井下数字移动通信语音编码的选择和语音通信的设计实现

1、科技创新井下数字移动通信语音编码的选择和语音通信的设计实现*田子建(中国矿业大学(北京机电与信息工程学院,北京市海淀区学院路,100083摘 要 介绍了常用的语音编码方式,讨论了井下移动通信系统设计中对语音编码方式的选取原则,结合井下移动通信系统的应用情况,给出了CVSD 编解码方式的芯片CM X639的具体设计方案。关键词 矿井移动通信 语音信源编码 CVSD CM X639芯片*1、国家高技术研究发展计划(863计划: 煤矿数字化瓦斯远程检测监控系统!(N o 2005AA 133070;2、信息产业部电子信息产业发展基金项目(信息产业部信部运2006634号,财政部财建2006549号多

2、功能煤矿井下无线通信系统。矿井通信系统设计的主要特点是全数字蜂窝小区制,每个小区只有一个载频,工作频率范围:868871MH z 。多址方式是TDM A,每个小区有3路8kbps 的双工话音信道,1路专用信令信道,采取基站对移动台进行轮询的方式避免信道冲突。移动台和基站都采用T I 公司低功耗16位单片机MSP430控制半双工900MH z 射频芯片以时分的方式来实现双工通信。1 语音编译码技术移动通信系统中最多的信息是话音信号,因而话音编码技术在数字移动通信系统中具有相当关键的作用。采用低码率的话音编码方式可以提高频带的利用率和信道容量;而采用有较强纠错能力的编码技术,能够保证系统在较低信噪

3、比的条件下工作,并具有良好的通话质量。总之,话音编码技术的优劣将直接影响通话质量、频道利用率以及系统容量。1 1 语音编译码分类话音编码技术通常分为3类:波形编码、声源编码和混合编码。波形编码和声源编码是两种传统的话音编码,而混合编码则是近几年才出现的1。(1波形编码技术。波形编码是通过对语音波形进行采样、量化,然后用二进制码表示出来。波形编码的目的在于尽可能地再现原来的话音波形。该方式是以话音波形取样构成的离散序列为基础,经过适当的处理,在一定程度上消除其冗余消息之后,进行编码并送至接收端。接收端经译码并作相应的逆处理,从而恢复出较近似的话音信号。由于波形编码器结果简单,没有利用语音信号的冗

4、余特征,在1216kbps 范围内,话音质量或多或少地有些恶化。比特率再低,话音质量便大大下降。波形编码器在硬件上很容易实现,而且不受时延的影响。(2声源编码技术。声源编码是将话音信号用特定的声源模型表示。接收端根据输入话音提取模型参数并进行编码,用传输模型参数代替传送以波形为基础的话音模型,并重新混合出具有一定可懂度的话音。这种声源编码技术的一个例子就是线性预测编码(LPC声码器。这种技术可以把话音信号压缩到2kbps,甚至可以压缩到400bps 或更低。但话音质量听起来不够自然,虽然词语可懂,却常常不能识别通话人。提高数码率并不能有效地提高其话音质量。当编码速率高于4 8kbps 时,一般

5、不用这种技术。(3混合编码技术。混合编码是波形编码和声源编码相结合的一种较新的编码技术,它能够把波形编码较高的话音质量和声源编码低速的优点很好地结合起来。因为在混合编码的话音信号中既包括若干话音特征参量又包括部分波形编码信息。混合编码可将传输速率压缩到416kbps,而在443井下数字移动通信语音编码的选择和语音通信的设计实现16kbps范围内能达到良好的话音质量。波形编码最成熟的是脉冲编码调制(PCM。波形编码的改进主要有增量编码(M、自适应差分脉冲编码(ADPCM、子带编码(SBC、自适应变换域编码(AT C、时域谐波压扩(T DH S等。这些技术大多数是利用数字信号处理技术提取某些话音特

6、征参量来压缩速率的,所以它们已不是单纯的波形编码,而属于混合编码了。参量编码主要有多脉冲激励线性预测编码(MPE-LPC、规则脉冲激励线性预测编码(RPE -LPC、码本激励线性预测编码(CELP等。1 2 适合于矿井移动通信系统的话音编码方式几种常见编码方式的对比如表1所示,从表1中可以看出,话音编码方式有高速(32kbps以上、中速(4 816kbps和低速(2 4kbps以下。它们各有各的优缺点,从而各有各的适用的地方,如高速话音编码方式的话音质量高,但占的带宽大,适合于宽带信道;中速话音编码方式话音质量稍差,同时占用的带宽也小;而低速的话音编码方式话音质量较差,但所占用的带宽最小,适合

7、于对话音质量要求不是很高的窄带信道。选择移动通信系统的话音编码技术主要考虑能满足移动通信系统信道的要求。由于移动通信系统使用的带宽有限,所以要求话音编码的速率低。同时移动通信使用的无线信道衰落和干扰会引起较高的误码率,因而编码算法应还有较好的抗误码能力。另外,从用户的角度出发,还应有较好的话音质量和较短的时延。这些要求往往是相互矛盾的,例如要求高质量话音,编码速率就应高一些。而这又和信道带宽有矛盾,因信道带宽是有限的,码速过高无法在有限的信道内传输。在选择矿井移动通信系统的话音编码方式时,要结合矿井的工作实际,归纳起来,矿井移动通信系统对话音编码的要求如下2:(1对话音的质量要求不是很高,对话

