（信息与通信工程专业论文）移动通信语音通道数据高效传输技术研究.pdf

摘要 摘要 g s m 网络是现代全球用户数量增长最快的移动网络，而g s m 网络和3 g 网络在将 来必然会有很长一段时间共存。随着移动通信系统的高速发展与用户需求的快速升级， 如何在语音通道进行高效调制与解调，满足特定应用下的实时数据传输，已经成为现代 移动通信系统的重要研究问题之一。 本文重点研究2 g 3 g 移动通信系统语音通道上数据高效传输问题，提出相应的设计 方案，并在基于g s m 移动通信系统的r p e l t p 声码器平台与3 g 移动通信系统的a m r 平台上进行分析与验证。 在分析现代移动通信系统语音通道包括g s m 系统、g s m 演进系统和3 g 系统语音 通道特性的基础上，研究了其核心语音编解码技术r p e l t p 声码器与a m r 声码器对数 据调制信号的影响，提出如下一系列在语音通道实现数据传输的方案： ( 1 ) 根据浊音信号即由不同频率正弦波叠加的理论，提出了基于正弦波调制的数据传 输方案。结合仿真验证了该调制方案抗声码器压缩的传输特性，进而验证了g s m 系统与3 g 系统语音通道传输数字数据的可行性。 ( 2 )为提高传输效率，提出了基于o f d m 类语音调制的数据传输方案。根据语音通 道数据传输系统的实际情况，提出了基于循环前缀、非均匀调制以及加窗技术的 一系列改进措施。仿真结果表明，当传输速率分别为3 ，0 k b p s 和2 4 k b p s 的数据时， 在r p e l t p 平台上分别达到o 7 和0 1 2 的误码性能；在a m r1 2 2 k b p s 平台 则分别达到0 4 和0 1 3 的误码性能。 ( 3 ) 提出了基于小波变换的d w t - o f d m 的数据传输方案，以及基于d f t 域数据携 带传输方案。仿真实验验证了这两种方案在语音通道上进行数据传输的可行性。 关键词：移动通信，语音通道，声码器，o f d m ，d w t - o f d m ，类语音 a b s t r a c t g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) h a sb e c o m et h ef a s t e s t g r o w i n g m o b i l en e t w o r ki nt h ew o r l d ，a n di tw i l lc o o p e r a t ew i t ht h e3 r dg e n e r a t i o nn e t w o r kf o rq u i t e al o n gt i m e w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n df a s t i m p r o v e m e n to fu s e r s r e q i r e m e n t s h o wt oa c c e s sr e a l t i m ed a t ae 箍c i e n t l yo nv o i c ec h a n n e l t om e e t s p e c i f i ca p p l i c a t i o n s h a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tt o p i c si nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c ha r e a t h er e s e a r c hf o c u s e so ne 历c i e n td a t at r a n s m i s s i o no v e rv o i c ec h a n n e lo f2 g 3 gm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，as e r i e so fs c h e m e sa r ep r o p o s e da n de m u l a t e d ，t h ea n a l y s i sa n d v e r i f i c a t i o n sa r cb a s e do nt h eg s mp a l t f o r mo fr p e - l t pv o c o d e ra n dt h e3 gp l a t f o r mo f a m rv o c o d e r b a s e do ni n v e s t i g a t i o n so ft h ev o i c ec h a n n e lo fm o d e r nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ， w h i c hc o