-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf drahtlose Kommunikationen
und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der
Qualität
von Sprachsignalen, die über
ein drahtloses Kommunikationssystem übertragen werden.
-
ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
-
Um
größtmöglichen
Gebrauch von der begrenzt verfügbaren
Bandbreite für
drahtlose Kommunikationsdienste zu machen, kommen verschiedene Kompressionstechniken
und Multiplexing-Techniken auf der Verbindung zwischen einer an
ein drahtloses Telekommunikationsnetz angeschlossenen Basisstation,
und einer Mehrzahl von verschiedenen Benutzern an Mobileinheiten
zum Einsatz, von denen jede gleichzeitig über diese Basisstation mit
anderen Benutzern kommuniziert, die an ein drahtgebundenes oder
ein drahtloses Netzwerk angeschlossen sein könnten. TDMA (Time Division
Multiple Access) und CDMA (Code Division Multiple Access) sind Beispiele
für zwei
gutbekannte Multiplexing-Systeme, die in drahtlosen zellularen und
PCS-Systemen zum Einsatz kommen. Bei TDMA wird ein Zeit-Frame in eine
Mehrzahl von Zeitfenstern unterteilt, und die Mobileinheit eines
Benutzers kommuniziert in Burst-Übertragungen
mit der Basisstation über
ein spezifisches Zeitfenster mit Uplink- und Downlink-Trägerfrequenzen,
wobei die Zeitfensterzuweisung erfolgt, wenn ein Anruf beginnt.
Ein Empfänger an
einer Basisstation zeitmultiplext die an die mehreren Mobileinheiten
gerichteten mehreren digitalen Sprachsignale in ein Downlink-Signal,
welches über eine
Downlink-Trägerfrequenz
an die Mobileinheiten übertragen
wird. Der Empfänger
in jeder Mobileinheit stellt daraufhin entsprechend des dieser Mobileinheit zugewiesenen
Zeitfensters das an sich selbst gerichtete digitale Sprachsignal
wieder her. Desgleichen wird das an jede Mobileinheit übertragene
Uplink-Signal in einem zugewiesenen Zeitfenster übertragen, wobei die Zuweisung
des Zeitfensters der Basisstation dazu benutzt wird, das von der
Mobileinheit übertragene
digitale Sprachsignal ordnungsgemäß wiederherzustellen. Bei CDMA
wird anstatt der Zuweisung eines spezifischen Zeitfensters der Mobileinheit ein
spezifischer Verschlüsselungscode
zugewiesen, der dazu dient, das Spektrum des codierten Sprachsignals über den
Kanal auszubreiten. Den mehreren Mobileinheiten, die gleichzeitig
mit der Basisstation kommunizieren, ist jeweils ein anderer Verschlüsselungs-/Entschlüsselungscode
zugewiesen. Die mit jeder Mobileinheit verknüpften Codes werden nun von
der Basisstation dazu benutzt, die mehreren digitalen Eingangssprachsignale
in ein Downlink-Signal zu multiplexen, welches an alle Mobileinheiten Übertragen
wird. Die Mobileinheit benutzt nun den ihr zugeordneten Entschlüsselungscode
dazu, das an sie gerichtete betreffende digitale Sprachsignal aus
dem von der Basisstation übertragenen
gemultiplexten Downlink-Signal wiederherzustellen. Die Uplink-Kommunikation
von den mehreren Mobileinheiten funktioniert in analoger Weise.
-
Um
die Anzahl von Bits, die das codierte digitale Sprachsignal ausmachen,
zu reduzieren und so die Benutzungseffizienz der verfügbaren Frequenzbandbreiten
zu verbessern, werden in der drahtlosen Kommunikation Sprachkompressionstechniken
eingesetzt. Das analoge Sprachsignal, das normalerweise mit einer
Rate von beispielsweise 8 kHz abgetastet wird und so einen PCM-Bitstrom erzeugt,
wird in Frames unterteilt und mit Hilfe eines entsprechenden Codierungsalgorithmus
komprimiert. Bei TDMA-Systemen wird ein Festraten-Vocoder, wie ein
ACELP (Algebraic Code Excited Linear Predictive) oder VCELP (Vector-Sum
CELP) zum Komprimieren der PCM-Abtastungen benutzt. Bei CDMA-Systemen
wird ein Variabelraten-CELP-Algorithmus benutzt. Genauer gesagt
erzeugt bei CDMA ein Sprachcodierer einen Variabelratenausgang,
der auf der Sprachaktivitat des Eingangssprachsignals basiert. Während aktiver
Sprachperioden erzeugt der Sprachcodierer Vollraten-Frames von 20
ms. Während
inaktiver Perioden erzeugt der Sprachcodierer 1/8-Raten-Frames.
