語音編碼信道編碼和交織

語音編碼信道編碼和交織第一頁，共六十六頁，2022年，8月28日本章提示蜂窩移動通信系統(tǒng)由于頻率資源受限，一般數(shù)字語音編碼技術(shù)如PCM、ADPCM、

M等，因?yàn)榫幋a速率高而未被采用。蜂窩移動通信均采用13kbit/s以下低速率語音編碼。信道編碼是以增加傳輸碼元冗余度，降低有效碼元傳輸速率為代價(jià)，以犧牲通信的有效性換取通信的可靠性。第二頁，共六十六頁，2022年，8月28日本章提示突發(fā)性干擾是快衰落在衰落深度和持續(xù)時(shí)間較長的情況下，對信號造成成串的錯(cuò)誤，用一般信道編碼方法很難糾錯(cuò)；只能用交織技術(shù)將成串的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換成隨機(jī)差錯(cuò)后，再用信道編碼方法糾錯(cuò)。第三頁，共六十六頁，2022年，8月28日本章提示所有糾錯(cuò)編碼的設(shè)計(jì)思路是如何適應(yīng)信道，即什么類型信道就采用什么類型對應(yīng)的糾錯(cuò)編碼。如果是隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)，可采用BCH碼、卷積碼等。然而交織編碼的設(shè)計(jì)思路不是為了適應(yīng)信道，而是為了改造信道。它是通過交織與去交織將一個(gè)有記憶的突發(fā)差錯(cuò)信道改造為基本上是無記憶的隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)的信道，然后用糾隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)的糾錯(cuò)碼來糾錯(cuò)。第四頁，共六十六頁，2022年，8月28日本章提示

