CN1129263C - 分组编码信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

依靠对各别的语音编码器同其它语音编码器协调一致地作出编码率选择决策，使一个码分多址(CDMA)通信系统减小自干扰和增大系统容量。系统中利用感觉加权误码量度(401)作为一个编码率控制器(404)的输入，由该控制器向诸编码器(105)返送选定的编码率(402)。系统可给出最佳话音质量和系统容量，在容许其它编码器保持其码率下，可使特定的编码器能减小编码率、提高容量。当系统容量需暂时增大时，它可防止话音质量受到不必要的损失。

Description

分组编码信号的方法和装置

本发明涉及利用码分多址(CDMA)技术的通信系统，具体涉及可变编码率语音编码方法，用以在此类通信系统中配置着数字语音编码的点对多点多址链路内减小系统的自干扰和增大系统的容量。

近些年来，已采用了各式各样的技术以在一个有限地可应用的射频频谱内提供出多用户移动通信。这些技术中采用的方法包括有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)，或者更一般地是这些方法的混合。过去十年内，在设计商用蜂窝电信系统中已使用的所有这些方法有：此类AMPS系统中应用的FDMA，European Group Special Mobile(GSM)标准中应用的FD/TDMA，更新的是美国电信工业协会(US TIA)在其IS-95标准中具体采用了的直接顺序FD/CDMA方法。在IS-95标准中，一些用户共享蜂窝通信频段内若干宽带无线电信道中的一个信道。根据类似的FD/CDMA原理，还在为所谓的个人通信系统(PCS)设计几种通信协议。

几乎所有新近的蜂窝系统和PCS系统都应用了数字语音编码和正向信道误码校正作为话音通信的物理层。在这方面更有意思的是应用话音有效性检测(VAD)来辨明在某一个呼叫方方面存在或不存在语音。不存在语音时，语音编码器可指令与其耦链的调制器或发射机将它们的输出功率减小至零，或者暂时地发射出用以表明在某一个用户地点只有背景噪声的信息包。用这种方式来减小无线电发射机的负载周期可给出双重益处，一是减少了功率损耗(在移动装置情况下可增加电池寿命)，二是减少了共享同一射频频谱的用户之间的干扰。根据谈话的情况，可做到发射功率的减少在40％至65％之间。功率减少量最终受限于对话音质量降低所考虑的可接受程度，这种话音质量降低是伴随着重大的VAD技术的。

功率减少的可能性对于CDMA系统来说特别重要。在此类系统中，用户容量是反比于系统自干扰量的。在TIA IS-95 FD/CD-MA标准中，借助于应用可变编码率语音编码器来代替简单通断或不连接传输方法，使CDMA方法得到稍许扩展。在IS-95标准中，已编码语音分离成20ms的时间段，语音编码器可以以8000bps、4000bps、2000bps或800bps的有效比特率来选择这类时间段进行编码。在基站到移动站(正向传输)和移动站到基站(反向传输)两方向上，IS-95链路都可开发可变编码率编码。在正向链路情况下，借助于编码的编码率减小时按比例缩小输出功率，从而可降低平均发射功率。信道符号的重复容许移动接收机中进行符号组合，因之可维持每个符号能量对噪声功率谱密度之比，它决定了链路的性能。需要指出，在800bps传输期间，平均发射功率-因而系统自干扰-可减小到四分之一。对于一般的双向通话将聚合的话音容量作出平均中，已经估算出，当应用TIA标准IS-96中规定的标准语音编码和话音有效性检测算法时，平均发射功率将降下到其标称值的约41％。这对于系统正向链路容量有重大的作用。

然而，在IS-95空间接口标准及其关联的IS-96语音编码器标准的当前实施中，每个正向话音链路是独立地编码的。也就是，各个语音编码器不论共享同一射频频谱的其它话音信道如何，它们对维持可接受话音质量所需的最小编码率都作出各自的决定。这就是需要做到这样，即使共享同一射频频谱的其它语音编码器并不需要使其编码率最小，每个语音编码器中的编码率决定算法也总会使其编码率最小。例如，如果在一个基站上共享同一信道的全部语音编码器要在一个低编码率上同时试图发射，则该基站上总输出功率的减少意味着其每个语音编码器可放宽采用下一个较高的编码率，对系统容量不造成冒险。由于对一个可变编码率语音编码器使其平均发射的编  码率最小时需要在话音质量上折衷妥协，所以弧立的语音编码不必要地放弃了话音质量。另外，CDMA在处理容量时，将约束放到每个语音编码器的发射编码率上以便于暂时地提升容量，而这类约束必然是盲目地加上的，它不论对话音质量的影响如何是使所有话音链路受到同样的约束。这显然是浪费的，因为人们知道，话音质量依赖于许多不同的因素，所以存在着这样的可能性，在区段/网孔内感验到对话音质量总体影响最小的情况下使特定编码器的编码率减小。

