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  SM中的AM&&&R技北京赛车术GSM中的AMR技术_信息与通信_工程科技_专业资料。语音编码器的选择是数字移动通信系统设计中重要的一步,因为可利用的带宽是有限的,这就需要压缩语音信号的传输速率,使系统能够容纳更多的用户。但是压缩又会影响语音的质量,因此,必须在压缩后的语音质量与系统容量之间寻找一个平衡点

  1、3GPP 中 AMR 语音编码的概念 语音编码器的选择是数字移动通信系统设计中重要的一步, 因为可利用的带宽是有限的, 这就需要压缩语音信号的传输速率, 使系统能够容纳更多的用户。 但是压缩又会影响语音的 质量,因此,必须在压缩后的语音质量与系统容量之间寻找一个平衡点。 第三代移动通信系统中采用了 AMR 的语音编码方式, 它与以前的移动通信语音编码方 式不同。以前的移动通信语音编码都是采用了固定的编码速率和相同的容错度,而 AMR 语 音编码则是让容错度随无线信道和传输环境的改变而改变,因此人们称之为自适应。AMR 中的每种语音编码速率都提供了不同的容错度,实际的语 音速率主要取决于现存的无线 给出了在移动通信系统中使用 AMR 语音编码时系统接口的主要信息流。 图 1 系统接口上的主要信息流 在上下行链路中,语音数据帧都是和语音编码模式以及建议(或命令)的下一帧语音编 码模式指示一起传送的, 在基站 (BS) 语音编码模式指示必须传送给代码转换单元 端, (TRAU) 以便选择正确的信源译码。 为了得到上行语音编码模式的命令, 基站必须估计当前信道质量, 指示在当前传播环境中应采用的最佳语音编码模式, 并通过空中接口将此命令传送给移动台 (MS) ;为了得到下行语音编码模式的命令,移动台需要估计下行链路信道质量,并将此质 量信息传送给基站,基站就会发出“建议”下行语音编码模式指示。 2、AMR 语音编码中三种模式介绍 为了说清楚 AMR 语音编码的自适应技术, 在这里有必要先对 AMR 语音编码中的三种不 同模式作一简要介绍。 2.1、信源编码模式 这里的信源编码模式就是指语音编码模式,即:对语音进行压缩编码后的速率。它一 共有 8 种速率模式,即:12.2 kbit/s, 10.2 kbit/s, 7.95 kbit/s, 7.40 kbit/s, 6.70 kbit/s, 5.90 kbit/s, 5.15 kbit/s 和 4.75 kbit/s。 2.2、信道编码模式 这里的信道编码模式就是指与上述可变信源 (语音) 编码模式相对应的可变速率信道纠 错编码模式,即:在传输中对压缩语音进行纠错编码所需要的速率。 2.3、信道模式 这里的信道模式是由网络中无线资源管理函数决定的, 即网络根据当时 (呼叫建立或蜂 窝小区切换时)的信道质量和信道占用情况(如频率和频带占用)给通信双方分配的固定速 率信道模式。信道模式有两种,即:全速率信道模式和半速率信道模式,全速率信道模式的 速率是 22.8 kbit/s, 半速率信道模式的速率是 11.4 kbit/s。 GSM 通信中, 在 信道模式 (速率) 就是信源编码模式(速率)与信道编码模式(速率)的总和。比如说在 GSM 全速率(FR) 语音编码传输中,全速率信源(语音)编码速 率是 13 kbit/s,信道编码速率是 9.8 kbit/s, 则全速率信道模式的速率是 22.8 kbit/s;在 GSM 增强型全速率(EFR)语音编码传输中,信 源(语音)编码速率是 12.2 kbit/s,信道编码速率是 10.6 kbit/s,则全速率信道模式的速率 也是 22.8 kbit/s。 3、信道质量估计器 信道质量估计是 AMR 编码自适应技术的基础,只有准确而及时地得到信道质量信息, 才能根据判决准则对语音编码模式做出正确的选择,保证 AMR 编码的语音质量。自适应编 码器中的信道质量估计器主要包括 3 个模块:信道状态信息(CSI)产生器、FIR 滤波器、信 道度量产生器。基站和移动台的信道质量估计的流 程如图 2 所示: 图 2 基站和移动台的信道质量估计流程图 信道质量估计器是根据接收信号的归一化载(载波信号)干(干扰信号)比 C/I 来进 行估计。C/I 的值是根据均衡器算法一个脉冲接一个脉冲的预测接收信号的 C 和 I 值,然后 得出当前脉冲的 C/I 预测值。 