Während
der Übergangsperioden
zwischen den Sprechperioden und inaktiven Perioden erzeugt der Sprachcodierer ½- und ¼-Raten-Frames. Während dieser
Subraten-Frames ist der Leistungsverbrauch geringer als während der Vollraten-Frames, so dass die
Gesamtausgangsleistung vorteilhaft reduziert ist.
-
Im
CDMA-Sender, entweder in der Mobileinheit oder in der Basisstation,
werden die PCM-Sprachabtastungen in 20 ms Frames aufgespalten. Der
Sprachcodierer benutzt ein Analyse-durch-Synthese-Verfahren, um
die optimalen Parameter für
einen gegebenen PCM-Sprach-Frame-Eingang zu bestimmen. Für jeden
20 ms PCM-Sprach-Frame-Eingang erzeugt der Sprachcodierer einen
Satz von Ausgangsparametern, die das codierte Frame darstellen.
Der Sprachcodierer bestimmt denjenigen Satz zum Satz von Eingangsparametern
für einen
Codierer-internen Decodierer, der die erkannte Differenz zwischen
der synthetisierten Sprache, die vom internen Decodierer ausgegeben
wird, und der ursprünglichen
Eingangssprache auf ein Minimum reduziert. Ein codiertes Vollraten-Frame
beinhaltet die folgenden Parameter: LPC (Linear Predicative Coding), „Pitch
Lag" (L) und „Pitch
Gain" (b), „Codebook
Gain" (G) und „Codebook
Index" (I). Am empfangenden
Ende, an der Mobileinheit oder an der Basisstation, empfängt der Sprach-Decodierer
jedes eingehende codierte Frame und wandelt jedes Frame mit Hilfe
des codierten Frames wieder zurück
in eine Folge von PCM-Sprachabtastungen um. (Siehe zum Beispiel TIA
[Telecommunications Industry Association] IS-733-High-Rate [13k]
Bits pro Sekunde Sprachdienstoption).
-
Da
drahtlose Verbindungen sehr anfällig
gegenüber
Störungen
und anderen inhärenten
atmosphärischen
Bedingungen sind, ist es möglich,
dass ein übertragenes
Frame den Empfänger
an der Basisstation oder an einem Mobiltelefon nicht erreicht oder
stark beschädigt
durch Geräusche
oder Störungen
ankommt. Wenn ein Frame „verlorengegangen" oder derart stark
durch Geräusche
oder Störungen beschädigt ist,
dass es nicht decodiert werden kann, wird es vom Empfänger als
gelöscht
markiert, und dem Sprachdecodierer werden keine codierten Parameter
zugeführt.
Um die erkannte Auswirkung eines derartigen gelöschten Frames auf ein Minimum
zu reduzieren, wird ein Frame-Maskierungs-Algorithmus verwendet,
mit dem die PCM-Abtastungen für
das gelöschte
Frame unter Einsatz einer Extrapolation der Daten aus dem vorhergehenden
Frame geschätzt
werden. Somit benutzt der Sprachdecodierer die vorhergehenden Werte
der oben beschriebenen Frame-Parameter, um die aktuellen Werte des
gelöschten
Frames zu bestimmen. Genauer gesagt, werden bei CDMA-13k-Systemen
die aktuellen Werte der LPC-Parameter (Linear Predictive Coding) durch „Decaying" (Abklingen) der
LPC-Parameter des vorhergehenden Frames bestimmt, wobei der Decaying
Koeffizient eine Funktion der Anzahl von aufeinanderfolgenden Lösch-Frames
ist. Der aktuelle Wert von Pitch Gain Lag (L) vom vorhergehenden Frame
wird wiederholt; der aktuelle Wert von Pitch Gain (b) wird aus dem
Pitch Gain des letzten Frames bestimmt; der aktuelle Wert von Codebook
Gain (G) wird durch Subtrahieren einer entsprechenden Ganzzahl vom
vorhergehenden Wert von G bestimmt; und Codebook Index (I) wird
nach Belieben bestimmt. Ein Problem tritt jedoch auf, wenn das vorhergehende Frame
eines gelöschten
Frames kleiner als ein Vollraten-Frame ist. wenn das vorhergehende
Frame zum Beispiel ein 1/8-Raten-Frame ist, ist die resultierende
erkannte Sprachqualität,
die durch Extrapolieren der Parameter aus dem 1/8-Raten-Frame erhalten
ist, schlecht.
