頻率資源的有效利用-信道復(fù)用和語音壓縮

1、頻率資源的有效利用-信道復(fù)用和語音壓縮 移動通信技術(shù)及工程應(yīng)用目錄 節(jié)約頻率資源的措施 多址技術(shù) 語音處理技術(shù) 語音處理技術(shù)應(yīng)用 節(jié)約頻率資源的措施 （1）從無線信道的復(fù)用角度,節(jié)約頻率資源的措施。（2）從移動終端信息的編碼壓縮角度,節(jié)約頻率資源的措施。多址技術(shù) 從無線信道的復(fù)用角度，多址技術(shù)是節(jié)約頻率資源的措施之一。所謂多址技術(shù)就是使多個用戶接入并共享同一個無線通信信道，以提高頻譜利用率的技術(shù)。即把同一個無線信道按照時間、頻率等進(jìn)行分割，使不同的用戶都能夠在不同的分割段中使用這一信道，而又不會明顯地感覺到他人的存在，就好像自己在專用這一信道一樣。 頻分多址（FDMA） 頻分多址技術(shù)按照頻率來

2、分割信道，把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個等間隔的頻道（或稱信道）分配給不同的用戶，不同的用戶分配不同的載波頻率以共享同一信道，這些頻道互不交疊，其寬度應(yīng)能傳輸一路話音或數(shù)據(jù)信息，而在相鄰頻道之間無明顯的串?dāng)_。 FDMA中，每個載頻對應(yīng)一個信道，而且由于信道在時間軸和空間軸上沒有被分割，因此信號可以在每一個載頻信道上連續(xù)傳輸。 時分多址（TDMA） TDMA將每個頻帶信道分成若干時隙（時間片），然后把每個時隙再分配給每個戶，根據(jù)一定的時隙分配原則，使各個移動用戶在每幀內(nèi)只能按指定的時隙向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收到各個移動用戶的信號而不混擾。 時分多址技術(shù)

3、按照時隙來劃分信道, 即給不同的用戶分配不同的時間段以共享同一信道。 TDMA具有如下特性1) 每載頻多路2) 傳輸速率高3) 對新技術(shù)開放。4) 共享設(shè)備成本低。5) 不存在頻率分配問題。6) 基站可以只用一臺發(fā)射機(jī)。TDMA也具有一定的缺陷：1）必須有精確的定時和同步。2）移動臺較復(fù)雜。3）傳輸開銷大。 碼分多址（CDMA） 碼分多址技術(shù)按照碼序列來劃分信道，即給不同的用戶分配一個不同的編碼序列以共享同一信道。碼分多址技術(shù)是第2代移動通信的演進(jìn)技術(shù)和第3代移動通信的基本技術(shù)。CDMA技術(shù)已得到了迅速的發(fā)展，成為一項全球性的無線通信技術(shù)，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）系統(tǒng)具有軟容量。CDMA系統(tǒng)是一

4、個干擾受限的系統(tǒng)，系統(tǒng)的容量是以受干擾程 度來衡量的，是一個動態(tài)的指標(biāo)，比如當(dāng)業(yè)務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較低時，用戶容量就會 相對增多，當(dāng)業(yè)務(wù)質(zhì)量要求較高時，為了降低干擾，用戶容量就會減少。（2）能實現(xiàn)多媒體通信。（3）語音質(zhì)量高。（4）無需防護(hù)間隔。（5）能實現(xiàn)軟切換。（6）保密性強(qiáng)。（7）實現(xiàn)低功耗。（8）建網(wǎng)成本下降。 在FDMA和TDMA系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大通信用戶容量，都盡力壓縮信道帶寬，但這種壓縮是有限度的，因為信道帶寬的變窄將導(dǎo)致通話質(zhì)量的下降。而CDMA卻相反，可大幅度地增加信道寬度，這是因為它采用了擴(kuò)頻通信技術(shù)?？辗侄嘀?SDMA) 空分多址方式就是通過空間的分割來區(qū)別不同的用戶。在移動通信中

