第一章移动通信实验系统概述.pdf

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1、通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 1通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 2第一章第一章 移动通信实验系统概述移动通信实验系统概述.4 1.1 移动通信实验系统简介.4 1.2 移动通信实验系统框架结构.4 1.3 实验箱电路模块组成.7(一)移动终端部分.7（二）基站部分.8（三）中央控制器.9（四）专项实验模块.9（五）GSM 无线MODEM模块.10 1.4 实验具体介绍.11（一）信源编解码实验.11（二）信道编解码实验.11（三）调制解调实验.12（四）系统实验.13（五）900MHz GSM手机系统实验.14 第二章 语音压缩编码第二章 语音压缩编码.15 2.1

2、预备知识.15 2.1.1 语音压缩编码分类.15 2.1.2 语音质量及标准.16 2.1.3 GSM系统的语音压缩编码（RPE-LTP LPC）.18 2.1.4 实验系统语音压缩编码算法简介.20 22.语音信源压缩编码实验.29 实验一PCM与ADPCM语音压缩编码.29 实验二AMBE语音压缩编码.36 第三章第三章 信道编码试验信道编码试验.41 3.1 预备知识.41 3.1.1 差错控制与信道编码的基本原理.41 3.1.2 常用信道编码.45 3.1.3 CPLD基础知识.45 3.1.4 信道编码实验模块说明.49 3.2 信道编码实验.49 实验一 分组码交织与解分组码解

3、交织.49 实验二 循环码的编码和解码.53 实验三 卷积码的编码及解码（Viterbi 解码）.57 实验四 扰码与解扰.61 第四章第四章 调制解调实验调制解调实验.64 4.1 预备知识.64 4.1.1 移动通信中的调制技术.64 4.1.2 MSK与GMSK的基本原理.64 4.1.3 QPSK的基本原理.67 4.1.4 扩频调制的基本原理.70 4.2 调制解调实验.74 实验一 GMSK调制解调实验.74 实验二 QPSK调制解调实验.79 通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 3实验三 CDMA扩频调制实验.85 实验四 CDMA解扩实验.89 第五章第五章 系统实验系

4、统实验.91 51 预备知识.91 5.1.1 GSM系统结构.91 5.1.2 GSM无线接口.94 5.1.3 GSM信令接口及其协议分层.97 5.1.3.1GSM系统中的主要接口.97 5.1.3.2分层协议.97 5.1.3.3信令功能的互通.99 5.1.4GSM主要的呼叫流程和信令流程.99 5.1.4.1信道申请.100 5.1.4.2 初始信道的分配.100 5.1.4.3 初始化报文.101 5.1.5 GSM系统的编号计划.102 5.1.6 GSM系统仿真实验的硬件实现方法.104 5.2 系统部分实验.105 实验一 GSM移动台开机入网和关机实验.105 实验二 移

5、动性管理实验.111 实验三 移动台主叫实验.118 实验四 移动台被叫实验.127 实验五 GSM协议帧结构实验.132 第六章 信道复用、信道仿真与均衡实验第六章 信道复用、信道仿真与均衡实验.144 6.1 预备知识.144 6.1.1 信道复用技术.144 6.1.2 信道数学模型.156 6.1.3 均衡技术介绍.161 6.2 信道部分实验.164 实验一 信道复用实验.164 实验二 信道模型实验.168 实验三 信道均衡实验.173 第七章第七章 900MHz GSM手机实验手机实验.177 71 预备知识.177 7.2 900MHz GSM手机实验.186 通信与信息处理实

6、验中心 移动通信实验指导书 4 第一章第一章 移动通信实验系统概述移动通信实验系统概述 1.1 移动通信实验系统简介移动通信实验系统简介 移动通信实验箱是结合移动通信课程，验证移动通信中涉及的主要技术。实验通过终端技术和网络技术介绍当前移动通信中的典型技术，并区别于以前的通信技术。移动通信终端技术实验包括以下几部分的实验：信源编解码实验部分、信道编解码部分、调制解调部分。这些实验都由实验箱上的相关模块在学生平台的配合下完成。网络技术实验包括系统实验部分、900MHzGSM 手机系统实验部分。每个实验的简单介绍参见本章 1.3 节。1.2 移动通信实验系统框架结构移动通信实验系统框架结构 本实验

