（通信与信息系统专业论文）数字对讲机基带调制解调及编码方案设计与仿真.pdf

摘要 摘要 对讲机被广泛的应用于公安、交通和水利等方面，用以实现快速可靠的控 制。目前市面上的对讲机主要是模拟的常规对讲机，数字对讲机由于成本较高 等原因并不流行。然而随着数字通信技术的发展，数字对讲机的价格大幅下降， 全面取代模拟对讲机即将成为现实。 本文主要建立了常规对讲机的基带系统模型。其中主要包括语音编码方案 的选择，纠错编码方案的选择以及调制方式的选择。 。 语音编码方案的性能直接影响通话质量，本文主要讨论了当前较为成熟的 a c e l p ，v s e l p 和a m b e i m b e 三种算法，并对a m b e i m b e 算法的应用芯片 a m b e - 2 0 2 0 进行介绍。对检错和纠错编码进行分析，并最后选择卷积码的码型， 并进行了仿真。对于调制方式，主要比较了1 6 q a m 和g m s k 两种高效率的多 进制调制。之后，对整个系统在m a t l a b 上进行了仿真。 关键词： a m b e - 2 0 2 0 ，16 q a m ，g m s k ，卷积码 a b s t r a e t a b s t r a c t i n t e r p h o n e h a sb e e nu s e di np u b i c c u r i t y , t r a n s p o r t a t i o na n dw a t e r c o n s e f v a n c yt or e a l i z eq u i c ka n dc r e d i b l ec o n t r 0 1 a tp r e s e n t ，m o s ti n t e r p h o n ei nt h e m a r k e ti sa n a l o gi n t e r p h o n e ，w h i l ed i g i t a li n t e r p h o n ei sn o tp r e v a l e n tb e c a u s eo fi t s h i g hc o s t b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，d i g i t a l i n t e r p h o n eh a sb e c o m ec h e a p e ra n dc h e a p e r i tw o u l dc o m p l e t e l yt a k et h ep l a c eo f a n a l o gi n t e r p h o n es o o n e ro rl a t e r i nm yt h e s i s ，an o r m a ld i g i t a li n t e r p h o n eb a s e b a n ds y s t e mi sc r e a t e d ，w h i c h i n c l u d e st h ec h o i c eo f v o i c ec o d e c ，e r r o rc o n 廿o lc o d e ca n dd i g i t a lm o d u l a t i o n v o i c ec o d e ch a sd i r e c te f f e c t0 1 3t h eq u a l 崎o ft h ec a l l t h i st h e t i sd i s c u s s e s o nt h r e ek i n do fa r i t h m e t i c ：a c e l p , v s e l pa n da e 用m b e a n di n t r o d u c ea p r a c t i c a lc h i pa m b e - 2 0 2 0 f o r e r r o rc o n t r o lc o d e c ，a f t e rt h ea n a l y s i sa n dc o m p 甜e ， w ec h o o s ec o n v o l u t i o nc o d e ca n ds i m u l a t et h e mi nt h ec o m p u t e r w ec o m p a r e 1 6 q a mw i t hg m s k ，w h i c hb o t h 龋eb o t hh i g he f f i c i e n tm o d u l a t i o n t h e n ，w e s i m u l a t e d 也ew h o l es y s t e mw i t hm a t l a b k e yw o r d s ：a m b e - 2 0 2 0 ，1 6 q a m ，g m s k ，c o n v o l u t i o nc o d e c 2 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章引言 第一章引言 对讲机主要应用在公安、民航、运输、水利、铁路、制造、建筑、服务等 行业，用于团体成员间的联络和指挥调度，以提高沟通效率和提高处理突发事 件的快速反应能力。