全速率规则脉冲激励线性预测声码器
第07讲_规则脉冲激励线性预测编码
14
语音质量
度量方法不外乎客观与主观两个角度：
客观度量可以采用信噪比、误码率、误帧率， 相对而言简单、可行。 主观度量是由人耳主观特性来判断，比客观 度量复杂。目前国际上常采用的主观评判方 法称为MOS方法 。
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复杂度与处理时延
语音编码硬件复杂度取决于DSP处理能力，而软件复杂度则主要体现 在算法复杂度上。算法复杂度增大，也会带来更长的运算时间和更大 的处理时延 。 如下所示，我们给出几种已知低数据比特率语音编码的上述四个参数 与性能比较表格。
物理层关键技术1
信源编码
移动通信信源编码基本概念
信源编码是利用信源的统计特性，解除信源的 相关性，去掉信源多余的冗余信息，达到压缩 信源信息率，提高系统效率（有效性）的目的。 移动通信的频谱资源十分稀少珍贵，为了提高 频谱利用率，需积极开发低速率、高质量信源 编码技术，即高效信源编码技术。 第二代移动通信主要是语音业务，所以信源编 码主要指语音压缩编码。第三代移动通信中的 信源编码将不仅包含语音压缩编码，还包含各 类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面内容。
编码器类型 数据比特率 (Kbps) 64 复杂度 (MIPS) 0.01 时延 (ms) 0 质量 (MOS) 4.3
脉码调制PCM
自适应差分脉码调制ADPCM
自适应子带编码 多脉冲线性预测编码
32
16 8
0.1
1 10
0
25 35
4.1
4 3.5
随机激励线性预测编码
线性预测声码器
4
2
100
1
35
17
ADPCM波形编码
抗RPE-LTP压缩编码的语音加密
RPE-LTP仿真
图1 RPE-LTP仿真图
编码器原理
图1 RPE-LTP 声码器编码原理框图
LOGO
背景
GSM标准提供了三种语音压缩编码算法:全速率FR(Full Rate)规则脉冲激励长时预 测RPE一LTP(Regular Pulse Excitation-Long-Term Prediction)编码，增强型全速 率EFR(Enhanced Full Rate)代数码激励线性预测ACELP(Adaptive Code Exeited Linear Predietion)编码和半速率HR(HalfRate)矢量和激励线性预测VSELP (VeetorSumExcitedLinearpredietion)编码,可由运营商根据无线资源利用率，信道 容量，话音质量等标准选用。
RPE-LTP压缩编码
LOGO
背景
基于电路交换的话音业务通道
移动通信系统的话音业务使用语音参数压缩编码，采用二次编 解码方案，并使用了DTX、VAD等技术。这些技术的运用给加密 语音的传输实现带来了一些问题。
1）GSM声码器输入要求为13bit线性PCM编码数据,而加密后的语音数据能量均匀分布, 不再满足声码器输入要求。 2）GSM系统采用了语音代码转换机制,无线链路和地面网络采用不同的语音编码，加密 数据在网络中至少要经过两次声码器的压缩解压,这是一种非线性有损压缩，对于加密信 号,却可能使接收端无法正确脱密。 3）当系统的VAD模块被触发时,系统会暂停对信号的传输,导致数据丢失。
编码器原理
图1 RPE-LTP 声码器编码原理框图
编码器性能指标
语音编码器包括多种性能指标：⑴编码器所处理的语音信号宽带；⑵压缩信号的比特 率；⑶重建语音质量；⑷编码器的复杂度和延时；⑸编码器对背景噪声的敏感度；⑹对信 道误码率的鲁棒性；⑺编码器受级联合转换译码的影响。
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。
移动通信
一、填空1.移动通信的工作方式可分为单向通信方式和双向通信方式两类，而后者又分为单工通信方式.双工通信方式和半双工通信方式2.单工制通信就是指通信的双方只能交替地进行发信和收信，不能同时进行。