7、系统的框架结构是根据 GSM 移动通信系统的结构制订的。图 1.2-1 是 GSM 移动通信系统的框架结构图。包括移动终端 MS、基站子系统 BS（包括 BTS 和 BSC）、交换中心 MSC/VLR、HLR/AUC 数据库等部分。作为对实际移动通信系统的模拟，本移动通信实验系统也相应的要实现以上部分的功能。图 1.2-1 GSM 移动通信系统的框架结构 图 1.2-2 为本实验系统的总体结构，每一模块的功能都可以对应到实际系统中某一块的功能，下面进行具体的介绍。通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 5 图 1.2-2 本实验系统的总体结构 以上各模块的作用：?实验箱：移动通信实验机箱主

8、要模拟了通信终端的处理技术，无线基站的处理技术。并通过无线信道连接，模拟电话信号的无线接入。当移动实验箱配以 PC 系统和软件，通过局域网和电话交换机模拟了移动交换网，实现移动台开机登陆和关机实验、移动性管理、移动台呼叫处理的实验，较为形象的说明了移动通信的主要特征。移动实验箱还配有标准 GSM/GPRS 通信模块，通过软件控制实现和实际网络中的任意用户进行话音和数据通信。实验箱上还能完成信源编解码、信道编解码交织及扰码、调制解调等实验。实验箱具体电路组成见 1.3 节。?学生平台：学生平台是一台微型计算机，它通过串口同实验箱相连，通过局域网同其他学生平台和教师平台相连。学生平台是学生控制实验

9、箱进行相应实验的平台。每次实验，学生进入学生平台的相应实验界面，学生平台程序会向实验箱下发相应的控制指令，配置相应的参数，从而使实验箱做好相应实验的准备。部分实验的结果也将通过串口由实验箱传送到学生平台上，学生平台通过界面可以更清楚的看到部分实验的结果。学生平台在每个实验中的具体功能参见各实验的指导说明。在系统实验中，学生平台的作用非常多，包括以下几方面：（1）手机界面的作用：学生平台上将有一般的手机上存在的开机、拨号、挂机、关机等按钮。学生按动相应的按钮，学生平台将这些动作翻译成相应的消息发送给实验箱，实验箱的 MS 和 BS 开始相应的信令交互过程。（2）信令分析和显示的作用：为了让学生了

10、解 GSM 网络中各功能单元之间的信令过程。MS、BS 和MSC 之间的信令均要显示到学生平台上。因此实验箱上 MS 和 BS 每收到一个消息都要向学生平台汇报，学生平台在界面上显示。这时，学生平台就充当了实际中信令分析仪通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 6的作用。（3）部分 MSC/VLR 的作用：学生平台在呼叫控制中，还将完成部分 MSC/VLR的功能。与其他实验组的手机通信建立过程中，呼叫控制的信令需要由学生平台通过内部网络发送给其他的学生平台。（4）各功能单元参数的维护和显示：为了让学生了解特定的信令过程对各功能单元参数的影响，学生平台要维护四张参数列表：MS 参数列表、BS

11、 参数列表、MSC/VLR 参数列表、HLR 参数列表。在系统实验开始前，学生平台的这些参数由教师平台下发，学生平台利用教师平台收到的列表初始化这四张表。并且要将 MS 参数列表、BS 参数列表的部分参数通过串口下发给实验箱。实验开始后，学生平台这四张参数列表会随信令过程而改变。一些特定的信令过程之后，学生可通过学生平台的界面观察到各参数列表的变化情况。对 MSC/VLR 参数列表的维护，相当于学生平台实现了实际系统中 VLR 数据库的功能。?教师监控台：教师平台监控台通过局域网同所有学生平台相连。教师监控台的作用有：控制学生平台的工作。在系统实验部分，负责 HLR、MS 等参数列表的下发。教

12、师监控台上将维护一个参数列表数据库，实验开始后，学生平台将访问此数据库获得与本学生平台相关的参数列表。对HLR参数列表的维护，相当于教师平台实现了实际系统中HLR数据库的功能。?小型交换机：交换设备的作用是完成两个 MS 之间的话音通信。在移动台呼叫过程的实验中，在主叫和被叫之间信令交互完成之后，交换设备完成两个学生平台之间话音的接续。在实际移动通信系统中，话音和信令除了在 BS 和 MS 之间通过无线信道传输之外，其余部分均通过有线信道进行传输。用小交换机进行话音接续模拟了实际移动通信系统中话音信号在有线部分的传输：主叫 BS主叫 MSC被叫 MSC被叫 BS。通过以上各模块的介绍，我们可以

