（通信与信息系统专业论文）tetra语音编解码算法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( t e t r a 数字集群系统是e t s i 推荐的数字集群通信标准，它s d m o t o r o l a 公司 的i d e n 一起被确定为我国数字集群通信的两个推荐性行业标准。t e t r a 系统 基于t d m a 方式，是一个开放标准，具有许多先进特性，能更有效利用宝贵的 频谱资源，在一个网络中综合话音及数据，进行高速数据传输等，将会逐步取 代现有的模拟制式的移动专网。t e t r a 数字集群的语音压缩算法具有传输速率 、口 低、合成语音质量高的优点，在一个物理信道内可同时传输4 路话音i 本文描 述了数字集群移动通信t e t r a 系统的基本结构，重点讨论其语言压缩编解码算 _ 一1 法( 4 5 6 7 k b p s 的代数编码激励线性预测，即a c e l p ) 的原理。t e t r a 语音压缩算 法通过线性预测、矢量量化、代数码本结构等降低比特率， ：通过自适虚码本和 代数码本相结合的方法降低了声码器的复杂度，同时通过分数分辨率基音预测和 感赏加权滤波器等提高了重建语音的质量。我们除了对其算法做理论上的分析 外，还采用c 语言对! 曼! 曼叁适童绩鳃碍算法进行了实时仿真。语音由微机声卡录 1入，通过t e t r a 编码后再通过异步串行口送入t e t r a 解码器解码，然后将重建 ， 语音输出到声卡播放。最后，我们以试听和用m a t l a b 工具对语音信号进行分析两 种方式对仿真结果进行了分析。仿真结果表明，t e t r a 语音编码算法具有速率 f低、重建语音质量高、计算复杂度低等优点，适合在数字集群通信系统中使用。 关键词：数字集群，t e t r a ，a c e l p ，分数基音预测，分裂矢量量化，聚焦搜 一去 、 乙y 月、 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e t r a s y s t e mi sat r u n k e dr a d i os t a n d a r dr e c o m m e n d e db ye t s i i th a sb e e ns e 1 e c t e da st h ei n d u s t r i a ls t a n d a r db yc h i n a t o g e t h e rw i t hm o t o r o l a si d e n t e t r a i sb a s e do i lt d m a i ti sa no p e ns t a n d a r dw i t hm a n ya d v a n c e df e a t u r e s i tc a ne f - f i c i e n t l yu t i l i z ep r e c i o u sr a d i of r e q u e n c i e s i tc a ni n t e g r a t es p e e c ha n dd a t ai no n e n e t w o r k i tc a nt r a n s f e rd a t aa th i g h s p e e d i ti sc o n s i d e r e dt h a tt e t r a w i l lr e p l a c e t h ec u r r e n ta n a l o g p r i v a t em o b i l es y s t e m t h et e t r as p e e c hc o d i n ga l g o r i t h mh a s t h ea d v a n t a g eo fb o t hl o wb i tr a t ea n dh i g hs p e e c hq u a l i t y t o t a l l y4s p e e c hc h a n n e l sc a d _ b es t r a n s f e r e ds i m u l t a n e o u s l y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i ct h e o r yo f t e t r as p e e c hc o d i n ga l g o r i t h m ( 4 5 6 7 k b p sa c e l p ) t e t r a s p e e c he o d e cu s e s l i n e a rp r e d i c t i o n ，v e c t o rq u a n t i z a t i o na n da l g e b r a i cc o d e b o o ks t r u c t u r et ol o w e r t h eb i tr a t ea n du s e st h ec o m b i n a t i o no ft w oc o d e b o o k s ( a d a p t i v ec o d e b o o ka n d a l g e