3.双工制通信就是指移动双方可以同时进行发信和收信，这时发信和收信必须采用不同的工作频率，称为频分双工。
4.移动通信系统中的码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。
5.目前在数字移动通信系统中广泛使用的调制技术有连续相位调制技术和线性调制技术两大类。
6.目前移动通信系统中话音编码大致分为两类，即波形编码和参数编码。
7.移动通信网无线区群的激励方式一般分为中心激励和顶点激励。
8.移动通信网无线区群的中心激励是指基地台位于无线小区的中心，并采用全向天线实现无线小区的覆盖。
9.移动GSM网络中，选择无线小区模型的基本原则是在考虑了传播条件.复用方式.多重干扰等因素后必须满足（载干比）的要求。
10.频分双工是指通信双方同时收信.发信，这时收信与发信必须使用不同工作频率。
11.GSM中采用调制方式为（GMSK或高斯滤波最小频移键控）。
12.GSM声码器采用规则脉冲激励长期线性预测编码RPE-LPC，传输速率为13kbit/s。
13.每个发射机都有自己唯一的代码，同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其它信号的背景中恢复成原来的信息码，这个过程称为解扩。
14.半双工制是指通信双方，有一方使用双工方式，即收发信机同时工作，而另一方则采用异频单工方式。
15.TDMA系统是在每帧中可以分配不同的（时隙数）给不同的用户。
16.移动通信中的干扰有邻道干扰.同频道干扰.互调干扰。
17.移动基站控制器—BSC是基地系统—BSS的控制部分，在BSS 中起交换作用。
18.移动短消息中心的主要功能是接收.存储和转发用户的短信息。
19.移动操作维护中心，用于对GSM系统的交换实体进行管理。
多媒体技术与应用(简答题)
多媒体技术与应用简答题1、Authorware主界面由标题栏、菜单栏、工具栏、和组成。
正确答案：【图标栏|设计窗】2、多媒体触摸屏分为四种，分别为电阻式、红外线式、和。
正确答案：【电容感应式|表面声波式】3、帧中第一个字节进入网络的瞬间、到此字节离开网络的瞬间所经历的时间称为。
正确答案：【延迟】4、传送等待时间正确答案：【传送等待时间是指帧中的第一个字节进入网络|到最后一个字节离开网络所需要的时间）。
】5、码激励线性预测声码器正确答案：【是|1985年提出的，一种以码本作为激励源的线性预测编码技术|它的语音合成质量高，抗噪声好，在低速率语音方面有广泛应用。
】6、矢量图正确答案：【用一组指令集合来描述图形的内容，这些指令用来描述构成该图形的所有直线、圆、圆弧、矩形、曲线等图元的位置、维数和形状等。
要点：文件数据量小。
】7、超文本正确答案：【超文本定义为由信息结点和表示结点间相关性的链构成的一个具有一定逻辑结构和语义的网络。
超文本的主要成分是结点和表示结点间关系的链构成的信息网络。
】8、什么是虚拟现实技术？正确答案：【虚拟现实是一项与多媒体密切相关的边缘技术，它通过综合应用图像处理、模拟与仿真、传感、显示系统等技术和设备，以模拟仿真的方式|给用户提供一个真实反映操作对象变化与相互作用的三维图像环境|从而构成一个虚拟世界，并通过特殊的输入输出设备给用户一个与该虚拟世界相互作用的三维交互式用户界面。
】9、简述多媒体作品开发的一般过程。
正确答案：【包括需求分析|规划设计|素材的采集和加工、作品的集成、测试、发布和评价。
】10、列举常见的图像文件格式正确答案：【BMP|JPG|GIF|TIFF,PSD,PNG 】11、地球站，是指设在地球表面上的。
正确答案：【无线电通信站】12、H.323终端都必须支持语音通信，和数据通信可选。
正确答案：【视频】13、音乐检索是以音乐为中心的检索，利用音乐的音符和等特性来检索。
移动通信工程移动通信概述填空题1移动通信的工作方式
移动通信工程第一章移动通信概述一、填空题1.移动通信的工作方式可分为单向通信方式和双向通信方式两大类别，而后者又分为单工通信方式、双工通信方式和（半双工）通信方式三种。
2.单工制通信就是指通信的双方只能（交替）地进行发信和收信，不能同时进行。