13、清楚看到本实验系统与实际系统的对应关系：实验箱对应 MS 和 BS 的功能；学生平台上完成 MSC/VLR 的功能，一方面在主叫和被叫实验中，完成用户呼叫建立的过程，另一方面维护 VLR 数据库；教师平台维护 HLR 数据库。接口的对应关系如下：实验箱上无线射频接口相当于 GSM 实际系统中的 Um 接口；实验箱与学生平台之间的串口相当于实际系统中的 A 接口；VLR、HLR、MSC 之间的接口功能均由学生平台实现了。下面简单介绍在本实验系统话音和信令的传输过程。话音以 MS A 传到 MS B 为例，MS A 的话音信号通过实验箱 A 上 MS 侧信源编码模块将语音变成 PCM 信号并进行压

14、缩，压缩后的信号送入 MS 侧的信道编解码调制解调器（由 DSP 芯片完成），信号进行信道编码交织和调制，已调制的信号送入无线射频模块，通过天线发送出去。BS 侧的无线射频模块通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 7接收到此信号，送入 BS 侧的信道编解码调制解调器进行解调和信道解码解交织，得到的信号再送入 BS 侧的信源解码模块，将信号解压缩成 PCM 信号，将此信号通过小交换机送到MS B 所在的实验箱 B。首先是实验箱 B 上的 BS 侧的信源编码模块将从交换机来的 PCM 进行压缩，降低速率。压缩后的信号送入 BS 侧的信道编解码调制解调器，输出的已调制信号送入无线射频模块，通过

15、天线发送出去。实验箱 B 上的 MS 侧无线射频模块接收到此信号，送入 MS 侧的信道编解码调制解调器，输出的信号送入 MS B 的信源解码模块，信源解码模块进行解压缩和 PCM 译码，恢复出语音。这时候实验箱 B 的学生就可以通过电话听筒听到声音。下面介绍信令的传输过程，空中接口 Um 上的信令，处理由 MS 侧和 BS 侧的两块DSP 芯片完成，传输通过无线射频模块；A 接口上的信令，由实验箱和学生平台之间的串口进行有线传输；MSC/VLR 与 MSC/VLR 之间的通信信令是由实验室局域网进行传输，这模拟了实际系统中 MSC 和 MSC 之间的七号信令传输系统。信源编码解码调制解调交换机

16、射频发射接收调制解调射频发射接收信源编码解码信源编码解码调制解调射频发射接收射频发射接收调制解调信源编码解码DSPDSPDSPDSPMS ABS AMS BBS B实验箱A实验箱B 图 1.2-3 双向语音传输过程 1.3 实验箱电路模块组成实验箱电路模块组成 实验箱的主要逻辑框图如图 1.3-1，主要包括移动终端部分、基站、中央控制器、专项实验模块和 GSM 无线 MODEM。(一一)移动终端部分移动终端部分 移动终端主要提供移动通信中的主要技术和功能模块，为了使实验者更清楚地了解移动通信中用到的很多技术，系统由多个模块组成，即可以进行系统实验，也可分开完成个别实验。移动终端部分主要有：1、

17、音频输入/输出接口（听筒和麦克风）通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 82、直流电平控制器 3、PCM/ADPCM 编解码器 4、LPC 语音压扩编解码器 5、信道编/解码、成帧、调制/解调 DSP 6、信道形成器 7、无线收发射频模块（二）基站部分（二）基站部分 基站部分的电路与移动部分大致相同，主要差别在音频接口，基站音频接口连接移动交换机，本实验箱的音频通道通过电话用户接口与有线交换机实现多台实验箱构成移动交换网，信令通过个实验箱中央控制器间的网络传输。图 1.3-1 实验箱的逻辑框图 基站部分主要有：1、交换机接口 2、免提音频功放 3、PCM/ADPCM 编解码器 通信与信息

18、处理实验中心 移动通信实验指导书 94、LPC 语音压扩编解码器 5、信道编/解码、成帧、调制/解调 DSP 6、信道形成器 7、无线收发射频模块（三）中央控制器（三）中央控制器 中央控制器以 MCU 为核心，具有 4X5 键盘和 320X240 的 LCD 显示屏，RS232C 三线通信接口与 PC 相连构成本地基站控制器。中央控制器主要完成对个模块的初始化，各种实验的设定，系统参数的配置和信令传输。MCU 还可以通过控制 GSM MODEM 的工作，与标准 GSM 网络中的任意用户通话实验。中央控制器主要有：1、AT89C55WD MCU 控制核心 2、RS232C 通信口 3、16C55

