移動通信原理與應(yīng)用黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院楊杰2022/12/211移動通信原理與應(yīng)用黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院2022/12/19目錄第一章概述第二章蜂窩移動通信系統(tǒng)第三章無線移動通信信道第四章移動通信的調(diào)制技術(shù)第五章抗衰落技術(shù)第六章語音編碼技術(shù)第七章移動通信中的多址接入技術(shù)第八章移動通信網(wǎng)第九章GSM通信系統(tǒng)第十章IS-95CDMA移動通信及其標(biāo)準(zhǔn)介紹第十一章第三代移動通信及其標(biāo)準(zhǔn)介紹2目錄第一章概述2第六章語音編碼技術(shù)6.1概述6.1.1語音編碼技術(shù)6.1.2語音評價6.2語音波形編碼6.2.1語音波形編碼概述6.2.2脈沖編碼調(diào)制6.3參量編碼6.3.1參量編碼的基本原理6.3.2線性預(yù)測6.4激勵線性預(yù)測和矢量編碼6.4.1激勵源和混合編碼6.4.2規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編碼6.4.3矢量量化編碼6.4.4碼激勵線性預(yù)測編碼6.4.5矢量和激勵線性預(yù)測編碼3第六章語音編碼技術(shù)6.1概述36.1概述6.1.1語音編碼技術(shù)移動通信對語音編碼的要求是：(1)編碼的速率要適合在移動信道內(nèi)傳輸，純編碼速率應(yīng)低于16kbit/s。(2)在一定編碼速率下語音質(zhì)量應(yīng)盡可能高，即解碼后的復(fù)原語音的保真度要高，主觀評分MOS（MeanOpinionScore）應(yīng)不低于3.5分（按長途語音質(zhì)量要求）。(3)編解碼時延要短，總時延不得超過65ms。(4)要能適應(yīng)衰落信道的傳輸，即抗誤碼性能要好，以保持較好的語音質(zhì)量。(5)算法的復(fù)雜程度要適中，應(yīng)易于大規(guī)模電路集成。46.1概述6.1.1語音編碼技術(shù)移動通信對語音語音編碼：移動通信數(shù)字化的基礎(chǔ)第1/2代蜂窩系統(tǒng)的根本區(qū)別語音編碼的意義：提高通話質(zhì)量(數(shù)字化+信道編碼糾錯)提高頻譜利用率(低碼率編碼)提高系統(tǒng)容量(低碼率、語音激活技術(shù))移動通信對語音編碼的要求：編碼速率低，語音質(zhì)量好有較強的抗噪聲干擾和抗誤碼的性能編譯碼延時小、總延時在65ms以內(nèi)編譯碼器復(fù)雜度低，便于大規(guī)模集成化功耗小，便于應(yīng)用于手持機(jī)5語音編碼：移動通信數(shù)字化的基礎(chǔ)56.1.2語音評價客觀評定方法用客觀測量的手段來評價語音編碼的質(zhì)量，常用的方法有信噪比、加權(quán)信噪比、平均分段信噪比等。主觀評定方法是主觀評定等級（SubjectiveOpinionScale），或稱平均評定得分（MOS）。MOS得分采用五級評分標(biāo)準(zhǔn)，其方法是由數(shù)十名試聽者在相同信道環(huán)境中試聽并給予評分，然后對評分進(jìn)行統(tǒng)計處理，求出平均得分。質(zhì)量等級分?jǐn)?shù)收聽注意力等級優(yōu)

5可完全放松，不需要注意力

良

4需要注意，但不需要明顯集中注意力滿意(正常)

