FI116180B - Menetelmä ja laite signaalien ryhmäkoodauksen suorittamiseksi - Google Patents

Description

116180

Menetelmä ja laite signaalien ryhmäkoodauksen suorittamiseksi

Esillä oleva keksintö liittyy viestintäjärjestelmiin, 5 jotka käyttävät koodijakokanavointitekniikkaa (CDMA, code division multiple access), ja erityisesti muuttuvanopeuk-sisiin puheenkoodausmenetelmiin järjestelmän itsensä aiheuttaman häiriön vähentämiseksi ja järjestelmäkapasiteetin lisäämiseksi yhdestä pisteestä useisiin muihin pisteisiin 10 muodostetuilla (point-to-multipoint) monikanavaisilla yhteyksillä käytettäessä rinnakkaista digitaalista puheenkoodausta tällaisissa järjestelmissä.

Viime vuosina on käytetty erilaisia tekniikoita monen 15 käyttäjän matkaviestinnän aikaansaamiseksi käytettävissä olevalla rajoitetulla radiotaajuusalueella. Näihin menetelmiin kuuluvat taajuusjakokanavointi (FDMA, frequency division multiple access), aikajakokanavointi (TDMA, time ·/·· division multiple access) ja koodijakokanavointi (code 20 division multiple access) tai tavallisemmin näiden mene- . ·.*: telmien sekamuodot. Kaikkia näitä menetelmiä on viimeksi kuluneiden kymmenen vuoden aikana käytetty kaupallisten j .·. solukkojärjestelmien suunnittelussa, mistä osoituksena on ·;·, FDMA: n käyttö Pohjois-Amerikan AMPS-järjestelmässä sekä 25 FD/TDMA:n käyttö eurooppalaisessa GSM-standardissa (Groupe

Speciale Mobile) ja - varsin äskettäin - United States ·;’ · Telecommunications Industry Associationin omaksuma suo- '·' rasekvenssi-FD/TDMA-ratkaisu, joka ilmenee sen IS-95-stan- dardissa. Tässä IS-95-standardissa tilaajat käyttävät yh-30 teisesti yhtä useista laajakaistaisista radiokanavista solukkokaistalla. On myös laadittu useita ehdotuksia kos-*·’ kien niin sanottuja henkilökohtaisia viestintäjärjestelmiä *. '· (PCS, personal communication systems), jotka nojautuvat samanlaisille FD/CDMA-periaatteille.

35 116180 2

Melkein kaikki uudet solukko- ja PCS-järjestelraät ovat käyttäneet digitaalista puheenkoodausta ja myötäkanavan virheenkorjausta puheensiirron fysikaalisena kerroksena. Kiinnostavampaa tässä asiayhteydessä on puheaktiviteetin 5 ilmaisun (VAD, voice activity detection) käyttäminen puheen olemassaolon tai puuttumisen havaitsemiseksi puhelun jommankumman osapuolen taholla. Puheen puuttuessa puhekoo-deri voi käskeä modulaattorin tai lähettimen, johon se on yhdistetty, pienentämään lähtötehonsa nollaksi tai lähet-10 tää satunnaisia tietopaketteja, jotka kuvaavat vain taus-tamelua jommankumman käyttäjän sijaintipaikassa. Radiolähettimen jaksosuhteen pienentäminen tällä tavoin antaa kahtalaisena hyötynä tehonkulutuksen pienenemisen (mikä pidentää akun käyttöaikaa matkaviestinlaitteen tapaukses-15 sa) sekä häiriöiden pienenemisen samaa RF-taajuusaluetta käyttävien käyttäjien välillä. Keskusteluolosuhteista riippuen voidaan saada aikaan 40%:n ja 65%:n välillä oleva lähetystehon pieneneminen. Tehoalennuksen määrää rajoittaa viime kädessä se, missä mitassa merkittäviin 20 VAD-tekniikoihin liittyvä äänenlaadun huononeminen katso- : taan hyväksyttäväksi.

j Tehonalennuksen mahdollisuus on erityisen tärkeä CDMA- ·/. järjestelmien kannalta. Tällaisissa järjestelmissä käyttä- 25 jäkapasiteetti on kääntäen verrannollinen järjestelmän . . itsensä aiheuttaman häiriön määrään. TIA:n FD/CDMA-stan- dardissa IS-95 ratkaisua on hieman laajennettu käyttämällä ’ muuttuvanopeuksista puhekooderia yksinkertaisten on/ei- : eli epäjatkuvien lähetysmenetelmien asemesta. IS-95-stan- (“; 30 dardissa koodattu puhe jaotellaan 20 ms:n väleille, jotka puhekooderi voi valita koodattavaksi tehollisella bitti-’· . nopeudella 8000 bit/s, 2000 bit/s tai 800 bit/s. Sekä IS- *· “· 95-yhteys tukiasemalta matkaviestimelle (forward; myötä- suuntainen) että IS-95-yhteys matkaviestimeltä tukiase-35 malle (reverse; vastasuuntainen) käyttävät muuttuvanopeuk- 116180 3 sista koodausta. Myötäsuuntaisen yhteyden tapauksessa keskimääräistä lähetystehoa pienennetään alentamalla läh-tötehoa koodausnopeuden pienentyessä. Kanavan symbolin-toisto sallii symbolien yhdistämisen matkaviestimen vas-5 taanottimessa ja siten yhteyden suorituskyvyn määräävän energian symbolia kohti ja kohinan tehospektritiheyden suhteen säilyttämisen. Pantakoon merkille, että keskimääräinen lähetysteho - ja siten järjestelmän itsensä aiheuttama häiriö - pienenee kertoimella neljä 800 bit/s lähe-10 tyksen ajaksi. Koko puheaktiviteetin ajalta tyypillisillä kaksisuuntaisilla puheluilla lasketun keskiarvon perusteella on arvioitu, että TIA:n standardissa IS-96-määri-teltyä standardinmukaista puheenkoodaus- ja puheaktiviteetin ilmaisualgoritmia käytettäessä keskimääräinen lähetys-15 teho alenee noin 41 %:iin nimellisarvostaan. Tällä on huomattava vaikutus järjestelmän myötäsuuntaisen yhteyden kapasiteettiin.

