许爱装
[摘要] 在众多数字集群系统标准中，Motorola公司研制的综合调度增强型网络iDEN、泛欧数字集群无线系统TETRA和以色列的数字集群系统FHMA属姣妓者。在优选适合我国国情的数字集群系统标准的最后阶段，就是从这三种系统标准中优选一种。本文主要介绍这三种系统的话音编码技术，并对它们进行分析比较。
[关键词] iDEN TETRA FHMA 数字集群 话音编码
近年来，移动通信也象其它通信行业一样，正向数字化方向发展，集群通信系统也不例外。目前，在欧洲、美国和日本，数字集群系统正向着多业务、多功能、大容量、综合化、标准化和智能化发展。
话音编码为信源编码，是将模拟信号转变为数字信号，然后在信道中传输。在数字移动通信中，话音编码技术具有相当关键的作用，高质量低速率的话音编码技术与高效率数字调制技术相结合，可以为数字移动网提供高于模拟移动网的系统容量。目前，国际上话音编码技术的研究方向有两个：降低话音编码速率和提高话音质量。
IDEN、TETRA、FHMA数字集群系统均采用国际上较先进的话音编码方式，编码速率也较低，本文将介绍这三种系统的话音编码技术，并对它们进行比较。
l iDEN系统的话音编码技术
1．1 话音编码方式
iDEN的话音编码方式采用矢量和码本激励线性预测编码(VSELP)，话音码的基本速率为4．2kb／s。这种码是美国近年提出的，属于混合编码，采用码本激励的方法。数字蜂窝区系统IS—54(DAMPS)和PDC都采用这种编码方式，但编码速率比iDEN高，这证明iDEN的编码技术是成熟的，但由于编码速率较低，属于Motorola专利，所以从技术角度来说，选用这种编码是先进的，但技术公开性不好，价格较贵。
VSELP是CELP的改进算法，采用事先确定好结构的码本，从而避免了全搜索过程，大大减少了寻找最佳码字的时间，使码本搜索过程所需的计算大大简化，以致可用较简单的软硬件实现话音编码。
1．2 iDEN话音编码技术的特点
a. 码本搜索效率非常高
码本结构中具有互补码矢量，只需对基本矢量总数进行加减乘除，就可获得基本矢量;
b．码本存储条件低
在iDEN话音编码中，不需存储全部码本，只需储存M个基本矢量，所以内存较低；
c．信道抗误码能力强
在VSEIP码字中，单比特误差仅转变为一个基本矢量的符号，产生的码矢量仍与所需码矢量相似(总数M越大，越相似)。而对于随机码本，单个误差产生不同的任意随机码本，它的特性与所需码矢量无关，所以VSELP码的激励码字比随机码本的激励码字具有更强的抗误码能力；
d．码字和长时预测系数可有效共同优化
由于VSELP的码本结构，码字选择可以通过增益和长时预测系数有效地结合起来进行优化；
e. 具有多模式编码结构
iDEN的话音编码具有四种话音模式模式0(非话音)、模式l(微弱话音)、模式2(普通话音)、模式3(强话音)。
这四种话音的编码原理不同，所以iDEN的话音编码基本速率可压得较低。
1．3 iDEN话音编码的帧结构
iDEN话音编码将30ms话音作为一个编码子帧，得到126bit话音编码输出，即信源编码速率为4．2kb／s，再加上3．2kb／s采用多码率格子结构的前向纠错码和CRC校验码，形成7．4kb／s的数据流，使信号电平在较高和较低的输出情况下，都可改善音频质量，得到高质量的话音输出信号。在系统覆盖范围的边缘地区，VSELP改善话音质且效果相对会更好。
2 FHMA的话音编码技术
2．1 话音编码方式
FHMA的话音编码方式采用IMBE，话音编码速率为4．4kb／s，数据编码速率为1．2／2．4／4．8／9．6kb／s。
