（电路与系统专业论文）g729d声码器在scdma系统中的实现与性能研究.pdf

北京邮电大学硕士论文 g 7 2 9 d 声码器在s c d m a 系统中的实现及性能研究 摘要 i t u 提出的g 7 2 9 d 声码器是g 7 2 9 的低速率扩展编码标准，在g 7 2 9 的基础上对码本结构、增益量化、后处理等进行了改进。改进后的算法 不仅速率低( 6 4 k b s ) 、时延小，而且话音质量好。本论文主要研究工作 是g 7 2 9 d 声码器在c 5 4 x 上的实时实现以及该声码器在s c d m a 系统中的 性能分析，最后是声码器鲁棒性的研究，即通过信道编码保护来提高声 码器的性能。 本论文分为六章： 第一章介绍了课题研究的背景，分析了s c d m a 系统中的声码器存在的 问题以及换用g 7 2 9 d 声码器所能带来的性能提升。 第二章介绍了s c d m a 无线接入系统及其关键技术。 第三章对g 7 2 9 d 语音编解码算法的原理进行了详细的描述。g 7 2 9 是i t u t 于1 9 9 6 年制定的适用于p s t n 的第4 代语音编码标准，该协议 采用共轭结构一算术码本激励线性预测( c s a c e l p ) 算法。g 7 2 9 d 是g 7 2 9 的低速率扩展编码标准，在g 7 2 9 的基础上对码本结构、增益量化、后 处理等进行了改进。 第四章首先简单介绍了数字信号处理器的原理。然后通过对变量的分 类与存储区的分配、运用循环存储区和改写某些3 2 位精度数组等方法优 化g 7 2 9 d 算法实时实现过程中的存储区；通过选择不同的寻址方式、在 算法实现中应用辅助寄存器、选择不同的参数传递方式、在算法实现中 应用特殊指令、改写基本数学函数等方法对代码进行优化。并说明了在 优化过程中需要注意的一些问题。最后对g 7 2 9 d 编码部分汇编实现的运 算效率与c 源码的效率进行了比较。得出的汇编代码完全可以实现在系 统中实时运行，证明汇编实现的工作是成功的。 第五章首先简介客观评价语音质量的标准算法p e s q ，然后应用p e s q 对g 。7 2 9 d 在s c d m a 系统中仿真实验后的数据进行细致的分析。g 7 2 9 d 声码器是6 4 k b p s 的语音编码器，在s c d m a 无线通信系统中，每个话音 信道速率为9 6 k b p s 。这样，把该声码器应用到s c d m a 系统的时候，还 余下3 2 k b p s 的带宽资源，可以利用这部分资源对编码后的语音参数比 特进行保护。由于各编码参数对于语音质量的贡献不完全相同，没必要 保护一帧的所有6 4 个比特，所以将语音编码比特划分为对信道误码有不 同敏感程度的组，然后对每个组实行不同级别的保护，因此有必要分析 每个比特对误码的敏感程度。本章主要的贡献在于通过理论分析及实验 方法将g 7 2 9 d 的编码参数按敏感度分组，以便接下来采用信道编解码对 敏感度高的比特组进行保护。 北京邮电大学硕士论文 第六章首先介绍了b c l q 码的原理，作者针对g 7 2 9 d 声码器的特点设 计并实现了一种b c h 码，以对上一章中得出的敏感比特进行有效的保护。 最后对增加了b c h 码保护的声码器的性能进行了仿真分析。仿真结果表 明增加b c h 码保护后声码器的抗误码性能得到了较大提高。 关键词：g 7 2 9 ds c d m a 敏感比特d s pb c h 北京邮电大学硕士论文 i m p l e m e n t a t i o na n dp e r f o r m a n c e r e s e a r c h i n go fg 7 2 9 d i ns c d m as y s t e m a b s t r a c t t h ei t u tr e c o m m e d a t i o ng 7 2 9 di st h el o w r a t e e x t e n d i n g s t a n d a r d o f r e c o m m e n d a t i o ng 7 2 9 i th a si m p r o v e m e n t so nt h eb a s i so fg 7 2 9i nm a n ya s p e c t ss u c h a st h es t r u c t u r eo fc o d e b o o k ，q u a n t i z a t i o no fg a i n ，p o s t p r o c e s s i n g t h ea l g o r i t h mt h a t i m p r o v e dh a sl o w ( 6 4 k b p s ) e n c o d i n gr a t e ，s m a l ld e l a ya n dg o o ds p e e c hq u a l i t y n em a i n r e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e