·, ··. IS-95-radioliityntästandardin ja siihen liittyvän IS-95- :/.· 20 puhekooderistandardin nykyisissä toteutusmuodoissa kukin myötäsuunnan puheyhteyksistä koodataan kuitenkin erikseen.

··· Toisin sanoen puhekooderit tekevät hyväksyttävän äänenlaa- ;.*· dun säilyttämiseksi tarvittavaa pienintä koodausnopeutta ·;·. koskevat ratkaisut erikseen muita samaa RF-taajuusaluetta 25 käyttäviä puhekanavia huomioonottamatta. Tämä edellyttää, , . että nopeudenmääritysalgoritmin kussakin puhekooderissa pitää aina minimoida sen koodausnopeus, vaikka muiden ’·* ’ samaa taajuusaluetta käyttävien puhekooderien koodausno- : peus ei tätä edellyttäisi. Esimerkiksi jos kaikkien samaa t‘”: 30 kanavaa käyttävien puhekooderien tukiasemassa tulisi sa manaikaisesti pyrkiä lähettämään alemmalla nopeudella, ; , niin kokonaislähtötehon pienentäminen tukiasemassa merkit see sitä, että kukin puhekooderi voisi palata seuraavaksi suuremmalle nopeudelle järjestelmäkapasiteettia vaaranta-35 matta. Koska keskimääräisen lähetystehon minimointi muut- 116180 4 tuvanopeuksisella puhekooderilla edellyttää äänenlaadun huonontamista, niin erillinen puheenkoodaus alentaa äänenlaatua tarpeettomasti. CDMA-järjestelmän lähestyessä kapasiteettiansa ja asetettaessa rajoituksia kunkin puhe-5 kooderin lähetysnopeudelle kapasiteetin lisäämiseksi tilapäisesti tällaiset rajoitukset täytyy asettaa sokeasti, jolloin kaikki puheyhteydet ovat saman rajoituksen alaisia huolimatta sen vaikutuksesta äänenlaatuun. Tämä on tuhlaavaista, koska tiedetään, että äänenlaatu riippuu monista 10 eri tekijöistä, ja siten on olemassa mahdollisuuksia tiettyjen kooderien nopeuden pienentämiseksi sen kokonaisvaikutuksen sektorissa/solussa havaittuun äänenlaatuun ollessa mahdollisimman vähäinen.

15 On siis olemassa menetelmän ja laitteen tarve globaalisen puheenkoodauksen suorittamiseksi FD/CDMA-järjestelmän myötäsuuntaisella yhteydellä (forward link) tekemällä eri puhekooderien nopeudenvalintapäätökset yhteistoiminnassa kaikkien muiden samaa sektoria/solua ja RF-kanavaa 20 syöttävien puhekooderien kanssa.

Patenttijulkaisussa US 4 455 649 on esitetty kokonais-: tehomitan käyttö algoritmina nopeuden valintaa ohjaavan . .·, bittiallokaation määräämiseksi. Siinä on lisäksi esitet- "'\t 25 ty tilastotietoon perustuva multiplekseri. Julkaisussa on !"! myös esitetty tulosignaalin suodattaminen edustavalle * * 9 alikaistalle sekä, menetelmä kuinka hallintalaite allokoi * ♦ » *·* osan kiinteästä kaistanleveydestään bittiallokaatio- laitteen avulla optimaalisella tavalla alikaistojen ..li* 30 kiinteänopeuksisille kvantisoijille kullakin alikaistalla olevaan suhteellisen tehotason perusteella.

» « I

'··’·' Patenttihakemuksen EP-A2, A3 - 0327101 mukainen järjes- ·...* telmä käyttää koodauspiiriä, joka valitsee lähetettävän ··. datan koodausnopeuden sen mukaan kuinka monta kanavaa ( > t • » • » • · » 116180 5 viestii dataa. Jokaisena annettuna ajankohtana kaikki data lähetetään yhdellä koodausnopeudella. Kun lähetetään 1 - N dataa, valittu koodausnopeus on Kun lähetetään enemmän dataa, kuten 1-N+l, koodausnopeus muutetaan 5 arvoon 7/8 ja kaikki data lähetetään nopeudella 7/8.