因此，对于一个FD/CDMA系统中正向链路上的全体语音编码需要有一种方法和装置，以便于与馈送信号给同一区段/网孔和射频信道的所有其它语音编码器协调一致地对各别的语音编码器作出编码率选择的决策。

图1以方框图形式概略地示出先有技术的CDMA基站发射机。

图2以方框图形式概略地示出语音编码标准TIA IS-96中规范的、先有技术的编码率决策装置。

图3以方框图形式概略地示出优选实施例中利用的、并在语音编码标准TIA IS-96中详细说明了的一种码书激励线性预测(CELP)语音编码器类型。

图4以方框图形式概略地示出按照本发明应用一个监控处理器或编码率控制器来对语音编码分组。

图5概略地示出按照本发明在一个区段/网孔发射出的功率受到约束下，当使得该区段/网孔的总体语音质量最佳化时，作为算法之一部分数目中由编码率控制器利用的一个编码率/质量表。

图6以方框图形式概略地示出按照本发明实现CDMA分组编码法用的一个装置。

图7以方框图形式概略地示出按照本发明、会有益于实现分组编码的一个编码率控制器。

借助于就各别的语音编码器与其它的语音编码器协调一致地作出编码率选择决策，一个码分多址(CDMA)通信系统可以减小系统自干扰和增大系统容量。系统利用感觉上加权的误码量度(401)作为编码率控制器(404)的输入，由编码率控制器(401)决定编码率，并向编码器(105)返送给选定的编码率(402)。该系统这样地给出最佳的话音质量和系统容量，在根据需要而允许其它编码器维持它们的编码率的同时，可以使特定的编码器降低它们的编码率，改进容量。当系统容量需要暂时增加的那些时候，这样做可以防止话音质量的不必要下降。

本发明所说明的优选实施例中关联到的一个CDMA数字蜂窝通信系统是以美国电信工业协会(TIA)标准IS-95和IS-96为基础的。本技术领域内的熟练人员可以理解到，本发明也可以应用到任一种CDMA点到多点链路(一般是数字蜂窝系统中的正向链路)上，其中，可采用可变编码率语音编码来使自干扰减小。然而，所论及的技术还能有益地使用于任何的通信系统中，事实上并且不限制于通信系统中。例如，本技术也能使用于这样的场合，即语音编码的实现是用以在只有有限存储器空间的存储装置内进行存储。实质上，本技术尽可以应用在这样的用途中，即需要进行编码(对于语音、图像、数据等)而对此编码又涉及一些限制因素(关于功率电平、编码质量、系统容量、存储器空间等)。

依靠对至少两个编码器来的编码率决策信息的接收，以及根据至少这两个编码器方面的编码率决策信息而对至少一个编码器的编码率作出的决定，由本方法和装置对信号进行分组编码。在优选实施例中，码率决策信息是质量信息，它使信号重建质量与编码编码率的一个函数相关联(在20ms时间段-20ms时间段的基础上)。该质量信息包括有(但并不限制于)：由分析-综合语音编码器产生的感觉上加权的误码量度、信号噪声比(S/N)、分段的(Segmented)S/N、对数倒频谱(cepstral)距离、LPC(线性预测编码)距离测量、以及BARK频谱距离测量；所有这些是本技术领域内周知的。

这至少一个编码器的编码率决定上，是基于一种阈值准则(它通常是预先确定的)。在优选实施例中，该阈值准则可包括有(但不限制于)：指配有编码器的区段/网孔的决输出功率、一个相邻区段/网孔的总输出功率、一个服务着的基站的当前传输功率电平、这至少两个编码器的当前数据率，存储装置中可予应用的存储器空间、处理装置中可予应用的处理功率，以及一个预定频谱中可预应用的带宽。还有，在优选实施例中，编码器都是可变编码率的分析-综合编码器。这类编码器可编码的信号包括(但并不限制于)语音信号、视频信号和数据信号。

