专利名称：传输信息信号的频谱有效的方法
技术领域：
本发明总的说是涉及信息信号的频谱有效的传输，特别是涉及由信息编码器处理过的信息信号的传输，而且是针对信息的频谱有效传输，该信息使用子频带的编码器处理。
话音编码器(VO-coders)是公知的技术。对于通信系统，任何话音编码器的目的都是把话音信号进行编码用于在信道上传输。由于通信信道在信息传送容量(带宽)方面经常是很有限的，因此传输所要求的编码信息的总量最好减至最小。这样，话音编码过程通常要求通过排除冗余的频谱分量(或其他不需要的信息)来压缩信息信号，而在传送到接收器时，只保留该信息，允许再生(或推断出)必要分量，因为允许原话音输入在感觉可接受的再生合成。本领域的技术人员将懂得，话音信号包括大量冗余的或不需要的信息。
话音的产生可以被模仿成一个激发的信号(如通过声带产生的声音脉冲)，驱动一个滤波器(如声管)，它具有一定的共振的结构。由于激发的信号和/或滤波器二者都随时间变化，讲话的声音也随时间改变。对于非话音的声音(如辅音)来说激发的信号象噪声，而话音的声音(如元音)是出现周期性的。主要地，特别对话音声音，大部分基本话音能量仅仅集中在很少频率的子频带中，而且包含大部分能量的这些特别的频带一般相对于时间慢慢地变化。研究表明，只传送约包含这些频谱峰值的信息就是全部信息，通常要求提供可合理地重新建立该输入话音。这种方法形成了已知的数字适配子频带话音编码器的基础，这种编码器试图在多个频谱的子频带之间分配固定的比特数，这样在最高能量的子频带中话音信号分量的再生精确性是最大的。
在减小话音编码器的数据率的努力中，采用普通的低比特率的数字编码话音的系统在声音的质量方面比原话音信号表现出相当大的降低，采用这种编码器的无线电通信系统的用户特别感受到这种降低，不随接收器离发射天线的距离而变化。因此，不管接收器距发射天线是25英里或是25码，只要没有比特差错，所得到的声音质量基本上保持固定，在有比特差错时，出现进一步的降低。
一般地说，当代的话音编码器设计者特别开发数字信号处理的优点，例如数字滤波器工作的重复性，数字电路对老化的变化不敏感性，数字电话对温度，湿度，振动和其他不利条件的自然不变性。还有，用于从数字话音编码器传送信息的当代方法导致频谱效率低，这可能牺牲了在排除冗余话音信息中所取得的好处。例如，已经知道高质量的未处理的模拟话音信号的带宽大约为4KHz。数字化(经脉冲编码调制PCM)以后，这个信号的数字表示具有64Kb/s的数据库，它约占用30KHz的带宽(假定使用普通的二进制通路调制技术)。甚至在普通的子频带编码器中进行相当的处理，以排除不太重要的频谱成分(在低至10Kb/s的速率时提供中等的音质)使用二进制调制的话音信号的传输仍然要求比原来的模拟信号更宽。
虽然传统的多电平技术(使用通路符号对多于单个的比特进行编码)可用来减小必要的传输带宽，这样做是以增强信道的损伤为代价的。重要的是减少(减至最小)传送比特的数目被正确地接收。对于当代低比特率话音编码器来说，小于百分之一的误码率(由于噪声或信道衰落)可使一个未保护的信号变成不可懂的。在普通的地面移动通路中，由于多路径衰落，取得这样低的误码率是特别困难的。因此通常的做法是对传送的信号附加上差错编号以允许代表话音信号的比特的差错检测或校正。但是，附加的编码增加了传送比特的数目，而且进一步降低系统的频谱效率。某些设计者试图通过对传送比特的子集进行选择地编码来补偿这种损失。
因此，在现有技术中需要提供一种传输信息的方法，这种信息在话音编码器中已处理了，当在恢复的信号中提供优良的音质的同时，该方法可满足可靠性和最大的频谱效率的综合通信目标。
简单地说，根据本发明，一个信息信号如话音信号使用一个子频带编码器进行取样，量化和数字处理。由子频带编码器产生的数字处理的样值被调制到一条通信信道上，以产生信道符号，信道符号具有正比于各个数字处理样值的特性(最好是样值的幅度)的调制幅度。在高信号强度的期间内，这种信道调制技术提供接收器的数字处理样值的很好的估计。这便于接收器的话音再生，因而提供一个较高质量的话音信号。当接收的信号降低时，数字处理样值估计的精确性降低这样使得再生的话音相对于该信号的总衰减适当地降低。在一个无线频率传输实施例的内容中看到，在提供改善的频谱效率的同时，本发明的总效果提供对噪声恶化的坚固性(robustness)。
本发明的另一方面，提供数字处理样值的加密以保证通信秘密。
最后，本发明的另一方面，有线的实施例是标准的(未补偿的)窄带电话通路(该通路没有低频响应)提供频谱有效的通信(包括加密)。
图1是本发明的无线频率编码器的方框图;
在本发明优选的无线频率(RF)的实施例中，信息信号被取样，量化和数字处理以减少信息信号占用的带宽，因而允许多达四个这种处理的信号(该信号可以是加密的)在单条的25KHz的地面移动通信信道上传送。