n s i s t so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fg s ma sw e l la sg s ma n d3 ge v o l u e t i o ns y s t e m s ，t h e f i r s tp a r tp r o v i d e sai n t e n s i v es t u d yo ni t sc o r et e c h n o l o g yo fr p e l t pv o e o d e ra n da m r v o c o d e r , a n dt h e i ri m p a c t so ns i g n a lm o d u l a t i o n t h e nas e r i e so fd a t at r a n s m i s s i o ns c h e m e s a r ep r o p o s e d ： ( 1 ) b a s e do nt h ei n t e n s i v es t u d yo nv o i c em e c h a n i s ma sw e l la sh a r m o n i ca n a l y s i sm o d e l ， d a t at r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s e do ns i n ew a v em o d u l a t i o ni sg i v e n w i t ht h et h e o r yo f s o n a n ts i g n a li st h es u p e r i m p o s i t i o no fs i n u s o i d si nd i f f e r e n tf r e q u e n c ya n dt h e s i m u l a t i o no fa n t i - v o c o d c rt r a n s m i s s i o n ，w ev e r i f yt h a td i g i t a ld a t at r a n s i m i s s i o no v e r t h eg s ma n d3 gv o i c ec h a n n e l si sf e a s i b l e ( 2 ) o f d m b a s e ds c e h m eo fd a t am o d u l a t i o no n t os p e e c h 1 i k ew a v e f o r m st ot r a n s m i to v e r v o i c ec h a r m e l i sp r o p s e dt oe n h a n c et h ee m c i e n c yo ft r a n s m i s s i o n i m p r o v e m e n t si n c y c l i cp r e f i x ，n o n - u n i f o r mm o d u l a t i o ns c h e m ea sw e l la sw i n d o w i n gt e c h n o l o g ya r e u e s df o rt h er e a ld a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mo v e rv o i c ec h a n n e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h r o u g h p u to f3 0 k b p sa n d2 4 k b p so nr p e - l t pb a s e dp l a t f o r mh a sa c h i e v e db e r o fo 7 a n do 1 2 r e s p e c t i v e l y , w h i l eo na m r 一1 2 2p l a t f o r m ，w i t hb e rp e r f o r m a n c e o f 0 4 a n d0 1 3 ( 3 ) s c h e m e sb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r md w t - o f d ma n dd f tc o e f f i c i e n t s a r ea l s o d e s i g n e d f o rd a t at r a n s m i s s i o no v e rv o i c ec h a n n e l ，a n dt h e ya r ev e r i f i e do nt h e s i m u l