语音编码和信道编码

GSM系统的语音编码采用了规则脉冲激励长期预测编码（RPE-LEP编码器，Regular Pulse Excited Long Term Prediction ），RPE-LEP编码器结合了波形编码和声码器两种技术，编码速率低且话音质量高。

原始语音信号是连续的模拟信号，经抽样、量化、编码等过程数字化之后，再送入RPE-LEP编码器，每20ms取样一次，每次输出260bit，所以语音传输全速率信道的速率为260bit/20ms=13kbit/s。

将每20ms取样输出的260bit的语音信号分成两部分，一部分是对差错敏感的，共182bit，如果这部分比特发生错误将严重影响语音质量；另一部分是对差错不敏感的，共78bit。

然后，再对重要部分的182bit 进行分类：最重要的50bit和次重要的132bit，对最重要的50bit加上3个奇偶校验比特，次重要的132bit 再加上4个尾比特。

然后，对这50+3+132+4=189bit进行R=1/2的卷积编码，此时，速率变为[（50+3+132+4）x2+78]/20ms=22.8kbit/s作为信道编码速率。

时隙的格式（普通突发脉冲序列）（见下图）在GSM的TDMA中，帧被定义为每个载频中所包含的8个连续的时隙，相当于FDMA系统中的一个频道。

在每个时隙中，信号以突发脉冲系列（burst）的形式发送。

TDMA帧号是以3.5小时（2715648个TDMA 帧）为周期循环编号的。

每个TDMA帧含8个时隙，整个帧时长约为4.615ms，每个时隙含156.25bit个突发脉冲码元，时隙时长为0.577ms。

GSM规范定义了两种不同的复帧结构，即含26帧、持续时间为120ms和含51帧、持续时间为235.385ms。

26帧的复帧包括26个TDMA 帧，持续时间为120ms，51个这样的复帧组成一个超帧。

这种复帧用于携带TCH （和SACCH加FACCH），用于语音信道及其随路控制信道，其中24个突发序列用于业务，2个突发序列用于信令。

GSM系统的语音编码采用了规则脉冲激励长期预测编码（RPE-LEP编码器，Regular Pulse Excited Long Term Prediction ），RPE-LEP编码器结合了波形编码和声码器两种技术，编码速率低且话音质量高。

原始语音信号是连续的模拟信号，经抽样、量化、编码等过程数字化之后，再送入RPE-LEP编码器，每20ms取样一次，每次输出260bit，所以语音传输全速率信道的速率为260bit/20ms=13kbit/s。

将每20ms取样输出的260bit的语音信号分成两部分，一部分是对差错敏感的，共182bit，如果这部分比特发生错误将严重影响语音质量；另一部分是对差错不敏感的，共78bit。

然后，再对重要部分的182bit 进行分类：最重要的50bit和次重要的132bit，对最重要的50bit加上3个奇偶校验比特，次重要的132bit 再加上4个尾比特。

然后，对这50+3+132+4=189bit进行R=1/2的卷积编码，此时，速率变为[（50+3+132+4）x2+78]/20ms=22.8kbit/s作为信道编码速率。

时隙的格式（普通突发脉冲序列）（见下图）在GSM的TDMA中，帧被定义为每个载频中所包含的8个连续的时隙，相当于FDMA系统中的一个频道。

在每个时隙中，信号以突发脉冲系列（burst）的形式发送。

TDMA帧号是以3.5小时（2715648个TDMA 帧）为周期循环编号的。

每个TDMA帧含8个时隙，整个帧时长约为4.615ms，每个时隙含156.25bit个突发脉冲码元，时隙时长为0.577ms。

GSM规范定义了两种不同的复帧结构，即含26帧、持续时间为120ms和含51帧、持续时间为235.385ms。

26帧的复帧包括26个TDMA 帧，持续时间为120ms，51个这样的复帧组成一个超帧。

这种复帧用于携带TCH （和SACCH加FACCH），用于语音信道及其随路控制信道，其中24个突发序列用于业务，2个突发序列用于信令。

第5章语音编码、信道编码和交织技术引言一般的数字通信系统都包含信源编解码、信道编解码和调制解调这三对功能模块，语音编码是一种信源编码的，在移动通信中由于信道的特点，往往还需要交织和去交织这一对功能模块。

为什么要进行信源编码、信道编码和交织呢？从实现过程分析：信源编码——原理：去掉一些信息（信源中统计特性具有相关性的信息）；（有效性）目的：尽可能用最少的信息比特表示信源，从而达到压缩信息速率，以较少的信息速率传送信息；信道编码——原理：加入一些信息（监督码或检验码）；（可靠性）目的：用来供接收端纠正或检出信息在信道中传输时，由于干扰、噪声或衰落等所造成的误码。

交织——原理：不改变信息量，只改变信息的排序；（可靠性）目的：克服信道中由于深衰落而造成的突发的成串的误码。

对本章的学习，我们复习信源编码和信道编码的基础上，重点掌握：1．移动通信对编码的要求；2．蜂窝移动通信典型系统用到的编码方式；3．在这些系统中的实现过程；4．交织的原理和作用。

