移动通信中的语音编码和信道编码

移动通信中的语音编码和信道编码目录摘要---------------------------------------------------2 前言---------------------------------------------------31 基础理论---------------------------------------------32 语音编码---------------------------------------------32.1 PHS系统的语音编码-------------------------------42.2 GSM系统的语音编码------------------------------42.3 IS95 CDMA系统的语音编码-------------------------42.4 语音编码比较-------------------------------------52.5 语音编码展望-------------------------------------53 信道编码----------------------------------------------63.1 GPRS的信道编码----------------------------------63.2 WCDMA的信道编码---------------------------------63.3 信道编码比较-------------------------------------73.4 编码速率对网络规划的影响-------------------------73.5 信道编码展望-------------------------------------7 参考文献-------------------------------------------------8摘要介绍了语音编码和信道编码的理论基础及实践中要解决的问题，并简要介绍了移动通信中几种主要的语音编码和信道编码的原理，同时通过比较，描绘出发展趋势。

篇尾简明阐述了编码速率对网络规划的影响。

Describes the problem to be solved in the theoretical basis and practice of the speech coding and channel coding, and briefly describe the main principles of the speech coding and channel coding of the several mobile communication, by comparing at the same time, depicts the development trend. The articles concise exposition of the end of the coding rate of network planning.【关键字】香农定理语音编码信道编码前言通信系统一般是由信源、信道和信宿组成，通信的根本任务是有效、可靠地传输信息。

一般而言，提高抗干扰能力往往是以降低信息的传输率为代价的；相反，提高信息传输率又会使抗干扰能力减弱，这是一个矛盾的两个方面。

理论上指出，我们可以使这一矛盾的两个方面达到辩证的统一，使通信既有效、又可靠，这一方法就是编码，寻找最佳的编码方案。

信源编码要解决的问题是如何在不失真或允许一定程度的失真条件下，用尽可能少的符号来表示信息。

即，如何减少信源符号的相关性，以提高信源的传输率，达到压缩信源数码率的目的。

对于移动通信系统，信源编码就是语音编码，主要完成模/数转换及数字压缩功能。

此外，在有干扰的情况下，如何增加信号传输的抗干扰能力，同时使信息传输率最大，则是信道编码问题。

信道编码的本质是增加通信的可靠性，或者说是增加整个系统的抗干扰性。

信道编码的目的主要有两点：①要求码列的频谱特性适应通道的频谱特性，使传输过程中的能量损失最小，以提高信号能量与噪声能量的比例，减小发生差错的可能性；②增加纠错能力，即使出现差错，也能得到纠正。

1 基础理论美国科学家香农(C.E.Shannon) 关于“无失真信源编码定理”、“抗干扰信道编码定理”和“限失真信源编码定理”的三大定理被誉为信息理论的三大理论支柱。

“无失真信源编码定理”( 香农第一定理) 是一个极限定理，它指出了单义可译的非延长码的平均码长可无限接近极限值，无噪声信道的信息传输率可无限接近信道容量。

这是一个美好的前景，但定理本身并没有给出如何构造这种有效码的具体方法。

“抗干扰信道编码定理”(香农第二定理)告诉我们，总可以找到一种抗干扰信道编码，只要其码长足够长，它的最小平均错误译码概率可任意小，信道信息传输率可无限接近信道容量。

“限失真信源编码定理”(香农第三定理)证实，在允许失真度确定后，总存在一种编码方法，使编码后的信源输出信息率大于信源信息率失真函数R(D)，但可以任意接近于R(D)，而平均失真度小于或无限接近于允许失真度。