a t i o np l a t f o r m k e yw o r d s ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，v o i c ec h a n n e l ，v o c o d e r , o f d m ，d w t - o f d m ， s p e e c h l i k e i i i 插图目录 插图目录 图1 一l 移动通信系统语音通道数据调制系统4 图1 2 移动通信系统语音通道系统框图5 图1 3 移动通信语音通道数据传输系统框图6 图1 - 4 移动通信语音通道数据传输核心系统框图6 图2 1 移动通信系统演进过程9 图2 2g s m 语音通信编码过程1o 图2 ，3d t x 传输原理l3 图2 - 4 基于a m r 的3 g 语音通信系统模型。1 4 图2 5r p e l t p 语音编码流程图1 6 图2 6a m r 语音编码流程图1 9 图3 1 二元激励语音产生模型2 2 图3 2 采用格雷编码的b p s k q p s k 8 p s k 星座图2 6 图3 3m p s k 在不同s n r 情况下的b e r 对比图。2 6 图3 - 4 采用格雷编码的矩形非矩形8 q a m 16 q a m 星座图2 8 图3 5 以0 5 “l u l 5 l ( 2 k h z 正弦波为载波的b p s k 信号经声码器编码前、解码后 的波形2 9 图3 6b p s k 信号通过r p e l t p 声码器传输时b e r 性能曲线3 0 图3 7b p s k 信号通过a m r 声码器传输时b e r 性能曲线3 0 图3 8m p s f u q a m 信号通过r p e u p 声码器传输时b e r 性能曲线3 1 图3 - 9m p s k q a m 信号通过a m r1 2 2 k b s 声码器传输时b e r 性能曲线3 2 图3 10q p s k 8 p s k 接收码元容错性比较一3 2 图3 一1 1 基于o f d m 的数据调制系统框图3 5 图3 1 2 基于o f d m 的数据调制系统物理层仿真结构3 7 图3 1 3o f d m 调制原理图3 8 图3 1 4o f d m 符号经过r p e l t p 编码前、解码后波形对比3 9 图3 1 5d w t - o f d m 调制的收发框图4 2 图3 1 6 基于d w t - o f d m 的数据调制系统框图4 2 图3 1 7 基于d w t - o f d m 的数据调制系统物理层仿真结构4 3 图3 1 8i d w t - o f d m 符号通过r p e l t p 声码器前后波形对比4 4 图3 1 9 移动通信系统语音通道基于d f t 域数据传输系统4 5 图3 2 0 基于d f t 域数据传输系统发送端物理层仿真结构4 6 图3 2 l 载体语音通过r p e l t p 声码器前后d f t 参数分布4 6 图3 2 2 携带数据的载体语音通过r p e l t p 声码器前后d f t 参数分布4 7 v i i 东南大学硕士学位论文 图4 1o f d m 数据调制模块4 9 图4 2 循环前缀示意图5 1 图4 3 基于o f d m 数据调制系统发送端仿真结构5 2 图4 4 基于o f d m 数据调制系统发送端仿真结构5 4 图4 5m p s k 信号通过r p e l t p 声码器传输时b e r 性能曲线。5 5 图4 6 升余弦函数功率谱密度函数及时域自相关函数5 6 图4 7 常用窗函数时域波形图5 7 图4 8 常用窗函数频域波形图5 8 图4 9 基于o f d m 数据调制系统发送端仿真结构5 8 图4 1 0 移动通信语音通道数据( 语音) 传输核心系统框图一6 0 图4 1 1 基于o f d m 的数据( 语音) 传输系统物理层仿真结构6 2 图4 1 2o f d m 符号流经过r p e l t p 编码前、解码后波形对比6 2 图4 1 3 比特序列经o f d m 调制前、解调后对比。6 3 图4 1 4 基于o f d m 数据( 语音) 传输系统语音输入输出时域波形6 3 图4 1 5 基于o f d m 数据( 语音) 传输系统语音输入输出语谱图6 4 表格目录 表格目录 表2 1a m r 声码器的编码速率l8 表3 ，l 基于o f d m 的数据调制仿真结果3 9 表3 2 基于1 d w t - o f d m 的数据调制仿真结果4 4 表3 3 基于d f t 域数据传输系统参数因子、接收门限与误码性能的关系4 7 表3 4 基于d f t 域频点6 2 5 1 1 2 5 h z ( f a c t o r = 0 2 5 ，门限o 6 ) 误码性能4 8 表3 5 基于d f t 域数据传输性能4 8 表4 1r p e l t p 平台基于o f d m 的数据调制仿真结果5 3 表4 2a m r1 2 2 平台基于o f d m 的数据调制仿真结果5 3 表4 3r p e l t p 平台基于o f d m 的数据调制仿真结果5 5 表4 4 不同窗函数作用下基于o f d m 的数据传输( r 。