专利名称：一种在无线网络中有效保证话音质量的amr方法
技术领域：
本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种在无线网络中有效保证话音质量的AMR方法。
背景技术：
自适应多速率语音编解码(AMR)已经成为GSM和W-CDMA系统中的语音压缩标准。它能够支持8种不同的模式，编码速率从4.75kbps到12.2kbps。AMR能够根据信道质量动态切换编码速率，这样可以提高资源的利用率。当信道质量差时，采用低的编码速率，这样信道编码中的冗余比特就会增加，从而对信息更好的保护；当信道质量好时，可以采用高的编码速率来提高语音的质量。但是，当信道质量很差时，话音在传输中有很高的误帧率，严重影响话音的质量。这种情况下，即使用最低的编码速率模式4.75kbps来进行语音编解码，话音质量还是得不到保证。为了在这种条件下仍然进行话音传输，必须进一步降低编码速率，提高冗余比特来降低传输中的误帧率。
根据3GPP TS 26.101，AMR帧分为三部分，即AMR报头，AMR辅助信息和AMR核心帧。AMR报头中包括帧类型和帧质量指示；AMR辅助信息中包括模式指示，模式请求和编码器CRC校验；AMR核心帧包括语音参数，根据参数的重要性，这些参数比特分为三个类型类型A，类型B和类型C。如果是舒适背景噪声帧，这些参数是舒适背景噪声的参数，全部放在类型A中。
类型A中的比特对错误最为敏感，这些比特中任何位出错，都必须采用合适的差错隐藏机制处理后才可解码，并且这类型比特要用编码器CRC来保护。如果类型B和类型C中的比特出错，话音质量降低，但是主观是可以接受的，错误的语音帧也可以直接解码。
以上标准AMR语音编解码方法虽然已经投入使用，但当信道质量很差时，语音质量得不到保证，不能实现正常通信。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的是提供在信道质量很差时仍能实现正常通信的一种在无线网络中有效保证话音质量的AMR方法(二)技术方案为了达到上述目的，本发明采取以下方法步骤1)在发送端，首先以信噪比(SNR)作为衡量信道质量的指标，当信噪比(SNR)小于一个阈值时，即信道条件很差时，为了保证话音的传输质量，先按AMR中最低模式进行编码，保持AMR核心帧的类型A中的比特不变，然后压缩AMR核心帧的类型B中的比特，通过减少类型B中的比特数，增加冗余比特数，降低传输中的误帧率，从而提高话音的质量；当信噪比(SNR)大于阈值时，仍然按照标准AMR方法进行编码；在接收端，如果收到帧的类型索引值不为12时，仍然按照标准AMR方法进行译码。
2)提出一个新的帧类型，帧类型索引为12；在接收端，如果收到帧的类型索引值为12时，说明是经过处理后的帧类型，为了能够使译码器正确译码，需要对被压缩的信息进行恢复，然后按照标准的4.75kbps模式解码；如果收到帧的类型索引值不为12时，仍然按照标准AMR方法进行译码。
其中，步骤1)中所述压缩AMR核心帧的类型B中的比特的方法包括对于3比特的信息，将固定码本中的脉冲位置分成两组000，001，010，011和100，101，110，111；在发送端，如果脉冲位置在第一组中，只传送0来标志此脉冲的位置，如果脉冲位置在第二组中，传送1来标志脉冲的位置；在接收端，如果收到的指示位为0，则认为原来脉冲的位置为010；如果收到的指示位为1，则认为原来脉冲的位置为110；对于2比特信息，分为两组00，01和10，11；在发送端，如果脉冲位置在第一组中，则指示位设置为0，如果脉冲位置在第二组中，指示位设置为1。在接收端，如果指示位为0，则认为这两位是01；如果指示位是1，则认为是10。
其中，所述编码包括采用3GPP所述TS 25.212标准中给出的卷积码作为信道编码，编码完之后，为了满足固定的传输速率，再进行速率匹配。
其中，信道编码采用速率匹配删除卷积码(RCPC)。
(三)有益效果1)由于通过减少AMR核心帧的类型B中的比特来得到对类型A比特的保护，本发明对于信道质量很差时，仍能有效保证话音质量。