Turbo碼是近年來倍受矚目的一項(xiàng)新技術(shù)。雖然它的復(fù)雜性、譯碼時(shí)延對有些應(yīng)用帶來困難（例如對實(shí)時(shí)語音），但它是目前已知的可實(shí)現(xiàn)的好的編碼技術(shù)之一。第五頁，共六十六頁，2022年，8月28日第5章語音編碼、信道編碼和交織技術(shù)5.1語音編碼5.2信道編碼5.3交織編碼第六頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.1語音編碼5.1.1概述5.1.2語音信號特征5.1.3聲碼器5.1.4線性預(yù)測編碼器5.1.5移動通信中語音編碼器的選擇5.1.6GSM系統(tǒng)語音編碼器5.1.7IS-95系統(tǒng)語音編碼器第七頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.1.1概述語音編碼技術(shù)通常分為三類：波形編碼、聲源編碼（或參量編碼）和混合編碼。波形編碼的目的在于盡可能精確地再現(xiàn)原來的語音波形。聲源編碼是將語音信息用特定的聲源模型表示?；旌暇幋a把波形編碼的高質(zhì)量和聲碼器的高效壓縮性融為一體，尤其在16bit/s～8kbit/s范圍內(nèi)達(dá)到了良好的語音質(zhì)量。第八頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.1.2語音信號特征圖5-1語音信號的產(chǎn)生模型第九頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.1.3聲碼器聲碼器是以人類語音的產(chǎn)生模型為基礎(chǔ)，分析表征語音激勵(lì)源和聲道等的特征參數(shù)，再運(yùn)用這些特征參數(shù)重新合成語音信號的設(shè)備。聲碼器又稱為“參量編碼器”。聲碼器的數(shù)碼率可以壓縮到2.4kbit/s以下，但其語音質(zhì)量，特別是自然度，大大下降。第十頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.1.3聲碼器圖5-2線性預(yù)測編碼聲碼器原理框圖第十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.1.4線性預(yù)測編碼器圖5-3三種不同激勵(lì)的語言合成模型第十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測編碼（MPLPC）圖5-4MPLPC算法基本原理第十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測編碼（MPLPC）MPLPC方案是在給定的一幀N個(gè)激勵(lì)樣本中，保留M個(gè)，并確定其幅度與位置，使合成語音和原始輸入語音之間的感知加權(quán)誤差最小。感知加權(quán)就是通過線性濾波使客觀誤差在不重要的頻段上有所衰減，而在一些重要的頻段上得以加強(qiáng)。第十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測編碼（MPLPC）加上感知加權(quán)濾波器后，主觀聽覺上的語音質(zhì)量有明顯的提高。MPLPC必須進(jìn)行量化編碼，它傳輸?shù)膬?nèi)容包括多脈沖激勵(lì)的脈沖位置和幅度、長時(shí)和短時(shí)預(yù)測器系數(shù)、音調(diào)周期等。MPLPC產(chǎn)生的語音質(zhì)量和比特率取決于提供一幀語音激勵(lì)信號的脈沖數(shù)目。多脈沖激勵(lì)方式要優(yōu)化眾多脈沖的位置與幅度參數(shù)，計(jì)算量大。第十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測編碼（MPLPC）圖5-5RPE編碼方式激勵(lì)可能模式第十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．碼激勵(lì)線性預(yù)測編碼（CELPC）圖5-6CELPC的基本工作原理圖第十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．碼激勵(lì)線性預(yù)測編碼（CELPC）CELPC應(yīng)用了矢量量化技術(shù)。在數(shù)字移動通信中，碼激勵(lì)的一種變型即矢量和激勵(lì)（VSELP）已成為美國和日本數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)。第十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.1.5移動通信中語音編碼器的選擇在低比特率語音編碼中，有4個(gè)參數(shù)是很重要的，即比特率、質(zhì)量、復(fù)雜度和處理時(shí)延。1．語音質(zhì)量評估當(dāng)前世界上流行的語音質(zhì)量評估方法是采用原CCITT提議的從1分到5分的主觀評定的方法。這就是“平均評價(jià)得分”（MeanOpinionScore），簡稱MOS。第十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．語音質(zhì)量評估圖5-7語音編碼的現(xiàn)狀第二十頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．語音編碼器的復(fù)雜度和處理時(shí)延語音數(shù)字編碼的算法通常用數(shù)字信號處理器（DSP）來實(shí)現(xiàn)。編碼硬件的成本通常隨著復(fù)雜度的提高而增加。第二十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．語音編碼器的復(fù)雜度和處理時(shí)延第二十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.1.6GSM系統(tǒng)語音編碼器1．GSM系統(tǒng)語音編碼器性能要求（1）語音質(zhì)量對語音編碼最基本的要求就是用戶角度測試，在可工作的范圍內(nèi)，平均語音質(zhì)量應(yīng)至少不低于900MHz模擬移動系統(tǒng)。語音編碼算法應(yīng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)頻譜以及電平變化的能力。第二十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．GSM系統(tǒng)語音編碼器性能要求語音編碼器能夠不受環(huán)境噪聲以及很多語音信號混雜的干擾。在移動臺轉(zhuǎn)接移動臺時(shí)，會出現(xiàn)兩套編/譯碼器復(fù)接的情況。第二十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．GSM系統(tǒng)語音編碼器性能要求（2）碼速率仍然使用8kHz取樣率，以便于和PSTN的接口連接?；趯︻l率利用率和語音質(zhì)量相矛盾的協(xié)調(diào)，將16kbit/s作為可接受的工作比特率。第二十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．GSM系統(tǒng)語音編碼器性能要求（3）碼變換GSM系統(tǒng)所確定的基本語音編碼的變碼器可將13位線性PCM碼流變換成16kbit/s的無線傳輸比特率。在GSM語音編碼器網(wǎng)絡(luò)一端將完成A律或律的PCM變換。第二十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．GSM系統(tǒng)語音編碼器性能要求（4）非話信號的傳輸語音編譯碼器沒有對語音頻段的數(shù)據(jù)做出要求，然而，必須要求語音編譯器能夠傳輸由網(wǎng)絡(luò)提供給用戶的各種音頻信號音，如撥號音、振鈴音、忙音等。第二十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．GSM系統(tǒng)語音編碼器性能要求考慮到中、低比特率的編譯碼器將盡量利用語音中的一些特征，將語音以及語音頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)一起協(xié)調(diào)的編碼算法必將降低語音的質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)語音編碼器時(shí)，應(yīng)首先考慮語音的質(zhì)量，而對于語音頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)信號，則通過特殊的終端適配器來實(shí)現(xiàn)。第二十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．GSM系統(tǒng)語音編碼器性能要求（5）傳輸時(shí)延造成傳輸時(shí)延的主要原因有以下兩方面。①語音編碼的時(shí)延。②無線分系統(tǒng)中的時(shí)延。為此對這兩種時(shí)延的限定各自可不超過65ms。第二十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．GSM系統(tǒng)語音編碼器性能要求考慮到二／四線轉(zhuǎn)換阻抗不匹配會導(dǎo)致反射現(xiàn)象發(fā)生，上述的時(shí)延將給用戶帶來令人厭煩的回聲，因此需要采用回波抑制器來消除時(shí)延的影響。第三十頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．GSM系統(tǒng)語音編碼器性能要求（6）硬件實(shí)現(xiàn)對語音編碼器的要求主要來自手持機(jī)。為了保障手持機(jī)的輕小和長期工作，需要硬件能夠在一塊VLSI芯片上實(shí)現(xiàn)，并要求功率消耗盡可能的低。第三十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．GSM系統(tǒng)語音處理功能結(jié)構(gòu)RPE-LTP編譯碼器特性如下。①取樣速率為8kHz。②幀長為20ms，每幀編碼成為260bit/s。每幀分為4個(gè)子幀，每個(gè)子幀長5ms。③純比特率為13kbit/s。第三十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．GSM系統(tǒng)語音處理功能結(jié)構(gòu)④語音比特分為兩類。第一類含182bit/s，它們對誤碼是敏感的，即這些比特中發(fā)生差錯(cuò)會對語音質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這些比特受到循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）碼和一個(gè)具有恒定長度為5的1/2率卷積碼的保護(hù)。第二類含78bit，它們抗差錯(cuò)的能力強(qiáng)，不受保護(hù)。同時(shí)，為了抗突發(fā)差錯(cuò)，編碼語音塊的交積跨越了8個(gè)TDMA幀。第三十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．GSM系統(tǒng)語音處理功能結(jié)構(gòu)分配給編譯碼器的最大時(shí)延為30ms。端對端的最大時(shí)延在75ms左右，其中40ms以上分配給時(shí)隙交織和信道編譯碼。為了進(jìn)行不連續(xù)的傳輸，可應(yīng)用語音激活檢測器。第三十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．GSM系統(tǒng)語音處理功能結(jié)構(gòu)GSM系統(tǒng)對每個(gè)用戶，其總比特率為33.85kbit/s，具體分配如下。語音編譯碼13.0kbit/s