= 2 4 k b p s ) 性能5 8 表4 5 不同窗函数作用下基于o f d m 的数据传输( r 。= 3 0 k b p s ) 性能5 9 i x 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名日期 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括千l j 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 日期竺弘 第1 章绪论 第1 章绪论 现代移动通信系统是一个在全球范围内覆盖与使用的网络系统。信息的传输既经过 全开放的无线链路，亦经过开放的全球有线网络；除了传统的语音业务外，它还将提供 多媒体业务、数据业务、以及电子商务、电子贸易、互联网服务等多种信息服务。g s m 网络是现代全球用户数量增长最快的移动网络，而g s m 网络和3 g 网络在将来必然会 有很长一段时间共存。在第三代移动通信系统广泛被研究、采纳、运用的同时，继续研 究g s m 网络和他的增值业务也是非常有前景的。但是g s m 这种以语音和s m s ( 短信 业务) 服务为主的通信方式在新数据通信业务的扩展方面收到很大的制约。因此，如何 在语音通道进行实时数据( 文本、图像、语音和视频等) 的高效传输已经成为现代移动 通信系统的重要研究问题之一。 1 1 研究背景 有线电话系统最初是应远距离通话需要而设计的，而发展到今天，公共电话交换系 统不仅成为了语音传输的主要媒质，其非语音数据的传输也日益广泛，如使用传真机通 过电话线来传输图像信息，或通过调制解调器在电话交换网络上进行数字数据( 文本、 二进制可执行文件、图像及视频等) 的传输。 移动通信系统等无线传输系统不仅提供语音业务，同时也提供高速数据传输业务。 现代移动通信在过去短短十几年中经历了从模拟制式到数字制式、从单纯提供语音业务 到全面提供高质量数据传输业务的快速发展历程。第一代移动通信以美国的a m p s 系统 为代表，该系统采用频分多址( f d m a ) 方式，属于模拟移动通信系统，仅提供话音业 务。第二代移动通信以采用时分多址( t d m a ) 方式的数字式g s m 系统和采用窄带码 分多址( c d m a ) 方式的数字式i s 一9 5 系统为代表，可提供窄带多媒体业务和有限移动 数据业务。十年来，随着i n t e r n e t 和多媒体技术的迅速发展，以宽带c d m a 为主流技术、 以提供更高速和更先进的移动多媒体数据业务为主要目标的第三代移动通信i m t - 2 0 0 0 迅速崛起，成为世界电信业的焦点。目前，第一代( 1 g ) 系统已经基本退出，2 g 处于 主导地位，占据了较大的市场份额，而3 g 刚刚起步，并在今后相当长的一段时间内与 2 g 互补重叠、长期共存，并逐步替代2 g ，这种体制的更替在平稳地演进着。在全球范 围内，g s m 网络是现代全球用户数量增长最快的移动网络。截止到2 0 0 7 年底，全球移 动用户数达到3 2 8 亿，其中g s m 阵营累计用户数达到2 8 亿，占全球用户数的8 5 3 3 。 数据传输可以通过c s d 电路交换或g p r s 的数据通道，也可以通过传统语音通道。 数据通道主要的缺点是固有时延、抖动和丢包率等q o s 性能难以保证。g s m 数据通道 通常需要2 8 3 1 s 建立连接，其中将近1 8 s 的时间用于调制器握手通信的过程。为保证传 输性能，通常采用a r q 进行错误纠正，降低误码的代价是延时的增加。在特定应用中， 语音通道实时性好，接续快，且对于延时问题不如数据通道敏感，因此，本文主要研究 1 东南大学硕士学位论文 在语音通道上的数据传输。 世界上大部分移动通信网络采用g s m ( 包括u m t s ) 和c d m a ( i s 一9 5 或c d m a 2 0 0 0 ) 通信系统。这些系统用调制载波携带语音数据在语音通道上传输。比如，2 gg s m 系统 采用g m s k 调制方式，而i s 9 5c d m a 系统采用p s k 调制方式。语音数据调制送入无 线信道传输之前，输入的语音信号首先通过语音压缩编码模块( 声码器) 以提高语音数 据传输效率，使更多的用户可以共享同一个通信系统。 目前的语音压缩编码方案都是建立在语音的数字化基础上的。其中出现的波形与参 数混合编码器在编码速率和语音质量之间实现较好的平衡，因此很快在中低速率的语音 编码领域中得到了应用和发展。