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无线电电子与电气工程百科全书 数字蜂窝通信系统中的语音编码。 无线电电子电气工程百科全书
本文回顾了电信中数字语音编码的一般原理。 作者足够详细地介绍了数字蜂窝通信系统中使用的非常复杂的编码过程。 理论研究和原创工程解决方案使得制造优雅的小型用户无线电话成为可能。 其中发生的复杂过程是用户甚至许多电信专家都不知道的，读者将从本文中了解到。 早在电通信出现之前，语音信号的奥秘就引起了研究人员的注意。 早在 1707 世纪，最伟大的数学家之一、圣彼得堡院士伦纳德·欧拉 (Leonard Euler，1783-16) 在 1761 年 XNUMX 月 XNUMX 日写给一位德国公主的信中写道： ，最重要的发明......这样的机器对我来说似乎并非不可能。 发明说话机器的想法激发了许多创造者的想法，他们不仅试图以欧拉想象的形式创造它，而且还试图将其作为远距离传输语音的手段。 例如，电话的发明者A.G.贝尔（1847-1922）就从事了这种机器的设计。 然而，最终事实证明，即使没有这样的机器，也可以进行远距离的语音传输。 这是非常简单地实现的。 使用麦克风，携带语音的空气振动被转换成电流振动，通过电线传输，在接收端，使用电话，它们再次被转换成空气振动。 这种传输方法被称为模拟，因为传输声音的空气振动和传输声音的电振动之间存在明显的相似性。 对调幅模拟语音传输的研究表明，300 至 3400 Hz 的频带足以保证正常的语音再现质量。 该频段被采纳为国际标准，全球电话网络就是在此基础上建立的。 如今，该网络的运行原理不仅为每个信号员所熟悉，而且为公众所熟悉。 有线通信网络中的数字语音传输 当通信手段转向数字技术时，电话通信的组织方式发生了根本性变化。 数字传输方法的优点众所周知。 让我们只回顾其中最重要的一点——数字技术使得提供任何预定质量的通信成为可能。 对于数字语音传输，需要对语音信号进行模数转换：对模拟信号进行采样、量化和编码。 这些操作的组合称为脉冲编码调制（PCM）。 为了准确描述语音信号的形状，根据科捷尔尼科夫定理，必须以 8 kHz 的频率对其进行采样（即每 125 μs 采样一次），并且为了获得正常的语音再现质量，必须对每个样本进行量化在分为 8192 个级别的尺度上（当选择统一的量化尺度时）。 将每个样本值编码为二进制数需要 13 位。 因此，要使用二进制脉冲序列传输电话通话，需要 8x13 = 104 kbps 的速度（对应于最佳编码的 52 kHz 频带）。 将此数字与模拟传输所需的 3100 Hz 带宽进行比较，人们不禁会对所需带宽的大幅增加感到震惊，而这是以数字传输的优势为代价的。 在实现数字传输系统时，自然会尝试降低传输速率。 朝这个方向迈出的第一步是相当明显的。 量化为 213 个级别是必要的，因为模拟语音信号的级别可能在 60 dB 的范围内变化。 在这种情况下，具有统一量化尺度的高电平信号以与低电平信号相同的步长被量化。 但由于人类听觉器官对信号的感知与信号电平的对数成正比，因此很自然地可以更粗略地量化高电平信号，更准确地量化低电平信号。 通过使用对数定律应用非线性量化，每个样本可以省去八位，同时保持几乎相同的传输质量。 结果，比特率为 64 kbps。 正是这种速度已成为最广泛使用的速度，它被固定在 CCITT 建议 C.711 中，许多国家的 PCM 设备都在其上运行。 速度可以进一步降低吗？ 模拟信号有很多冗余。 这使您可以预测下一个样本并仅传输每个样本的实际值和预测值之间的差异。 如果应用良好的预测方案，信号增量幅度的变化将小于信号本身幅度的变化，这将导致传输信息量的减少。 利用这一原理构建差分PCM（DPCM）和自适应差分PCM（ADPCM），使得由于收发设备进一步复杂化而将语音速率降低至32kbit/s及更低成为可能。 继续使设备复杂化，可以将语音速率提高到 100-300 bps。 例如，可以想象，发送端有一个语音到文本转换器，接收端有一台阅读机。 有一些已知的方法可以进一步降低语音传输的速度，但我们不会详细讨论这一点。 事实是，以 64 kbit/s 的速度进行数字语音传输的设备令每个人都满意，因为使用最简单的对称双绞线电缆时，它的效率很高。 随着城市电话交换机之间连接线的压实，IKM-30 设备开始了它的凯旋之旅。 