语音编码和信道编码
移动通信技术与网络优化――第3章 语音编码信道编码和交织PPT课件
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图 GSM手机电路基本组成框图
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图 8210／8850型手机发射信号流程图
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图 8210／8850型手机接收信号流程图
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第3章 语音编码、信道编码和交织技术
• 语音编码及信道编码技术： 语音编码和信道编码 是通信数字化的两个重要技术领域。在移动通信 数字化中，模拟语音信号的数字化，可提高频带 利用率和信道容量。信道编码技术可提高系统的 抗干扰能力，从而保证良好的通话质量。
• 长期研究证明，发不同性质的音，激励的情况是 不同的。大致分为两类。
• 发浊音时，气流通过紧绷的声带，冲击声带产生 振荡，是声门处形成准周期的脉冲列，用它来激 励声道。
（RPE-LTP）、矢量和激励线性预测编码 （VSELP）和码激励线性预测编码（CELP）等。
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3.1.1 概述
表3.1常用数字移动通信系统语音编解码
标准
服务类型
语音编码器（比特率：kbps）
GSM
数字蜂窝网 RPE-LTP 13
USDC（IS-54） 数字蜂窝网
VSELP
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3.1.1 概述
1 信源编码的定义与作用
• 源编码就是信源信号的模数（A∕D）变换，即将 模拟的信源信号转化成适于在信道中传输的数字 信号形式。
• 在数字系统中，信源编码的基本目的就是通过压 缩信源产生的冗余信息来提高整个传输链路的有 效性。
2 信源编码的分类
(1) 根据信源信号是离散的信号还是连续的信号， 可以将信源编码分为：
语音编码、信道编码及交织PPT课件
面临挑战及应对策略
算法复杂度与实时性
高性能的编码和交织算法往往具有较高的复杂度，难以满 足实时性要求。应对策略包括优化算法设计、采用高性能 计算平台等。
多场景适应性
不同的应用场景对语音编码、信道编码及交织技术的需求 各异。需要研究跨场景的适应性技术，以满足多样化需求。
个性化语音合成
基于深度学习技术，实现个性化语音合成，使合成语音更加自然、 逼真。
多模态语音互
结合视觉、听觉等多模态信息，提高语音交互的自然性和准确性。
新型信道编码技术探索
01
极化码（Polar Codes）
一种新型信道编码技术，具有优异的性能，被认为是未来5G/6G通信的
关键技术之一。
02
LDPC码（低密度奇偶校验码）
客观评价
客观评价是通过计算原始语音和合成语音之间的误差来评判语音质量的好坏。 常用的客观评价指标有信噪比（SNR）、分段信噪比（SegSNR）、对数似然 比（LLR）和感知语音质量评估（PESQ）等。
02 信道编码原理及关键技术
信道模型与传输特性分析
信道模型
描述信道输入与输出之间关系的 数学模型，包括加性噪声信道、 乘性噪声信道等。
语音信号的频域特性
语音信号的统计特性
语音信号具有短时平稳性，即在短时 间内（10~30ms）可以认为语音信号 是平稳的，这使得我们可以对语音信 号进行短时分析。
语音信号的频谱分布主要集中在 300Hz~3400Hz的范围内，不同音素 和音节的频谱具有不同的特征。
语音编码分类及发展历程
波形编码
参数编码
混合编码
混合编码同时使用两种或两种以上的 编码方法进行编码。这种编码器设计 的目的和出发点是在4.8kbit/s速率上 能够得到高质量的合成语音。
有关语音传输速率、信道编码速率、信道总速率的专题
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。
有关语音传输速率、信道编码速率、信道总速率的专题
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。
第五章 语音编码、信道编码和交织技术
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。
移动通信中的语音编码和信道编码
此 外，在 有 干扰的情 况下 ，如何 增加信 号传 输 的抗
“ 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
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２ ０ ．。 ０ ７８广东通信技术
维普资讯
技 术 交 流
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 ，伎 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 。
输出信 息率大 干信源信 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
号转换 成３ ｋ ｉｓ ＤＰ ２ ｂｔ 的Ａ ｃＭ信 号，其 语音质 量评分达到 ，
４１ ・。 ２
．
２ ＧＳ Ｍ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
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，
Ｌｃ Ｌ Ｐ ＴＰ为声码 器，ＲＰ Ｅ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１ ｂｔ ， ３ｋ ｉｓ 话音质量ＭＯＳ ／ 接近或达到达３６ ・。