19、0 GSM MODEM 通信接口 4、SPI 总线 ADPCM 通信接口 5、DSP 数据交换和程序加载通信接口 6、LC4384 ISP 数据接口（CPLD）7、LCD 显示接口 8、键盘接口 9、DSP HPI 接口 10、其他 IO 输入输出接口（四）专项实验模块（四）专项实验模块 专项实验模块用大规模可编程逻辑器件（LVC384）和存储器（RAM）构成，可以完成扰码、交织和纠错编码等实验，实现硬件逻辑的高速处理方法。从另一角度展示通信技术的实现方法。主要器件包括：1、LC4384 ISP 可编程逻辑器件 2、数据处理存储器（62256）通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 103

20、、ISP 编程接口 4、MCU 通信接口 5、一般用处的 IO（五）（五）GSM 无线无线 MODEM 模块模块 标准的 GSM 无线 MODEM 是为了实现无线移动实验接入公网的实验而设，当插入有效的 SIM 卡，在 MCU 的控制下可以与公网中的任意有线和无线用户通话、收发短信。主要部件有：1、GSM MODEM 模块 2、SIM 卡 3、复位、上电和音频处理/转换电路 该实验箱的实物图如下图示。通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 111.4 实验具体介绍实验具体介绍 本移动通信实验系统第一版可以完成以下五类实验。（一）信源编解码实验（一）信源编解码实验 信源编码实验的目的是让学生

21、了解当前语音压缩编码算法的分类和各类算法的基本原理。实验箱的信源编解码部分实现了多种信源编解码器，主要分为两大类，一类是基于波形编码的 PCM 编码（速率为 64Kbit/s）和自适应预测编码器 ADPCM(速率为 32kbit/s，16kbit/s)，另一类是基于参数编码的 AMBE 编码。（1）PCM 与与 ADPCM 编码编码 主要是关于波形编码的实验。一方面可以让学生通过调整电位器，改变输入 PCM 编码器的直流电平，然后通过示波器观看直流信号通过 PCM 编码后的波形，从而深入了解 A 率13 折线 PCM 编码的原理；另一方面，还可以让学生选择编码方式（64kb/s PCM，32k

22、b/s ADPCM,16kb/s ADPCM），通过语音录制和延时回放，从主观听觉上对比不同速率下的波形编码的语音质量。（2）改进的多带激励算法（）改进的多带激励算法（AMBE）AMBE 算法是一种混合编码的语音压缩编码算法。在本实验中，学生可以通过试验平台配置不同的语音压缩速率（20kbs96kbs），通过语音录制、延时回放和时钟波形关系，从主观听觉上观察不同速率下，语音质量的变化和速率的关系。（二）信道编解码实验（二）信道编解码实验 信道编码实验的主要目的是让学生了解差错控制与信道编码的基本原理。通过实验可以深入了解几种常用的差错编码原理及其纠错性能。信道编码与解码实验（对应于实验内容中3

23、、4、5、6 实验）主要包括：线性分组码+交织、循环码、卷积码和扰码的编解码器。（1）分组码交织与解分组码解交织）分组码交织与解分组码解交织 本实验以（7，4）汉明码结合（87）交织器为例，一方面，用软件演示交织在纠信道突发差错中的作用。另一方面，本实验箱还配置了一块以 Lattice MACH 4384 的 CPLD 为核心芯片的子板。通过该子板，可以用 Verilog HDL 语言编写程序，适配成功后，将程序下载到 CPLD，用硬件的方法实现上诉分组码交织与解分组码解交织功能。更深入地了解交通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 12织和分组编码实现的方法。（2）循环码的编码和解码）循

24、环码的编码和解码 本实验以（15，7）系统循环码为例，一方面，用软件演示该循环码的纠错性能。另一方面，本实验箱还配置了一块以 Lattice MACH 4384 的 CPLD 为核心芯片的子板。通过该子板，可以用 Verilog HDL 语言编写程序，适配成功后，将程序下载到 CPLD，用硬件的方法实现上诉（15，7）系统循环码功能。更深入地了循环码编码和解码的实现方法。（3）卷积码的编码及解码（）卷积码的编码及解码（Viterbi 解码）解码）本实验以（2，1，2）卷积码为例，一方面，用软件演示该卷积码的纠错性能。另一方面，本实验箱还配置了一块以 Lattice MACH 4384 的 CP