2)易与AMR标准兼容。
图1是本发明信道编码框图；图2是本发明工作流程图；图3是本发明4.75kbps模式和3.60kbps模式以及无打孔情况下误帧率随信噪比的变化曲线图；图4是本发明在不同信噪比下4.75kbps模式和3.60kbps模式的MOS值比较图。
图中SNR、信噪比；FER、误帧率；MOS、主观平均得分；bits、比特；classes ordering分类排序；CRC-8、8比特循环冗余校验；RCPC、速率匹配删除卷积码；Rate Matching、速率匹配；MUX、复用；TX、发送端；RX、接收端。
具体实施例方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
为了充分公开本发明的内容，在说明本发明的具体实施方法之前，首先说明标准AMR语音编解码方法的原理。
AMR语音编解码方法的基本原理是编码器的输入为8kHz采样，16比特量化的线性PCM编码，编码操作以20ms的语音为一帧，即160个抽样点。编码器提取代数码本激励线性预测(ACELP)的参数。这些参数包括线性预测滤波器(LP)的参数、自适应码本、固定码本的索引和增益。这些参数编码之后被传输。在解码器端，这些参数从接收到的比特流中提取，然后构造合成滤波器和激励信号，重构语音还要经过后置滤波器并进行比例放大。
AMR核心帧中用4比特来表示帧类型，一共16种状态，即8种AMR语音编码模式和4种舒适背景噪声模式及空帧，除此之外，还有3个帧类型索引被保留备用。当信道条件好时，采用编码速率较高的模式来提高话音质量；而当信道条件差时，采用编码速率较低的模式来保证话音的质量。然而，当信道条件很差时，采用最低的速率模式4.75kbps也不能保证话音的质量。
下面对本发明的具体实施方法进行说明。
为了保证在这种条件下仍然能够进行保证一定质量的传输，我们提出一个新的帧类型，帧类型索引为12，这是标准中预留帧类型索引。AMR核心帧中类型A的比特对错误很敏感，只要这些比特中有错误，那么解码端必须通过错帧隐藏来处理。这些比特必须得到更好的保护。而对于在类型B中的比特的错误只会降低话音的质量，但主观上感受可以接收。因此，我们可以通过减少类型B中的比特来得到对类型A比特的保护。
如图2所示，在发送端，首先以信噪比(SNR)作为衡量信道质量的指标，当信噪比(SNR)小于一个阈值时，即信道条件很差时，为了保证话音的传输质量，先按AMR中最低模式进行编码，保持AMR核心帧的类型A中的比特不变，然后压缩AMR核心帧的类型B中的比特，通过减少类型B中的比特数，增加冗余比特数，降低传输中的误帧率，从而提高话音的质量；当信噪比(SNR)大于阈值时，仍然按照标准AMR方法进行编码；在接收端，如果收到帧的类型索引值为12时，说明是经过处理后的帧类型，为了能够使译码器正确译码，需要对被压缩的信息进行恢复，然后按照标准的4.75kbps模式解码；如果收到帧的类型索引值不为12时，仍然按照标准AMR方法进行译码。
所述信噪比阈值是经过比较使用本发明方法与标准中的4.75kbps模式的语音在通过实际信道后的语音质量来确定的。
1)类型B中比特的处理方法当信道条件很差时，可以先利用最低模式4.75kbps模式进行编码，编完码之后类型A中的比特保持不变，而类型B中的比特要进行进一步的处理。
在4.75kbps编码模式时，类型B中的比特多是固定码本的索引。每帧的固定码本有2个脉冲组成。脉冲的位置由3比特表示。我们将位置分成两组000，001，010，011和100，101，110，111。在发送端，如果脉冲位置在第一组中，我们只传送0来标志此脉冲的位置，如果脉冲位置在第二组中，传送1来标志脉冲的位置。在接收端，如果收到的指示位为0，则认为原来脉冲的位置为010；如果收到的指示位为1，则认为原来脉冲的位置为110。对于类型B中2比特的信息，比如自适应码本索引的后两位，同样可以被压缩。将位置分为两组00，01和10，11；在发送端，如果脉冲位置在第一组中，则指示位设置为0，如果脉冲位置在第二组中，指示位设置为1。在接收端，如果指示位为0，则认为这两位是01；如果指示位是1，则认为是10。通过这种处理方法，类型B中的比特数由原来的54位减少到30位。这样整个AMR核心帧的比特数由95减少为72，从而，编码速率由4.75kbps降为3.60kbps。
