第8讲 GSM-R通信系统--语音编码及传输技术

1、第8讲 语音编码及传输技术主讲：谭传武 通信与信号学院主要内容一、语音编码技术二、信道编码三、交织编码四、均衡技术五、调制解调技术六、分集接收七、语音间断传输八、功率控制九、移动性管理一、话音编码技术nGSM系统的无线传输标准载频间隔：200KHz；通信方式：全双工，FDD；信道分配：每载频8个时隙，包含8个全速信道，16个半速信道；调制方式：GMSK，高斯滤波最小频移键控；接入方式：FDMA+TDMA；话音编码：规则脉冲激励线性预测编码RPELTP 13kbit/s；GSM 语音处理过程 话音编码的概念n定义定义q要将模拟的话音信号转换为二进制的数字信号，此技术称要将模拟的话音信号转换为二进

2、制的数字信号，此技术称为话音编码技术。到了接收端，再将收到的数字信号还原为话音编码技术。到了接收端，再将收到的数字信号还原为模拟话音，称为话音解码。为模拟话音，称为话音解码。n要求要求q编码速率低编码速率低q语音质量高语音质量高q编解码时延要短编解码时延要短q能适应衰落信道的传输，即抗误码性能要好能适应衰落信道的传输，即抗误码性能要好q算法的复杂程度要适中，应易于大规模电路集成。算法的复杂程度要适中，应易于大规模电路集成。 话音编码的分类n波形编码q波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状。 q语音质量好等优，编码速率高，如PCMqPCM 30/32

3、系统的传输速率 8bit/时隙 32时隙/帧 8000帧/S2.048 Mbit/S话音编码的分类n参量编码q参量编码是通过对语音信号特征参数的提取和编码，力图使重建语音信号具有尽可能高的可靠性，即保持原语音的语意。 q低速率语音编码，语音质量中等，如线性预测编码（LPC） n混合编码q混合编码是将波形编码和参量编码组合起来，保持波形编码的高质量和参量编码的低速率，在416kbit/s速率上能够得到高质量的合成语音。q多脉冲激励线性预测编码（MPLPC）、规则脉冲激励线性预测编码（RPE-LPC）、码激励线性预测编码（CELP）。 GSM-R的话音编码技术nGSM-R系统采用系统采用规则脉冲激

4、励规则脉冲激励长期预测编码（长期预测编码（RPE-LTP）。 q话音编码器话音编码器以以20ms为单位，经压缩编码后输出为单位，经压缩编码后输出260bits。话音编码器输出的比特。话音编码器输出的比特流中包括：流中包括：LPC+LTP参数，速率为参数，速率为3.6kbit/s；RPE参数，速率为参数，速率为9.4kbit/s。因。因此，话音编码器的输出比特此，话音编码器的输出比特速率是速率是13kbit。二、信道编码n信道编码信道编码q是在数据发送之前，在信息码元中再加入一些冗余是在数据发送之前，在信息码元中再加入一些冗余码元（也称监督码元或校验码元），用来供接收端码元（也称监督码元或校验码

5、元），用来供接收端检出或纠正信息在信道中传输时产生的误码。检出或纠正信息在信道中传输时产生的误码。 二、信道编码n分类分类q分组编码分组编码q卷积编码卷积编码三、交织编码n 在移动通信过程中，由于衰落、干扰等因素经常会造成在移动通信过程中，由于衰落、干扰等因素经常会造成连续连续比特差错比特差错的发生。的发生。n 信道编码信道编码 单个差错和不太长的差错串单个差错和不太长的差错串n 交织编码交织编码 分散连续错误，然后再利用信道编码对其纠错。分散连续错误，然后再利用信道编码对其纠错。交织编码n 第一次交织第一次交织q将由信道编码后提取出的将由信道编码后提取出的 456bit 组成组成 857 的

6、矩阵，的矩阵，横向横向写入写入交织矩阵，然后，交织矩阵，然后，纵向读出纵向读出，即可取出，即可取出8帧每帧帧每帧57bit的的数据流。数据流。交织编码n 第二次交织第二次交织q为了进一步分散为了进一步分散突发错误，还须突发错误，还须在两个话音帧间在两个话音帧间再进行一次交织，再进行一次交织，即块间交织。即块间交织。 四、均衡技术n 在带宽受限的数字信道中，多径效应会造成码间干扰产生在带宽受限的数字信道中，多径效应会造成码间干扰产生误码，均衡就是一项用来克服码间干扰的技术。误码，均衡就是一项用来克服码间干扰的技术。n 所谓所谓均衡均衡就是接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，就是接收端的均衡器

7、产生与信道特性相反的特性，用来抵消由于多径效应引起的码间干扰，改善系统传输的可用来抵消由于多径效应引起的码间干扰，改善系统传输的可靠性。靠性。四、均衡技术n 均衡原理均衡原理q均衡器通常采用均衡器通常采用训练模式训练模式来估计信道的特性，在传输之前先获来估计信道的特性，在传输之前先获得信道畸变以及衰减特性，然后利用这些信息去纠正接收到的得信道畸变以及衰减特性，然后利用这些信息去纠正接收到的信号。信号。q训练模式是在传输用户信息之前先发送一个训练模式是在传输用户信息之前先发送一个训练序列训练序列，这个训，这个训练序列对于接收端是已知的或者是一个伪随机序列。练序列对于接收端是已知的或者是一个伪随机