5.1 语音编码通信系统中的语音编码的目的是解除语音信源的统计相关性，语音编码大致分为三类。

一．语音编码的分类（参考：《吴伟陵，《移动通信原理》，电子工业出版社，P72）1．波形编码波形编码是以精确再现语音波形为目的，并以保真度即自然度为度量标准的编码方法。

这类编码是保留语音个性特征为主要目标的方法，其码速较高。

常用的波形编码及其原理：PCM、DPCM、ADPCM应用：适用于骨干（固定）通信网。

2．参量编码利用人类的发声机制，仅传送反映语音波形变化主要参量的编码方法。

在接收端，可根据发声模型，由传送过来的变化参量激励产生人工合成的语音。

参量编码的主要标准是可懂度。

显然，这类编码是以提取并传送语音的共性特征参量为目的的编码方式，其码速较低。

（声码器）常用的参量编码及其原理：LPC应用：主要用于军事保密通信。

3．混合编码混合编码是吸取上述两类编码的优点，以参量编码为基础，并附加一定的波形编码特征，以实现在可懂度基础上适当改善自然度目的的编码方式。

CDMA的语音编码与信道编码摘要：随着3G移动通信技术的逐步实现以及移动通信与互联网的融合，全球正迅速步入移动信息时代。

CDMA已被广泛接纳为第三代移动通信的核心技术之一，它具有优越的性能。

本文主要介绍CDMA中常用的语音编码技术与信道技术。

关键词：语音编码信道编码受激励线性编码码激励线性预测编码矢量和激励线性预测编码编码器解码器卷积码1 CDMA中的语音编码技术语音编码为信源编码，是将模拟信号转变为数字信号，然后在信道中传输。

在数字移动通信中，语音编码技术具有相当关键的作用，高质量低速率的话音编码技术与高效率数字调制技术相结合，可以为数字移动网提供高于模拟移动网的系统容量。

目前，国际上语音编码技术的研究方向有两个：降低话音编码速率和提高话音质量。

1.1 语音编码技术的分类语音编码技术有三种类型：波形编码、参量编码和混合编码。

●波形编码：是在时域上对模拟话音的电压波形按一定的速率抽样，再将幅度量化，对每个量化点用代码表示。

解码是相反过程，将接收的数字序列经解码和滤波后恢复成模拟信号。

波形编码能提供很好的话音质量，但编码信号的速率较高，一般应用在信号带宽要求不高的通信中。

脉冲编码调制（PCM）和增量调制（ΔM）常见的波形编码，其编码速率在16～64kbps。

●参量编码：又称声源编码，是以发音模型作基础，从模拟话音提取各个特征参量并进行量化编码，可实现低速率语音编码，达到2～4.8kbps。

但话音质量只能达到中等。

●混合编码：是将波形编码和参量编码结合起来，既有波形编码的高质量优点又有参量编码的低速率优点。

其压缩比达到4～16kbps。

泛欧GSM系统的规则脉冲激励-长期预测编码（RPE-LTP）就是混合编码方案。

1.2 CDMA的语音编码CDMA系统如同其它数字式移动电话系统，它也采用语音编码技术来降低语音的编码速率。

CDMA系统的语音编码主要有从线性预测编码技术发展而来的激励线性预测编码QCELP和增强型可变速率编码EVRC。

第5章语音编码、信道编码和交织技术引言一般的数字通信系统都包含信源编解码、信道编解码和调制解调这三对功能模块，语音编码是一种信源编码的，在移动通信中由于信道的特点，往往还需要交织和去交织这一对功能模块。

为什么要进行信源编码、信道编码和交织呢？从实现过程分析：信源编码——原理：去掉一些信息（信源中统计特性具有相关性的信息）；（有效性）目的：尽可能用最少的信息比特表示信源，从而达到压缩信息速率，以较少的信息速率传送信息；信道编码——原理：加入一些信息（监督码或检验码）；（可靠性）目的：用来供接收端纠正或检出信息在信道中传输时，由于干扰、噪声或衰落等所造成的误码。

交织——原理：不改变信息量，只改变信息的排序；（可靠性）目的：克服信道中由于深衰落而造成的突发的成串的误码。

对本章的学习，我们复习信源编码和信道编码的基础上，重点掌握：1．移动通信对编码的要求；2．蜂窝移动通信典型系统用到的编码方式；3．在这些系统中的实现过程；4．交织的原理和作用。

5.1 语音编码通信系统中的语音编码的目的是解除语音信源的统计相关性，语音编码大致分为三类。

一．语音编码的分类（参考：《吴伟陵，《移动通信原理》，电子工业出版社，P72）1．波形编码波形编码是以精确再现语音波形为目的，并以保真度即自然度为度量标准的编码方法。