码激励线性预测编码方法( c e l p ) 是其中最重要也是 应用最广泛的一种编码思想，由于其出色的语音合成质量和较低的编码速率，目前许多 现行的移动通信系统都采用了l p c 类编码器作为语音编码标准：比如2 gg s m 使用的 r p e l t p 声码器技术，i s 9 5c d m a 使用的变速率c e l p 声码器技术。随着g s m 系统不 断的演进以及3 g 系统的研究与应用，传统的语音编码模型由于输出速率单一，不可避 免地造成无线资源的浪费和系统容量的损失。于是，自适应多速率( a m r ) 语音编码技 术脱颖而出，已被应用到g s m p h a s e2 + 系统和3 g 系统。4 g 系统使用基于3 g p p 2 标准 的e v r c b 语音编解码技术，c d m a 2 0 0 04 g v 编码解码器则是下一代基于e v r c - b 的 编码解码器，旨在使服务提供商能够动态地根据网络需要调整语音数据容量。 大多数语音编码系统并不支持数字数据的传输。c e l p 语音编码技术的其中一个特 点是：它的合成滤波器是一个以线性预测分析为基础的时变滤波器，其参数周期性的更 新，由当前帧语音波形的线性预测分析所决定。无论是r p e l t p 编码还是a m r 编码， 首先就是对预处理后的语音信号，以帧为单位进行线性预测分析。其基本思想是：由于 语音样点之间存在相关性，所以可以用过去的样点值来预测现在或未来的样点值，即一 个语音的抽样能够用过去若干个语音抽样或它们的线性组合来逼近。其目的就是为了语 音编码的过程中滤除噪声和非语音成分。而对于经过编码压缩得到的低比特率数字码流 来说，经过压缩后数据相关性近乎为零，只是一些相对独立的离散数据。由此可见，数 字数据( 如a s c i it e x t 、字节码、二进制文件) 是无法顺利通过声码器压缩并在解码端 成功恢复出来。c d m a 2 0 0 04 g v 编解码器具有时变非线性等语音传输特性，而数字数 据通过声码器之后则会造成明显的失真与畸变。 综上所述，在现代移动通信系统语音通道上进行数字数据的高效传输是一个意义长 远且非常具有挑战性的课题，其中最大的难点是数据如何通过移动通信系统中的语音编 解码器传输。 1 2 国内外研究动态 随着移动通信系统的高速发展，用户在数据通信方面的需求呈现出快速增长与多元 化的趋势。全球移动通信发展的重要现主要放在第三代以至于第四代移动通信系统，尤 2 第1 章绪论 其是基于数据通道高速数据业务的发展，而根据不同用户的通信需求，越来越多的科学 研究将重点放在基于语音通道的实时数据业务的拓展上。 综合国内外在语音通道上数据传输的成果，我们将可行的或者已经获得成功的方案 简要介绍一下，主要分为以下四个方面的技术： ( 1 ) 语音合成方案 语音合成系统又称文语转换系统t t s ( t e x tt os p e e c h ) ，主要功能是将任意的文本 数据流转换成自然流畅的语音输出。先对文本数据流进行分解和分析，根据结果从原始 语音库取出相应的语音基元，然后再用特殊算法将语音基元合成语音。语音合成涉及声 学、语言学、数字信号处理技术、多媒体技术等多个学科技术，是信号处理领域的一项 前沿技术。该技术已经广泛应用于各种智能系统，如信息查询系统，自动售票系统等。 目前，t t s 技术在通信设备及一些数字产品中，如手机和p d a 中也得到了广泛应 用。苹果公司推出的i p h o n e 手机【1 1 介绍说，该手机可以将短信等文本数据语音化，即用 户在编辑完短信后可以以文本方式传输，也可将其变成合成语音传输到对端用户，从而 接收端用户可以接收到有声短信，是双方通信更为便捷与高效。在这个过程中，文本数 据通过t t s 合成技术转换为语音，通过语音通道传输到对端。同时，t t s 逐渐应用到 v o i c e x m l 中，是i n t e m e t 能够有效地传输语音数据【2 】。 ( 2 ) 以语音为载体的信息隐藏方案 将待传输的信息嵌入语音文件或者语音变换后的文件中，以语音为载体在系统中传 输，并且在接收端恢复出来。信息隐藏主要利用人的感觉器官对数字信息的感觉冗余， 以图像、音频、多媒体等公开载体为掩饰物，用多种方式将需要隐藏的信息隐藏于掩饰 信息之中，通常用在信息安全方面。信息之所以能隐藏在多媒体数据中是因为：多媒体 信息本身存在很大的冗余性。从信息论的角度看，未压缩的多媒体信息的编码效率是很 低的，所以将这些目标信息嵌入到多媒体信息中进行秘密传送是完全可行的，并不会影 响多媒体信息本身的传送和使用。 目前，较为常用的信息隐藏算法有：最不重要位法( l s b ) 、相位隐藏法、回声隐 藏法、基于统计量的隐藏法以及变换域隐藏法等。大体可划分为时域算法和变换域算法 两大类。时域算法主要是在时域中通过修改载体对象数值或特征进行信息隐藏：变换域 算法多数为将载体划分到高频和低频区，在适当的频段进行信息隐藏。变换域方法比时 域方法增加了鲁棒性，但是，高频有利于嵌入消息的不可见性，但却不利于鲁棒性，低 频尽管有利于鲁棒性，但却会带来不可接受的可见性。