CN1080046C - 在通信系统中插入信令的方法和装置 - Google Patents

Abstract

信令插入通信系统的一个通信信道(102)，其过程是，若该通信信道有足够的可用带宽(104)，则将信令插入通信信道；若该通信信道没有足够的可用带宽，则减小正在该信道传送的信息的带宽(106)，并将信令插入减小了信息带宽的通信信道。

Description

在通信系统中插入信令的方法和装置

本发明涉及通信系统，具体涉及在通信系统的一个通信信道上插入信令的技术。

通信系统特别是蜂窝通信系统是众所周知的。公知的蜂窝通信系统由各个网孔现场组成，每一网孔现场装有与工作在网孔现场内的各移动通信单元通信的设备。网孔现场的通信是通过通信资源进行的，通常叫做通信信道，它由一对射频频率组成，由移动通信单元用来与网孔现场之间发送和接收信息。最近，已经开发出数字蜂窝移动通信系统，其中通信信道由一系列时隙或分组组成，各时隙中含有移动通信单元与基站间通信的信息帧。这类数字通信系统已大大增加了通信系统的容量，因为借助于将各信息帧复用到通信信道上，可以把许多个用户分配到单一通信信道。

在数字通信系统中，例如数字蜂窝通信系统，一个讲话人的话音信号首先要变换为一种已调信号，然后将这个已调信号编码，即将该已调信号转换为它的数字表示信号，而适合于在通信信道上传输。该编码信号发送给接收单元，例如一个移动通信单元，在接收单元中进行解码、解调，并重新产生讲话人话音的声音表示物。

为了在蜂窝通信系统中控制通信活动性，在移动通信单元网孔现场的基站控制器之间需要传送控制信息或信令。例如在时分多址(TDMA)系统中，可以使信息帧的特定时隙专门用来传送信令信息。然而，可以证明这种安排是低效率的，因为即使不需要传送信令时，也总是要保留该时隙。由于保留时隙，使传送诸如编码语音之类的信息的可用带宽减小。

在码分多址(CDMA)类型的通信系统中，根本不保留信息帧的特定部分用于信令，因而，如有必要，每个信息帧均可用来传送最大量的信息。众所周知，在CDMA系统中还可以提供可变速率的通信。在一些情况下，可变速率通信只提供小于一整信息帧的部分，用来传送特定用户的信息。因此，该信息帧的其余部分便可以用来为其它用户提供业务，或者，如下所述用来传送信令。

在可变速率通信情况下，当用户讲话时通常以全速率传送信息，也就是说，整个信息帧专用于传送用户的编码语音。但当讲话暂停时，无需使用全速率通信也能有效地传送讲话人的全部信息，因而可以使用较低的速率，为半(1/2)速率、四分之一(1/4)速率、八分之一(1/8)速率。在半速率时，用户的信息仅占用1/2个信息帧或信息带宽。因而，从系统的另一个用户来的信息便可以插入该帧或信息带宽的其余部分，并在该通信信道上进行通信。

当需要传送信令时，例如移动通信单元和基站之间的信令(双向)，信令装置会设法等待一个小于全速率通信帧的部分，将信令信息插入该帧。然而，信令信息通常包括一个“超时定时”或时间周期，其间必须将信令送出。万一定时已达超时而没能将信令信息送出，则信念装置会将信息插入称之为“空白和突发”(blank-and-burst)或“微弱和突发”(aim-and-burst)处理过程。

在一个“空白和突发”期间，便会放弃一整帧或更多的编码语音信号，并将信令信息插入，以代替编码语音。在一个“微弱和突发”期间，将语音以比全率速低的速率进行编码，例如1/2速率，并将信令信息插入减小了信息带宽的帧中。在“空白和突发”或“微弱和突发”工作过程中，一部分编码语音信号因在它的位置上传送信令而丢失导致音频信号恶化。然而，在进行一个“空白和突发”或“微弱和突发”之前，在信令装置中的语音编码器会据此调整其状态，使接收装置解码器不因丢失的话音带宽而显著失真，并实质上保持着声频质量。