这样处理之后，增益需要重新调整。因为固定码本增益与码本的索引有关系。固定码本增益由下式得到gc=x2TzzTz---(1)]]>其中x2是固定码本搜索的目标矢量，由下式确定x2(n)=x(n)-g^py(n)---(2)]]>z是固定码本矢量与感觉加权滤波器的冲击响应的卷积z(n)=Σi=0nc(i)h(n-i)(nn=0,1,···,39)---(3)]]>其中，c(i)为固定码本矢量。
上述的压缩方法主要是针对固定码本矢量，因此固定码本的增益需要根据新的码本矢量进行更新。为了重新估计增益，c(i)要用c(i)’来替代，c(i)’是c(i)在接收端被恢复的值。
2)信道编码中的处理3GPP TS 25.212中给出了三种信道编码方法1/2卷积码，1/3卷积码以及1/3Turbo码。卷积码应用在中低速率的业务中；而Turbo码应用在高速的数据业务中。因为语音业务属于低速率业务，因此我们采用卷积码作为信道编码。标准中规定了约束长度为8的卷积编码器的结构。对于1/3卷积码，三个输出端八进制表示为557，663和711；对于1/2卷积码，两个输出端八进制表示为561和753。
如图1所示，AMR编码器输出的比特需要根据重要性重新排序。之后对类型A要加CRC校验，以确定传输中是否出现错误帧。CRC的生成多项式为G(x)＝D8+D6+D5+D4+1由上述可知AMR帧中的比特分成3个类型，类型A中是对错误最敏感的比特，这些比特中任何位出错，都必须采用错帧隐藏后才能解码，这类比特通过CRC进行校验保护；类型B和类型C中比特位出错，会影响解码后话音的质量，但是听者主观上是可以接受的。因此我们需要根据类型重要性的差异性进行不等错误保护。另外，编码完之后，为了满足固定的传输速率，需要进行速率匹配。速率匹配常采用打孔或者重复两种方法。
本发明采用速率匹配删除卷积码(RCPC)作为信道编码，用删除矩阵对每个类型比特实现不等错误保护。一些文献已经给出不同速率卷积码的最优RCPC族，本发明就是利用这些最优RCPC族，设计编码速率为3.60kbps的删除矩阵。如参考文献P.K.Frenger，P.Orten，T.Ottosson and A.B.Svensson，“Rate-compatible convolutional codes formultirate DS-CDMA systems，”IEEE Trans.Commun.，vol.47，pp.828-836，Jun.1999。
下面结合附图对本发明的效果进行对比分析。
为了验证的有效性，本文对提出的3.60kbps模式和标准AMR中的4.75kbps模式在加性白高斯噪声(AWGN)信道下的性能进行了分析和比较。
首先我们比较了两者在AWGN信道下不同SNR时的误帧率。由于两种模式的编码速率不同，我们应用速率匹配删除卷积码进行信道编码，两种模式的速率匹配参数以及匹配矩阵分别见表1和表2。速率匹配参数是根据编码速率和信道速率来确定的。表2中的删除矩阵使用八进制数来表示的。
表l.两种模式的速率匹配参数
表2.两种模式的打孔矩阵
参见图3，在仿真中，首先我们将语音信号转化成脉冲编码调制(PCM)码流，然后送入AMR编码器中。编码器输出比特根据重要性重新排序，分成3个不同的类型进行上文中描述的RCPC信道编码，之后进行BPSK调制。调制后的信号经过AWGN信道传送给接收端。接收端收到信号后，先要进行解调，然后Viterbi(维特比)译码，最后进行CRC校验。需要说明的是，为了降低误帧率，Viterbi译码器采用软判决。图3给出了，4.75kbps模式和3.60kbps模式在AWGN信道下不同SNR时的误帧率。为了比较，图中还给出了没有进行打孔情况下的误帧率。
