GSM中的AMR技术.docx

1、3GPP中AMR语音编码的概念语音编码器的选择是数字移动通信系统设计中重要的一步，因为可利用的带宽是有限的，这就需要压缩语音信号的传输速率，使系统能够容纳更多的用户。但是压缩又会影响语音的质量，因此，必须在压缩后的语音质量与系统容量之间寻找一个平衡点。 第三代移动通信系统中采用了AMR的语音编码方式，它与以前的移动通信语音编码方式不同。以前的移动通信语音编码都是采用了固定的编码速率和相同的容错度，而AMR语音编码则是让容错度随无线信道和传输环境的改变而改变，因此人们称之为自适应。AMR中的每种语音编码速率都提供了不同的容错度，实际的语 音速率主要取决于现存的无线信道环境。图1给出了在移动通信系统中使用AMR语音编码时系统接口的主要信息流。图1 系统接口上的主要信息流在上下行链路中，语音数据帧都是和语音编码模式以及建议（或命令）的下一帧语音编码模式指示一起传送的，在基站（BS）端，语音编码模式指示必须传送给代码转换单元（TRAU）以便选择正确的信源译码。为了得到上行语音编码模式的命令，基站必须估计当前信道质量，指示在当前传播环境中应采用的最佳语音编码模式，并通过空中接口将此命令传送给移动台（MS）；为了得到下行语音编码模式的命令，移动台需要估计下行链路信道质量，并将此质量信息传送给基站，基站就会发出“建议”下行语音编码模式指示。 2、AMR语音编码中三种模式介绍为了说清楚AMR语音编码的自适应技术，在这里有必要先对AMR语音编码中的三种不同模式作一简要介绍。2.1、信源编码模式 这里的信源编码模式就是指语音编码模式，即：对语音进行压缩编码后的速率。它一共有8种速率模式，即：12.2 kbit/s, 10.2 kbit/s, 7.95 kbit/s, 7.40 kbit/s, 6.70 kbit/s, 5.90 kbit/s, 5.15 kbit/s 和 4.75 kbit/s。2.2、信道编码模式这里的信道编码模式就是指与上述可变信源（语音）编码模式相对应的可变速率信道纠错编码模式，即：在传输中对压缩语音进行纠错编码所需要的速率。2.3、信道模式这里的信道模式是由网络中无线资源管理函数决定的，即网络根据当时（呼叫建立或蜂窝小区切换时）的信道质量和信道占用情况（如频率和频带占用）给通信双方分配的固定速率信道模式。信道模式有两种，即：全速率信道模式和半速率信道模式，全速率信道模式的速率是22.8 kbit/s，半速率信道模式的速率是11.4 kbit/s。在GSM通信中，信道模式（速率）就是信源编码模式（速率）与信道编码模式（速率）的总和。比如说在GSM全速率（FR）语音编码传输中，全速率信源（语音）编码速 率是13 kbit/s，信道编码速率是9.8 kbit/s，则全速率信道模式的速率是22.8 kbit/s；在GSM增强型全速率（EFR）语音编码传输中，信源（语音）编码速率是12.2 kbit/s，信道编码速率是10.6 kbit/s，则全速率信道模式的速率也是22.8 kbit/s。3、信道质量估计器 信道质量估计是AMR编码自适应技术的基础，只有准确而及时地得到信道质量信息，才能根据判决准则对语音编码模式做出正确的选择，保证AMR编码的语音质量。自适应编码器中的信道质量估计器主要包括3个模块：信道状态信息（CSI）产生器、FIR滤波器、信道度量产生器。基站和移动台的信道质量估计的流 程如图2所示：图2 基站和移动台的信道质量估计流程图 信道质量估计器是根据接收信号的归一化载（载波信号）干（干扰信号）比C/I 来进行估计。C/I 的值是根据均衡器算法一个脉冲接一个脉冲的预测接收信号的C和I值，然后得出当前脉冲的C/I预测值。