5、，能實現(xiàn)空間分割的基本技術(shù)就是采用自適應(yīng)陣列天線，在不同用戶方向上形成不同的波束。 SDMA技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，包括：(1) 系統(tǒng)容量大幅度提高。(2) 擴(kuò)大覆蓋范圍。(3) 兼容性強(qiáng)。(4) 大幅度降低來自其他系統(tǒng)和其他用戶的干擾。(5) 功率大大降低。(6) 定位功能強(qiáng)。 語音處理技術(shù) 在現(xiàn)代數(shù)字移動通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)男盘柖际菙?shù)字信號，而我們通信的主要業(yè)務(wù)語音是模擬信號，其帶寬為3003400KHz。要想在數(shù)字通信的網(wǎng)絡(luò)中傳輸，必須進(jìn)行信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（即1和0的組合）。 語音編碼屬于信源編碼，是指利用話音信號及人的聽覺特性上的冗余性，在將冗余性進(jìn)行壓縮(信息壓縮)的

6、同時，將模擬話音信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的過程。語音編碼是從模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)至關(guān)重要的一步。語音編碼的目的是在保證一定的算法復(fù)雜度和通信時延的前提下，占用盡可能少的信道容量，傳輸盡可能高質(zhì)量的話音信號。因而語音編碼技術(shù)在數(shù)字移動通信中具有相當(dāng)重要的作用。語音編碼技術(shù)可以直接影響到數(shù)字移動通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量、頻譜利用率和系統(tǒng)容量。 語音編碼主要有三種方式：波形編碼、參量編碼、混合編碼。波形編碼 波形編碼是將時域模擬信號直接進(jìn)行取樣、量化并變換成數(shù)字代碼而形成的數(shù)字話 音信號。具體來講，波形編碼是在時間軸上對模擬話音信號按照一定的速率來抽樣， 然后將幅度樣本分層量化，并使用代碼來表示。波形編碼的優(yōu)點(diǎn)：

7、具有很寬范圍的話音特性，對各種各樣的模擬話音波形信號進(jìn)行編碼均可達(dá)到很好的效果；抗干擾性能強(qiáng)，具有較好的話音質(zhì)量；技術(shù)成熟、復(fù)雜度很低；費(fèi)用適中。參量編碼 參量編碼又稱聲源編碼，又叫變換域編碼，是在信源信號的頻率域或其它正交域抽取其特征參量變換為數(shù)字代碼進(jìn)行傳輸。 線性預(yù)測編碼(LPC)聲碼器的構(gòu)成 ：參量編碼的優(yōu)點(diǎn)：由于只需傳送話音特征參數(shù)，因而語音編碼速率可以很低，一般在24.8 kb/s之間，而且不影響話音的可懂性。參量編碼的缺點(diǎn)：話音有明顯的失真，而且對噪聲較為敏感。話音質(zhì)量只能達(dá)到中等水平，不能滿足商用話音質(zhì)量的要求。典型的參量編碼技術(shù)包括線性預(yù)測編碼(LPC)及其各種改進(jìn)型。目前移

8、動通信系統(tǒng)的語音編碼技術(shù)大都以這種類型的技術(shù)為基礎(chǔ)。混合編碼 混合編碼是近年來提出的一種新的語音編碼技術(shù)，是波形編碼和參量編碼的有機(jī)結(jié)合。它是基于話音產(chǎn)生模型的假定并采用了分析與合成技術(shù)，這一點(diǎn)與參量編碼相同；同時，它又利用了話音時間波形信息，增強(qiáng)了重建話音的自然度，使得話音質(zhì)量有明顯的提高，這一點(diǎn)又與波形編碼相似?；旌暇幋a的特點(diǎn)：數(shù)字話音信號中既包括若干話音特征參量又包括部分波形編碼信息，因而綜合了參量編碼和波形編碼各自的優(yōu)點(diǎn)，既保持了參量編碼低速率的長處，又有波形編碼高質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。混合編碼的比特率一般在416 kb/s之間。當(dāng)編碼速率在816 kb/s范圍時，其話音質(zhì)量可達(dá)到商用話音通信標(biāo)

9、準(zhǔn)的要求。因此，混合編碼技術(shù)在數(shù)字移動通信中得到了廣泛的應(yīng)用。舉例1：GSM語音編碼-聲碼器編碼實例聲碼器編碼可以是很低的速率（可以低于5kbs），雖然不影響語音的可懂性，但語音的失真很大，很難分辨是誰在講話。波形編碼器語音質(zhì)量較高，但要求的比特速率相應(yīng)的較高。LPC+LTP為聲碼器，RPE為波形編碼器，再通過復(fù)用器混合完成模擬話音信號的數(shù)字編碼。LTP將當(dāng)前段與前一段進(jìn)行比較，相應(yīng)的差值被低通濾波后進(jìn)行一種波形編碼。故：LPC十LTP參數(shù)：3.6 kbit/s；RPE參數(shù)：9.4kbit/s；因此，話音編碼器的輸出比特速率是13kbit。舉例2：CDMA系統(tǒng)的話音編碼目前CDMA系統(tǒng)的話音編