語音的誤差保護(hù)9.8kbit/s

慢速隨路控制信道SACCH（總數(shù)）0.95kbit/s

保護(hù)時(shí)間、同步等10.1kbit/s（約占總速率的30%）第三十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．GSM系統(tǒng)語音處理功能結(jié)構(gòu)在較好條件下，RPE-LTP編譯碼器的語音質(zhì)量（MOS）為4分。載干比(C/I

)為10dB時(shí)，可覺察到語音質(zhì)量的下降，MOS約下降0.2分～0.8分。C/I為4dB時(shí)，語音質(zhì)量下降很明顯，MOS降為2分。時(shí)延理論值為20ms，實(shí)測值為22.65ms～28ms。第三十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.1.7IS-95系統(tǒng)語音編碼器QCELP是Qualcomm公司CDMA系統(tǒng)中的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)IS-95。QCELP主要是使用碼表矢量量化差值信號，然后基于語音的激活程度產(chǎn)生一個(gè)可變的輸出數(shù)據(jù)速率。第三十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.1.7IS-95系統(tǒng)語音編碼器QCELP方案即碼激勵(lì)線性預(yù)測的可變速率混合編碼方案，其特點(diǎn)如下。①基于線性預(yù)測編碼。②使用矢量碼表替代簡單線性預(yù)測中產(chǎn)生的濁音準(zhǔn)周期脈沖的脈沖位置和幅度，即使用碼表矢量量化差值信號。③可變速率。④參量編碼的主要參量分為三類，且每幀不斷更新。第三十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.1.7IS-95系統(tǒng)語音編碼器語音編碼是提取語音參數(shù)，并將參數(shù)量化的過程。該過程應(yīng)當(dāng)使最后合成的語音與原始語音的差別盡量少。第三十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.2信道編碼移動通信系統(tǒng)使用信道編碼技術(shù)可以降低信道突發(fā)的和隨機(jī)的差錯(cuò)。信道編碼是通過在發(fā)送信息時(shí)加入冗余的數(shù)據(jù)位來改善信道鏈路的性能的。在發(fā)射機(jī)的基帶部分，信道編碼器按照某種確定的約束規(guī)則，把一段數(shù)字信息映射成另一段包含更多數(shù)字比特的碼序列，然后把已被編碼的碼序列進(jìn)行調(diào)制以便在無線信道中傳送。第四十頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.2信道編碼接收機(jī)可以用信道編碼的約束規(guī)則來檢測或糾正由于在無線信道中傳輸而引入的一部分或全部的誤碼。由于解碼是在接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)之后執(zhí)行的，所以信道編碼是一種后檢測技術(shù)。第四十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.2信道編碼編碼增加了數(shù)據(jù)比特，這使得信道中傳輸?shù)目偟臄?shù)據(jù)速率提高，也就會占用更大的信道帶寬。信道編碼通常有兩類：分組編碼和卷積編碼。第四十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.2信道編碼5.2.1信道編碼原理5.2.2分組碼5.2.3卷積碼5.2.4其他信道編碼第四十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.2.1信道編碼原理信道編碼的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)是利用傳輸數(shù)據(jù)的冗余量來實(shí)現(xiàn)的。用于檢測錯(cuò)誤的信道編碼稱做檢錯(cuò)編碼；可糾錯(cuò)的信道編碼被稱做糾錯(cuò)編碼。第四十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.2.1信道編碼原理對于加性高斯白噪聲信道，額定帶寬為B(Hz)、接收信號功率為P(W)及噪聲譜密度為P(W/Hz)，其信道容量可由下面的香農(nóng)公式給出：第四十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.2.1信道編碼原理信道編碼是通過增加相關(guān)的冗余數(shù)據(jù)來提高系統(tǒng)性能，也就是以增加傳輸帶寬為代價(jià)來取得編碼增益的。檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼有兩種基本類型：分組碼和卷積碼。圖5-8中分別列出幾種編碼方案的性能。第四十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.2.1信道編碼原理圖5-8幾種編碼方案的性能第四十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.2.2分組碼要使信道編碼具有一定的檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力，必須加入一定的多余碼元。信息碼元先按組進(jìn)行劃分，然后對各信息組按一定規(guī)則加入多余碼元，這些附加監(jiān)督碼元僅與本組的信息碼元有關(guān)，而與其他碼組的信息無關(guān)，這種編碼方法稱為分組編碼。第四十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．編碼效率、冗余度、碼重與碼距在分組碼中，數(shù)據(jù)每k個(gè)信息比特分為一組，k個(gè)信息位與增加的（n?k）個(gè)比特組成一個(gè)n比特的碼組（或碼字），這種碼叫做(n，k)分組碼。分組中(n-k)/k比值稱為碼的冗余度，k/n比值稱為編碼效率。編碼效率可表示分組中信息比特所占的比例。第四十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．編碼效率、冗余度、碼重與碼距除編碼效率k/n外，碼字的另一個(gè)重要參數(shù)是碼重，即碼字中非零的碼元數(shù)目。不同類型的分組碼具有不同的特性。線性分組碼系統(tǒng)碼循環(huán)碼第五十頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．BCH碼BCH碼是循環(huán)碼的一個(gè)重要子類，具有多種碼率，可獲得很大的編碼增益，BCH碼有嚴(yán)密的代數(shù)理論，是目前研究最透徹的一類碼。（1）戈雷碼（Golay）（2）擴(kuò)展BCH碼（3）截短BCH碼第五十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日3．RS碼RS碼是Reed-Solomon（里德—索洛蒙）碼的簡稱，它是一種多進(jìn)制BCH碼。它能夠糾突發(fā)錯(cuò)誤，通常在連續(xù)編碼系統(tǒng)中采用。第五十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.2.3卷積碼圖5-9卷積編碼器的通用結(jié)構(gòu)圖第五十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．卷積碼的基本特性卷積碼常記作(n，k，N)，它的編碼效率為Rc