香农三大定理说明构成一个既有效又可靠的理想通信系统的光明前景是存在的。

限失真信源编码可以从长的信源符号序列中除掉剩余度，保留由保真度准则确定的最必要的信息，提高通信的有效性。

抗干扰信道编码可重新加入特殊形式的必要的剩余度，增强信道的抗干扰能力，提高通信的可靠性。

合理地综合使用信源编码和信道编码，可使通信系统既有效又可靠，实现通信系统的最优化。

2 语音编码在介绍语音编码之前，我们先来说明如何评价语音编码的质量。

归纳起来大致可分为两类，即客观评定方法和主观评定方法。

主观评定方法符合人类听话时对语音质量的感觉，因而目前得到广泛应用。

最主要的主观评定方法是主观评定等级（Subjective Opinion Scale），或称平均评得分（Mean Opinion Score ，缩写MOS）。

MOS得分采用5级评分标准，最低为1级(Bad)表示质量坏到不能接受，2级(Poor)表示质量差，3级(Fair)表示质量尚可接受，4级(Good)表示质量好，最高级为5级(Excellent)表示质量完美。

其方法是，由数十名试听者在相同信道环境中试听并给予评分，然后对评分进行统计处理，求出平均得分。

从用户角度看，通常认为MOS分4.0~4.5分为高质量语音编码，达到长途电话网的质量要求。

MOS3.5分左右称作通信质量，这时听者能感觉到语音质量有所下降，但不影响正常的通话，可以满足多数通信系统使用要求。

MOS3.0分以下常称为合成语音质量，这种语音一般只有足够高的可懂度，但是自然度较差，不容易识别讲话者。

2.1 PHS系统的语音编码采用ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation)编码技术。

在PHS系统中，首先使用64kbit/s的全速率编码，然后以ITU推荐的G.711和G.726，把信号转换成32kbit/s的ADPCM信号，其语音质量评分达到4.1。

2.2 GSM系统的语音编码GSM系统话音编码器是采用声码器和波形编码器的混合物——混合编码器，全称为线性预测编码- 长期预测编码- 规则脉冲激励编码器（LPC-LTP-RPE编码器）。

LPC+LTP为声码器，RPE为波形编码器，再通过复用器混合完成模拟话音信号的数字编码，每话音信道的编码速率为13kbit/s,话音质量MOS接近或达到达3.6。

GSM编码器的框图可以分成5个部分（如图1所示）：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）L PC 分析：预测滤波器的系数，每帧( 2 0 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R P E 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，故再进行一次长期预测，以去掉冗余并进行优化。

长时预测每子帧(5ms)计算一次。

（5）脉冲规则编码：把20ms的帧划分成4个子帧，每子帧5ms，共40个样点。

40个样点中按3:1等间隔抽取可得13个样点，大大降低了编码速率。

2.3 IS95 CDMA系统的语音编码IS95系统采用4速率码本激励线性预测编码(CELP)的语音编码器。

CELP是Codebook Excited Linear Prediction(码本激励线性预测编码)的缩写，基本原理可举例说明如下。

对每帧20ms的语音以8000Hz频率采样，为1 60个样点，压缩得到40个样点。

经LPC预测分析后可得到残差信号，也是40个样点。

将这40个样点组合用10比特的编码来代表。

码本就是由10个比特组合成的1024钟序列来代表语言中各种可能的残差信号。

这样只用10个比特就可以传送一组40个样点的残差信号了。

如果码本编得好，误差会很小，这样不但码速低而且话音质量好。

2.4 语音编码比较（如表1所示）此外，CDMA2000中采用的语音编码是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9.6kbit/s，4.8kbit/s，1.2kbit/s，平均编码速率为8kbit/s，其质量与13kbit/s的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。

移动通信对话音编解码的主要要求是：(1)话音的质量要高；(2)编码速率要适合在移动信道内传送；(3)时延小于65 ms。

此外还有编码的复杂度，也是衡量指标之一。

2.5 语音编码展望很明显，如果速率低一些，但质量却相对较高，这种方案会受到欢迎，也是语音编码的研究方向。

从技术上讲，采用单一编码技术已很难满足要求，采用混合编码是优选方向。

目前在3G中采用可变速率语音编码，话音激活技术，可以大大降低语音的平均传输率。

（如图2所示）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3 G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2 G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。