信道质量估计的具体步骤是: 首先用 2 个 (半速率信道 模式) 或 4 个(全速率信道模式)脉冲的 C/I 预测值来计算信道状态信息(CSI),得到当前信道的短 时质量,然后将输出值转换为 dB 后传递给 FIR 滤波器(全速率信道模式 FIR 滤波器阶数为 100,半速率信道模式 FIR 滤波器阶数为 50) ,滤波起平滑和预测的作用,最后将滤波器的输 出和一定的门限值比较, 得到一个表示 4 种信道质量的 2 比特输出(如表 1 所示) ,并将此 信道质量输出传送给基站控制单元进行信源编码模式和信道编码模式的自适应切换。 表 1 信道度量与信道质量表 4、AMR 语音编码的自适应技术 相比现在的 GSM 声码器采用固定的编码速率,AMR 声码器则可根据无线信道和传输 状况来自适应地选择一种最佳信道模式(全速率或半速率)和信源编码模式(以比特率来区 分)进行编码传输。AMR 选择最适合的信道模式和信源编码模式以提供语音质量和系统容 量的最佳组合。AMR 语音编码器根据信道状况进行自适 应切换的技术包括两个方面,即: 信道模式的自适应,信源编码模式和信道编码模式的自适应。 4.1、信道模式的自适应 信道模式的自适应切换比较稳定,仅在每次和系统建立呼叫连接或进入新的蜂窝小区 时进行切换,网络根据当时的信道质量和信道占用情况(如频率和频带占用) 给通信双方 分配固定的信道速率模式。 上下行链路理论上可以采用不同的信道模式, 但实际通信中应该 采用相同的信道模式(全速率信道模式或半速率信道模式的一种) ,即:在每次和系统建立 呼叫连接或进入新的蜂窝小区时, 网络就根据信道情况给通信双方分配固定的信道速率模式, 要么是全速率信道模式, 要么是半速率信道模式。 全速率信道模式提高了无线信号临界条件 下对信道误码的稳健性, 这样可以通过采用更紧密的频率复用模式来提高容量; 半速率信道 模式情况下只为获得最大容量, 相对于 FR 或 EFR 可多获得 100%的容量, 而且在误码率较低 时语音质量很好。一旦信道模式确定后,在通话过程中就不再发生切换,然后信源编码模式 和信道编码模式就根据确定的信道模式和通话过程中的信道质量进行自适应切换。 与全速率 信道模式对应的信源编码模式共有 8 种速率模式, 12.2 kbit/s, 10.2 kbit/s, 7.95 kbit/s, 7.40 即: kbit/s, 6.70 kbit/s, 5.90 kbit/s, 5.15 kbit/s 和 4.75 kbit/s; 与半速率信道模式对应的信源编码模 式共有 6 种速率模式,即:7.95 kbit/s, 7.40 kbit/s, 6.70 kbit/s, 5.90 kbit/s, 5.15 kbit/s 和 4.75 kbit/s。 4.2、信源编码模式和信道编码模式的自适应 信源编码模式和信道编码模式的自适应切换是在信道模式固定的前提下, 在通话过程中 根据估计的信道质量进行自适应切换,即:在总的信道传输速率不变的情况下,自适应地改 变信源编码速率和信道编码速率, 从而使语音质量和系统容量达到完美的结合。 这种切换是 非常快速的, 从理论上讲可以每隔一个语音帧就发生一次, 从而能够及时对信道的变化作出 反应, 但实际上由于传播延时和编码自适应函数中必要的滤波处理, 这种切换以较低的速率 改变。在坏的信道条件(深衰落)下,信道编码中的冗余比特数不足以纠正传输错误,这时 应提高信道编码速率(增加冗余比特数)而减小信源编码速率来保障通话质量;相反,在好 的信道条件下,应增加信源编码速率来提高语音质量。 5、源控速率(SCR)操作 在信道模式固定的前提下, 信源编码模式和信道编码模式在通话过程中根据估计的信道质量 进行自适应切换,同时考虑到输入语音信号不激活的情况下,信源控制的速率(SCR)操作 通过允许以较低的速率对输入的语音信号进行编码,可以节省用户设备(UE)的耗电量和 降低整个网络的干扰和负载。 SCR 操作包括发送端(TX)的话音激活检测(VAD)和发送端对背景噪声的估计,北京赛车并将 有关的特征参数传送给接收端(RX) ,以便接收端根据这些特征参数在不发送语音期间重构 与发送端类似的舒适背景噪声。一个具有 SCR 操作的连接如图 3 所示: 图 3 一个具有 SCR 操作的连接图 5.1、发送端(TX) SCR 操作如图 4 所示: 图 4 发送端的 SCR 功能框图 发送端的 SCR 控制器通过专用信道, 将已分别指明了发送类型的数据交给成帧器。 