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1、任务四 频率资源的有效利用-信道复用和语音压缩,北京工业职业技术学院,目录,节约频率资源的措施 多址技术 语音处理技术 语音处理技术应用,节约频率资源的措施,（1）从无线信道的复用角度,节约频率资源的措施。 （2）从移动终端信息的编码压缩角度,节约频率资源的措施。,多址技术,从无线信道的复用角度，多址技术是节约频率资源的措施之一。所谓多址技术就是 使多个用户接入并共享同一个无线通信信道，以提高频谱利用率的技术。即把同一 个无线信道按照时间、频率等进行分割，使不同的用户都能够在不同的分割段中使 用这一信道，而又不会明显地感觉到他人的存在，就好像自己在专用这一信道一样。,频分多址（FDMA）,频分
2、多址技术按照频率来分割信道，把通信系统的总频段划分成若干个等间隔 的频道（或称信道）分配给不同的用户，不同的用户分配不同的载波频率以共 享同一信道，这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路话音或数据信息，而在 相邻频道之间无明显的串扰。,FDMA中，每个载频对应一个信道，而且由于信道在时间轴和空间轴上没有被分割，因此 信号可以在每一个载频信道上连续传输。,时分多址（TDMA）,TDMA将每个频带信道分成若干时隙（时间片），然后把每个时隙再分配给每个户，根据一定的时隙分配原则，使各个移动用户在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各个移动用户的信
3、 号而不混扰。,时分多址技术按照时隙来划分信道, 即给不同的用户分配不同的时间段以共享同一信道。,TDMA具有如下特性 1) 每载频多路 2) 传输速率高 3) 对新技术开放。 4) 共享设备成本低。 5) 不存在频率分配问题。 6) 基站可以只用一台发射机。,TDMA也具有一定的缺陷： 1）必须有精确的定时和同步。 2）移动台较复杂。 3）传输开销大。,码分多址（CDMA）,码分多址技术按照码序列来划分信道，即给不同的用户分配一个不同的编码序 列以共享同一信道。码分多址技术是第2代移动通信的演进技术和第3代移动通信的 基本技术。,CDMA技术已得到了迅速的发展，成为一项全球性的无线通信技术，
4、它具有如下优点：,（1）系统具有软容量。CDMA系统是一个干扰受限的系统，系统的容量是以受干扰程 度来衡量的，是一个动态的指标，比如当业务质量标准较低时，用户容量就会 相对增多，当业务质量要求较高时，为了降低干扰，用户容量就会减少。 （2）能实现多媒体通信。 （3）语音质量高。 （4）无需防护间隔。 （5）能实现软切换。 （6）保密性强。 （7）实现低功耗。 （8）建网成本下降。,在FDMA和TDMA系统中，为了扩大通信用户容量，都尽力压缩信道带宽，但这种压缩 是有限度的，因为信道带宽的变窄将导致通话质量的下降。而CDMA却相反，可大幅度地 增加信道宽度，这是因为它采用了扩频通信技术。,空分多
5、址(SDMA),空分多址方式就是通过空间的分割来区别不同的用户。在移动通信中，能实现空间 分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的波束。,SDMA技术具有众多优点，包括： (1) 系统容量大幅度提高。 (2) 扩大覆盖范围。 (3) 兼容性强。 (4) 大幅度降低来自其他系统和其他用户的干扰。 (5) 功率大大降低。 (6) 定位功能强。,语音处理技术,在现代数字移动通信系统中，传输的信号都是数字信号，而我们通信的主要业务语音 是模拟信号，其带宽为3003400KHz。要想在数字通信的网络中传输，必须进行信号的模数 转换，将模拟信号转换为数字信号（即1和0的组合）。 语
6、音编码属于信源编码，是指利用话音信号及人的听觉特性上的冗余性，在将冗余性进行 压缩(信息压缩)的同时，将模拟话音信号转变为数字信号的过程。语音编码是从模拟系统 到数字系统至关重要的一步。语音编码的目的是在保证一定的算法复杂度和通信时延的前 提下，占用尽可能少的信道容量，传输尽可能高质量的话音信号。因而语音编码技术在数 字移动通信中具有相当重要的作用。语音编码技术可以直接影响到数字移动通信系统的通 信质量、频谱利用率和系统容量。 语音编码主要有三种方式：波形编码、参量编码、混合编码。,波形编码,波形编码是将时域模拟信号直接进行取样、量化并变换成数字代码而形成的数字话 音信号。具体来讲，波形编码是
7、在时间轴上对模拟话音信号按照一定的速率来抽样， 然后将幅度样本分层量化，并使用代码来表示。,波形编码的优点： 具有很宽范围的话音特性，对各种各样的模拟话音波形信号进行编码均可达到很好的效果； 抗干扰性能强，具有较好的话音质量； 技术成熟、复杂度很低； 费用适中。,参量编码,参量编码又称声源编码，又叫变换域编码，是在信源信号的频率域或其它正交域抽取其特征参量变换为数字代码进行传输。,线性预测编码(LPC)声码器的构成 ：,参量编码的优点： 由于只需传送话音特征参数，因而语音编码速率可以很低，一般在24.8 kb/s之间， 而且不影响话音的可懂性。 参量编码的缺点： 话音有明显的失真，而且对噪声较
