)音質(zhì)量也就隨之相應(yīng)降低。

2.語(yǔ)音質(zhì)量

1)客觀評(píng)定方法

2)主觀評(píng)定方法

3.復(fù)雜度與處理時(shí)延

由于語(yǔ)音編碼通?？梢圆捎脭?shù)字信號(hào)處理DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)，其硬件復(fù)雜度取決于DSP的處理能力，而軟件復(fù)雜度則主要體現(xiàn)在算法復(fù)雜度，是指完成語(yǔ)音編、譯碼所需要的加法、乘法的運(yùn)算次數(shù)，一般采用MIPS即每秒完成的百萬(wàn)條指令數(shù)來(lái)表示。3.1.3移動(dòng)通信中的語(yǔ)音編碼

1.GSM系統(tǒng)的語(yǔ)音編碼

GSM系統(tǒng)采用規(guī)則脈沖激勵(lì)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)(RPE-LTP)語(yǔ)音編碼方案，該方案是RPE-LPC的改進(jìn)型。每語(yǔ)音信道的凈編碼速率為13kb/s，語(yǔ)音質(zhì)量MOS可達(dá)4.0。

GSM對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的處理從總體上主要包括：

(1)發(fā)送端首先要進(jìn)行語(yǔ)音檢測(cè)，將每個(gè)時(shí)段分為有聲段和無(wú)聲段，并分別進(jìn)行處理。

(2)對(duì)于有聲段要進(jìn)行語(yǔ)音編碼，以產(chǎn)生語(yǔ)音幀信號(hào)。

(3)對(duì)于無(wú)聲段要進(jìn)行背景噪聲估計(jì)，產(chǎn)生靜寂描述幀(SilenceDescriptor，SID)。

(4)發(fā)射機(jī)采用不連續(xù)發(fā)射方式，僅在有聲段內(nèi)才發(fā)送語(yǔ)音幀，而SID則是在語(yǔ)音幀結(jié)束后才發(fā)送，接收端根據(jù)收到的SID幀中的信息在無(wú)聲期插入舒適噪聲。

GSM語(yǔ)音編碼器輸入信號(hào)速率為8000樣本/秒取樣序列，編碼處理是按幀進(jìn)行的，每幀20ms，含有160個(gè)語(yǔ)音樣本，編碼后為260比特的編碼塊。RPE-LTP編碼器主要包括以下5個(gè)部分：預(yù)處理、線(xiàn)性預(yù)測(cè)分析、短時(shí)分析濾波、長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)和規(guī)則脈沖激勵(lì)編碼，其編碼器原理如圖3-2所示。圖3-2RPE-LTP編碼器原理圖

2.IS-95CDMA系統(tǒng)的語(yǔ)音編碼

IS-95CDMA系統(tǒng)采用高通公司提出的碼激勵(lì)線(xiàn)性預(yù)測(cè)(QualcommCELP，QCELP)語(yǔ)音編碼方案，該方案是可變速率的混合編碼器，是基于線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼的改進(jìn)型。即碼激勵(lì)的矢量碼表代替簡(jiǎn)單的濁音的準(zhǔn)周期脈沖產(chǎn)生器。圖3-3QCELP編碼器原理圖

3.cdma2000系統(tǒng)中的語(yǔ)音編碼

cdma2000系統(tǒng)采用增強(qiáng)型可變速率語(yǔ)音編碼器(EVRC)，該方案采用基音內(nèi)插方法減少基音參數(shù)傳送速率，使其在每個(gè)語(yǔ)音幀僅傳兩次，而將節(jié)省下的信息位(比特?cái)?shù))用于提高激

勵(lì)信號(hào)質(zhì)量。EVRC編碼器是基于碼激勵(lì)線(xiàn)性預(yù)測(cè)，與傳統(tǒng)CELP算法的主要區(qū)別是：它能基于語(yǔ)音能量、背景噪聲和其他語(yǔ)音特性動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼速率。

4.WCDMA及TD-SCDMA系統(tǒng)的語(yǔ)音編碼

WCDMA和TD-SCDMA系統(tǒng)均采用自適應(yīng)多速率編碼(AMR)方案。該方案以自適應(yīng)碼激勵(lì)線(xiàn)性預(yù)測(cè)(ACELP)編碼技術(shù)為基礎(chǔ)，其基本思路是聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)整信源和信道編碼模式來(lái)適應(yīng)當(dāng)前信道條件與業(yè)務(wù)量大小。