根据国家规定，发射功率 0 5 w 工作于4 0 0 m h z 频段的对讲 机可以免执照，免费使用。 随着国家对民用对讲机市场的开放，人们外出旅游、购物也开始越来越多 地使用对讲机。现在的对讲机主要是模拟对讲机，因为其成本较低，实施方便。 与此同时，模拟对讲机也有它先天的不足，而数字对讲机可以提供模拟对讲机 所望尘莫及的许多优点。以下6 个方面是模拟对讲机与数字对讲机主要区别。 i 、频谱效率： 与模拟系统相比，在相同的陆地移动频谱中，数字无线电 系统可以为更多的用户服务。现在许多国家正面临着严重的频率短缺问题，因 而引出了如何提高频谱效率的讨论。有两种方式可以在现有频段上增加更多的 用户：( 1 ) 采用技术的手段在现有频谱上增加更多的用户；( 2 ) 通过在频 段内创造更多更窄的信道来分割频谱。如果某一系统需要容纳新的用户机，然 而现有的频谱几乎告罄，则数字式无线电技术可遵循限制新增频谱的规定，帮 助实现这一扩容。 2 、语音私密性： 数字无线电系统以数码的形式传送语音，因此使用调频 模拟扫描装置的收听者在信道上听到的只是噪声。可是这一功能不同于加密语 音，尽管后者传送的也是数码语音。加密语音保护语音信息不被使用相同无线 电设备的收听者破解。 3 、覆盖区内的信号质量： 数字无线电通信本身具备前向纠错能力，所以 接收方电台可以纠正数码语音传送中的错误。与模拟无线电对讲机相比，用数 字无线电对讲机接收，相同区域内在效果上有更高的音质水平，从而降低信息 的重复和歧义的产生。 4 、信令功能：由于数字语音通讯已经做到以数码格式通过空中传送，所 以现在我们可以在同一语音传送中嵌入更多的信令功能。今天，模拟无线电对 1 第一章引言 讲机也具有信令功能，但是与数字对讲机相比，这些功能多局限于较小的数据 量。进言之，数字无线电对讲机伴随语音传送连续发送信令，在发出语音内容 的同时将讲话方身份等到相关信息快速转发出去。这些功能一般是非常简单的 数据功能，不应将它们与分组数据和电路数据服务混淆在一起。 5 、语音和数据的集成服务：数字无线电通信系统具有一个重要优势是， 可将语音服务与数据服务高度集成。语音传送被当作数据来处理，从而可以在 语音和外部数据装置之间实现更加紧密的集成。不仅如此，空中的数码传送得 到进一步的优化，数据速率得到提高，为更多的用途创造了条件。数字方式还 能大大减少错误的产生，这一功能对无线移动通信是非常重要的。 6 、加密语音质量：语音加密可能会造成模拟无线电通信系统中话音质量 的波动。多年以来，为得到语音通讯的保密，许多使用者对加密系统所造成的话 音质量下降已经习以为常。然而由于数字无线电通讯系统的出现，加密语音不再 有任何可觉察的音质下降，它无异于任何不加密的语音。 从数字对讲机与模拟对讲机的以上特点可以推断，模拟对讲机在未来若干年 内还会不断的推出，但随着频率资源的日趋短缺和数字调制解调技术的日益成 熟，数字对讲机必然会取代模拟对讲机，成为对讲机的主流。 2 第二章数字对讲机有关法规和标准 第二章数字对讲机的有关法规和标准 国家无线电管理委员会信部无 2 0 0 1 】7 9 3 号文件规定，在4 0 0 m h z 频段规划 公众对讲机使用频率，具体划分如图2 1 所示： 臻道辱号 1 牛0 鞭摹a k r ) 翻道牟号 ；| 中心臻事帽如) l _ = = = = _ - - _ _ 。 _ = = 二。一 _ _ _ _ _ _ _ 2 = _ - - 一 ll 鸭。t 锄 l i i 9 帆钾5 i f 。一。，。，。，t ? 。、。、。一f 。+ t一。一 r 一；r 一r 1 广 21 0 9 t 嗡 | 1 2 0 0 4 秘强 一，l 。 。一，“。+ 一。 r 一r 一r 1 r 一 3 0 - t t 钟 i l 9 柏g 蚰0 b i。，一【。+。一1，。，。jl，。，。，。， r 一r r t 一 li t 8 f 5 h ；| 雌9 1 2 s s4 睫a 0 d 0晦0 i 9 2 5 b 6柚0 l 携l t 0 9 拈 t帆锻0i f4 0 5 0 4 si 鹋，0 粥i bj 0 9 ，娃s 9 ， 0 9 - 0 5 呻l g 0 孰0 7 5 i l ol ，$ 5 蹲孔i 豫螂s 图2 14 0 0 m h z 公共对讲机使用频段划分 有关技术参数的规定： 1 、调制方式f 3 e ( f 代表调频，3 代表模拟信号调制，e 代表话音) 2 、有效发射功率( e i r p ) o 5 矿 3 、发射频率容限5p p m 4 、发射机杂散辐射：5 0p w 5 、接收机杂散辐射：2 0n w 【l 】 对于数字机目前并没有公众对讲机的标准，我们可以参照数字集群的标准。 