送话流程分析

语音送话流程刘文虎 2008-11-11一、 概述：发送语音信号的处理过程：（1）MIC送话，将话音信号转换为电信号。（2）PCM处理，将模拟的电信号转化为数字信号。（电源）（3）信源编码，将PCM信号进行压缩。（CPU）（4）信道编码，将要传送的信号进行加密。（CPU）（5）GMSK调制，将离散的数字信号对应于不同相位的连续正弦波信号。（中频）（6）发射变换电路，将发射信号的频率搬移到指定的发射频率上。（中频）二 、简要的原理分析：（一）MIC送话：MIC的功能是把声音转化成电信号。图1 MIC内部电路MIC工作原理：当声波到来时，振动膜在声压的驱动下前后运动，两个极板之间的距离就发生了变化；极板距离变化导致电容器的电容量发生变化；由于负载电阻极大，电容器上的电荷很难运动，此时可以认为电容器上的电量Q不变；根据公式UQC，电容量C的变化导致电容器两端的电压U发生变化。这样，声压的变化电容量的变化电压的变化，声音信号转化成电信号。（二）PCM语音编码：发射信号产生的第一步是模拟信号转换成数字信号。该处理采用脉冲编码调制技术PCM（Pulse Code Modulation）语音编码包括两个过程：取样和量化。实际编码速率为64kbps，采用的时A律13折线。1、取样由取样定理可知：只要取样频率不小于语音信号最高频率的2倍，则采样后的脉冲样值序列可以不失真的还原成原来的语音信号。因为语音信号频率是300-3400HZ，所以采样频率Fs23400HZ。所以GSM手机的取样频率取为8KHZ。下面通过简单的取样电路来分析取样原理：信号取样受控于取样脉冲，当取样脉冲来的时候，场效晶体管VT的栅极加上正向电压处于导通状态，输入信号经过场效应管的漏极-源极到达输出端。没有取样脉冲时，场效应管VT截止，信号不能通过。因此，该电路在取样脉冲高电平时取样，低电平为取样间隔时间。如左图所示。2、量化量化的实质是将连续的无限多个样值变为有限种取值，然后再用不同的数字数列表示，从而实现模数转换。如图3所示：图3 量化示意图3V的电压被量化后对应00000011的数字信号。量化的两种方式为均匀量化和非均匀量化。均匀量化：将取样信号幅度变化范围划分为若干量化级，每个量化级的间隔相等。如图4所示：图4 均匀量化横轴表示量化器输入样值的幅度，纵轴表示量化器量化后输出的样值量化电平。斜线是不经过量化的输入于输出关系，阶梯型曲线表示量化后的输入输出关系。（X取值的间隔数极为量化级数）因为均匀量化间隔是固定的，它不随信号幅度而改变，所以它对小信号的量化存在较大的误差。非均匀量化：将取样后的信号经过压缩电路（非线性放大器，对小幅度信号有较大的放大量，对大幅度信号有较小的放大量），然后再经过均匀量化，如图5所是。图5 非均匀量化示意图对于语言信号来说，在实际中常用对数压扩特性，但我们知道，对数曲线在自变量趋于零时，函数趋于无穷大，这显然是不满足要求的，为此需要修正对数曲线，以使其满足在输入为零时，压扩的输出也为零，我们实际中采用的修正方法为A律压扩特性（即在原点的附近由某一斜率的直线近似代替，其余的用对数曲线代替），它们接近于最佳的压扩特性，并且易于进行二进制编码。PCM采用A率13折线8比特编码，13折线法如图6所示，图中先把轴的0,1区间分为8个不均匀段。在这里我们需要建立一个合适的数学模型来描述被压缩的曲线。其中x和分别是归一化的压缩器输入和输出电压，A为压缩系数，表示压缩的程度，A为一时对应着不压缩的均匀量化。其具体分法如下:将区间0，1一分为二，其中点为1/2,取区间1/2,1作为第八段;将剩下的区间0,1/2再一分为二，其中点为1/4,取区间1/4,1/2作为第七段;将剩下的区间0,1/4再一分为二，其中点为1/8,取区间1/8,1/4作为第六段;将剩下的区间0,1/8再一分为二，其中点为1/16,取区间1/16,1/8作为第五段;将剩下的区间0,1/16再一分为二，其中点为1/32,取区间1/32,1/16作为第四段; 将剩下的区间0,1/32再一分为二，其中点为1/64,取区间1/64,1/32作为第三段;将剩下的区间0,1/64再一分为二，其中点为1/128,取区间1/128,1/64作为第二段最后剩下的区间0,1/128作为第一段。然后将轴的0,1区间均匀地分成八段，从第一段到第八段分别为0,1/8,(1/8,2/8,(2/8,3/8,(3/8,4/8,(4/8,5/8,(5/8,6/8,(6/8,7/8,(7/8,1。