第5章 语音编码及信道编码
浊音/清音 开关 u(n) ×
G
声道参数
时变数字 滤波器 s(n)
图 5 - 4 语音产生模型的简化方框图
第5章 语音编码及信道编码
Sn ＝ Sn－ 1 ＝ Sn－ 2
Sn－m＋ 1 …
＝
S n－M
h1
h2
h M －1
hM
－1
－1
－1
－1
1
21
21
21
21
2
S n(开 关 1)
∑
或
n(开 关 2)
5.1.2 信道编码 著名的仙农(Shannon)定理为实现有效和可靠的通
信奠定了理论基础。 该定理指出： 在有噪声的信道环 境下， 只要信源的信息速率不超过信道容量， 就可以 找到一种编码方法， 使信息的传输速率任意地逼近信 道容量， 而传输的错误概率任意地逼近于零， 或者传 输的失真度能够任意地逼近给定的要求。 这里指出了 信道编码在实现有效和可靠的通信方面的重要作用和 地位， 并从理论上为信道编码的发展指出了努力方向。
第5章 语音编码及信道编码
矢量量化编码的关键是建立一个好的码本。 对码 本的要求是：
(1) 码本中的样值组合应与实际语音信号相近； (2) 码本应尽可能的小； (3) 搜索码本的时间短。
第5章 语音编码及信道编码
5.3.2 码激励线性预测编码(CELP) 图5 - 11为CELP的基本原理框图。 与图5 - 8中
第5章 语音编码及信道编码
第5章 语音编码及信道编码
第5章 语音编码及信道编码
5.1 概 述
5.1.1 语音编码 语音编码的基本方法可分为波形编码和参量编码两
种。 波形编码是将时域的模拟语音的(电压)波形信号 经过取样、 量化、 编码而形成的数字语音信号。 为了 保证数字语音信号解码后的高保真度， 取样速率应满 足奈奎斯特取样定理， 并且量化分层数要足够大。
语音编码和信道编码
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5、数字基带信号常用码型
移 动 通 信 原 理
• 在设计数字基带信号码型时，应考虑以 下原则
– 线路传输码的频谱中无直流分量和只有很小 的低频分量 – 便于从基带信号中提取定时信息 – 尽可能提高传输码型的传输效率 – 基带传输信号具有内在的检错能力
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5、数字基带信号常用码型
移 动 通 信 原 理
移 动 通 信 原 理
• 数字基带信号的线路传输码型
– 单极性码含直流分量，不宜在线路上传输， 通常只用于设备内部 – 双极性码和交替极性码的直流分量基本等于 零，因此适合在线路中传输 – 多电平信号，由于它的传信率及抗噪声性能 较差，故宜用于要求高传信率而信道噪声较 小的场合 – 归零码便于提取同步信息
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GSM系统语音编码器性能要求
移 动 通 信 原 理
（3）码变换 • GSM系统所确定的基本语音编码的变码 器可将13位线性PCM码流变换成16kbit/s 的无线传输比特率。 • 在GSM语音编码器网络一端将完成A律 或µ律的PCM变换。
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GSM系统语音编码器性能要求
移 动 通 信 原 理
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1、 概述
• 语音编码技术通常分为三类
移 动 通 信 原 理
– 波形编码（如PCM） – 声源编码（或参量编码） – 混合编码
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1、概述
移 动 通 信 原 理
• 波形编码的目的在于尽可能精确地再现原来的 语音波形。
– 如A/D转换，直接将时域波形变换成数字系列，接 收恢复的信号质量好
• 声源编码是将语音信息用特定的声源模型表示。
（4）非话信号的传输 • 语音编译码器没有对语音频段的数据做 出要求，然而，必须要求语音编译器能 够传输由网络提供给用户的各种音频信 号音，如拨号音、振铃音、忙音等。
第4章 语音编码、信道编码和交织讲解
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4.1.1 概述
• 混合编码基于参量编码和波形编码发展的一类新的 编码技术。在混合编码的信号中，既含有若干语音 特征参量又含有部分波形编码信息。其编码速率一 般在4～16kbit/s。当编码速率在8～16kbit/s范围时， 其语音质量可达到商用语音通信标准的要求。
• 考虑到中、低比特率的编译码器将尽量利用语音 中的一些特征，将语音以及语音频段内的数据一 起协调的编码算法必将降低语音的质量。因此， 在设计语音编码器时，应首先考虑语音的质量， 而对于语音频段内的数据信号，则通过特殊的终 端适配器来实现。
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4.1.6 GSM系统语音编码器
（5）传输时延 造成传输时延的主要原因有以下两方面。 ① 语音编码的时延。 ② 无线分系统中的时延。
• 目前较成功的混合编码方案有两种，多脉冲激励 线性预测编码（MPLPC)和码激励线性预测编码 （CELPC),前者使用一个数目有限且幅度和位置 要调整的脉冲序列作为激励源。后者使用一个波 形矢量作为激励源。图4-3给出三种不同激励序列 及其产生语音方法。
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图4-3 三种不同激励的语言合成模型
• 三种编码技术同时存在通信系统中，波形编码以 其高质量用于长途传输和宽带语音；声码器以高效 压缩性用于保密通信；混合编码以其独有特性用于 各种通信系统。