在优选的有线实施例中，话音信号被取样，量化和数字处理。但是，这些数字处理的样值用来产生多个副载波信号，该信号处在标准的(未补偿的)窄带电话通路的可用带宽中心用于通信。多个符号同时在该信道上传送。每个符号用一个不同副载波并具有与单个数字处理的样值的特性成正比的调制幅度。总开销数据也用这些副载波调制。根据本发明，可提供加密以在标准的(未补偿的)电话线路上提供保密通信信道。
无线频率编码器现在参见图1，优选的无线频率编码器100以方框图形式表示出来。工作时，一个信息信号如一个话音信号用一个模数(A/D)变换器(图中未示出)进行取样和量化，该变换器给编码器(100的一个输端口102提供信息信号的二进制表示(最好经过每秒8000个样值的PCM)。数字化的样值被发送到多个子频带滤波器(104-119)，每个滤波器具有250Hz的带宽以提供多个信息信号的“子频带”。这种滤波器在本技术领域是公知的，最好包括多相位或正交镜象滤波器，在相邻的频带之间，该滤波器具有抗干扰的特性。因此，滤波器104占用的频率从直流到250Hz，滤波器105占用250-500Hz的频带，以此类推直到滤波器119，该滤波器占用3750-4000Hz频带。
如图1中所示，目前的技术水平把信息信号均分为16个频带。
图2是图1的分配选择器的方框图;
图3是图2的矢量编码器的方框图;
图4a是本发明的优选的子帧信道格式图解;
图4b是话音信号和干扰噪声的图解;
图5是本发明的无线频率译码器的方框图;
图6是图5的分配译码器的方框图;
图7是本发明的有线编码器的方框图;
图8是本发明的有线译码器的方框图;
图9是使用图1的编码器和图5的译码器无线频率发射机和接收机的方框晒;
图10是优选的入站-中继器和出站-移动单元时分复用RF信道规程的说明。
图11a是根据本发明进行加密的无线频率发射机的方框图;
图11b是根据本发明进行加密的无线频率接收机的方框图;
图12a-d是本发明的优选的加密技术的图解。
本发明起着减少信息信号如话音，视频，遥测或类似信号所占用的传输带宽的作用，这些信号包含或可能适于包含冗余频谱或其他不需要的信息。对信息信号进行取样，量化和数字处理，以产生数字处理的样值。通信信道以数字处理的样值进行调制来产生信道符号，它具有与各个数字处理样值特性正比的调制幅度。根据本发明，最佳的发送信号包括信道符号和总开销数据，该信号可用来同步接收和转发有关信息信号正确再生的信息。可选择地，数字处理的样值可以规格化，压扩或加密以提供频谱有效的通信系统，在高信号强度期间该系统具有良好的信号质量并显示出对发送信号的噪声恶化的坚固性。根据本发明，如果信息信号是一个话音信号，有几个滤波器(104和116-119)不需要使用，因为与这些滤波器相关的频谱中的话音能量的总量很小或对在接收机中正确再生(合成)话音信号是不需要的。对于其他信息信号(如视频信号或遥测信号)，根据信息信号未处理的频谱特性和希望恢复的信号质量，可能要求16个滤波器作另一种安排。无论如何，所选的滤波器经过十中取一装置(121-136)接到一个分配选择器(120)。对于话音编码器，滤波器(105-115)经过十中取一装置(122-132)接到分配选择器(120)。
十中取一装置把数字滤波样值的取样速率减少到原来的16分之一。通过放慢处理的速率，十中取一装置减少了功率消耗，存储装置的要求和减轻后面几级的计算负担。因此，本发明把每个滤波器的输出取样值的速率减少到原来的16分之一。当然，根据具体的实施，可以选择其他的十中取一的速率。
分配选择器(120)探查每个十中取一滤波器输出的预先确定的部分(最好15个样值相应于话音的30ms)以识别该滤波器的预先确定的子集，它具有主要能量值。在本发明优选的实施例中，选择了四个滤波器用于传输。剩余的七个未被选的滤波器频带被探查以确定在未被选的频带中的能量总量有关的能量值。最后，分配选择器(120)形成了一个掩蔽矢量(149)，它包括识别四个被选用滤波器的一个数字码，使得接收机可恰当地合成该信息信号。
四个被选用滤波器的每一个都有发送到正规化装置(138，140，142和144)的十五个样值，它把每个被选用滤波器的十五个样值定在某些最大幅度范围内。最好是，每个正规化装置(138，140，142和144)工作时样值的幅度按6dB步进增加，直到确定下一次增加6dB时将超过一个预定的门限值时为止。四个被选用滤波器的每个滤波器的这个放大(正规化)系数径路由(139，141，143和145)到正规化选择器(148)该正规化选择器(148)工作以选择由正规化装置(138，14140，142和144)提供的最低正规化系数，以调节((正规化)七个未选的滤波器的能量值。相应地，根据最低正规化系数，正规化装置(150-162)对分配选择器(120)提供的每个能量值进行均匀调节。最低正规化系数的最佳选择防止在发射机的限幅在接收机处，干扰能量样值的任何杂音或其他不利的现象将被这个正规化系数衰减以减少其影响。根据本发明，正规化了能量值不与门限值比较，因为超过该门限值的能量值的影响对恢复话音质量一般是无害的。其原因是在未被选的滤波器中该能量值一般是很低的。当然这是未被选的滤波器没有被分配选择器(120)选择的原因。