ri st h ei m p l e m e n t a t i o no fg 7 2 9 dv o c o d e ri nc 5 4 xd s pa n d a n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c eo ft h ev o c o d e ri ns c d m as y s t e m t h el a s tp a r to ft h ep a p e ri s t h er e s e a r c ho ft h er o b u s to fg 7 2 9 dv o c o d e r , t h a ti s i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eb y c h a n n e lc o d i n g t h e p a p e rh a sb e e nd i v i d e di ns i xc h a p t e r s ： i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c ha n dt h ep r e s e n tv o c o d e ri ns c d m aw i r e l e s s l o c a ll o o p ( w l us y s t e mi si n t r o d u c e d n ef o l l o w i n gi st h ea n a l y s i so fp r o b l e m st h a t e x s i s ti nq 7 2 9v o c o d e ra n dt h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tt h a tb r i n gb yg 7 2 9 d i nc h a p t e r 2 ，t h ec o n c e p to fs c d m aw i r e l e s sl o c a ll o o p ( w u l ls y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h e k e yt e c h n i q u e so fs c d m a i sd i s c u s s e d i nc h a p t e r3 ，t h ep r i c i p l eo fg 7 2 9 de n c o d e r d e c o d e ri sd e s c r i b e di nd e t a i l g 7 2 9 di st h e s u c c e s s i v ev e r t i o no fg 7 2 9 ，t h el a t e ri ss u b s c i b e db vi t u ti nt h ey e a r1 9 9 6 ，a n di ti s4 t h g e n e r a t i o nr e c o m m e n d a t i o nf o rt h ec o d i n go fs p e e c ha t8 k b p su s i n gc o n i u g a t e s t r u c t u r e a l g o r i t h m c o d e e x c i t e dl i n e a r p r e d i c t i o n ( c s a c e l p ) g 7 2 9 di st h el o w r a t e e x t e n d i n gs t a n d a r do fr e c o m m e n d a t i o ng 7 2 9 i th a si m p r o v e m e n to nt h eb a s i so fg 7 2 9i n m a n ya s p e c t ss u c ha st h es t r u c t u r eo fc o d e b o o k q u a n t i z a t i o no fg a i n p o s t p r o c e s s i n g t h ec h a r a c t e ro fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) c 5 4 xi si n t r u d u c e di nc h a p t e r4a tt h e f i r s t t h e nw ed e s c i r b e dt h eo p i m i z a t i o no fm e m o r yd u r i n gt h ei m p l e m e n t a i o no fg 7 2 9 d a l g o r i t h ma n dp o i n to u tt h ei s s u et h a tw es h o u l dp