CN1153399C - 用于提高当前语音帧质量的方法和无线系统 - Google Patents

Abstract

在TDMA蜂窝电话系统中，一种错误隐蔽方法提供了建立在软质量测度上的参数内插。与过去重复前一语音帧数据的方法相比，它将提高恶劣信道条件下的语音质量。特别值得一提的是，本发明中的软技术采用了前一帧和当前帧参数的加权组合，这种加权反映着错误概率。与基于二进制检测的硬操作相比，本发明将提高错误校正能力，尤其是在二进制检测失败或接收帧被判为“正确”的情况下。这种方法还用到不提高比特率、以软信息为基础的参数。

Description

用于提高当前语音帧质量的方法和无线系统

技术领域

本项发明一般性涉及无线系统中语音数据的纠错问题，特别是改善TDMA蜂窝电话系统错误语音数据帧的方法和无线系统。

背景技术

在以时分多址联接方式(例如TDMA)工作的无线系统中，数据信息和控制信息是通过一定时隙上的脉冲在基站和一个或多个移动站之间传输的。基站和移动站都有一个接收端和一个发射端。发射端包括语音编码器、信道编码器和调制器，接收端则包括相应的单元，分别为解调器、信道解码器和语音解码器。

在信道编码和根据有关的联接方式(TDMA)以脉冲形式进行传输之前，将从移动站发送到基站的语音在移动站的发送端经过语音编码，并且被分割成语音帧。在这种传输系统中用到了如下技术：声音信号首先被逐帧编码成数字数据，通常是20ms一帧的速率例如，在8KHz的抽样率下相当于160个抽样。然后数字语音数据经过信道编码并在信道上传输。在接收端对解调后的数据进行信道解码，如果数据受到破坏还将进行纠错；最后，接收到的声音数据通过一个从声音数据中再生语音的语音解码器，如果接收的声音数据有错，将会导致语音输出失真。

用来提高这种系统性能的方法通常被称为错误隐蔽算法或坏帧校正技术。一般说来，错误隐蔽算法是对输入语音解码器的声音数据进行变换以减小传输错误对接收数据的影响。这类技术是否有效极大地依赖于正确的质量评估。只有在检测到错误的时候才进行纠错，错误隐蔽算法的输入除声音数据外还有关于数据“质量”的信息。

众所周知，在诸如全球移动通信系统(GSM)或美国数字蜂窝(ADC)系统之类的各种蜂窝移动系统的信道解码器中，引入了一个所谓的BFI(坏帧标志)。它以二进制信号形式给出了一个到接收端语音解码器的标志，表明是否有帧错误发生。

欧洲专利EP0459358A2公开了一种从代码串中分隔参数和将参数输出到一个纠错解码电路的方法。解码电路执行纠错处理，输出附加了纠错码的代码串。如果检测到不能被纠错码纠错的误差，误差检测信息将被送到一个插值电路，它将插值表示适当的过去帧和适当的将来帧之间得到滤波参数和间距信息的延迟信息，并输出插值的参数。具体地说，用从一个延迟电路的输出来插值输入的滤波参数获得所述插值参数。该方法的缺点是在插值之前需要等待将来的参数，效率很低。

1993年6月23日归档，并作为参考文献引用题为“无线通信系统中接收器中帧检测质量评估的方法与实现”的美国专利申请系列No.08/079,865号中，公开了一种优越于前述BFI标志的错误隐蔽方法。共同未决专利申请中的这种方法既可用于GSM，也可用于ADC系统，但它是从GSM系统的角度来进行描述的。共同未决专利申请中的这种方法利用接收信号通道上与神经网络相连的软信息改善了在检测信息帧(语音或数据)时的质量评估，以得到比给定标志，例如前面提到的BFI更佳和更准确的错误标志信息。就其本身而言，大家都知道神经网络，但它用在无线接收器中是为了用一种简单的方法实现对接收信息帧(语音或数据)更佳的质量评估。共同未决专利申请的这种方法也可用于对一个语音帧的某些部分进行更佳的质量评估，例如语音帧中一个给定的码组或给定码组的一个部分。