算法的缺陷主要是隐藏信息量较 低，一些算法不能达到盲检测，与实际应用还有一大段路要走。 ( 3 ) 类语音合成方案 顾名思义，即将低比特率数字码流调制成类似语音的信号。系统模型见图l 一1 。类 语音，即合成出的语音可能并不具有可懂度，只是时频特性与语音相似。类语音合成模 型主要来源于语音合成模型。 3 东南大学硕士学位论文 n k a t u g a m p a l a l 3 4 1 等在研究g s m 系统安全语音传输系统时，提出了低速率数据调制 为类语音的方案。他们首先确定语音合成模型中所必须的线谱对参数l s f 、能量信号、 基音频率三组信号，分别形成码本存储。当库建立起来之后，将信息比特分别对应到不 同的参数码本中去。比如输入2 0 b i t 进行语音合成调制，1 0 b i t s 用于选择线谱对参数l s f 码本、5 b i t s 选择能量信号、5 b i t s 选择基音频率。然后由选择的三组参数根据模型合成 出类似语音的波形。该方案在g s m 平台上得到了验证，3 0 k b p s 和4 0 k b p s 的数据速率 误码性能分别达到0 5 和4 。 r 油i 图1 1 移动通信系统语音通道数据调制系统 m a h s ar a s h i d i i s 提出了基于a r 模型的类语音合成方案，将待传输的数据映射到类 语音共振峰的相位、频率和基音频率上。由于共振峰很敏感，为了简化激励模型，采取 并行处理传输函数，最终应用正弦激励模型并结合谱包络合成出类语音。该方案在g s m 全速率语音通道实现了良好的传输性能，在信噪比s n r - - 1 5 d b 的信道下传输1 1 5 k b p s 数据达到0 0 2 的误码率。 ( 4 ) 非语音调制方案 这种方法完全从信号处理的角度来研究语音编解码传输非语音信号的特性，找出一 种方法使数字码流能通过声码器编解码传输过去，同时受到的歧变影响最小。思路是找 到可以通过声码器的信号，将信息承载上去从而进行传输。 北方交通大学的陈一帅硕士论文1 6 】中分析了g s m 声码器特性，并提出了d p s k 与 d q p s k 调制方法可以使数据通过声码器压缩解压过程得到有效传输。在g s m 系统仿真 得到：2 4 k b s 数据速率采用q p s k 的b e r 达到1 以下，采用d q p s k 的b e r 达到6 ： 美国e l i z a b e t hc h e s n u t t 提出了无线通信系统语音通道进行数字信息传输的相关专利 7 】， 针对新一代通信系统e v r c 声码器提出了连续信号调制的方案；c o o k ，f r e ds 等人提出 了话音通道进行数据传输的相关专利l8 1 ，将数据映射到不同的d t m f 信号进行传输；南 4 第1 章绪论 京大学的刘芳则在实时保密通信的应用背景下，基于m a t l a b 仿真平台论证了f s k 和 q a m 信号在g s m 语音通道进行实时数据传输的可行性，得出结论：的确能够在g s m 语音通道传输实时数据，但是使用目前的调制方式传输速率比较低p j 。 从调研的结果来看，目前已有的语音通道数据传输方案主要集中于语音或以语音为 载体的信号传输，以及非语音信号的传输探讨。问题的核心在于承载数据的信号能否顺 利地通过语音编解码器的传输，并且在接收端高质量地恢复出来。比较成熟的方案主要 是针对g s m 系统r p e l t p 声码器，变速率语音编码由于编码速率视信道情况而定，所 以针对该语音通道的数据传输方案并未成型。 1 3 本文关键问题和技术 1 3 1 语音通道数据传输系统架构 本文在分析了现代移动通信系统语音传输通道及传输特性的基础上，在此系统上架 构端到端数据传输系统，首先结合通信系统对模块在整个语音通道中位置进行考虑。移 动通信语音通信系统简要框图如下： 8 k h z 采样p c m。 语音输入 2 0 m s1 60样点,q 叫圈屯蛩年丑咂 怔咯 易 8 k h z 采样p c ml 酷 匮13 b i t 籼群丑恒h 丑 叫到臌换h 语音解码h 信道解码h 解调卜凑 图1 - 2 移动通信系统语音通道系统框图 数据( 文本、图像、语音或者视频等) 在语音通道中传输，可以考虑信源编码部分 和信道编码部分。但是对于现有的移动通信网络来说，语音通道方式是系统标准的语音 传送方式，网络的信道已经完全规范化，所有的对话音信号编解码规范都是标准的。如 果直接在移动台将声码器编码后的信号提取处理的话，由于移动台集成度通常较高，信 号提取困难，还要改造基站设备不现实，所以本文不考虑信道处理，而考虑充分利用网 络现有的信道传输数据。因此，本文考虑在信源编码之前加入数据传输模块。为了提高 数据的传输效率，通常在传输之前将待传输数据压缩成低比特率数字码流。为了在语音 通道中传输，从接口角度考虑，压缩所得的低比特率数字码流需要符合后续声码器处理 信号的码率以及码流格式。