语音编码、信道编码及交织

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1、第5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5.1 语 音 编 码 5.2 信 道 编 码 5.3 交 织 编 码5.1 语 音 编 码5.1.1 概述 5.1.2 语音信号特征 5.1.3 声码器 5.1.4 线性预测编码器 5.1.5 移动通信中语音编码器的选择 5.1.6 GSM系统语音编码器 5.1.7 IS-95系统语音编码器5.1.1 概述 语音编码技术通常分为三类：波形编码、 声源编码（或参量编码）和混合编码。 波形编码的目的在于尽可能精确地再现原 来的语音波形。 声源编码是将语音信息用特定的声源模型 表示。 混合编码把波形编码的高质量和声码器的 高

2、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。5.1.2 语音信号特征 图5-1 语音信号的产生模型 5.1.3 声码器 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和声道等的特征参数 ，再运用这些特征参数重新合成语音信号 的设备。 声码器又称为“参量编码器”。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。 5.1.3 声码器 图5-2 线性预测编码声码器原理框图5.1.4 线性预测编码器 图5-3 三种不同激励的语言合成模型 1多脉冲激励线性预测编码（MPLPC） 图5-4 MPLPC算法基本原理 1

3、多脉冲激励线性预测编码（MPLPC） MPLPC方案是在给定的一帧N个激励样本 中，保留M个，并确定其幅度与位置，使合 成语音和原始输入语音之间的感知加权误 差最小。 感知加权就是通过线性滤波使客观误差在 不重要的频段上有所衰减，而在一些重要 的频段上得以加强。1多脉冲激励线性预测编码（MPLPC） 加上感知加权滤波器后，主观听觉上的语 音质量有明显的提高。 MPLPC必须进行量化编码，它传输的内容 包括多脉冲激励的脉冲位置和幅度、长时 和短时预测器系数、音调周期等。 MPLPC产生的语音质量和比特率取决于提 供一帧语音激励信号的脉冲数目。 多脉冲激励方式要优化众多脉冲的位置与 幅度参数，计算

4、量大。 1多脉冲激励线性预测编码（MPLPC）图5-5 RPE编码方式激励可能模式 2码激励线性预测编码（CELPC） 图5-6 CELPC的基本工作原理图 2码激励线性预测编码（CELPC） CELPC应用了矢量量化技术。 在数字移动通信中，码激励的一种变型即 矢量和激励（VSELP）已成为美国和日本 数字蜂窝移动通信系统中的语音编码标准 。 5.1.5 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

5、”（Mean Opinion Score），简称MOS。 1语音质量评估图5-7 语音编码的现状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）来实现。 编码硬件的成本通常随着复杂度的提高而 增加。 2语音编码器的复杂度和处理时延 5.1.6 GSM系统语音编码器 1GSM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。1GSM系统语音编码器性能要求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

6、。 在移动台转接移动台时，会出现两套编/译 码器复接的情况。1GSM系统语音编码器性能要求（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作为可接受的工 作比特率。1GSM系统语音编码器性能要求（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 律的PCM变换。1GSM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，必须要求语音编译器能够传 输由网络提供给用户的

7、各种音频信号音， 如拨号音、振铃音、忙音等。1GSM系统语音编码器性能要求考虑到中、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。1GSM系统语音编码器性能要求（5）传输时延 造成传输时延的主要原因有以下两方面。 语音编码的时延。 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。1GSM系统语音编码器性能要求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，

8、因此需要采用回波抑制器 来消除时延的影响。1GSM系统语音编码器性能要求（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。2GSM系统语音处理功能结构RPE-LTP编译码器特性如下。 取样速率为8kHz。 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。 纯比特率为13kbit/s。2GSM系统语音处理功能结构 语音比特分为两类。第一类含182bit/s ，它们对误码是敏感的，即这些比特中发 生差错会对语音质量产生严重影响。这些 比特受到循环冗余校验（CRC

9、）码和一个 具有恒定长度为5的1/2率卷积码的保护。第 二类含78bit，它们抗差错的能力强，不受 保护。同时，为了抗突发差错，编码语音 块的交积跨越了8个TDMA帧。2GSM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 端的最大时延在75ms左右，其中40ms以 上分配给时隙交织和信道编译码。 为了进行不连续的传输，可应用语音激活 检测器。2GSM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