国家推荐的行业标准是t e t r a 和i d e n 。下面对这两个标准进行简介。 3 第二章数字对讲机有关法规和标准 第一节t e t r a 简介 t e t r a ( t e r r e s t r i a lt r u n k e d r a d i o ) 是由欧洲电信标准协会e t s i 和由 m o u 协会组织的无线电工业成员达成一致共同精心创造的。制定此标准一个重 要的目的就是在一个开放的、多功能和多个供应商的、蜂窝平台上将蜂窝式电 话、数据包和数字无线电结合在一起。t e t r a 是一个数字集群标准，该标准不 仅适用于与安全相关的市场，同时也适用于公众接入移动网( w 山侬) ，可以为 个人或团体提供语音和数据通信。它是一个通信技术，该技术以集群模式( 终 端通信使用系统) 和直通模式( 终端通信不使用系统) 提供安全可靠的通信。 t e t r a 的数字集群网络可以从单个基站到全国范围。t e t r a 在一个2 5 k h z 的 射频载波上可以提供4 个物理通信信道支持语音和数据业务 t e t r a 的主要技术参数： 工作频段：3 8 0 m h z 4 0 0 m h z ，4 1 0 m h z 4 3 0 m h z ( 目前的欧洲频段) 双工间隔：1 0 删z 载频间隔：2 5 k h z 调帝0 方式：4 一d q p s k 话音编码：a c e l p ，4 5 6 7 k b i t s 接入方式：t d m a ，每载波4 个时隙 信道数据速率：3 6 k b i t s 用户数据速率： 7 2 ，1 4 4 ，2 1 6 ，2 8 8 k b i t 一不保护 4 8 ，9 6 ，1 4 4 ，1 9 2 k b i t 一低保护 2 4 ，4 8 ，7 2 ，9 6 k b i t 昏一高保护 基站发射功率：0 6 w 2 5 w 基站接收灵敏度：一1 0 6 d b m 移动台功率等级：1 w ，3 w ，1 0 w 移动台功率控制：1 5 d b m 4 0 d b m ( 5 级，步进5 d b m ) 手机发射功率：3 0 m w 3 w ( 软件控制) 在标准e t 3 0 03 9 2 2 中，规定基站和移动台的灵敏度如表2 i 所示： 4 第二章数字对讲机有关法规和标准 表2 1t e t r a 规定的灵敏度 设备类型 静态条件动态条件噪声系数 基站 一1 1 5 d b m一1 0 6 d b m6 4 d b 移动台 一1 1 2 d b m 1 0 3 d b m9 4 d b 这些灵敏度是在最通常的传播条件下，业务信道未解码率不超过 4 而确定的。 假定的信噪比是静态1 0 d b ，动态1 9 d b 来计算的。信道按照加性 白噪声信道考虑。 杂散辐射限制如表2 2 所示： 表2 2 对于杂散辐射的规定 频率偏移最大电平 2 5 k h z一6 0 d b e 5 0 k h z - 7 0 d b c 对于邻道干扰的规定： 动态条件下：一4 5 d b 静态条件下：- 5 4 d b 他1 第二节i d e n 简介 i d e n 是美国m o t o r o l a 公司研制的一种数字集群移动通信系统，它将数 字调度通信和数字蜂窝通信综合互联在一套系统中间。 i d e n 系统的性能特点： 多址方式：n ) m a 信道宽度： 2 5 臌 z 每信道时隙数： 6 适用频段：8 0 0 m h z 和1 5 g h z 带宽： 1 5 m h z 收发双工间隔：4 5 m h z 调制方式： m 1 6 q a m ( 在信道信噪比大于2 1 d b 的时候采用6 4 q a m ， 数据速率4 4 k b p s ：信噪比小于2 1 d b 大于1 7 d b 的时候采用1 6 q a m ，数据速率 5 第二章数字对讲机有关法规和标准 2 2 k b p s ：信噪比小于1 7 d b 但是链路仍可用的时候采用q p s k ，数据速率l i k b p s 。) 话音编码4 2 曲i t s 的v s e l p 声码器 信道检错编码：循环冗余校验码c r c 信道纠错编码：多码率格形前向纠错码 调制信道比特率： 6 4 k b i t s 支持多业务机制：包括调度、电话互连、电路数据传真、短消息、分 组数据等业务。 接收机灵敏度：基站：1 1 4 5 d b m ，用户终端：1 1 1 d b m 。 对于邻道干扰：基站：- 4 8 d b m ，用户终端：5 l d b m 。圆 第三节其他数字集群系统 g o t a 是中兴通讯独立推出的面向未来技术演进的“新一代”数字集群通信系 统，其核心技术已在国内外申请专利。g o t a 数字集群通信系统，可以提供多种 公网集群和专业调度统一的业务模式，系统指挥调度功能强大，同时还兼有很 强的双工电话互联、高速数据业务、和短消息等其它一些业务功能。