语音通道数据传输系统如下图所示： 5 东南大学硕士学位论文 信号输入 ( 文本、图像，语音 ( 文本，图像、语音 和攀斗画千十器 图1 - 3 移动通信语音通道数据传输系统框图 在方案中，数据压缩解压模块主要是为了提高数据传输的效率，采用低比特率数字 编码技术将其编码成比特流。针对不同数据类型采取不同的数据压缩编码方案：对于文 本，h u f f r n a n 编码和算术编码，以及词典编码均可采用；对于图像，可采用最常用的j p e g 压缩编码方式；对于语音，可以采用c e l p 、m e l p 和m b e 等压缩编码方案【lo 】：而视频 文件，m p e g 1 、e g 2 都是常用的压缩编码。由此，从现在的技术水平来分析，将 信息量很大的文件压缩成小文件进行传输，已经不是难事，而且方法诸多。所以本论文 重点在于：如何将压缩后的低比特率数字码流通过声码器进行传输。由此，我们将语音 通道数据传输系统进一步简化以明确目标： 图1 _ 4 移动通信语音通道数据传输核心系统框图 1 3 2 方案设计难点分析 从图中可以看出，数据处理模块与基带处理操作中的语音编解码模块相联接，这给 算法涉及带来了很强的限制，具体来说，限制在以下几个方面： 6 第1 章绪论 1 ) 信号格式限制 即数据处理模块与语音编解码模块接口的数据格式必须为8 k h z 采样的p c m 格式。 在g s m 系统中，一帧( 2 0 m s ) 采样频率为8 k h z 的带符号的1 6 0 个样本组成，每个样 本为1 3 位或者1 6 位的线性p c m 码。在3 g 系统中，也采用采样率为8 k h z 的p c m 码 流。每帧2 0 m s ，1 6 0 个样点，每个样点1 6 b i t 。格式的限制通常是可以满足的，最后的 效果需要通过仿真验证。 2 ) 信号通过语音编解码的限制 因为经过压缩处理后的低比特率数字码流要通过r p e l t p 声码器或者a m r 声码器 处理后，再送入通信网络传输，并且在接收端要从语音解码器的结果中解压恢复出来， 所以必须保证这个语音编解码恢复的过程对于信号来说是可以接受的。由于语音编解码 器指针对语音信号的特点优化设计的一个自适应系统，所以它对数字比特流这种非语音 信号的传输有着本质上的困难。后面的研究证实：g s mr p e m 语音编解码传输数字 比特流信号出现问题，它会对其产生难以预测的畸变影响，不能保证信号通过编解码后 很好地恢复。因此，找出一个合理可行的数据处理方案使压缩后的数字比特流能通过语 音编解码器很好地传输成为设计的关键。 1 4 本文组织结构 本文主要针对以r p e u p 为核心声码器的g s m 系统以及a m p 为核心声码器的3 g 系统语音通道仿真平台展开研究。通过对移动通信系统语音通道及核心声码器的深入研 究，设计可行方案，并在g s m 系统与3 g 系统核心声码器平台进行实例化仿真与论证。 最终确定了基于o f d m 类语音调制的数据传输方案，并且对方案作了进一步的改进与 方案论证。论文各章节的组织结构如下： 第一章，绪论，主要介绍本课题的研究对象以及国内外的研究动向，提出了语音通 道数据传输系统的框架，并进行了难点分析。 第二章，移动通信系统语音通道及编解码技术，详细介绍g s m 系统、g s m 演进系 统和3 g 系统语音通道概况，并深入研究r p e l t p 与a m r 语音编码器原理。 第三章，根据移动通信系统语音通道的传输特性，在分析了语音特性的基础上，提 出了一系列可行方案：基于正弦波调制的数据传输方案，基于o f d m 的数据调制方案， 基于小波d w t - o f d m 的数据传输方案以及基于d f t 的数据承载方案。对方案的原理 与参数设计做了详细介绍，并在基于r p e l t p 与a m r 语音编解码仿真平台上进行了可 行性论证与性能分析。 第四章，对基于o f d m 数据调制方案作进一步细化，首先论证了o f d m 波形的类 语音特性，而后分别从循环冗余模块、非均匀调制及加窗信号三个方面对方案进行改进， 并且在基于r p e l t p 与a m r 仿真平台上进行方案的论证与性能分析。最后将该方案应 7 东南大学硕士学位论文 用到实时语音数据的传输中，对整个应用系统进行了设计与仿真。 第五章，对全文进行了总结，并对基于o f d m 类语音调制的数据传输方案提出了 一系列改进措施。 8 第2 章穆动通信春统i t t 通道及骗解码技术 第2 章移动通信系统语音通道及编解码技术 本章主要介绍移动通信系统语音通道及编解码技术，详细介绍了o s m 系统、g s m 演进系统和3 g 系统语音通道概况。从核心模块声码嚣入手，着重介绍g s m 系统与3 g 系统中r p e l t p 与a m p 语音编码器原理。 2 1 移动通信系统语音通道溉述 移动通信最早起源于2 0 世纪7 0 年代，在经历了第一代、第二代的发展之后，仍在 向第三代乃至第四代不断地进步。