在移动台至移动台的通信中，语音在发送移动通信单元进行编码，通过蜂窝通信网传送，并由接收移动台进行接收和解码。而当通过蜂窝通信网与网外进行通信时，不进行语音解码，而只是将它传送给其通信目的端。然而，如果蜂窝通信网须给接收移动台传送信令信息时，实现的唯一方式是传送一个“空白和突发”，这会导致发送移动通信单元编码器与接收移动通信单元解码器之间过度偏差。如所讨论过的，正常情况下允许信令装置编码器调整其状态，以避免解码器与编码器之间有偏差。然而，当信令由蜂窝网设备在移动台至移动台的通信中插入时，蜂窝网便不能通知移动通信单元的话音编码器调整其状态。解码器在预期含有编码话音的帧时会偏离编码器，从而造成声频质量降低。

在通信期间，各帧的失真损伤不是罕见的，因而解码器自适应地处理由于恶化引起语音帧丢失(称作帧擦除)。为了说明在移动台至移动台通信中由蜂窝通信网进行的信令插入，业已建议，允许解码器直接将“空白和突发”信令帧视为如像传输过程中受到恶化的帧那样的擦除帧。这种方法有一些缺点：在移动台至移动台通信的初始呼叫建立过程中，需要大量的附加信令和处理；在这种处理过程中还需要使音频信号静默长达一秒时间，以使各种呼叫建立所需的信令传送给移动通信单元，其中包括通知移动通信单元，这次呼叫是移动台至移动台的呼叫。移动通信单元将“空白和突发”视为这一特定呼叫过程的擦除帧。然而，测试表明，用这种方法的声频质量改善与不采用“空白和突发”帧的情况相比是有限的。

据此，现在需要在蜂窝通信系统中，在信令插入期间提高声频质量，尤其是在移动台至移动台通信的情况下，更是如此。

图1示出按照本发明最优实施例的典型蜂窝通信系统的一部分的方框图；

图2示出按照本发明最优实施例的表示提高移动台至移动台蜂窝通信中音频质量的一种方法的流程图；

图3示出按照本发明最优实施例的具有提高声频质量的数字消息恢复(retrieval)系统。

按照本发明优选实施例，在信令插入期间通过减低业务帧速率亦即信息带宽的策略，将信令插入一个“微弱和突发”格式而保持编码语音的部分描述(description)，使移动台至移动台通信的声频质量得到提高。下面就CDMA蜂窝通信系统中移动台至移动台的通信进行描述。然而，一个本领域的普通技术人员会认识到，本发明具有包括增强诸如存储消息恢复系统声频质量的大量其它应用。

参看图1，图中示出蜂窝通信系统的一部分10，其中包括第一移动通信单元12、第一空中接口14、基站16、第二空中接口18和第二移动通信单元20。正如在CDMA蜂窝通信系统领域所公知的那样，移动通信单元12包括可变速率语音编码器22、控制器24、信号处理器26、复用器27和发射机28，用以通过空中接口14发送编码语音和/或信令。优选实施例中的空中接口14和18是典型的扩谱通信信道。基站16包含接收机30，用以接收所发送的编码语音和/或信令；“去复用”器31；信号处理器32，用以接收所发送的信令；控制器34；信号处理器36，用以产生信令；复用器37；和用以通过空中接口18发送编码语音和/或信令的发射机38。基站16还包括用以将较高速率编码语音减低为较低速率编码语音即减小信息带宽的可变速率帧减低器40，下面将进行描述。移动通信单元20包括用以接收编码语音和/或信令的接收机42、“去复用”器43、用以接收所发送的信令的信号处理器44和可变速率语音解码器46。应当理解，为了清楚起见分别地标识了移动通信单元12和20的各部件，并且每个移动通信单元本应还包括一些其它部件。还能将诸如发射机28和接收机42、复用器27和去复用器43或信号处理器26和信号处理器44分别地组合为各个单个部件，而不背离本发明的相当合适的范围。类似地，基站16的诸如信号处理器32和信号处理器36或发射机38和接收机30的各部件也可以分别地组合为各个单个部件。