信道质量估计的具体步骤是：首先用2个（半速率信道 模式）或4个（全速率信道模式）脉冲的C/I预测值来计算信道状态信息(CSI)，得到当前信道的短时质量，然后将输出值转换为dB后传递给FIR滤波器（全速率信道模式FIR滤波器阶数为100，半速率信道模式FIR滤波器阶数为50），滤波起平滑和预测的作用，最后将滤波器的输出和一定的门限值比较， 得到一个表示4种信道质量的2比特输出（如表1所示），并将此信道质量输出传送给基站控制单元进行信源编码模式和信道编码模式的自适应切换。表1 信道度量与信道质量表4、AMR语音编码的自适应技术 相比现在的GSM声码器采用固定的编码速率，AMR声码器则可根据无线信道和传输状况来自适应地选择一种最佳信道模式（全速率或半速率）和信源编码模式（以比特率来区分）进行编码传输。AMR选择最适合的信道模式和信源编码模式以提供语音质量和系统容量的最佳组合。AMR语音编码器根据信道状况进行自适 应切换的技术包括两个方面，即：信道模式的自适应，信源编码模式和信道编码模式的自适应。4.1、信道模式的自适应 信道模式的自适应切换比较稳定，仅在每次和系统建立呼叫连接或进入新的蜂窝小区时进行切换，网络根据当时的信道质量和信道占用情况（如频率和频带占用） 给通信双方分配固定的信道速率模式。上下行链路理论上可以采用不同的信道模式，但实际通信中应该采用相同的信道模式（全速率信道模式或半速率信道模式的一种），即：在每次和系统建立呼叫连接或进入新的蜂窝小区时，网络就根据信道情况给通信双方分配固定的信道速率模式，要么是全速率信道模式，要么是半速率信道模式。全速率信道模式提高了无线信号临界条件下对信道误码的稳健性，这样可以通过采用更紧密的频率复用模式来提高容量；半速率信道模式情况下只为获得最大容量，相对于FR或EFR可多获得100%的容量，而且在误码率较低时语音质量很好。一旦信道模式确定后，在通话过程中就不再发生切换，然后信源编码模式和信道编码模式就根据确定的信道模式和通话过程中的信道质量进行自适应切换。与全速率信道模式对应的信源编码模式共有8种速率模式，即：12.2 kbit/s, 10.2 kbit/s, 7.95 kbit/s, 7.40 kbit/s, 6.70 kbit/s, 5.90 kbit/s, 5.15 kbit/s 和 4.75 kbit/s；与半速率信道模式对应的信源编码模式共有6种速率模式，即：7.95 kbit/s, 7.40 kbit/s, 6.70 kbit/s, 5.90 kbit/s, 5.15 kbit/s 和 4.75 kbit/s。4.2、信源编码模式和信道编码模式的自适应信源编码模式和信道编码模式的自适应切换是在信道模式固定的前提下，在通话过程中根据估计的信道质量进行自适应切换，即：在总的信道传输速率不变的情况下，自适应地改变信源编码速率和信道编码速率，从而使语音质量和系统容量达到完美的结合。这种切换是非常快速的，从理论上讲可以每隔一个语音帧就发生一次，从而能够及时对信道的变化作出反应，但实际上由于传播延时和编码自适应函数中必要的滤波处理，这种切换以较低的速率改变。在坏的信道条件（深衰落）下，信道编码中的冗余比特数不足以纠正传输错误，这时应提高信道编码速率（增加冗余比特数）而减小信源编码速率来保障通话质量；相反，在好的信道条件下，应增加信源编码速率来提高语音质量。5、源控速率（SCR）操作在信道模式固定的前提下，信源编码模式和信道编码模式在通话过程中根据估计的信道质量进行自适应切换，同时考虑到输入语音信号不激活的情况下，信源控制的速率（SCR）操作通过允许以较低的速率对输入的语音信号进行编码，可以节省用户设备（UE）的耗电量和降低整个网络的干扰和负载。