b r a i cc o d e b o o k ) t or e d u c et h ec o m p l e x i t yo fv o c o d e ra n du s e sf r a c t i o n a lp i t c h p r e d i c t i o na n dp e r c e p t u a lw e i g h t i n gf i l t e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fr e c o n s t r u c t e d s p e e c h w ea n a l y z e t h e c o d i n ga l g o r i t h mi nt h e o r ya n d u s ec l a n g u a g e t os i m u l a t e t h ea l g o r i t h mi nr e a lt i m e t h es p e e c hi sr e c o r d e db ys o u n d c a r d ，t h e ne n c o d e db y t e t r a s p e e c he n c o d e r ，t r a n s f e r e dt h r o u g ha s y n c h r o n o u ss e r i a lp o r tt ot e t r a s p e e c hd e c o d e rt od e c o d e f i n a l l y ，t h er e c o n s t r u c t e ds p e e c hi sp l a y e db yt h es o u n d c a r d w ea n a l y z et h es i m u l a t i o nr e s u l tb yl i s t e n i n ga n d a n a l y z i n gt h es p e e c hs i g - h a lu s i n gm a t l a b t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt e t r a s p e e c hc o d i n ga l g o r i t h mh a s l o wb i tr a t e ，h i g hr e c o n s t r u c t e ds p e e c hq u a l i t y , l o wc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y i ti s s u i t a b l et ob eu s e di nt r u n k e dr a d i os y s t e m k e y w o r d st r u n k e dr a d i o ；t e t r a ；a c e l p ；f r a c t i o n a lp i t c hp r e d i c t i o n ；s p l i tv e c - t o rq u a n t i z a t i o n ；f o c u s e ds e a r c h i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1课题意义 1前言 1 1 1我国数字集群标准 本课题刚开始时，国家正组织有关工业部门和用户单位制定我国的数字集群 标准。国家有关部门对数字集群系统的引进采取了非常谨慎的态度，也制定了政 策，以免出现模拟集群系统建设中“八国联军”瓜分中国市场的现象。在国家标 准尚未制定的时候对t e t r a 系统作一些研究可以比较早的了解t e t r a 系统的运 行机制，以便为今后的正式实施打下基础。 2 0 0 1 年初，信息产业部已经批准将t e t r a ( 陆地集群无线通信) 和i d e n ( 集 成数字增强型网络) 作为中国数字集群移动通信系统体制电子行业推荐性标 准1 1 j ，从而为我国的集群通信从模拟向数字的过渡与发展确立了国家标准。 t e t r a 数字集群系统的优点己被越来越多的人所认识，无论是应用部门， 还是研究部门都对它进行积极的探讨。也许会象g s m 的发展一样，一旦时机成 熟，在2 到3 年内t e t r a 数字集群系统会有一个高速的增长，该系统的应用前景 将是光明的。 1 1 2 国内外概况 t e t r a 于1 9 9 2 年开始基础无线电技术的研究；1 9 9 4 年开始结构功能有 效特性的研究；整个系统组成的全面研究于1 9 9 5 年早期开始；1 9 9 7 年开始实 施3 8 0 m h z 4 0 0 m h z 频段的试验：这些试验包括提供固定专用频段、专用便携产 华中科技大学硕士学位论文 品、移动台及加密和支持数据的高性能软件；1 9 9 8 2 0 0 0 年提供专业用户的全部 产品，包括新频段的专用便携产品、专业用户分段特性的研制、d m o ( 直通模 式) 中继器及网关产品。1 9 9 4 年1 2 月，t e t r a 标准的m o u ( 谅解备忘录) 组织 的成立对其发展起了关键作用。 