正规化的被选用滤波器的样值，它们的正规化系数，正规化的能量值和掩蔽矢量(149)都发送到复用器(164)。复用器(164)的功能是把这些信号安排成子帧的格式，最终被调制到一个RF通信信道上。这些信号的最佳安排(图4a)由该复用器(164)在一个输出端口(166)上提供该端口可以接到一个模拟的或数字的多电平调制设备(图中未示出)用于调制到一个RF通信信道上。
现在参见图2，表示了该编码器(100)的分配选择器(12(120)的方框图。从滤波器2(105)到滤波器12(115的十中取一滤波器样值由能量计算机(200-220)接收〔回想一下，滤波器1(104)和13-16(116-119)在本发明优选的话音编码器的实施例中是不用的〕。该能量计算机(200-220)是常规型的装置，并最好包括平方与求和型的设备或由软件规程完成的等效的功能。每个能量计算机(200-220)提供一个数值，该值与相关的各个滤波器频带中的能量总值成正比。这些值耦合(222-242)到矢量编码器(244)，该编码器工作以提供四比特的二进制掩蔽矢量(149)，它识别四个被选用的滤波器。该掩蔽矢量(149)耦合(246-252)到一个交叉点矩阵(254)，该矩阵确定四个被选用滤波器(由掩蔽矢量识别)到四个相应的输出端口(256-262)的路由。代表七个未被选的滤波器的每个能量值的信号(与实际的滤波器样值相反)被发送到其他的输出端口(264-276)。这样，只有从四个滤波器输出的样值(即使正规化了)和代表未被选滤波器能量的能量值(也已正规化了)被调制到用于传输的通信信道上。
现在参见图3，表示了矢量编码器(244)的方框图。从十一个话音编码器滤波器(F2-F12)来的能量值(222-242)根据图3的表1(1表示连接)连接到16个加法器(300-330)。因此，例如滤波器12的能量值(242)接到加法器S10(318)和滤波器12的能量值(242)接到加法器S1S10(318)和S16(330)。加法器(300-330)加上接到它们的能量值，并把加数提供给选择器(332)，它从116个加数中选择最大的加数。具有最大值的加法器内选择器(332)指定为逻辑1，而其余的加法器将被指定为逻辑0(或是反之亦然)。该选择器(332)被接(333)到16中取一的二进制变换器(334)，它提供一个四比特数字码，该数字码指明16个加法器中的一个特别的加法器具有最大的被加的能量值。包括掩蔽矢量(149)的二进制数可以标出(根据图3的表1)以识别四个被选用滤波器。这样，例如，如果加法器7(312)被识别为有最大加数的加法器，则滤波器2，3，5和6包括被选用的四个滤波器。
通常地，十一个独立的滤波器的任何四个滤波器的选择产生330个可能的四的组合。应用现代信息理论，可用各种计数算法把这330个可能的组合编码为9个数字比特。但是，根据经验表明，在音频频带上话音信号的能量值不是随机出现的。这就是，四个滤波器的所有的可能组合不可能均等地出现。因此，四个被选用滤波器不是独立的，而且表明，假定第一滤波器被选择了，则有可测量的概率，预定的其他滤波器将具有话音信号基本的能量值。其原因包括话音声音(即元音)的实现，主要的频谱信息仅仅分布在几个经常选择的滤波器频带内。对于无声的话音(即辅音)，包含主要能量的滤波器频带不是决定性的，正如下面将要说明的，因为在接收机处未被选的滤波器充满着噪声以再生类似无声话音的噪声。因此，它可表明，330种可能组合的120种选择产生99%概率选择正确的滤波器。但是，对于具有自然声音可再生的话音来说，这样的最佳化程度是不需要的。
根据本发明，通过将四个滤波器的可能安排只限于图3的表1指定的16种组合，良好的音质具有合乎需要的扬声器识别的特性并提供自然的声音丰满度。此外，掩蔽矢量要求的符号的数目也已稀少50%以上16种可能的组合只需要四个符号，因此全部330种可能的组合需要9个符号。频谱的效率因而提高了。
现在参见图4a，表示了优选的子帧格式(400)。子帧格式(400)包括由4比特的掩蔽矢量构成的80个符号，掩蔽矢量由矢量编码器(244)产生，它被编码具有掩蔽奇偶比特(404)提供在该掩蔽中检测差错的一种方法。由于该掩蔽识别四个被选用滤波器，因此该接收机和正确地译码是重要的，四个滤波器是接收发送的样值。在掩蔽奇偶比特之后，四个被选用滤波器的每个滤波器的正规化系数，以两个三元(三电平)信号传送，该系统是由正规化装置(138，140，142和144)提供的。正如已知道的，两个三元符号可以识别九个不同的正规化系数。因为在优选的实施例中，正规化每步是6dB，因此提供了54dB(9×6)的动态范围。但是，可以使用其他的安排方法。因此，第一个被选用滤波器(SF1的正规化值有两个三元信号(406)，它后面是滤波器SF2(408)，SF3(410)的两个三元信号，最后是SF4(4(412)的三元信号。接着，未被选的滤波器的正规化能量值(414)的每个值都以单个符号传送(回想一下，这些能量值的正规化常数不需要传送，因为该接收机将选择传送的正规化值最低的选择滤波器)。在这之后，传送从四个被选用滤波器中的一个滤波器(它可能是正规化的)来的十五个样值。二进制掩蔽比特，三元正规化系数，能量值的符号和滤波器样值一起构弱了本发明的80个符号子帧格式。