3中等程度的注意力差

2需要集中注意力劣

1即使努力去聽，也很難聽懂表6.1主觀評定等級66.1.2語音評價客觀評定方法用客觀測量的手段來評價語音語音編碼技術(shù)分類7語音編碼技術(shù)分類7語音編碼技術(shù)分類波形編碼：將時域模擬話音的波形信號經(jīng)過采樣、量化和編碼形成數(shù)字語音信號編碼速率較高：16k~64k包括：PCM、ADPCM、ΔM、CVSDM、APC等占用較高帶寬，適合有線參量編碼：基于人類語音的產(chǎn)生機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)輸入語音得出模型參數(shù)并傳輸，在收端恢復(fù)。編碼速率較低：1.2k~4.8kbps包括各種線性預(yù)測編碼（LPC）方法和余弦聲碼器等語音質(zhì)量中等，不滿足商用要求混合編碼：波形編碼+參量編碼（LPAS）包括GSM的RPE-LPC編碼和VSELP編碼8語音編碼技術(shù)分類波形編碼：將時域模擬話音的波形信號經(jīng)過采樣、用于移動通信的語音編碼9用于移動通信的語音編碼9語音編碼標(biāo)準(zhǔn)G.711PCM(64kbps)G.721ADPCM(32kbps)G.7227kHz帶寬64kbps速率內(nèi)的音頻編碼G.7236.3k/5.6k雙速率多媒體語音編碼G.72816kbps語音編碼LD-CELPG.7298kbps多媒體語音編碼10語音編碼標(biāo)準(zhǔn)G.711PCM(64kbps)10語音編碼的發(fā)展極低速率語音編碼，600bps高保真語音編碼自適應(yīng)多速率語音編碼新的編碼分析技術(shù)：非線性預(yù)測多精度時頻分析技術(shù)（子波分析技術(shù)）高階統(tǒng)計分析技術(shù)11語音編碼的發(fā)展極低速率語音編碼，600bps116.2語音波形編碼人的語音頻帶范圍為300～3400Hz（一般為0～3400Hz）。波形編碼是直接在時間域上將模擬的語音信號變換為數(shù)字信號。圖6.2示出了語音波形數(shù)字編碼的原理框圖。圖6.2語音波形編碼原理圖波形編碼包括兩個基本過程：抽樣和量化，而這兩個過程也是所有語音編碼的基礎(chǔ)。6.2.1語音波形編碼概述126.2語音波形編碼人的語音頻帶范圍為300～3400Hz6.2.2脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制（PCM：PulseCodedModulati-on）定義:直接將樣值編碼為信號的方法.圖6.3PCM的組成

在有線數(shù)字通信中，常用64kbit/sPCM碼傳輸數(shù)字語音信號。對于無線傳輸來說，由于受頻帶的限制，必須采用低速率、高質(zhì)量的編碼技術(shù)方法，所以，在數(shù)字峰窩網(wǎng)中的有線無線接口處，要進(jìn)行64kbit/sPCM碼與其他編碼體制的轉(zhuǎn)換。136.2.2脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制（PCM：Pulse

模數(shù)轉(zhuǎn)換要經(jīng)過抽樣、量化和編碼三個步驟。脈沖編碼調(diào)制PCM基本原理14模數(shù)轉(zhuǎn)換要經(jīng)過抽樣、量化和編碼三個步驟。脈

模擬信源預(yù)濾波器抽樣器波形編碼器量化、編碼x(t)x(n)模擬信源重建濾波器抽樣保持，低通波形解碼器數(shù)字信道脈沖編碼調(diào)制(PCM)簡稱脈碼調(diào)制。包括三個過程：抽樣、量化、編碼。抽樣是把連續(xù)時間模擬信號轉(zhuǎn)換成離散時間連續(xù)幅度的抽樣信號；量化是把離散時間連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成離散時間離散幅度的數(shù)字信號；編碼是將量化后的信號編碼形成一個二進(jìn)制碼組輸出。3.23.92.83.41.24.22022/12/2115模擬預(yù)濾抽樣器波形編碼器x(t)x(n)模擬重建濾波器波形模擬話音采樣時鐘PAM信號PCM信號采樣電路量化和編碼數(shù)字化聲音話音信道帶寬<4KHz

采樣時鐘頻率：8KHz(>2倍話音最大頻率)