t e t r a 已完成的标准有：在话音+ 数据中已完成系统网络内业务保密、网 。 络管理、终端设备及附加业务：在分组数据方面已完成一致性试验：在直接模 式方面已完成功能描述语言( s d l ) 的产品标准、s d l 验i 止及网关的一致性试 验。目前正在制定自 t e t r a 标准有t e t r a 的v + d 紧急业务、互操作v + d 、网 关( p s t n ) v + d 、终端设备接口v + d 、网络管理( 基本技术条件) 、协议一 致性实- 验v + d 、s i m 卡、直接模式一致性试验及网关p d o s d l 模式的完成、设 计指南第二部分。 在实用方面，英国t e t r a l i n k 电信公司已获得运营t e t r a 业务的许可， 在1 9 9 8 年3 月，为超过8 7 的英国公民提供全业务的t e t r a 服务；挪威将 于1 9 9 8 年开始t e t r a 的运营工作：德国将建立试验系统；芬兰建立的t e t r a 管 理网络( 安全与保密) 于- 1 9 9 7 年开始运营；荷兰开始实n c 2 0 0 0 f 划，这 是t e t r a 业务在荷兰的运营计划；亚洲、新西兰、澳大利亚也准备进行t e t r a 的 实用。t e t r a 的测试设备于1 9 9 6 年1 0 月 r o h d e & s c h w a r z $ 口t e l e d a n m a r kr & d 研 制成功；1 9 9 6 年1 1 月阿尔卡特、摩托罗拉与t e t r a 的m o u 签约，摩托罗拉 将于1 9 9 8 年4 月提 共t e t r a w 品，全面投入商用：诺基亚将于1 9 9 8 年初提 供t e t r a 产品。 1 1 3 t e t r a 发展方向 经过几年的发展，t e t r a 标准已经非常成熟，一批成熟的系统已投入运 行，更多的t e t r a 系统在建设之中，功能强大的第三代t e j t r a 移动台己经 开发完成。今后，t e t r a 将主要沿着以下几个方向发展：高级无线数据业 2 华中科技大学硕士学位论文 务d a w s ( d i g i t a la d v a n c e dw i r e l e s ss e r v i c e s ) 的研究开发 频率扩展，争取覆 盖1 3 0 m h z i g h z ，以适应市场的需要；更新和完善t e t r as i m 卡，与第三代 移动通信兼容；进步增强互连性；开发研究多模终端。 我国专用移动通信的需求可概括为三种类型：面状大区域覆盖的大容量、多 用户部门系统即面向城市公用服务的专用调度移动通信和专用数据移动通信，适 ， 合建立公众接入的集群移动通信网来提供服务：链状覆盖的中小容量、多用户部 门系统即面向公路、水运、铁路、交通运输服务的专用调度移动通信和面向数 据分发和采集的专用移动通信，适合建立专用集群移动通信网来提供服务：面 状大区域覆盖和链状覆盖相结合的全国联网的大中容量、增强安全的多用户部 门系统，可称作增强型集群移动通信网，它是面向公安、铁路等需要高可靠、 高保密、高安全信息传输的部门，提供专用调度移动通信和专用数据移动通信 服务。据中国通信工业协会组织调查所作的保守预测，我国数字集群的潜在市 场需求为移动台8 0 0 9 0 0 万部，信道1 4 1 5 个，产值约5 0 0 t g 元。其中，数字集 群共用网在1 0 年内用户可达4 0 0 万部。如按国际上专业移动用户为公众移动用 户的l 分之一估算，2 0 1 0 年我国公众移动用户将超过2 亿，那么，届时专业移动 用户将为2 0 0 0 万。据预测，到2 0 0 6 年t e t r a f l , 市场分布如下：公共安全与保密 占2 5 ，运输占2 0 ，工业占1 5 ，公共事业占1 2 ，紧急业务占1 2 ，非紧急 管理占1 1 ，其他占5 。 1 2 我国采用t e t r a 数字集群标准的优势 1 2 1t e t r a 的优点 t e t r a 的主要优点在于它可以在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输 及电话服务，因此仅通过一套系统就可以满足一个组织的多种无线通讯需求。除 此之外，由于t e t r a 是一种数字式标准，所以在整个覆盖区域内，话音传送的 3 华中科技大学硕士学位论文 清晰度与质量不会有任何降低。为保证通讯的保密性，可以方便地采用数字加密 技术。利用一套4 ：1 ( 一对载波上的4 条逻辑信道) 数字式t d m a ( 时分多址 系统， 通过t e t r a 可以实现以下附加好处： 全双工语音：利用t d m a b , 寸段交织技术，在单工电台上可以实现双工语音能 力，从而缩小终端的体积与成本，构成t e t r a 终端与p a b x p s t n 的一种实用 的高性能价格比对接。 同步语音与数据：有能力利用相邻的t d m a 时段( 一个语音接个数据) 来实 现从台用户终端的同步语音与数据传送。 所需要的带宽：允许所有四个t d m a 时段都进行数据传送，净通过量( 无保 护) 高达2 8 8 k b p s ，从而可以使用传统的非语音同定设施，如图像处理设备、慢速 扫描视频设备和指纹设备。 