3.2信道編碼

3.2.1信道編碼的基本概念

1.信道編碼的定義

信道編碼的目的是為了克服信道中的噪聲和干擾，提高通信系統(tǒng)的可靠性。其基本原理是：在發(fā)送端給被傳輸?shù)男畔⒋a元中(人為)加入一些必要的監(jiān)督碼元，這些監(jiān)督碼元與信息碼

元之間以某種確定的規(guī)則相互關(guān)聯(lián)(約束)，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為信道編碼。

2.信道編碼的分類(lèi)

可以從不同的角度對(duì)信道編碼進(jìn)行分類(lèi)，這里從其功能和結(jié)構(gòu)規(guī)律加以分類(lèi)。從功能上可以分為三類(lèi)：僅具有發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)功能的檢錯(cuò)碼，如奇偶校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)、自動(dòng)

請(qǐng)求重傳(ARQ)等；具有自動(dòng)糾正差錯(cuò)功能的糾錯(cuò)碼，如循環(huán)碼中BCH碼、RS碼、卷積碼、級(jí)聯(lián)碼、Turbo碼等；既能檢錯(cuò)又能糾錯(cuò)的信道編碼，最典型的是混合ARQ。從結(jié)構(gòu)和規(guī)律上可分線(xiàn)性碼和非線(xiàn)性碼兩大類(lèi)，若監(jiān)督關(guān)系方程是線(xiàn)性方程的信道編碼稱(chēng)為線(xiàn)性碼，否則稱(chēng)為非線(xiàn)性碼。3.2.2CRC檢錯(cuò)碼

循環(huán)碼不僅具有較強(qiáng)的檢錯(cuò)能力，而且實(shí)現(xiàn)也相對(duì)簡(jiǎn)單，特別適合于檢錯(cuò)。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CyclicRedundancyCheck，CRC)是常用的檢錯(cuò)碼。

CRC算法如下：

將輸入比特序列表示為下列多項(xiàng)式的系數(shù)

(3.1)

式中，x可以看作一個(gè)時(shí)延因子，xi對(duì)應(yīng)比特Si所處的位置。設(shè)CRC校驗(yàn)比特的生成多項(xiàng)式(即用于產(chǎn)生CRC比特的多項(xiàng)式)為

(3.2)

則校驗(yàn)比特對(duì)應(yīng)下列多項(xiàng)式的系數(shù)

(3.3)生成多項(xiàng)式的選擇不是任意的，它必須使得生成的校驗(yàn)

序列有很強(qiáng)的檢錯(cuò)能力。已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的常用CRC碼有以

下4種。

CRC-12：

(3.4)

CRC-16：

(3.5)

CRC-CCITT：

(3.6)

CRC-32：

(3.7)

其中，CRC-12用于字符長(zhǎng)度為6bit的情況，其余均用于8bit

字符。3.2.3卷積碼

卷積編碼器的一般結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，它包括：一個(gè)由N段組成的輸入移位寄存器，每段有k級(jí)，共Nk位寄存器；一組n個(gè)模2加器；一個(gè)由n級(jí)組成的輸出移位寄存器。對(duì)應(yīng)于每段k個(gè)比特的輸入序列，輸出n個(gè)比特。圖3-4卷積編碼器的通用結(jié)構(gòu)圖圖3-5(2，1，2)卷積碼編碼器

1.離散卷積法

若輸入數(shù)據(jù)序列為

(3.8)

則經(jīng)編碼后輸出的兩路碼組分別可表示為

(3.9)

(3.10)卷積碼的離散卷積表達(dá)式為

(3.11)其中，g1與g2為兩路輸出中編碼器的脈沖沖擊響應(yīng)，即當(dāng)輸入為U=(1000…)的單位脈沖時(shí)，圖3-5中上下兩個(gè)模2加觀察到的輸出值。這時(shí)有

(3.12)若輸入數(shù)據(jù)序列為

U=(10111)

(3.13)

則有

(3.14)

(3.15)

2.生成矩陣法

在解析方法中，除了離散卷積法，卷積編碼也可以采用類(lèi)似線(xiàn)性分組碼和循環(huán)碼分析中常用的兩類(lèi)方法：生成矩陣法和碼多項(xiàng)式法。