量化級數(shù)：256級(8位二進(jìn)制碼表示)

數(shù)據(jù)率：8000次/s*8bit=64Kb/s∴每路PCM信號的速率=64000bps例：語音信號要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這需要經(jīng)過三個步驟：采樣、量化、編碼。編碼后的信號稱為PCM（PulseCodedModulation）信號（脈碼調(diào)制信號）16模擬話音采樣時鐘PAM信號PCM信號采樣電路量化和編碼PCM轉(zhuǎn)換過程舉例

原始信號

PAM脈沖

PCM脈沖（有量化誤差）011100011011001100

PCM輸出3.23.92.83.41.24.234331401110001101100110017PCM轉(zhuǎn)換過程舉例 原始信號PAM脈沖PCM脈沖01

PCM編碼原理常見的PCM二進(jìn)制碼組有三種：自然二進(jìn)制碼組NBC；----十進(jìn)制正整數(shù)的二進(jìn)制表示。折疊二進(jìn)制碼組FBC；----左邊第一位表示正負(fù)號，“1”表示正。格雷二進(jìn)制碼組RBC；特點：任何相鄰電平的碼組只有一位發(fā)生變化。2022/12/2118PCM編碼原理2022/12/1918量化值序號自然二進(jìn)制碼折疊二進(jìn)制碼格雷碼1514131211109811111110110111001011101010011000111111101101110010111010100110001000100110111010111011111101110076543210011101100101010000110010000100000000000100100011010001010110011101000101011101100010001100010000三種碼組對于NBC：碼組第一位出錯，幅度誤差為最大幅度的1/2倍；對于FBC：碼組第一位出錯，小信號的失真誤差要小得多；對于RBC：碼組中一位出錯，誤差幅度只相差一個量化間隔。2022/12/2119量化值序號自然二進(jìn)制碼折疊二進(jìn)制碼格雷3參量編碼6.3.1參量編碼的基本原理圖6.4語音產(chǎn)生模型在圖6.4所示的模型中，包括了三個部分：激勵源、聲道模型和輻射模型，正好模擬了人的發(fā)聲器官中喉、聲道和嘴。1.語音信號的產(chǎn)生模型206.3參量編碼6.3.1參量編碼的基本原理圖66.3.1參量編碼的基本原理聲道模型V（Z）是離散時域的聲道傳輸函數(shù)，它在大多數(shù)情況下是一個全極點函數(shù)輻射模型R（Z）與嘴形有關(guān)，可以表示成一個固定的模型函數(shù)2.特征參量的提取常用的短時處理技術(shù)包括加窗技術(shù)、基音周期估計等。216.3.1參量編碼的基本原理聲道模型V（Z）是離散時域的6.3.2線性預(yù)測2.線性預(yù)測編碼線性預(yù)測技術(shù)用于語音編碼就構(gòu)成線性預(yù)測編碼（LPC：LinearPredictionCoding）。圖6.5是LPC的原理框圖。圖6.5