1 2 2t e t r a 的发展前景乐观 迄今为止，各大公司自, o t e t r a 系统已经有三t 多份合同，价值超过3 亿欧 元，包括1 5 万终端$ 口2 0 0 0 个基站。e t s i 请专业公司对t e t r a 市场进行预测，保 守的预测结果表明，至0 2 0 a o 年，全球将有i 0 0 0 万t e t r a 终端，更乐观的预测届 时将有8 0 0 0 万t e t r a 终端。过去，由于技术和频率分配等原因，欧洲各国都建 了大小不一的专用网。m p t l 3 2 7 的引入，使专用网朝国际标准化方向推进了大 步，m p t l 3 2 7 市场在世界大部分地区获得成功。随着欧盟各国间相互经济活动的 加强，特别是公共安全等紧急业务的需求，使欧洲各国迫切需要建立泛欧调度 网，这就是t e t r a 发展的根本动力。t e t r a 是e t s i 唯一的公共安全和公众数字 集群系统体制，e t s i 宣称不会有第二种数字集群体制。亚洲、大洋州、南美等不 少国家也决定采用t e t r a 。t e t r a 将成为数字集群的主流。 4 华中科技大学硕士学位论文 标准的开放性形成多供货商的自由竞争，使用户从中得益，获得电低的价格 和更好的服务。而制造商也从中得益，因为开放性容易形成大市场，大家的共同 参与可以降低风险。日前已有多家厂商参与t e t r a 系统设备的开发生产，其中 不乏国际知名的跨国公司。与模拟集群系统相比，数字集群系统可望得到更丰富 的业务种类、更好的业务质量、更好的保密特性、吏好的连接性和更高的频谱效 率。从模拟集群向数字集群过渡，是历史发展的必然趋势。正如从模拟蜂窝电话 逐步向数字蜂窝电话( g s m 、c d m a ) 过渡一样 引。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 t e t r a 集群通信系统 2 1什么是集群通信系统 集群通信系统是多信道用户共享的专用调度通信系统。集群通信可分为模拟 集群通信与数字集群通信。模拟集群通信是指它采用模拟话音进行通信，信令可 采用模拟或数字式。数字集群通信则从各个环节都实现了数字处理。集群通信数 字化不仅使通信质量提高，信道数也大大增加，容量也增大了，容易满足多区 联网需求。现在已推出的几种数字集群通信系统中大部分都采用时分多址方式 ( 也有少数采用频分多址) ，而语音编码方式则在c e l p 编码的基础上采用新的 编码速率低、频带利用率高和话音质量好的编码技术，如矢量和激励线性预测 编码( v s e l p ) 和代数码激励线性预测编码( a c e l p ) 等，当然还有一些其它的新技 术。而这些系统的数字调制技术基本上都能满足占用频带小、误码率特性好、频 谱特性好和带外辐射小等要求，如7 r 4 q p s k 和1 6 q a m 等新的数字调制技术【3 】。 2 2 集群通信的特点 共用频率将原来配给各部门专有的频率加以集中，供各家共用。 共用设施由于频率共用，就有可能将各家分建的控制中心和基站等设施集中合 。 建。 共享覆盖区可将各家邻近覆盖区的网络互连起来，从而获得更大覆盖区。 共享通信业务可利用网络有组织地发送各种专业信息为大家服务。 分担费用共同建网可以大大降低机房、电源等建网投资，减少运营人员，并可 分摊费用。 6 华中科技大学硕士学位论文 改善服务由于多信道共用，可调剂余缺、集中建网，可加强管理、维修，因此 提高了服务等级，增加了系统功能。 具有调度指挥功能。 - 兼容有线通信。 智能化，微机软件化，增加了系统功能。 具有控制、交换、中继功能。 总之，集群通信系统是共享资源，分担费用，向用户提供优良服务的多用途、高 效能而又廉价的先进无线调度通信系统。 2 3 集群通信系统分类 集群通信系统通常有以下几种分类方式： ( 1 ) 按信令方式分有共路信令方式和随路信令方式。共路信令是设定一个专 门的控制信道传信令，这种方式的优点是信令速度快，电路容易实现，但占用信 道。随路信令是在一个信道中同时传话音和信令，信令不单独占用信道，可节约 信道，缺点是接续速度慢。 ( 2 ) 按信令占有信道方式分有固定式和搜索式。在固定式中，起呼占用固定 信道。搜索式起呼占用随机信道，需不断搜索变化的信令信道，忙时信令信道可 作话问信道，新空出的话音信道可接替控制信道。固定式实施简单，后者实施复 杂。 ( 3 ) 按通话占用信道分有信息集群( 亦称消息集群) 和传输集群。信息集群系统 中，用户通话占用一次信道完成整个通话过程，而传输集群系统中，一次完整的 通话要分几次在不同的信道上完成。信息集群的优点是通话完整性好，缺点是讲 7 华中科技大学硕士学位论文 话停顿时仍占信道，信道利用率低。传输集群一般分为纯传输集群和准传输集 群，或两者蒹用，这种方式的优点是信道利用率高、通信保密性好，缺点是通话 完整性较差。 ( 4 ) 按控制方式分有集中控制方式和分散控制方式。集中控制式是指由一个智 能终端控制，统一管理系统内话务信道的方式。分散式是指每一信道都有单独的 智能控制终端的管理方式。 ( 5 ) 按呼叫处理方式分有损失制和等待制系统。损失制系统中，当话音信道占 满时，呼叫被示忙，要通话需重新呼叫，信道利用率低。