主頁（http://www.by236.com）：TETRA數字集群系統語音信道編解碼的設計和實現

TETRA數字集群通信系統是一種基于數字時分多址（TDMA）技術的專業移動通信系統。該系統可在同一技術平臺上提供指揮調度、數據傳輸和電話服務。信息產業部于2000年發布了我國《數字集群移動通信系統體制》（SJ／T11228-2000）標準，在該標準中確定了TETRA數字集群通信系統和iDEN數字集群通信系統兩種體制。

 語音信道編解碼技術是TETRA數字集群系統中的重要部分，它不僅能夠提高系統的頻譜利用率，而且能夠為系統提供有效的差錯控制，保證系統傳輸的可靠性，進一步提高系統語音通信質量。

2 TETRA數字集群系統語音信道的編碼技術

2.1刪余卷積編碼

 TETRA數字集群系統語音信道采用碼率兼容刪除卷積碼（RCPC），進行前向糾錯編碼，實現語音的不同等級差錯保護控制。卷積碼可表示為(n,k,N)，即每輸入k個信息比特輸出n個編碼比特，其約束長度為N。為了提高碼率，需要增加k的值，但是k值的增加會顯著提高解碼器計算的復雜度。對于常用的Viterbi解碼器，k增加1，寄存器狀態數將翻倍，而且每個狀態至下一狀態的轉移路徑有2k條，加比選（ACS）的工作量也將隨k的增長而呈指數倍增長。這樣在硬件實現時，將大大增加對存儲單元的需求，使得解碼器的實現變得十分復雜。為了獲得較高的通信速率且不增加編解碼器的復雜度，使用刪除（Puncture）方法。
 首先利用某一固定碼率的編碼器進行卷積編碼，然后根據要生成的碼率要求，周期性地刪除碼序列中某些位置上的比特，從而提高編碼效率。以一個碼率為1/n的碼為母本來進行刪除，設刪除的周期為p。在一個周期內，當編碼器輸入p個信息比特時，將輸出n*p個編碼比特，n*p個編碼比特對應的刪除矩陣A為：
                         （1）

 其中：A每列的n元素與編碼器輸出的n個比特相對應。

 矩陣A的元素為0或1，當aij=1時，編碼器輸出對應的編碼比特；當aij=0時，編碼器刪除對應的編碼比特。因此，n、刪除周期p以及矩陣A中1的個數能夠確定最后輸出的碼率。當從n*p個比特中刪除N個比特時，碼率為p/(n*p-N)。

2.2交織

 TETRA數字集群通信系統中使用的交織技術主要有兩種：塊內交織和塊間交織。塊內交織是在單個數據塊內對數據進行矩陣變換，將原數據排列次序置亂。塊間交織是首先將當前數據塊中的數據分散到N個交織塊中，當前塊和前N-1個數據塊中的部分數據合成為一個數據塊；然后對于每個數據塊再進行塊內交織，交織深度N的取值范圍是1、4或8。交織深度N越大，交織效果越好，但將增加編碼和解碼的延時，導致業務傳輸的時延加大。

2.3加擾
 為了保證數字基帶傳輸中定時恢復的質量，要求所傳輸比特流中所含有的“1”和“0”出現的概率是相等的。在交織之后，TETRA數字集群系統將利用一個偽隨機序列對傳送的碼流進行擾亂處理，使之變為偽隨機序列，從而限制連“0”碼和連“1”碼的長度。

3   TETRA數字集群系統語音信道的編碼流程

 在TETRA數字集群標準中，下MAC層的邏輯信道可以分為業務信道和信令信道兩類，通過業務信道中的語音業務信道實現TETRA數字集群通信系統中的語音信號傳輸。在語音信號采集端，模擬語音信號經8kHz采樣，16比特量化后轉化為128kbit／s的數字信號，然后將采樣數據進行ACELP（Algebraic Code—Excited Linear Predictive：代數碼激勵線性預測）語音編碼，得到每幀137比特的語音編碼數據。通常，一個時隙（14.167毫秒）會傳輸2個語音幀，共274比特的語音編碼數據，這兩個語音幀的數據將會被相互交叉合并進行編碼，以提高語音信道編碼的魯棒性，用于傳輸這種格式語音數據的邏輯信道為全時隙業務信道（TCH/F）；當發生了信道挪用且只挪用了2個語音幀中的一幀時，一個時隙（14.167毫秒）只傳輸1個語音幀共137比特的語音編碼數據，用于傳輸這種格式語音數據的邏輯信道為半時隙業務信道（TCH/H）。

 全時隙業務信道（TCH/F）和半時隙業務信道（TCH/H）的信道編碼方案不同，但編碼的步驟是相同的。圖1示出了TETRA數字集群系統全時隙業務信道（TCH/F）和半時隙業務信道（TCH/H）的信道編碼結構。

 圖1  TETRA數字集群系統的信道編碼結構

 TETRA數字集群系統TCH/F的主要編碼流程為：

 （1）等級分類

 由于TETRA數字集群系統的信道帶度為25kHz，所以為了提高信道利用率，其信道糾錯編碼方案采用非均等保護。由于語音編碼后的274比特對于語音重建的作用是不同的，根據對語音信號重建的重要性，將語音編碼后的274比特分為3個等級，即：0等級(102比特)、1等級（112比特）以及2等級（60比特），其中0等級比特最不重要，2等級比特最重要。

(2）加入循環碼校驗

 在等級分類后，根據不同等級對語音重建作用的不同，對語音編碼數據進行非均等糾錯保護。因為2等級的數據最為重要，所以TETRA數字集群系統利用循環冗余碼（CRC碼）對其保護，其生成多項式為：
                            （2）

（3）刪余卷積碼

 刪余卷積碼也采用了非均等糾錯保護，對2等級數據、CRC校驗碼以及4比特尾碼進行碼率為8/18的刪除卷積編碼，對1等級數據進行碼率為2/3的刪除卷積編碼，0等級數據不加保護。

（4）交織和加擾

 所有數據都要進行交織和加擾。交織是將突發錯誤分散并轉換成為隨機錯誤，從而提高系統的糾錯能力。TETRA數字集群系統對全時隙業務信道（TCH/F）采用了塊內交織，對其進行的矩陣變換。

4  TETRA數字集群系統語音信道的FPGA實現

 在FPGA平臺上，利用VHDL語言實現語音信道編解碼，FPGA選芯片型號為Virtex-4 SX55，其信道編碼器的結構如圖2所示。
(中國集群通信網 | 責任編輯：陳曉亮)