图1示出一个CDMA基站(102)正向链路的高水平结构，它设计来用于TIA IS-95数字蜂窝无线电标准的优选实施例。图1的基站(102)实现特别是、可变编码率语音编码、正向误码校正、正向链路功率控制、多址扩展以及调制和传输。图1中，从公共交换电话网(PSTN)(100)来的几个标准μ律编码的多路复用64kbps脉码调制(PCM)T1链路(101)输入到去复用器(DMUX)(103)上。然后，每路64kbps话音链路(104)各通过一个数字语音编码器(105)。在通常的电路实现中，语音编码功能的完成可采用许多通用数字信号处理器(DSP)芯片、ROM编码的DSP芯片或是专用集成电路(ASIC)。几个这样的处理器一般组装在单一块印刷电路板上(对于本发明这当然不是必需的)，然后它能够处理全体T1中继线上的多路复用话音信道。在语音编码后，附加上通常的、循环码形式的误码校正码(106)，随后是BPSK(二相移相键控)调制(107)、Walsh掩蔽和短的伪噪声(PN)序列扩展(108)、低通滤波(109)、发射功率电平调整(110)和功率放大(111)，并最后传输到移动站(113)(为简明起见，未示出对射频的频移)。

由DSP或其它器件用来构成语音编码器(105)以实现TIA IS-96标准处理的电路方框图示于图2中。如图中所示，语音编码器(105)可划分成两个主要部分：编码率决定与编码。首先，考察编码率决定的作用。在IS-96标准中，每个语音编码器(105)将其有关的PCM信号流划分成一个个由源语音波形的每160个样值组成的20ms帧。每个帧的功率电平〔这是由自相关估值器(200)产生的帧自相关函数估值的零次延迟R(O)〕馈至一排比较器(203)上，由它们确定，帧功率超过了三个单调增加的阈电平中的哪一个。这三个阈电平是由平均值滤波器(201)上形成的语音信号功率电平非线性平均的二阶内插给出的。应当注意，所有这些处理步骤在TIA IS-96中完全地规定了。如果当前帧的能量小于三个阈值的最低值，则该帧被申明为1/8编码率帧；如果该帧的能量处在最低阈值与中间阈值之间，则该帧被申明为1/4码率帧；如果该帧的能量处在中间阈值与最高阈值之间，则该帧被申明为1/2编码率帧；最后，如果该帧的能量超过最高阈电平，则该帧被申明为全编码率帧。这最后的步骤是由比较器(203)和解码器(204)完成的，以产生出选定的编码率(205)。

然后，选定的编码率输入到码书激励的线性预测(CELP)语音编码函数(206)上，由它应用该编码率下具体的比特数目来形成一个该语音帧的参数描述。在优选实施例中，用来表明1/8编码率帧已编码参数的比特数目是16(不计及用于误码校正/检测的附加比特)；对于1/4编码率帧是40比特；对于1/2编码率帧是72比特；而对于全编码率帧是160比特。虽然，在优选实施例中，叙述的讨论了CELP语音编码，但其它的编码技术同样可以有益地予以使用，诸如特别是波形编码，线性预测编码(LPC)、子带编码(SBC)、码激励线性预测(CELP)、随机激励线性性预测(SELP)、矢量合成激励线预测(VSELP)、改进的多频带激励(IMBE)，以及自适应差值脉码调制(ADPCM)编码算法。

为了清楚起见，需要较详细地说明CELP语音编码程序。图3中示出了一个用于优选实施例的CELP语音编码器中信号处理的高水平方框图。如图3中所示，首先，从64kbps语音信号(104)接连的20ms帧中得到自相关函数的估值(309)〔通常，这是象编码率决定程序中自相关估值器(200)一样地完成的〕。其次，根据应用例如Schur递归器(301)对所谓的正态方程的求解，得出短时间线性预测(STP)滤波系数(310)。STP滤波器(303)往往是一个格形滤波器，而STP系数是格形滤波器的反射系数。在利用线性频谱配对或某种别的坚实的量化方法进行量化(302)后，将STP系数用来对语音信号进行滤波。得到的信号然后加到长时间预测(LTP)滤波器(313)和(在CELP线性预测编码器情况下的)码书搜索程序上。LTP滤波器一般是一个一阶递归滤波器，其反馈延迟和增益都可变，它们示明在图3中的LTP延迟L(304)和LTP增益G(305)上。然后，编码工作前进到同时调整LTP延迟、LTP增益和码书索引I(312)上，使得在LTP滤波器输出中的平方误差最小。接着，使L、G和I量化(经常采用简单偏置的线性最化器方法)，将它们连同STP系数加到误码校正电路块上。这种分析-综合程序的性能可借助于对误码量度进行加权来予以改进，它使误码量度对人耳的频率响应听觉来说为最小。这是由一个感觉加权滤波器(307)来完成的，它变更误码量度(308)以加强对人耳最敏感的那些频率分量。本技术领域内的熟练人员能理解到，几乎所有先进的分析-综合语音编码器都可应用来作成感觉上加权的误码量度。所以，如上面所述，本发明并非只是限制于CELP语音编码器。