早些时候，可以通过电缆对组织一条连接线仅传输一次对话，而 IKM-30 设备可以通过同一对电缆组织传输 30 个对话。 在模拟设备的帮助下，最好地利用这样的一对进行多通道通信是不可能的。 后来，IKM-120设备和其他在同轴电缆和光纤上运行的高性能系统出现，有线通信网络中将语音信号传输速率降低到64 kbps以下的尖锐问题实际上得到解决。 即使许多国家基于ADPCM原理实施的速度为32kbps的数字传输设备的众多开发（包括我国在M.U.Polyak领导下进行的开发）也没有得到广泛应用。 有线通信中成道设备带宽的增加与终端设备复杂性之间的平衡尚未向第一种方案倾斜。 数字蜂窝无线电系统中的语音编码 1980 世纪 1990 年代末和 XNUMX 年代初，当蜂窝数字无线电话系统开始发展时，出现了截然不同的观点。 与有线网络通过铺设新线路，即更新带宽资源来实现带宽扩展不同，无线网络有严格的气密性规律，必须面对不可更新的射频资源。 诚然，蜂窝通信的思想正是通过在干扰无线电站的相同频率信号无法到达的地区重复发射频率来更新射频资源。 但这种资源更新的可能性在这里也受到限制，因此为了降低传输速率而使设备进一步复杂化是合理的。 例如，在大多数欧洲国家采用的GSM数字蜂窝通信系统中，标准语音速率为13和6,5kbps。 要实现这样的传输系统，需要转向欧拉机的旧思想，并对语音产生的机制进行更深入的渗透。 众所周知，现代信息传输理论最重要的成果之一是建议将信源编码和信道编码的任务分开。 对信息源进行编码的任务包括以最经济的形式描述所传输的消息，即消除消息中的冗余。 由此接收到的压缩消息变得更容易受到干扰，并且可能在传输过程中被破坏。 因此，在信源编码之后，应用信道编码，其任务是保护传输的消息免受干扰。 信道编码要求在传输的消息中引入一些冗余，但不是随机的，这存在于原始消息中，但在理论上是严格合理的，并且保证了指定的传输质量。 到目前为止，我们只考虑了源编码问题，现在我们将从更一般的位置来处理这个问题。 因此，存在模拟语音信号的数字版本，即描述电流随时间变化规律等的函数。 有必要尝试消除此类信号中的冗余。 这个问题可以通过多种方式解决。 其中之一是尝试通过对相关函数进行纯数学分析来找到冗余。 解决问题的另一种方法是分析该功能的声学特性（从听觉器官感知的角度）。 最后，人们可以通过对语音产生过程本身进行建模来寻找冗余。 这是这些方法中最后一种在现代数字无线电通信系统中得到应用的方法。 语音形成的机制是声带的谐波丰富的声音改变其强度和基频，在口腔中进一步处理。 后者首先充当谐振器，在重建时会突出显示某些频率 - 决定元音声音之间差异的共振峰。 其次，舌头、牙齿和嘴唇的运动调节声音，产生不同的辅音。 1930世纪XNUMX年代，美国贝尔电话实验室根据欧拉的思想建造了一台机器，其原理是基于尝试模拟人类发音器官的功能。 为了在通信系统的接收端合成语音，需要一个丰富频谱的音频发生器、一个白噪声发生器、一组共振峰滤波器（它们的数量很少，因为元音很少，而且每个都是由两个共振峰很好地定义）和调制电路。 通过接收端的这样一组设备，可以通过通信信道传输控制语音合成过程的命令而不是语音信号。 因此，实际任务是找到一种方法来生成必要的命令。 手机设计者所解决的正是这个问题。 在第一版的 GSM 系统中，传输速率为 104 kbps 的语音信号的原始数字流被分成 160 个样本的单独块，并进行记录。 每个块的时间间隔为 20 ms（换句话说，存储了 160x13=2080 位的序列）。 分析所记录的序列，其结果是为每个序列找到确定相应共振的八个滤波系数以及激励信号。 正是这些信息被传输到接收器，接收器从中再现原始语音信号，类似于人类发音器官中发生的情况（可以说，该器官使用八个参数进行调整，然后在以下情况下获得声音）：它很兴奋）。 然而，上述分析涵盖相对较短的时间段，并且无法检测涉及相邻块的长元音声音。 因此，长元音发音时使用长期预测来消除冗余。 为此，发射机存储持续时间为 15 ms 的发射序列，并与当前序列进行比较。 从已经发送的序列中，选择与当前序列具有最高相关性（即，与当前序列最相似）的序列，并且仅发送当前序列和所选序列之间的差异。 由于接收器已知发送器中记录的序列，因此仅需要发送与哪个记录序列进行比较的指示。 因此，实现了传输信息量的进一步减少。 作为所描述的处理的结果，获得了20ms的数字语音信号块，包含260位并且具有仅13kbps的传输速率（即，比原始速率低八倍）。 