在等待制系统中，信道 被占满时，对新申请者采取呼叫排队方式处理，不必重新申请，信道利用率高。 2 4t e t r a 集群系统 泛欧数字集群系统t e t r a ( t r a n s e u r o p e a nt r u n k e dr a d i os y s t e m l 是由 欧洲通信标准协会( e t s i ) 1 9 9 0 年开始制定的一种多功能数字集群无线电标 准。1 9 9 6 年，为了在全球推动t e t r a ，更名为陆地集群无线系统( t e r r e s t r i a l t r u n k e dr a d i o ) 。日前主要标准已完善，并开始实施3 8 0 m h z 一4 0 0 m h z 频段的试 验，1 9 9 8 年4 月将投入商用。t e t r a 整套设计规范可提供集群、非集群以及具有 话音、电路数据、短数据信息、分组数据业务的直接模式( 移动台对移动台) 的 通信。t e t r a 可支持多种附加业务，其中大部分是t e t r a 独有的。t e t r a 系 统是一种非常灵活的数字集群标准，它的主要优点是兼容性好、开放性好、频谱 利用率高、保密功能强，是目前国际上制定得最周密、开放性好、技术最先进、 参与生产厂商最多的数字集群标准。该系统最为引入注目之处是标准的开放性。 其标准由欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定。网络运营者、国家管理机构、设备制造 商和用户共同参与了标准制定工作。标准的主要部分已于1 9 9 5 年末投票通过( 2 2 个 国家赞成，无反对票) 。该标准在欧共体内是强制的，但也广泛适用于其他地 区。这与g s m 的情况十分相似。g s m 也是e t s i s r 定的欧洲标准，但目前已风糜 8 华中科技大学硕士学位论文 全球。t e t r a 标准的推出是为补充蜂窝网络，而不是相互竞争。它能提供蜂窝 无法提供的功能特性，满足专业用户的特定要求。t e t r a 确定的直通( d m o ) 工作模式可使移动终端之间在没有网络的情况下直接通话，这对公共安全应用是 至关重要的。t e t r a 还支持电路和分组交换数据业务，卜分适合大型文件、图 像的传送，也适合于非实时应用，如数据库接续。 2 4 1t e t r a 技术指标 ( 1 ) 主要技术特性 t e t r a 主要技术指标如表2 1 所示： 表2 1 ：t e t r a 系统主要技术指标 信道间隔2 5 k h z 调制 r 4 d q p s kq ( 滚降因子) = o 3 5 调制信道比特率3 6k b i t s 语音编码速率 45 6 7k b i t s a c e l p 编码方式 接入方式t d m a ，4 个时隙 用户数据速率 7 2k b i t s 每时隙 数据速率可变范围2 4k b i t s 。2 8 8k b i t s 接入协议时隙a l o h a 9 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 1 集群方式 t e t r a 标准支持三种集群方式：消息集群、传输集群和准传输集群。消息 集群是在调度通话期间，控制系统始终给用户分配一条固定的无线信道。从用 户最后一次讲完话松开p t t 开关开始，系统将等待6 s 一1 0 s f i “信道保留时间”后 “脱网”就完成消息集群，之后才将该信道分配给别的通话对使用。若在这段保 留时间内，原来的通话用户再次按p t t 开关要继续通话，则双方仍在该信道上通 话，即保持原来的信道分配。消息集群不是信道动态分配方式而是按需分配方 式，所以频谱利用率不高。传输集群是指用户双方在单工或半双工工作时，用户 按下p t t 开关，就占用一个空闲信道工作，当用户发完第一个消息松开p t t 开关 时，就有一个“传输完毕”的信令送到基地台的控制器，这个信令用来指示该信 道可以再分配给其他用户使用。传输集群的信道是动态分配，频谱利用率高，但 可能导致通话不连续和不完整。准传输集群兼顾消息集群和传输集群的优点，缩 短了“信道保留时间”( 约0 5s 6s ) ，增加了用户每次发话完毕的松开p t t 开 关后的时间，而不会使消息中断。准传输集群的信道利用率比传输集群低。 ( 3 ) t e t r a 频谱资源 t e t r a 标准的显著特点是其频率资源的灵活性，t e t r a 系统已设计成能在 所有适合于移动通信使用的频段内工作。频谱范围从v h f 的1 5 0 m h z 至日u h f 的 9 0 0 m h z ，收发频率间隔为1 0 m h z ( 9 0 0 m h z 时为4 5 m h z ) 。我国信息产业部无线 电管理局己明确规定数字集群通信系统的工作频段( 包括t e t r a 和i d e n ) ，见 图2 1 ： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 单尹 图2 1 ：我国使用的数字集群频段 ( 4 1 系统设计 t e t r a 系统采用大区制设计，系统参数如表2 2 所示。 表2 2 ：t e t r a 系统参数 呼叫建立时间 3 0 0 m s 邻道功率一6 0 d b c 基站r f 功率0 6 w 。