符合电子工业协会暂行标准54(EIA IS-54)的北美数字蜂窝系统中，推荐了一种错误隐蔽算法。用来检测错误语音数据帧的质量判据是一个CRC标志。如果没有检测到错误，被接收的语音数据帧被送到语音解码器。如果CRC标志在最受保护的1a类比特中检测到错误，则重复前一语音帧的能量和频谱参数，将其送到语音解码器。这一帧其它经解码后的比特则不经改动就被送到语音解码器。

EIA_IS-54建议的错误隐蔽算法中，检测和校正技术都建立在硬操作的基础上。如果CRC检测到错误，就使用接收到的前一帧；如果CRC没有检测到错误，则使用当前语音帧。但是，最优的处理办法不一定需要(1)在CRC正确时使用未被破坏的当前帧或(2)在检测到CRC错误时，使用前一帧。

CRC校验是基于在一部分比特(最敏感的1a类比特)上的硬判决，它检测不到其它比特的错误。可能发生的情况是CRC检测到的仅仅是CRC比特位的错误，或者甚至连在最敏感比特位上的错误，CRC也可能检测不到。还有一种可能性是另一个更强的信号被解调了。如果解调正确，将检测不到CRC错误。如果这种情况下CRC指示错误，则表明这个其它的，更强的信号有错。

正因为EIA IS-54中的错误隐蔽算法是一个基于二进制判决CRC检验的硬操作，这种操作反映不出不同参数的错误概率，因此不可能对参数错误进行更准确的识别和校正，也不可能对不同的参数作不同的处理，无法简便有效地实现前一正确帧和可能有错的当前帧参数之间更为软性的混合。

使用软错误隐蔽技术将改善语音的质量。如果利用前一帧和当前帧参数集的软混合，能提高语音被感知的质量。这种类型的坏帧校正技术要求有一个更为软性的错误检测和质量测度。如果校正的程度反映了整个参数集或单一参数的错误概率，则再生语音质量也将得到提高。通常的问题是要找到一种能有效地利用软质量测度的软校正技术。

发明内容

本发明的目的是使用参数内插来提高TDMA无线系统中错误语音数据帧的语音可感知质量。内插度由一个反映错误概率的质量测度控制。内插在前一帧和当前帧参数之间实现。软质量测度预测的错误概率越高，对前一帧参数的考虑(加权)就越多。

根据本发明，提供了一种通过确定当前语音帧的内插参数利用卷积编码来提高TDMA无线系统中当前语音帧质量的方法，它包括以下步骤：确定含有卷积编码的当前语音帧的一个质量测度和一个可选的参数值；确定含有卷积编码的前面至少一个第一语音帧的一个质量测度和一个被选的参数值；用内插函数计算当前语音帧的内插参数，该函数至少用到当前语音帧及第一前面语音帧的质量测度和被选的参数值。

所述方法进一步可包括确定前面另外至少一帧的质量测度和被选参数值的步骤。

其中，所述内插函数为线性函数。所述线性内插函数中至少有一个权，它是当前帧的质量值的函数。可以用根据查表实现的分段函数来计算权值。

或者，所述内插函数为非线性函数。所述非线性函数中至少有一个权，它是前一语音帧的参数值和质量测度的函数。

所述内插函数结合重建值共同使用，以使得解码设备能够直接使用当前的语音帧。

所述内插函数与码字共同使用。

所述方法中用到多个参数值和不同的内插函数。

本发明还提供了一种接收TDMA信号的无线系统，包括：用于接收被卷积编码后进入信道的信号的设备；解调上述接收器所接收信号的设备；将解调后的信号的信道解码成语音帧的设备；用于消除包括在所述语音帧中的信息的误差的误差消除设备，所述误差消除设备包括：确定含有卷积编码的当前语音帧的质量测度和可选参数值的设备；确定含有卷积编码的前面至少一个第一语音帧的质量测度和被选参数值的设备；利用内插函数计算当前语音帧的内插参数的设备，该内插函数至少用到当前语音帧和第一前面帧的质量测度和被选参数值；根据上述误差消除设备计算的内插值对语音帧进行解码的设备；根据解码后的语音帧重建信号的设备。