8、序列。q当接收端的接收器收到训列序列后与原始的已知信号做比较，当接收端的接收器收到训列序列后与原始的已知信号做比较，以此获得信道特性信息，再根据这些信息通过一定的算法对后以此获得信道特性信息，再根据这些信息通过一定的算法对后面接收到的信息进行解调。面接收到的信息进行解调。 五、调制解调技术 将要发送的信号“加载”到高频信号上的过程称为“调制”。 从加载有原始信号的高频信号上将原始信号提取出来的过程称为“解调”。调制器发送信号发送信号载波信号载波信号已调信号已调信号信 道解调器还原信号还原信号载波信号载波信号已调信号已调信号n调制技术的作用q适应信道特性q便于天线的制作q实现多路复用n按照调制信

9、号的形式，调制可分为模拟调制和数字调制。q模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制（或改变）载波的振幅、频率或相位，从而得到调幅（AM）、调频（FM）或调相（PM）信号。调制解调技术q数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。数字调制的基本类型分为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。调制解调技术q此外，还有许多由基本调制类型改进或综合而获得的新型调制技术，如MSK、GMSK、QPSK、QAM、OFDM等。qGSM-R的调制方式是 0.3GMSK。GMSK为高斯最小频移键控，0.3表示高斯滤波器的带宽和比特率之间的关系。调制解调技术nGMSK优点q具有较强的抗干扰、

10、抗衰落的能力。q带宽窄。q带外衰减大，带外辐射小。六、分集接收技术n分集接收是分集接收是解决多径衰落解决多径衰落的一种技术。的一种技术。n分集接收是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独分集接收是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立（携带同一信息）的信号进行特定的处理，以降低立（携带同一信息）的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。信号电平起伏的办法。n通常接收端的信噪比可以提高通常接收端的信噪比可以提高 20dB30dB。分集接收技术n分集接收分集接收q频率分集频率分集：是指承载相同信息的信号用多个载波传送，频：是指承载相同信息的信号用多个载波传送，频率间隔应该大于等于信道的相干带宽

11、。率间隔应该大于等于信道的相干带宽。q时间分集时间分集：用不同的时隙来传送承载相同信息的信号。连：用不同的时隙来传送承载相同信息的信号。连续时隙的间隔要大于信道的相干时间。续时隙的间隔要大于信道的相干时间。q空间分集空间分集：采用多个天线进行接收，使每个天线之间相隔：采用多个天线进行接收，使每个天线之间相隔半波长的整数倍。半波长的整数倍。q极化分集极化分集：使用多种极化方式传输同一信号。：使用多种极化方式传输同一信号。非连续发送（DTX） n概念概念 Discontinuous Transmission不连续发送。在一个通信过程中，其实移动用户仅有很少的时间用于通话，大部分时间都没有传送话音消

12、息。如果将这些信息全部传送给网络的话，这不但会对系统资源造成浪费而且会使系统内的干扰加重。 所以利用语音编码器检测到话音间隙后，在间隙期不发送，这就是所谓的不连续发送。通话时进行13KB/s编码，停顿期用500b/s编码发送舒适的噪声。非连续发送（DTX） n话音传输有两种方式：一种是无论用户是否讲话，话音总是连续编码（每20ms一个话音帧）。另一种是非连续发送方式DTX（Discontinuous Transmission）：在话音激活期进行13kbps编码，在话音非激活期进行500bps编码。每 480 ms 传输一个舒适噪声帧。26功控是什么？功控是什么？为什么要功控？为什么要功控？功控

13、目的n功率控制：功率控制：根据需要调整基站与手机的发射功率。n依据：依据：手机和基站上报的测量报告。n目的：目的：在保证通话质量的情况下，降低发射功率，从而降低整网干扰、减少功耗。 27功控分类n功率控制分为上行功率控制和下行功率控制，上下行控制独立进行。q上行功控：上行功控：调整MS的输出功率，使BTS获得稳定接收信号强度，以减少对同邻频的干扰，降低移动台功耗。q下行功控：下行功控：调整BTS输出功率，使MS获得稳定接收信号强度，减少同邻频干扰，降低基站功耗。功率控制的目的及意义：功率控制的目的及意义：n 1、功率控制从用户感知来说：可以明显感觉到手机电池的利用时间感觉到通话质量的好坏n 2

14、、功率控制从网络指标来说：功率控制可以减少网络的内部干扰从下行来说：主要是频率资源不够引起的带内下行干扰从上行来说：主要是由于高话务量引起的上行干扰，表现为上行通话质量差。功率控制可以很大程度的影响网络的KPI.由于频率资源有限，话务量的增高，功率控制运用不当会引起干扰，导致网络的KPI下降。功率控制时间提前量TAnTATA就是就是Timing Advance Timing Advance ，时间提前量，时间提前量。n在通信过程中，如移动台在呼叫期间向远离基站的方向上移动，因而从基站发出的消息将越来越迟的到达移动台。与此同时，移动台的应答信息也会越来越迟的到达基站.如不采取措施，该时延长至当基

15、站收到该移动台在本时隙上发送的消息会与基站在其下一个时隙收到的另一个呼叫信息重叠起来，而引起干扰。 n在呼叫进行期间，移动台发给基站的测量报告头上携带有移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到达的时间，并在下行信道上以480ms一次的频率向移动台发送指令，指示移动台提前发送的时间，这个时间就是TA（时间提前量）。nTA的值域是063（0233s），它被GSM定时提前的编码063bit所限，使GSM最大覆盖距离为35km，计算如下： 1/2*3.7us/bit*63bit*c=35km 其中，3.7s/bit为每bit时长（156/577），63bit为时间调整最大比特数，c为光速（信号传播速度）。1/2考虑了信号的往返。 GSM定时提前TA的编码是在063之间。n根据上述，1bit对应的距离是554m，由于多径传播和MS同步精度的影响，TA误差可能会达3bit左右（1.6km)。 nGSM小区的无线覆盖半径最大可达到35km。 时间提前量时间提前量TA超长覆盖技术n在某些情况下，需要