这类编码是保留语音个性特征为主要目标的方法，其码速较高。

常用的波形编码及其原理：PCM、DPCM、ADPCM应用：适用于骨干（固定）通信网。

2．参量编码利用人类的发声机制，仅传送反映语音波形变化主要参量的编码方法。

在接收端，可根据发声模型，由传送过来的变化参量激励产生人工合成的语音。

参量编码的主要标准是可懂度。

显然，这类编码是以提取并传送语音的共性特征参量为目的的编码方式，其码速较低。

（声码器）常用的参量编码及其原理：LPC应用：主要用于军事保密通信。

3．混合编码混合编码是吸取上述两类编码的优点，以参量编码为基础，并附加一定的波形编码特征，以实现在可懂度基础上适当改善自然度目的的编码方式。

GSM语音编码2008年09月03日星期三 15:51一、语音编码由于GSM系统是一种全数字系统，话音和其它信号都要进行数字化处理，因此移动台首先要将语音信号转换成模拟电信号，以及其反变换，移动台再把这模拟电信号转换成13Kbit/s的数字信号，用于无线传输。

下面我们主要讲一下TCH全速率信道的编码过程。

目前GSM采用的编码方案是13 Kbit/s的RPELTP（规则脉冲激励长期预测），其目的是在不增加误码的情况下，以较小的速率优化频谱占用，同时到达与固定电话尽量相接近的语音质量。

它首先将语音分成20ms为单位的语音块，再将每个块用8 KHZ抽样，因而每个块就得到了160个样本。

每个样本在经过A率13比特（μ率14比特）的量化，因为为了处理A率和μ率的压缩率不同，因而将该量化值又分别加上了3个或2个的“0”比特，最后每个样本就得到了16比特的量化值。

因而在数字化之后，进入编码器之前，就得到了128Kbit/s的数据流。

这一数据流的速率太高了以至于无法在无线路径下传播，因而我们需要让它通过编码器的来进行编码压缩。

如果用全速率的译码器的话，每个语音块将被编码为260比特，最后形成了13Kbit/s的源编码速率。

此后将完成信道的编码。

在BTS侧将能够恢复13Kbit/s的源速率，但为了形成16Kbit/s的TRAU帧以便于在ABIS和ATER接口上传送，因而需再增加3Kbit/s的信令，它可用于BTS来控制远端TCU的工作，因而被称为带内信息。

这3Kbit/s将包括同步和控制比特（包括坏帧指示、编码器类型、DTX指示等）。

总之，带内信息将能使TCH，知道信息的种类（全速率语音、半速率语音、数据），以及采用何种适用的方法用于上行和下行的传输。

在TCU侧，通过为了适应PSTN网络64Kbit/s的传输，因而在它其中的码型速率转换板将完成将速率由13Kbit/s转换为64Kbit/s的工作，二、信道编码信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响，但它是以增加比特降低信息量为代价的。

图1 GSM编码器框图（1）预处理：去除语音的直流分量，进行预加重；（2）LPC分析：预测滤波器的系数，每帧(20 ms)计算一次滤波器的系数，GSM方案中取滤波器的阶数为8。

（3）短时分析滤波：对信号做短时预测分析，产生短时残差信号。

（4）长时预测：在RPE中用规则脉冲来代替残差信号，因此直接用短时预测的残差信号，未必是最佳效果，此外，C D M A2000中采用的语音编码EVRC(Enhanced Variable Rate Code),它是一种可变速率语音编译码算法，根据噪音情况采用3种不同速率：全速率，半速率和1/8速率，对应9.6 kbit/s，4.8 kbit/s 1.2 kbit/s，平均编码速率为8 kbit/s，其质量与13 kbit/s QCELP算法相当。

WCDMA中优选的语音编码方案是自适应多速率语音编码(AMR)，全速率模式下有8种编码速率，半速率模式下有6种编码速率，其目的是优化当前信道下的语音质量。

AMR编码是以自适应码本激励线性预测编码ACELP 技术为基础。

图2 不同系统的语音编码的可造速率从PHS到GSM到IS-95再到3G中的变速率及语音激活技术，正体现了这一发展趋势。

我们可以发现，在3G 系统中编码速率根据不同的环境特点有了更多的选择，以期达到传输效率和语音质量的更好平衡。

从另一个角度来看，由于3G是从不同的2G标准发展而来，考虑平滑过渡，必然导致3G标准各不相同；同时，3G又提供多种多样的服务业务；这两点必然导致一种编码速率无法满足所有标准、无法满足所有业务要求。

3 信道编码无线环境的恶劣性对接收信号的错误率有很大影响，这正是信道编码要解决的问题。

GSM与IS95中的信道编码：主要采用卷积编码，还有FIRE码及卷积和RS的级联码。

卷积编码就是将信息序列以ko个码元分段，通过编从上面的描述中，我们可以看到：卷积编码应用于低速率的话音业务，误码率BER=10-3级；Turbo编码用于传输速率高于32 kbit/s的业务，误码率BER=10-3~10-6级。