从图中可以明显看出，不打孔的1/3卷积码的性能要明显优于经过打孔处理的两种模式。由于4.75kbps模式核心帧的比特数为95；而3.60kbps模式只有72比特，当这两种模式匹配到相同的信道速率时，需要打孔的数目就不同。4.75kbps模式需要的打孔的数目比3.60kbps模式要多。所以在相同SNR下，3.60kbps模式的误帧率要明显小于4.75kbps模式。要满足相同的误帧率，3.60kbps模式需要的信噪比比4.75kbps要小0.5～2dB。
误帧率的不同将直接影响接收端的话音质量。为了衡量这两种模式下的话音质量，我们采用常用的MOS值来衡量。我们做了大量实验来衡量两种模式在AWGN信道下不同信噪比时的MOS值。结果如图4所示。
从图中可以明显看出，在信噪比小于3dB的情况下3.60kbps模式的MOS值要高于4.75kbps模式，这说明此时前者的话音的质量要优于后者。但是两者之间的差异随着信噪比的增加而减小。在这种情况下，采用本文提出的3.60kbps模式可以在一定程度下保证话音质量。当信噪比大于3dB时，3.60kbps模式的话音质量开始不如4.75kbps，此时应该采用标准的AMR方法进行语音编解码。
权利要求
1.一种在无线网络中有效保证话音质量的AMR方法，其特征在于，有以下步骤1)在发送端，首先以信噪比(SNR)作为衡量信道质量的指标，当信噪比(SNR)小于一个阈值时，即信道条件很差时，为了保证话音的传输质量，先按AMR中最低模式进行编码，保持AMR核心帧的类型A中的比特不变，然后压缩AMR核心帧的类型B中的比特，通过减少类型B中的比特数，增加冗余比特数，降低传输中的误帧率，从而提高话音的质量；当信噪比(SNR)大于阈值时，仍然按照标准AMR方法进行编码；2)提出一个新的帧类型，帧类型索引为12；在接收端，如果收到帧的类型索引值为12时，说明是经过处理后的帧类型，为了能够使译码器正确译码，需要对被压缩的信息进行恢复，然后按照标准的4.75 kbps模式解码；如果收到帧的类型索引值不为12时，仍然按照标准AMR方法进行译码。
2.如权利要求1所述的一种在无线网络中有效保证话音质量的AMR方法，其特征在于，步骤1)中所述压缩AMR核心帧的类型B中的比特的方法包括对于3比特的信息，将固定码本中的脉冲位置分成两组000，001，010，011和100，101，110，111；在发送端，如果脉冲位置在第一组中，只传送0来标志此脉冲的位置，如果脉冲位置在第二组中，传送1来标志脉冲的位置；在接收端，如果收到的指示位为0，则认为原来脉冲的位置为010；如果收到的指示位为1，则认为原来脉冲的位置为110；对于2比特信息，分为两组00，01和10，11；在发送端，如果脉冲位置在第一组中，则指示位设置为0，如果脉冲位置在第二组中，指示位设置为1；在接收端，如果指示位为0，则认为这两位是01；如果指示位是1，则认为是10。
3.如权利要求1所述的一种在无线网络中有效保证话音质量的AMR方法，其特征在于所述编码包括采用3GPP所述TS25.212标准中给出的卷积码作为信道编码，编码完成后，为了满足固定的传输速率，再进行速率匹配。
4.如权利要求1所述的一种在无线网络中有效保证话音质量的AMR方法，其特征在于信道编码采用速率匹配删除卷积码(RCPC)。
全文摘要
本发明涉及移动通信领域。本发明公开的一种在无线网络中有效保证话音质量的AMR方法1)在发送端，以SNR作为衡量信道质量的指标，当SNR小于一个阈值时，即信道条件很差时，先按AMR中最低模式进行编码，保持AMR核心帧的类型A中的比特不变，然后压缩AMR核心帧的类型B中的比特，通过减少类型B中的比特数，增加冗余比特数，降低传输中的误帧率；当SNR大于阈值时，仍按照标准AMR方法编码；2)提出一个新的帧类型，帧类型索引为12；在接收端，如果收到帧的类型索引值为12时，采用本发明的方法译码；如果不为12，仍按照标准AMR方法译码。
文档编号H03M13/23GK1787421SQ20051008674
公开日2006年6月14日 申请日期2005年10月31日 优先权日2005年10月31日
发明者郭毅峰, 谢鑫, 郭更生 申请人:连展科技(天津)有限公司