在工作中，已调制的语音48传送到移动通信单元12中的可变速率语音编码器22，可变速率语音编码器22对语音进行编码，并产生出将要包括在业务帧中的编码语音分组。如CDMA通信系统IS-96所限定的，这可从电子行业协会/电信行业协会工程出版办公室得到(available from Electronics Industries Association/Telecommunications Industries Association Engineering Publica-tions Office，2001 Pennsylvania Ave.，Washington，D.C.20006))得到，业务帧长度为20ms。根据对语音编码的速率即全速率、半速率等，编码的语音分组可以实际上占用整个业务帧，或它的某一部分。编码的语音分组插入业务帧，而复用器29复用该业务帧，经由空中接口14传送给基站16的接收机30。

基站16正常地传送业务帧，以其发射机38直接地将业务帧经由空中接口18再发送给移动通信单元20的接收机42。在移动单元20中，接收到的信号由“去复用”器43“去复用”，可变速率语音解码器46将编码的语音解码为调制格式的信号50，接着使调制格式的信号50解调，并重新产生声频信号。

在移动通信单元12和移动通信单元20之间通信期间，移动通信单元12须将信令发送给基站16。在这种情况下，控制器24通知可变速率语音编码器22：正在插入信令。该信令由信号处理器26插入到基站16的接收机30。在基站16中，由信号处理器32将信令从业务帧提取出来。上述过程是很容易实现的，或以“空白和突发”格式，使信令替代整个业务帧，或以“微弱和突发”格式，使信令占用业务帧的一定部分，因为控制器24在插入信令之前可以给可变速率语音编码器22提供信息，使可变速率语音编码器可以据此调整它的状态。

然而，当基站16须向移动通信单元20发送信令时，基站16不能够通知可变速率语音编码器22有关将插入信令的情况，因而，可变速率语音编码器22不能够在发送编码语音之间调整其状态。在由基站16将信令插入业务帧过程中，会丢失从移动通信单元12所发送的编码语音帧。这会导致可变速率语音编码器22和可变速率语音解码器46之间的偏差，而这是预期的编码语音帧，因此降低了声频质量。按照本发明的优选实施例，基站16可以通过帧速率减低器40在插入信令之前进行调整业务帧速率操作，也就是说，帧速率减低器40减小所传送信号的信息带宽，生成足够带宽，传送信令，同时预留一部分诸如编码语音的信息带宽，因而通过减小编码器/解码器的偏差提高了声频质量。

继续参看图1并进而参看图2，在步骤102，当没有要传送的信令时，基站16接收和再发送业务帧。当有要传送的信令时，控制器34通知帧速率减低器40和信号处理器36。在步骤104，帧速率减低器40确定业务帧中是否有足够的可用信息带宽来插入信令。也就是说，若信令能够以半速率进行传送，且业务帧当前也正以半速率进行传送，则在步骤106帧速率减低器不干预业务帧，并由信号处理器36以半速率将信令插入业务帧中。然而，在步骤104，若业务帧中没有足够的可用信息带宽，则在步骤108帧速率减低器40通过映射变换编码语音的参数从第一、较高帧速率映射变换(map)为第二、较低帧速率来减小业务帧的信息带宽，下面将予以说明。减低速率的业务帧至少还保持了编码语音的部分描述，使可变速率编码器22和可变速率解码器46之间的偏差减小。通常，在步骤106，减低速率的业务帧具有足够的带宽插入信令，其插入速率为信号处理器36确定的适当速率。也就是说，若业务帧从全速率减低为半速率，信令插入也以半速率。