-
In
der derzeitigen Technik wird die Leistung der übertragenen Signale auf der
Downlink von der Basisstation zum Mobiltelefon und auf der Uplink
von der Mobileinheit zur Basisstation gesteuert, um die Leistung
unter Aufrechterhaltung einer akzeptablen Frame-Fehler-Rate auf
ein Minimum zu reduzieren. Auf der Downlink insbesondere trifft
ein Leistungssteueralgorithmus aufgrund von Information von der Mobileinheit
auf der Uplink eine Entscheidung, die Übertragungsleistung der Basisstation
zu erhöhen oder
zu verringern. Ein Beispiel dieser Technik ist in Dokument WO 960
47 18 offenbart. Die Mobileinheit überwacht die Downlink und stellt
Statistiken über
die Downlink-Frame-Fehlerrate zusammen. Diese Information wird dann
auf der Uplink an die Basisstation zurückgeschickt, damit diese ihre Übertragungsleistung
in Anpassung an die gewünschte
Downlink-Fehlerstatistik aufrechterhalten kann. Auf der Uplink steuert
die Mobileinheit ihre Übertragungsleistung, indem
sie direkt auf Leistungssteuerfolge-Nachrichten reagiert, die auf der Vorwärtslink
von der Basisstation an the Mobileinheit gesendet werden. Der Uplink-Leistungssteueralgorithmus
bestimmt die benötigte
Richtung der Uplink-Übertragungs-Aufwärts-oder-Downwärts-Leistungsänderung
sowie die Größe der Änderung
aufgrund der Historie der bis dahin empfangenen Frames. Die Historie
der auf der Uplink empfangenen Frames beinhaltet gute Frames, beschädigte Frames
und Frame-Raten-Information.
-
Der
Nachteil ist, dass diese derzeitige Leistungssteuerung die von der
Basisstation und der Mobileinheit übertragene Leistung erst dann
erhöht, nachdem
beschädigte
Frames von der Mobileinheit bzw. Basisstation empfangen wurden.
-
KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie im Verfahren nach Anspruch 1 und dem Sender nach Anspruch
12 definiert, wurde erkannt, dass im Zuge der Übertragung einer Folge von
Frames von der Basisstation zur Mobileinheit oder von der Mobileinheit zur
Basisstation bestimmte Frames, aus der Perspektive der Sprachqualität betrachtet, „wichtiger" als andere Frames
sind und deshalb individuell in einer Weise übertragen werden sollten, die
besser geeignet ist, ihren Empfang am empfangenden Ende der Funkverbindung
sicherzustellen. Durch Erkennung dieser „kritischen" Frames und Verbesserung
ihrer Robustheit, bevor sie übertragen
werden, besteht demzufolge eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass sie
während
der Übertragung über den
drahtlosen Übertra gungskanal
verlorengehen oder beschädigt werden.
Wenn beispielsweise in einer CDMA-Ausführungsform die Parameter der
vorhergehenden Frames vom Decoder dazu verwendet werden können, die
PCM-Abtastungen des aktuellen Frames ohne nennenswerte Verzerrung
wiederherzustellen, kann das aktuelle Frame als nicht-kritisches
Frame bezeichnet werden. Wenn andererseits die Parameter des/der
vorhergehenden Frames nicht zur Wiederherstellung der PCM-Abtastungen
des aktuellen Frames ohne nennenswerte Verzerrung verwendet werden
können,
wird das aktuelle Frame als kritisches Frame bezeichnet. Demzufolge,
wenn auf ein Vollraten-Frame ein Teilraten-Frame, wie ein 1/8-Raten-Frame, folgt,
wird dieses aktuelle Vollraten-Frame als kritisches Frame identifiziert,
bevor es übertragen
wird, und seine Robustheit gegenüber nicht-kritischen
Frames ist verbessert, bevor ein solches kritisches Frame übertragen
wird. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird in einem CDMA-System
ein aktuelles Frame als kritisch oder nicht-kritisch dadurch bestimmt, dass die
Werte der Frame-Parameter
des aktuellen Frames mit den entsprechenden Frame-Parametern in
einem vorhergehenden Frames verglichen werden, und eine gewichtete
Summe der entsprechenden Differenzen geformt wird, die daraufhin
mit einem Schwellenwert verglichen wird. In dieser Ausführungsform
wird, nachdem ein Frame einmal als kritisches Frame identifiziert wurde,
seine Robustheit durch Erhöhung
seiner übertragenen
Leistung verbessert. Somit ist bei diesem kritischen Frame bei Übertragung
mit einem höheren
Leistungspegel die Wahrscheinlichkeit geringer, dass es zum Löschen an
einem Empfänger
bestimmt wird, und die Wahrscheinlichkeit höher, dass es das empfangende