现在参见图4b，表示了调制在通信信道的单个信道符号(424)的例图。最好是这样值已进行数字调制，以提供一个8比特(256电平)多电平的信号，该信号调制幅度正比于计算的正规化滤波器样值的实际值。
样值调制的程序用于传送正规化计算的能量样值的幅度。另一种是，滤波器样值和能量样值可用普通的模拟技术调制到通信信道上。这些程序在把多于单个比特的信息编码为单个的信道符号时是有好处的，但是避免了在普通多电平数据传输中的不利的事，在该传输中数据译码是以出现噪声而折衷的。
为了说明本发明提供的抗噪声度，假定一个典型的噪声信号(426)干扰信道符号(424)。根据噪声信号的幅度和极性，被干扰信道符号可获得与噪声范围的顶部(430)一样高的幅度或与噪声范围的下部(428)一样低的幅度。如果噪声波动是适中的，在该接收机处对再生话音只有很小的影响，因为在正比于该干扰噪声信号的恢复的样值中将只出现一个误码。因此，代替在普通编码方案中很平凡的复杂而广泛误码的编码方法，本发明将数字处理的样值以信道符号传送到通信信道，这样任何干扰参数只产生杀壤幕指囱档奈蟛睢Ｕ饩吞峁┝嗣馐茉肷推渌氖д妫诓焕拇涮跫拢市斫邮盏男藕胖柿渴实苯档汀Ｒ虼耍萸康慕邮招藕殴ぷ鞯慕邮栈捎辛己玫幕指葱藕胖柿浚蛭有诺婪呕指吹难涤θ⊙土炕硐氲兀诜⑸浠μ峁┯朐执淼难迪嗤闹怠Ｎ挥诳拷ㄐ拧氨咴怠钡厍慕邮栈赡芫哂懈笤肷幕指葱藕牛蛭有诺婪诺玫降难狄丫桓扇帕恕Ｍü鲜稣婊潭冉徊郊跎倭嗽肷挠跋臁Ｊ导噬希魏位指囱档牟畲矶际且哉扔谡婊凳甓鹊模孟凳牖耙裟芰坑泄亍Ｒ虼耸迪至擞行У脑肷诒巍
无线频率译码器现在参见图5，无线频率话音译码器的实施例(500)以方框图形式表示出。当然，大多数的编码器/译码器装置都是这样的，该译码器(500)总的目的是将由编码器(199)提供的编码过程颠倒过来。因此，接收的包括子帧信息的符号(见图4a优选的子帧格式)被取样，量化，二进制样值表示送入译码器(500)的输入(502)用于合成信息(话音)信号。在最初，分路器(504)将串行传输的信息分解为平行格式，包括四个被选用滤波器(506-512)的各个滤波器的十五个样值，它们相关的正规化系数(514-520)，未被选的滤波器(522-534)的七个能量样值)，当然还有掩蔽矢量(536)，该矢量识别四个被选用滤波器。所有的这些信号都由一个分配译码器(538)接收，该译码器对滤波器样值和能量样值进行去正规化(de-normalizes)，将滤波器样值发送到一个适当的接收滤波器(557-567)。每个未被选的滤波器都“充满”随机噪声，该噪声被调节在相应于能量样值幅度的一个合适的幅度上，以改善可懂音频质量，因此避免了“不真实”或不自然的声音并且掩蔽了各种人为的声音。
分配译码器(538)将这些信号每一个信号提供给一个插入器(541-551)，该插入器将样值的取样速率增加一个倍数，该倍数相应于发射机十中取一的速率(在优选的实施例中为十六倍)。回想一下，普通十六个子频带的情况，第一和第十三至第十六在本发明的话音编码实施例中是不用的。因此，对于话音信号来说，插入器(540)和(552-555)是不需要的。上取样信号发送到数字实现的子频带滤波器组(556-571)，它的带宽和频谱位置和编码器(100)的滤波器(105-115)一致。每个滤波器(557-567)的滤波输出组合起来以合成话音信号，该信号在译码器(500)的一个输出端口输出。
现在参见图6，图中表示了分配译码器(538)。四个被选用滤波器(506-512)中的每个滤波器的十五个样值分别接入一个去正规化装置(600-606)，它接收正规化系数(514-520)作为第二个输入，并工作以调整样值。每个正规化系数(514-512)还接到一个选择电路(607)，它选择最低的正规化系数，经过去正规化装置(610-622)调整7个未被选的能量样值(522-532)。每个去正规化的样值接到普通型的交叉点矩阵(632)。因此，交叉点矩阵(632)接收(624630)掩蔽矢量(536)。掩蔽矢量(536)确定四个被选用滤波器和七个未被选滤波器到十一个输出端口(638-647)的输出安排。每个输出端口(638-647)包括或者是滤波器样值或者是能量样值的一个输出口(根据该滤波器被选了或未被选)。当然，对被选用滤波器来说，滤波器样值将从交叉点矩阵(632)的输出端口提供，因为被选用滤波器的能量级不被传送。相反地，未被选滤波器的输出端口将有能量样值，但没有滤波器样值。