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4.1.5 移动通信中语音编码器的选择
在低比特率语音编码中，有4个参数是很重要的， 即比特率、质量、复杂度和处理时延。 1．语音质量评估 • 当前世界上流行的语音质量评估方法是采用原
CDMA语音编码和信道编码总结
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。
5 移动通信原理 第五章 语音编码、信道编码和交织技术
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
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。
语音编码和信道编码
通 可采用BCH码、卷积码等。然而交织编
信 原
码的设计思路不是为了适应信道，而是
理 为了改造信道。它是通过交织与去交织
将一个有记忆的突发差错信道改造为基
本上是无记忆的随机独立差错的信道，
然后用纠随机独立差错的纠错码来纠错。
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本章提示
Turbo码是近年来倍受瞩目的一项信道编
移 码新技术。虽然它的复杂性、译码时延
• 码激励线性预测（Code Excited Linear Predictive：
CELP），它具有波形编码和参数编码两种特点，
属于混合编码，速率为4~16kbit/s
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4、移动通信中语音编码器的选择
移
• 在低比特率语音编码中，有4个参
动
数是很重要的
通
– 比特率
信 原
– 质量
理
– 复杂度
– 处理时延
动 通
对有些应用带来困难（例如对实时语
信 音），但它是目前已知的可实现的最好
原 的编码技术之一。
理
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第6章 语音编码和信道编码技术
• 6.1 语 音 编 码
移 动
• 6.2 信 道 编 码
通
信
原
理
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1、 概述ຫໍສະໝຸດ • 语音编码技术通常分为三类
移
– 波形编码（如PCM）
动
– 声源编码（或参量编码）
通 信
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3、参数编码
• 当前的研究方向是线性预测编码器（Linear
移
Predictive Coder，LPC）声码器和余弦声码器
动
– 基于线性预测（LP）技术，合成编码算法
通
信
• 多脉冲线性预测编码（MP-LPC）
移动通信中的语音编码和信道编码
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。
移动通信技术与网络优化——第3章 语音编码、信道编码和交织
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3.1 语 音 编 码
3.1.1 概述 3.1.2 语音信号特征 3.1.3 声码器 3.1.4 线性预测编码器 3.1.5 移动通信中语音编码器的选择 3.1.6 GSM系统语音编码器 3.1.7 IS-95系统语音编码器
• 混合编码基于参量编码和波形编码发展的一类新的编码技 术。在混合编码的信号中，既含有若干语音特征参量又含 有部分波形编码信息。其编码速率一般在4～16kbit/s。当 编码速率在8～16kbit/s范围时，其语音质量可达到商用语 音通信标准的要求。
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3.1.1 概述
• 混合编码技术在数字移动通信中得到了广泛应用。 • 混合编码包括规则脉冲激励长期预测编解码器
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3.1.6 GSM系统语音编码器
1 GSM系统语音编码器性能要求 （1）语音质量 • 对语音编码最基本的要求就是用户角度测试，在
可工作的范围内，平均语音质量应至少不低于 900MHz模拟移动系统。 • 语音编码算法应具有很强的适应频谱以及电平变 化的能力。 • 语音编码器能够不受环境噪声以及很多语音信号 混杂的干扰。
简称MOS。
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3.1.5 移动通信中语音编码器的选择
语音质量评估
图4-6 语音编码的现状
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3.1.5 移动通信中语音编码器的选择
2．语音编码器的复杂度和处理时延 • 语音数字编码的算法通常用数字信号处理器（DSP）
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• 数字基带信号的线路传输码型
– 单极性非归零码（NRZ），含直流 – 双极性非归零码，直流近似为零 – 单极性归零码，在码元中间有跳变，可作本 地时钟，也可作系统同步用 – 双极性归零码，性能与单极性归零码同 – 差分码 – 交替极性码 – 多电平码和三阶高密度双极性码
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5、数字基带信号常用码型
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IS-95系统语音编码器
移 动 通 信 原 理
• 语音编码是提取语音参数，并将参数量 化的过程。该过程应当使最后合成的语 音与原始语音的差别尽量少。