=k/n。參數(shù)N被稱做約束長度，它指明了當(dāng)前的輸出數(shù)據(jù)多少與輸入數(shù)據(jù)有關(guān)，決定了編碼復(fù)雜度。卷積碼的糾錯(cuò)能力也與碼距相關(guān)，卷積碼有兩種碼距：最小距dmin和自由距dfree。第五十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日1．卷積碼的基本特性編碼后長度為nN碼元中各個(gè)序列之間的漢明距稱為最小距dmin；編碼后任意長度的碼元中各個(gè)序列之間的漢明距稱為自由距dfree。描述卷積碼的方法有圖解法和解析法。解析法可以采用生成矩陣和生成多項(xiàng)式這兩種方法，圖解法可以采用樹狀圖、網(wǎng)格圖、狀態(tài)圖和邏輯表等方法。第五十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．卷積碼的解碼卷積碼的解碼思想是：信息序列和碼序列之間有一一對應(yīng)的關(guān)系；而且，任何信息序列和碼序列將與網(wǎng)格圖中的唯一的一條路徑相聯(lián)系。因而卷積譯碼器的工作就是找到網(wǎng)格圖中的這一條路徑。解卷積碼的技術(shù)有許多種，常用的是Viterbi算法、序貫譯碼法。第五十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日5.2.4其他信道編碼1．網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM）網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)是通過把有限狀態(tài)編碼器和有冗余度的多進(jìn)制調(diào)制器結(jié)合起來，可在不擴(kuò)展占用帶寬的前提下獲得可觀的編碼增益。第五十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．Turbo碼Turbo碼的基本原理是通過編碼器的巧妙構(gòu)造，即多個(gè)子碼通過交織器進(jìn)行并行或串行級聯(lián)（PCC/SCC），然后以類似內(nèi)燃機(jī)引擎廢氣反復(fù)利用的機(jī)理進(jìn)行迭代譯碼，從而獲得卓越的糾錯(cuò)性能，Turbo碼也因此得名。第五十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日2．Turbo碼Turbo碼的基本原理是通過編碼器的巧妙構(gòu)造，即多個(gè)子碼通過交織器進(jìn)行并行或串行級聯(lián)（PCC/SCC），然后以類似內(nèi)燃機(jī)引擎廢氣反復(fù)利用的機(jī)理進(jìn)行迭代譯碼，從而獲得卓越的糾錯(cuò)性能，