井下數(shù)字移動通信語音編碼的選擇和語音通信的設(shè)計實現(xiàn)

1、科技創(chuàng)新井下數(shù)字移動通信語音編碼的選擇和語音通信的設(shè)計實現(xiàn)田子建(中國礦業(yè)大學(xué)(北京 機(jī)電與信息工程學(xué)院, 北京市海淀區(qū)學(xué)院路, 100083摘要介紹了常用的語音編碼方式, 討論了井下移動通信系統(tǒng)設(shè)計中對語音編碼方式的選取原則, 結(jié)合井下移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用情況, 給出了CVSD 編方式的芯片CMX639的具體設(shè)計方案。關(guān)鍵詞礦井移動通信語音信源編碼區(qū)制, 每個小區(qū)只有一個載頻, :868871M Hz 。3路8kbp s ,3。移動臺和基站都采用TI 公司低功耗16位單片機(jī)MSP430控制半雙工900M Hz 射頻芯片以時分的方式來實現(xiàn)雙工通信。1語音編譯碼技術(shù)移動通信系統(tǒng)中最多的信息是話音信

2、號, 因而話音編碼技術(shù)在數(shù)字移動通信系統(tǒng)中具有相當(dāng)關(guān)鍵的作用。采用低碼率的話音編碼方式可以提高頻帶的利用率和信道容量; 而采用有較強糾錯能力的編碼技術(shù), 能夠保證系統(tǒng)在較低信噪比的條件下工作, 并具有良好的通話質(zhì)量?？傊? 話音編碼技術(shù)的優(yōu)劣將直接影響通話質(zhì)量、頻道利用率以及系統(tǒng)容量。111語音編譯碼分類話音編碼技術(shù)通常分為3類:波形編碼、聲源編碼和混合編碼。波形編碼和聲源編碼是兩種傳統(tǒng)的話音編碼, 而混合編碼則是近幾年才出現(xiàn)的1。(1 波形編碼技術(shù)。波形編碼是通過對語音波31、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃 :“煤礦數(shù)字化瓦斯遠(yuǎn)程檢測監(jiān)控系統(tǒng)”(No 12005AA133070 ; 2、

3、信息產(chǎn)業(yè)部電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項目(信息產(chǎn)業(yè)部信部運2006634號, 財政部財建2006549號 多功能煤礦井下無線通信系統(tǒng)。井下數(shù)字移動通信語音編碼的選擇和語音通信的設(shè)計實現(xiàn)量化, 然后用二進(jìn)制碼表示出來。波該方式是以話音波形取樣構(gòu)成的離散序列為基礎(chǔ), 經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚? 在一定程度上消除其冗余消息之后, 進(jìn)行編碼并送至接收端。接收端經(jīng)譯碼并作相應(yīng)的逆處理, 從而恢復(fù)出較近似的話音信號。由于波形編碼器結(jié)果簡單, 沒有利用語音信號的冗余特征, 在1216kbps 范圍內(nèi), 話音質(zhì)量或多或少地有些惡化。比特率再低, 話音質(zhì)量便大大下降。波形編碼器在硬件上很容易實現(xiàn), 而且不受時延的影響。(2 聲

4、源編碼技術(shù)。聲源編碼是將話音信號用特定的聲源模型表示。接收端根據(jù)輸入話音提取模型參數(shù)并進(jìn)行編碼, 用傳輸模型參數(shù)代替?zhèn)魉鸵圆ㄐ螢榛A(chǔ)的話音模型, 并重新混合出具有一定可懂度的話音。這種聲源編碼技術(shù)的一個例子就是線性預(yù)測編碼(L PC 聲碼器。這種技術(shù)可以把話音信號壓縮到2kbp s , 甚至可以壓縮到400bp s 或更低。但話音質(zhì)量聽起來不夠自然, 雖然詞語可懂, 卻常常不能識別通話人。提高數(shù)碼率并不能有效地提高其話音質(zhì)量。當(dāng)編碼速率高于418kbp s 時, 一般不用這種技術(shù)。(3 混合編碼技術(shù)?；旌暇幋a是波形編碼和聲源編碼相結(jié)合的一種較新的編碼技術(shù), 它能夠把波形編碼較高的話音質(zhì)量和聲源