所述无线系统还包括确定前面另外至少一个语音帧的质量测度和被选参数值的设备。

在所述无线系统中所述内插函数为线性函数。所述线性内插函数中至少有一个权，它是当前语音帧的质量值的函数。所述线性内插函数包括一个植入查表的分段函数，所述分段函数和所述查找表来计算权值。

或者，在所述无线系统，所述内插函数为非线性函数。所述非线性内插函数中至少有一个权，它是前一语音帧的参数值和质量测度的函数。

所述解码设备可以将内插值与重建值一同使用，以使得解码设备直接使用当前的语音帧。

所述解码设备可以将内插值与码字共同使用。

所述解码设备可以使用多个参数值和不同内插函数。

附图说明

图1说明了一个语音帧的结构。

图2是一个无线接收器的方框图。

图3是用来说明本发明的运行的图表。

图4是一个状态机的方框图，以及

图5用来解释本发明的运行的有用图表。

具体实施方式

图1上部所示为一个语音帧的帧结构，它包括符合GSM建议规定的260个原始比特。在所讨论的实施例中仅作为一个例子用到该语音帧，因为本发明也适用于其它系统，例如美国数字蜂窝系统(ADC)。

语音帧分为三个码组，分别代表三种不同的类型之一，50个比特的码组被指定为1a类，132个比特的码组被指定为1b类，剩下78个比特的码组被指定为2类。这260个比特由语音编码器送来，经过语音编码后形成数字化语音。同种类型的下一语音帧20ms以后出现，这样净比特率就为13Kb/s。

1a类：这个码组的比特(50比特)对传输错误敏感度最高，会最严重地影响传输和译码后语音的可懂度。如果在这些比特中发现错误，根据GSM建议06.11所述，将重复(低音)上一正确语音帧的大部分数据。这里的错误检测是通过作为控制位加到50位数据比特后的三个奇偶校验比特实现的。

1b类：比特位(132比特)不受奇偶校验位保护的码组。加入了被称作尾比特的四个比特。就可懂度而言，这132个数据比特对发生的传输比特错误不如1a类那么敏感。

卷积码用于1a类、1b类码组中的比特以及三个奇偶校验比特和四个尾比特。

2类：这78个比特的敏感度最低。和1a类、1b类情况不同，它们不受任何附加比特的保护。

这样，除去3个奇偶校验位和4个尾比特，一个语音帧的三个码组共包括50+132+78＝260个比特。在这(260+7)个比特中，对53+136＝189个比特以1/2的编码效率进行了卷积编码；也就是说，另外又加上了189个比特。

这样，从信道编码器出来的语音帧一共将包括378+78＝456个被编码的比特，它可以以一种已知的方式被交织以包括到实际的TDMA复帧中去。

图2是说明一个与所公开的方法相关的时分多址(例如TDMA)无线接收器部分的方框图，它还展示了根据本发明的一种实现方法。

移动电话设备接收器的天线10例如接收特定无线信道上的无线信号。例如由于衰落等原因，经过信道传输后的信号(数据/语音消息)可能会产生严重失真，这样TDMA脉冲将会产生一个严重失真的语音帧。

在无线接收器11中，用已知方式对一给定无线频带GSM系统中865～935(MHz)信号进行解调，以获得一个基带调制信号。可以测量输入到无线接收器11中的无线信号电平，图2中用S_m代表。

在IF-频段解调器12中解调基带调制信号，该解调器还包括一个以已知方式对输入信号传输中遇到的多径传播进行补偿或校正的均衡器。例如，维特比均衡器就可以用在这里。

从解调器12的均衡器中获得在前面提到的共同未决专利申请中有更详细说明的所谓软信息，这种软信息可用，并且在图2中用S_j代表，它具体由基带信号经过第一级均衡后得到的信息组成。

去交织器13接在解调器/均衡器12之后，它以已知方式恢复接收器需要的时分信号脉冲。

信道解码器14的主要功能是完成与发射端信道编码器相反的操作，也就是从已知冗余比特和已知信道编码(例如，卷积码)中恢复被传送的信息。信道解码器还可以预测比特差错率(BER)，例如通过对接收的经解码的信息比特进行编码，并与从去交织器13得到的比特相比较，其差别就构成对比特差错率的一个评估。信道解码器14还提供了一个对整个语音帧好坏、错误程度的评估，这就是所谓的坏帧标志(BFI)。在GSM建议05.05中定义了这个被称作CRC(循环冗余校验)的参数。这样，从信道解码器14中就能恢复出S_b信号，它是对无线接收信号解调均衡后比特差错率的一个评估，还有S_CRC信号，它表明1a类码组中是否有错误产生。