Patenttijulkaisussa US 5 150 387 on esitetty laitteisto, jossa tulosignaali on jaettu useisiin taajuuskaistoihin vastaavien kaistasignaalien muodostamiseksi . Jaettu bitinlaskuyksikkö laskee asianomaiset 10 bittinopeudet, joilla vastaavat kaistasignaalit koodataan kaistasignaalien asianomaisille tehoarvoille. Kvanti-soijat koodaavat asianomaiset kaistasignaalit vastaavilla bittinopeuksilla ja vastaanottavat tuloksena saadut vastaavat kaistakoodit multiplekseriyksikköön, joka 15 sisällyttää asianomaiset kaistakoodit soluun informaatio-yksiköksi sekä lähettää solun.

Patenttijulkaisussa US 4 949 383 on esitetty sovitettava bittiallokaatio ali/kaistakooderin kanaville tai muunto- kooderin kertoimille käyttämällä kiinteää bittimäärien : 20 joukkoa vain niiden kanavien valinnan vaihteluun, joille • · .·, : vapaana olevat bitit osoitetaan.

• · ·,·,· Kuvio 1 esittää yleisesti lohkokaaviomuodossa ennestään 'i1 tunnettua CDMA-tukiaseman lähetintä.

• M 1 · 1 * · · * · 1 1 ;'j1. 25 Kuvio 2 esittää yleisesti lohkokaaviomuodossa ennestään tunnettua, puheenkoodausstandardissa TIA IS-96 määriteltyä ; .t nopeudenmäärityslaitetta.

• I

• · ;1 Kuvio 3 esittää yleisesti lohkokaaviomuodossa koodiluette- * '·· 30 lon herättämää lineaarista ennustavaa puhekooderia (code- book excited linear predictive speech encoder), joka on parhaana pidetyssä suoritusmuodossa käytettävää tyyppiä ja i i i joka on kuvattu yksityiskohtaisesti puheenkoodausstandar- « ·

I I I

116180 6 dissa TIA IS-96.

Kuvio 4 esittää yleisesti lohkokaaviomuodossa valvonta-suorittimen tai nopeusohjaimen käyttöä keksinnön mukaisen 5 ryhmäkohtaisen puheenkoodauksen suorittamiseksi.

Kuvio 5 esittää yleisesti nopeus/laatutaulua, jota nopeus-ohjain käyttää useiden algoritmien osana sektorin/solun puheen kokonaislaadun optimoimiseksi sen ollessa sektoris-10 ta/solusta lähetetylle teholle asetetun rajoituksen alainen esillä olevan keksinnön mukaan.

Kuvio 6 esittää yleisesti lohkokaaviomuodossa laitetta keksinnön mukaisen CDMA-ryhmäkoodausmenetelmän toteuttami-15 seksi.

Kuvio 7 esittää yleisesti lohkokaaviomuodossa nopeusoh-jainta, joka voi toteuttaa keksinnön mukaisen ryhmäkoo-dauksen edullisesti.

20

Koodijakokanavoitu (CDMA, code division multiple access) '1 viestintäjärjestelmä pienentää järjestelmän itsensä aihe- uttamaa häiriötä ja lisää järjestelmäkapasiteettia teke-mällä eri puhekooderien nopeudenvalintapäätökset yhteis-·;· 25 toiminnassa muiden puhekooderien kanssa. Järjestelmä käyt- • tää havaintopainotettuja virheenmittalukuja (401) syöttei- nä nopeusohjaimelle (404), joka päättää ja antaa valitut nopeudet (402) takaisin koodereille. Järjestelmä saa ai-kaan optimaalisen äänenlaadun ja järjestelmäkapasiteetin 'il! 30 siten, että se sallii tiettyjen kooderien tarvittaessa pienentää nopeuttaan, mikä lisää kapasiteettia, sallien toisten kooderien pysyttää nopeutensa ennallaan. Tämä estää äänenlaadun tarpeettoman huononemisen niinä aikoina, jolloin järjestelmäkapasiteettia tarvitsee tilapäisesti 35 suur en t aa.

116180 7

Keksinnön parhaana pidetty suoritusmuoto on selitetty sellaisena kuin se liittyy digitaaliseen CDMA-solukkojärjestelmään, joka perustuu Telecommunications Industry Asso-5 ciationin standardeihin IS-95 ja IS-96. Alan asiantuntijalle on selvää, että tätä keksintöä voidaan soveltaa mille tahansa yhdestä pisteestä useisiin muihin pisteisiin muodostetulle CDMA-yhteydelle (yleensä digitaalisen solukkojärjestelmän myötäsuuntaiselle yhteydelle), jolla sovel-10 letaan järjestelmän itsensä aiheuttaman häiriön pienentämistä muuttuvanopeuksisen puheenkoodauksen avulla. Esitettyä menetelmää voidaan kuitenkin edullisesti käyttää missä tahansa viestintäjärjestelmässä eikä se itse asiassa ole rajoittunut viestintäjärjestelmiin. Tätä tekniikkaa 15 voidaan käyttää esimerkiksi, kun puheenkoodaus tapahtuu rajoitetun muistitilan omaavaan muistivälineeseen tallentamista varten. Olennaista on, että tämä tekniikka on sovellettavissa mihin tahansa sovellukseen, jossa käytetään (esim. puheen, videon, datan jne.) koodausta ja jossa 20 on olemassa koodaukseen (esim. tehotasoon, koodauksen laatuun, järjestelmäkapasiteettiin, muistitilaan jne.) ·’,*·· liittyviä rajoituksia.