Ende erreicht, ohne durch Geräusche
beschädigt
zu werden. Andere Techniken zur Verbesserung der Robustheit eines
bestimmten Frames beinhalten verbesserte Kanalcodierung einschließlich neuer
Bit-Verschachtelungsverfahren.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein Blockdiagramm, das den Sender einer Basisstation und den Empfänger einer
Mobileinheit in einem drahtlosen CDMA-Kommunikationssystem nach
dem Stand der Technik veranschaulicht;
-
2 ist
ein Ablaufdiagramm, das die Schritte der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht;
-
3 ist
ein Blockdiagramm eines CDMA-Basisstationssenders gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
-
4 ist
ein Blockdiagramm eines kritischen Frame-Detektors gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
-
Bezugnehmend
auf 1 ist ein Blockdiagramm eines drahtlosen CDMA-Systems 100 nach dem
Stand der Technik dargestellt, welches einen Sender 101 an
einer Basisstation und einen Empfänger 102 an der Mobileinheit
veranschaulicht. Der Eingang zu einem Sprachcodierer 103 in
Sender 101 ist ein Bitstrom aus PCM-codierter Sprache,
der zum Beispiel mit einer 8 kHz Rate abgetastet wird. Insofern
als Sender 101 in eine Basisstation und drahtlosen Switch
eingebaut ist, die an ein öffentliches
Telefonnetz (PSTN) (nicht dargestellt) angeschlossen sind, wird
das eigentliche Sprachsignal von der von analog-zu-digital umgewandelten
Sprache eines Benutzers abgeleitet, die von einem drahtgebundenen Telefon
im PSTN oder einem Mobiltelefon in einem drahtlosen Netz eingegeben
wurde. Der Sprachcodierer 103 formatiert den PCM-Strom
in 20 ms Frames und komprimiert die Eingangsdaten unter Einsatz
eines Variabelraten-CELP-Codier-Algorithmus. Während der aktiven Sprechperioden
erzeugt der Sprachcodierer 103 Vollraten-Frames. Während der inaktiven
Perioden erzeugt der Sprachcodierer 103 1/8-Raten-Frames.
Während
der Übergangsperioden
zwischen den Sprechperioden und den inaktiven Perioden erzeugt der
Sprachcodierer 103 ½-Raten oder ¼-Raten-Frames.
Für jeden
20 ms PCM-Frame-Eingang
erzeugt der Sprachcodierer 103 ein codiertes Frame, bestehend
aus einem Satz von Ausgangsparametern. Ein codiertes Vollraten-Frame
beinhaltet folgende Parameter: LPC (Linear Predicative Coding);
Pitch Lag (L) und Pitch Gain (b); Codebook Gain (G) und Codebook
Index (I).
-
Das
Basisband-codierte Frame wird nun von einem Kanalcodierer 104 in
ein Funkfrequenzbandsignal umgewandelt, wobei der Kanalcodierer
unter Einsatz gut-dokumentierter CDMA-Technologie (siehe zum Beispiel
TIA IS-95B, Mobilstation-Basisstation-Kompatibilitäts-Standard
für Dual-Mode
Wideband Spread Spectrum Cellular System) das Signal unter Einsatz
eines Verschlüsselungscodes
moduliert, der speziell bei Einleitung des Anrufs zugewiesen wird.
Ein Leistungscontroller 105 steuert den Leistungsausgang
von Kanalcodierer 104 entsprechend der Rate des gerade übertragenen
Frames und der Frame-Fehlerraten-Statistik
des vom Empfänger 102 empfangenen
Signals, die an die Basisstation über ein Uplink-Signal von der
Mobileinheit an die Basisstation zurückgegeben werden. Mit dem Anstieg
in der Frame-Fehlerrate (FER) wird diese FER-Information an die
Basisstation zurückgegeben und
die abgegebene Leistung steigt. Das Ausgangssignal von Kanalcodierer 104 besteht
aus einer Folge von 20 ms Frames, wobei jedes Frame entweder ein Vollraten-Frame
oder ein Subraten-Frame ist, je nachdem, ob das Eingangssignal aktive
Sprache, eine inaktive Periode oder eine Übergangsperiode darstellt.
Der Leistungscontroller 105 passt ferner die Ausgangsleistung
von Kanalcodierer 104 entsprechend der Rate des gerade übertragenen
Frames an, wobei die Ausgangsleistung während eines Vollraten-Frames
größer als
die Ausgangsleistung während
eines Subraten-Frames ist.
-
Der
Ausgang des Kanalcodierers 104 wird über Antenne 106 durch
die Luft an die Mobileinheit übertragen,
die die aufeinanderfolgenden Frames der komprimierten Sprachdaten über eine
Antenne 107 empfängt.
Bei Empfänger 102 in
der Mobileinheit entschlüsselt
der Kanaldecodierer 108 die codierten Frame-Folgen und
demoduliert das CDMA-Signal zu einer Basisband-Folge von Parametern.