LPC聲碼器226.3.2線性預(yù)測2.線性預(yù)測編碼線性預(yù)測技術(shù)用于語音線性預(yù)測編碼的基本原理原理:模型化人類語音信號產(chǎn)生的機(jī)制,提取模型參數(shù),并且只傳輸模型的參數(shù).語音信號的產(chǎn)生模型:語音的產(chǎn)生,聲帶和聲道不同語音產(chǎn)生的原因:聲音激勵源和聲道不同聲音分類:濁音和清音發(fā)聲過程口腔和鼻腔形成時變?yōu)V波器23線性預(yù)測編碼的基本原理原理:模型化人類語音信號產(chǎn)生的機(jī)制,提4.2.2濁音和清音244.2.2濁音和清音24語音產(chǎn)生模型語音模型的建立：1、產(chǎn)生激勵，2、響應(yīng)模型參數(shù)：基音，共振峰頻率及強度，清濁音判決低碼率編碼碼率降低有限合成的語音波形失去了自然度和音質(zhì)25語音產(chǎn)生模型語音模型的建立：1、產(chǎn)生激勵，2、響應(yīng)25不同激勵語音合成模型長時延相關(guān)濾波器：產(chǎn)生濁音的音調(diào)結(jié)構(gòu)，即頻譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)，而短時延相關(guān)濾波器則用來恢復(fù)語音的短時頻包絡(luò)。在發(fā)端引入合成裝置，合成/分析法26不同激勵語音合成模型長時延相關(guān)濾波器：產(chǎn)生濁音的音調(diào)結(jié)構(gòu)，即4.2.5自適應(yīng)多速率語音編碼（AMR）為什么研究AMR編碼?WCDMA將支持多媒體業(yè)務(wù),并支持電路交換、分組交換方式移動信道的變化，系統(tǒng)不能工作在最佳的信源和信道編碼速率。如GSM，固定速率編碼信道質(zhì)量差時，信道編碼不足以糾正傳輸錯誤，此時應(yīng)改進(jìn)信道編碼，減小信源編碼，提高語音質(zhì)量信道質(zhì)量好時，增加信源編碼速率，提高語音質(zhì)量AMR的概念是:以更智能的方式解決信源編碼和信道編碼的速率匹配問題,實際的語音編碼速率將取決于信道條件274.2.5自適應(yīng)多速率語音編碼（AMR）為什么研究AMR4.2.5自適應(yīng)多速率語音編碼（AMR）AMR是一種單個集成的語音編碼器，他是固定的信源速率模式，從4.75~12.2kbps284.2.5自適應(yīng)多速率語音編碼（AMR）AMR是一種單個移動通信原理與應(yīng)用黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院楊杰2022/12/2129移動通信原理與應(yīng)用黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院2022/12/19目錄第一章概述第二章蜂窩移動通信系統(tǒng)第三章無線移動通信信道第四章移動通信的調(diào)制技術(shù)第五章抗衰落技術(shù)第六章語音編碼技術(shù)第七章移動通信中的多址接入技術(shù)第八章移動通信網(wǎng)第九章GSM通信系統(tǒng)第十章IS-95CDMA移動通信及其標(biāo)準(zhǔn)介紹第十一章第三代移動通信及其標(biāo)準(zhǔn)介紹30目錄第一章概述2第六章語音編碼技術(shù)6.1概述6.1.1語音編碼技術(shù)6.1.2語音評價6.2語音波形編碼6.2.1語音波形編碼概述6.2.2脈沖編碼調(diào)制6.3參量編碼6.3.1參量編碼的基本原理6.3.2線性預(yù)測6.4激勵線性預(yù)測和矢量編碼6.4.1激勵源和混合編碼6.4.2規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編碼6.4.3矢量量化編碼6.4.4碼激勵線性預(yù)測編碼6.4.5矢量和激勵線性預(yù)測編碼31第六章語音編碼技術(shù)6.1概述36.1概述6.1.1語音編碼技術(shù)移動通信對語音編碼的要求是：(1)編碼的速率要適合在移動信道內(nèi)傳輸，純編碼速率應(yīng)低于16kbit/s。(2)在一定編碼速率下語音質(zhì)量應(yīng)盡可能高，即解碼后的復(fù)原語音的保真度要高，主觀評分MOS（MeanOpinionScore）應(yīng)不低于3.5分（按長途語音質(zhì)量要求）。(3)編解碼時延要短，總時延不得超過65ms。(4)要能適應(yīng)衰落信道的傳輸，即抗誤碼性能要好，以保持較好的語音質(zhì)量。(5)算法的復(fù)雜程度要適中，應(yīng)易于大規(guī)模電路集成。326.1概述6.1.1語音編碼技術(shù)移動通信對語音語音編碼：移動通信數(shù)字化的基礎(chǔ)第1/2代蜂窩系統(tǒng)的根本區(qū)別語音編碼的意義：提高通話質(zhì)量(數(shù)字化+信道編碼糾錯)提高頻譜利用率(低碼率編碼)提高系統(tǒng)容量(低碼率、語音激活技術(shù))移動通信對語音編碼的要求：編碼速率低，語音質(zhì)量好有較強的抗噪聲干擾和抗誤碼的性能編譯碼延時小、總延時在65ms以內(nèi)編譯碼器復(fù)雜度低，便于大規(guī)模集成化功耗小，便于應(yīng)用于手持機(jī)33語音編碼：移動通信數(shù)字化的基礎(chǔ)56.1.2語音評價客觀評定方法用客觀測量的手段來評價語音編碼的質(zhì)量，常用的方法有信噪比、加權(quán)信噪比、平均分段信噪比等。主觀評定方法是主觀評定等級（SubjectiveOpinionScale），或稱平均評定得分（MOS）。MOS得分采用五級評分標(biāo)準(zhǔn)，其方法是由數(shù)十名試聽者在相同信道環(huán)境中試聽并給予評分，然后對評分進(jìn)行統(tǒng)計處理，求出平均得分。質(zhì)量等級分?jǐn)?shù)收聽注意力等級優(yōu)

