数字移动通信中话音编码和调制技术

数字移动通信中话音编码和调制技术

引言：

在当今移动互联网发展迅猛的信息时代，数字移动通信中数据传输所占带宽比重越来越大。话音通信作为移动通讯的基础，其编解码效率和调制技术将直接影响数据流量的传输质量。本文就话音通信中编码和调制技术，从技术要求和具体实现方法等方面做了简要分析介绍。

在数字移动电话通信中，发送端需要把模拟话音信号变化为数字信号，再采用一定的数字调制方法调制载波，把已调信号发射出去。接收端对接收到的已调信号解调得到表示话音的数字信号，再经过解码器把数字信号变化为模拟信号。

编码

在数字移动通信系统中所传输的信号为数字信号，因而发送端必须首先将模拟话音信号转换为数字信号，即进行话音编码。而在接收端再将此数字信号还原成模拟信号。实用的话音编码方案有多种，由于在GSM系统中是采用规则脉冲激励长期预测（RPE-LTP）编码方案，而在CDMA系统中则采用Qualcomm码激励线性预测（QCELP）话音编码技术。

话音编码有三个主要技术指标：数码率、话音质量和编解码延迟。

一、编码器的数码率是指编码器每秒输出的二元码的数目，其单位为比特/秒(b/s)或千比特/秒(Kb/s)等。例如，常用的PCM数字电话其数码率为64Kb/s，即每秒有64×103个二元码。传送数字信号时，占用的信道带宽与数码率成正比，数码率越高的信号占用的信道带宽越宽，因此，在保证一定的话音质量前提下，希望编码器的数码率越低越好，然后，话音质量通常随数码率的降低而变差，限制了数码率的降低。

二、评价编码器的话音质量有两种方法：客观评价法和主观评价法。客观评价法测量解码器输出话音信号的某种指标，通常采用的指标是输出噪声比，它反映了解码器输出信号波形与编码器输人话音信号波形之间的均方误差大小，输出信噪比越高，误差越小，话音质量越好。主观评价法反映了人类听话时对话音质量的感觉。最常用的主观评价法是“平均评价得分(Mean Opinion Score)”，简称为MOS分。客观评价法适宜对高数码率的波形编码器的评价，对中低速率编码器的话音质量评价采用主观评价法。

三、编解码延时即解码器输出话音信号相对于编码器输入话音信号的延时(不计数字信号传输延时)。在双工电话通信中，大延时是令人厌烦的，存在回声时更是如此。通常。编解码延时应限制在几十毫秒范围内。

四、对话音编码方法的另外一个考虑是复杂性，即能否实现的问题。低数码率高话音质量的编解码的算法十分复杂，要由数字信号处理(DSP)器件实现，可以用编码时每秒需要的运算次数表示编码方法的复杂性。

话音的编码技术通常分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。其中，波形编码和参量编码是两种基本类型。

波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，力图使重建话音波形保持原话音信号的波形形状。波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟话音按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示。解码是其反过程，将收到的数字序列经过解码和滤波恢复成模拟信号。它具有适应能力强、话音质量好等优点，但所用的编码速率高，在对信号带宽要求不太严格的通信中得到应用，而对频率资源相对紧张的移动通信来说，这种编码方式显然不合适。波形编码的方法简单，数码率较高，在64Kb/s～32Kb/S音质优良，当数码率低于32Kb/s 时音质明显降低，16Kb/s时音质非常差。

与波形编码不同，参量编码又称为声源编码，是将信源信号在频率域或其他正交变换域提取特征参量，并将其变换成数字代码进行传输。解码为其反过程，将收到的数字序列经变换恢复特征参量，再根据特征参量重建话音信号。具体说，参量编码是通过对话音信号特征参数的提取和编码，力图使重建话音信号具有尽可能高的可靠性，即保持原话音的语意，但重建信号的波形同原话音信号的波形可能会有相当大的差别。这种编码技术可实现低速率话音编码，比特率可压缩到2Kb/s～4.8Kb/s，甚至更低，但话音质量只能达到中等，特别是自然度较低，连熟人都不一定能听出讲话人是谁。线性预测编码(LPC)及其他各种改进型都属于参量编码。