g o t a 系统 是基于c d m a 多址方式的调度通信和蜂窝移动通信的组合系统。基于c d m a 多址方式，它采用1 6 q a m 和q p s k 的调制方式，和q c e l p 语音编码技术。频 分双工，上下行各1 2 5 m h z 带宽，间隔4 5 m h z 。g o t a 系统在c d m a 2 0 0 0 1 x 系 统上进行改进和优化，使其能够满足集群业务的需求，无线接入基于现有成熟 的c d m a 空中接口，不改变空中接口的物理机制，核心网采用独立的分组数据 域，基于a 8 a 9 和a 1 0 a 1 1 标准接口。 g t s 0 0 是华为公司提出的具有自主知识产权的数字集群通信系统，它是基 于t d m a t d s c d m a 的技术体制，采用q p s k 调制方式，语音编码方式a m r ， 载波宽度1 6 m h z ，占用频段上行8 0 6 8 2 1 m h z ，下行8 5 1 8 6 6 m h z 。 f h m a ( f r e q u e n c yh o p p i n gm u l t i p l ea c c e s s ) 跳频多址是以色列提出来的， 主要特点是采用了调频技术，它的调频技术不是为了抗干扰，而是为了提高系 统容量。它的语音编码方式采用的是a m b e 是一种较为先进的语音编码策略。1 6 第三章系统方案研究 第三章系统方案研究 本方案主要提出常规的数字对讲机的基带调制解调和编码器的系统模型并 进行部分仿真。 国家对于免费频段的模拟对讲机技术参数要求： 1 、发射功率s 0 5 w 2 、发射频率容限- 4 - 5 p p m 3 、发射机杂散辐射5 0 # w 4 、接收机杂散辐射2 0 n w 5 、频带宽度1 2 5 k h z m 我们主要依据上述技术参数，来进行系统的设计和仿真。 与模拟对讲机相比，数字对讲机需要增加数模转换器，语音编码器，差错 控制编码器，交织器，还必须采用数字调制解调器。本章系统方案的讨论主要 内容就是对上述几个方面的选择。 数模转换器将模拟语音信号变成二进制码流，语音编码器将语音信号经过 一定的算法压缩使速率降低。差错控制编码器为信号引入一定的冗余，达到检 错和纠错的目的。交织器是为了使系统具有抵抗突发性错误的能力。数字调制 解调器对数字信号进行调制解调。 图3 1 是一个完整的数字对讲机系统框图。 7 第三章系统方案研究 第一节数模转换器的选择 目前的a d c 主要有3 种：一a a d c ，闪速a d c 和逐次逼近式a d c 。 1 、闪速a d c ：闪速a d c 在每个电压阶跃中使用一个比较器和一组电阻。 因此4 位a d c 具有1 6 个比较器，8 位a d c 则具有2 5 6 个比较器。所有的比较 器输出连接到一块逻辑器件上，该逻辑器件根据比较器的电压高低确定输出。 闪速a d c 的转换速率是比较器延迟和逻辑器件延迟( 逻辑器件的延迟通常可以 忽略不计) 之和。闪速a d c 的转换速率很快，但需要占据巨大的i c 空间，而且 消耗功率极大，1 0 位闪速a d c 所需的电流约为0 5 a 。 2 、逐次逼近式a d c ：逐次逼近转换器采用一个比较器和计数逻辑器件完成 8 第三章系统方案研究 转换。转换的第一步是检验输入是否高于参考电压的一半，如果高于，将输出 的最高有效位( m s b ) 置为l 。然后输入值减去输出参考电压的一半，再检验得到 的结果是否大于参考电压的i 4 ，依此类推直至所有的输出位均置“1 ”或清零。 逐次逼近a d c 所需的时钟周期与执行转换所需的输出位数相同。 3 、一a d c s i g n m - d e l t a a d c 采用l 位d a c 、滤波和附加采样来实现非 常精确的转换，转换精度取决于参考输入和输入时钟频率。s i g m a - d e l t a 转换器 的主要优势在于其较高的分辨率。闪速和逐次逼近a d c 采用并联电阻或串联电 阻，这些方法的问题在于电阻的精确度将直接影响转换结果的精确度。尽管新 式的a d c 中采用非常精确的激光微调电阻网络，但在电阻并联中仍然不是非常 精确。s i g m a - d e l t a 转换器中不存在电阻并联，但通过若干次采样可得到收敛的结 果。s i g m a - d e l t a 转换器的主要劣势在于其转换速率。由于该转换器的工作机理 是对输入进行附加采样，因此转换需要耗费更多的时钟周期。在给定的时钟速 率条件下，s i g m a - d e l t a 转换器的速率低于其它类型的转换器；或从另一角度而 言，对于给定的转换速率，s i g m a - d e l t a 转换器需要更高的时钟频率。 d e l t a - s i g m a a d c 的主要元件是调制器及数字滤波器。调制器是由差动器、 积分器和比较器构成，它们一起构成一个反馈环路。