10、步等10.1kbit/s（约占总速 率的30%）2GSM系统语音处理功能结构在较好条件下，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。 lC/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。5.1.7 IS-95系统语音编码器 QCELP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。5.1.7 IS-95系统语音编码器 Q

11、CELP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。 基于线性预测编码。 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。 可变速率。 参量编码的主要参量分为三类，且每帧 不断更新。5.1.7 IS-95系统语音编码器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。 5.2 信 道 编 码 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

12、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。5.2 信 道 编 码 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。5.2 信 道 编 码 编码增加了数据比特，这使得信道中传输 的总的数据速率提高，也就会占用更大的 信道带宽。 信道编码通常有两类：分组编码和卷积编 码。5.2 信 道 编 码 5.2.1 信道编码原理 5.2.2 分组码 5.2.3 卷积码 5.2.4 其他信道编码5.2.1 信道编码原理信道编码的

13、检错和纠错是利用传输数据的 冗余量来实现的。 用于检测错误的信道编码称做检错编码； 可纠错的信道编码被称做纠错编码。5.2.1 信道编码原理对于加性高斯白噪声信道，额定带宽为 B(Hz)、接收信号功率为P(W)及噪声谱密度 为 P(W/Hz)，其信道容量可由下面的香农 公式给出：5.2.1 信道编码原理信道编码是通过增加相关的冗余数据来提 高系统性能，也就是以增加传输带宽为代 价来取得编码增益的。检错码和纠错码有 两种基本类型：分组码和卷积码。 图5-8中分别列出几种编码方案的性能。5.2.1 信道编码原理图5-8 几种编码方案的性能5.2.2 分组码 要使信道编码具有一定的检错或纠错能力 ，

14、必须加入一定的多余码元。 信息码元先按组进行划分，然后对各信息 组按一定规则加入多余码元，这些附加监 督码元仅与本组的信息码元有关，而与其 他码组的信息无关，这种编码方法称为分 组编码。 1编码效率、冗余度、码重与码距 在分组码中，数据每k个信息比特分为一组 ，k个信息位与增加的（nk）个比特组成 一个n比特的码组（或码字），这种码叫做 (n，k)分组码。 分组中(n-k)/k比值称为码的冗余度，k/n比 值称为编码效率。 编码效率可表示分组中信息比特所占的比 例。 1编码效率、冗余度、码重与码距除编码效率k/n外，码字的另一个重要参数 是码重，即码字中非零的码元数目。 不同类型的分组码具有不

15、同的特性。 线性分组码 系统码 循环码2BCH码 BCH码是循环码的一个重要子类，具有多 种码率，可获得很大的编码增益，BCH码 有严密的代数理论，是目前研究最透彻的 一类码。 （1）戈雷码（Golay） （2）扩展BCH码 （3）截短BCH码3RS码RS码是Reed-Solomon（里德索洛蒙） 码的简称，它是一种多进制BCH码。 它能够纠突发错误，通常在连续编码系统 中采用。 5.2.3 卷积码 图5-9 卷积编码器的通用结构图1卷积码的基本特性 卷积码常记作(n，k，N )，它的编码效率为 Rc =k/n。 参数N被称做约束长度，它指明了当前的输 出数据多少与输入数据有关，决定了编码 复杂度。 卷积码的纠错能力也与码距相关，卷积码 有两种码距：最小距dmin和自由距dfree。1卷积码的基本特性编码后长度为nN码元中各个序列之间的汉 明距称为最小距dmin；编码后任意长度的码 元中各个序列之间的汉明距称为自由距dfree 。 描述卷积码的方法有图解法和解析法。解 析法可以采用生成矩阵和生成多项式这两 种方法，图解法可以采用树状图、网格图 、状态图和逻辑表等方法。2卷积码的解码 卷积码的解码思想是：信息序列和码序列 之间有一一对应的关系；而且，任何信息 序列和码序列将与网格图中的唯一的一条 路径相联系。因而卷积译