5可完全放松，不需要注意力

良

4需要注意，但不需要明顯集中注意力滿意(正常)

3中等程度的注意力差

2需要集中注意力劣

1即使努力去聽，也很難聽懂表6.1主觀評定等級346.1.2語音評價客觀評定方法用客觀測量的手段來評價語音語音編碼技術(shù)分類35語音編碼技術(shù)分類7語音編碼技術(shù)分類波形編碼：將時域模擬話音的波形信號經(jīng)過采樣、量化和編碼形成數(shù)字語音信號編碼速率較高：16k~64k包括：PCM、ADPCM、ΔM、CVSDM、APC等占用較高帶寬，適合有線參量編碼：基于人類語音的產(chǎn)生機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)輸入語音得出模型參數(shù)并傳輸，在收端恢復(fù)。編碼速率較低：1.2k~4.8kbps包括各種線性預(yù)測編碼（LPC）方法和余弦聲碼器等語音質(zhì)量中等，不滿足商用要求混合編碼：波形編碼+參量編碼（LPAS）包括GSM的RPE-LPC編碼和VSELP編碼36語音編碼技術(shù)分類波形編碼：將時域模擬話音的波形信號經(jīng)過采樣、用于移動通信的語音編碼37用于移動通信的語音編碼9語音編碼標(biāo)準(zhǔn)G.711PCM(64kbps)G.721ADPCM(32kbps)G.7227kHz帶寬64kbps速率內(nèi)的音頻編碼G.7236.3k/5.6k雙速率多媒體語音編碼G.72816kbps語音編碼LD-CELPG.7298kbps多媒體語音編碼38語音編碼標(biāo)準(zhǔn)G.711PCM(64kbps)10語音編碼的發(fā)展極低速率語音編碼，600bps高保真語音編碼自適應(yīng)多速率語音編碼新的編碼分析技術(shù)：非線性預(yù)測多精度時頻分析技術(shù)（子波分析技術(shù)）高階統(tǒng)計分析技術(shù)39語音編碼的發(fā)展極低速率語音編碼，600bps116.2語音波形編碼人的語音頻帶范圍為300～3400Hz（一般為0～3400Hz）。波形編碼是直接在時間域上將模擬的語音信號變換為數(shù)字信號。圖6.2示出了語音波形數(shù)字編碼的原理框圖。圖6.2語音波形編碼原理圖波形編碼包括兩個基本過程：抽樣和量化，而這兩個過程也是所有語音編碼的基礎(chǔ)。6.2.1語音波形編碼概述406.2語音波形編碼人的語音頻帶范圍為300～3400Hz6.2.2脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制（PCM：PulseCodedModulati-on）定義:直接將樣值編碼為信號的方法.圖6.3PCM的組成