a ya t t e n t i o nt oi nt h eo p t i m i z a t i o no ft h e c o d e a tl a s t ，t h ec l o c kc y c l e st h a tn e e d e db yt h ea s s e m b l yc o d ei sc a c u l a t e dw h e nr u n n i n g t h ec o d ei ns c d m a s y s t e m t h er e s u l tp r o v e dt h a tt h ea s s e m b l yc o d i n gi ss u c c e s s f u l i n c h a p t e r5 ，t h ea l g o r i t h mf o rs p e e c he v a l u a t i n g ，p e s q ，i si n t r o d u c e da tf i r s t ，t h e nw e d e s c r i b e dt h ee m u l a t i o no fg 7 2 9 di ns c d m as y s t e mu s i n gp e s q w ec a ng e tt h e p e r f o r m a n c eb yt h ee m u l a t i o n t h ee n c o d i n gr a t eo fg 7 2 9 dv o c o d e ri s6 4 k b p sa n dt h e v o i c ec h a n n e lr a t eo fs c d m aw i r e l e s sl o c a ll o o pi s9 6 k b p s s ow eh a v e3 2 k b p sf o r c h a n n e le n c o d i n g b u ti ti sn o te n o u g ht op r o t e c ta l lt h e6 4e n c o d i n gb i t s a l s oi t sn o t n e e d e dt op r o t e c ta l lo ft h e m f o rt h i sr e a s o n w es h o u l df i n do u tt h es e n s i t i v eb i t so ft h e6 4 e n c o d i n gr a t e t h e6 4b i t si sd i v i d e di n3g r o u p sb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t i nt h el a s tc h a p t e r , t h ep r i n c i p l eo fb c hi si n t r o d u c e da tf i r s t a sf o l l o wi st h es i m u l a t i o no f g 7 2 9 dv o c o d e rw i t hb c hc h a n n e le n c o d i n g t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a t t h ep e r f o r m a n c eo ft h ev o c o d e ri sh i g h l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：g 7 2 9 d s c d m as e n s i t i v eb i td s pb c h 北京邮电大学硕士论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：南】味耽 本人承担一切相关责任。 日期：莎蜘易尹2 尸 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：查l 查丝皇日期： 导师签名： 日期： o l e o6 弓堵 北京邮电大学硕士论文第一章前言 第一章前言 本章首先指出了s c d m a 无线接入系统存在的语音质量问题，然后对目前s c d m a 系 统中的声码器与i t u tg 7 2 9 d 声码器的性能进行了详细的对照。最后介绍本论文的 内容及章节安排。 1 1无线接入系统中的语音质量问题 因为无线接入系统频率资源有限，信道传播条件恶劣，不同地形的影响、电波经 各种物体反射形成的多径传播，都会造成接收信号电平的随机衰落变化。随机错误 与突发错误在这里都存在。恶劣信道的条件和移动时的频繁小区切换必然造成丢帧 和错帧等对语音质量的严重损伤。可见，在无线接入系统，语音质量问题是不可回 避的，对数字语音编码提出了如下的要求： 1 无线接入系统的低速率要求声码器具有较低的速率。在s c d m a 无线接入系统 中，要求纯语音编码的速率应低于9 6 k b p s 。 