分别与轴的八段一一对应。段落12345678斜率161684211/21/4表1 折线斜率表可以看出，除一、二段外，其他各段折线的斜率都不相同。图7-4-8中只画出了第一象限的压缩特性，第三象限的压缩特性的形状与第一象限的压缩特性的形状相同，且它们以原点为奇对称，所以负方向也有八段直线，总共有16个线段。但由于正向一、二两段和负向一、二两段的斜率相同，所以这四段实际上为一条直线，因此，正、负双向的折线总共由13条直线段构成，这就是13折线的由来。由A率特性在可知A率曲线原点附近的斜率应为：令上式子等16，可的A=87.6。依照（式A）可以求出Y轴均匀8段分割所对应的X轴坐标。如下表所示：表2 13折线对应X轴坐标对于Y取值的两种情况X值几乎相等，这就说明按1/2递减进行非均匀分段的折线近似于A=87.6的A率特性式非常逼近的。（三）信源编码语音编码及信源编码，语音编码目的是为了把模拟语音转变为数字信号以便在信道中传输，语音编码技术在移动通信系统中与调制技术直接决定了系统的频谱利用率。在移动通信中，节省频谱是至关重要的，移动通信中对语音编码技术的研究目的是在保证一定的话音质量的前提下，尽可能地降低语音码的比特率，因此，须对PCM转化后的数字信号进行信源编码。信源编码技术通常分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。GSM手机采用规则激励线性预测（RPE-LTP）即一个语音取样值可用过去若干各语音取样值得线性组合来拟和GSM所用的语音编码是(RPELTP)，规则码激励长期预测编码就是一种混合编码技术，是为适应无线通信而制定的，具备码率较低、算法复杂程度不高、延迟适中、抗误码能力强的特点，同时保证了较高的话音质量。因此，RPE-LTP算法还可以应用于语音邮件，话音记录，录音数字存储等领域。RPE-LTP是混合编码。它既利用了语音信号的相关性进行参数编码，又利用了激励源信号的幅度特性进行波形编码。另外，还利用人耳的听觉特性，进一步消除语音信号中的主观冗余度。其纯码速率为13kbitS，输入的语音信号分20ms时间间隔划分为一段（一帧），编码器通过三个分析电路对语音信号提取峰值参数，按帧进行处理和编码。信源编码实现的框图：语音帧（20ms）比较器误差电信号激励脉冲发生器线性预测器长周期预测器参数编码 语编 图7 语音信源编码（1）线性预测器：8抽头滤波器组成的8个声域分析电路在20ms的语音段内输出36bit的加权系数。（2）长周期预测器每一帧内，长周期预测器评估语音峰值间隔和增益4次，即每5ms测定一次，每次测定产生7bit滞后系数和2bit增益系数，在1帧20ms内产生36bit 数码。长周期预测器提取的特征参数用于表征浊音的音调结构。（3）激励脉冲发生器输入的语音数据信号与合成的预测值两者进行比较获得误差电信号，该误差数据信号确定脉冲序列中各脉冲的幅度和起始位置。每帧有40个脉冲，各脉冲相对位置不变，但对于每一帧语音信号分别用不同起始位置和各个脉冲幅度变化来表征浊音的特征，接收端用该脉冲去激励语音合成模型。在一帧内激励脉冲发生器产生188bit数码。由此可得20ms语音信号经过语音编码后被压缩成260bit数码，所以数据得传输速率为260bit/20ms=13kbit/s。（四）信道编码：信道编码主要是使用分组码即在每组信息码后附加若干个校验码。Dn-1Dr Dr-1D0K位信息码R位校验码图8 信道编码中检验在分组码中，校验码仅校验本码的信息位，校验后，检验纠错能力就越强，校验码位数的多少通常用多余度来衡量。GSM信道编码器信息码与检验码位数相同，即每个信息码都有一个校验码，多余度为1/2，182bit加3bit奇偶校验，4bit尾识别码，编码后数据增加一位数 2（182+3+2）=378 bit。对语音质量无重要影响的数码78bit，378+78=456，编码后传输速率位456bit/20ms=22.8kbit/s信道编码包括：1、偶校验码；2、重要码；3、循环码。 其目的是通过增加码数来纠正个别错码，但它对于突发性错码或成串差错的纠错能力不是很好。因此又采用了交织技术将成半的错码转换位随机性差错，从而可用信道编码加以纠正。在发送端将信息码排列数需打乱，重新排列组合，使不同帧的信息码相互穿插交织后再发送到信道中去。