SCR操作包括发送端（TX）的话音激活检测（VAD）和发送端对背景噪声的估计，并将有关的特征参数传送给接收端（RX），以便接收端根据这些特征参数在不发送语音期间重构与发送端类似的舒适背景噪声。一个具有SCR操作的连接如图3所示：图3 一个具有SCR操作的连接图5.1、发送端（TX）SCR操作如图4所示：图4 发送端的SCR功能框图发送端的SCR控制器通过专用信道，将已分别指明了发送类型的数据交给成帧器。每帧由信息比特、编解码模式指示和发送类型组成。发送类型用于说明发送帧中的内容，如表2所示：表2 SCR中发送帧类型指示内容表（1）SCR定时器(延迟保护)当系统重新设置后，为确保发送端的SCR操作正常运行，将所有帧都视为无限长时的语音帧。因此，为确保舒适背景噪声参数在接收端进行正确计算，即使VAD指示为无声状态，重新设置后的前7帧都必须被指示为“SPEECH_GOOD”。图5 用于AMR中SCR的延迟保护示意图(Nelapsed 23)当系统正常运行以后，VAD将一直运行，对每帧进行评估以确定其是否为语音帧，并输出二进制标识符，该标志直接决定了发送端的SCR操作。当检测到有语音时，语音编码输出帧将加上“SPEECH_GOOD”标志，直接传输给接入网络（AN）发送出去；当一段语音结束时，将需要8个连续帧去产生一个静音描述帧（SID）。通常，为了增强SID帧的质量，采用了延迟保护功能，即在语音结束后的前7帧都加上“SPEECH_GOOD”指示直接传输给接入网络，而第8帧标识指示为“SID_FIRST”，“SID_FIRST”帧不包含任何数据。图5给出了相应的延迟保护示意图。如果语音的脉冲末端距上一个SID_UPDATE帧开始计算少于24帧，那么就将最近分析的 SID_UPDATE帧直接传递至接入网络，直到新的更新SID分析有效，这样就避免了延迟等待而减少了网络负载。一旦SID_FIRST帧被发送，只要连续无语音，发送端的SCR操作就周期地（每8帧）发送SID_UPDATE帧，第一个SID_UPDATE帧需要在SID_FIRST帧后的第3帧发送出。如果发送类型是“SPEECH_GOOD”，则语音编码器就以全语音模式运作，因为不是所有编码函数都需要舒适背景噪声参数估计而且舒适背景噪声参数是按确定的时间间隔产生的。（2）发送端的接入网络（AN）发送端的接入网络（AN）主要完成以下功能：当说话者停止交谈时，在SID_FIRST帧被传送后，传送即被切断；在语音暂停中，就周期性地传送SID_UPDATE帧，使得在接收端产生的舒适背景噪声能够得到更新。它利用发送端SCR中的发送类型来控制以上操作。5.2、接收端（RX）接收端的SCR操作如图6所示： 图6 接收端的SCR功能框图接收端接入网接收到的帧类型见表3：表3 SCR中接收帧类型指示内容表 接收端接入网将所有接收到的帧经过解帧器传送到接收端的SCR控制器。接收端的SCR控制器根据接收到的帧类型进行操作，它有两个主要模式：语音 （SPEECH）模式和舒适背景噪声（COMFORT_NOISE）模式，初始的模式是SPEECH。接收端的SCR具体操作过程为：（1）当接收到的帧被确认是SPEECH_GOOD帧时，接收端的SCR操作就进入SPEECH模式，这时SCR控制器将接收到的语音帧直接传送给语音解码器进行译码。（2）如果接收端的SCR操作进入SPEECH模式，而接收到的帧被确定为SPEECH_BAD或NO_DATA，则SCR控制器将接收到的语音帧进行弱化或用静音替代。 （3）如果接收端的SCR操作进入COMFORT_NOISE模式，而接收到的帧被确定为SID_FIRST或SID_UPDATE帧时，则SCR控制器就产生舒适背景噪声；而当接收到的帧被确定为SID_BAD帧时，则SCR控制器就将SID_B