井下數(shù)字移動(dòng)通信語(yǔ)音編碼的選擇和語(yǔ)音通信的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1、科技創(chuàng)新井下數(shù)字移動(dòng)通信語(yǔ)音編碼的選擇和語(yǔ)音通信的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)*田子建(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京市海淀區(qū)學(xué)院路,100083摘 要 介紹了常用的語(yǔ)音編碼方式,討論了井下移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)語(yǔ)音編碼方式的選取原則,結(jié)合井下移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用情況,給出了CVSD 編解碼方式的芯片CM X639的具體設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞 礦井移動(dòng)通信 語(yǔ)音信源編碼 CVSD CM X639芯片*1、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃: 煤礦數(shù)字化瓦斯遠(yuǎn)程檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)!(N o 2005AA 133070;2、信息產(chǎn)業(yè)部電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項(xiàng)目(信息產(chǎn)業(yè)部信部運(yùn)2006634號(hào),財(cái)政部財(cái)建2006549號(hào)多

2、功能煤礦井下無(wú)線通信系統(tǒng)。礦井通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是全數(shù)字蜂窩小區(qū)制,每個(gè)小區(qū)只有一個(gè)載頻,工作頻率范圍:868871MH z 。多址方式是TDM A,每個(gè)小區(qū)有3路8kbps 的雙工話音信道,1路專(zhuān)用信令信道,采取基站對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行輪詢(xún)的方式避免信道沖突。移動(dòng)臺(tái)和基站都采用T I 公司低功耗16位單片機(jī)MSP430控制半雙工900MH z 射頻芯片以時(shí)分的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)雙工通信。1 語(yǔ)音編譯碼技術(shù)移動(dòng)通信系統(tǒng)中最多的信息是話音信號(hào),因而話音編碼技術(shù)在數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)中具有相當(dāng)關(guān)鍵的作用。采用低碼率的話音編碼方式可以提高頻帶的利用率和信道容量;而采用有較強(qiáng)糾錯(cuò)能力的編碼技術(shù),能夠保證系統(tǒng)在較低信噪

3、比的條件下工作,并具有良好的通話質(zhì)量?？傊?話音編碼技術(shù)的優(yōu)劣將直接影響通話質(zhì)量、頻道利用率以及系統(tǒng)容量。1 1 語(yǔ)音編譯碼分類(lèi)話音編碼技術(shù)通常分為3類(lèi):波形編碼、聲源編碼和混合編碼。波形編碼和聲源編碼是兩種傳統(tǒng)的話音編碼,而混合編碼則是近幾年才出現(xiàn)的1。(1波形編碼技術(shù)。波形編碼是通過(guò)對(duì)語(yǔ)音波形進(jìn)行采樣、量化,然后用二進(jìn)制碼表示出來(lái)。波形編碼的目的在于盡可能地再現(xiàn)原來(lái)的話音波形。該方式是以話音波形取樣構(gòu)成的離散序列為基礎(chǔ),經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚?在一定程度上消除其冗余消息之后,進(jìn)行編碼并送至接收端。接收端經(jīng)譯碼并作相應(yīng)的逆處理,從而恢復(fù)出較近似的話音信號(hào)。由于波形編碼器結(jié)果簡(jiǎn)單,沒(méi)有利用語(yǔ)音信號(hào)的冗

4、余特征,在1216kbps 范圍內(nèi),話音質(zhì)量或多或少地有些惡化。比特率再低,話音質(zhì)量便大大下降。波形編碼器在硬件上很容易實(shí)現(xiàn),而且不受時(shí)延的影響。(2聲源編碼技術(shù)。聲源編碼是將話音信號(hào)用特定的聲源模型表示。接收端根據(jù)輸入話音提取模型參數(shù)并進(jìn)行編碼,用傳輸模型參數(shù)代替?zhèn)魉鸵圆ㄐ螢榛A(chǔ)的話音模型,并重新混合出具有一定可懂度的話音。這種聲源編碼技術(shù)的一個(gè)例子就是線性預(yù)測(cè)編碼(LPC聲碼器。這種技術(shù)可以把話音信號(hào)壓縮到2kbps,甚至可以壓縮到400bps 或更低。但話音質(zhì)量聽(tīng)起來(lái)不夠自然,雖然詞語(yǔ)可懂,卻常常不能識(shí)別通話人。提高數(shù)碼率并不能有效地提高其話音質(zhì)量。當(dāng)編碼速率高于4 8kbps 時(shí),一般

