GSM语音通信

GSM语音通信

2009-11-06

传输附属设备包括码转换器（TC）、子复用器（SM）和基站接口设备（BIE）。

TC 单元在GSM系统中实现GSM用户和PSTN（公共交换电话网）用户间的通信。SM 单元主要功能是将4 个16 kbit/s信道复用到一个64 kbit/s信道上，从而节省地面传输链路，大多数情况下，将A接口的90个话音业务信道复用到一个PCN 2Mbit/s传输线上。当BSC和BTS远距离连接（大于15m）时，使用BIE支持的A 接口。

GSM系统主要接口协议分层为信令层1（L1）、信令层2（L2）和信令层3（L3）。信令层1也称物理层，为信令传输提供物理链路，为高层协议建立相应的控制逻辑信道。A 接口的物理层是基于PCM 30/32路2 048Mbit/s A律13折线编码的PCM（脉冲编码调制）一次群通道，有32个时隙，每个时隙传输64kbit/s的信令或业务信息。

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，

GSM系统语音编解码器比较分析

作者：Richard Meston，高级软件工程师，Racal仪器公司无线解决方案部

信号处理内核的发展促进了GSM系统语音编解码器的增强。目前更为密集的分析加合成方法已用于在常见的EFR及AMR语音编码器中，以在容量有限且容易出错的空中接口上提供最高质量的语音传输。

以当前对高速分组数据传输的关注程度，人们很容易忘记GSM数字电信系统的最初主要目的是传输语音。总的感觉是整个系统的复杂性与传输链路的管理有关，但也有很大部分与麦克风捕捉到的音频压缩与解压缩复杂性有关。

为满足这一主要目的的需求，必须以足够高的采样及分辨率来捕获语音，以清楚地再现原始声音，并用一种可在比特率有限及容易出错的无线传输信道上保持音频高保真度的方式来压缩语音。

这一需求很具体，其目的是传输语音，故载荷的频率范围及声音质量均为已知。人类听觉系统的工作方式允许编码器在手机耳机上产生出类似自然声音的听觉效果。GSM系统中所使用的语音编码器的主要原理是对人类音域的数学建模，从而产生出一种用于传输语音的有效压缩方法。术语“声码器”或“语音编码器”专门用来描述这些专门执行语音压缩的系统。

GSM系统对用于传输语音的信道具有一组固定的物理要求。首先，它具有最大22.8kbps的原始数据速率；其次，帧可以被“偷窃”以及用于信令，且语音编码系统对这种情况必须很稳健，尽管存在对可偷窃语音帧的频率及时序的一定限制。

信道容量与编码

GSM物理层是FDMA与TDMA的组合。无线信道在整个GSM频段被分成相隔200kHz的多个信道，这些FDMA信道又被分成8个时隙。GSM物理信道被定义为单个“绝对无线频率信道号”(ARFCN)上的单个时隙–故每一频率均可包含有8个独立物理信道。

“猝发”是指GSM系统中的无线传输量，且包含以周期577(s发送的114位原始信息。由于语音流量信道传输的多帧结构，故每26次猝发最多有24次可包含语音数据(其余2次猝发用于空闲周期或传输信令信息)。因此合计能给出22.8kbps的原始信道容量。

原始信道容量是完美传输条件下的最大用户数据(编码语音)吞吐量。在真实世界中，无线传输并不稳健而且需要为数据增加保护。

增加冗余信息后，GSM系统中的全速率语音信道用于编码语音的容量为13kbps。

语音编解码器

如果以8 kHz采样率及13位精度来对出自GSM蜂窝手机麦克风的音频数据进行采样，则可得到104kbps的源数据速率。GSM系统中有四种编解码器，分别执行：全速率、增强型全速率(EFR)、自适应多速率(AMR)及半速率语音压缩。表1给出了一些声码器的参数比较。

全速率

全速率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。

正如前面所提到的，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。