计算机的发展为话音编码技术的研究提供了强有力的工具，大规模、超大规模集成电路的出现，则为话音编码的实现提供了基础。20世纪80年代以来，话音编码技术有了实质性的进展，产生了新一代的编码算法，这就是混合编码。它将波形编码和参量编码组合起来，克服了原有波形编码和参量编码的弱点，结合各自的长处，力图保持波形编码的高质量和参量编码的低速率，在4Kb/s～16Kb/s速率上能够得到高质量的合成话音。多脉冲激励线性预测编码(MPLPC)、规划脉冲激励线性预测编码(KPELPC)、码本激励线性预测编码(CELP)等都是属于混合编码技术。很显然，混合编码是适合于数字移动通信的话音编码技术。

在理想状态下，话音质量不会受到影响，但实际上还是会有一些影响，只不过用户不易察觉而已。每种话音压缩技术都具备各自的特点。目前的话音压缩标准，将话音业务在网络中所占带宽可以减少到80%，这样就为其他业务(如数据业务)在网上的传输提供了必要的带宽。动态压缩则比前者更进一步，它允许网络管理者对网络进行管理，并在业务增加时以每个连接提供合适的话音质量。

宽带资源的有限性和对宽带需求的增加，使得话音压缩技术成为分组网络实现话音业务的严峻挑战。将单一的网络合并成为一个整体结构，可以减少通信成本，提高效率，有利于网络资源的管理。其中关键环节就是如何将这些进行最有效的管理和应用，从而满足用户的各种要求。

调制与解调技术

移动通信信道带宽有限，干扰和噪声影响大，存在多径衰落和多普勒效应，调制方式应具备强抗干扰能力，能适用于快慢衰落信道，占用带宽较小且带外辐射要小，以减小对临近波道干扰(邻道干扰)。根据移动通信的特点，对用于数字移动通信系统的数字调制方法有如下要求：

(1)有好的射频功率谱特性，对于邻道干扰小。好的射频功率谱是指信号带宽小，带外辐射小。移动通信系统是多信道同时工作的系统，对于每一条信道，要求信号功率与总的干扰功率之比应大于一定的门限值。在小区制中，虽然相邻频道通常不分配给同一小区，但可能分配给相邻小区，当移动台处于相邻小区的边缘时，邻道干扰的影响最大。

增大相邻频道的载频频率间隔可以减小邻道干扰，但是载频频率间隔增大将使一定频率范围内的有用信道数减小，从而减小了通信系统质量。为了既不增大载频频率间隔，又减小邻道干扰的影响，要求射频信号带宽窄，且在信号带宽以外功率谱的衰减速快，使邻道干扰减小。满足这一要求意味着有高的频谱利用率，在数字蜂窝移动通信中采用的数字调制技术的频谱利用率应不低于1b/s/Hz(单位频带内所能传输的比特率)。

(2)误码率性能较好。移动通信系统中存在严重的衰落，包括快的瑞利衰落、频率选择性衰落、多普勒频移的有害影响，还存在严重的干扰，包括同频干扰、邻道干扰、认为的和自然的噪声干扰等，在这样的环境中要求误码率必须低于10-2。

(3)能采用高效率的射频功率放大器。移动台特别是手机的发射功率受到所使用电源的限制，为了使手机的电池使用更有效，要求射频功放的效率高。采用振幅恒定的调制允许使用高效率的C类功放，振幅非恒定的调制则要求采用线性功率放大器，线性功放的效率要低于C类功放。

(4)易于实现。即调制和解调易于用大规模集成电路实现。

目前，在数字移动通信中使用的调制方法分两大类。

第一类采用恒包络连续相位调制。由于包络恒定，因此可以采用简单高效的C 类射频功放，好的射频功率谱特性依靠相位的平滑变化获得。这一类中有代表性的有最小频移键控(MSK)、高斯滤波最小频移键控(GMSK)和平滑调频(TFM)等。

第二类采用线性调制技术，通过对数字调制信号滤波可以获得更好的射频功率谱。这时，已调信号的包络不是恒定的，因此要求采用线性射频功放。由于近年来放大器技术的进展，实现了高效而实用的线性射频功放，使这一类调制技术流行起来，典型的是用于北美和日本数字蜂窝移动通信系统中的π/4相位差分编码四元相移键控(π/4-DQPSK)。

FSK、MSK都属于相位调制，即在调制时，载波的频率随调制信号的变化而变化，但信号码变化时已调信号的相位却是连续的，不存在相位突变现象，所以相对于不连续相位的调制而言，其主瓣较窄，而且旁瓣较低，满足移动通信的要求。

GMSK似乎在MSK之前加一个高斯滤波器，这样首先对输入数据进行滤波，因而经滤波后输出的数据脉冲已没有陡峭的边沿，再经过MSK调制后，其相位将进一步得到平滑。因此，其频谱特性也得到进一步改善。