: Menetelmä ja laite ryhmäkoodaa signaalit vastaanottamalla .:. 25 nopeudenmääritystiedot ainakin kahdelta kooderilta ja .* .·. määräämällä ainakin yhden kooderin nopeuden mainittujen ’·!·’ ainakin kahden kooderin nopeudenmääritystietojen perus teella. Parhaana pidetyssä suoritusmuodossa nopeudenmääritystiedot ovat laatutiedot, jotka liittyvät toiston laa- ·;;; 30 tuun koodausnopeuden funktiona (20 ms:n segmenteittäin) .

• |

Laatutiedot käsittävät, mutta ei rajoittavassa mielessä, : havaintopainotetut virheenmittaluvut, jotka kehitetään * < » analyysi/synteesi-puhekoodereilla (analysis-by-synthesis I < t speech encoders), signaalikohinasuhteen (S/N, signal-to- *;;; 35 noise ratio), segmenttikohtaisen S/N:n, cepstrumetäisyyden * * · 116180 8 (cepstral distance) sekä LPC-etäisyysmittausrvon ja BARK-spektrietäisyysmittausarvon, jotka kaikki ovat alalla tunnettuja.

5 Mainitun ainakin yhden kooderin nopeuden määrääminen perustuu kynnyskriteeriin (joka on tyypillisesti ennalta määrätty). Parhaana pidetyssä suoritusmuodossa kynnyskri-teeri voi käsittää, mutta ei rajoittavassa mielessä, sen sektorin/solun kokonaislähtötehon, jolle kooderit on osoi-10 tettu, viereisen sektorin/naapurisolun kokonaislähtötehon, palvelevan tukiaseman kulloisenkin lähetystehotason, mainittujen ainakin kahden kooderin kulloisenkin datanopeu-den, muistivälineissä käytettävissä olevan muistitilan, käsittelyvälineissä käytettävissä olevan käsittelytehon is sekä ennalta määrätyllä taajuusalueella käytettävissä olevan kaistanleveyden. Parhaana pidetyssä suoritusmuodossa kooderit ovat myös muuttuvanopeuksisia analyysi/syntee-si-koodereita. Nämä kooderit voivat koodata signaaleja, joihin kuuluvat, mutta ei rajoittavassa mielessä, puhesig-20 naalit, videosignaalit ja datasignaalit.

Kuvio 1 esittää CDMA-tukiaseman (102) myötäsuuntaisen f·,* yhteyden (forward link) ylätason arkkitehtuuria, joka . .·. parhaana pidetyssä suoritusmuodossa on suunniteltu digi- 25 taalisen solukkoradiostandardin TIA IS-95 mukaan. Kuvion 1 tukiasema (102) suorittaa muun muassa muuttuvanopeuksisen • · « puheenkoodauksen, myötäsuuntaisen virheenkorjauksen (for-* ’ ward error correction), myötäsuuntaisen yhteyden tehonsää- dön, monikanavahajotuksen (multiple access spreading) sekä * · * ··: 30 moduloinnin ja lähetyksen. Kuviossa 1 demultiplekseriin (103) tuodaan useita standardinmukaisia ϊ-law-koodattuja : (ϊ-law encoded), multipleksoituja 64 kbit/s pulssikoodimo- > I » ; duloituja (PCM, pulse code modulated) Tl-yhteyksiä (101) \ yleisestä kytkentäisestä puhelinverkosta (PSTN, public *;;; 35 switched telephone network) (100) . Kukin 64 kbit/s puheyh- 116180 9 teys (104) siirretään sen jälkeen digitaalisen puhekoode-rin (105) kautta. Tavanomaisessa toteutusmuodossa puheenkoodaus toiminnon suorittavat useat yleiskäyttöiset digitaaliset signaaliprosessorit (DSP, digital signal proces-5 sor), kuten Motorola DSP56156-suoritin, ROM-koodatut DSP:t tai sovelluskohtaiset integroidut piirit (ASIC, application specific integrated circuit). Yleensä useita tällaisia suorittimia on ryhmitetty yhdelle piirilevylle (vaikka keksinnön kannalta tämä ei ole välttämätöntä), joka sitten 10 pystyy käsittelemään multipleksoitujen puhekanavien koko Tl-ryhmän (Tl trunk). Puheenkoodauksen jälkeen sovelletaan virheenkorjausta (106) konvoluutiokoodien ja syklisten koodien muodossa, mitä seuraa BPSK-kantataajuuskaistamodu-lointi (107), Walsh-salaus ja hajotus lyhyellä pseudoko-15 hinasekvenssillä (PN sequence, pseudo-noise sequence) (108), alipäästösuodatus (109), lähetystehotason säätö (110) ja tehovahvistus (111) sekä lopuksi vielä lähetys matkaviestimelle (113) (yksinkertaisuuden vuoksi taajuu-densiirtoa radiotaajuudelle ei ole esitetty).