25、LD 为核心芯片的子板。通过该子板，可以用 Verilog HDL 语言编写程序，适配成功后，将程序下载到 CPLD，用硬件的方法实现上诉卷积码的编码和解码功能。更深入地了解卷积编码和 Viterbi 解码的实现方法。（4）扰码与解扰）扰码与解扰 本实验以 8 位线性移位寄存器实现的 m 序列为扰码序列，一方面，用软件演示扰码的作用。另一方面，本实验箱还配置了一块以 Lattice MACH 4384 的 CPLD 为核心芯片的子板。通过该子板，可以用 Verilog HDL 语言编写程序，适配成功后，将程序下载到 CPLD，用硬件的方法实现上诉扰码和解扰码功能，更深入地了扰码实现的方法。（三

26、）调制解调实验（三）调制解调实验 该部分包括 GMSK 调制解调、QPSK 调制解调和扩频调制/解扩频三个实验。这是目前移动通信系统中所用到的主流调制方式。（1）GMSK 调制、解调实验调制、解调实验 介绍了 GMSK+FM 调制/解调和 GMSK 正交调制/解调 2 种方式，实现了 GMSK 正交调制/解调。采用了差分解调方式，实现了符号同步、差分解调、符号判决等过程，并通过虚拟示波器和实验箱上的 DAC，生动再现了调制解调各环节的信号波形变化情况。（2）QPSK 调制、解调实验调制、解调实验 介绍了 QPSK 调制和解调原理、载波同步机制、符号同步机制和差分编解码原理。通过虚拟示波器和实验

27、箱上的 DAC，生动再现了调制解调各环节的信号波形变化情况。通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 13（四）系统实验（四）系统实验 系统实验的目的是让学生掌握话音和信令的帧结构及其形成过程；掌握 GSM 基本的呼叫和管理信令流程，包括开机 IMSI 附着过程；MS（移动台）主叫、被叫信令过程；移动性管理中的位置更新过程。为了让学生更清楚得掌握信令流程，信令的交互过程有两种模式，正常工作模式和单步模式。在正常工作模式下，当 MS 和 BS 收到某个事件，信令交互过程以正常工作速度进行，速度较快；在单步模式下，信令的交互过程速度较慢，由学生按动“下一步”键控制信令的交互，从而使学生可以一边对

28、照实验指导书学习信令内容，一边观察信令交互过程。另外，通过实验学生还可以掌握移动台进行开机、关机、位置更新（漫游）等动作时，系统相应数据库内容的改变情况。各参数的内容将在学生平台界面上显示。本部分有五个实验。（1）GSM 移动台开机入网和关机实验移动台开机入网和关机实验 学生在移动台入网和关机实验中，A、可以清楚得看到移动台在开机后，MS 同网络之间的信令交互过程；B、开机后，MSC/VLR 的数据列表中对于本 MS 参数的改变。C、按动关机键后，MS 和网络之间信令的交互过程以及 MSC/VLR 参数列表的改变情况。（2）移动性管理实验）移动性管理实验 GSM 移动性管理实验主要是模拟 MS

29、 进行两种位置更新过程：MSC/VLR 内位置更新、跨 MSC/VLR 位置更新。通过此实验，学生一方面可以从界面上观察到 MS 进行位置更新时，MS、BS、MSC/VLR、HLR 这些实体之间的信令交互过程。另一方面，学生平台上还模拟了 MS、MSC/VLR、HLR 内部的数据库信息，可以让学生看到，位置更新后，各个实体中对此 MS 记录的改变，从而实现对 MS 的位置跟踪。（3）移动台主叫实验）移动台主叫实验 本实验中，学生将在学生平台上输入被叫号码并按动发送键，开始移动台主叫实验。同被叫学生平台合作，学生平台界面中将看到移动台主叫时，MS 和 BS、MSC 之间的信令交互过程。交互过程结

30、束后，主叫学生平台和被叫学生平台就可以进行通话。通话结束后，在界面上还将显示话音释放过程中的信令交互过程。（实验方式有单步操作和正常执行两种形式）。此外，通过与被叫合作，还能够观察到：A、被叫号码不存在。B、被叫不开机或被叫忙。通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 14C、被叫长时间不接听电话 等意外事件发生时的信令交互过程。（4）移动台被叫实验）移动台被叫实验 本实验中，学生平台上的 MS 作为被叫 MS，实验的前提是其他的学生平台上的 MS 主呼此学生平台。学生平台界面上将显示移动台被叫时，MS 和 BS、MSC 之间的信令交互过程。交互过程结束后，主叫学生平台和被叫学生平台就可以进