5、編碼低速的優(yōu)點很好地結(jié)合起來。因為在混合編碼的話音信號中既包括若干話音特征參量又包括部分波形編碼信息?；旌暇幋a可將傳輸速率壓縮到416kbp s , 而在44 316kbp s 范圍內(nèi)能達(dá)到良好的話音質(zhì)量。波形編碼最成熟的是脈沖編碼調(diào)制(PCM 。波形編碼的改進(jìn)主要有增量編碼(M 、自適應(yīng)差分脈沖編碼(ADPCM 、子帶編碼(SBC 、自適應(yīng)變換域編碼(A TC 、時域諧波壓擴(kuò)(TD HS 等。這些技術(shù)大多數(shù)是利用數(shù)字信號處理技術(shù)提取某些話音特征參量來壓縮速率的, 所以它們已不是單純的波形編碼, 而屬于混合編碼了。參量編碼主要有多脈沖激勵線性預(yù)測編碼(MPE -L PC 、規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測

6、編碼(RPE -L PC 、碼本激勵線性預(yù)測編碼(CEL P 等。112適合于礦井移動通信系統(tǒng)的話音編碼方式度要求不高;(2 由于帶寬受限, 編碼速率應(yīng)盡可能低; (3 應(yīng)有較強的抗噪聲干擾和抗誤碼性能; (4 對編譯碼時延要求不是很高;(5 編譯碼器必須簡單, 性能價格比高;(6 功耗小, 工作電壓低, 以延長移動臺電池的使用時間。表1幾種編碼方式的對比傳輸速率時延主觀評分復(fù)雜度/kbps /ms /MOSPCM (G711標(biāo)準(zhǔn) 64413 1ADPCM (G 722標(biāo)準(zhǔn) 3241110M ,CVSD 32318011M ,CVSD 16310011LD -CEL P 1641010SBC

7、-7219212RPE -31541035317104183531050100編碼名稱幾種常見編碼方式的對比如表1所示, 從表1中可以看出, 話音編碼方式有高速(32kbp s 以上 、中速(41816kbp s 和低速(214kbp s 以下 。它們各有各的優(yōu)缺點, 從而各有各的適用的地方, 如高速話音編碼方式的話音質(zhì)量高, 帶寬大, 適合于寬帶信道; 質(zhì)量稍差, ; , 適合。選擇移動通信系統(tǒng)的話音編碼技術(shù)主要考慮能滿足移動通信系統(tǒng)信道的要求。由于移動通信系統(tǒng)使用的帶寬有限, 所以要求話音編碼的速率低。同時移動通信使用的無線信道衰落和干擾會引起較高的誤碼率, 因而編碼算法應(yīng)還有較好的抗誤碼

8、能力。另外, 從用戶的角度出發(fā), 還應(yīng)有較好的話音質(zhì)量和較短的時延。這些要求往往是相互矛盾的, 例如要求高質(zhì)量話音, 編碼速率就應(yīng)高一些。而這又和信道帶寬有矛盾, 因信道帶寬是有限的, 碼速過高無法在有限的信道內(nèi)傳輸。在選擇礦井移動通信系統(tǒng)的話音編碼方式時, 要結(jié)合礦井的工作實際, 歸納起來, 礦井移動通信系統(tǒng)對話音編碼的要求如下2:(1 對話音的質(zhì)量要求不是很高, 對話音自然信令信道下行信令上行數(shù)據(jù)頭話音信道2下行話音上行數(shù)據(jù)頭表1中的CVSD 雖然MOS 只有310, 但它的電路最為簡單, 復(fù)雜度最低, 并且抗誤碼能力強, 在誤碼率為10-2的條件下還有較高的清晰度, 同時技術(shù)成熟, 是目

9、前最適合于礦井移動通信系統(tǒng)的話音編碼方式。2基帶語音部分的設(shè)計與實現(xiàn)本系統(tǒng)話音編譯碼技術(shù)選用CVSD , 芯片選用CMX639。CMX639可支持8128kbp s 的編碼方式3, 用CVSD 芯片MC3418和CMX639做對比試驗, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)CMX639的8kbp s 的話音質(zhì)量比MC3418的16kbp s 的話音質(zhì)量還要好, 能基本滿足本系統(tǒng)的話音質(zhì)量要求, 所以本系統(tǒng)話音編碼選為8kbp s 的CVSD 。以TDD 方式實現(xiàn)雙工通信的一個TDMA 幀如表2所示, 其中的數(shù)據(jù)頭是為保證數(shù)據(jù)同步而必不可少的, 可以看出當(dāng)基帶的傳輸速率是80kbp s 時, 語音速率為8kbp s 。話音