仍以上述(2，1，2)卷積碼為例，由生成矩陣表達(dá)式形式有

(3.16)即

(3.17)

3.碼多項(xiàng)式法

為了簡(jiǎn)化，仍以上述(2，1，2)卷積碼為例。輸入數(shù)據(jù)序列及其對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式為

(3.18)輸出的碼組多項(xiàng)式為

(3.19)

(3.20)對(duì)應(yīng)的碼組為

(3.21)

4.狀態(tài)圖

由于編碼器的輸出是由輸入信號(hào)和編碼器的當(dāng)前狀態(tài)所決定的，因此可以用狀態(tài)圖來(lái)表示編碼過(guò)程。狀態(tài)圖中標(biāo)有編碼器的所有可能狀態(tài)，以及狀態(tài)間可能存在的轉(zhuǎn)換路徑。

若輸入的數(shù)據(jù)序列為：U=(U0，U1，…，Ui，…)=

(10111000…)，則卷積碼狀態(tài)圖如圖3-6所示。圖3-6(2，1，2)卷積碼狀態(tài)圖

5.樹(shù)圖

樹(shù)圖是以樹(shù)形的分支結(jié)構(gòu)標(biāo)示出編碼器所有可能經(jīng)歷的狀態(tài)。樹(shù)的分支表示編碼器的各種狀態(tài)和輸出值。仍以(2，1，2)卷積碼為例給出它的樹(shù)型展開(kāi)圖，如圖3-7所示。圖3-7(2，1，2)卷積碼樹(shù)圖

6.格圖

格圖是圖解法中最有價(jià)值的表示形式，它特別適合于卷積碼的維特比譯碼實(shí)現(xiàn)。格圖是由狀態(tài)圖和樹(shù)圖演變而來(lái)，它既保留了狀態(tài)圖簡(jiǎn)潔的狀態(tài)關(guān)系，又保留了樹(shù)圖時(shí)序展開(kāi)的直觀特性。圖3-8(2，1，2)卷積碼格圖表示

7.維特比(Viterbi)譯碼

卷積譯碼的技術(shù)有許多種，而常用的是Viterbi算法、序貫譯碼，其中序貫譯碼方法有Fano算法、堆棧算法等。圖3-9L=5，(2，1，2)卷積碼漢明距離圖圖3-10L=5，(2，1，2)卷積碼Viterbi譯碼圖3.2.4Turbo碼

Turbo碼是由兩位法國(guó)教授C.Berrou、A.Glavieux和他們的緬甸籍博士生P.Thitimajshlwa在1993年ICC國(guó)際會(huì)議上共同提出的。Turbo是英文中前綴，意指帶有渦輪驅(qū)動(dòng)，即反復(fù)迭代的含義。圖3-11Turbo碼編碼器原理圖圖3-12Turbo碼譯碼器原理圖3.2.5移動(dòng)通信中的信道編碼

1.GSM系統(tǒng)中的信道編碼

1)語(yǔ)音信道編碼

GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼后的數(shù)據(jù)速率為13kb/s，即20ms的語(yǔ)音幀中包含260bits。圖3-13GSM業(yè)務(wù)信道編碼

2)控制信道編碼

GSM控制信道消息被確定為184比特長(zhǎng)度，用截短二進(jìn)制循環(huán)Fire碼進(jìn)行編碼，然后通過(guò)半速率卷積編碼器。

Fire碼的生成多項(xiàng)式為

(3.22)圖3-14GSM控制信道編碼

3)數(shù)據(jù)信道編碼

GSM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道要求有比實(shí)際發(fā)送速率更高的凈速率(“凈速率”是指加入編碼比特前的比特率)，例如9.6kb/s的業(yè)務(wù)將需要12kb/s的傳輸速率，因?yàn)橥瑫r(shí)還要傳送一些狀態(tài)信號(hào)(比如RS-232DTR)。對(duì)于TCH/F9.6，每5ms間隔處理60比特用戶(hù)數(shù)據(jù)。圖3-15GSM數(shù)據(jù)信道編碼

