《移动通信原理》课程_第四六章

通信系统中的核心问题:[指标=？]有效性可靠性安全性具体到移动通信：有效性、可靠性与安全性是全系统概念，是很复杂的问题；实现这3类指标的环境与条件更加恶劣，因而达到目标也就更加困难；提高效率的问题更加突出。[特别是由于移动通信的频率资源是有限的]第4章第4章信源编码与数据压缩实际实现中的关联性：与移动通信系统中的3个层次——物理层、网络层和网络规划层都有关系，特别是与蜂窝网的拓扑结构密切相关。涉及方面：仅从物理层来探讨，从有效性看：涉及到信源编码与数据压缩、调制与信道编码技术、多址方式、信号分集接收、天线方向性等诸多因素。第4本章仅讨论在物理层决定有效性的最主要因素之一：信源编码和数据压缩技术。信源编码作用：压缩信源输出的信息率，提高系统有效性实现原理：主要是利用信源的统计特性，解除信源相关性，去掉信源冗余信息。发展过程：•第二代(2G)数字式移动通信系统：语音压缩编码：[语音业务]。•第三代(3G)数字式移动通信系统：语音压缩编码+各类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面[包含语音、数据和图像在内的多媒体业务]信源编码的关联技术要点：压缩语音编码的码率，提高通信系统的有效性。原理：解除语音信源的统计关联。语音压缩编码分为以下3类波形编码：波形编码是以精确再现语音波形为目的，并以保真度即自然度为度量标准的编码方法。这类编码是保留语音个性特征为主要目标的方法，其码率较高。参量编码：又称为声码器。参量编码是利用人类发声机制，仅传送反映语音波形变化主要参量的编码方法。在接收端，可根据发声模型，由传送过来的变化参量激励产生人工合成的语音。参量编码的主要度量标准是可懂度。[评看：以提取并传送语音的共性特征参量为主要目标的编码方法，其码率较低。]混合编码：又称为软声码器。混合编码是吸取上述两类编码的优点，以参量编码为基础并附加一定的波形编码特征，以实现在可懂度基础上适当改善自然度目的的编码方法。其码率介于上述两类编码之间。4.1语音压缩编码技术比较：质量：波形编码混合编码参量编码压缩倍数:波形编码混合编码参量编码应用情况：•公用骨干(固定)通信网：波形编码。•移动通信网：混合编码。•特殊通信系统[如军事与保密通信系统]：参量编码3类压缩编码的理论性能估计理论支撑：信息论方法比较1.波形编码的性能估计当语音质量达到进入公网要求标准时，压缩比K≈3.4倍；若进一步考虑实际语音分布与主观因素的影响(因为正态分布R(D)值最大)，其压缩倍数可以进一步增大，取K=4(保守值)实际应用：语音速率可以从未压缩的PCM64Kbps降至1／4速率的16Kbps。目前水平：已实用化的DPCM为32Kbps。思路：语音可以采用各种不同形式的参量来表达。具体应用：采用最基本的参量“音素”。以英语音素为例进行分析。条件：英语中共有音素27(=128)～28(=256)个。按照通常讲话速率，每秒大约平均发送10个音素。汉语音素=？ask由信息量计算公式，对等概率事件有：I=log2N，N为总组合数，则2.参量编码的性能估计最后可计算出压缩比K为)2.1.4(80)256(loglog)(10221bpsNI上限)3.1.4(70)128(loglog)(10222bpsNI下限)4.1.4(800914807064倍bpsKbpsK简介：混合编码的理论压缩比是介于上述两类编码之间，且与语音质量需求有关。若要求混合编码偏重于个性特征，则其压缩比靠近波形编码的压缩比值；若要求混合编码偏重于共性，则其压缩比靠近于参量编码。3.混合编码的性能估计4.1.2数字通信中的语音编码移动通信的技术要求：1)移动通信中由于频率资源有限，因此要求语音编码采用低码率；2)由于移动通信信号可能要进入公共骨干通信网，因此必须基本满足公共骨干网的最低要求；3)移动通信属于民用通信，还必须满足个性化指标要求。