10、信道1下行話音上行數(shù)據(jù)頭話音信道3下行話音上行數(shù)據(jù)頭表2TDMA 幀結(jié)構(gòu)下行數(shù)據(jù)頭下行數(shù)據(jù)頭上行信令上行話音下行數(shù)據(jù)頭下行數(shù)據(jù)頭上行話音上行話音44中國煤炭第33卷第4期2007年4月基帶及語音電路主要應(yīng)用于移動臺中, 完成語音放大和語音編碼、解碼的功能, 其電路如圖1所示, 包括M IC 放大電路、語音編解碼電路和話音功率放大3部分。采樣CVSD 編碼口并放入射頻發(fā)射區(qū)的數(shù)據(jù)。射頻芯片的速率要比CVSD 的速率快10倍, 它是時分的, 不僅要保證進(jìn)出射頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的速率要與CVSD 進(jìn)出射頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的速率完全一樣, 還要保證兩組進(jìn)出的數(shù)據(jù)不重疊。移動臺在正常工作時要保持與基站的同步,MSP

11、430是靠其內(nèi)部的定時器來產(chǎn)生嚴(yán)格的定時, 射頻部分每一位數(shù)據(jù)的收發(fā)都是由定時器中斷程序來完成的,CVSD 部分應(yīng)和射頻部分時間上不沖突 。圖1基帶及語音電路和框圖移動通信臺語音部分采用的編解碼芯片是CMX639, 它是集編碼和解碼兩種功能于一體的CVSD 芯片, 可選編碼速率, 在芯片內(nèi)部設(shè)有比較器, 可不受時鐘控制產(chǎn)生串行比特流, 信號在串行比特流控制下輸入輸出。若沒有信號輸入, 則輸出0和1持續(xù)交替信號。采用一片CMX639的編碼口和解碼口, 就可實現(xiàn)雙工通信。因為已集成了輸入和輸出濾波器, 接口電路如圖3出, ENCODER , DECOD ER IN 為解碼輸入OU T 為SPEA

12、KER 的輸入信號。CVSD 程序的功能是將一幀中射頻接收區(qū)的數(shù)據(jù)在一幀時間內(nèi)全部勻速地送給CVSD 芯片的解碼口, 同時一幀中射頻發(fā)射的數(shù)據(jù)恰巧是程序勻速(上接第31頁 能力和欄目策劃能力。通過系列圖2CMX639的典型應(yīng)用電路參考文獻(xiàn):1朱琦1混合型中速率語音編碼系統(tǒng)J1南京郵電學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版 11997,9,Vol 117(32董文1礦井?dāng)?shù)字移動通信系統(tǒng)及組網(wǎng)的研究1D 1北京:中國礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū) ,20033MX COM , INC 公司(美 1CMX639DA TA BULL E 2TIN ,2002(責(zé)任編輯熊志軍文章、開展專題研討會等, 來解決某一技術(shù)難題或企業(yè)的共同問

13、題。(3 高質(zhì)量的裝幀、印刷質(zhì)量。構(gòu)思巧妙、獨具匠心、創(chuàng)意獨特、自成風(fēng)格、印刷精良的期刊具有強烈的藝術(shù)感染力, 能引發(fā)讀者的閱讀欲望, 加深讀者對廣告的印象。因此, 期刊社應(yīng)在了解相關(guān)學(xué)科的現(xiàn)狀和讀者所需的基礎(chǔ)上, 廣泛挖掘優(yōu)秀稿源, 精心組稿、細(xì)致加工, 在文章的實用性和適應(yīng)性上多下工夫, 明確市場定位, 打造品牌, 爭取讀者, 擴(kuò)大發(fā)行量, 爭取成為同類期刊中的精品。4注重自我宣傳宣傳自己的期刊。(1 免費贈刊。根據(jù)刊物所屬專業(yè)和行業(yè), 向有廣告潛力的廣告客戶贈閱, 讓他們熟悉、了解自己的期刊。(2 加強與同類科技期刊的合作, 互登廣告, 交換期刊, 最大程度的在行業(yè)內(nèi)宣傳本刊辦刊宗旨和服務(wù)對象。同時也可在交換的期刊上挑選適合自己期刊發(fā)布的廣告, 采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄅc廣告客戶聯(lián)系, 爭取在本刊上也發(fā)布廣告。(3 積極參加技術(shù)會議和