第8講GSM-R通信系統(tǒng)--語音編碼及傳輸技術(shù)

1、第8講 語音編碼及傳輸技術(shù)主講：譚傳武 通信與信號學(xué)院主要內(nèi)容一、語音編碼技術(shù)二、信道編碼三、交織編碼四、均衡技術(shù)五、調(diào)制解調(diào)技術(shù)六、分集接收七、語音間斷傳輸八、功率控制九、移動性管理一、話音編碼技術(shù)nGSM系統(tǒng)的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)載頻間隔：200KHz；通信方式：全雙工，F(xiàn)DD；信道分配：每載頻8個時隙，包含8個全速信道，16個半速信道；調(diào)制方式：GMSK，高斯濾波最小頻移鍵控；接入方式：FDMA+TDMA；話音編碼：規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測編碼RPELTP 13kbit/s；GSM 語音處理過程 話音編碼的概念n定義定義q要將模擬的話音信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字信號，此技術(shù)稱要將模擬的話音信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)

2、制的數(shù)字信號，此技術(shù)稱為話音編碼技術(shù)。到了接收端，再將收到的數(shù)字信號還原為話音編碼技術(shù)。到了接收端，再將收到的數(shù)字信號還原為模擬話音，稱為話音解碼。為模擬話音，稱為話音解碼。n要求要求q編碼速率低編碼速率低q語音質(zhì)量高語音質(zhì)量高q編解碼時延要短編解碼時延要短q能適應(yīng)衰落信道的傳輸，即抗誤碼性能要好能適應(yīng)衰落信道的傳輸，即抗誤碼性能要好q算法的復(fù)雜程度要適中，應(yīng)易于大規(guī)模電路集成。算法的復(fù)雜程度要適中，應(yīng)易于大規(guī)模電路集成。 話音編碼的分類n波形編碼q波形編碼是將時間域信號直接變換為數(shù)字代碼，力圖使重建語音波形保持原語音信號的波形形狀。 q語音質(zhì)量好等優(yōu)，編碼速率高，如PCMqPCM 30/32

3、系統(tǒng)的傳輸速率 8bit/時隙 32時隙/幀 8000幀/S2.048 Mbit/S話音編碼的分類n參量編碼q參量編碼是通過對語音信號特征參數(shù)的提取和編碼，力圖使重建語音信號具有盡可能高的可靠性，即保持原語音的語意。 q低速率語音編碼，語音質(zhì)量中等，如線性預(yù)測編碼（LPC） n混合編碼q混合編碼是將波形編碼和參量編碼組合起來，保持波形編碼的高質(zhì)量和參量編碼的低速率，在416kbit/s速率上能夠得到高質(zhì)量的合成語音。q多脈沖激勵線性預(yù)測編碼（MPLPC）、規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測編碼（RPE-LPC）、碼激勵線性預(yù)測編碼（CELP）。 GSM-R的話音編碼技術(shù)nGSM-R系統(tǒng)采用系統(tǒng)采用規(guī)則脈沖激

4、勵規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編碼（長期預(yù)測編碼（RPE-LTP）。 q話音編碼器話音編碼器以以20ms為單位，經(jīng)壓縮編碼后輸出為單位，經(jīng)壓縮編碼后輸出260bits。話音編碼器輸出的比特。話音編碼器輸出的比特流中包括：流中包括：LPC+LTP參數(shù)，速率為參數(shù)，速率為3.6kbit/s；RPE參數(shù)，速率為參數(shù)，速率為9.4kbit/s。因。因此，話音編碼器的輸出比特此，話音編碼器的輸出比特速率是速率是13kbit。二、信道編碼n信道編碼信道編碼q是在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，在信息碼元中再加入一些冗余是在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，在信息碼元中再加入一些冗余碼元（也稱監(jiān)督碼元或校驗碼元），用來供接收端碼元（也稱監(jiān)督碼元或校驗碼

5、元），用來供接收端檢出或糾正信息在信道中傳輸時產(chǎn)生的誤碼。檢出或糾正信息在信道中傳輸時產(chǎn)生的誤碼。 二、信道編碼n分類分類q分組編碼分組編碼q卷積編碼卷積編碼三、交織編碼n 在移動通信過程中，由于衰落、干擾等因素經(jīng)常會造成在移動通信過程中，由于衰落、干擾等因素經(jīng)常會造成連續(xù)連續(xù)比特差錯比特差錯的發(fā)生。的發(fā)生。n 信道編碼信道編碼 單個差錯和不太長的差錯串單個差錯和不太長的差錯串n 交織編碼交織編碼 分散連續(xù)錯誤，然后再利用信道編碼對其糾錯。分散連續(xù)錯誤，然后再利用信道編碼對其糾錯。交織編碼n 第一次交織第一次交織q將由信道編碼后提取出的將由信道編碼后提取出的 456bit 組成組成 857 的