3.双工制通信就是指移动通信双方可（同时）进行发信和收信，这时收信与发信必须采用不同的工作频率，称为频分双工。
4.移动通信系统中的码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的（码序列）实现的多址方式。
5.目前在数字移动通信系统中广泛使用的调制技术主要有（连续相位）调制技术和线性调制技术两大类。
6.目前移动通信系统中话音编码大致可以分成两大类，即波形编码和（参数）编码。
7.移动通信网无线区群的激励方式一般分为中心激励和（顶点）激励。
8.移动通信网无线区群的中心激励是指基地台位于无线小区的中心，并采用（全向天线）实现无线小区的覆盖。
9.移动GSM网络中，选择无线小区模型的基本原则是在考虑了传播条件、复用方式、多重干扰等因素后必须满足（载干比）的要求。
10、频分双工是指通信双方同时收信、发信，这时收信与发信必须使用不同（工作频率）。
11、GSM中采用调制方式为（GMSK或高斯滤波最小频移键控）12、GSM声码器采用规则脉冲激励长期线性预测编码RPE-LPC，传输速率为（13kbit/s）13、每个发射机都有自己唯一的代码，同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码，这个过程称为（解扩）14、半双工制是指通信双方,有一方使用双工方式,即收发信机同时工作，而另一方则采用（双频单工）方式。
15、TDMA系统是在每帧中可以分配不同的（时隙数）给不同的用户16、一方面要求馈线的衰耗要小，另一方面其阻抗应尽可能与发射机的输出阻抗和天线的输入阻抗（相匹配）17、馈线的主要作用是把发射机输出的射频载波信号高效地送至天线，一方面要求馈线的衰耗要（小），另一方面其阻抗应尽可能与发射机的输出阻抗和天线的输入阻抗相匹配。
8语音编码
Q[.]
+
编码器
+
+
P(z)
预测自适应 逻辑 ai(n)
ADPCM 系统编码器原理图
语音编码 （23）
参数编码
清音滤波器采用1 清音滤波器采用 1、共振峰声码器 、 个极点和1个零点 个极点和 个零点 提取共振峰的位置、幅度和带宽等参数， 提取共振峰的位置、幅度和带宽等参数，构成两个 的数字滤波器。 的数字滤波器
语音编码 （15）
4、差分脉冲编码 由于相邻采样值之间的差值远小于采样值本身， 由于相邻采样值之间的差值远小于采样值本身，因 此可以设计一种编码方法，对差值进行编码， 此可以设计一种编码方法，对差值进行编码，而不 是对采样值本身进行编码。 是对采样值本身进行编码。 存储前一次的采样值， 存储前一次的采样值，然后用本次采样值去计算差 经量化得到数字语音编码。 值，经量化得到数字语音编码。解码端则做相反的 处理恢复原信号。 处理恢复原信号。
因此有： 因此有：
C ( z) X ( z) = = X ( z) + E( z) −1 1− z
可见，已经消除了量化噪声的积累。 可见，已经消除了量化噪声的积累。
语音编码 （20）
根据线性预测分析的原理来估计当前的采样值， 根据线性预测分析的原理来估计当前的采样值，预 测阶数越高，预测误差就越小， 测阶数越高，预测误差就越小，相应的编码速率就 可以越低。 可以越低。
语音编码 （3）
波形编码
1、均匀量化 均匀量化PCM 量化 直接对语音信号进行A/D转换。 直接对语音信号进行 转换。 转换 语音波形信号就被表示成一组用数字编码的脉 冲序列。 冲序列。 这 种 编 码 方 法 被 称 为 脉 冲 编 码 调 制 （ Pulse Coding Modulation，简称 ，简称PCM）。 ）
CDMA技术原理及主要特点
CDMA技术原理及主要特点CDMA是Code Division Multiple Access的英文缩写，中文翻译为码分多址。
CDMA是用于数字蜂窝移动通信的一种先进的无线扩频通信技术，它能满足近年来运营者对大容量、廉价、高质量的移动通信系统的需求。
CDMA中的多址可以被理解为一个滤波问题，多个用户同时使用同一频谱，然后采用不同的滤波器和处理技术，将不同用户的信号互不干扰地接收和解调出来。