5、不用這種技術(shù)。(3混合編碼技術(shù)?；旌暇幋a是波形編碼和聲源編碼相結(jié)合的一種較新的編碼技術(shù),它能夠把波形編碼較高的話音質(zhì)量和聲源編碼低速的優(yōu)點(diǎn)很好地結(jié)合起來(lái)。因?yàn)樵诨旌暇幋a的話音信號(hào)中既包括若干話音特征參量又包括部分波形編碼信息。混合編碼可將傳輸速率壓縮到416kbps,而在443井下數(shù)字移動(dòng)通信語(yǔ)音編碼的選擇和語(yǔ)音通信的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)16kbps范圍內(nèi)能達(dá)到良好的話音質(zhì)量。波形編碼最成熟的是脈沖編碼調(diào)制(PCM。波形編碼的改進(jìn)主要有增量編碼(M、自適應(yīng)差分脈沖編碼(ADPCM、子帶編碼(SBC、自適應(yīng)變換域編碼(AT C、時(shí)域諧波壓擴(kuò)(T DH S等。這些技術(shù)大多數(shù)是利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)提取某些話音特

6、征參量來(lái)壓縮速率的,所以它們已不是單純的波形編碼,而屬于混合編碼了。參量編碼主要有多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(MPE-LPC、規(guī)則脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(RPE -LPC、碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(CELP等。1 2 適合于礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)的話音編碼方式幾種常見(jiàn)編碼方式的對(duì)比如表1所示,從表1中可以看出,話音編碼方式有高速(32kbps以上、中速(4 816kbps和低速(2 4kbps以下。它們各有各的優(yōu)缺點(diǎn),從而各有各的適用的地方,如高速話音編碼方式的話音質(zhì)量高,但占的帶寬大,適合于寬帶信道;中速話音編碼方式話音質(zhì)量稍差,同時(shí)占用的帶寬也小;而低速的話音編碼方式話音質(zhì)量較差,但所占用的帶寬最小,適合

7、于對(duì)話音質(zhì)量要求不是很高的窄帶信道。選擇移動(dòng)通信系統(tǒng)的話音編碼技術(shù)主要考慮能滿(mǎn)足移動(dòng)通信系統(tǒng)信道的要求。由于移動(dòng)通信系統(tǒng)使用的帶寬有限,所以要求話音編碼的速率低。同時(shí)移動(dòng)通信使用的無(wú)線信道衰落和干擾會(huì)引起較高的誤碼率,因而編碼算法應(yīng)還有較好的抗誤碼能力。另外,從用戶(hù)的角度出發(fā),還應(yīng)有較好的話音質(zhì)量和較短的時(shí)延。這些要求往往是相互矛盾的,例如要求高質(zhì)量話音,編碼速率就應(yīng)高一些。而這又和信道帶寬有矛盾,因信道帶寬是有限的,碼速過(guò)高無(wú)法在有限的信道內(nèi)傳輸。在選擇礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)的話音編碼方式時(shí),要結(jié)合礦井的工作實(shí)際,歸納起來(lái),礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)話音編碼的要求如下2:(1對(duì)話音的質(zhì)量要求不是很高,對(duì)話

8、音自然度要求不高;(2由于帶寬受限,編碼速率應(yīng)盡可能低;(3應(yīng)有較強(qiáng)的抗噪聲干擾和抗誤碼性能;(4對(duì)編譯碼時(shí)延要求不是很高;(5編譯碼器必須簡(jiǎn)單,性能價(jià)格比高;(6功耗小,工作電壓低,以延長(zhǎng)移動(dòng)臺(tái)電池的使用時(shí)間。表1 幾種編碼方式的對(duì)比編碼名稱(chēng)傳輸速率/kbps時(shí)延/ms主觀評(píng)分/M O S復(fù)雜度P CM(G711標(biāo)準(zhǔn)644 31 ADPCM(G722標(biāo)準(zhǔn)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雖然M OS只有3 0,但它的電路最為簡(jiǎn)單,復(fù)雜度最低,并且抗誤碼能力強(qiáng),在誤碼率為10-2的條件下還有較高的清晰度,同時(shí)技術(shù)成熟,是目前最適合于礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)的話音編碼方式。2 基帶語(yǔ)音部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)話音編譯碼技術(shù)選用CVSD,芯片選用CM X639。CM X639可支持8128kbps的編碼方式3,用CVSD芯片M C3418和CM X639做對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)CM X639的8kbps的話音質(zhì)量比MC3418的16kbps的話音質(zhì)量還要好,能基本滿(mǎn)足本系統(tǒng)的話音質(zhì)量要求,所以本系統(tǒng)話音編碼選為8kbps的CVSD。以TDD方式

10、實(shí)現(xiàn)雙工通信的一個(gè)TDMA幀如表2所示,其中的數(shù)據(jù)頭是為保證數(shù)據(jù)同步而必不可少的,可以看出當(dāng)基帶的傳輸速率是80kbps 時(shí),語(yǔ)音速率為8kbps。表2 T DM A幀結(jié)構(gòu)信令信道話音信道1下行數(shù)據(jù)頭下行信令上行數(shù)據(jù)頭上行信令下行數(shù)據(jù)頭下行話音上行數(shù)據(jù)頭上行話音5個(gè)字4個(gè)字5個(gè)字4個(gè)字5個(gè)字12個(gè)字5個(gè)字12個(gè)字話音信道2話音信道3下行數(shù)據(jù)頭下行話音上行數(shù)據(jù)頭上行話音下行數(shù)據(jù)頭下行話音上行數(shù)據(jù)頭上行話音5個(gè)字12個(gè)字5個(gè)字12個(gè)字5個(gè)字12個(gè)字5個(gè)字12個(gè)字44中國(guó)煤炭第33卷第4期2007年4月基帶及語(yǔ)音電路主要應(yīng)用于移動(dòng)臺(tái)中,完成語(yǔ)音放大和語(yǔ)音編碼、解碼的功能,其電路如圖1所示,包括M I