8、音自然度要求不高;(2由于带宽受限,编码速率应尽可能低;(3应有较强的抗噪声干扰和抗误码性能;(4对编译码时延要求不是很高;(5编译码器必须简单,性能价格比高;(6功耗小,工作电压低,以延长移动台电池的使用时间。表1 几种编码方式的对比编码名称传输速率/kbps时延/ms主观评分/M O S复杂度P CM(G711标准644 31 ADPCM(G722标准324 110M,CVSD323 80 1M,CVSD163 00 1L D-CELP1624 010 SBC-A DPCM1672 9212RP E-LT P13303 5410 CELP8353 710 CELP4 8353 050100

9、 L PC-102 4352 510表1中的CVSD虽然M OS只有3 0,但它的电路最为简单,复杂度最低,并且抗误码能力强,在误码率为10-2的条件下还有较高的清晰度,同时技术成熟,是目前最适合于矿井移动通信系统的话音编码方式。2 基带语音部分的设计与实现本系统话音编译码技术选用CVSD,芯片选用CM X639。CM X639可支持8128kbps的编码方式3,用CVSD芯片M C3418和CM X639做对比试验,结果发现CM X639的8kbps的话音质量比MC3418的16kbps的话音质量还要好,能基本满足本系统的话音质量要求,所以本系统话音编码选为8kbps的CVSD。以TDD方式

10、实现双工通信的一个TDMA帧如表2所示,其中的数据头是为保证数据同步而必不可少的,可以看出当基带的传输速率是80kbps 时,语音速率为8kbps。表2 T DM A帧结构信令信道话音信道1下行数据头下行信令上行数据头上行信令下行数据头下行话音上行数据头上行话音5个字4个字5个字4个字5个字12个字5个字12个字话音信道2话音信道3下行数据头下行话音上行数据头上行话音下行数据头下行话音上行数据头上行话音5个字12个字5个字12个字5个字12个字5个字12个字44中国煤炭第33卷第4期2007年4月基带及语音电路主要应用于移动台中,完成语音放大和语音编码、解码的功能,其电路如图1所示,包括M I

11、C放大电路、语音编解码电路和话音功率放大3部分。图1 基带及语音电路和框图移动通信台语音部分采用的编解码芯片是CM X639,它是集编码和解码两种功能于一体的CV SD芯片,可选编码速率,在芯片内部设有比较器,可不受时钟控制产生串行比特流,信号在串行比特流控制下输入输出。若没有信号输入,则输出0和1持续交替信号。采用一片CM X639的编码口和解码口,就可实现双工通信。因为CM X639内部已集成了输入和输出滤波器,其外围电路十分简单。接口电路如图3所示。ENCODER IN为麦克的输出,ENCODER OUT为编码输出,DECODER IN 为解码输入,DECODER OU T为SPEAKE

12、R的输入信号。CVSD程序的功能是将一帧中射频接收区的数据在一帧时间内全部匀速地送给CVSD芯片的解码口,同时一帧中射频发射的数据恰巧是程序匀速采样CVSD编码口并放入射频发射区的数据。射频芯片的速率要比CVSD的速率快10倍,它是时分的,不仅要保证进出射频数据缓冲区的速率要与CV SD进出射频数据缓冲区的速率完全一样,还要保证两组进出的数据不重叠。移动台在正常工作时要保持与基站的同步,MSP430是靠其内部的定时器来产生严格的定时,射频部分每一位数据的收发都是由定时器中断程序来完成的,CV SD部分应和 射频部分时间上不冲突。图2 CM X639的典型应用电路参考文献:1 朱琦 混合型中速率

13、语音编码系统J 南京邮电学院学报(自然科学版 1997,9,Vo l 17(32 董文 矿井数字移动通信系统及组网的研究 D 北京:中国矿业大学(北京校区,20033 M X CO M,IN C公司(美 CM X639DA T A BU L L E T IN,2002(责任编辑 熊志军(上接第31页 能力和栏目策划能力。通过系列文章、开展专题研讨会等,来解决某一技术难题或企业的共同问题。(3高质量的装帧、印刷质量。构思巧妙、独具匠心、创意独特、自成风格、印刷精良的期刊具有强烈的艺术感染力,能引发读者的阅读欲望,加深读者对广告的印象。因此,期刊社应在了解相关学科的现状和读者所需的基础上,广泛挖掘优秀稿源,精心组稿、细致加工,在文章的实用性和适应性上多下工夫,明确市场定位,打造品牌,争取读者,扩大发行量,争取成为同类期刊中的精品。4 注重自我宣传科技期刊专业性强,普遍发行量不大,其影响力只局限于该行业和学科。因此,期刊社要想方设法宣传自己的期刊。(1免费赠刊。根据刊物所属专业和行业,向有广告潜力的广告客户赠阅,让他们熟悉、了解自己的期刊。(2加强与同类科技期刊的合作,互登广告,交换期刊,最大程度的在行业内宣传本刊办刊宗旨和服务对象。同