每帧 由信息比特、编解码模式指示和发送类型组成。发送类型用于说明发送帧中的内容,如表 2 所示: 表 2 SCR 中发送帧类型指示内容表 (1)SCR 定时器(延迟保护) 当系统重新设置后, 为确保发送端的 SCR 操作正常运行, 将所有帧都视为无限长时的语 音帧。 因此, 为确保舒适背景噪声参数在接收端进行正确计算, 即使 VAD 指示为无声状态, 重新设置后的前 7 帧都必须被指示为“SPEECH_GOOD”。 图 5 用于 AMR 中 SCR 的延迟保护示意图(Nelapsed 23) 当系统正常运行以后,VAD 将一直运行,对每帧进行评估以确定其是否为语音帧,并输 出二进制标识符,该标志直接决定了发送端的 SCR 操作。当检测到有语音时,语音编码输出 帧将加上“SPEECH_GOOD”标志,直接传输给接入网络(AN)发送出去;当一段语音结束时, 将需要 8 个连续帧去产生一个静音描述帧(SID) 。通常,为了增强 SID 帧的质量,采用了延 迟保护功能, 即在语音结束后的前 7 帧都加上“SPEECH_GOOD”指示直接传输给接入网络, 而 第 8 帧标识指示为“SID_FIRST”,“SID_FIRST”帧不包含任何数据。图 5 给出了相应的延迟保护 示意图。 如果语音的脉冲末端距上一个 SID_UPDATE 帧开始计算少于 24 帧,那么就将最近分析 的 SID_UPDATE 帧直接传递至接入网络,直到新的更新 SID 分析有效,这样就避免了延迟等 待而减少了网络负载。一旦 SID_FIRST 帧被发送,只要连续无语音,发送端的 SCR 操作就周 期地(每 8 帧)发送 SID_UPDATE 帧,第一个 SID_UPDATE 帧需要在 SID_FIRST 帧后的第 3 帧 发送出。如果发送类型是“SPEECH_GOOD”,则语音编码器就以全语音模式运作,因为不是所 有编码函数都需要舒适背景噪声参数估计而且舒适背景噪声参数是按确定的时间间隔产生 的。 (2)发送端的接入网络(AN) 发送端的接入网络(AN)主要完成以下功能:当说话者停止交谈时,在 SID_FIRST 帧被 传送后,传送即被切断;在语音暂停中,就周期性地传送 SID_UPDATE 帧,使得在接收端产 生的舒适背景噪声能够得到更新。它利用发送端 SCR 中的发送类型来控制以上操作。 5.2、接收端(RX) 接收端的 SCR 操作如图 6 所示: 图 6 接收端的 SCR 功能框图 接收端接入网接收到的帧类型见表 3: 表 3 SCR 中接收帧类型指示内容表 接收端接入网将所有接收到的帧经过解帧器传送到接收端的 SCR 控制器。 接收端的 SCR 控制器根据接收到的帧类型进行操作,它有两个主要模式:语音 (SPEECH)模式和舒适背 景噪声(COMFORT_NOISE)模式,初始的模式是 SPEECH。接收端的 SCR 具体操作过程为: (1)当接收到的帧被确认是 SPEECH_GOOD 帧时,接收端的 SCR 操作就进入 SPEECH 模 式,这时 SCR 控制器将接收到的语音帧直接传送给语音解码器进行译码。 (2)如果接收端的 SCR 操作进入 SPEECH 模式,而接收到的帧被确定为 SPEECH_BAD 或 NO_DATA,则 SCR 控制器将接收到的语音帧进行弱化或用静音替代。 (3)如果接收端的 SCR 操作进入 COMFORT_NOISE 模式,而接收到的帧被确定为 SID_FIRST 或 SID_UPDATE 帧时,则 SCR 控制器就产生舒适背景噪声;而当接收到的帧被确定 为 SID_BAD 帧时,则 SCR 控制器就将 SID_BAD 帧用静音替代。在 COMFORT_NOISE 模式下, 接收端的 SCR 操作将所有无用帧 (NO_DATA, SPEECH_BAD) 忽略而持续产生舒适背景噪声。 6、小结 通过以上分析我们可以看出, 第三代移动通信系统中由于采用了自适应多速率 (AMR) 技术和源控速率操作(SCR)技术,使得移动通信系统能够工作在最佳 的信源编码速率和信 道编码速率模式下, 以提供语音质量和系统容量的最佳组合, 同时考虑到输入语音信号不激 活的情况下允许以较低的速率对输入的语音信号进行 编码,从而大大降低了整个网络的干 扰和负载。

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