Jedes Parameter-Frame wird in einen Sprachdecodierer 109 eingegeben,
der diese Parameter in einen Strom von PCM-Abtastungen umwandelt,
die von Digital-zu-Analogschaltungen (nicht dargestellt) in ein Sprachsignal
decodiert werden, das für
den Benutzer der Mobileinheit hörbar
ist.
-
Obwohl
nicht dargestellt, ist ohne weiteres erkennbar, dass die Mobileinheit
ferner einen Sender mit einem Sprachcodierer, einem Kanalcodierer
und einem Leistungscontroller enthält, um ein Uplink-Signal an
einen Empfänger
in der Basisstation zu übertragen.
Letzterer beinhaltet somit auch einen Empfänger, be stehend aus einem Kanalcodierer
und einem Sprachcodierer.
-
In
diesem System nach dem Stand der Technik, wenn ein Empfänger (in
der Mobileinheit oder der Basisstation) bestimmt, dass ein Frame
aufgrund entweder des Nichtempfangs oder eines erkannten hohen Fehlers
aufgrund von Geräuschen
oder Störungen
zu löschen
ist, benutzt der Decoder einen Frame Maskierungs-Algorithmus, um
die aktuellen Werte der empfangenen Parameter aus den entsprechenden
Parametern in einem vorhergehenden Frame oder Frames zu extrapolieren.
Zum Beispiel werden für
13k CDMA CELP Codierer die aktuellen Werte der LPC-Parameter durch Decaying
(Abklingen) des LCP des vorhergehenden Frames bestimmt, wobei der
Decaying Koeffizient eine Funktion der Anzahl von aufeinanderfolgenden
Lösch-Frames
ist. Der aktuelle Wert von Pitch Lag (L) vom vorhergehenden Frame
wird wiederholt und der aktuelle Wert von Pitch Gain (b) wird aus
dem Pitch Gain des letzten Frames bestimmt. Der aktuelle Wert von
Codebook Gain (G) wird durch Subtrahieren der entsprechenden Ganzzahl
vom vorhergehenden Wert für
G und Codebook Index (I) des aktuellen Frames wird nach Belieben
bestimmt.
-
In
diesem System nach dem Stand der Technik, wenn das einem Lösch-Frame
vorangehende Frame ein Subraten-Frame ist, oder wenn die Parameter
des einem Lösch-Frame
vorangehende Frames sehr verschieden von den ursprünglichen
Parametern des einem Lösch-Frame
vorangehende Frames sind, kann ein Empfänger in entweder der Mobileinheit
oder der Basisstation die Parameterwerte des gelöschten Frames nicht hinreichend
genau aus dem vorhergehenden Frame extrapolieren. Das resultierende Sprachsignal
ist daher schlecht und möglicherweise
für den
empfangenden Benutzer unhörbar.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde bestimmt, dass, aus der Perspektive der Sprachqualität betrachtet,
bestimmte Frames wichtiger als andere Frames sind. Diese „kritischen" Frames, nachdem
sie identifiziert wurden, werden dann vom Sender innerhalb der Basisstation
und/oder der Mobileinheit in einer weise übertragen, die ihre Robustheit
gegenüber
Geräuschen
und Störungen
bis zu einem Grad erhöht,
der größer als
die mit den anderen nichtkritischen Frames verbundene Robustheit
ist. Somit werden nur diejenigen Frames, die vor ihrer Übertragung
als kritische Frames bestimmt wurden, einer besonderen Behandlung
unterzogen, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass sie gelöscht werden.
Anhand verschiedener Kriterien kann bestimmt werden, ob ein aktuelles
Frame als kritisches Frame zu klassifizieren ist. Wenn zum Beispiel
die Parameter des oder der vorhergehenden Frames vom Sprachdecodierer
dazu benutzt werden können, die
PCM-Abtastungen des aktuellen Frames ohne nennenswerte Verzerrung
wiederherzustellen, kann das aktuelle Frame als unwichtiges Frame
bezeichnet werden. In diesem Fall kann das aktuelle Frame als „nicht-kritisches" Frame definiert
werden. Andererseits, wenn die Parameter des oder der vorhergehenden
Frames ohne nennenswerte Verzerrung nicht zur Wiederherstellung
der PCM-Abtastungen des aktuellen Frames benutzt werden können, wird das
aktuelle Frame als „kritisches" Frame bezeichnet.