10、碼主要有兩種，即碼激勵線性預(yù)測編碼(CELP)8 kb/s和13 kb/s。8kb/s CELP的話音編碼達(dá)到GSM系統(tǒng)的13kb/s的話音水平甚至更好。13Kb/s CELP的話音編碼已達(dá)到有線長途話音水平。CELP采用與脈沖激勵線性預(yù)測編碼相同的原理，只是將脈沖位置和幅度用一個矢量碼表代替。語音編碼技術(shù)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，已日趨成熟。各種實用技術(shù)，在不同種類的通信網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。表1-4-12給出了常用數(shù)字移動通信系統(tǒng)語音編碼的類型。語音處理技術(shù)應(yīng)用A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片AD73311 AD73311的主時鐘頻率是16.384MHZ，采樣頻率是經(jīng)過主時鐘分頻得到的，是AD73311的輸

11、出信號。 AMBE-2000TM聲碼器芯片 AMBE2000語音壓縮解壓芯片具有以下特點(diǎn)： 語音品質(zhì)優(yōu)良低開銷 不需要外部存儲器有效抑制比特誤碼和背景噪聲數(shù)據(jù)速率在2.0kbps9.6kbps之間可變前向糾錯數(shù)據(jù)率可在50bps到7.2kbps之間變化 低功耗 語音處理芯片的應(yīng)用實例 采用A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片AD73311和AMBE-2000TM聲碼器芯片設(shè)計的語音模數(shù)轉(zhuǎn)換和壓縮編碼電路框圖。（2）聲碼器和主機(jī)接口設(shè)計AMBE2000將AD73311的數(shù)據(jù)以20ms分段，每20ms將壓縮的數(shù)據(jù)輸出。壓縮和解壓的輸入和輸出數(shù)據(jù)可以有兩種選擇：有格式數(shù)據(jù)和無格式數(shù)據(jù)。AMBE2000可以工作于主

12、動方式和被動方式。本例中采用了有格式數(shù)據(jù)和主動方式，由AMBE2000產(chǎn)生壓縮數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫盘?。本設(shè)計中，使用了TI公司的C55X系列的DSPTMS320VC5509作為主機(jī)和AMBE2000TM之間進(jìn)行通信。是利用了DSP的MCBSP0進(jìn)行串行通信。接口電路設(shè)計如圖1-4-16所示。 從上圖可以看出，AMBE2000工作于有格式的主動模式，數(shù)據(jù)傳輸接口的時鐘由DSP提供，數(shù)據(jù)選通信號CH_TX_STRB由AMBE2000產(chǎn)生，傳輸給DSP的FSR0、FSX0以及AMBE2000自身的CH_RX_STRB。每隔20ms數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，EPR都會向DSP發(fā)送中斷，來通知DSP來讀取要傳輸?shù)恼Z音數(shù)

13、據(jù)和發(fā)送接收的語音數(shù)據(jù)。（1）聲碼器和語音接口設(shè)計AMBE-2000 TM可以看作由兩個分立元件編碼器和解碼器組成。編碼器接收8KHz的語音采樣數(shù)據(jù)流（16位線性，8位A律，8位率），并且在給定速率下輸出通道數(shù)據(jù)流。解碼器接收通道數(shù)據(jù)流，然后合成語音數(shù)據(jù)流。AMBE-2000TM編碼器和解碼器接口時序是完全異步的。模擬語音信號通過麥克風(fēng)到達(dá)AD73311的模擬輸入端口VIN，經(jīng)過內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換，完成采樣量化和編碼，通過SDO端口串行數(shù)字輸出，每個采樣點(diǎn)16比特，同時芯片的SDI端口可以接收數(shù)字化后的語音信號，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，通過VOUT端口，到達(dá)喇叭。可以聽到相應(yīng)的聲音。其中SDOFS和SDIFS分別為發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的幀同步信號。 語音接口是外置的A/D-D/A芯片，流入和流出的語音數(shù)據(jù)