20

Kuviossa 2 on esitetty puhekooderin (105) toteuttamiseksi :’\i käytettävän DSP:n tai muun laitteen suorittaman TIA IS-95- • · standardin mukaisen käsittelyn lohkokaavio. Kuten esitet- • a . ty, puhekooderi (105) voidaan erottaa kahdeksi pääelemen- 25 tiksi: nopeudenmääritys ja koodaus. Tarkastellaan ensin ;‘it nopeudenmääritystoimintoa. IS-96-standardissa kukin puhe-

« « I

kooderi (105) jakaa siihen liittyvän PCM - signaali vi r r an * · » ' yhtäjaksoisiin 20 ms:n kehyksiin, jotka muodostuvat lähde- puheen aaltomuodon 160 näytteestä. Kunkin kehyksen teho-*••1 30 taso (joka on autokorrelaation estimaattorin (200) tuotta- man kehyksen autokorrelaatiofunktion estimaatin nollas ; viivästymä R(0)) syötetään vertaimien ryhmään (203), jotka vertaimet toteavat, minkä kolmesta monotonisesti suurene-·_ vasta kynnystasosta kehyksen teho ylittää. Nämä tasot ke- t * » 35 hitetään lohkon (201) muodostaman puhesignaalin tehotason

» I

t t I > t 116180 10 epälineaarisen keskiarvon 2. kertaluvun interpolaatiolla. Pantakoon merkille, että kaikki nämä käsittelyvaiheet on täydellisesti määritelty TIA-standardissa IS-96. Jos kulloisenkin kehyksen energia on pienempi kuin alin maini-5 tuista kolmesta kynnyksestä, niin kehys todetaan 1/8 nopeuden kehykseksi; jos kehyksen energia on alimman ja keskimmäisen kynnyksen välillä, niin kehys todetaan 1/4 nopeuden kehykseksi; jos se on keskimmäisen ja ylimmän kynnyksen välillä, niin kehys todetaan 1/2 nopeuden kehykseksi; ίο lopuksi vielä, jos kehyksen energia ylittää ylimmän kynnystason, niin kehys todetaan täyden nopeuden kehykseksi. Vertaimet (203) ja dekooderi (204) suorittavat tämän viimeisen vaiheen valitun nopeuden (205) tuottamiseksi.

15 Valittu nopeus (205) syötetään koodiluetteloherätteiseen lineaariseen ennustavaan (CELP, codebok excited linear predictive) puheenkoodaustoimintoon (206), joka muodostaa puhekehyksen parametrisen kuvauksen käyttäen tätä nopeutta varten määritellyn määrän bittejä. Parhaana pidetyssä 20 suoritusmuodossa 1/8 nopeuden kehyksen koodattujen parametrien ilmaisemiseksi käytettävien bittien lukumäärä on ·.*·: 16 (jätettäessä huomioonottamatta virheenkorjaukseen/-il- :,'·· maisuun käytettävät lisäbitit); 1/4 nopeuden kehyksellä 40 : :/ bittiä; 1/2 nopeuden kehyksellä 72 bittiä ja täyden nopeu- ··· 25 den kehyksellä 160 bittiä. Vaikka parhaana pidetyssä suo- : ritusmuodossa on kuvattu ja käsitelty CELP:tä, niin yhtä « · · · hyvin voidaan edullisesti käyttää muita koodaustekniikoita « · · kuten muun muassa aaltomuotokoodaus, lineaarinen ennustava . koodaus (LPC, linear predictive coding), osakaistakoodaus 30 (SBC, sub-band coding), koodiherätteinen lineaarinen en-’·;·* nustava (CELP, code excited linear predictive), stokasti- sesti herätetty lineaarinen ennustus (SELP, stochastically excited linear prediction), vektorisummaherätteinen line-Z aarinen ennustus (VSELP, vector sum excited linear predic- // 35 tion), parannettu monikaistainen herätys (IMBE, improved 116180 11 multi-band excitation) ja adaptiivinen differentiaalinen pulssikoodimodulointi (ADPCM, adaptive differential pulse code modulation) koodausalgoritmeja.

5 Selvyyden vuoksi CELP-puheenkoodausmenettely on tarpeen kuvata yksityiskohtaisemmin. Parhaana pidetyn suoritusmuodon CELP-puhekooderissa käytettävän signaalinkäsittelyn ylätason lohkokaavio ilmenee kuviosta 3. Kuten kuviossa 3 on esitetty, ensin määritetään 64 kbit/s puhesignaalin io (104) peräkkäisten 20 ms:n kehysten autokorrelaatiofunkti-on estimaatti (309) (tämä suoritetaan tavallisesti yhteisesti nopeudenmääritysmenettelyn lohkon (200) kanssa). Seuraavaksi niin sanottujen normaaliyhtälöiden (Normal Equations) ratkaisu, esimerkiksi Schur-rekursio (Schur 15 Recursion) (301), antaa lyhyen tähtäyksen lineaarisen ennustavan (STP, short term linear predictive) suotimen kertoimet (310). STP-suodin (303) on usein ristikkosuodin (lattice filter), ja STP-kertoimet ovat ristikkosuotimen heijastuskertoimet (reflection coefficients). Viivaspekt-20 rilomittelulla (line spectral pairing) tai jollakin muulla robustilla kvantisointimenetelmällä suoritetun kvantisoin- • · '·.*·· nin (302) jälkeen STP-kertoimia käytetään puhesignaalin :\i suodattamiseksi. Tuloksena oleva signaali siirretään seu- ; raavaksi pitkän tähtäimen ennustavaan (LTP, long term pre- 25 diction) suotimeen (313) ja (lineaarisen ennustavan CELP- : kooderin tapauksessa) koodiluettelohakukäsittelyyn. LTP- suodin on yleensä ensimmäisen kertaluvun rekursiivinen suodin, jonka takaisinkytkentäviive ja vahvistus ovat sää-, dettäviä - ne ilmenevät kuviossa 3 LTP-viiveenä L (304) ja 30 LTP-vahvistuksena G (305). Koodaus tapahtuu tällöin aset- ’·;·* tamalla LTP-viivästymä ja -vahvistus ja koodiluettelon : indeksi I (312) samanaikaisesti siten, että neliöllinen virhe LTP-suotimen ulostulossa minimoituu. L, G ja I kvan-\ tisoidaan sen jälkeen (usein käyttäen yksinkertaisia bia- 35 soituja lineaarisia kvantisointimenetelmiä) ja siirretään 116180 12 yhdessä STP-kertoimien kanssa virheenkorjauslohkoon. Tämän analyysi synteesin avulla -menetelmän suorituskykyä voidaan parantaa painottamalla minimoitava virheenmittaluku ihmisen kuulovasteella. Tämä tehdään havaintopainottavalla 5 suotimella (307), joka muuttaa virheenmittalukua (308) niiden taajuuskomponenttien korostamiseksi, joille ihmiskorva on kaikkein herkin. Alan asiantuntija on selvillä siitä, että lähes kaikki kehittyneet analyysi/synteesi-puhekooderit antavat käytettäväksi havaintopainotetun vir-10 heenmittaluvun. Kuten edellä on mainittu, esillä oleva keksintö ei siksi ole rajoittunut yksinomaan CELP-puhe-koodereihin.