11、C放大電路、語(yǔ)音編解碼電路和話音功率放大3部分。圖1 基帶及語(yǔ)音電路和框圖移動(dòng)通信臺(tái)語(yǔ)音部分采用的編解碼芯片是CM X639,它是集編碼和解碼兩種功能于一體的CV SD芯片,可選編碼速率,在芯片內(nèi)部設(shè)有比較器,可不受時(shí)鐘控制產(chǎn)生串行比特流,信號(hào)在串行比特流控制下輸入輸出。若沒(méi)有信號(hào)輸入,則輸出0和1持續(xù)交替信號(hào)。采用一片CM X639的編碼口和解碼口,就可實(shí)現(xiàn)雙工通信。因?yàn)镃M X639內(nèi)部已集成了輸入和輸出濾波器,其外圍電路十分簡(jiǎn)單。接口電路如圖3所示。ENCODER IN為麥克的輸出,ENCODER OUT為編碼輸出,DECODER IN 為解碼輸入,DECODER OU T為SPEAKE

12、R的輸入信號(hào)。CVSD程序的功能是將一幀中射頻接收區(qū)的數(shù)據(jù)在一幀時(shí)間內(nèi)全部勻速地送給CVSD芯片的解碼口,同時(shí)一幀中射頻發(fā)射的數(shù)據(jù)恰巧是程序勻速采樣CVSD編碼口并放入射頻發(fā)射區(qū)的數(shù)據(jù)。射頻芯片的速率要比CVSD的速率快10倍,它是時(shí)分的,不僅要保證進(jìn)出射頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的速率要與CV SD進(jìn)出射頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的速率完全一樣,還要保證兩組進(jìn)出的數(shù)據(jù)不重疊。移動(dòng)臺(tái)在正常工作時(shí)要保持與基站的同步,MSP430是靠其內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生嚴(yán)格的定時(shí),射頻部分每一位數(shù)據(jù)的收發(fā)都是由定時(shí)器中斷程序來(lái)完成的,CV SD部分應(yīng)和 射頻部分時(shí)間上不沖突。圖2 CM X639的典型應(yīng)用電路參考文獻(xiàn):1 朱琦 混合型中速率

13、語(yǔ)音編碼系統(tǒng)J 南京郵電學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 1997,9,Vo l 17(32 董文 礦井?dāng)?shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)及組網(wǎng)的研究 D 北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū),20033 M X CO M,IN C公司(美 CM X639DA T A BU L L E T IN,2002(責(zé)任編輯 熊志軍(上接第31頁(yè) 能力和欄目策劃能力。通過(guò)系列文章、開(kāi)展專(zhuān)題研討會(huì)等,來(lái)解決某一技術(shù)難題或企業(yè)的共同問(wèn)題。(3高質(zhì)量的裝幀、印刷質(zhì)量。構(gòu)思巧妙、獨(dú)具匠心、創(chuàng)意獨(dú)特、自成風(fēng)格、印刷精良的期刊具有強(qiáng)烈的藝術(shù)感染力,能引發(fā)讀者的閱讀欲望,加深讀者對(duì)廣告的印象。因此,期刊社應(yīng)在了解相關(guān)學(xué)科的現(xiàn)狀和讀者所需的基礎(chǔ)上,廣泛挖掘優(yōu)秀稿源,精心組稿、細(xì)致加工,在文章的實(shí)用性和適應(yīng)性上多下工夫,明確市場(chǎng)定位,打造品牌,爭(zhēng)取讀者,擴(kuò)大發(fā)行量,爭(zhēng)取成為同類(lèi)期刊中的精品。4 注重自我宣傳科技期刊專(zhuān)業(yè)性強(qiáng),普遍發(fā)行量不大,其影響力只局限于該行業(yè)和學(xué)科。因此,期刊社要想方設(shè)法宣傳自己的期刊。(1免費(fèi)贈(zèng)刊。根據(jù)刊物所屬專(zhuān)業(yè)和行業(yè),向有廣告潛力的廣告客戶(hù)贈(zèng)閱,讓他們熟悉、了解自己的期刊。(2加強(qiáng)與同類(lèi)科技期刊的合作,互登廣告,交換期刊,最大程度的在行業(yè)內(nèi)宣傳本刊辦刊宗旨和服務(wù)對(duì)象。同