IMBE是改进型多频带激励编码，这种编码方式不需要使用码本，其激励完全是由基频和整个话音段的话音／非话音判决来确定的。为了更好地控制激励频谱，IMBE编码方式将每个话音段分成不同的频率段，并对每个频率段进行话音和非话音判决，使特定话音段的激励信号与周期(话音)和噪声(非话音)的能量混合，从而增加激励信号模式和自由度，使IMBE话音模式比传统话音模式的话音质量更好，并能克服背景噪声的存在，维持话音在低比特率(2．4kb／s)上的可懂度和自然度。1992年，为了选择用于APCO Project 25的北美陆地移动无线通信系统，通信工业协会(TIA)对四种实时7．2kb／s话音编码器进行了评估。这四种话音编码方式包括：IMBE、VSELP、STC和CELP，这次实验的结果示于图2。从图2可知，在测试条件相近的情况下，IMBE的话音质量大大高于其它编码方式。目前，IMBE话音编码已广泛用于移动卫星通信、数字移动通信、数字航空电话、视频电话、语音信箱／电话应答设备等领域。 FHMA话音处理过程是根据INMARSAT和APCO标准实现的，但前向纠错则不是根据这个标准实现的。
2．2 FHMA话音编码帧结构
在话音编码器输出端，所处理的话音是在20ms话音帧产生的208bit编码块中传送的，编码块中的88bit构成与4．4kb／s一致的压缩话音比特，剩下的120bit包括控制和附加倍息。每一话音帧的参数包括基频、话音／非话音判决和频谱包络信息。 FHMA话音编码子系统框图见图3，话音帧结构见图4；FHMA话音编码的平均评价分数(MOS)约比其它系统高0．8，FHMA于1995年12月开始运行，1996年1季度投入商用，实用结果证明其话音质量优良。
2.3 FHMA话音编码功能
a．声码器，话音压缩／解码
b. 话音活动检测(VAD)
c．信号音
d．产生本地信号音
e．消除回波，即电回波效应
f．传真，传真调制解调器
g．比特填充，增加／删除“填充比特”，仅限基站
FHMA话音处理模块的附加功能有话音活动检测、坏帧控制和可接受噪声(CN)插入。
3 TETRA的话音编码技术
TETRA是泛欧数字集群系统，1992年开始对该标准进行基础研究，1994年开始结构／功能研究，1995年进行早期全面研究，1997年开始实施380—400MHz频段实用，计划于1998年4月投入商用。目前，TETRA标准已比较详细，但还不够完善(主要标准已完善)，而话音编码技术的标准还属于草案部份，本文只作简单介绍。
3．1 TETRA话音编码方式
TETRA方式采用代数结构码本激励线性预测编码ACELP，这种算法建立在码本激励线性预测(CELP)
编码模式上，使用具有代数结构的特殊改进码本。话音编码速率为4．567kb／s，差错保护速率为2．633kb／s，实际编码速率为7．2kb／s 。
3．2 话音质量
TETRA话音编码的平均评价分数为4分，具有良好的话音质量，即使在强背景噪声干扰下也可懂，话音质量并不象调频系统那样随场强减弱而降低。大量实验证明，TETRA系统的话音质量比GSM系统好。
3.3 TETRA话音编码帧结构
TETRA话音编码将30ms话音作为一个编码子帧，得到137bit话音编码输出，即信源编码速率为4．567kb／s，其帧结构的比特分配见表2。 TETRA话音处理单元的功能包括帧窃用、可接受噪声、重要参数跟踪(Homing)、一致性试验等。TETRA的话音编码时延为95ms，解码时延为13ms，从移动台到移动台的编码传输时延为203．8ms。
4 三种系统话音编码技术的比较
最理想的比较方法是对这三种系统的话音进行实际测量，客观地测量它们的信噪比，主观地测量它们的平均评价分数，并对话音编码的算法分别进行计算机模拟，看哪种算法的实现更简单，这样才能对这三种系统的话音编码技术进行深入比较。
在我们进行优选标准过程中，手头只有三种系统的标准资料，时间也比较紧迫，无法进行实际测量和计算机模拟，所以本文只是根据标准资料，同时参考GEOTEK TECHNOLOGES INC所做的话音试验结果，对这三种系统的话音编码进行了分析比较。
摘自《移动通信在线》
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