Tämän taustaselvityksen jälkeen keksinnön mukainen ryhmä-15 kohtainen puheenkoodaus voidaan nyt selittää. Kuviosta 1 ja kuviosta 2 käy selville, että tunnetussa tekniikassa kunkin myötäsuuntaisen yhteyden puhekooderin koodausnopeus määrätään erikseen. Toisin sanoen kunkin 64 kbit/s puheyhteyden koodattu nopeus määrätään yksinomaan tämän puhesig-20 naalin signaalinkäsittelyn avulla. Koska järjestelmän itsensä aiheuttaman häiriön määrä (ja siten kapasiteetti) • · :/·ί CDMA-järjestelmän myötäsuuntaisella yhteydellä riippuu kooderin keskimääräisestä koodausnopeudesta, niin on myös : :selvää, että mahdollisimman suurella kapasiteetilla toimi-25 miseksi kunkin puhekooderin nopeudenmääritysalgoritmi : ,*, täytyy suunnitella siten, että se aina etsii mahdollisim- man pienen nopeuden, koska kukin kooderi toimii erillään eikä sillä ole tietoa tukiaseman antennista (112) lähetetystä kokonaistehosta (eikä siten myöskään järjestelmän ·;;; 30 itsensä aiheuttamasta häiriöstä) . Koska puheen laadusta '···' täytyy tinkiä pienten keskimääräisten nopeuksien saavutta- : miseksi, niin tämä merkitsee sitä, että koko järjestelmän puheenlaadusta tingitään tarpeettomasti, jos järjestelmä ei ole maksimikapasiteetillaan - tai, samaa merkitsevästi, *;;; 35 että järjestelmä ei lähetä sille varattua maksimitehoa.

13 116180

Toisin sanoen erillinen puheenkoodaus sallii sen, että hetkellisen kokonaislähtötehon varianssi tukiasemalla on suuri.

5 Koska monissa CDMA-tehonsäätöalgoritmeissa solusta tai sektorista lähetetylle kokonaisteholle asetetaan ehdoton raja, niin nopeus, jota käytetään eri yhteyksien koodaamiseksi, täytyy pitää tarpeettoman alhaisena. Lisäksi on tunnettua, että digitaalisesti koodatun puheyhteyden halo vaittu laatu riippuu paitsi käytettävästä puhekooderista myös sellaisista tekijöistä kuin sukupuolesta, korostuksesta, puhujan äänekkyydestä ja ympäristötekijöistä kuten akustisen taustamelun tyypistä/tasosta. Koodattaessa kukin yhteys erikseen ei reagoida sellaiseen tilanteeseen, jossa 15 yhden yhteyden nopeutta voidaan pienentää havaitun yleisen puheenlaadun menetyksen ollessa vähäisempi kuin vastaavalla nopeuden pienentämisellä toisella yhteydellä. Lisäksi nykyinen TIA-standardissa IS-96 toteutettu tekniikka ei käytä havaintopainotettua koodausvirhettä nopeudenmääri-20 tystä suoritettaessa.

Kuviossa 4 esitettyä menetelmää voidaan käyttää näiden puutteiden voittamiseksi. Kuviossa 4 kukin puhekooderi ; (105) evaluoi kullakin 20 ms:n kehyksellä havaintopainote- 25 tun virheenmittaluvun (401), joka on syntynyt koodattaessa puhekehys kullakin neljästä valinnaisesta nopeudesta (kek-

I I I

"j.j sinnön vaihtoehtoisissa suoritusmuodoissa voi olla käytet tävissä enemmän kuin neljä nopeutta). Tämä informaatio siirretään sen jälkeen takaisin valvovalle nopeusohjaimel-·;;; 30 le (404) . Nopeusohjain (404) muodostaa sitten nopeus/laa- ’···* tutaulun, joka on samanlainen kuin kuvion 5 laatutaulu, : joka kuvaa havaintopainotettua virhettä, joka on syntynyt

koodattaessa kullakin valinnaisella nopeudella kullakin N

* · » puhekooderi11a, jotka raportoivat nopeusohjaimelle.