在这一背景下，现在可以说明按照本发明的分组语音编码。从图1和图2中显然可知，先有技术中，每个正向链路语音编码器的编码率是独立地决定的。也就是，每个64kbps话音链路的编码率仅仅决定于对该语音信号的信号处理。由于一个CDMA系统的正向链路中自干扰的总量(因而系统容量)取决于每个编码器的平均编码编码率，所以又显然可知，为了做到工作在最大可能的容量上，每个语音编码器的编码率决策算法必须设计得能始终求出最小可能的编码率。而由于每一个语音编码器独立地工作，它们并不知道在基站天线(112)上发射着的总功率(因而系统的自干扰)。由于要达到低的平均编码率时必定损失语音质量，这就意味着，当该系统不工作在它的最大容量上时，或者等效地说，不发射出它的最大配令功率时，则整个系统的语音质量将不必要地遭受到损失。换句话说，独立的语音编码会使基站上总的瞬时输出功率有大的差异。

在许多的CDMA功率控制算法中，由于对一个网孔或区段来的总发射功率设定有严格的限制，所以用来对各别链路编码的编码率必须保持不必要地较低。此外，人们知道，数字编码话音链路的主观感觉质量不仅取决于所应用着的语音编码器，还取决于别的因素，诸如说话者性别、音调、扬声器响应及声学背景噪声的类型/级别之类的环境因素。因此，对每个链路独立地编码时，将无法认识到这样的情况，即一个链路在编码率上的减小相对于另一个链路在编码率上的等量减小(因而相对于另一个扬声器)，在感觉上的总话音质量方面会是损失得较少。此外，在TIA IS-96标准里具体实施的当前技术中，实现编码率决策时并未利用到感觉上加权的编码误码量度。

图4中所示的方法可以用来克服这些缺点。图4中，每个语音编码器(105)就每个20ms帧对于四种候选编码率(在另外的实施例中也可以多于四种编码率)之每一个上语音帧的编码所产生的感觉加权误码量度(401)作出估值。然后，将这个信息加回到一个监督用的编码率控制器(404)上。随后，编码率控制器(404)形成一个类同于图5中那样的码率/质量表，它表明了对于报告给编码率控制的N个语音编编码率之每一个由于在每一种候选编码率上进行编码而产生的感觉上加权的误码量度。

使网孔或区段上总话音质量最佳的一个简单方法是一开始先认定，所有N个话音信道具有相同的发射功率。使全部编码器(105)都置于最低的候选编码率上，而总发射功率P由编码率控制器(404)进行计算。在此情况下，发射功率P简单地等于全部N个编码器方面诸编码率值的总和，这里的编码率值对于1/8编码率是1/8，对于1/4编码率是1/4，依此类推。然后，编码率控制器(404)对于N个编码器之任一个在编码率/质量表中寻找出与当前候选编码率相对应的最大一项。这等效于对于选定编码率的当前集合标识出最差话音质量(也即是最大感觉加权误码)的编码器。将该编码器的编码率增加到次最高的编码率上，并重新计算发射功率P。这个过程继续下去，直至P值超过某一总功率阈值T，到此时刻该程序终结。有一种改进的方法可使此程序适应于编码率/质量表中诸项，这些项已受到与每一编码器相关联的发射增益的加权。这一点可以从功率电平控制电路中提取得到。本技术领域内的一般技术人员会理解到，这个程序的总体效果是通过某些编码器码率的减小来降低功率，而工作在低些的编码率上的那些编码器的话音质量受到最少的下降。

