TETRA数字集群系统语音信道编解码的设计和实现

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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)