« I t *;;; 35 116180 14

Yksinkertainen ratkaisu solun tai sektorin yleisen äänenlaadun optimoimiseksi alkaa olettamalla, että kaikilla N puhekanavalla on yhtäsuuri lähetysteho. Nopeusohjain (404) asettaa kaikki kooderit (105) alimmalle valinnaiselle no-5 peudelle ja laskee kokonaislähetystehon P. Tässä tapauksessa P on yksinkertaisesti yhtä kuin kaikkien N kooderin nopeusarvojen summa, missä nopeusarvo 1/8 nopeudella on 1/8, 1/4 nopeudella 1/4 ja niin edelleen. Sen jälkeen nopeusohjain (404) etsii nopeus/laatutaulusta suurimman io taulukkoarvon, joka vastaa kulloistakin valinnaista nopeutta millä tahansa N kooderilla. Tämä vastaa huonoimman puheenlaadun (so. suurimman havaintopainotetun virheen) omaavan kooderin tunnistamista kulloisellakin valittujen nopeuksien joukolla. Tämän kooderin nopeus suurennetaan 15 seuraavaksi suuremmaksi nopeudeksi ja P lasketaan uudelleen. Tämä menettely jatkuu, kunnes P ylittää jonkin koko-nai st ehokynnyksen T, jolloin menettely päättyy. Parannettu ratkaisu olisi soveltaa menettelyä nopeus/laatutaulun taulukkoarvoille, jotka on painotettu kuhunkin kooderiin 20 liittyvällä lähetysvahvistuksella. Tämä luettaisiin teho-tasolohkosta (110) . Alan asiantuntijalle on selvää, että tämän menettelyn yleisenä vaikutuksena on tehon alenta-;*·,· minen tinkimällä niiden kooderien nopeudesta, joilla pie- . . \ nemmällä nopeudella toimiminen aiheuttaa vähäisimmän laa- • » · 25 dunalenemisen.

» 4 · · 4 4 • * · * * *

Mutkikkaampi ratkaisu olisi seuraavanlainen. Oletettakoon * kuten edellä, että nopeuden pienentämismenettelyn tavoit teena (so. ennalta määrättynä kriteerinä) suuren liikenne-···'· 30 kuormituksen aikana on pitää kokonaislähetysteho pienempä- nä kuin jokin kynnys T, missä T on asetettu kulloistenkin ; *· kuormitusehtojen mukaan. Määritellään tukiaseman palvele- man sektorin/solun puheenlaadun globaaliksi mittausarvoksi \ Q havaittujen virheiden summa kulloisellakin N:lie puhe- • * | 35 kanavalle valitulla nopeusjoukolla. Kukin kooderi asete- 4 · 4 116180 15 taan aluksi koodaamaan maksiminopeudella. Sen jälkeen määritetään Q ja lasketaan vastaava lähetysteho käyttäen joko yhtäsuuren tehon oletusta tai edellä kuvattua painotettua lähetystehoa käyttävää menetelmää.

5 Tämän menetelmän eräs yksinkertaistus esiintyisi, mikäli nopeusohjain ei ole käytettävissä mutta mikäli kukin DSP koodaa useita puheyhteyksiä osituskäyttämällä käytettävissä olevia laskentaresurssejaan. Tässä tapauksessa nopeu-io denvalintamenettelyä sovellettaisiin niillä useilla puhekanavilla, joilla DSP suorittaa koodausta. Kuvio 6 esittää yleisesti laitetta, jota voidaan käyttää tämän suoritusmuodon toteuttamiseksi. Kuviossa 6 yksi ainoa DSP (603) kuten Motorola DSP56156 siirtää tietoja aikajakomultiplek-15 soidun sarjaväylän tai tavanomaisen rinnakkaismuotoisen osoite/tietoväylän kautta. Nopeudenmääritystiedot ja no-peudenvalinnat siirretään ohjaavan DSP:n (603) ja puheenkoodaukseen käytettävien DSP:iden (602) välillä väylän (604) kautta. Vaihtoehtoisesti ohjaava DSP (603) voidaan 20 jättää pois ja korottaa yksi kooderi-DSP:istä (602) toteuttamaan koko nopeusohjaintoiminto ja puheenkoodaus yh- • · : *.j dellä tai useammalla puhekanavalla.

* · • · · • I · • · t* Kuvio 7 esittää yleisesti lohkokaaviomuodossa nopeusoh- I · t 25 jainta (404), joka voi edullisesti toteuttaa ryhmäkoodauk-: sen tämän keksinnön mukaan. Nopeusohjain (404) käsittää • i * *'.!/ välineet nopeudenmääritystietojen (401) vastaanottamiseksi • · · * (700) useilta koodereilta (105). Parhaana pidetyssä suori tusmuodossa nopeudenmääritystiedot sisältävät laatutiedot, 30 jotka käsittävät havaintopainotetun virheenmittaluvun.