移动通信一般采用三种多址方式：FDMA（频分多址）、TDMA（时分多址）和CDMA（码分多址）。
FDMA就是信号功率被集中在频域中一个相对的窄带中传输，不同信号被分配到不同频率的信道里，发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制，这样在规定的窄带里只能通过有用信号的能量，而任何其他频率的信号被排斥在外。
模拟的FM蜂窝系统采用的就是FDMA方式。
TDMA就是一个信道由一连串周期性的时隙构成，不同信号的能量被分配到不同的时隙里，利用定时选通来限制邻道的干扰，从而只让在规定时隙中有用的信号能量通过。
现在使用的TDMA蜂窝系统实际上都是FDMA和TDMA的组合。
CDMA 就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里。
在接收机里，信号用相关器加以分离，相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱，将有用信号的信息识别和提取出来。
CDMA技术作为一种抗干扰的通信手段，很早就在军事通信中得到了应用，但是将CDMA技术应用于民用的数字蜂窝移动通信系统，还是80年代末才由美国Qualcomm公司实现的。
QCDMA系统中采用了许多先进的技术从而保证了系统性能的优势，其标准称为IS-95系列，包含多个标准。
多径衰落是移动通信系统需要克服的主要问题，CDMA系统采用了多种形式的分集，从而很好地解决了这一问题。
CDMA系统采用符合交织、检错和纠错编码等方法实现了时间分集；CDMA系统的信号带宽是1.25MHz，起到了频率分集的作用；基站使用多付接收天线，基站和移动台都使用了Rake 接收机技术，软切换时，移动台和基站同时联系，从中选取最好的信号送给交换机，从而起到了空间分集的作用。
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全速率规则脉冲激励线性预测声码器(RPE-LPC)
全速率规则脉冲激励线性预测声码器(RPE-LPC)语音编解码器是改良的线性预测编码器(LPC)，它将人类声域建模成一系列不同宽度的圆柱体。
通过迫使空气通过这些柱体，即可产生语音。
LPC编码器用一组联立方程来进行建模。
标准LPC编码器不能提供电话系统所需的话音质量(虽能听清语句，但很难或不可能分辨出说话的人)。
GSM系统中采用两种技术来提高LPC编码器的质量，即：长期预测(LTP)与规则脉冲激励(RPE)，而全速率编解码器就被称为RPE-LTP线性预测编码器。
输入至RPE-LTP编码器的数据为包括160个采样值的20ms语音，每一个采样值都拥有13位精度。
数据首先通过预加重滤波器来提高信号的高频分量，以获得更好的传输效率。
滤波器一般还消除信号上的任何偏移以简化进一步的计算。
语音产生模型可看成是空气通过一组不同大小的圆柱体。
短期分析级采用自动相关来计算与模型所用的8个圆柱体有关的8个反射系数，同时采用一种称为Schur递归的技术来有效地求解所得到的方程组。
参数被变换成可以更少的位数来进行更佳量化的LAR(log-area ratio)。
这些是传输流的前8个参数。
然后再将编码后的LAR解码成系数，并用来对输入采样值进行滤波。
解码LAR的原因是为了确保编码器使用解码器上的相同信息来进行滤波。
这一级上的其余采样值用于编解码器的LTP级。
160个采样值被分成4个子窗口，每一个子窗口都拥有40个采样值。
长期预测器为每一子窗口产生2个参数：滞后与增益。
滞后由当前帧与后两帧之间的交叉相关峰值确定，而增益则由归一化交叉相关系数决定。
滞后与增益参数被应用到长期滤波器上，同时对现有短期剩余信号进行预测。
RPE级通过十取一及交错将40个剩余采样值转换成13个参数，并用APCM 将所得出的13个值编码，其中最大值用对数编码成6位，然后再将13个参数均表示成3位，总共45位。
最后一级是从计算出的长期剩余及分析信号来更新短期剩余信号，然后再用此数据来计算下一帧。