4 0 w 移动台r f 功率1 ，3 ，1 0 ，3 0 w f 5 仆日络结构 t e t r a 标准对无线电网络的结构没有明确的限制，其基础结构只定义了6 个 规定的接口标准，包括空间和直接模式空间接e l ，用于确保网内操作互联和网络 管理。这6 个规定的接i l l 是无线空中接口、有线站接口、系统之间的接口、移动台 与终端设备之间的终端接口( 包括有线终端与终端设备之间的终端接口) 、网络 管理接口、直接模式无线电空中接e l 。一个独立的t e t r a 系统由基站、交换 机、操作台、管理中心以及相关的控制和管理设备组成。移动台由移动终端单 元( m t u ) 和终端设备( t e ) 组成，通过移动台与终端设备之间的终端接口连 接。有线台由有线终端单元和终端设备之间的终端接口连接。中央网络管理 单元通过定义的网络管理接口连接。移动台通过连接定义的直接模式无线电空 华中科技大学硕士学位论文 中接口进行直接模式通信。 ( 6 1 语音编码器 t e t r a 语音编码器使用代数码激励线性预测器a c e l p 。a c e l p 在不降低 语音质量的情况下降低了比特率，原因是它用码本向量参数和一些修正向量代替 了对激励音的描述。码本完备地列出了典型人类语音通过反向滤波器的所有可能 输出。编码器比较滤波器的实际输出与码书中的量并寻找与之最匹配的。编码器 中存有码本的拷贝，因此只需要描述如何查找码本以重新生成激励音的参数。通 过这种方法，t e t r a 的语音编码器能够以仅仅不到4 8 k b p s 的速率就足够好地表 示人类语音。 2 4 。2t e t r a 业务概况 t e t r a 业务主要包括以下几个部分： ( 1 ) t e t r a 话音+ 数据( v + d ) 使用2 5 k h z t 言- 道的t d m a 系统，每r f 信道分4 个时隙，话音+ 数据业务。t e t r a v + d 技术规范提供一个能同时支持话音、数据和图像通信的多媒体无线平台，它 与单个移动台相结合，可减少阻塞及互调干扰问题。系统接续协议是基于每载波 时分多址4 个时隙来实现的，这个协议非常灵活，足以支持4 个独立电路通信( 话 音或数据) 或分组数据通信。数据传输速率最高可达2 8 8k b i t s 。 ( 2 ) t e t r a 分组数据优化( p d o ：p a c k e td a t ao p t i m i z e d ) 使用2 5 k h z 信道的t d m a 系统，每r f 信道分4 个时隙，只有数据业务。t e t r a p d o 主要应用在信息和电子信箱、快速管理和快速调度、媒介信息、远端数据 基本接入、计算机文件传输、视频和多媒体等方面，它通过x 2 5 协议的分组交 换支持虚拟线路的整个信息的快速传输。t e t r av + d 系统标准数话兼容， 而t e t r ap d o 只支持数据业务，它们的技术规范都是基于相同的物理无线平台 1 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 相同调制，也可以相同工作频率) ，但在物理层实现方式不太一样，所以不能 实现互操作，预计可在i s o 第三层实现互操作。 ( 3 ) t e t r a 直接模式通信( d m o ) 不需基础设施的通信，即移动台直接与移动台通信。t e t r ad m o ：是在移 动台处于网络覆盖范围内，需要安全通信时用于提供移动直通的业务。通过网 。 桥终端就可以在1 s o 第三层上进入t e t r ad m o i 作模式，该标准保止在i s o f l q 第一层通信信道兼容，这种既可接入集群系统又可直通的传输模式称为“d u a l w a t c h ”采用v + d 、p d o 、d m 0 的公共第三层协议可确保在i s o 第三层上互操 作。 2 4 3t e t r a 帧结构 t e t r a 系统采用t d m a 多址接入方式和7 r 4 d q p s k 的调制方式，调制信道 比特率蔓0 3 6 k b i t s ，一个t d m a 帧为1 7 0 3 m s ，分4 个时隙，每个时隙8 5 6 m s ，可 携带5 1 0 个调制比特，上行时隙又可进一步分为2 个子时隙，每个子时隙s 5 1 2 i t i s ，可携带2 5 5 个调制比特。1 8 个t d m a 帧构成一个复帧( 周期为1 0 2s ) ，6 0 个 复帧构成一个超帧( 周期为6 1 2s ) 。t e t r a 标准定义了8 种猝发，其中上 行3 种，分别为上行链路控制信息猝发、上行链路移动台功放线性化猝发、上行链 路常规猝发。下行5 种，分别为下行链路常规连续猝发、下行链路同步连续猝发、 下行链路常规断续猝发、下行链路同步断续猝发、下行链路线性化猝发。 2 。5 t e t r a 数字集群的优点 标准为公开标准 1 3 华中科技大学硕士学位论文 由于t e t r a 数字集群是公开标准，形成了开放和公平竞争的市场，有利于 用户获得性能、功能、价格最适合的产品，以获取最佳的经济利益。 