2 无线信道参数的可变性要求在一定编码速率下的音质要尽可能的好，要求声 码器有较好的抗噪能力，以保持较好的话音质量。声码器对压缩后的语音如何进行 一级信道编解码以增强其自身的保护，提高语音质量。在解码端，对收到的语音包 纠错、检错，对坏帧进行坏帧隐藏。 3 算法复杂程度适中，易于实时实现，大规模集成。 4 通话路径中的时延会影响通话的质量。无线接入系统由于其通信机制会引入 时延，这就要求语音编码算法本身引入时延要适当。语音编码算法引入的时延与所 采用的编码方式以及采样率有关。下面列出一系列语音编码标准以及它们的帧长。 g 7 2 6 自适应差分脉冲编码( a d p c m ) ( 1 6 ，2 4 ，3 2 ，4 0 k b p s ) - - 0 1 2 5 u s g 7 2 8l d 一码激励线性预测( c e l p ) ( 1 6 k b p s ) - - 2 5 m s g 7 2 9c s a c e l p ( 8 k b p s ) 一1 0 m s g 7 2 9 dc s a c e l p ( 6 4 k b p s ) 一1 0 m s g 7 2 3 1 多速率编码( 5 3 k b p s ，6 3 k b p s ) 一3 0 m s 5 无线接入系统接入公网，电路二四线转换时会产生信号反射而引起回波。说 话人的声音又被本人听到。在传统电路交换的网络中回声也会出现。但是，由于往 返时延小于5 0 m s ，回声会被电话机产生的正常音淹没掉，所以是可以接受的。由于 在无线接入网络中，往返时延通常大于5 0 m s ，回声成为影响语音质量的一个问题。 通常采用回波抵消技术。 1 2s c d m a 系统中声码器的现状 1 2 1 目前s c d m a 系统采用的声码器状况 这里，将通过如下的数据和实验结论来对目前声码器状况进行介绍。以说明为何 要替换目前所采用的声码器。 1 编码速率 声码器的编码速率是8 k b p s ，压缩比是8 ：1 。 2 编解码的时延 声码器算法时延是l o m s ，即以l o m s 为一帧。 3 编码质量 重建语音的质量是衡量声码器效果的重要因素。通过对g 7 2 9 a 声码器c 源代码 北京邮电大学硕士论文第一章前言 的多个样本测试，分别得出其在加信道编码和不加信道编码时重建语音的质量( p e s q 值，即仿m o s 分) ，见表5 1 及表5 3 。 4 抗误码性能 在实际使用的过程中，发现在系统终端( 手机) 移动的情况下，语音质量下降非常 明显，这是目前系统声码器存在的主要问题。 5 编解码的复杂度 目前声码器的算法是比较复杂的q c e l p 算法。在s c d m a 系统的基站和终端设备 中，该算法分别在三种定点d s p 上得以实现。以在t 工的c 5 4 1 6 上实现为例： 其算法的复杂度可由硬件实现复杂程度来体现，参考文献 1 9 1 表2 - 2 列出了在 t m s 3 2 0c 5 4 x 实现时，g 7 2 9 编解码所需的运算能力和硬件资源。 表2 2g 7 2 9 编解码所需的运算能力和硬件资源 参数编码解码 平均运算量( m i p s )1 6 7 02 7 8 最大运算量( m i p s ) 1 8 5 02 9 7 s t a t i cr a m ( w o r d s )9 1 05 7 0 t e m p o r a r yr a m ( w o r d s ) 1 2 5 08 2 0 c o n s t a n tr o m ( w o r d s )2 3 4 02 1 3 0 p r o g r a mr o m ( w o r d s ) 7 0 0 03 2 0 0 综上所述，该声码器算法比较复杂，终端移动时抗噪能力较差，加信道编解码时重 建语音质量一般。改用一种全新的，编码速率更低，重建语音质量高，抗噪能力强 的声码器是很必要的。i t u 提出的g 7 2 9 d 语音编解码标准以其能有效提高终端移动 条件下的编码质量而得到重视。本论文会对g 7 2 9 d 声码器的实时实现和在s c d m a 系 统中的性能仿真进行详细的讨论。 北京邮电大学硕士论文第一章前言 1 2 2it u - tg 7 2 9 d6 s - a o e l p 语音编码系统的性能简述 1 编码速率 g 7 2 9 d 声码器的编码速率是6 4 k b p s ，压缩比是1 0 ：l ，与i t u t 所制定的其它语 音编码标准的速率相比属较低速编码，因而较好地解决了通信过程中带宽不足的矛 盾。 2 编解码的时延 声码器算法时延是l o m s ，即以l o m s 为一帧。 3 编码质量 通过对g 7 2 9 a 声码器c 源代码的多个样本测试，分别得出其在加信道编码和 不加信道编码时重建语音的质量( p e s q 值，即仿m o s 分) ，见表5 2 及表5 4 。 4 抗误码性能 在加入b c h 信道编码保护后，g 7 2 9 d 的抗误码性能比g 7 2 9 a 强。