调制器以大大高于模拟输 入信号带宽的速率运行，以便提供过采样。模拟输入与反馈信号( 误差信号) 进行差动( d e l t a ) 比较。该比较产生的差动输出馈送到积分- 器( s i g m a ) 。然后将 积分器的输出馈送到比较器中。比较器的输出同时将反馈信号( 误差信号) 传 送到差动器，而自身被馈送到数字滤波器中。这种反馈环路的目的是使反馈信 号( 误差信号) 趋于零。比较器输出的结果就是i 0 流。该流如果l 密度较高， 则意味着模拟输入电压较高；反之，0 密度较高，则意味着模拟输入电压较低。 接着将i 0 流馈送到数字滤波器中，该滤波器通过过采样与抽样，将i 0 流从高 速率、低精度位流转换成低速率、高精度数字输出。1 3 对于数模转换器件的选择主要的指标有：转换精度，输入输出信噪比。因 为在系统中，数模转换器直接和语音编码器相连，因此它的选择还需要由语音 9 第三章系统方案研究 编码器的指标来决定。综合考虑上述因素，我们选择a d 公司的a d 7 3 3 1 1 来作 为本系统的数模转换器。它是一款高性能的数模转换器，具有如下特点： 1 、1 6 b i t 的a d c 。 2 、1 6 b i t 的d a c 。 3 、可编程的i o 抽样率。 4 、7 5 d b 的a d c 信噪比。 5 、7 0 d b 的d a c 信噪比。 6 、最高可达6 4 k s s 的抽样率。 7 、串扰抑制达到9 0 d b 。 8 、低的系统延时：a d c 每通道延时2 5 , us ，d a c 每通道延时5 0 1 s 。 9 、可编程的i ，o 增益。 1 0 、串口允许外接多达8 个层叠器件。 1 l 、2 7 v 一5 5 v 单电源供电。 1 2 、2 7 v 供电条件下最高5 0 m w 的功耗。 a d 7 3 3 1 1 具体的管脚分布如图3 2 ： h nc o 圈g u r a 甜o n 图3 2a d 7 3 3 1 1 管脚图 隅峭。从哺酊吣粕兰罴i | i 篙兰 l l l l = l l 竺 第三章系统方案研究 第二节语音编码芯片的选择 语音编码芯片是本方案的核心的芯片，它决定着系统的话音质量，决定着 对于数模转换器的选择，并且语音编码芯片的输出速率也决定着调制方式，纠 错编码方式的选择。 3 2 1 语音编码器分类和评判标准 语音编码技术分为三类：波形编码，参量编码和混合编码。 1 、波形编码：将时间域信号直接变换为数字代码，将模拟话音进行时间抽 样，然后量化后用代码表示。解码的时候将受到的数字序列解码滤波后恢复成 原始的模拟信号。在较高的传输速率下( 6 4 k b p s ) 话音质量很好，但对低速 ( 1 6 k b p s ) 话音质量明显下降。p c m 和a d p c m 及其改进型属于波形编码。 这种编码方式不太适合移动通信，因为移动通信系统中频率资源较为紧张，带 宽较窄。 2 、参量编码：它不是对信号的时域波形进行编码，而是对反映话音特征的 参量进行编码。它是将信号在频域或者其它变换域种提取特征参量，将其变换 为数字代码传输。解码的时候将收到的数字序列变换成特征参量，用一套模拟 声带频谱特性的滤波器和若干声源参数来恢复语音。线性预测编码l p c 及其改 进型都属于参量编码。参量编码可以实现极低速率的语音传输，达到2 - - 4 8 k b p s ， 但是话音质量只能达到中等。 3 、混合编码：将波形编码和参量编码结合起来，这样的数字话音信号既包 含若干话音的参量又包含部分编码信息。改方案可将传输速率压缩到4 1 6 k b p s ，话音质量较好。 语音质量评定方法：现在广泛采用的是主观评定等级( s u b j e c t i v eo p i n i o n s c a l e ) ，又称平均评价得分m o s ( m e a n o p i n i o n s e o r e ) 。它采用5 分制： 通常认为m o s 5 0 为广播质量，是最高的质量等级。m o s 4 0 以上为高质量， 达到进入公众网标准。m o s 4 0 为长途质量，m o s 3 5 能听出质量下降，但是可 第三章系统方案研究 懂度很好，为通信质量。m o s 3 0 以下为合成质量，具有一定的自然度和较好的 可懂度。m o s 2 5 以下完全失去自然度，基本无法通过声音辨认出讲话者，只能 保持一定的可懂度。 表3 1m o s 等级 质量等级 m o s 分数收听注意力等级 优 5 可完全松弛不需要注意力 良4 需要注意，但不需要明显集中注意力 由 3 需要中等程度的注意力 差2 需要集中注意力 劣l 即使努力去听，也很难听懂 5 五 羹 l ， 2 酗强1 6842 此麟酗 图3 3 各种语音编码的话音质量范围 受带宽( 1 2 5 k ) 所限，数字对讲机不可能采用波形编码方式( 3 2 k b p s ) ， 而参量编码话音质量过低( m o s 2 5 ) ，也不适合应用于数字对讲机，因为数 字对讲机的目标之一就是话音质量超过模拟对讲机。