语音编码和信道编码
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移 动 通 信 原 理
30
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%）
（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。
25
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。
2
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
3
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。
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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。
27
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。
23
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。
24
GSM系统语音编码器性能要求
移 动 通 信 原 理
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）。
34
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。
35
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。
• 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
12
4、移动通信中语音编码器的选择
移 动 通 信 原 理
• 在低比特率语音编码中，有4个参 数是很重要的
– – – –
比特率 质量 复杂度 处理时延
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。
– 传递的是话音信号波形的参数，而不是波形本身， 压缩效果好，但质量较差
• 混合编码把波形编码的高质量和声码器的高效 压缩性融为一体，尤其在16bit/s～8kbit/s范围 内达到了良好的语音质量。
10
2、声码器
移 动 通 信 原 理
• 声码器是以人类语音的产生模型为基础， 分析表征语音激励源（激励这个模型的 参数，如输入气流等）和声道模型等的 特征参数，再运用这些特征参数重新合 成语音信号的设备。 • 声码器的数码率可以压缩到2.4kbit/s以下， 但其语音质量，特别是自然度，大大下 降。
• 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
13
（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
14
主观评价等级
移 动 通 信
质量等级 优 良 满意（正常） 差 劣
移 动 通 信 原 理
• 数字基带信号的线路传输码型Leabharlann Baidu
– 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
17
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
18
5、数字基带信号常用码型
移 动 通 信 原 理
20
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。
21
GSM系统语音编码器性能要求
16
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
8
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
9
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。
• 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
19
5、数字基带信号常用码型
32
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
4
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。
5
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。
28
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。
29
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。
分数 收听注意力等级 5 可完全放松，不需要注意力 4 3 2 1 需要注意，但不需要明显的注意力 中等程度注意力 需要集中注意力 即使努力去听，也很难听懂
15
（2）语音编码器的复杂度和处理时延
移 动 通 信 原 理
表 5-1
编码器类型 脉冲调制 自适应差分脉码调制 自适应子频段编码 多脉冲线性预测编码 随机激励线性预测编码 线性预测编码的声码
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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。
11
3、参数编码
移 动 通 信 原 理
• 当前的研究方向是线性预测编码器（Linear Predictive Coder，LPC）声码器和余弦声码器
– 基于线性预测（LP）技术，合成编码算法
• 多脉冲线性预测编码（MP-LPC） • 规则脉冲线性预测编码（RPE-LPC）
– GSM系统采用此方式，标准速率为13kbit/s
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。
– 发声时全速率9.6kbit/s编码 – 不发声时为全速率的1/8速率（1.2kbit/s）编码 – 其余就是发声和不发声的过度速率，即全速率的1/2 和1/4速率
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IS-95系统语音编码器
移 动 通 信 原 理
• QCELP方案即码激励线性预测的可变速 率混合编码方案，其特点如下。 • ① 基于线性预测编码。 • ② 使用矢量码表替代简单线性预测中产 生的浊音准周期脉冲的脉冲位置和幅度， 即使用码表矢量量化差值信号。 • ③ 可变速率。 • ④ 参量编码的主要参量分为三类，且每 帧不断更新。
6
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 码
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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%）
（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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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
3
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。
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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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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
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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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。
• 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 动 通 信 原 理
• 在低比特率语音编码中，有4个参 数是很重要的
– – – –
比特率 质量 复杂度 处理时延
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。
– 传递的是话音信号波形的参数，而不是波形本身， 压缩效果好，但质量较差
• 混合编码把波形编码的高质量和声码器的高效 压缩性融为一体，尤其在16bit/s～8kbit/s范围 内达到了良好的语音质量。
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2、声码器
移 动 通 信 原 理
• 声码器是以人类语音的产生模型为基础， 分析表征语音激励源（激励这个模型的 参数，如输入气流等）和声道模型等的 特征参数，再运用这些特征参数重新合 成语音信号的设备。 • 声码器的数码率可以压缩到2.4kbit/s以下， 但其语音质量，特别是自然度，大大下 降。
• 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
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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
14
主观评价等级
移 动 通 信
质量等级 优 良 满意（正常） 差 劣
移 动 通 信 原 理
• 数字基带信号的线路传输码型Leabharlann Baidu
– 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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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
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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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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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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。
• 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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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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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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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。
分数 收听注意力等级 5 可完全放松，不需要注意力 4 3 2 1 需要注意，但不需要明显的注意力 中等程度注意力 需要集中注意力 即使努力去听，也很难听懂
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（2）语音编码器的复杂度和处理时延
移 动 通 信 原 理
表 5-1
编码器类型 脉冲调制 自适应差分脉码调制 自适应子频段编码 多脉冲线性预测编码 随机激励线性预测编码 线性预测编码的声码
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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。
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3、参数编码
移 动 通 信 原 理
• 当前的研究方向是线性预测编码器（Linear Predictive Coder，LPC）声码器和余弦声码器
– 基于线性预测（LP）技术，合成编码算法
• 多脉冲线性预测编码（MP-LPC） • 规则脉冲线性预测编码（RPE-LPC）
– GSM系统采用此方式，标准速率为13kbit/s
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。
– 发声时全速率9.6kbit/s编码 – 不发声时为全速率的1/8速率（1.2kbit/s）编码 – 其余就是发声和不发声的过度速率，即全速率的1/2 和1/4速率
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IS-95系统语音编码器
移 动 通 信 原 理
• QCELP方案即码激励线性预测的可变速 率混合编码方案，其特点如下。 • ① 基于线性预测编码。 • ② 使用矢量码表替代简单线性预测中产 生的浊音准周期脉冲的脉冲位置和幅度， 即使用码表矢量量化差值信号。 • ③ 可变速率。 • ④ 参量编码的主要参量分为三类，且每 帧不断更新。
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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 码