解码后的语音帧从信道解码器14通过一个软纠错设备16被逐帧送往语音解码器17。软纠错设备最好是一个用软件实现的状态机，它负责实现本发明的功能，在语音解码器17中对接收语音帧进行完全地合成，以便将语音信号送往移动站的声音再生单元18。

所谓的神经网络或其它软值计算器15也可以放在移动站的接收端，这个网络与语音解码器17和软纠错设备16共同工作，与前面采用帧标志BFI的方法相比，其目的是为了获得对接收语音帧质量比例如上述帧指示器更佳和更准确的评估。

本发明的目的是通过在CRC标志没有检测到错误时使用不同于CRC标志的质量测度和通过内插语音帧数据实现软帧校正来提高语音质量。

本质上，本发明方法可用下面的公式描述：

Pi(0)＝IFUNC(Pi(j)，Q(j)，P(0)，Q(0))

P(i)为当前帧的内插参数，j＝0。IFUNC是一个内插函数，Pi(j)是以前帧的参数，其中j为帧号，j＝-1，-2，……，Q(j)是以前帧的质量测度，P(0)是当前帧j＝0的接收参数，Q(0)是当前帧j＝0的质量测度。函数Pi(0)可以是任意类型的内插函数，本发明不限于某一特定内插函数。

本公式隐含了对不同的参数，内插函数可以不同。因此，本发明可能用到几个参数和不同的内插函数。如在本申请中用到的公式参数值代表语音解码过程中的一个系数，它经过了量化，并由发送器传送到接收器。能单独为每个参数来优化内插的程度、用到的基于参数和方法的以前帧参数和质量。另外，其它对一个参数或重建信号纠错的方法也能够结合这种内插法一起使用，例如后面提到的状态机就能与这种方法结合。

内插法能够得到参数Pi(0)可以直接被语音解码器使用的重建值，例如，当语音解码器处于基站的时候。内插法也可以生成这个参数的码字，解码器需要对它解码并重建参数值。这用于错误隐蔽系统和语音解码器被信道分隔开了的情况，例如语音解码器位于移动业务交换中心(MSC)，而错误隐蔽算法用在基站中的时候。

同样，内插函数Pi(j)、Q(i)、P(0)和Q(0)用到的值既可以是重建值，也可以是码字。如果该值是码字，内插函数就要考虑解码和重建值。解码通常是进行查表。

内插函数既可以是线性的，也可以是非线性的。在线性情况下，内插值是以前帧和当前帧参数的线性组合。线性组合的权由质量测度控制。线性组合如下所示：

$\mathrm{Pi}\left(0\right)=\underset{j=-1}{\overset{-N}{\mathrm{SUM}}}\mathrm{wj}*\mathrm{Pi}\left(j\right)+W0*P0$

W#＜j是第j帧的权，N是用到的以前帧个数。权W#＜j是质量测度Q(0)的函数W。

Wj＝W(Q(0))-------j＝0……N

通常权的和为

$\underset{j=0}{\overset{-N}{\mathrm{SUM}}}\mathrm{wj}=1$

非线性内插的一个例子是让权值依以前帧参数Pi(j)和以前的质量测度Q(j)变化，成为它们的一个函数。

根据质量测度计量权值的函数可以是一个分段函数。分段函数和量化过程一样，可以很容易地查表实现。一个例子能有两个权W0和W-1。W0是当前帧参数的权，而W-1是上一帧参数的权，W-1＝1-W0，其中函数W0(Q(0))如图3所示。

通过存入输入质量测度判决值Q1-Q4和对应的权W0(0)～W0(4)(W0(0)＝0.0，W0(4)＝1.0)来实现查表过程。然后函数的计算就可以这样进行：

i＝1

WHILE Q(0)＞Qi DO

i＝i+1

W0＝W0(i-1)