31、行通话。通话结束后，在界面上还将显示话音释放过程中的信令交互过程。（5）GSM 协议帧结构实验协议帧结构实验 GSM 协议帧结构实验，分为两类：数据帧结构实验和信令帧结构的实验。在数据帧结构的实验中，将向学生展示语音数据如何进行编码、分块、交织、最终形成物理层突发的过程，每一步过程完成后数据的状态如何。在信令帧结构的实验中，我们以呼叫控制层（CC层）产生的 Set up 消息为例，说明了信令如何经过信令 L3、L2（数据链路层）、L1（物理层）的处理由信令消息变为数据链路层帧、再通过信道编码、交织、最终成为物理层突发的过程。（五）（五）900MHz GSM 手机系统实验手机系统实验 实现 GS

32、M 系统的登录、主叫、被叫和短消息的收发等功能。该实验由于采用了运营商的移动网络，实验时，需要 SIM 卡。作为扩展实验，提供了一种透明模式，可以在命令窗口上输入各种 AT 命令，对所采用的 GSM 模块进行各种操作，包括电话呼叫（如呼入、呼出、振铃指示、摘机/挂机、来电号码指示、音量调节等）、短消息（发送短消息、来消息指示、读短消息、删除短消息、短消息列表、TEXT/PDU 模式切换等）和其他常用命令，共计 100 条以上。通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 15第二章 语音压缩编码 第二章 语音压缩编码 2.1 预备知识预备知识 2.1.1 语音压缩编码分类语音压缩编码分类 语音是

33、人类互相之间进行交流时使用最多、最自然、最基本也是最重要的信息载体。由于语音的特殊作用，人们历来十分重视对语音信号和语音通信的研究。语音信号处理包括语音编码、语音识别、说话人识别、语音合成等技术，其基础都是对语音信号特征的认识，都要利用数字信号处理的一些基本技术来分析和处理语音信号，而更深层次的发展涉及人的发音和听觉机理，与生理学、语言学甚至心理学有关。数字语音有许多模拟语音不可比拟的优点：它便于传输和存储，能够在噪声信道中进行可靠传输，易于交换，能够方便地加密传输。语音信号数字化的理论依据是我们熟知的采样定理，即只要采样频率足够高，就可以用时域上周期抽取的样点来表示一个带限信号。由于未经任何

34、处理的数字语音数据量很大，若不经过处理，那么在传输和存储时会占用大量的信道资源和存储空间，给系统提出很高的要求，因此数字语音一般都要进行压缩编码。在保证一定的编码语音质量的前提下如何高效率地进行压缩编码，或者在给定信息速率的前提下如何提高编码后的语音质量，是语音编码研究的重点。通常语音编码需要在保持语音的音质、降低编码速率和降低算法的计算复杂度三方面进行综合考虑和折中。语音信号的离散表示基本上可以分为两大类：波形表示和参数表示。波形表示仅仅是通过采样和量化的过程保存模拟语音信号的“波形”，而参数表示则是把语音信号表示成某种语音产生模型的输出。目前，语音编码的研究主要分为两大分支：波形编码和参数

35、编码。目前还常采用混合编码的方案，它结合了波形编码和参数编码的优点，也可归于参数编码分支中。1)波形编码以尽可能无失真重构语音波形为目标，编码时以波形逼近为原则，直接在时域上或变换域上进行编码。这种方法压缩效率不高，在 6416 Kbs 的速率上能够合成出很高的语音质量，但速率进一步下降时，编码语音的质量将大幅度下降。常用的波形编码有：脉冲编码调制(pulse code modulation，PCM)、差值脉冲编码调制（DPCM）、增量调制(DM)以及它们的各种改进型自适应差分编码（ADPCM）、自适应增量调制（ADM）、自适应差值通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 16脉冲编码调制(

36、ADPCM)、自适应传输编码（Adaptive Transfer Coding，ATC）和子带编码（SBC）等。波形编码的特点是：高话音质量、高码率，适于高保真音乐及语音。2)参数编码的出发点与波形编码不同，它以尽可能保持语音的可懂度为原则，通过为语音信号建立数学模型，根据给定的语音信号计算模型参数并量化编码来实现。由于模型参数相对于语音波形而言数据量很小，因此压缩效率很高，速率大都在 16 Kbs 以下，甚至可降到 1 Kbs 以下。参数编码虽然可能导致重建语音与原始语音在时域波形上有很大区别，但可懂度仍然能够保持在一个很高的程度上。目前的研究方向主要集中于三条主线上：基于开环搜索的 LPC