详见表5 3 ， 及表5 4 。 5 编解码的复杂度 g 7 2 9 d 在略微提高复杂度的同时，降低了码率，同时保证了语音质量。 综上所述，g 。7 2 9 d 语音编解码系统性能优于目前s c d m a 的声码器系统。正因为 如此，本论文致力于在s c d m a 系统中实现g 7 2 9 d 声码器，以改善系统语音质量。 1 3 本论文的内容及章节安排 e 全质量话音编码是s c d m a 系统的主要特征之一。i t u 提出的g 7 2 9 d 声码器是 g 7 2 9 的低速率扩展编码标准，在g 7 2 9 的基础上对码本结构、增益量化、后处理等 进行了改进。改进后的算法不仅速率低( 6 4 k b s ) 、时延小，而且话音质量好。本论 文主要研究工作为g 7 2 9 d 声码器在c 5 4 x 上的实时实现、信道编码保护方案的研究， 以及该声码器在s c d m a 系统中的性能分析。围绕这个主题，论文分五章来展开。 第二章介绍了s c d m a 无线接入系统及其关键技术。 第三章的内容主要对g 7 2 9 d 语音编解码算法的原理进行了详细的描述。 c s a c e l p 编码器是基于码激励线性预测( c e l p ) 的编码模型。编码器模块对语音按 l o m s 一帧进行分帧处理，分析提取c e l p 模型参数( 包括线性预测滤波器系数，自适 应码本和固定码本的索引和增益) 。在解码器模块中，这些参数被用来恢复激励参数 和合成滤波器参数。将激励参数通过短时合成滤波器后得到重建语音，计算出的重 建语音进一步经过后滤波器增强后输出。 第四章首先简单介绍了数字信号处理器的原理。然后通过对变量的分类与存储区 的分配、运用循环存储区和改写某些3 2 位精度数组等方法优化g 7 2 9 d 算法实时实 现过程中的存储区；通过选择不同的寻址方式、在算法实现中应用辅助寄存器、选 择不同的参数传递方式、在算法实现中应用特殊指令、改写基本数学函数等方法对 代码进行优化。接下来得内容是在优化过程中需要注意的一些问题和得出的经验。 最后对g 7 2 9 d 编码部分汇编实现的运算效率与c 源码的效率进行了比较。得出的汇 编代码完全可以实现在系统中实时运行，证明汇编实现的工作是成功的。 第五章首先简介客观评价语音质量的标准算法p e s o ，然后应用p e s o 对g 7 2 9 d 在s c d m a 系统中仿真实验后得出的数据进行了细致的分析。g 7 2 9 d 声码器是6 4 k b p s 的语音编码器，在s c d m a 无线通信系统中，每个话音信道速率为9 6 k b p s 。这样，把 该声码器应用到s c d m a 系统的时候，还余下3 2 k b p s 的带宽资源，可以利用这部分 资源对编码后的语音参数比特进行保护。由于各编码参数对于语音质量的贡献不完 全相同，没必要保护帧的所有6 4 个比特，所以将语音编码比特划分为对信道误码 北京邮电大学硕士论文第一章前言 有不同敏感程度的组，然后对每个组实行不同级别的保护，因此有必要分析每个比 特对误码的敏感程度。本章主要的贡献在于通过理论分析及实验方法将g 7 2 9 d 的编 码参数按敏感度分组，以便接下来采用信道编解码对敏感度高的比特组进行保护。 第六章首先介绍了b c h 码的原理，作者针对g 7 2 9 d 声码器的特点设计并实现了 一种b c h 码，以对上一章中得出的敏感比特进行有效的保护。最后对增加了b c h 码 保护的声码器的性能进行了仿真分析。仿真结果表明增加b c h 码保护后声码器的抗 误码性能得到了较大的提高。 北京邮电大学硕士论文第二章 s c m d a 无线接入系统 第二章s c d m a 无线接入系统 2 1 s c d m a 系统概述 随着无线通信市场的需求和技术进步，无线接入技术成了全世界关注的一个热 点。s c d m a 无线接入系统的主要思想是设计一个全新的系统，不受已经商用化系统 的束缚，以考虑使用最新技术为出发点，并为未来的技术发展留有余地。它是c d m a 技术与现代高科技相结合的全新技术，其标志是引入了s w a p 信令和接力切换，结合 了智能天线、同步c d m a 、软件无线电及全质量话音压缩编码技术n 如6 。 2 2 一s c d m a 系统中的关键技术 2 2 1s w a p 信令 s w a p 信令即同步无线接入信令，是s c d m a 系统引入的空间接口协议，其结构如 图1 所示。 s w a p 接口信令 网络层网络层网络层 链路层 链路层 链路层 物理层物理层物理层 爿j 尸终端无线基站 图2 1s w a p 信令的结构 s w a p 的物理层由3 种复用结构组成，包括接入码道复用结构m u x l ，话音通信复 用结构m u x 2 ，数据通信复用结构m u x 3 。每个网络层消息由一个或多个消息包组成，每 个网络层消息包在链路层中形成1 6 个码字，其中第1 个是地址码，后面的是数 字码，每个码字用一个链路层消息包，按顺序在网络层的控制信令时隙传输。 