在线性情况下，权的计算是通过连续映射实现从质量测度到权的变换。

在所给的例子中，Q(0)的高值表示正确接收了参数，因此权W0等于1.0。Q(0)的低值表示可靠性低，权被置为0。Q(0)值在两者之间时，随着由质量测度反映出的可靠性的提高，权逐步增大。

象CRC标志之类的二进制判决既可以取代(逻辑或)这种权运算，也可以与权函数组合使用(更类似于逻辑与)。在第一种情况下，只有当二进制标志指示正确接收到参数时才采用权运算。在第二种情况下，当质量测度高于一个特定门限时，就可以使用权函数。当它低于门限时，二进制标志则取代权运算，这也可以由图3分段函数的右移位实现。在这种情况下判决值Qj＝Qjok+S(flag)其中Qjok与图3一致。当flag＝1时，S(flag)＝移位值＞0；flag＝0时S(flag)＝0。这意味着当CRC标志检测到错误，也就是CRCflag＝1时，为了得到相同的权，需要参数的质量测度更高才行。

质量测度既可以是一个单参数，也可以是不同参数的组合。重要的是测度的准确性以及测度和错误概率之间的强对应(相关)性。质量测度可以在整个帧或帧的子块中，对独立的参数集或是单个参数有效。

正如共同未决专利申请S.N.08/079,865中的公开和图2所示，使用了一种神经网络来组合不同的质量测度(软信息)。这种情况中，各种不同的软信息被用作神经网络的输入，网络经过训练后形成单一的质量测度。被用作神经网络输入或质量测度的软信息除了共同未决专利申请S.N.08/079,865中提到的维特比解码器测度、预测的BER、信号能量、预测的相位误差、无线信号电平和CRC标志等值以外，还有DVCC标志(DVCC二数字认证彩色码)，同步误差和预测的衰落率。它们中的一些值在整个帧内有效，另一些值则细微到只在帧的一个比特上有效。仅在一个比特上有效的软值可组合成一个参数或参数集的单个软值。这种组合可用下面所示的线性加权组合来计算。

$Q\left(0\right)=\underset{i=0}{\overset{B-1}{\mathrm{SUM}}}w\left(i\right)*\mathrm{qb}\left(i\right)$

此处Q(0)是单参数软值，B是参数的比特个数，W(i)是对每一单比特软值的加权，Qb(i)则是单比特软值。组合中的权值用于反映参数中每一比特质量的重要程度以及它们对最终参数值的贡献大小。

这种错误隐蔽技术对之起作用的参数需要在连续帧或是帧的子块之间具有一定的相关性。这种方法可用于任何类型的语音编码技术。EIA暂行规定54中建议使用的(ELP(码本激励线性预测)编解码器就是一个例子。在这种编码器中，错误隐蔽技术可用于帧能量参数，LPC(线性预测编码)参数、LTP(长周期预测)参数和新码本增益。帧能量和LPC参数通常每帧更新一次，因此内插技术要用在连续帧上。这时需要单个帧质量测度或每个参数的质量测度。LPC参数内插可以在任何域上实现，例如反射系数、对数比、线状频谱或横向滤波器系数。LTP预测器参数和码本增益通常每个帧的子块更新一次(例如四个子块)。这时，内插用在连续的子块上，权运算需要单个子块质量测度或每个参数的质量测度。

实现坏帧校正技术的一种方法是结合使用图4所示，有八个状态的状态机。状态每帧更新一次。下面结合图4和图5解释本发明的一种具体实现，其中本发明是在状态机中实现的。

正常状态是状态0。当接收信息被认为是坏的，也就是说，(1)CRC校验和不对，或(2)软质量值低于门限Q1(见图5)，或(3)该帧由FACCH数据组成，状态机转移到下一状态，和本申请中用到的一样，质量值表达式是一个反映接收码组、参数或比特质量的测度。如果软质量值高于Q1但低于Q3，下一帧数据与上一帧接受的进行内插(见图5)。但是，经过内插的帧仍认为是正确的，语音解码器保持在状态0。