移动通信演进过程见图2 - 1 。在移动通信的整个发展 过程中，语音通信业务是其最主要的业务，因此语音编码方案一直是移动通信发展的核 心技术之一。 凹2 - l 移动通信系统演进过程 人们曾经使用过的“大哥大”手机属于第一代移动通信它采用的是模拟式语音通 信。目前正广泛使用的“全球通”、“种州行”等属于第二代移动通信，它使用豹是全 球移动通信系统( 0 s m ) ，并采用了规则脉冲激励一一长时预测( r p e - - l t p ) 语音编码技 术。通用无线分组服务( g p r s ) 属于第25 代移动通信，它是g s m 向第三代移动通信的 过渡，其语音编码技术与第二代移动通信一样，但它可以提供除语音通信以外的高速数 据业务。 第三代移动通信现处于产业化发展阶段，各个公司和厂家正在为占领市场而进行澈 9 东南大学硕士学位论文 烈的竞争，这种竞争主要是标准之争。目前最具竞争力的有三大国际标准：中国提出的 时分同步c d m a ( t d - - s c d m a ) 标准、欧洲提出的宽带c d m a ( w c d m a ) 标准和美国提 出的c d m a 2 0 0 0 标准。t d - - s c d m a 标准拟采用自适应多速率( a m r ) 语音编码技术； w c d m a 标准拟采用a m r 语音编码技术，同时把可选模式声码器( s m v ) 作为备用的语 音编码技术：c d m a 2 0 0 0 标准采用q u a l c o m m 公司的码激线性预钡t j ( q c e l p ) 声码器或 增强型变速率编解码器( e v r c ) 作为语音编码技术。 在第三代移动通信即将进入产业化之际，各个国家已经开始着手第四代移动通信的 研究开发，其语音编码标准也正处于研究之中。 2 1 1g s m 移动通信系统语音通道 g s m 数字蜂窝系统中采用了先进的语音编码技术，旨在对语音信源模数变换后的 码率进行压缩，去掉冗余度，传送真正有用的信息，从而降低占用带宽，提高频谱效率。 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 全称系统蜂窝通讯网，由话音编码和 信道编码组成【l ，其语音通信过程见图2 2 。其中，话音编码主要由规则脉冲长期预测 编码( r p e 一坍编译码器) 组成，其编码速率为13k b i t s ，总码率为2 2 18k b i t s ，m o s 为3 6 分。信道编码归入无线子系统，主要包括前向纠错( f e c ) 编码和交织技术。 图2 - 2g s m 语音通信编码过程 ( 1 ) 预测编码 为了减少编码误差，提高语音质量，语音编码器采用了线性预测手段，预测的含义 是指一个语音的抽样值可用过去若干个语音抽样值的线性组合来逼近，就是根据过去的 信号样值预测下一个样值。 语音信号的样值可分成预测和不可预测两部分。可预测部分( 相关部分) 是由过去的 1 0 第2 章移动通信系统语音通道及编解码技术 一些权值加权后得到；不可预测的部分( 非相关部分) 可看成是预测误差由于语音信号的 相邻抽样点之间有一定的幅度关联性，所以，可以根据前些时刻的样值来预测现时刻的 样植，然后把预测值与现实的样值之差( 预测误差) 加以量化、编码。我们只要传输预测 值和实际值之差，而不需要每个样值都传输，这样就实现了预测编码。在接收端经过和 发信端的预测完全相同的操作，就可以得到量化的原信号，然后通过低通滤波器便可恢 复原信号的近似波形。优点是减少编码误差，提高语音质量，预测越好，信号与预测的 差值就越小，压缩数据量的效果就越显著。 ( 2 ) 声码器 以语音模型为基础，在发端分析提取表征音源和声道的相关特征参数，通过量化编 码将这些参数传输到收端，在收端再应用这些特征参数重新合成为语音信号，即合成为 原始的模似语音信号，经过扬声器发出声音实现这一语音解码过程的系统称为声码器 ( v o c o d e r ) 。声码器的传输数码率可压缩到4 8 k b i t s 以上，主要应用于窄带语音通信。g s m 系统中采用r p e l t p 声码器。其原理我们将在下面章节详细介绍。 ( 3 ) 前向纠错f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 编码 信道编码采用前向纠错( f e c ) 编码和交织技术，其基本思想是：在待传送的语音 码元中，人为地按定规则加入一些冗余的但又有用的数字信号( 码元) ，新增加码元 称为纠错或冗余码。在信号传输中，当数字信号发生误码时，由于纠错码元起作用，能 够自动发现或纠正错码，从而使有用码元的损失数量减少。可见，信道编码是通过增加 冗余数据来克服传输过程中出现的误码，从而提高纠错能力。 ( 4 ) 交织技术 交织就是将原来的码元打乱，参入新码元，这叫交织重组，然后传送出去。接收到 这些码元后，