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TETRA数字集群系统语音信道编解码的设计和实现

时间:2013-06-25 来源:中国集群通信网 作者:陈晓亮 点击:

TETRA数字集群通信系统是一种基于数字时分多址(TDMA)技术的专业移动通信系统。该系统可在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输和电话服务。信息产业部于2000年发布了我国《数字集群移动通信系统体制》(SJ/T11228-2000)标准,在该标准中确定了TETRA数字集群通信系统和iDEN数字集群通信系统两种体制。

 语音信道编解码技术是TETRA数字集群系统中的重要部分,它不仅能够提高系统的频谱利用率,而且能够为系统提供有效的差错控制,保证系统传输的可靠性,进一步提高系统语音通信质量。

2 TETRA数字集群系统语音信道的编码技术

2.1删余卷积编码

 TETRA数字集群系统语音信道采用码率兼容删除卷积码(RCPC),进行前向纠错编码,实现语音的不同等级差错保护控制。卷积码可表示为(n,k,N),即每输入k个信息比特输出n个编码比特,其约束长度为N。为了提高码率,需要增加k的值,但是k值的增加会显著提高解码器计算的复杂度。对于常用的Viterbi解码器,k增加1,寄存器状态数将翻倍,而且每个状态至下一状态的转移路径有2k条,加比选(ACS)的工作量也将随k的增长而呈指数倍增长。这样在硬件实现时,将大大增加对存储单元的需求,使得解码器的实现变得十分复杂。为了获得较高的通信速率且不增加编解码器的复杂度,使用删除(Puncture)方法。
 首先利用某一固定码率的编码器进行卷积编码,然后根据要生成的码率要求,周期性地删除码序列中某些位置上的比特,从而提高编码效率。以一个码率为1/n的码为母本来进行删除,设删除的周期为p。在一个周期内,当编码器输入p个信息比特时,将输出n*p个编码比特,n*p个编码比特对应的删除矩阵A为:
                         (1)

 其中:A每列的n元素与编码器输出的n个比特相对应。

 矩阵A的元素为0或1,当aij=1时,编码器输出对应的编码比特;当aij=0时,编码器删除对应的编码比特。因此,n、删除周期p以及矩阵A中1的个数能够确定最后输出的码率。当从n*p个比特中删除N个比特时,码率为p/(n*p-N)。

2.2交织

 TETRA数字集群通信系统中使用的交织技术主要有两种:块内交织和块间交织。块内交织是在单个数据块内对数据进行矩阵变换,将原数据排列次序置乱。块间交织是首先将当前数据块中的数据分散到N个交织块中,当前块和前N-1个数据块中的部分数据合成为一个数据块;然后对于每个数据块再进行块内交织,交织深度N的取值范围是1、4或8。交织深度N越大,交织效果越好,但将增加编码和解码的延时,导致业务传输的时延加大。

2.3加扰
 为了保证数字基带传输中定时恢复的质量,要求所传输比特流中所含有的“1”和“0”出现的概率是相等的。在交织之后,TETRA数字集群系统将利用一个伪随机序列对传送的码流进行扰乱处理,使之变为伪随机序列,从而限制连“0”码和连“1”码的长度。

3   TETRA数字集群系统语音信道的编码流程

 在TETRA数字集群标准中,下MAC层的逻辑信道可以分为业务信道和信令信道两类,通过业务信道中的语音业务信道实现TETRA数字集群通信系统中的语音信号传输。在语音信号采集端,模拟语音信号经8kHz采样,16比特量化后转化为128kbit/s的数字信号,然后将采样数据进行ACELP(Algebraic Code—Excited Linear Predictive:代数码激励线性预测)语音编码,得到每帧137比特的语音编码数据。通常,一个时隙(14.167毫秒)会传输2个语音帧,共274比特的语音编码数据,这两个语音帧的数据将会被相互交叉合并进行编码,以提高语音信道编码的鲁棒性,用于传输这种格式语音数据的逻辑信道为全时隙业务信道(TCH/F);当发生了信道挪用且只挪用了2个语音帧中的一帧时,一个时隙(14.167毫秒)只传输1个语音帧共137比特的语音编码数据,用于传输这种格式语音数据的逻辑信道为半时隙业务信道(TCH/H)。

 全时隙业务信道(TCH/F)和半时隙业务信道(TCH/H)的信道编码方案不同,但编码的步骤是相同的。图1示出了TETRA数字集群系统全时隙业务信道(TCH/F)和半时隙业务信道(TCH/H)的信道编码结构。

 图1  TETRA数字集群系统的信道编码结构

 TETRA数字集群系统TCH/F的主要编码流程为:

 (1)等级分类

 由于TETRA数字集群系统的信道带度为25kHz,所以为了提高信道利用率,其信道纠错编码方案采用非均等保护。由于语音编码后的274比特对于语音重建的作用是不同的,根据对语音信号重建的重要性,将语音编码后的274比特分为3个等级,即:0等级(102比特)、1等级(112比特)以及2等级(60比特),其中0等级比特最不重要,2等级比特最重要。

(2)加入循环码校验

 在等级分类后,根据不同等级对语音重建作用的不同,对语音编码数据进行非均等纠错保护。因为2等级的数据最为重要,所以TETRA数字集群系统利用循环冗余码(CRC码)对其保护,其生成多项式为:
                            (2)

(3)删余卷积码

 删余卷积码也采用了非均等纠错保护,对2等级数据、CRC校验码以及4比特尾码进行码率为8/18的删除卷积编码,对1等级数据进行码率为2/3的删除卷积编码,0等级数据不加保护。

(4)交织和加扰

 所有数据都要进行交织和加扰。交织是将突发错误分散并转换成为随机错误,从而提高系统的纠错能力。TETRA数字集群系统对全时隙业务信道(TCH/F)采用了块内交织,对其进行的矩阵变换。

4  TETRA数字集群系统语音信道的FPGA实现

 在FPGA平台上,利用VHDL语言实现语音信道编解码,FPGA选芯片型号为Virtex-4 SX55,其信道编码器的结构如图2所示。
(中国集群通信网 | 责任编辑:陈晓亮)

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