• I

Vastaanottovälineiden (700) ulostulossa on määritysväli-: neet (703), jotka määrittävät koodausvaatimukset ennalta määrätyn kriteerin perusteella. Tämä ennalta määrätty kri- t » » ·, teeri käsittää edellä kyynnyskriteerinä mainitut kritee- ·;;; 35 rit. Määritysvälineiden (703) ulostulo syötetään asettelu- • » > » $ 16 1161ec välineille (706), jotka asettelevat minkä tahansa kooderin mainituista useista koodereista koodausnopeuden nopeuden-määritystietojen ja mainitun ennalta määrätyn kriteerin perusteella. Suoritusmuodossa, jossa mainittu ennalta mää-5 rätty kriteeri on kokonaislähetysteho tai käytettävissä oleva muistitila, asetteluvälineet (706) tyypillisesti suurentavat huonoimman laadun omaavan kooderin koodausno-peutta (joko kokonaislähetystehon tai käytettävissä olevan muistitilan ja kynnyksen määrittämisen/laskemisen perus-io teella) kuten edellä on selitetty. Tietty ennalta määrätty kriteeri, kuten järjestelmäkapasiteetti, voi kuitenkin vaatia asetteluvälineitä (706) pienentämään tietyn kooderin koodausnopeutta.

15 Vaikka keksintö on erityisesti esitetty ja selitetty sen erityiseen suoritusmuotoon viittaamalla, niin alan asiantuntijoille on selvää, että siihen voidaan tehdä erilaisia muodon ja yksityiskohtien muutoksia tai vaihdoksia keksinnön hengestä ja piiristä poikkeamatta.

20 • · • · · • * * « · • » · • * ·

* * I

» * * * · · »

Hit I I I I »

» I

I ( I

t • It I I 4

• I

• I

4 I >

• * I I

III I I

• I • I *

Claims (9)

116180 17 Patenttivaatimukset -.

1. Menetelmä signaalien koodauksen suorittamiseksi langattomassa viestintäjärjestelmässä t-unnatfru siitä, että 5 menetelmä käsittää seuraavat vaiheet: - vastaanotetaan laatutietoa ainakin kahdelta kooderilta, - määrätään kooderin koodausvaatimukset ainakin kahden 10 kooderin laatutiedon perusteella, ja säädetään kooderin koodausnopeus määrättyjen koodausvaatimusten perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t-imnaH·» siitä, että ennalta määrätty kriteeri sisältää lisäksi joko sen sektorin/solun, jolle kooderit osoitetaan kokonaislähtötehon, viereisen sektorin/naapurisolun kokonaislähtötehon, palvelevan tukiaseman kulloisenkin 20 lähetystehotason, mainittujen ainakin kahden kooderin kulloisenkin datanopeuden, muistivälineissä käytettävissä olevan muistitilan, käsittelyvälineissä käytettävissä *· olevan käsittelytehon tai ennalta määrätyllä ·; taajuusalueella käytettävissä olevan kaistanleveyden. Φ

3. Laitteisto signaalien koodauksen suorittamiseksi, : tunnettu siitä, että laitteisto käsittää: - välineet laatutiedon vastaanottamiseksi ainakin kahdelta : 30 kooderilta, • · ’;· - välineet, jotka on kytketty mainittuihin ·,· · vastaanottovälineisiin, kooderin koodausvaatimusten : ; määräämiseksi mainituilta ainakin kahdelta kooderilta ;·’ 35 saatavan laatutiedon perusteella, ja • · I » t 5 18 116180 välineet, jotka on kytketty mainittuihin määritysvälineisiin, kooderin koodausnopeuden säätämiseksi mainittujen määrättyjen koodausvaatimusten perusteella.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mainitut ainakin kaksi kooderia käsittävät lisäksi analyysi/synteesi-kooderit (analysis-by-synthesis encoders). 10

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laatutiedot käsittävät lisäksi mainittujen analyysi/synteesi-kooderien kehittämät havaintopainotetut virheenmittausluvut (perceptual weighting error metrics), 15 signaalikohinasuhteen (S/N, signal-to-noise ratio), segmenttikohtaisen S/N:n , cepstrumetäisyyden (cepstral distance), lineaarisen ennakoivan koodauksen (LPC) etäisyydenmittausarvon (linear predictive coding (LPC) distance measurement), ja Bark- 20 spektrietäisyydenmittausarvon (BARK spectral distance measurement).

« « · * * 6. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laitteisto, <-.imnat>.n • * * ’· ’· siitä, että välineet mainitun ainakin yhden kooderin • · · ’*!·' 25 koodausvaatimusten määrittämiseksi mainituilta ainakin kahdelta kooderilta saatavan laatutiedon perusteella, * * ·,· · käsittävät lisäksi välineet ainakin yhden kooderin ; ; : koodausvaatimusten määräämiseksi mainitun ainakin kahden kooderin laatutiedon ja kynnyskriteerin perusteella. : .·. 30 • · · * · · » .··*.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto, twnriettu • · ’·’ siitä, että kynnyskri teeri käsittää lisäksi joko sen sektorin/solun kokonais lähtö tehon, jolle kooderit on osoitettu, viereisen sektorin/naapurisolun 35 kokonaislähtötehon, palvelevan tukiaseman kulloisenkin • ·» 116180 19 lähetystehotason, mainittujen ainakin kahden kooderin kulloisenkin datanopeuden, muistivälineissä käytettävissä olevan muistitilan, käsittelyvälineissä käytettävissä olevan käsittelytehon tai ennalta määrätyllä 5 taajuusalueella käytettävissä olevan kaistanleveyden.

8. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laitteisto, «-urm^n-n siitä, että mainitut ainakin kaksi kooderia käsittävät lisäksi ainakin kaksi muuttuvanopeuksista kooderia. 10

9. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että signaalit käsittävät lisäksi joko puhesignaaleja, videosignaaleja tai datasignaaleja. 15 ♦ · » « • · » * * 116180 20