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技術頻道

GSM話音編碼技術詳述


由于GSM系統是一種數字通信系統,話音或其它信號都要進行數字化處理,因而第一步要把話音模擬信號轉換成數字信號(即1和0的組合)。如我們熟悉的我國固定電話系統采用的PCM-A律編碼,它是采用A律波形編碼,分為3步:
采樣:在某個短時間間隔內測量模擬信號的值。采樣速率8kHz/s。
量化:對每個樣值用8個比特的量化值來表示對應的模擬信號瞬間值,即為樣值指配256(28)個不同電平值中的一個。
編碼:每個量化值用8個比特的二進制代碼表示,組成一串具有離散特性的數字信號流。
使用這種編碼方式,數字鏈路上的數字信號比特速率為64kbit/s(8kbit/s×8)。如果GSM系統也采用此種方式進行話音編碼,那么每個話音信道是64kbit/s,8個話音信道就是512kbit/s。考慮實際可使用的帶寬,GSM規范中規定載頻間隔是200kHz。因此要把它們保持在規定的帶寬內,必需大大地降低每個話音信道的編碼的比特率,這就要靠采用低速率話音編碼技術來實現。
為了滿足GSM系統的窄帶通信模式,GSM采用三種話音編碼技術,即:
速率為13k的全速率(FR)編碼技術:規則脈沖激勵線性預測編碼技術(RPE-LPT)。
速率為12.2k的增強型全速率(EFR)編碼技術:代數碼激勵線性預測編碼技術(ACELPT)。
速率為6.5k的半速率(HR)矢量和激勵線性預測編碼技術編碼方式(VSELP)。
下面以最常用的規則脈沖激勵線性預測編碼技術(RPE-LTP)為例來了解GSM的語音編碼技術。

規則脈沖激勵線性預測編碼技術是一種混合編碼技術,它集成了波形編碼與聲源編碼兩項技術之長。波形編碼器可精確地再現原來的話音波形,話音質量較高,但要求的比特速率相應的較高,在12-16Kbit/s的范圍內會造成話音質量惡化,波形編碼器硬件上更容易實現,不受時延影響。聲源編碼是將話音信息用特定的聲源模型表示。聲碼器編碼可以是很低的速率(可以低于5kbit/s,雖然不影響話音的可懂性,但話音質量聽起來不自然,很難分辨是誰在講話。因此GSM系統話音編碼器是采用聲碼器和波形編碼器的混合物--- 混合編碼器,全稱為線性預測編碼-長期預測編碼-規則脈沖激勵編碼器(LPC-LTP-RPE編碼器),見圖1所示。LPC+LTP為聲碼器,RPE為波形編碼器,再通過復用器混合完成模擬話音信號的數字編碼,每話音信道的編碼速率為13kbit/s。
聲碼器的原理是模仿人類發音器官喉、嘴、舌的組合,將該組合看作一個濾波器,人發出的聲音使聲帶振動就成為激勵脈沖。當然“濾波器脈沖m頻率是在不斷地變換,但在很短的時間(10ms~30ms)內觀察它,則發音器官是沒有變換的,因此聲碼器要做的事是將話音信號分成20ms的聲碼塊,然后分析這一時間段內所相應的濾波器的參數,并提取此時的脈沖串頻率,輸出其激勵脈沖序列。相關的話音段是十分相似的,LTP將當前段與前一段進行比較,相應的差值被低通濾波后進行一種波形編碼。故:LPC十LTP參數:3.6 kbit/s;RPE參數:9.4kbit/s;因此,話音編碼器的輸出比特速率是13kbit。
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