下面是一处更为复杂的方法。象上面那样假定，在高的话务负载期间编码率降低方案的目的(也就是预定的准则)是保持总发射功率小于某一阈值T，这里，T值按照当前的负载状态设定。对于由基站提供服务的区段/网孔，定义一个语音质量的普遍量度Q，作为N个话音信道方面选定编码率的当前集合上主观感觉误码的总和。每个编码器的初始化使得在最大编码率上进行编码。然后，估量Q值，并应用上面所述的或是等功率假设或是加权发射功率方法计算相应的发射功率。

在编码率控制器(404)不得到应用时，这种方法出现简化的情况，这时依靠对每个DSP可予应用的计算资源的时间分割，使每个DSP对几个话音链路进行编码。在那种情况下，编码率选择程序可以应用在由DSP实现着编码的那些数目的话音信道上。图6上概略地示出一种装置，它可以应用来实施本方案。图6中，例如是Mo-torola DSP56156的单一个DSP(603)通过一个时分复用串行总线或者一个通常的并行地址/数据总线进行通信。编码率决策信息和编码率选择指令在控制用DSP(603)与用以通过总线(604)供语音编码的诸DSP(602)之间流通。在另一个方法中，控制用DSP(603)可省掉，由诸编码器DSP(602)之一升位来完成全局的编码率控制器功能，并对一个或多个话音信道进行语音编码。

图7以方框图形式概略地示出一种编码率控制器(404)，它可以有益地实现按照本发明的分组编码。编码率控制器(404)包含有从许多编码器(105)中接收编码率决策信息(401)的装置(700)。在优选实施例中，编码率决策信息是质量信息，它包括有一个感觉上加权的误码量度。接收装置(700)的输出进入判定装置(703)，它根据预定的准则决定编码要求。预定准则中包括有上面所述的阈值准则之类。判定装置(703)的输出进入调整装置(706)，它根据编码率决策信息和预定准则对于许多个编码器中的任一个编码器调整编码率。在预定准则是总发射功率或可予应用的存储器空间的方案中，如上面所述，调整装置(706)通常将对具有最差质量的编码器(根据或是总发射功率或是可予应用的存储器空间及一个阈值的决定/计算)提高编码码率。然而，诸如系统容量之类的某些预定准则，对于特定的编码器可能要求调整装置(706)降低编码率。

虽然，已具体地示明了本发明，并参照特定的实施例作出了说明，但本技术领域内的熟练人员知道，可以对此作出形式上和细节上的各种改变，它们偏离不开本发明的精神和范畴。

Claims (9)

1.一种对信号进行分组编码的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

从多个编码器接收编码率决策信息；

根据预定的准则，确定编码要求；及

根据编码率决策信息和该预定的准则，为多个编码器中的任何编码器调整编码率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该预定的准则还包含指配着编码器的区段/网孔的总输出功率、一个相邻区段/网孔的总输出功率、由一个服务着的基站传输的当前功率电平、一个存储器装置中可予应用的存储量、一个处理装置中可予应用的处理功率、和一个预定频谱中可予应用的带宽之中任何一个。

3.一种对信号进行分组编码的装置，其特征在于，该装置包括：

用以从多个编码器中接收编码率决策信息的装置；

耦连到上述的用于接收的装置、根据预定的准则、用以确定编码要求的装置；及

耦连到上述的用于确定的装置、根据该编码率决策信息和该预定的准则，用以调整该多个编码器之中任何编码器的编码率的装置。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，这多个编码器还包括分析-综合编码器。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该编码率决策信息还包括由这多个编码器所产生的质量信息。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该质量信息还包含：由分析-综合语音编码器产生的感觉上加权的误码量度、信号噪声比、分段的信号噪声比、对数倒频谱距离、LPC距离测量、以及BARK频谱距离测量。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该预定的准则还包含：指配着编码器的区段/网孔的总输出功率或是相邻区段/网孔的总输出功率、一个相邻的区段/网孔的总输出功率、由一个服务着的基站传输的当前功率电平、多个编码器的当前数据率；一个存储器装置中可予应用的存储量、一个处理装置中可予应用的处理功率、和一个预定频谱中可予应用的带宽之中的任何一个。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，这多个编码器之中的至少一个还包括一个可变编码率的编码器。

9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的信号还包括语音信号、视频信号、或数据信号。

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