37、 语音编码箅法、基于分析合成(ABS)法的 LPC 语音编码算法以及多带激励(MBE)语音编码算法。参数编码比特率可压缩到 2Kbit/s-4.8Kbit/s，甚至更低，但语音质量只能达到中等，特别是自然度较低。参数编码特点：压缩比大，计算量大，音质不高，廉价！3)混合编码使用参数编码技术和波形编码技术，计算机的发展为语音编码技术的研究提供了强有力的工具，大规模、超大规模集成电路的出现，则为语音编码的实现提供了基础。80 年代以来，语音编码技术有了实质性的进展，产生了新一代的编码算法，这就是混合编码。采用参数编码和混合编码方案的语音编码器称为声码器。它将波形编码和参数编码组合起来，克服了原有波

38、形编码和参数编码的弱点，结合各自的长处，力图保持波形编码的高质量和参数编码的低速率。如：多脉冲激励线性预测编码（MPLPC），规划脉冲激励线性预测编码（RPE-LPC），码本激励线性预测编码（CELP）等都是属于混合编码技术。其数据率和音质介于参数和波形编码之间。2.1.2 语音质量及标准语音质量及标准 根据语音压缩编码的采样率，可以分为窄带(电话带宽 3003400 Hz)语音压缩编码、宽带(7 kHz)语音压缩编码和 20 kHz 的音乐带宽压缩编码。窄带语音压缩编码的采样率通常为8 kHz，一般应用于语音通信中。宽带(7kHz)语音压缩编码的采样率通常为 16 kHz，一般用于要求更高音

39、质的应用中，如会议电视。而 20 kHz 宽带主要是适用于音乐数字化，采样频率高达 44.1 kHz。窄带语音编码按编码后的速率来分，可以分为高速率(32 Kbs 以上)、中高速率(1632Kbs)、中速率(4.816 Kbs)、低速率(1.24.8 Kbs)和极低速率(1.2 Kbs 以下)五大通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 17类。近几十年来，语音编码技术发展非常迅速。以窄带语音编码为例，自 20 世纪 70 年代推出 64 Kbs PCM 语音编码国际标准以来，已相继有 32 Kbs ADPCM、16 Kbs LD-CELP、8Kbs CS-ACELP 等国际标准推出。而地区

40、性或业务性的标准也有不少，如第二代移动通信系统中的语音编码，美国国防部制定的 4.8 Kbs 和 2.4 Kbs 保密电话标准等。目前，在 2.4Kbs 以上的编码速率，合成语音质量已得到人们的认可，并已广泛应用。未来的研究重点是突破 2.4 Kbs 以下极低速率的语音编码技术和算法。衡量语音编码算法的好坏，最根本的指标是合成语音质量的好坏。由于声码器在实际应用场合中不可避免地将受到背景噪声的干扰，因此在安静环境以及噪声环境下的合成语音质量好坏，即算法的顽健性也是一个很重要的衡量指标。人们提出了许多方法来评价语音编码质量，归纳起来可分成主观评价方法和客观评价方法两类。主观合成质量评价方法是对合

41、成话音可懂度、清晰度和自然度的量化。一般采用平均主观值 MOS(Mean Opinion Score)、DRT(Diag-nostic Rhyme Test)等主观评价方法。主观评价方法符合人类听话时对语音质量的感觉，但测试手段复杂，效率低。客观评价方法是指用客观测量的手段来评价语音编码质量，常用的方法是分段信噪比、倒谱距离等。它们都是建立在度量均方误差的基础上，其特点是测量方法简单、费用少，但不能完全反映人对语音质量的感觉(即与主观评价方法有一定距离，不能适用于各种算法、各种条件)，而且客观评价方法性能的优劣与可靠程度最终要通过比较其与主观评价结果是否一致来衡量。一个平均主观值 MOS 是

42、4 或更高，被认为是比较好的语音质量，而若平均主观值 MOS低于 3.6，则大部分接听者不能满意这个语音质量。虽然平均主观测试准确有效，但是，这个主观方法存在的最大问题就是，在现实中，让一组人接听语音和评价语音的质量实现起来是非常困难和昂贵的，因此人们在不断的探索能进行客观测量的方法。下图是部分语音编码标准的各项性能比较的表格：标准 编码类型 比特（kbps）MOS 复杂性 时延(ms)G.711 PCM 64 4.3 1 0.125 G.726 ADPCM 32 4.0 10 0.125 G.728 LD-CELP 16 4.0 50 0.625 GSM RAE_LPT 13 3.7 5 2