s w a p 信令的特点： 保证同步的建立和保持； 功率控制：基站根据所接收到的终端发射功率，通过功率控制时隙将该终端的 发射功率调整量在下一个下行帧中传送至该终端，让其调整下一个上行帧的发射功 率，用这样的闭环控制方法使来自每个终端的上行功率控制在给定的电平上； 解决冲突的策略：占用接入码道的时间尽可能短；当冲突出现时每个要求接入 的终端必须延迟一个随机时间后再次申请；在m u x l 中设计有忙闲位指示当时基站 接入码道的忙闲状态和整机业务码道是否全被占用； 业务码道中大量高层信令的传输：在进入业务码道后，当出现链路重建、越区 切换等需要传输大量信令消息时，话音信令标志时隙指示进入信令方式，以保证信 令的高效率传输； 主要时隙的消息都设有c r c 差错检测； 保证了系统工作于速率话音的可能性； 较长的保护时隙； 2 2 2 智能天线 智能天线是s c d m a 无线接入系统的核心技术之一。它利用时分双工( t d d ) 使上下 射频信道完全对称，以便于在基站使用智能天线技术。通过对相干接收到的、来自 终端的信号在每个天线元及其相连接的接收机的反应，再进行相应的空间谱处理( 专 北京邮电大学硕士论文第二章s c m d a 无线接入系统 利算法) ，获得此信号的空间特征矢量及矩阵，并得到信号的功率估值和到达方向 ( d o a ) 估值，在此基础上就可以计算下行信号在各个天线阵元的权重，并同时解决 渚如天线上下行波束赋形、多址干扰消除、抗多径干扰、均衡等问题。本系统为每 一条码道产生一个天线波束，实现了空分多址( s d m a ) 。其结果不仅增加了通信距离、 也简化了信号处理的复杂性、大大降低了干扰、增加了 l 垒3 l 岿适诂苔输出佰令，全c l u1 垒3 l 屿遭诂晋输入 图2 - 2智能天线及基带处理器 系统容量。本系统由8 只全同的天线组成环形天线阵，再连接至8 只相干发射机，以 构成全部射频电路结构。在基带部分，使用软件无线电的概念，将所有基带信号用数 字处理方式，如图2 所示。 使用智能天线的优势在于： 天线波束赋形的结果等效于增大天线的增益； 天线波束赋形算法可以将多径传播综合考虑，克服了多径传播对数字无线通信 系统性能恶化，还可利用多径的能量来改善性能； 天线波束赋形后可以大大减少多址干扰； d o a 提供了用户终端的方位信息，以用来实现用户定位； 天线阵系统虽使用了多只发射机，但由于智能天线的贡献，可以用多只小功率 放大器来代替大功率放大器，这样可降低基站的成本、提高设备的可靠性。 2 2 3 同步c d m a 所谓同步c d m a 是指来自每个用户终端的上行c d m a 信号在到达图2 中基带处理器 时是完全同步的。这样使用正交扩频码的各个码道在解扩时就可以完全正交，相互 间不致产生多址干扰，大大的解决了c d m a 系统的容量。为实现同步c d m a ，必须解 决同步的检测、建立和保持等。 1 同步的检测 在s c d m a 系统中，同步的检测是用软件，通过求相关的方式获得的。因为在任何 时刻，基站在上行链路主同步时隙时刻只能接收到一个终端的接入请求，而在上行 业务信道同步时隙时刻只有一个终端在发此信号，其余终端在此时隙为空时隙，故 不会有来自本小区的其它终端的干扰，保证了同步检测的准确性。 2 同步的建立 用户终端从一开机进入p o w e r o n 状态，只能接收不能发射，并将用与图3 类似 的方法获得初始同步，即找到接收来自基站的信号中主同步训练时隙的起点，确定 北京邮电大学硕士论文第二章s c m d a 无线接入系统 接收参考定时。然后在下一帧根据此定时和接收到的主同步时隙的强度，预计出发 射起点时间和功率电平并发出接入请求。基站将用图3 所示的方法获得其同步偏差， 并在下一个下行帧向此终端发出此同步偏差值。在终端收到后就将自动调整发射时 f 司，以建立同步。 3 同步的保持 在通信过程中，同步的保持是依靠上行业务信道同步时隙。在s c d m a 系统中，通 信中的每个终端都使用一个分配的w a l s h 码来扩频，只有在帧号与该终端所使用的 扩频码道号相同的那一帧，该终端才发射同步时隙，而其它终端处于空时隙，即在 系统中，此时只有一个用户终端发射同步时隙。基站就可在干扰很小情况下检查此信 号，根据检测上行业务信道同步时隙的同步偏差，并在下一帧发此偏差值，使该终端 纠正其同步偏差，使同步得到保持。 2 2 。4 软件无线电 软件无线电是当今计算技术、超大规模集成电路和数字信号处理技术在无线电通 信中应用的产物。s c d m a 系统的基站和终端设备都采用高速数字信号处理器和高速 a d 变换器，处理速度高于5 0 0 0 万次每秒，全部基带信号处理和变换都用软件来完 成。 在s c d m a 系统中软件无线电将实现如下功能： 智能天线的实现，空间特征矢量包括d o a 的获得，每射频 通道的权重的计算和天线波束赋形； 同步的检测、建立和保持； 用户终端d - q p s k 解调器中的载波恢复、频率校准和跟踪； 每码道功率的测得和发射功率控制的实现； 接收通道的电平检测和接收增益控制； 扩频调制和解调，包括w a ls h 码和p n 码的产生； 语音编译码； d t m f ，m f c 及各种信号音的产生和检测； 信道编码、复接和分接； 发射脉冲成形滤波； s w a p 信令的差错检测； 接收到的信令的差错检测； 发射通道的数字预失真； 基站收发信机的校准。 