6、矩陣，的矩陣，橫向橫向?qū)懭雽懭虢豢椌仃?，然后，交織矩陣，然后，縱向讀出縱向讀出，即可取出，即可取出8幀每幀幀每幀57bit的的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流。交織編碼n 第二次交織第二次交織q為了進(jìn)一步分散為了進(jìn)一步分散突發(fā)錯誤，還須突發(fā)錯誤，還須在兩個話音幀間在兩個話音幀間再進(jìn)行一次交織，再進(jìn)行一次交織，即塊間交織。即塊間交織。 四、均衡技術(shù)n 在帶寬受限的數(shù)字信道中，多徑效應(yīng)會造成碼間干擾產(chǎn)生在帶寬受限的數(shù)字信道中，多徑效應(yīng)會造成碼間干擾產(chǎn)生誤碼，均衡就是一項用來克服碼間干擾的技術(shù)。誤碼，均衡就是一項用來克服碼間干擾的技術(shù)。n 所謂所謂均衡均衡就是接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性，就是接收端的均衡器

7、產(chǎn)生與信道特性相反的特性，用來抵消由于多徑效應(yīng)引起的碼間干擾，改善系統(tǒng)傳輸?shù)目捎脕淼窒捎诙鄰叫?yīng)引起的碼間干擾，改善系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴？啃?。四、均衡技術(shù)n 均衡原理均衡原理q均衡器通常采用均衡器通常采用訓(xùn)練模式訓(xùn)練模式來估計信道的特性，在傳輸之前先獲來估計信道的特性，在傳輸之前先獲得信道畸變以及衰減特性，然后利用這些信息去糾正接收到的得信道畸變以及衰減特性，然后利用這些信息去糾正接收到的信號。信號。q訓(xùn)練模式是在傳輸用戶信息之前先發(fā)送一個訓(xùn)練模式是在傳輸用戶信息之前先發(fā)送一個訓(xùn)練序列訓(xùn)練序列，這個訓(xùn)，這個訓(xùn)練序列對于接收端是已知的或者是一個偽隨機序列。練序列對于接收端是已知的或者是一個偽隨機

8、序列。q當(dāng)接收端的接收器收到訓(xùn)列序列后與原始的已知信號做比較，當(dāng)接收端的接收器收到訓(xùn)列序列后與原始的已知信號做比較，以此獲得信道特性信息，再根據(jù)這些信息通過一定的算法對后以此獲得信道特性信息，再根據(jù)這些信息通過一定的算法對后面接收到的信息進(jìn)行解調(diào)。面接收到的信息進(jìn)行解調(diào)。 五、調(diào)制解調(diào)技術(shù) 將要發(fā)送的信號“加載”到高頻信號上的過程稱為“調(diào)制”。 從加載有原始信號的高頻信號上將原始信號提取出來的過程稱為“解調(diào)”。調(diào)制器發(fā)送信號發(fā)送信號載波信號載波信號已調(diào)信號已調(diào)信號信 道解調(diào)器還原信號還原信號載波信號載波信號已調(diào)信號已調(diào)信號n調(diào)制技術(shù)的作用q適應(yīng)信道特性q便于天線的制作q實現(xiàn)多路復(fù)用n按照調(diào)制信

9、號的形式，調(diào)制可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。q模擬調(diào)制是利用輸入的模擬信號直接調(diào)制（或改變）載波的振幅、頻率或相位，從而得到調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）或調(diào)相（PM）信號。調(diào)制解調(diào)技術(shù)q數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號來控制載波的振幅、頻率或相位。數(shù)字調(diào)制的基本類型分為幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）。調(diào)制解調(diào)技術(shù)q此外，還有許多由基本調(diào)制類型改進(jìn)或綜合而獲得的新型調(diào)制技術(shù)，如MSK、GMSK、QPSK、QAM、OFDM等。qGSM-R的調(diào)制方式是 0.3GMSK。GMSK為高斯最小頻移鍵控，0.3表示高斯濾波器的帶寬和比特率之間的關(guān)系。調(diào)制解調(diào)技術(shù)nGMSK優(yōu)點q具有較強的抗干擾、

10、抗衰落的能力。q帶寬窄。q帶外衰減大，帶外輻射小。六、分集接收技術(shù)n分集接收是分集接收是解決多徑衰落解決多徑衰落的一種技術(shù)。的一種技術(shù)。n分集接收是指接收端對它收到的多個衰落特性互相獨分集接收是指接收端對它收到的多個衰落特性互相獨立（攜帶同一信息）的信號進(jìn)行特定的處理，以降低立（攜帶同一信息）的信號進(jìn)行特定的處理，以降低信號電平起伏的辦法。信號電平起伏的辦法。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。分集接收技術(shù)n分集接收分集接收q頻率分集頻率分集：是指承載相同信息的信號用多個載波傳送，頻：是指承載相同信息的信號用多個載波傳送，頻率間隔應(yīng)該大于等于信道的相干帶寬