43、0 G.729 CSA-CELP 8 4.0 30 15 G.723.1 ACELP 6.3 3.8 25 37.5 通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 18US Dod LPC-10 2.4 合成语音10 22.5 有关语音压缩编码的具体原理和方法，请参考现代语音处理技术及应用第 7 章，机械工业出版社，作者张雄伟、陈亮。2.1.3 GSM 系统的语音压缩编码（RPE-LTP LPC）系统的语音压缩编码（RPE-LTP LPC）GSM 移动通信系统中最重要的业务是语音业务，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

44、“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 系统中，来自送话器的话音信号经过 8kHz 抽样，13bits 均匀量化变为 104kbits数据流。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。下表给出了这些声码器的参数比较。可知，这四种语音编码所采用的算法是不相同的。我们仅以以 GSM 全速率语音压缩编码为例。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(

45、RPE)，而全速率编解码器就被称为 RPE-LTP 线性预测编码器。RPELTP 编码属于中速率混合型编码，为提取特征参数而作的语音分析利用了语音信号的准平稳性，即在 1020ms 的短时间内可认为语音的特征参数不变。因此可将实际语音信号分成短的时间段，在各个段内分别进行参量提取。来自手机终端送话器的话音信号经过 8kHz 抽样，每抽样 13bits 均匀量化变为 104kbits 数据流。GSM 系统的语音压缩编码处理是按帧进行的，每帧 20ms，含 160 个语音样本，经过 RPELTP 语音压缩编码后成为 260bits 的编码块，即话音编码后的信号速率为 13kbits。进行语音压缩编

46、码时，数据首先通过预加重滤波器来提高信号的高频分量，以获得更好通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 19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。RPELTP 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。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的 LAR 解码成系数，并用来对输入采样值进行滤波。解码 LAR 的原因是为了确

47、保编码器使用解码器上的相同信息来进行滤波。这一级上的其余采样值用于编解码器的 LTP 级。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。图 2.1.3-1 是 GSM 系统中语音压缩编码(RPELTP)算法的框图：图 2.1.3-1 语音压缩编码(RPELTP)算法的框图 然后，13kbits 话音信号进入信道编码进行编码。对于话音信号的每 20ms 段 260bits，信道编码器首先对话音信号中最重要的 Ia 类 50bits 进行分组编码(CRC 校验)，产生 3bits 校验位，再与 132bits 的 Ib 类比特组成 185bits，再加上 4 个

48、尾比特“0”，组合为 189bits，这 189bits再进入 12 速率卷积编码器，最后产生出 378bits。这 378bits 再与话音信号中对无线信道最不敏感的类 78bits 组成最终的 456bits 组。因此信道编码后信道传输速率为 22.8kbits。在典型的谈话过程中，语音仅占总时间的大约 40%。为减少对无线接口的干扰，可采用非连续传输(DTX)，即移动电话仅在有语音信号时才进行传输。GSM 标准(PHASE 2)要求移动台对语音进行检测，将每个时间段分为有声段和无声段。在有声段，进行语音编码产生通信与信息处理实验中心 移动通信实验指导书 20编码语音帧；在无声段，对背影噪

49、声进行估计，产生 SID 帧(静寂描述帧)。发射机采用不连续发射方式，即仅在包含语音帧的时间段内才开发射机。SID 帧是在语音段结束时发射的。接收端根据收到的 SID 帧中的信息在无声期内插入舒适噪声。2.1.4 实验系统语音压缩编码算法简介实验系统语音压缩编码算法简介 本实验系统分两次介绍两种语音压缩编码算法。第一种为 PCM 和 ADPCM，属于波形编码；第二种是美国麻省理工学院(MIT)的 DWGriffin 博士提出的多带激励语音编码方案改进的多带激励语音编码方案（AMBE），该方案属于混合编码技术。2.1.4.1 PCM 与与 ADPCM 语音压缩编码语音压缩编码 1、脉冲编码调制脉

50、冲编码调制 PCM PCM 编码是波形编码中最重要的一种方式。语音的 PCM 编码主要由抽样、量化与编码三个步骤组成。抽样是将时间上连续的模拟语音转换成时间上离散的抽样信号，量化是将幅度连续的语音转换成幅度离散的量化信号，编码是将时间离散且幅度离散的量化信号用二进制数字流表示。按照标准电话信号的规定，抽样前通过预滤波将语音信号的频带限制在3003400 Hz 范围内，这样可以避免频谱的混叠失真。解码端接收到二进制数字流后转换成数字信号，并经低通平滑滤波还原成模拟语音信号。在转换过程中，不可避免地会产生量化误差。根据量化的方式 PCM 又分为：均匀量化 PCM 和非均匀量化 PCM。均匀量化的量