2 2 5 全质量话音压缩编码 s c d m a 系统具有很高的频谱利用率，容量已不再困难，故可以不使用可变速率的 话音编码而采用i t u tg 7 2 9 建议的全质量话音压缩编译码器，编码速率固定为 8 k b i t s ，但话音质量接近6 4 k b i t sp c m 的水平，解决了人们关心的话音质量问题。 在使用软件无线电的s c d m a 系统中，应用g 7 2 9 编码算法的可行性还在于此算法便 于用d s p 来实现( 它仅仅需要约2 0 mi p s 的d s p 处理量) 。 s c d m a 无线接入系统是目前国际上具有最高频谱利用率、最低发射功率的无线接 入技术。总体来说，使用s c d m a 无线接入系统将带来如下优势： 相对最高频谱利用率； 相对最低发射功率，有较远的通信距离； 北京邮电大学硕士论文第二章s c m d a 无线接入系统 设备构成简单，依据软件无线电，硬件成本较低； 相对最高的听性能价格比； 灵活性高! 系统性能的改进、完善和提高都不需要改变硬件而用软件加载来实 现。不易实现的功能，今后都可以在不改变设备硬件的情况下，用软件升级来完成。 2 3 本章小结 本章主要介绍了s c d m a 无线接入系统的基本概念及其关键技术。正因为这些先 进技术使得s c d m a 系统具有很多优势。 北京邮电大学硕士论文 第三章 g 7 2 9 d 算法原理 第三章g 7 2 9 d 算法原理 3 1g 7 2 9 系列声码器标准概述 由于在可靠性、抗干扰和保密性等方面数字语音优于模拟话音，近十年来数字 语音编码技术得到了很大发展。国际电联( 1 1 、l j t ) 制定出一系列具有代表性的低码 率语音编码，i t u tg 7 2 3 ，g 7 2 9 等。语音压缩的对象主要是电话质量的语音，典型 的带宽为3 2 k h z ( 2 0 0 h z 3 4 k h z ) ，8 k h z 的采样率。而宽带语音的带宽为 7 k h z ( 5 0 h z 7 5 k h z ) 。频带的扩展使得宽带语音在通信的透明度，语音质量，真实感， 话音识别等方面均有很大的改善。音频作为多媒体通信中信息的主要部分，宽带语 音将应用于视频会议，电话会议以及i s d n 的多用户多信道通信领域。 i t u t ( 即后来的c c i t ) 于1 9 8 6 年通过了以分带a d p c m 技术为编码基础的宽带语 音压缩编码g 7 2 2 标准，它可以工作在6 4 k b s ，5 6 k b s 和4 8 k b s 这3 种码率下。近 年来国际上对宽带语音编码的研究和实现主要是采用c e l p 算法，该编码算法实现宽 带语音编码的码率范围是1 6 3 2 k b s 。其方式如：嵌入式c e l p v s e l p 编解码，编码 的比特率降低到3 2 k b s 与2 4 k b s 。c l 夕i - 压缩率较高的是采用s b c e l p 编码算法，对 宽带采用等划分的形式，得到带宽完全相同的2 个频带，用m b c e l p 算法实现1 6 k b s 的宽带语音编码。采用不等带的频带划分，将频带划分为低频带( o 、6 k h z ) ，高频带 ( 6 7 k h z ) 的编码，它的解码部分只使用低频带解码信号，并采用了h f r ( 高频重建) 方 法产生高于6 k h z 的高频部分，编码速率为13 k b s 。 g 7 2 9 是i t u t 于1 9 9 6 年制定的适用于p s t n 的第4 代语音编码标准，该协议 采用共轭结构一算术码本激励线性预测( c s a c e l p ) 算法，带宽约为4 k h z ，工作速率为 8 k b s ，m o s 约为4 0 达到长途( 电话) 质量的语音编码的国际标准。由于g 7 2 9 编解 码器的带宽利用率较高，所以被广泛应用于d s v d 、数字卫星系统、电视会议、可视 电话、i p 电话及各种多媒体通信系统中 g 7 2 9 a 是i t u t 同年推出的g 7 2 9 的降低复杂度的版本，g 7 2 9 和g 7 2 9 a 完全 兼容。它的执行周期更短，可在d s p 上实现，占用较少的r a m 资源，易于硬件的实 现。 g 7 2 9 d 是g 7 2 9 的低速率扩展编码标准，在g 7 2 9 的基础上对码本结构、增益 量化、后处理等进行了改进。改进后的算法不仅速率低( 6 4 b s ) 、时延小，而且话 音质量好。 如图3 2 所示，g 7 2 9 d 和g 7 2 9 的基本原理一致，采用8 k h z 采样，帧长为1 0 m s ， 每帧分成两个子帧，子帧长为5 m s ，所用的都是“共轭结构代数码本激励线形预测 ( c s a c e l p ) ”算法。 