从输出端口(638-647)来的每个能量样值接入正规化装置(648-658)，用于控制由噪声发生器(659-669)提供的随机噪声的幅度。这样安排提供与未被选滤波器能量幅度成正比的调整的噪声信号。通过未被选滤波器的强制调整的噪声信号接近于类似噪声的无声的声音(即辅音)，它提供一个按丰满的和更可识别的合成话音信号。噪声源(659-669)可将信号源分给十一个滤波器的每个滤波器，或者它们可以是单个噪声源，发送到所有的正规化装置(648-658)，或者随机噪声可由合适的软件算法产生。
滤波器样值和正规化的随机噪声接入传输门电路对(670/670′-680/680′)。每个传输门电路(670′-680′)有一个相关的反向器(681-691)，安排成使每一传输门电路对有一个相应的通/断装置。即，如果传输门电路(670)是导通时，传输门电路670′是断开(反之也一样)。传输门电路对由十一条控制线(692)控制，它由只读存储器(ROM)查找表提供。ROM查找表(634)根据图3的表1将四比特掩蔽矢量(536)安排给十一条控制线(692)。这样，四个被选用滤波器的滤波器样值和每个未被选滤波器的正规化随机噪声都环⑺偷郊臃ㄆ鳎 95a-k)。由于传输门电路对安排成一个交替装置，加法器(695a-k)或者将滤波器样值或者将调整的随机噪声传递给图5的插入器(541-551)。
虽然为方便起见编码器(100)和译码器(500)(分别在图1和5)以硬件方框图进行了说明，但是普通技术人员懂得，这些器件最好的具体实施例可以包括一个数字信号处理器(DSP)，例如莫托罗拉公司生产的DSP56000或它的功能相当的。因此，本发明通过使用单独地或与一个外部微处理机一起的DSP的计算能力以改善本发明的话音编码装置的可靠性可提供另外的优点。
正如结合图4a和4b所讨论的，本发明的优选的子帧格式包括80个符号，其中只有一个符号代表奇偶符号。根据本发明，对能量符号或滤波器样值没有提供附加的差错保护或其他的编码方法。因此很明显，本发明只传送本发明的译码器(500)要求的基本信息。但是，长时间极度的衰落可能对传输信号的正确接收有不利的影响。因此，本发明期待着“历史表”的产生和维护，该表存储从前面接收的几个子帧得到的信息。另外，这个信息可具有一个相关的加权系数以提供该信息可靠性的可信度的测量。这种加权系数例如可正比于在接收该特别子帧的瞬间的接收信号强度。这样，接收的能量符号和正规化系数的历史可被维持，而且从建立的历史应有一个标志的偏差出现，译码器(500)可能不考虑有利于历史值的偏差(或者是单个地或者是前面几个值的平均值)。
本发明提供的历史表方法是可行的，主要是因为每个子帧代表30ms的话音。话音编码技术领域的人员将懂得，话音是一个特别独特的信号，通过检查其特性，可以看出话音图中的标志偏差在很短的期间内一般不会出现。在识别话音信号的特性中，存储在历史表中的数值与加权的可信度一起，历史表的每个单元是正确，本发明提供一种补偿技术，不需要附加的差错校正或奇偶符号。如果采用特别的DSP有足够的驻留RAM，则历史表可以方便地存储在芯片上。但是，DSP可能与片外RAM通信或可以接收由微处理机或类似的控制器件提供的信息。
有线编码器现在参见图7，本发明的有线编码器(700)以方框图形式表示出来。有线编码器(700)工作情况类似于在它的输入端(102)接收信息信号的RF编码器(100)，并提供四个被选用滤波器的正规化的样值七个未被选的滤波器的正规化能量值和识别滤波器安排的掩蔽矢量。但是，在有线编码器(700)中，这些信号被提供给样值变换装置(Mapper)(702)。
样值变换装置(702)安排总开销数据和由六个滤波器(716-726)处理的样值。类似于结合图1讨论的数字滤波器，六个数字实现的滤波器中的每个滤波器具有250Hz的带宽;最低的滤波器处在750-1000Hz的频谱位置，即最高的滤波器频谱位于2000-2250Hz。这些滤波器选择用于将编码的信息信号放在标准的(即未补偿的)电话线路可用带宽的中心。当然，其他的滤波器选择也是可能的，但是，所述的频谱位置是优选的。在样值变换装置(702)与这些滤波器(716-726)之间是六个插入器(704-714)，在它们组合为一个输出信号(728)之前，上述插入器增加这些信号的取样速率。该插入器(704-714)的插入系数选择为与由十中取一装置(122-122)提供的系数相同(最佳的系数是16)。
上述结果产生六个同时的每个具有一个被调制的幅度，这样以保持正比于数字处理的样值。用于产生过程的子频带滤波器组的使用考虑了副载波的有效“存储”(packing)，并将从一个副载波到一个相邻的副载波的信息“泄漏”减少到最小。