2.IS-95CDMA系統(tǒng)中的信道編碼

IS-95CDMA系統(tǒng)中，同樣包含若干個(gè)邏輯信道，不同的邏輯信道在編碼方案上也有所不同，這里僅以業(yè)務(wù)信道為例，說(shuō)明其信道編碼的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。IS-95系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)信道包括前向業(yè)務(wù)信道和反向業(yè)務(wù)信道，兩類(lèi)信道均采用CRC檢錯(cuò)碼和卷積碼，所不同的是卷積碼的碼速率不同，如圖3-16(a)和3-16(b)所示。圖3-16IS-95CDMA系統(tǒng)中信道編碼過(guò)程從聲碼器得到的信息為每幀20ms。聲碼器的全速(9.6kb/s)輸出速率為8.6kb/s，每20ms編碼為172bit。幀質(zhì)量指示實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行CRC校驗(yàn)，采用12比特CRC，其生成多項(xiàng)式為

g(x)＝1+x+x4+x8+x9+x10+x11+x12(3.23)

聲碼器的半速(4.8kb/s)輸出速率為4.0kb/s，幀質(zhì)量指示采用8比特CRC，其生成多項(xiàng)式為

g(x)=1+x+x3+x4+x7+x8(3.24)而對(duì)于四分之一速率(2.4kb/s)和八分之一速率(1.2kb/s)幀沒(méi)有幀質(zhì)量指示的比特字段，這是因?yàn)檫@些幀相對(duì)抗誤碼性能較強(qiáng)，且發(fā)送的大多數(shù)信息是背景噪聲。

因此，經(jīng)過(guò)幀質(zhì)量指示器后，四種速率分別為：9.2kb/s、4.4kb/s、2.0kb/s和0.8kb/s。四種速率的幀后再分別加上8bit為尾比特后進(jìn)行卷積編碼，尾比特的作用是對(duì)卷積編碼器進(jìn)

行清零。加上尾比特后的速率分別為：9.6kb/s、4.8kb/s、

2.4kb/s和1.2kb/s。進(jìn)行卷積編碼時(shí)，前向業(yè)務(wù)信道采用

(2，1，8)卷積編碼，即：約束長(zhǎng)度N＝m+1＝8+1=9，碼率R=1/2。其結(jié)構(gòu)如圖3-17所示。圖3-17N=9，R=1/2的卷積編碼器結(jié)構(gòu)該卷積編碼器的生成多項(xiàng)式分別為

(3.25)反向業(yè)務(wù)信道采用比前向業(yè)務(wù)信道糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的同一類(lèi)型(3，1，8)卷積碼，如圖3-18所示，其碼率R=1/3，約束長(zhǎng)度為N＝9。(3，1，8)卷積碼的生成多項(xiàng)式為

(3.26)圖3-18N=9，R=1/3的卷積編碼器結(jié)構(gòu)

3.cdma2000系統(tǒng)中的信道編碼

在cdma2000系統(tǒng)中，信道編碼主要采用檢錯(cuò)CRC、和糾錯(cuò)FEC編碼(卷積碼和Turbo碼)。檢錯(cuò)CRC主要用于幀質(zhì)量指示符號(hào)，通常，數(shù)據(jù)幀都包含幀質(zhì)量指示符(即CRC)，它是由一幀中的信息位計(jì)算求得的。cdma2000所采用的CRC生成多項(xiàng)式分別為

16比特CRC：

(3.27)

12比特CRC：

(3.28)

10比特CRC：

(3.29)

8比特CRC：

(3.30)

6比特CRC:

(3.31)在cdma2000中使用的卷積碼有三種類(lèi)型：(2，1，8)、(3，1，8)、(4，1，8)。前兩種與IS-95CDMA系統(tǒng)中卷積碼相同，(4，1，8)卷積碼的生成多項(xiàng)式為

(3.32)

cdma2000中Turbo編碼器的結(jié)構(gòu)如圖3-19所示。其傳遞函數(shù)為

(3.33)

(3.34)圖3-19cdma2000中的Turbo碼編碼器

4.WCDMA系統(tǒng)中的信道編碼

在WCDMA系統(tǒng)中主要采用了CRC、卷積碼和Turbo碼三種信道編碼。其中CRC用于傳輸塊上的檢錯(cuò)，卷積碼主要用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，Turbo碼主要用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。

在WCDMA中，CRC長(zhǎng)度即所含比特?cái)?shù)目為24、16、12、8、0比特，每個(gè)傳輸信道TrCH使用多長(zhǎng)的CR