t e t r a 具有灵活多变的直通方式 移动台既可以实现常规的直通方式，又可以工作在既入网又直通的双模式， 还可以作为网关起到中继作用。 可适应各种业务要求 t e t r a 数字集群同时可传数据和话音，该系统从设计的开始就周密地考 虑了t 舌音和数据两种业务的处理。此外，t e t r a 采用了时分多址技术，在单 个2 5 k h z 的无线载频上可提供4 个通信信道，这些信道可以是数据和话音的任意组 台，还可以将多个时隙捆绑成一个高速的数据信道，因而具有强大的数据传输功 能，很容易在系统中加入g p s 等特殊使用功能。 系统加密更具特色 系统加密既可以采用空中加密方式，也可以采用端到端的加密方式；加密算 法可以采用t e t r a 标准的保密算法，也可以采用用户自己的算法，加密端口为 公开的，特殊用户容易增加硬件加密电路【4 。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 t e t r a 编解码器算法研究 3 1 语音压缩技术概述 语音编码技术通常分为3 类即波形编码、参量编码和混合编码。其中波形 编码和参量编码是两种基本类型。 3 1 1 波形编码 波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，先将模拟语音进行时间 抽样，然后将抽样样本( 幅度) 分层量化后用代码表示；解码则刚好相反，即将 收到的数字序列经过解码和滤波后恢复成模拟信号。波形编码技术对较高传输 率( 一般为1 6 6 4 k b s ) 编码信号的语音质量比较好，但对低速( 如不超过1 6 k b s ) 语 音编码信号的话音质量就显著下降。其代表技术为脉冲编码调制( p c m ) 和增量调 制( m ) 。波形编码可用于信号带宽要求不太严的通信系统，不适合用于移动通信 系统中。 3 1 2 参量编码 参量编码是一种传输速率较低的语音编码技术，它不是对信号的时域波形本 身编码，而是对反映语音信号特征的参量进行编码。所以参量编码也称为声源编 码，它是将信源信号在频率域或其它正交变换域提取特征参量，并将其变换为数 字代码而后进行传输。解码则相反，即先将接收到的数字序列变换为特征参量， 再根据特征参量恢复为语音信号。这种编码技术可以实现低速语音编码，可以将 传输速率压缩到2 。4 8 k b s ，甚至更低，但语音质量只能达到中等1 5 。其代表技术 华中科技大学硕士学位论文 为线性预测编码( l p c ) 及其改进一一多脉冲激励线性预测声码器1 。 3 1 3混合编码 混合编码是波形编码和参量编码相结合的一种较新的编码技术，它能够把 波形编码较高的语音质量和参量编码低速的优点较好地结合起来。因为在混合 编码的数字语音信号中既包括若干语音特征参量，又包括部分波形编码信息。 混合编码可将传输速率压缩到4 1 6 k b s ，而在8 1 6 k b s 范围内能达到良好的语音 质量。其代表技术为规则码激励长期预测编码( r p b l p t l 和码激励线性预测编 码f c e l p ) 。混合编码技术是能够在数字移动通信系统和i p 电话中使用的。 3 2 语音数字模型 语音基本上可以分为两种： 1 ：浊音。由声带振动产生，经声道调制。 2 ：清音。不由声带振动产生，只有空气流经声道调制。 对于参量编码和混和编码来说，表示抽样语音信号的离散模型是特别重要 的。为了定量描述语音处理所涉及到的某些因素，人们提出了许多不同的模型。 语音信号是一连串的时变过程，根据语音的产生机遇，线性时不变模型不能精确 描述语音。但是，在较短时间间隔内表示语音信号时，可将语音看做平稳信号， 可以采用线性时不变模型【9 】。如图3 1 所示： 1 6 华中科技大学硕士学位论文 图31 ：语音信号模型 这里，语音信号被看成是线性时不变系统( 声道) 在随机噪声或准周期脉冲激 励下的输出，这两种激励分别对应发清音和发浊音的情况。关于声道部分的数学 模型，目前有两种观点：一是将声道视为由多个不同截面积的管子串联而成的系 统，由此推导出“声管模型”；一是将声道视为一个谐振腔，由此推导出“共振 峰模型”。辐射模型表征口和唇的辐射效应，也包括圆形的头部的绕射效应等。 完整的语音信号数字模型可以用三个子模型：激励模型、声道模型和辐射模 型的串联来表示。其转移函数为 i - 1 ( 。) = u 如) y ( z ) r ( z ) ( 3 1 ) 这里u ( 2 ) 是激励信号一声门脉冲，v ( z ) 是声道传递函数，r ( z ) 是辐射模型传 递函数。 由于语音的短时平稳特性，声码器是以1 0 5 0 m s 为单位进行语音分析的。与 波形编码的每个抽样为单位进行编码不同。这样做会带来一定的延时，但是因为 人的反应速度有一定的时间，所以不会引起大的问题，一般可以认为是实时处理 的。波形编码不分析信号的内在构造，可以表示所有的声音，包括音乐、语音 等，而声码器则与信号源密切相关。例如c e l p 编码器用到了语音的特殊内在构 造，而这些构造不适用于音乐。 1 7 日 嚣 日) 季 华中科技大学硕士学位论文 c e l p 编码器具有很多优良的性能，是现代混合编码器的研究热点。9 0 年 代以来，围绕c e l p 算法制定了一系列语音编码标准，如美国国防部f e d e r a l s t a n d a r d 一1 0 1 64 8 k b p sc e l p 编码，g 7 2 3 1 ，g 7 2 8 3 1 2 】，g7 2 9 1 1 3 等。