在优选的安排中，样值变换装置(702)将掩蔽矢量符号(402)，掩蔽奇偶符号(404)和三元正规化符号(406)(408)和(410)通过滤波器3(720)。同时，三元正规化系数(412)和七个能量值符号(414)通过滤波器4(722)。同时，被选用的滤波器1(416)的15个样值通过第二滤波器(718)发送;被选用的滤波器2(418)的15个样值通过滤波器5(724)发送;被选用的滤波器3(420)的15个样值经过滤波器1(716)发送;以及滤波器4(422)的样值经滤波器6(726)发送。还有，同步符号通过各个滤波器(716-726)在六个滤波器上分开该同步图(它也可用于均衡信道)。当然，这些样值和符号的其它安排可能的;唯一的要求目译码样值变换装置(828)完成如编码样值变换装置(702)一样的反面安排，用于正确的恢复。
有线译码器现在参见图8，本发明的有线译码器(800)以方框图的形式表示。接收的信号根据图7的样值变换装置(702)安排格式，取样，量化蒸发送给有线译码器(800)的输入端口(802)。输入端口(802)将接收的信号耦合到六个数字实现的滤波器(804-814)，而这些滤波器依次被耦合到十中取一装置(816-826)。滤波器(804-814)的带宽和频谱位置同编码器(700)的滤波器(716-726)一致，而且十中取一装置(816-826)以等于发射机的插入率取出(优选实施例的系数为16)。当然，合适的量化和帧及符号必须在滤波过程之前或以后完成。
部分频带滤波的和取出的信号提供给样值变换装置(828)，该装置提供样值变换装置(702)的逆分配功能。因此，四个被选用的滤波器(506-512)的15个滤波样值，它们相关的正规化系数(514-520)，七个未被选滤波器(522-534)的正规化能量样值和掩蔽矢量被发送到分配译码器(538)。从这点看，有线译码器(800)的工作类似于结合图5说明的RF译码器(500)。合成的话音信号是在一个输出端口(572)提供的。
正如对RF编码器(100)和译码器(500)所叙述的，有线编码器(700)和译码器(800)优选的具体安排包括一个数字信号处理器(DSP)，例如莫托罗拉DSP56000。这样“历史表”补偿装置不考虑前面接收的特别信息电平的标志偏差，可用于增强接收的有线信号的正确接收。
当然，由于未补偿的电话通路的频带是如此窄，因此每次只能传送一个信息信号。但是，当使用加密以保证话音秘密时，提供了在有线情况下的真正改善。根据本发明，当话音信号按图7说明的进行话音编码时，可提供总开销数据和样值的加密(下面进行更充分的讨论)，在标准的(未补偿的)电话线路上当前可用的带宽内保证全部话音秘密。通常有线数字加密技术一般要求很复杂的调制解调器，特别是补偿的电话线路，和/或使用很低比特率的话音编码器，该编码器提供很差的话音再生。这样就在话音秘密的可用性上严格制制了电话市场。根据本发明，可能已提供了话音秘密，而不需要特别的补偿的电话线路的代价。
无线频率通信系统现在参见图9，这是一个无线频率发射机(900)与一个无线频率接收机(902)在一条不理想的无线频率通信信道(904)上通信的情况。该通信信道(904)被认为是不理想的，在该信道中噪声干扰，信号衰落和其它不利的现象在发送的信号上不同程度地不断出现。
在发射机处，话音信号加在麦克风(906)上，它接到一个A/D变换器，变换器对话音信号取样和数字化。量化的话音信号样值输入到话音编码器(100)，它工作情况如对图1所述的叙述一样。话音编码器(100)将根据优选的子帧格式(图4a安排格式的信息提供给一个时分复用(TDM)帧格式器(909)。帧格式器(909)将该子帧安排成下面要更充分说明的优选的帧(信道)格式。TDM帧输入到一个频率调制器(914)(它最好包括合适的滤波以使占用带宽减至最小)，频率调制器将数字处理的(和滤波的)样值变换为频率调制的信道符号。根据本发明，可以使用任何其它类型的多电平数字或模拟调制，包括幅度调制，相位调制，或者幅度或角度次载波调制。在这之后，产生的信号被放大(916)并输入到天线(918)经过不理想的通信信道(904)发送。
在接收机处，天线(920)将该发送的信息传送到一个预选器(922)，预选器将带宽限制在该接收机(902)可用的频谱范围内。从预选器(922)来的已滤波的接收信息通过下变频器(924)从RF载波中取出变为一个适当的中频(IF)。IF滤波器(926)进一步限定接收信号的频带，该信号经一个合适的FM解调器(928)解调。然后，在一个均衡器(930)中对该信息进行均衡，均衡器工作以校正发送信息的时延和其它的干扰，这些是由于在调制器(914)中滤波、IF滤波和通信系统中其它已知的时延造成的。均衡的TDM帧再输入到一个A/D变换器(923)，它将接收的符号变换为二进制型式，它们可以使用数字信号处理器(DSP)进行数字处理。在通路符号数字化以后，一部分或全部的均衡可以在DSP内数字地执行。当然，必须恢复(934)合适的时钟信号并提供给TDM帧去格式式器，该帧去格式器分析出要输入到话音译码器(500)的子帧。话音译码器(500)的工作已结合图5作了叙述，并且给D/A变换器(936)提供合成的话音信号。然后该合成话音信号输入到扬声器(938)完成了恢复的过程。