20ms为一帧的语音信号经过信道编码输出为456bit，交织编码器将两帧语音信号（40ms）的912bit数据按每行8bit写入，写完共114行。取出时按列进行，分别有114bit语音数据。这样40ms的语音信号被交织分散成8个时段，每个时段安插在一个信道帧中对应的一个时隙上，分时传送。语音时隙的基本格式是 257bit语音数码，另外有2bit用于识别基带传输的语音，还加入26bit同步数据，3bit头识别码，3bit尾识别码，36.5ns（8.25bit）的保护时间，由此可得每时隙数据为156.25bit。（五）调制调试方式有：调幅（AM）；调频（FM）；调相（PM）；与之对应数字信息也有三种最基本的调制方式：幅移键控ASK 频移键控FSK 相移键控PSK其波形如下：图10 三种调制波形GSM使用一种称作0.3GMSK(高斯最小频移键控)的数字调制方式。0.3表示高斯滤波器带宽与比特率之比。 GMSK是一种特殊的数字FM调制方式。给RF载波频率加上或者减去67.708KHz表示1和0。使用两个频率表示1和0的调制技术记作FSK（频移键控）。在GSM中，数据速率选为270.833kbit/sec，正好是RF频率偏移的4倍，这样作可以把调制频谱降到最低并提高信道效率。比特率正好是频率偏移4倍的FSK调制称作MSK（最小频移键控）。使用高斯调制滤波器进一步减小调制频谱。它可以降低频率转换速度，否则快速的频率转换将导致向相邻信道辐射能量。 如果没有高斯滤波器，当传送一连串恒定的1时，MSK信号将保持在高于载波中心频率67.708KHz的状态。如果将载波中心频率作为固定相位基准，67.708KHz的信号将导致相位的稳步增加。相位将以每秒67.708次的速率进行360度旋转。在一个比特周期内(1/270.833KHz)，相位将在I/Q图中移动四分之一圆周、即90度的位置。数据1可以看作相位增加90度。两个1使相位增加180度，三个1是270度，依此类推，数据0表示在相反方向上相同的相位变化。实际的相位轨迹是被严格地控制的。GSM无线系统需要使用数字滤波器和I/Q或数字FM调制器精确地生成正确的相位轨迹。GSM规范允许实际轨迹与理想轨迹之间存在均方根（RMS）值不超过5度、峰值不超过20度的偏差。MSK调制的过程为：1 先将输入的基带信号进行差分编码，2 然后将其分成I、Q两路，3 并互相交错一个码元宽度，4 再用加权函数cos（t/2Tb）和sin（t/2Tb）分别对I、Q两路数据加权，5 最后将两路数据分别用正交载波调制。MSK调制的调制电路图及波形图： 图12 绝对相移键控调制波形由于接收端在解调时载波恢复存在着相位的模糊性，从而引起相当大的误码率，为了解决这一问题，应采用相对调相法。此方法与绝对调相法的不同之处在于数字信号0、1与载波相位0、180无固定关系而是与载波相位的改变（相位差）有关。GSM手机的数字调制框图如图所示。1差分编码器：其实质为二进制计数器，工作原理为即来一脉冲输出状态翻转一次。2数据分离器：其实质是将数据流中的奇与偶位分开。如下表所示：表3 数据的奇偶分离3加权相乘器：用DIDQ数字码直接对载波进行调制，由于其幅度为+1,-1属不连续的脉冲信号，调制载波会产生相位的突变，当信号通过非线性放大器时，引起频谱较大的展宽，容易对邻近的频道产生干扰，为了有姣好的抑制带外干扰的能力，应采用连续的相位调制，该方式就是由加权相乘器先将跳变的调制数码转换为连续变换的正弦脉冲信号，然后再进行载波调相。这样输出的调相载波信号的相位是连续的。4载波调相器：奇偶数两位二进制数码的组合称为双位码，双位码可传送的信息有00 01 10 11，利用载波的四种相位0，/2 ，3/2来表征双位码的四种数据状态。其原理如下：在该调制系统中，DI与DQ均设为不归零的脉冲信号，其值不是1就是-1。分别表示二进制中的1和0，为了获得调制信号的波形，DI对同相cos0t进行幅度调制。DQ对cos(0t+/2)进行幅度调制U（t）=VIcos0t+VQ cos(0t+/2) = VIcos0t-VQsin0t双位码DI、DQ为00码时，DQVQ=-1；DIVI=-1。V（t）=sin0t-cos0t = cos(0t+5/4),可见DQ、 DI为00码时，调制载波的初始相位为5/4。TXI/Q为已调中频信号，其频率为一百兆赫兹左右，该信号被送到发射变换电路进行频率变化，得到包含语音信息的射频信号。（六