语音编码和信道编码共53页文档
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。
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。
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。
语音编码、信道编码及交织
2．GSM系统语音处理功能结构 ． 系统语音处理功能结构
分配给编译码器的最大时延为30ms。端对 。 分配给编译码器的最大时延为 端的最大时延在75ms左右，其中 左右， 端的最大时延在 左右 其中40ms以 以 上分配给时隙交织和信道编译码。 上分配给时隙交织和信道编译码。 为了进行不连续的传输， 为了进行不连续的传输，可应用语音激活 检测器。 检测器。
2．GSM系统语音处理功能结构 ． 系统语音处理功能结构
RPE-LTP编译码器特性如下。 编译码器特性如下。 编译码器特性如下 取样速率为8kHz。 ① 取样速率为 。 帧长为20ms，每帧编码成为 ② 帧长为 ，每帧编码成为260bit/s。 。 每帧分为4个子帧 每个子帧长5ms。 个子帧， 每帧分为 个子帧，每个子帧长 。 纯比特率为13kbit/s。 ③ 纯比特率为 。
1．GSM系统语音编码器性能要求 ． 系统语音编码器性能要求
（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， 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， 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。 如拨号音、振铃音、忙音等。
1．多脉冲激励线性预测编码（MPLPC） ．多脉冲激励线性预测编码（ ）
图5-5 RPE编码方式激励可能模式 编码方式激励可能模式
2．码激励线性预测编码（CELPC） ．码激励线性预测编码（ ）
图5-6 CELPC的基本工作原理图 的基本工作原理图
2．码激励线性预测编码（CELPC） ．码激励线性预测编码（ ）
第5章 语音编码、信道编码和 章 语音编码、 交织技术
第5章 语音编码、信道编码和交织技术 章 语音编码、
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。
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。