11、。率間隔應(yīng)該大于等于信道的相干帶寬。q時間分集時間分集：用不同的時隙來傳送承載相同信息的信號。連：用不同的時隙來傳送承載相同信息的信號。連續(xù)時隙的間隔要大于信道的相干時間。續(xù)時隙的間隔要大于信道的相干時間。q空間分集空間分集：采用多個天線進(jìn)行接收，使每個天線之間相隔：采用多個天線進(jìn)行接收，使每個天線之間相隔半波長的整數(shù)倍。半波長的整數(shù)倍。q極化分集極化分集：使用多種極化方式傳輸同一信號。：使用多種極化方式傳輸同一信號。非連續(xù)發(fā)送（DTX） n概念概念 Discontinuous Transmission不連續(xù)發(fā)送。在一個通信過程中，其實移動用戶僅有很少的時間用于通話，大部分時間都沒有傳送話音消

12、息。如果將這些信息全部傳送給網(wǎng)絡(luò)的話，這不但會對系統(tǒng)資源造成浪費而且會使系統(tǒng)內(nèi)的干擾加重。 所以利用語音編碼器檢測到話音間隙后，在間隙期不發(fā)送，這就是所謂的不連續(xù)發(fā)送。通話時進(jìn)行13KB/s編碼，停頓期用500b/s編碼發(fā)送舒適的噪聲。非連續(xù)發(fā)送（DTX） n話音傳輸有兩種方式：一種是無論用戶是否講話，話音總是連續(xù)編碼（每20ms一個話音幀）。另一種是非連續(xù)發(fā)送方式DTX（Discontinuous Transmission）：在話音激活期進(jìn)行13kbps編碼，在話音非激活期進(jìn)行500bps編碼。每 480 ms 傳輸一個舒適噪聲幀。26功控是什么？功控是什么？為什么要功控？為什么要功控？功控

13、目的n功率控制：功率控制：根據(jù)需要調(diào)整基站與手機的發(fā)射功率。n依據(jù)：依據(jù)：手機和基站上報的測量報告。n目的：目的：在保證通話質(zhì)量的情況下，降低發(fā)射功率，從而降低整網(wǎng)干擾、減少功耗。 27功控分類n功率控制分為上行功率控制和下行功率控制，上下行控制獨立進(jìn)行。q上行功控：上行功控：調(diào)整MS的輸出功率，使BTS獲得穩(wěn)定接收信號強度，以減少對同鄰頻的干擾，降低移動臺功耗。q下行功控：下行功控：調(diào)整BTS輸出功率，使MS獲得穩(wěn)定接收信號強度，減少同鄰頻干擾，降低基站功耗。功率控制的目的及意義：功率控制的目的及意義：n 1、功率控制從用戶感知來說：可以明顯感覺到手機電池的利用時間感覺到通話質(zhì)量的好壞n 2

14、、功率控制從網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)來說：功率控制可以減少網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部干擾從下行來說：主要是頻率資源不夠引起的帶內(nèi)下行干擾從上行來說：主要是由于高話務(wù)量引起的上行干擾，表現(xiàn)為上行通話質(zhì)量差。功率控制可以很大程度的影響網(wǎng)絡(luò)的KPI.由于頻率資源有限，話務(wù)量的增高，功率控制運用不當(dāng)會引起干擾，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的KPI下降。功率控制時間提前量TAnTATA就是就是Timing Advance Timing Advance ，時間提前量。，時間提前量。n在通信過程中，如移動臺在呼叫期間向遠(yuǎn)離基站的方向上移動，因而從基站發(fā)出的消息將越來越遲的到達(dá)移動臺。與此同時，移動臺的應(yīng)答信息也會越來越遲的到達(dá)基站.如不采取措施，該時延長至當(dāng)

15、基站收到該移動臺在本時隙上發(fā)送的消息會與基站在其下一個時隙收到的另一個呼叫信息重疊起來，而引起干擾。 n在呼叫進(jìn)行期間，移動臺發(fā)給基站的測量報告頭上攜帶有移動臺測量的時延值，而基站必須監(jiān)視呼叫到達(dá)的時間，并在下行信道上以480ms一次的頻率向移動臺發(fā)送指令，指示移動臺提前發(fā)送的時間，這個時間就是TA（時間提前量）。nTA的值域是063（0233s），它被GSM定時提前的編碼063bit所限，使GSM最大覆蓋距離為35km，計算如下： 1/2*3.7us/bit*63bit*c=35km 其中，3.7s/bit為每bit時長（156/577），63bit為時間調(diào)整最大比特數(shù)，c為光速（信號傳播速度）。1/2考慮了信號的往返。 GSM定時提前TA的編碼是在063之間。n根據(jù)上述，1bit對應(yīng)的距離是554m，由于多徑傳播和MS同步精度的影響，TA誤差可能會達(dá)3bit左右（1.6km)。 nGSM小區(qū)的無線覆蓋半徑最大可達(dá)到35k