3 2 g 7 2 9 编解码器概述 c s a c e l p 编码器是基于码激励线性预测( c e l p ) 编码模型的。编码器模块按1o m s 一帧对语音进行分帧处理，对应于每秒8 0 0 0 样值采样率的8 0 个样值。编码器对每 个l o m s 帧的语音信号进行分析，提取c e l p 模型参数( 包括线性预测滤波器系数， 自适应码本和固定码本的索引和增益) 。这些参数经编码后进行传输。在解码器模块， 这些参数用来恢复激励参数和合成滤波器参数。将激励参数通过短时合成滤波器后 得到重建语音，如图2 一l 所示。短时合成滤波器基于1 0 阶线性预测( l p ) 滤波器； 长时合成滤波器，或称为基音合成滤波器，是用所谓自适应码本的方法实现的。计 算出的重建语音进一步经过后滤波器增强后输出。 北京邮电大学硕士论文 第三章g 7 2 9 d 算法原理 图3 1c e l p 合成模型概念框图 3 3编码器 编码原理见图3 2 。在预处理部分，输入信号经过高通滤波和定标处理。预处理 信号作为所有后续分析的输入信号。在每个1 0 m s 帧，通过l p 分析计算出l p 滤波器 系数。这些系数转换为线谱对( l s p ) 后采用可预测的两级矢量量化( v q ) 方法量化 为1 8 比特。激励信号的选取是采用综合分析搜索过程的方法得到的，在这一过程中， 原始信号和重建语音之间的误差按照感知加权失真测度被最小化。误差最小化的方 法是将误差信号通过一个感知加权滤波器，该滤波器的系数从未量化的l p 滤波器得 到。感知加权量采用自适应的方式，这可以使后面基因分析和固定码本搜索的输入 信号有平坦的频率特性，从而提高编码器的性能。 图3 - 2c s a c e l p 编码器编码原理 北京邮电大学硕士论文第三章g 7 2 9 d 算法原理 3 3 。1 预处理 语音编码的1 6 比特输入信号通过一个两阶的零极点模型的高通滤波器进行预处 理，而这个高通滤波的下截止频率为1 4 0 h z 。表达式如下： 、0 4 6 3 6 3 7 1 8 0 9 2 7 2 4 7 0 5 z 一1 + 0 4 6 3 6 3 7 1 8 z ，。 爿1 1lz = _ = = _ l 么一l ， 1 1 9 0 5 9 4 6 5 z1 + 0 9 1 1 4 0 2 4 z 一一 这个高通滤波将滤去不需要的低频或直流成分。把输入信号幅值除以2 ，这样得 到的信号即s ( n ) 。 3 3 1线性预测分析和量化 短时分析合成滤波器是以1 0 阶线性预测( l p ) 滤波器为基础的。1 0 阶的线性预测 ( l p ) 合成滤波器定义如下： 1 a ( z ) 1 1 0 1 + v & ；z 一 白1 ( 3 1 ) 这里，占i ，i = 1 ，1 0 ，是( 量化) 的线性预n ( l p ) 系数。我们用自相关函数的方法 在每一帧进行线性预测分析，加窗采用的是3 0 m s 的不对称窗，每8 0 个样点进行一 次l e v i n s o n 。d u r b i n 算法，以计算出加窗语音的自相关系数，并把它转换成线性预测 f n p ) 系数。出于量化和内插的目的，我们又把线性预测系数转换成线谱频率( l s f ) 。 而为了构造合成加权滤波器，每一帧内插后的量化和非量化的线谱频( t s f ) 系数又被 转换成线性预n ( l p ) 系数。 1 加窗和自相关计算 这种线性预测分析窗包括两部分：第一部分是半个海明窗，第二个部分是一个余 弦函数的1 4 周期窗函数如下： 厂0 5 4 0 4 6 c o s f 2 a m 1 ，z ：0 ，1 9 9 ，w 如( 以) ： 3 9 9 7 ( 2 3 ) lc o s ( 2 a r ( n - 2 0 0 ) 1 n ：2 0 0 ，2 3 9 1 5 9 这个线性预测( l p ) 分析窗中，1 2 0 个样点来自过去的帧，8 0 个样点来自当前帧， 还有4 0 个样点来自下一帧。加窗语音为： s 瓴) = w 幻( n ) s ( n ) 胛= o ，2 3 9 ( 3 3 ) 将用来计算自相关系数： 2 3 9 r ( k ) = ys ，( ，2 b ( r l k ) k = o ，1 0 ( 3 4 ) 怠 为了避免低电平信号的算术问题，r ( 0 ) 的值有个更低的边界：r ( 0 ) = 1 。这里还应用 了一个6 0 h z 的带宽扩展，让自关系数r ( k ) 和w 。( k ) 相乘，其中： w d 炉唧 - 三( 警门， ( 3 - 5 ) 这里，f o = 6 0 h z 是带宽扩展，f s = 8 k h z 是抽样频率。为抽样频率。进一步，将r ( o ) 乘 以一个白噪声纠正因子】0 0 0 1 ，等效于加了一个一4 0 d b 的噪声背景。故修正的自相 关系数为： r ( o ) = 1 0 0 0 1 r ( o ) ；，7 ( k ) - - w 肠。( 尼) ，。( 足) k = 1 ，1 0 ( 3 6 ) 北京邮电大学硕士论文 第三章g 7