8、为敏感。话音质量只能达到中等水平，不能满足商用话 音质量的要求。典型的参量编码技术包括线性预测编码(LPC)及其各种改进型。目前移动 通信系统的语音编码技术大都以这种类型的技术为基础。,混合编码,混合编码是近年来提出的一种新的语音编码技术，是波形编码和参量编码的有机结合。 它是基于话音产生模型的假定并采用了分析与合成技术，这一点与参量编码相同；同时， 它又利用了话音时间波形信息，增强了重建话音的自然度，使得话音质量有明显的提 高，这一点又与波形编码相似。 混合编码的特点：数字话音信号中既包括若干话音特征参量又包括部分波形编码信息， 因而综合了参量编码和波形编码各自的优点，既保持了参量编码低速率
9、的长处，又有波 形编码高质量的优点。混合编码的比特率一般在416 kb/s之间。 当编码速率在816 kb/s范围时，其话音质量可达到商用话音通信标准的要求。因此， 混合编码技术在数字移动通信中得到了广泛的应用。,举例1：GSM语音编码-声码器编码实例 声码器编码可以是很低的速率（可以低于5kbs），虽然不影响语音的可懂性，但语音的 失真很大，很难分辨是谁在讲话。波形编码器语音质量较高，但要求的比特速率相应的较 高。,LPC+LTP为声码器，RPE为波形编码器，再通过复用器混合完成模拟话音信号的数字编码。 LTP将当前段与前一段进行比较，相应的差值被低通滤波后进行一种波形编码。故：LPC十 L
10、TP参数：3.6 kbit/s；RPE参数：9.4kbit/s；因此，话音编码器的输出比特速率是13kbit。,举例2：CDMA系统的话音编码 目前CDMA系统的话音编码主要有两种，即码激励线性预测编码(CELP)8 kb/s和13 kb/s。 8kb/s CELP的话音编码达到GSM系统的13kb/s的话音水平甚至更好。13Kb/s CELP的话音 编码已达到有线长途话音水平。 CELP采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理，只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表 代替。 语音编码技术经历了多年的发展，已日趋成熟。各种实用技术，在不同种类的通信网中 得到了广泛的应用。表1-4-12给出了常用数字移
11、动通信系统语音编码的类型。,语音处理技术应用,A/D和D/A转换芯片AD73311,AD73311的主时钟频率是16.384MHZ，采样频率是经过主时钟分频得到的， 是AD73311的输出信号。,AMBE-2000TM声码器芯片,AMBE2000语音压缩解压芯片具有以下特点：,语音品质优良 低开销 不需要外部存储器 有效抑制比特误码和背景噪声 数据速率在2.0kbps9.6kbps之间可变 前向纠错数据率可在50bps到7.2kbps之间变化 低功耗,语音处理芯片的应用实例,采用A/D和D/A转换芯片AD73311和AMBE-2000TM声码器芯片设计的语音模数转换和 压缩编码电路框图。,（2
12、）声码器和主机接口设计 AMBE2000将AD73311的数据以20ms分段，每20ms将压缩的数据输出。压缩和解压的输入 和输出数据可以有两种选择：有格式数据和无格式数据。AMBE2000可以工作于主动方式 和被动方式。本例中采用了有格式数据和主动方式，由AMBE2000产生压缩数据传输的同 步信号。 本设计中，使用了TI公司的C55X系列的DSPTMS320VC5509作为主机和AMBE2000TM之间进 行通信。是利用了DSP的MCBSP0进行串行通信。接口电路设计如图1-4-16所示。,从上图可以看出，AMBE2000工作于有格式的主动模式，数据传输接口的时钟由DSP提供，数据选通信号
13、CH_TX_STRB由AMBE2000产生，传输给DSP的FSR0、FSX0以及AMBE2000自身的CH_RX_STRB。每隔20ms数据转换结束，EPR都会向DSP发送中断，来通知DSP来读取要传输的语音数据和发送接收的语音数据。,（1）声码器和语音接口设计 AMBE-2000 TM可以看作由两个分立元件编码器和解码器组成。编码器接收8KHz的语音 采样数据流（16位线性，8位A律，8位率），并且在给定速率下输出通道数据流。解 码器接收通道数据流，然后合成语音数据流。AMBE-2000TM编码器和解码器接口时序是 完全异步的。 模拟语音信号通过麦克风到达AD73311的模拟输入端口VIN，
14、经过内部的A/D转换，完成 采样量化和编码，通过SDO端口串行数字输出，每个采样点16比特，同时芯片的SDI端口 可以接收数字化后的语音信号，进行D/A转换，通过VOUT端口，到达喇叭。可以听到相应 的声音。其中SDOFS和SDIFS分别为发送和接收数据的帧同步信号。,语音接口是外置的A/D-D/A芯片，流入和流出的语音数据流格式应该匹配。也就是说， 它们必须具有统一的格式。在我们做设计的时候，首先考虑的就是A/D-D/A芯片选择、 通道接口选择、语音和FEC速率。本设计中所使用的是上面介绍的AD公司生产的AD73311。 为AMBE2000和AD73311的接口电路。其中CO_RX_DATA从AD73311接收待压缩的语音数据， CO_TX_DATA将解压缩后的语音数据交给AD73311完成D/A转换。,