Zum Beispiel ist damit zu rechnen, dass das Vollraten-Frame, das auf ein
Subraten-Frame in der Folge von Frames folgt, als kritisches Frame
bezeichnet wird, da es, wie an früherer Stelle angegeben, für den Fall, dass
der Empfänger
bestimmt, dass dieses Vollraten-Frame
zu löschen
ist, schwierig wenn nicht unmöglich
wäre, die
Parameter dieses Vollraten-Frames aus dem vorhergehenden Subraten-Frame
mit annähernder
Genauigkeit oder mit akzeptabler Sprachqualität zu extrapolieren.
-
Sobald
ein kritisches Frame erkannt wird, wird dieses Frame gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer Weise übertragen,
die seine Robustheit gegenüber
Geräuschen
und Störungen
auf dem drahtlosen Kommunikationskanal verstärkt. In der hier beschriebenen
bevorzugten Ausführungsform wird
ein kritisches Frame gegen Kanalgeräusche, Fading und Störungen dadurch
geschützt,
dass seine Übertragungsleistung
auf einen höheren
Pegel als die Ausgangsleistung der Übertragung für nichtkritische
Frames angehoben wird. Somit ist die Wahrscheinlichkeit, dass das
kritische Frame mit seiner erhöhten Übertragungsleistung
von einem Decodierer am Empfänger
gelöscht
wird, geringer. Ferner ist dadurch, dass die Ausgangsleistung nur
der als kritisch bestimmten individuellen Frames erhöht wird,
die Gesamtauswirkung auf die Gesamtausgangsleistung des Senders
klein. Es können
auch andere Verfahren als das Erhöhen der Ausgangsleistung der Übertragung
eines kritischen Frames zum Schutz eines solchen kritischen Frames
verwendet werden. Zu Beispielen hierfür gehört ein robusteres Verfahren
der Kanalcodierung einschließlich
neuer Bitverschachtelungsverfahren.
-
2 veranschaulicht
die Schritte der vorliegenden Erfindung. Bei Schritt 201 wird
ein Frame als kritisch identifiziert, bevor es übertragen wird. Bei Schritt 202 wird
das kritische Frame mit Hilfe eines robusten Mechanismus übertragen,
indem zum Beispiel die Übertragungsleistung
erhöht
oder indem ein robusteres Kanalcodierungssystem verwendet wird.
-
Die
Identifizierung eines Frames als kritisches Frame erfolgt mit Hilfe
eines Algorithmus, der am Sprachcodierer des Senders an der Basisstation und
der Mobileinheit implementiert wird. Der Algorithmus identifiziert
die kritischen Frames, egal ob sie sich am Anfang eines gesprochenen
Worts, innerhalb. eines gesprochenen Worts oder am Ende eines gesprochenen
Worts befinden. Mit jedem Vollraten-Frame wird ein extra Bit, genannt
ein „kritisches Bit", verknüpft, um
anzuzeigen, dass dieses Frame kritisch ist. Dieses kritische Bit
wird für
jedes als kritisch identifiziertes Frame gesetzt und für die nicht-kritischen
Frames zurückgesetzt.
In der hier beschriebenen Ausführungsform
wird ein Frame dadurch als kritisch identifiziert, dass die Parameter
des aktuellen Frames mit den entsprechenden Parametern eines vorhergehenden
Frames verglichen werden. Insbesondere wird eine gewichtete Summe
aus den Differenzen zwischen den Frame-Parametern eines aktuellen
Frames und den gleichen Parametern in einem vorhergehenden Frame
gebildet. Ein Wert Δ wird
somit wie folgt berechnet: Δ =
W1||LPC(n) – LPC(n-1)||
+ W2||L(n) – L(n-1)||
+ W3||b(n) – b(n-1)||
+ W4||G(n) – G(n-1)|| (1)wobei ||x||
den absoluten Wert von x darstellt, und wobei
- n
- die Parameter des
aktuellen Frames sind;
- n-1
- die Parameter des
vorhergehenden Frames sind;
- LPC, L, b, G
- die Frame-Parameter
sind, die jedes Frame darstellen; und
- W1, W2, W3, W4
- Gewichtungskoeffizienten
für die
jeweilige Differenz in den LPC-, L, b- und G-Frame-Parametern sind,
die mit dem aktuellen Frame und dem vorhergehenden Frame verknüpft sind.
-
Nach
der Berechnung von Δ wird
dieser Wert mit Δthreshold verglichen. Wenn Δ > Δthreshold,
ist die Differenz zwischen dem aktuellen Frame und dem vorhergehenden
Frame so groß,
dass das aktuelle Frame als kritisches Frame klassifiziert wird.
