数字化与语音编码技术

    1．数字化

    数字化是当代通信技术发展的总趋势，在数字通信中，信息的传输是以数字信号的形式进行的。在移动通信系统中， 基本的业务是传递话音。对于话音的传递来说，在发送端必须将模拟话音信号变为数字话音信号，通过射频电路调制后发射出去；在接收端通过相应的解调电路将数字话音信号还原成模拟话音信号。数字通信与模拟通信相比有许多显著优点：

    （1）数字信号传输性能好，能提供高质量服务。
    （2）用户信息保密好。 
    （3）能提供多种服务，包括话音与非话音服务。

     2．语音编码技术

    模拟话音信号变为数字信号涉及到语音编码技术。众所周知，在数字移动通信系统中，频率资源非常有限。对GSM系统来说，收信频段在935MHz－960MHz，若语音编码的数字信号速率太高，会占用过宽的频段，无疑会降低系统容量。但若语音编码的速率过低，又会使话音质量降低，所以采用一种高质量低速率的语音编码技术是是非常关键的。对欧洲的GSM系统来说，采用的是一种称为规则脉冲激励――长期预测的语音编码方案（RPE－LTP）。
    语音编码技术有三种类型：波形编码、参量编码和混合编码。
    波形编码：是在时域上对模拟话音的电压波形按一定的速率抽样，再将幅度量化，对每个量化点用代码表示。解码是相反过程，将接收的数字序列经解码和滤波后恢复成模拟信号。 波形编码能提供很好的话音质量，但编码信号的速率较高，一般应用在信号带宽要求不高的通信中。   

    脉冲编码调制（PCM）和增量调制（ΔM）常见的波形编码，其编码速率在16kbit/s－64kbit/s。 参量编码：又称声源编码，是以发音模型作基础，从模拟话音提取各个特征参量并进
    行量化编码，可实现低速率语音编码，达到2kbit/s－4.8kbit/s。但话音质量只能达到中等。
混合编码：是将波形编码和参量编码结合起来，既有波形编码的高质量优点又有参编码的低速率优点。其压缩比达到4kbit/s－16kbit/s。泛欧GSM系统的规则脉冲激励，长期预测编码（RPE－LTP）就是混合编码方案。
    在语音编码中，对话音质量的评价一般按听音者的主观感觉来定级。
                  质量等级
                  分数
                  收听注意力等级
                  优

                  5
                  可完全松驰，不需要注意力
                  良

                  4
                  需要注意，但不需要明显集中注意力

                  满意（正常）
                  3
                  需要中等程度注意力

                  差 2 需要集中注意力 
                  劣
                  即使努力去听，也很难听懂 

    上面提到的RPE－LTP编码可达到4分。

    （1）脉冲编码调制（PCM编码）

    脉冲编码调制有如下三个步骤：

     1）抽样　抽样定理：对一个时间上连续的信号，若频带限制在Fm内，要完全恢复原
信号，必须以大于或等于2Fm的频率进行抽样。
    例如，一般话音的频率为300Hz－3400Hz，如要完全不失真恢复话音信号，抽样频率
至少为6800Hz，为保险起见，一般取8000Hz。
    2）量化　模拟信号经抽样后在时间上是离散的，但其幅度的取值仍是连续的，为了使模拟信号变成数字信号，还必须将幅度离散化，即将幅度用有限电平来表示，实现样值幅度离散化的过程称为量化。量化犹如数学上的四舍五入，即将样值幅度用规定的量化电平表示。
    3）编码　将模拟信号抽样量化再编码成数字代码，称为脉冲编码调制（PCM）。64kbit/s的PCM是 成熟的数字语音系统，主要用于有线电话网，它的话音质量好，可与模拟语音相比，其抽样速率为8kHz，每个抽样脉冲用八位二进制代码表示，每一路标准话路的比特率为8000×8＝64kbit/s。
 对无线传输系统来说，由于频带的限制，必须采用低速高质的编码技术。

    （2）参量编码

    前面所述的波形编码的话音质量较高，技术实现上也较简单，但其速率较高。这意味着信号所占频带较宽，严重影响系统的容量，不能应用于频率资源有限的无线通信系统。为提高系统容量，必须采用低速高质的语音编码方法。 
    人们对语音的研究发现，提取出语音信号的特征参量进行编码，而不是对语音信号的时域波形本身编码，可以大大降低编码信号的速率，这种语音编码方式称为参量编码。
参量编码的基础是语音信号特征参量的提取与语音信号的恢复，这涉及到语音产生的物理模型。
为提取特征参量作语音分析，利用了语音信号的平稳特征，即认为语音在10ms－20ms 的时间内其特征参数不变。这样，可将实际语音信号划分为10ms－20ms的时间段，对每
个段内分别进行参量提取。
   参量编码可达到很低的速率，但其语音质量较差，主观评定等级低于3分。
    （3）混合编码
    这是近年来发展的一类新的语音编码技术。在这种编码信号中，既含有语音特征参量信息，又含有部分波形编码信息，其编码速率达8kbit/s－16kbit/s，语音质量可达到商用话音标准。GSM数字蜂窝移动系统中的语音编码技术采用混合编码，称之为规则脉冲激励――长期预测（RPE－LTP）编码，其速率为13kbit/s，语音质量达到4分

    进行混合编码的器件称之为语音编码器。其输入信号是模拟信号的PCM信号，对移动台来讲，抽样速率为8000Hz，采用13比特均匀量化，则速率为8000×13＝104kbit/s。
    在编码器中，编码处理是按帧进行的，每帧为20ms，即对104kbit/s语音数据流取20ms一段，然后分析并编码，编码后形成260比特的净话音数据块，编码后的速率为260/20ms＝13kbit/s。