在有線數(shù)字通信中，常用64kbit/sPCM碼傳輸數(shù)字語音信號。對于無線傳輸來說，由于受頻帶的限制，必須采用低速率、高質(zhì)量的編碼技術(shù)方法，所以，在數(shù)字峰窩網(wǎng)中的有線無線接口處，要進(jìn)行64kbit/sPCM碼與其他編碼體制的轉(zhuǎn)換。416.2.2脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制（PCM：Pulse

模數(shù)轉(zhuǎn)換要經(jīng)過抽樣、量化和編碼三個步驟。脈沖編碼調(diào)制PCM基本原理42模數(shù)轉(zhuǎn)換要經(jīng)過抽樣、量化和編碼三個步驟。脈

模擬信源預(yù)濾波器抽樣器波形編碼器量化、編碼x(t)x(n)模擬信源重建濾波器抽樣保持，低通波形解碼器數(shù)字信道脈沖編碼調(diào)制(PCM)簡稱脈碼調(diào)制。包括三個過程：抽樣、量化、編碼。抽樣是把連續(xù)時間模擬信號轉(zhuǎn)換成離散時間連續(xù)幅度的抽樣信號；量化是把離散時間連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成離散時間離散幅度的數(shù)字信號；編碼是將量化后的信號編碼形成一個二進(jìn)制碼組輸出。3.23.92.83.41.24.22022/12/2143模擬預(yù)濾抽樣器波形編碼器x(t)x(n)模擬重建濾波器波形模擬話音采樣時鐘PAM信號PCM信號采樣電路量化和編碼數(shù)字化聲音話音信道帶寬<4KHz

采樣時鐘頻率：8KHz(>2倍話音最大頻率)

量化級數(shù)：256級(8位二進(jìn)制碼表示)

數(shù)據(jù)率：8000次/s*8bit=64Kb/s∴每路PCM信號的速率=64000bps例：語音信號要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這需要經(jīng)過三個步驟：采樣、量化、編碼。編碼后的信號稱為PCM（PulseCodedModulation）信號（脈碼調(diào)制信號）44模擬話音采樣時鐘PAM信號PCM信號采樣電路量化和編碼PCM轉(zhuǎn)換過程舉例

原始信號

PAM脈沖

PCM脈沖（有量化誤差）011100011011001100

PCM輸出3.23.92.83.41.24.234331401110001101100110045PCM轉(zhuǎn)換過程舉例 原始信號PAM脈沖PCM脈沖01

PCM編碼原理常見的PCM二進(jìn)制碼組有三種：自然二進(jìn)制碼組NBC；----十進(jìn)制正整數(shù)的二進(jìn)制表示。折疊二進(jìn)制碼組FBC；----左邊第一位表示正負(fù)號，“1”表示正。格雷二進(jìn)制碼組RBC；特點：任何相鄰電平的碼組只有一位發(fā)生變化。2022/12/2146PCM編碼原理2022/12/1918量化值序號自然二進(jìn)制碼折疊二進(jìn)制碼格雷碼1514131211109811111110110111001011101010011000111111101101110010111010100110001000100110111010111011111101110076543210011101100101010000110010000100000000000100100011010001010110011101000101011101100010001100010000三種碼組對于NBC：碼組第一位出錯，幅度誤差為最大幅度的1/2倍；對于FBC：碼組第一位出錯，小信號的失真誤差要小得多；對于RBC：碼組中一位出錯，誤差幅度只相差一個量化間隔。2022/12/2147量化值序號自然二進(jìn)制碼折疊二進(jìn)制碼格雷3參量編碼6.3.1參量編碼的基本原理圖6.4語音產(chǎn)生模型在圖6.4所示的模型中，包括了三個部分：激勵源、聲道模型和輻射模型，正好模擬了人的發(fā)聲器官中喉、聲道和嘴。1.語音信號的產(chǎn)生模型486.3參量編碼6.3.1參量編碼的基本原理圖66.3.1參量編碼的基