Wenn somit, wie oben beschrieben, dieses Frame gelöscht würde, wäre der Empfänger unfähig, die
Frame-Parameter des aktuellen Frames aus dem vorhergehenden Frame
mit hinreichender hörbarer
Genauigkeit zu extrapolieren. Nachdem also ein aktuelles Frame als
kritisches Frame bestimmt wurde, wird das kritische Bit für dieses
kritische Frame gesetzt. Wenn Δ <= Δthreshold,
ist das aktuelle Frame ein nicht-kritisches Frame, und das kritische
Bit wird zurückgesetzt.
-
Die
Gewichtungskoeffizienten W1, W2, W3 und W4 werden normalisiert,
so dass sie zwischen 0 und 1 liegen. Sie sind miteinander verwandt
und können
als Satz ausgewählt
werden, wobei das folgende iterative Verfahren zum Einsatz kommt:
- 1. Der Satz (W1, W2, W3, W4) wird initialisiert
mit (0.5, 0.5, 0.5, 0.5).
- 2. Δthreshold wird auf 1 für einen normalisierten Satz von
Gewichtungskoeffizienten zwischen 0 und 1 gesetzt.
- 3. Anhand eines Satzes von phonetisch ausgeglichenen Sprachsignalen
(Sprache, die alle Frequenzkomponenten von 0 kHz bis 4 kHz beinhaltet),
wie zum Beispiel Sprachsätze
von fünf
weiblichen und fünf
männlichen
Sprechern, wird der CELP-Codierer zur Codierung dieser Sprachsignale
benutzt, um die codierten Frames zu erzeugen, wobei X die resultierende
Anzahl der codierten Frames ist.
- 4. Anhand des Algorithmus von Gleichung (1) werden die kritischen
Frames unter Einsatz der Anfangswerte von (W1, W2, W3, W4) und Δthreshold =
1 identifiziert. Y ist die resultierende Gesamtanzahl der kritischen
Frames.
- 5. Unter Annahme einer 3% Frame-Fehlerrate, d.h. der FER, für die die
Mehrzahl der Benutzer eine Verschlechterung in der empfangenen Stimmqualität wahrnimmt,
werden nun 0.03X Frames aus den X-Y nicht-kritischen Frames gelöscht. Ein
Kanalmodell für
das CDMA-System dient zur Identifizierung der 0.03X gelöschten Frames.
- 6. Nach dem Löschprozess
wird dann der CELP-Codierer zur Decodierung der ganzen X Frames
benutzt, um eine Ausgabe zu erzeugen, die die codierte/decodierte
Version des Sprachsignals ist.
- 7. Danach wird die Stimmqualität der Ausgangssprache, die
der Decodierer ausgibt, subjektiv ausgewertet.
- 8. Schritte 1–7
werden nun für
verschiedene Werte der Gewichtungskoeffizienten wiederholt, indem
jeweils ein Gewichtungskoeffizient geändert wird, während die
anderen drei gleich bleiben.
-
Der
Satz von Gewichtungen (W1, W2, W3, W4), der die höchste Stimmqualität erzeugt,
ist der Satz, der im Identifizierungs-Algorithmus für kritische Frames
in Gleichung (1) zum Einsatz kommt.
-
Bezugnehmend
auf 3 ist ein Blockdiagramm eines Senders 301 in
einer Basisstation eines CDMA-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Ein Eingabestrom von PCM-codierten Sprachabtastungen wird in einen
Sprachcodierer 302 eingegeben. Wie beim Sprachcodierer 103 in 1 formatiert
der Sprachcodierer 302 den PCM-Strom in 20 ms Frames und
komprimiert die Eingabedaten mit Hilfe eines Variabelraten-CELP-Codieralgorithmus. Während der
aktiven Sprechperioden erzeugt der Sprachcodierer 302 Vollraten-Frames. Während der inaktiven
Perioden erzeugt der Sprachcodierer 302 1/8-Raten-Frames.
Während
der Übergangsperioden
zwischen den Sprechperioden und den inaktiven Perioden erzeugt der
Sprachcodierer 302 ½-Raten- oder ¼-Raten-Frames.
Für jeden
20 ms PCM-Sprach-Frame-Eingang
erzeugt der Sprachcodierer 302 ein codiertes Frame, welches
aus einem Satz von Ausgangsparametern besteht. Ein codiertes Vollraten-Frame
beinhaltet die oben beschriebenen folgenden Parameter: LPC (Linear
Predicative Coding), Pitch Lag (L) und Pitch Gain (b); Codebook Gain
(G) und Codebook Index (I). Diese Frame-Parameter, die vom Sprachcodierer 302 für jedes
Frame ausgegeben wurden, werden sowohl an einen Kanalcodierer 303 als
auch an einen Detektor 304 für kritische Frames eingegeben.