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6.2 信 道 编 码
移 动 通 信 原 理
• 移动通信系统使用信道编码技术可以降 低信道突发的和随机的差错。 • 信道编码是通过在发送信息时加入冗余 的数据位来改善信道链路的性能的。 • 在发射机的基带部分，信道编码器按照 某种确定的约束规则，把一段数字信息 映射成另一段包含更多数字比特的码序 列，然后把已被编码的码序列进行调制 以便在无线信道中传送。
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5、数字基带信号常用码型
移 动 通 信 原 理
• 在设计数字基带信号码型时，应考虑以 下原则
– 线路传输码的频谱中无直流分量和只有很小 的低频分量 – 便于从基带信号中提取定时信息 – 尽可能提高传输码型的传输效率 – 基带传输信号具有内在的检错能力
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5、数字基带信号常用码型
移 动 通 信 原 理
• 语音数字编码的算法通常用数字信号处 理器（DSP）来实现。 • 编码硬件的成本通常随着复杂度的提高 而增加。
低比特率语音编码器的性能比较
比特率/（kbit/s） 64 32 16 8 4 2 复杂度 MIPS 0.01 0.1 1 10 100 1 时延/ms 0 0 25 35 35 35 质 高级 高级 高级 通信级 通信级 合成级 量
移 动 通 信 原 理
• 语音编码器能够不受环境噪声以及很多 语音信号混杂的干扰。 • 在移动台转接移动台时，会出现两套编/ 译码器复接的情况。
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GSM系统语音编码器性能要求
移 动 通 信 原 理
（2）码速率 • 仍然使用8kHz取样率，以便于和PSTN的 接口连接。基于对频率利用率和语音质 量相矛盾的协调，将16kbit/s作为可接受 16kbit/s 的工作比特率。
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5、数字基带信号常用码型
移 动 通 信 原 理
• 矩形脉冲信号所占频带通常从直流和低频 开始到高频的频谱，矩形脉冲信号称为数 字基带信号，未经过调制的二进制比特序 列数字信号，如PCM和一些信源编码后的信 号都是基带信号 • 构成数字基带信号的脉冲波形并非一定是 矩形的，也可以是其它形状，如余弦、三 角形等
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6、 GSM系统语音编码器
移 动 通 信 原 理
1．GSM系统语音编码器性能要求 • （1）语音质量 • 对语音编码最基本的要求就是从用户角 度测试，在可工作的范围内，平均语音 质量应至少不低于900MHz模拟移动系统。 • 语音编码算法应具有很强的适应频谱以 及电平变化的能力。
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GSM系统语音编码器性能要求
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1、 概述
• 语音编码技术通常分为三类
移 动 通 信 原 理
– 波形编码（如PCM） – 声源编码（或参量编码） – 混合编码
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1、概述
移 动 通 信 原 理
• 波形编码的目的在于尽可能精确地再现原来的 语音波形。
– 如A/D转换，直接将时域波形变换成数字系列，接 收恢复的信号质量好
• 声源编码是将语音信息用特定的声源模型表示。
移 动 通 信 原 理
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GSM系统语音处理功能结构 • GSM系统对每个用户，其总比特率为 33.85kbit/s，具体分配如下。 • 语音编译码13.0kbit/s • 语音的误差保护9.8kbit/s • 慢速随路控制信道SACCH（总数） 0.95kbit/s • 保护时间、同步等10.1kbit/s（约占总速 率的30%）
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信道编码
移 动 通 信 原 理
• 接收机可以用信道编码的约束规则来检 测或纠正由于在无线信道中传输而引入 的一部分或全部的误码。 • 由于解码是在接收机进行解调之后执行 的，所以信道编码是一种后检测技术。
移动通信 原理
第六章 语音编码及信道编码技术
本章提示
移 动 通 信 原 理
信源编码的目的是压缩数据率，去除信 号中的冗余度，其评价标准是在一定失 真条件下要求数据速率越低越好。 信道编码（属于纠错编码）是以增加传 输码元冗余度，降低有效码元传输速率 为代价，以牺牲通信的有效性换取通信 的可靠性（低的误码率）。
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GSM系统语音编码器性能要求
移 动 通 信 原 理
• （6）硬件实现 • 对语音编码器的要求主要来自手持机。 为了保障手持机的轻小和长期工作，需 要硬件能够在一块VLSI芯片上实现，并 要求功率消耗尽可能的低。
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GSM系统语音处理功能结构
GSM的话音编码主要由规则脉冲激励长期预测 编码(RPE-LTP编译码器)组成，RPE-LTP编码 器是将波形编码和声码器两种技术综合运用的 编码器， 从而以较低速率获得较高的话音质量 RPE-LTP编译码器特性如下。 • ① 取样速率为8kHz。 • ② 帧长为20ms，每帧编码成为260bit/s。每帧 分为4个子帧，每个子帧长5ms。 • ③ 纯比特率为13kbit/s。