所描述的过程称为具有长期预测的规则脉冲激励（英文缩写PRE-LTR，代表规则脉冲激励-长期预测）。 在下一阶段，信道编码发挥作用，其任务是防止通信信道中的干扰。 现代编码技术基于代数和概率论的深刻思想。 基于这些思想，已经开发出了各种非常有效的编码方法，可以解决每种特定情况下的某些问题。 我们在此仅简要回顾 GSM 系统中使用的一些想法。 代码保护可以仅用于检测错误事实，也可以用于纠正已发生的错误。 第一个选项更容易实现，但不太有用，因为在这种情况下，需要请求重传检测到错误的消息块，或者以其他方式考虑错误的存在。 由于在上述源编码过程中获得的数字语音信号中的各个比特的重要性并不相同，因此它们被分为三个子类并在信道编码期间受到不同的保护方法。 在接收块的 260 位中，最重要的是携带有关滤波参数、块信号幅度和长期预测参数信息的位。 这些位属于所谓的子类 Ia（50 位）。 然后是子类 Ib（132 位，包含有关常规激励脉冲的指针和信息，以及长期预测的一些参数）。 其余 78 位属于 II 类。
为了保护所描述的块，使用两种编码方法。 首先，使用块码来检测仍未纠正的错误。 该码属于循环码类，其中每个码组合都是通过元素的循环排列获得的。 当使用该代码进行编码时，在子类Ia的比特上添加了三个校验位，解码器可以通过该校验位来确定该子类是否包含未纠正的错误。 如果解码器检测到子类 Ia 比特中的传输错误，则整个 260 比特会话帧将被丢弃。 在这种情况下，通过基于有关前一帧的信息的插值来再现丢失的帧。 发现利用该解决方案，传输质量优于再现子类Ia的错误位的情况。 其次，应用卷积码来纠正错误。 代码的这个名称是通过应用于描述编码位序列处理的函数的卷积数学运算来解释的。 与分组码不同，卷积码在应用时是连续的，编码和解码过程不是在固定的块上执行，而是在连续运行的符号序列上执行。 卷积码既应用于子类Ia的位以及校验位，又应用于子类Ib的位。 这两个序列被组合并增加四位（参见下面的图 2），其值为零。 后者用于在编码后将编码器返回到其原始状态。 所应用的代码的特征在于参数r=1/2和K=5。 系数r=1/2表示对于进入编码器输入的每一位，在编码序列中正好得到两位，K=5表示连接的长度，由卷积运算覆盖。 这些特性可以从图1所示的卷积编码方案中理解。 图2还显示了模189加法方案（逻辑运算“异或”）。 因此，编码的结果是，从输入的 378 位中获得 456 位，并向其中添加未受保护的 II 类位，结果总块长度等于 2 位（图 57）。 这正是 XNUMX 个 XNUMX 位的子块。 从这些子块中，形成了时分的无线电传输突发。
本文主要讨论语音信号的编码问题，从前面的描述可以看出，小型手机中的处理器占据了相当大的数字处理量。 然而，处理器的任务还远未结束。 如您所知，蜂窝通信系统不是语音传输，而是允许您组织数据传输通道，该通道根据完全不同的规则进行编码。 但是，除了用于传输有用（付费）信息的逻辑信道之外，在蜂窝电话中还组织了大量用于传输控制信号的逻辑信道。 这些逻辑通道中的每一个都受到编码信息的特定要求的影响，因此，每个这样的通道都将其份额贡献给处理器负载。 图 3 给出了编码方案的总体思路，以及无线电话通信系统中所有逻辑信道传输的闪存的形成。 XNUMX.
这里，顶层显示了十个不同的逻辑通道，指示这些通道中消息块的大小（以特定数字或字母的形式 - P0、N0 等 - 这些数字可以改变）。 下一级显示不同逻辑通道编码的第一阶段，表示原始序列和编码后得到的序列的位数。 如果语音信道使用循环检错码，则其余信道使用各种纠错循环码，包括纠正一系列错误的Fire循环码。 在编码的第二阶段，应用已经提到的卷积码。 此外（第 3 阶段），为了将接收到的 456 位分配给各个突发（每个突发携带两个 57 位块），应用位混合和块置换（直接或对角转置）操作。 手机中的信号处理总量估计为每秒数百万次操作。 因此，与传统电话不同，手机是一台微型但高效的计算机。 一方面，它分析“自己的”语音信号，制定对话者装置中语音合成的控制命令，另一方面，该计算机实现了欧拉的思想，根据来自通信信道的控制命令合成对话者的语音。 作者：V. Neumann，教授，技术博士。 科学，莫斯科
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