RF信道规程现在参见图10，图中表示出了优选的入站(即移动单元至中继器和出站(即中继器至移动单元)无线频率信道规程。从图10可看出，优选的TDM时隙包括图4a的八个子帧。每帧包括四个时隙。因此，四个话音消息可同时驻留在单个RF地面移动通信信道中，该信道具有普通的25KHz的信道间隔。因此，其他的三个TDM时隙跟在图10中所示的单5时隙之后。
入站信道规程(1002)有一个长度相当于39个符号的“保护时间”。该保护时间包括接收至发送(R/T)所要求的时间，以允许发射机的合成器改变频率和稳定，并允许功率放大器给出能量。R/T部分(1006)放在同步的图(1008)之前，同步图最好包括十六个符号的同步字，它标志该时隙的开头。在同步字((1008)之后，发送八个信息子帧(1010-1024)。接着发送十六个符号的识别码(1026)，它识别发送方。最后，在每个TDM时隙之后有九个符号的传播许可(1028)，它允许近的和远的发送移动单元的传输时延时间的偏差(由中继器可看出)。正如前面提到的，在第一时隙(1002)之后，立即跟随着三个相同的时隙，这样每条信道容纳四个话音。
四个时隙可以包括两个全双工的通话，四个转接通话，或者一个全双工和两个转接通话的任何组合。根据发送移动单元的请求;自动地根据系统负荷情况;或者例如由每天的时间确定的周期性的基准，这些分配可以动态地变化。当然，在混合的话音/数据通信系统中，数据消息可以在一个或多个时隙内传输，以代替话音消息。
出站信道规程(1004)从一个点图的48个符号开始。(该点图是普通的1-0-1等)通常传送点图使接收的移动单元能得到比特(同步)。在点图(1030)后面，发送十六个符号同步字(1032)，给接收的移动单元提供同步标记。在同步字(103(1032)之后，发送五符号的时隙ID(1034)，在这之后发送十一符号的监视字(1036)。五符号时隙ID(1034)识别下一个时隙，这样接收的移动单元可以跟踪被发送的那个时隙。十一个监视符号(1036)控制时隙指定与分配，以实现如全双工通话，转接通话，数据消息以及改变其它的与在无线频率信道上的通信控制有关的参数。在这监视信息之后，发送八个子帧(1038-1052)，它包括单个的出站TDM时隙。如前面提到的，每帧四个TDM时隙可允许比普通的通信系统有四比一的频谱改善。
加密现在参见图11a，图中以方框图的形式表示出保密发射机(1100)。在图11a中，表示了一个加密装置(1101)，接到图9的发射机(902)的一部分，其中话音信号加到麦克风(906)上，它将声能变换为电信号，由编译码器(1102)对其进行取样。编译码器将话音信号数字化，发送到编码器(100)编码器产生如在图1-4a中所讨论的子帧格式。但是，子帧格式的数据的总开销部分(402-412)被发送(1104)到数字保密器(1108)。该数字保密器(1108)可以是普通型的，而且可使用任何专有的加密算法对总开销信息加密，或者可使用美国国家标准局公布的数据加密标准(DES)。这些被选用的滤波器(416-422)的每个滤波器的量化能量样值(414)和十五个量化的滤波器样值被发送(1106)到一个模数加法器(1110)。作为第二输入，该模数加法器(1110)接收量化的加密矢量(表示为r)(1112)，它加到量化的滤波样值(表示为x)上以得到一个加密的量化样值(表示为S)。该加密技术采用随机产生的量化加密矢量，该矢量模加在一个量化的信息样值上，这种技术通常称为“样值掩蔽”。
根据本发明的加密安排，数字加密的总开销和“样值掩蔽”的量化能量及滤波样值提供给TDM格式器(909)，格式器工作以安排TDM时隙(见图10)。已格式的时隙信息被发送给任何适合的调制器，如图9的调制器(914)。
现在参见图11b，保密接收机(1126)包括接到该接收机(904)部分的一个加密装置(1112)。恢复的TDM帧被取样和量化(932)，并传递到一个时钟恢复电路(934)，该电路提供一个时钟信号(933)以便于恢复。已取样的量化的TDM帧也输入到TDM帧去格式器(935)，它将子帧发送到解密器件(1112)。解密是以和图11a说明的加密相似的方法完成的，通过将子帧的数字总开销部分发送(1114)到数字反扰码器(1181)。当然，必须采用适当的同步以保证发射机(1114和接收机(1124)的加密发生器同步地工作。样值掩蔽的话音和能量样值被发送(1116)到模数加法器(1120)，该加法器通过将加密的矢量(表示为S)减去掩蔽矢量“表示为r)(1122)来恢复原来的样值(表示为x)。加密发生器(1124)和加密发生器(1114)基本上相似，提供被加上或减去样值矢量的相同的掩蔽矢量(r)。解密的总开销和样值部分提供给译码器(500)，它对该样值进行数字处理来再生话音信号。在D/A变换(936)以后，再生的话音信号加在扬声器(938)以完成恢复过程。