如果在一个坏帧之后接收到一个好帧，状态机回到状态0，否则进入下一状态。

如果连续有六个帧被认为是错误的，状态机处于状态6。为了回到状态0，有一帧必须被判为是正确的。

依状态机所处状态不同进行不同的操作：

在状态0，不进行操作。

在状态1，被接收帧的参数(RC和LPC1-LPC(0)被前一正确帧的参数替代。

状态2的操作与状态1相同。

在状态3，再次进行参数替代。另外，RO值减2，使得帧能量衰减4dB。

在状态4，再次进行参数替代，RO再次减2。

状态5操作与状态4相同。在状态6，RO被置为0，这意味着将收不到任何语音信号。

在状态7，RO仍被置为0。

正如前面提到的，图4的状态机仅是本发明具体实现方法的一个代表，本发明并不局限于图4和图5说明的结构。

尽管在最佳实施例中对本发明作了描述，应该明白的是以上文字仅是说明而不是限制，只要不在最主要的方面脱离本发明真正的作用域和本质，可以在附加权利要求的范围内进行各种变动。

Claims (20)

1.通过确定当前语音帧的内插参数利用卷积编码来提高TDMA无线系统中当前语音帧质量的方法，它包括以下步骤：

确定含有卷积编码的当前语音帧的一个质量测度和一个可选的参数值；

确定含有卷积编码的前面至少一个第一语音帧的一个质量测度和一个被选的参数值；

用内插函数计算当前语音帧的内插参数，该函数至少用到当前语音帧及第一前面语音帧的质量测度和被选的参数值。

2.根据权利要求1的方法，进一步包括确定前面另外至少一帧的质量测度和被选参数值的步骤。

3.根据权利要求1的方法，其中，所述内插函数为线性函数。

4.根据权利要求3的方法，其中所述线性内插函数中至少有一个权，它是当前帧的质量值的函数。

5.根据权利要求4的方法，其中用根据查表实现的分段函数来计算权值。

6.根据权利要求1的方法，其中所述内插函数为非线性函数。

7.根据权利要求6的方法，其中所述非线性函数中至少有一个权，它是前一语音帧的参数值和质量测度的函数。

8.根据权利要求1的方法，其中所述内插函数结合重建值共同使用，以使得解码设备能够直接使用当前的语音帧。

9.根据权利要求1的方法，其中所述内插函数与码字共同使用。

10.根据权利要求1的方法，其中用到多个参数值和不同的内插函数。

11.一种接收TDMA信号的无线系统，包括：

用于接收被卷积编码后进入信道的信号的设备；

解调上述接收器所接收信号的设备；

将解调后的信号的信道解码成语音帧的设备；

用于消除包括在所述语音帧中的信息的误差的误差消除设备，所述误差消除设备包括：确定含有卷积编码的当前语音帧的质量测度和可选参数值的设备；确定含有卷积编码的前面至少一个第一语音帧的质量测度和被选参数值的设备；利用内插函数计算当前语音帧的内插参数的设备，该内插函数至少用到当前语音帧和第一前面帧的质量测度和被选参数值；

根据上述误差消除设备计算的内插值对语音帧进行解码的设备；

根据解码后的语音帧重建信号的设备。

12.根据权利要求11的无线系统，其中还包括确定前面另外至少一个语音帧的质量测度和被选参数值的设备。

13.根据权利要求11的无线系统，其中所述内插函数为线性函数。

14.根据权利要求13的无线系统，其中所述线性内插函数中至少有一个权，它是当前语音帧的质量值的函数。

15.根据权利要求14的无线系统，其中所述线性内插函数包括一个植入查表表的分段函数，所述分段函数和所述查找表来计算权值。

16.根据权利要求11的无线系统，其中所述内插函数为非线性函数。

17.根据权利要求16的无线系统，其中所述非线性内插函数中至少有一个权，它是前一语音帧的参数值和质量测度的函数。

18.根据权利要求11的无线系统，其中所述解码设备将内插值与重建值一同使用，以使得解码设备直接使用当前的语音帧。

19.根据权利要求11的无线系统，其中所述解码设备将内插值与码字共同使用。

20.根据权利要求11的无线系统，其中所述解码设备使用多个参数值和不同内插函数。

Images