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（1）语音质量评估
移 动 通 信
• 当前世界上流行的语音质量评估方法是 采用原CCITT提议的从1分到5分的主观 评定的方法。 • 这就是“平均评价得分”（Mean Opinion Score），简称MOS。 • 主观评定等级见下表
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主观评价等级
移 动 通 信
质量等级 优 良 满意（正常） 差 劣
（4）非话信号的传输 • 语音编译码器没有对语音频段的数据做 出要求，然而，必须要求语音编译器能 够传输由网络提供给用户的各种音频信 号音，如拨号音、振铃音、忙音等。
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GSM系统语音编码器性能要求
移 动 通 信 原 理
• 考虑到中、低比特率的编译码器将尽量 利用语音中的一些特征，将语音以及语 音频段内的数据一起协调的编码算法必 将降低语音的质量。因此，在设计语音 编码器时，应首先考虑语音的质量，而 对于语音频段内的数据信号，则通过特 殊的终端适配器来实现。
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7、IS-95 CDMA系统语音编码器
移 动 通 信 原 理
• QCELP（Q变速率码激励线性预测编码）是 Qualcomm公司CDMA系统中的语音编码标准 IS-95。 • QCELP主要是使用码表矢量量化差值信号，然 后基于语音的激活程度产生一个可变的输出数 据速率。 • CELP依据语音激活程度，用4个等级的速率来 对语音进行编码
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GSM系统语音编码器性能要求
移 动 通 信 原 理
• • • • •
（5）传输时延 造成传输时延的主要原因有以下两方面。 ① 语音编码的时延。 ② 无线分系统中的时延。 为此对这两种时延的限定各自可不超过 65ms。
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GSM系统语音编码器性能要求
移 动 通 信 原 理
• 考虑到二／四线转换阻抗不匹配会导致 反射现象发生，上述的时延将给用户带 来令人厌烦的回声，因此需要采用回波 抑制器来消除时延的影响。
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本章提示
移 动 通 信 原 理
信源编码要完成两大任务：
将信源输出的模拟信号转换成数字信号 实现数据压缩
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本章提示
移 动 通 信 原 理
蜂窝移动通信系统由于频率资源受限， 一般数字语音编码技术（属于信源编码） 如PCM、ADPCM（自适应差分脉冲编码 调制）、∆ M（增量调制）等，因为编码 ∆M 速率高而未被采用。蜂窝移动通信均采 用13kbit/s以下低速率语音编码。
移 动 通 信 原 理
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GSM系统语音处理功能结构
移 动 通 信 原 理
• 在较好条件下，RPE-LTP编译码器的语 音质量（MOS）为4分。 • 载干比(C/I )为10dB时，可觉察到语音质 量的下降，MOS约下降0.2分～0.8分。 • C/I为4dB时，语音质量下降很明显， MOS降为2分。 • 时延理论值为20ms，实测值为22.65ms～ 28ms。
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本章提示
移 动 通 信 原 理
Turbo码是近年来倍受瞩目的一项信道编 码新技术。虽然它的复杂性、译码时延 对有些应用带来困难（例如对实时语 音），但它是目前已知的可实现的最好 的编码技术之一。
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第6章 语音编码和信道编码技术
移 动 通 信 原 理
• 6.1 语 音 编 码 • 6.2 信 道 编来自码移 动 通 信 原 理
• 数字基带信号的线路传输码型
– 单极性码含直流分量，不宜在线路上传输， 通常只用于设备内部 – 双极性码和交替极性码的直流分量基本等于 零，因此适合在线路中传输 – 多电平信号，由于它的传信率及抗噪声性能 较差，故宜用于要求高传信率而信道噪声较 小的场合 – 归零码便于提取同步信息
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本章提示
移 动 通 信 原 理
突发性干扰是快衰落在深度衰落和持续 时间较长的情况下，对信号造成成串的 错误，用一般信道编码方法很难纠错； 只能用交织技术将成串的错误转换成随 机差错后，再用信道编码方法纠错。
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本章提示
移 动 通 信 原 理
所有纠错编码的设计思路是如何适应信 道，即什么类型信道就采用什么类型对 应的纠错编码。如果是随机独立差错， 可采用BCH码、卷积码等。然而交织编 码的设计思路不是为了适应信道，而是 为了改造信道。它是通过交织与去交织 将一个有记忆的突发差错信道改造为基 本上是无记忆的随机独立差错的信道， 然后用纠随机独立差错的纠错码来纠错。
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3、参数编码