现在参见图12a，说明样值掩蔽技术的基本工作情况。开始时一个8比特多电平样值(1200)驻留在两个门限(+A和-A)之间。这两个门限可以很方便地设置成与对正规化的限值相同(结合图1讨论过的)，以保证最佳动态范围。256电平的样值(x)(1200)被加(1202)在一个8比特的掩蔽矢量(r)(1204)上。掩蔽矢量(1204)是随机的极性和幅度。在本例中，该和等于8比特多电平样值掩蔽矢量(S)(1206)，它是将被发送的加密的样值。
在图12b中，说明了另一个样值掩蔽的例子。8比特的样值(x)(1208)加到8比特掩蔽矢量(r)(1210)上，提供一个8比特的样值掩蔽矢量(S)(1212)，该矢量驻留在门限内。因此，不需要另外的操作，而且样值掩蔽的矢量(S)可被传送出去。
但是在图12c中，当8比特的样值(x)(1214)加上8比特掩蔽矢量(r)(1216)上时，超出上限(+A)一个增量值(△)“1218)。因此，由于上限已经超出了，加密的样值““卷绕”通过下限(-A)相同增量值(△)(1218′)，通过设定该矢量(S)的8比特的符号和幅度可建立起样值掩蔽的矢量(1220)以同由(1218′)识别的该范围的上部相符合。本领域的技术人员懂得，“卷绕”过程仅仅是一种模加的特征。
在图12d中，当8比特样值(x)(1222)加上8比特掩蔽(r)(1224)时，就超出下限(-A)一个增量值(△)(1226)。因此，这个样值“卷绕”上限(+A)相同的增量值(△)(1226′)，而且8赴特样值掩蔽矢量(S)(1228)被安排成同下限超过的数值相符合。
这样，量化的能量和滤波器样值可被有效地掩蔽，提供的话音保密性可与由普通的二进制加密系统提供的保密性相比。本领域的技术人员懂得，在结合RF编码器(100)和译码器(500)讨论加密器件(1101和1112)时，分别在样值变换器(702)之前和样值变换器(828)之后，通过配置加密器件(1101和解密器件(1112)，可以给有线编码器(700)和有线译码器(800)提供加密，提供在标准的(即未补偿的)电话线路上完全的话音保密性。
权利要求
1.一种在通信信道上传送一个信息信号的方法，包括下列步骤(a)至少部分信息信号进行取样和量化，以提供数字编码的样值其特征在于下列附加步骤(b)至少对部分上述数字编码的样值进行处理以提供数字处理的样值(c)至少使用一些上述数字处理的样值调制一个通信信道以提供信道符号，这样每个信道符号具有与各个数字处理的样值的特性成正比的调制的幅度。
2.一种从发送的信号再生代表实际的信息信号的信息信号的方法，其中发送信号的特征是信道符号具有一个调制的幅度，它至少与处理的样值或能量值的一个特性成正比上述方法的特性在于下列步骤(a)接收发送的信号和提供恢复的处理样值及恢复的能量值(b)为每个恢复的能量值产生一个背景信号，该背景信号具有分别与上述恢复的能量值相关的幅度(c)处理上述恢复的处理样值，提供数字编码的样值(d)将上述数字编码的样值和上述背景信号组合起来，提供一个组合的信号(e)对上述组合信沤惺 模拟变换，提供再生的信息信号。
3.权利要求1的方法，进一步的特征在于上述调制步骤包括至少用一些上述处理样值子集和至少用一些上述选择的能量值去调制一条无线频率的通信信道，提供上述信道的符号，每个上述信道符号具有一个调制的幅度，该幅度至少正比于上述各处理的样值或能量值的一个特性。
4.权利要求1的方法，进一步的特征在于上述调制步骤包括至少用一些上述处理样值子集和至少用一些上述选择的能量值去调制一条有线通信信道，提供上述信道信号，每个上述信道符号具有一个调制的幅度，该调制幅度至少与上述各处理的样值或能量值的一个特性成正比。
5.一种编码器，用于对信息信号进行编码和将它调制到一条通信信道上，包括用于至少对部分信息信号取样和量化，以提供数字编码样值的装置和进一步的特征在于用于对上述数字编码的样值进行数字的子频带编码，以提供子频带编码的样值的装置用于至少用一些上述子频带编码的样值去调制一条通信信道，以提供信道符号的装置，以致每个信道符号具有一个调制的幅度，调制幅度与各个子频带编码的样值的一个特性成正比。
全文摘要
根据本发明，一个信息信号，例如一个信息信号通过一个信息编码器被取样，量化和数字处理。由该编码器产生的数字处理的样值被调制到通信信道，以产生信道符号，该信道符号具有与各数字处理的样值的一个特性成正比的调制幅度。提供了无线频率(RF)传输的实施例和有线的实施例。在本发明的最后一方面，提供加密以保证通信秘密。
文档编号H04B3/23GK1038193SQ8910370
公开日1989年12月20日 申请日期1989年6月3日 优先权日1988年6月3日
发明者科特金·迈克尔·戴尔, 范·丹霍伊维尔·安东尼·帕特里克, 克赖斯勒·肯尼思·詹, 希毕·布雷德利·迈克尔, 莫勒·劳伦斯·M, 波林·马克·理查德 申请人:莫托罗拉公司