它能 够在较低速率下( 4 - 1 6 k b p s 左右) 获得接近3 2 k b p s 的c v s d ( 连续可变斜率增量调 制) 鼓：6 4 k b p s 对数p c m 的高质量语音，是频带受限情况下语音通信的一个较好的 解决方法。c e l p 语音编码同样适合用于加密语音通信，因为语音可在加密前 数字化。但是因为传统c e l p 编码器需要很高的计算复杂度，超出了当前大部 分d s p 芯片的处理能力，无法做到实时编码，或需要昂贵的专用高速芯片，使 得成本很高，从而限制了其在移动通信系统中的应用。为了降 氐c e l p 编码器的 计算复杂度，人们提出了不少改进方案【1 4 【1 5 】【1 6 】【1 7 】。c e l p 编码器中的计算复 杂度的瓶颈主要来自分析过程中对随机码本的搜索。采用更好的码本结构以取 代高斯随机分布的码本能够极大的改进搜索算法。其中，采用代数码本结构是 一种有效降低计算复杂度，而又不显著降低重建语音质量的改进 1 9 1 1 2 0 1 2 1 1 。这就 是t e t r a 编码器中采用的代数码激励线性预测编码算法( a c e l p ) 。 3 3 t e t r a 语音编解码器的结构 t e t r a 语音编解码器基于码激励线性预测( c e l p ) 编码模型。在这个模型 中，以一个合适的来自码本的更新序列乘以增益因子9 c 后通过两个时变滤波器而 合成个语音的取样。t e t r a ：编解码器中的合成器如图3 2 所示： 1 8 华中科技大学硕士学位论文 图3 2 ：t e t r a 语音合成器方框图 第一个滤波器是个长时预测滤波器( 基音滤波器) ，日的是对语音信号中 的伪周期性建模。第二个滤波器是一个短时滤波器，对语音频谱包络建模【2 2 】。 长时合成滤波器由式( 3 2 ) 给出： 1 1 b ( z ) l g p z t ( 3 2 ) 其中丁是基音延迟，而跏是基音增益。基音合成滤波器是作为一个自适应码本实 现的。对于比子帧长度短的延迟将重复过去激励。短时合成滤波器由式( 3 3 ) 给 出： 。z ，i 2 1 ，p 是线性预测( l p ) 参数，p 是预测器阶数。在t e t r a 编解码中p 取值 是l o 。这是一个全极点滤波器，可以足够好的表示各种语音，包括对鼻音和磨擦 。 1 9 杏 上荆 华中科技大学硕士学位论文 音的近似。 t e t r a 编码器使用合成一分析技术| 2 3 】以确定基音和激励码本参数，其结构 如图3 3 所示。 增益 基青珏迟( t ) 码幸蘩5 i 嘲患 图3 3 ：t e t r a 语音编码器方框图 在分析一合成技术中，对所有含有在感觉加权失真测度上能产生接近原始语音 信号的特定序列的更新序列计算合成语音。感觉加权滤波器能减少对语音频谱中 的共振峰区域的误差。如式( 3 4 ) 所示： 毗) = 蒜 ( 3 4 ) 华中科技大学硕士学位论文 其中a ( 。) 是l p 逆滤波器( 如式( 3 3 ) 所示) ，0 7s1 ，这里取7 = o 8 5 。感觉加权 滤波器在t e t r a 编码器中非常重要。我们将在基音搜索和码本搜索中使用它。 它基于以下原理：入的听觉存在所谓掩蔽效应。即在语音频谱中，当信号大的时 候，噪声信号被信号所掩蔽，其对语音失真的影响要小于信号小的时候的噪声信 号。这提示我们可以根据信号的强弱对噪声进行加权，以狭得更好的语音质量。 在t e t r a 编码器中的固定激励矢量由一个整形滤波器进行整形。该整 形滤波器是l p 滤波器a ( z ) 的一个函数，主要功能是对频域的激励矢量进行整 形，将能量集中于重要频带。整形滤波器使用由式f 3 5 1 所示滤波器生成的下三 角t o e p l i t z * e 阵。 f ( 。) = 巧a ( z 丽1 i ) ( 3 5 ) 其中a ( 2 ) 是l p 逆滤波器， y 1 = 0 7 5 ，y 2 = 0 8 5 。 t e t r a 编解码的语音数据帧长3 0 m s ，每帧分为4 个子帧，每子帧长7 5 m s ( 6 0 个 取样值) 。要求短时滤波器( l p 滤波器) 每帧计算和传输一次，而基音和代数码 本参数每子帧传输一次。在t e t r a 编解信号中每帧3 0 m s ，使用1 3 7 h 2 特，信号速 率为4 5 6 7 b i t s 。如表3 1 所示： 表3 1 ：t e t r a 编解码比特分配表 参数第1 子帧第2 子帧第3 予帧第4 子帧每帧总计 l p 滤波器2 6 基音延迟85552 3 代数码1 61 61 61 66 4 2 个增益的矢量量化66662 4 总计 1 3 7 2 1 华中科技大学硕士学位论文 3 4 t e t r a 语音编码过程分析 3 4 1 加窗与自相关分析 在开始编码过程之前，使用偏移补偿滤波器对话音信号进行预处理 珥( z ) ( 3 6 ) 其中q = 3 2 7 3 5 3 2 7 6 8 。预处理的目的首先是去掉输入信号中的直流分量( 偏移补 偿) ，其次降低输入信号幅度以避免合成滤波时的饱和现象。在解码器中，反预