所以只能考虑混合编码。 1 2 第三章系统方案研究 3 2 2 语音编码算法的原理 人的发音系统有声带，声道以及次声门系统构成，次声门系统由肺，气管 组成，是话音系统的能量来源。声道从声带的开口即声门处开始，直至嘴唇， 包括咽喉，口，舌等。 次声门系统产生气流作用于声道，通过声道之后就产生了声音。发浊音的 时候声带振动，发清音的时候就不振动，所以浊音有震动的基本频率，即基音， 而清音则没有，是类似白噪声的具有各种频率平坦的频谱。基音的频率一般在 7 0 - - 3 0 0 h z 之间，它是话音信号的主要参数之一。提取方法主要分为三类： ( 1 ) 利用时域特征，如自相关函数法。 ( 2 ) 利用频域特征，主要是浊音频谱的峰值特征。 ( 3 ) 综合利用上述特征，如线性预测技术。 产生声音的气流顺着声管传播时，频谱特征就由管道的选择性所改变。声 道的谐振频率称为共振峰，其中第一共振峰的频率就是基因频率。所以声道的 谐振特性主要取决于其面积函数。 实际上的声道可以用一个级联的无损声管来表示，当选用数量较多的短管 级联，使得各个管的截面积逼近声道的面积函数的时候，那么级联声管的谐振 频率就接近声道的谐振频率。 无损声管可以用一个时变线性数字滤波器来模拟，滤波器的极点对应声道 的共振峰频率。当线性系统的一组参数被控制之后输出就具备所希望的话音特 征。 3 2 3 常用的参数语音编码算法 1 、线性预测编码器l p c ： 通过线性预测来提取一个话音段重要的特征参数：基因周期瓦，浊音清音 判决“v y ，增益g 线性滤波器系数 q 或者 七i ，假设语音抽样信号为s ( 哟 则 13 拒章系统方案研究 o s ( 万) = 唧5 ( n - k ) n w k = l ( 3 1 ) 其中 a k ) 为预测器参数，可以证明，时交线性数字滤波器的传输函数为 预测误差定义为： p ( 一) = j ( 一) - s ( n ) 短时平均预测误差定义为： h e = e ( 帕 i 一1 只要令磬= 。，就能求得 q ，即最佳预测器的系数。 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 可以证明，滤波器的另一重要参数g 由式( 3 5 ) 求出： g 2 = 民( o ) 一艺吒民( 七) ( 3 5 ) k - i 其中焉( m ) 是数字滤波器的冲击响应自相关函数：豫( m ) = _ l ( n ) _ l ( 坍+ n ) l p c 声码器能使现低速率编码，但是语音质量不好，这是因为仅仅采用清 音和浊音这样简单的激励模型，即用周期信号来模拟浊音，用白噪声来模拟清 音。这样的模型虽然简单，有一定的可懂度，但是自然度基本丢失。因此可以 用一种闭环l p c 来改进，在发射端将激励信号与预测值之差算出，这个差值被 称为“残差”。将残差也量化编码后传送到对方，这种l p c 叫做残差激励线性 预测编码器( r e l p ) 。 2 、规则脉冲激励长时预测编码r p e - - l t p g s m 采用规则脉冲激励长时预测编码r p e l 腓，纯码率1 3 k b p s ，m o s l4 第三章系统方案研究 值可达到3 6 。 图3 4r p e l t p 原理 在r e l p 中，如果将残差量化编码会占用相当多的比特数，会使总速率较高。 而r p e - - l t p 采用等间距，相位与幅度优化过的规则脉冲来代替残差信号。g s m 的方案是把残差信号的采样点按照3 ：1 的比例来抽取序列，其他样点均作为0 处理。g s m 中残差信号是按照d p c m 编码的，最大的非零样点值，用6 b i t 编码， 其它的样点按照最大的样点归一化后，用a p c m 编码成3 b i t 。这样编码后，每 2 0 m s 一帧，每5 m s 一个子帧，每子帧1 3 个样点共计3 9 b i t ，最大样值是6 b i t ， 这样每帧就是l8 0 b i t 。 3 、码本激励线性预测( c e l p ) c e l p 是一种用码本作为激励源的一种编码方法，把残差信号可能出现的各 种样值用一定的规则存储在存储器里面，每个样值都有一个固定的地址，这个 存储器称为码本，收发方各有一本同样的码本。在线性预测的过程中，并不传 输残差信号本身，而是先在本方的码本里面，检查初一个与残差信号最相似的 样值的地址码，将这个地址传送给接收方，因此大大的减少了数据量。 l5 第三章系统方案研究 码+ _ 盎 编 码 图3 5c e l p 编码原理 选择码本激励要经过一系列的计算与比较，才能选定这个地址的码本，这 个过程叫做码本的搜索，如何提高搜索的效率，是改进c e l p 编码起性能的一个 重要方面。 4 、低时延码本激励线性预测编码( l d c e l p ) l d - - c e l p 是美国a t & t 公司于1 9 8 9 年推出的一种c e l p 算法，该算法的 延时小于2 m s ，m o s 得分可达4 0 。 