结论：高质量的混合编码是移动通信中的优选方案[低数据比特率、高压缩比]。低数据比特率、高压缩比的混合编码中技术指标：有4个主要参量数据比特率；语音质量；算法复杂度；处理时延。混合编码的任务或研究内容：力图使上述参量及其关系达到综合最优化。1.数据比特率(bps)[简tell]数据比特率：度量语音信源压缩率和通信系统有效性的主要指标。相互关系或关联性问题：数据比特率越低，压缩倍数就越大，可通信的话路数也就越多，移动通信系统也就越有效。数据比特率低，语音质量也随之相应降低。为了补偿质量的下降，往往可以采用提高设备硬件复杂度和算法软件复杂度的办法，但这又带来了成本与处理时延的增大。移动通信的技术要求降低比特速率的其它有效方法：采用可变速率的自适应传输，它可以大大降低语音的平均传送率。[思路=？]进一步采用语音激活技术，充分利用至少3／8的有效空隙，可获得大致约2.67dB的有效增益。[与上4个指标的关系，见查ATM研课件技术评估]注：语音激活技术：语音激活技术是建立在通话双方句子间、单词间存在可利用空闲的原理上，对于TDMA系统，首先要检测可利用的空隙，然后再采用插空技术加以利用。对于CDMA系统，由于各路语音同频、同时隙，则可以很方便地利用所有空隙间隔，即各路语音的空隙是随机产生的，从而可以达到互补的效果。移动通信的技术要求-2度量语音质量：一个非常困难的问题。度量有客观与主观两个角度。客观度量可以采用信噪比、误码率、误帧率，相对来说比较简单、可行。主观度量较难，因为接受语音的是人耳，所以语音质量主要是由人耳主观特性来判断。以主观度量为主，度量语音质量。主观评判方法：目前国际上常采用的主观评判方法称为MOS方法，它是原CCITT(ITU-T前身)建议采用的平均评估得分法(M0S)。平均评估得分法(M0S)：一般主观质量评分分为5级，[5分考试类比]5分(第5级)，Excellent表示质量完美；4分(第4级)，Good表示高质量；3分(第3级)，Fair表示质量尚可(及格)；2分(第2级)，Poor表示质量差(不及格)；1分(第l级)，Bad表示质量完全不能接受。注：MOS：MeanOpinionScore2.语音质量进入公共骨干网：达到4级以上，即Good高质量；基本进入移动通信网：达到3.5级以上，即Fair质量尚可（及格）以上。实际应用MOS3.复杂度与处理时延[简说]语音编码的实现方式：通常可以采用数字信号处理器DSP来实现复杂度有两方面，a)硬件复杂度：取决于DSP的处理能力；b)软件复杂度：主要体现在算法复杂度上，是指完成语音编、译码所需要的加法、乘法的运算次数，一般采用MIPS即每秒完成的百万条指令数来表示。典型值：通常，在取得近似相同语音质量的前提下，语音码率每下降一半，MIPS大约需增大一个数量级。复杂度与处理时延的关系：算法复杂度增大，会带来更长的运算时间和更大的处理时延。与语音质量的关系：在双向语音通信中，处理时延、传输时延再加上未消除的回声是影响语音质量的一个重要指标。各系统实际应用情况GSM：基本原理基于线性预测编码。为满足GSM系统的窄带通信模式。有速率为13k的全速率（FR）编码技术[常用]：规则脉冲激励线性预测编码技术（RPE-LPT）。速率为12.2k的增强型全速率（EFR）编码技术：代数码激励线性预测编码技术（ACELPT）。速率为6.5k的半速率（HR）:矢量和激励线性预测编码技术编码方式（VSELP）。GSM系统的RPE-LTP声码器原理RPE-LTP声码器采用等间隔，相位与幅度优化的规则脉冲作为激励源，以便使合成后的波形更接近原始信号。该方案结合长期预测以消除信号的冗余度，降低编码速率，同时其算法较简单，计算量适中且易于硬件实现。GSM系统的RPE-LTP声码器原理选做:按以下五个给出算法的公式和实现框图,给出程序)REP-LTP编码器包括五个部分：预处理，线性预测分析(LPC)，短时分析滤波，长时预测以及规则脉冲激励编码(RPE)。