Der Detektor 304 für
kritische Frames formt die gewichtete Summe der Differenzen zwischen
den Frame-Parametern des aktuellen Frames und den entsprechenden
Frame-Parametern des vorhergehenden Frames. In der bevorzugten Ausführungs form
ist das vorhergehende Frame dasjenige Frame, welches dem aktuellen
Frame unmittelbar vorangeht. Mittels des Algorithmus von Gleichung
(1) oben berechnet der Detektor 304 für kritische Frame Δ und vergleicht
diesen Wert mit Δthreshold, wobei letzterer zu 1 normalisiert
wird, wie oben beschrieben. Wenn das aktuelle Frame durch Detektor 304 als
kritisches Frame bestimmt wird, wird das kritische Bit im Bitstrom
gesetzt, und der Bitstrom mit dem gesetzten kritischen Bit wird
einem Leistungscontroller 305 zugeführt.
-
Der
Frame-formatierte Ausgang von Sprachcodierer 302 wird einem
Kanalcodierer 303 zugeführt,
der wie der Kanalcodierer 104 in 1 den Basisband-Ausgang
des Sprachcodierers 302 mit Hilfe von CDMA-Technologie
in ein Funkfrequenzsignal umwandelt. Der Ausgang von Kanalcodierer 303 wird von
Antenne 306 ausgesendet. Die Ausgangsleistung des von Kanalcodierer 303 gesendeten
Signals wird durch den Leistungscontroller 305 gesteuert. Wie
beim Sender nach dem Stand der Technik steuert der Leistungscontroller 305 die
Ausgangsleistung des gesendeten Signals als Funktion sowohl der
Bestimmung, ob das gesendete Frame ein Vollraten- oder ein Subraten-Frame
ist, als auch der Frame-Fehlerraten-Statistik. Entsprechend der bevorzugten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
steuert der Leistungscontroller 305 jedoch auch die Ausgangsleistung
des Kanalcodierers auf einer Frame-zu-Frame-Basis als Funktion der
Bestimmung, ob jedes Frame ein kritisches oder ein nicht-kritisches Frame
ist. Wenn somit das kritische Bit in dem von Detektor für kritische
Frames 304 ausgegebenen Bitstrom vom Leistungscontroller 305 als
gesetzt erkannt wird, erhöht
der Leistungscontroller 305 die Sendeausgangsleistung von
Kanalcodierer 303 für dieses Frame
und senkt sie auf den normalen Ausgangsleistungspegel für jedes
Frame, in dem das kritische Bit zurückgesetzt ist.
-
4 ist
ein Blockdiagramm des Detektors für kritische Frames 304 in 3.
Ein Frame-Ausgang des Sprachcodierers 302 bestehend aus
den Frame-Parametern des aktuellen Frames, wird einem Puffer 401 zugeführt, der
das aktuelle Frame (n) speichert und es mit den Frame-Parametern
des vorhergehenden Frames (n-1) vergleicht, welches in Puffer 402 gespeichert
ist. Im Subtrahierer 403 wird eine gewichtete Summe aus
den Differenzen zwischen den Frame-Parametern des aktuellen Frames und
denjenigen des vorhergehenden Frames gebildet, um ein Δ zu erzeugen,
welches von Komparator 404 mit Δthreshold,
verglichen wird. Während
das nächste
neue aktuelle Frame in Puffer 401 eingegeben wird, wird
das letzte aktuelle Frame in den Puffer 402 verschoben,
und das gerade bestimmte gesetzte oder zurückgesetzte Ausgangs-Bit von
Komparator 404 wird durch Register 405 an den
Frame-Ausgang von Puffer 401 angehängt, um den Eingang zu Leistungscontroller 305 zu
bilden.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem Sender in einer
Basisstation beschrieben wurde, kann sie in einer ähnlichen
wie der oben beschriebenen Weise in einem Sender in einer Mobileinheit
eingesetzt werden. Des Weiteren könnte die vorliegende Erfindung
in einem TDMR-System sowie in dem beschriebenen CDMA-System sowie in anderen
Typen eines drahtlosen Funksystems oder solchen, die in der Zukunft
entwickelt werden, eingesetzt werden. Ferner können, wie bereits erwähnt, andere
Verfahren zur Verbesserung der Robustheit der als kritisch bestimmten
Frames verwendet werden, wie zum Beispiel durch den Einsatz eines
robusteren Kanalcodierungsalgorithmus für jedes derartige kritische
Frame.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit der Verbesserung der
Sprachqualität
eines über
drahtlose Einrichtungen übertragenen
Signals beschrieben wurde, könnte
sie zur Verbesserung der Übertragung
jedes beliebigen digitalen Signals, welches Sprache, Video oder
Daten darstellt, verwendet werden, in welchem der Verlust bestimmter
Frames größere Auswirkungen
als andere Frames auf die Qualität
des empfangenen Signals hat.