图3 6l d c e l p 编码原理 l d c e l p 的特点： ( 1 ) 用低维码本来确保低延时。 16 第三章系统方案研究 ( 2 ) 用后向预测方式，从输出码流中提取预测参数。 ( 3 ) 采用5 0 阶l p c 预测而不用基音预测。 ( 4 ) 编码器只发送码矢地址，所有其他参数均采用后向自适应方式。 ( 5 ) l d - - c e l p 的速度为1 6 k b s 5 、代数码激励线性预测编码a c e l p 它是先进的语音编码方案，已经被应用于目前流行的t e t r a ( t e r r e s t r i a l t r u n k e dr a d i o ) 数字集群系统中： 图3 7a c e l p 编码原理 ( 1 ) 一帧是3 0 m s 一组的p c m 段，分为7 5 m s 一个的4 个子帧。 ( 2 ) 短期预测( s t p ) 在整个帧上面完成。长时预测和代数码本( 共1 7 b i t ， 用来激励单音) 在每一个7 5 m s 的子帧上面完成。 ( 3 ) s t p 的l p c 反映滤波器的特性，基音l t p 和代数码本反映激励单音 的特性。【4 】 6 、矢量和激励线性预测编码( v s e l p ) m o t o r o l a 公司的i d e n 采用编码方法是v s e l p ，它是一种把矢量量化 17 第三章系统方案研究 的方法用于码本的编制的具体方法 图3 8v s e l p 编码原理 这种编码有三种码本，第一种为长时预测自适应编码，来自长时滤波器的 状态。就是最佳的长时预测时延l 和增益口，第二种和第三种均为矢量码本， 分别用i 和h 来表示，各由1 2 8 个4 0 维矢量构成。每一次用这三个码本信号之 和来作为激励。总的激励信号为： e ( n ) = p c o ( n ) - i - 7 t c l ( n ) + y 2 c 2 ( n )( 3 6 ) 其中c o ( n ) 为长时预测矢量。c l 铆) 和乞( h ) 分别为从码本1 和码本2 选出的最 佳矢量，卢， 和儿分别是它们的增益系数。 长时预测的码本由过去的激励e ( n ) 构成的序列，每处理完一个子帧，就将 新求出来的e ( n 1 移如序列，将最旧的换出来，每一个子帧都在变换，因此称为 自适应码本。 当长时预测的序列及增益系数口确定后，就依次从码本l 和码本2 中寻找 晟佳激励矢量。为了减少计算量，使每一种码本的1 2 8 个矢量由7 个4 0 维称为 18 第三章系统方案研究 基本矢量的线性组合构成，计算的时候只需计算这些基本矢量作用于滤波器得 到的响应，再采用同样的方法进行线性运算，就得到了该码本的响应。 v s e l p 的特点： ( 1 ) 搜索效率非常高：码本结构中具有互补码矢量，只需对基本矢量总数 进行加减乘除，就可获得基本矢量； ( 2 ) 码本存储条件低：在i d e n 话音编码中，不需存储全部码本，只需储存 m 个基本矢量，所以内存较低； ( 3 ) 信道抗误码能力强：在v s e i p 码字中，单比特误差仅转变为一个基本 矢量的符号，产生的码矢量仍与所需码矢量相似( 总数m 越大，越相似) 。而对 于随机码本，单个误差产生不同的任意随机码本，它的特性与所需码矢量无关， 所以v s e l p 码的激励码字比随机码本的激励码字具有更强的抗误码能力； ( 4 ) 码字和长时预测系数可有效共同优化：由于v s e l p 的码本结构，码 字选择可以通过增益和长时预测系数有效地结合起来进行优化； 7 、m b e 算法 美国m i t 大学林肯实验室于1 9 8 8 年提出多带激励( m l l l f i _ b a n de x e i t e d ) 语 音编码方案，在2 4 - - 4 8 k b p s 的速率上合成出音质比传统声码器好的多的话音。 多带激励就是将语音谱按基音频率分成若干子带，对各带信号分别判断为浊音 信号和清音信号，采用不同的激励信号合成语音。 s ( n ) 表示输入语音信号的采样点，窗函数为国( n ) ，加窗后的信号成为： 5 。o ) = j ( 哟国( 帕 ( 3 7 ) 由于语音信号的短时平稳性，一般窗长为2 0 - - 4 0 m s 。如果用s ， ) 表示 s 。( n ) 的短时谱，那么s w ) 就是系统函数日，) 与激励信号谱上0 和) 的乘积。 s 矿( ) = h 辟，( 国) 局r ( )( 3 8 ) 而重建语音信号可以表示成： s 脚( 国) = 日肿( ) e 脚( )( 3 9 ) 多带激励编码过程过程涉及到三个参数的提取，它们是基音频率，按基音 19 第三章系统方案研究 频率各次谐波分成频带后的每个频带的谱包络参数，以及每个频带的清浊音判 别信息。