M预处理LPC分析短时分析滤波器长时分析预测加权滤波规则激励码编码器LAR编码器长时参数编码器APCM量化器)(iXmmaxXjNjb()LARi预处理:用8kHz采样频率对输入的模拟语音信号进行采样得到离散语音信号S0(n)；滤除S0(n)中的直流分量，得到S0f(n);采用一阶有限冲激响应（FIR）滤波器进行高频预加重，得到信号S(n)(加重的目的是加强语音谱中的高频共振峰，使语音短时谱及线性预测LPC分析中余数谱变得更平坦，从而提高谱参数估值的精确性。)线性预测分析(LPC):(一个语音的抽样值可用该样值以前若干个语音抽样值的线性组合来逼近).输入为预处理的语音信号S(n),结果为提取LPC参数.语音信号经分帧缓冲器中分成为20ms(160个样点)的语音帧；按帧计算9个相关系数；用Schur递归算法计算8阶反射系数γ(线性滤波器参数）；变换为对数面积系数LAR利用折线进行近似；对LAR量化编码，得到LARc；短时分析滤波:采用8阶FIR滤波器得出余量信号d.对LAPc（LAP量化编码）进行译码；对当前及以前的系数在5ms周期内进行线性内插;经插值后的LAR’再变换为反射系数γ’;每20ms重复一次，产生160个预测误差信号样点值d;长时预测:进一步消除余量信号d的多余度。比较RPE侧重建的激励信号e’及经Nc和bc译码输出及计算出余量信号d的估计值d”,得到恢复出的短时余量d’;根据当前子帧余量d及恢复出的短时余量d’进行长时预测(计算出40个样点的d和d’的互相关值；由互相关值最大值确定最佳时延N和增益系数b(互相关值R（N）/40个抽样值d平方和）；N和b经7比特编码和2比特编码，输出为Nc和bc；规则脉冲激励编码(RPE):比较短时分析滤波得出的余量信号d与长时预测余量信号d的估计值d”,得到余量信号e;将余量信号e进行规则脉冲序列提取及量化编码（按子帧，即40个样点）进行处理。输出为6比特编码后的Xm;处理中选取能量最大的序列为规则脉冲激励序列,得到其网络位置Mc。各系统实际应用情况-2CDMA2000系统：EVRC声码器，EVRC(EnhancedVariableRateCodec)即增强型可变速率语音编码器，是由美国电信工业协会TIA／EIA于1996年提出的CDMA2000系统的语音编码方案。1997年通过IS-127标准，其复杂度大约为30MIPS。EVRC语音编码的取样率为8kHz，语音帧长为20ms，每帧有160个取样点。EVRC语音速率分为3种，平均速率为8Kbps：全速率9.6Kbps，其对应每帧参数为171bit；半速率4.8Kbps，其对应每帧参数为80bit；1/8速率1.2Kbps，其对应每帧参数为16bit，CDMAforIS-95：QCELP声码器[Qualcomm公司提出的用于IS-96系统的语音编码标准]。为可变速率的混合编码器，基于线性预测编码的改进型——码激励线性预测，即采用码激励的矢量码表替代简单的浊音的准周期脉冲产生器。QEELP采用可变速率编码，利用语音激活检测(VAD)技术。在语音激活期内，可根据不同的信噪比分别选择4种速率：8Kbps:称为全速率(1)4Kbps:称为半速率(1/2)2Kbps:称为四分之一速率(1/4)1Kbps:称为八分之一速率(1/8)。4.3图像压缩编码应用于：2.5G开始就逐步引入数据业务；第三代移动通信推广为含语音、数据与图像的多媒体业务。4.3.1图像编码标准简介图像的信息量远大于语音、文字、传真和一般数据，它所占用频带比其他类型的业务宽。传输、处理、存储图像信息要比语音、文字、传真及一般数据技术更复杂、实现更困难。图像是比较复杂的信息类型，它一般可划分为3大类型。(1)静止图片：如照片、医用图片、遥感图片等，这类图像是完全静止的。(2)准活动图像：可视电话、话剧、各类型会议电视，这类图像是准活动或准静止的，其特点一般是背景基本上是静止的，活动人物是有限度的。(