同时提取这三个参数的运算量相当的大，实际应用中往往难以实现， 所以实际中往往分成两步来完成参数提取运算。第一步是确定基音频率和按基 音频率各次谐波分成频带后的每个频带的谱包络参数。第二步对每个分带进行 清浊音判别，使下列积分达到最小： f = 瓦i g ) i s ， ) 一) 1 2 如 ( 3 1 0 ) 其中g ( ) 是一个频率加权函数。 1 、基音的估计以及各次谐波的幅度 假设基音频率。为各种可能出现的值。将国= 万一万分为若干个频带，每 个频带的上限和下限分别是= 掣) 和以= f 掣) m ；o ，1 ，2 ，m 因为每个分带中的日。 ) 保持不变，设它是 ，这样为了使上面的积分最小， 对它求偏导可以得到最佳的4 。值为： 小黼 ( 3 1 1 ) 将各次谐波分带内的最小误差相加得到整个频带的总的最小误差 氏= 。 ( 3 1 2 ) 这样，在基音周期或者它的整数倍上面，总的最小误差取得极小值。 2 、谐波频带的清浊音判断 判断出基音周期和包络参数之后，可以进行清浊音判决，第m 分带的归一 化误差能量定义为： 2 夏丽8 m o 聊 2 0 第三章系统方案研究 厶。小于某一阈值的时候，该带判断为浊音带，反之则判断为轻音带。 当前较为先进的语音编码算法有a c e l p , v s e l p 和a m b e i m b e 等，他们 均可在较低速率( 1 2 k b p s ) 下达到m o s 4 0 以上的话音质量。 1 9 9 2 年，为了选择用于a p c op r o j e c t2 5 的北美陆地移动无线通信系统，通 信工业协会( t i a ) 对四种实时7 2 k b p s 话音编码器进行了评估。这四种话音编码 方式包括：i m b e 、v s e l p 、s t c 和c e l p ，这次实验的结果示表明，在测试条 件相近的情况下，i m b e 的话音质量大大高于其它编码方式。数字集群标准 f h m a 就采用这种编码方式。1 5 1 3 2 3 语音编码芯片a m b e - 2 0 2 0 的讨论 a m b e - - 1 0 0 0 系列是美国d v s i 公司生产的专门用于语音压缩编码的一款 芯片，它有三种产品：a m b e 一1 0 0 0 ，a m b e 一2 0 0 0 和a m b e - - 2 0 2 0 。a m b e 一1 0 0 0 系列采用先进的a m b e i m b e 压缩算法来进行语音压缩。其中a m b e - - 2 0 2 0 是该系列的最新产品。 a m b e - - 2 0 2 0 可以被视为分开的两个功能块，编码器和解码器。编码器把 8 k h z 采样率的话音信号编码为2 o 一9 6 k b p s 速率的压缩语音编码数据流，解码 器则是把压缩的语音编码数据流恢复成8 k h z 的语音信号。8 k h z 的话音信号可 以采用1 6 位线性信号或者是8 位的a 律压缩的信号或者律压缩的信号，具体 是哪种信号由前置的编码器决定。a m b e - - 2 0 2 0 芯片中间的编码器和解码器是 完全异步的。a m b e - - 2 0 2 0 需要的外设包括一个a d c ，前置的模拟信号的放大 器，话音滤波器，还有一个数字信号的放大器。a d c 的作用是将模拟语音信号 以8 k t i z 抽样，变换成1 6 b i t 的线性数字信号，8 位的a 律压缩数字信号或者8 位的律压缩数字信号。具体的方案如图3 9 所示 6 1 ： 2 1 第三章系统方案研究 f i c r o p h o n e 丑a h s p h c h 图3 9a m b e - 2 0 2 0 系统框图 a m b e + t v o i c e u c o d t e a m b e + o v o i c e d e c o d e r 器蠼黧端。 此外a m b e - - 2 0 2 0 要求a d c 的信嗓比不低于6 0 d b ，同时输入的回音抑制 度也要大于4 5 d b 。以上要求a d 7 3 3 1 1 完全可以达到。 a m b e - - 2 0 2 0 对输入滤波器的要求如图3 1 0 6 1 ： + 0 d e 1 d b 2d b 1 8 d b _ 3 5 d b 4 0 d b 02 4 0 05 0 0 03 4 0 04 0 0 0 4 5 0 0 8 0 0 0f i e q 饵时 图3 1 0a m b e - 2 0 2 0 对输入滤波器的要求 就是在通带( 2 0 0 h z - - 3 4 0 0 h z ) 的衰减不得超过一l d b ，对于阻带( 4 k h z 以上) 的衰减要大于1 8 d b ，超过4 6 k 则要求大于3 5 d b 。它对于输出滤波器的 要求要苛刻一点，如图3 1 1 f 6 1 ： 2 2 第三章系统方案研究 + 2 佃 一ld b o d b 1 8d b - 4 0 d b - 6 0 d r o2 如o