正如在IS-96规范中关于码激励线性预测(CELP)可变速率声码器(话音编码器)所规定的那样，可变速率编码器22将语音变换为几个编码参数。这些参数为：线谱对(LSP)、音调滞后(Plag)、音调增益(Pgain)、码本索引(CBindex)和码本增益(CBgain)，它们以数字的编码格式表示语音。关于编码参数的完整说明可从IS-96附录A中得到。然而应当懂得，在不背离本发明适用范围的条件下，也可以采用其它的编码方法。正如下面表I中所表示的那样，按照对语音进行编码采用的是全速率、半速率还是某种其它速率，编码参数也是不同的，如下面的表I所示的。

                             表I

	全速率	半速率	1/4速率	1/8速率
					LSP分析帧大小	160	160	160	160
LSPs/帧	10×4	10×2	10	10
					音调子帧/帧	4	2	1	0
音调子帧大小(样值)	40	80	160
					码本子帧/帧	8	4	2	1
码本子帧大小(样值)	20	40	80	160

帧速率减低器40工作，以将较高速率的编码语音分组映射变换为较低速率的编码语音分组，以在业务帧中生成用以插入信令以的带宽。在本发明的最优实施例中，要将LSP从全速率重新量化为半速率，这可以表示为： $\mathrm{LSPh}\left(i\right)=\mathrm{Qhi}\left\{{Q^{-1}}_{\mathrm{fi}}\right\{\mathrm{Ls}{P}_f\left(i\right)\left\}\right\};\…,10--\left(1\right)$ 式中Q_hi为半速率线谱对(LSP_h(i))的半速率量化算子，Q^-1 _fi为全速率线谱对(LSPf(i)的逆全速率量化算子。LSP是按分辨率压缩抽取的仅有参数，即对于较低的分辨率LSP参数以相同的速率传送。其它参数均按时间压缩抽取，即所传送的相同分辨率只用一半的频度表示相同的数量的声频数据。因此，利用某种可使总误差最小化的函数，将两个连续子帧的参数组合成为一个子帧。对于音调增益(Pitch gain)，函数F可以广义地用于半速率子帧i：

P_hgain(i)＝F(P_fgain(2i-1)，P_fgain(2i))；i＝1，2(2)在优选实施例中，全速率音调增益的平均值用来产生半速率增益，或： $P_h\mathrm{gain}\left(i\right)=\frac{P_f\left(\mathrm{gain}\right)(2i-1)+P_f\mathrm{gain}\left(2i\right)}{2};i=\mathrm{1,2}--\left(3\right)$ 类似地，可以将音调滞后的函数F广义地表示为：

P_hgain(i)＝F(P_flag(2i-1)，P_flag(2i))；i＝1，2(4)同样，在优选实施例中，全速率音调滞后的平均值可以用来产生产半速率音调滞后，或 $P_h\mathrm{lag}\left(i\right)=\frac{P_f\mathrm{lag}(2i-1)+P_f\mathrm{lag}\left(2i\right)}{2};i=\mathrm{1,2}--\left(5\right)$

对于码本索引，可以将每组4个半速率子帧表示为2组8个全速率子帧的函数：

CB_hindex(i)＝F(CB_findex(2i-1)，CB_findex(2i))；i＝1，…，4

(6)

在最佳情况下，函数F连结二个全速率码本矢量，并根据使两个连结的全速率矢量和单个半速率矢量之间平方误差最小的原则选择一个新的索引，使各半速率矢量索引耗尽。另一种情况是，选择相应于最大码本增益的全速率索引，这是一种有较少计算量的精细的解决途径。若要选择第二索引，则该索引需要加以调整，以使半速率码矢量的第二半对准第二全速率码矢量。然而，这些方法提供仅是一种边缘的改进(marginal improvement)，直接使用第一全速率码矢量的指数。因而，码本索引可以表示为：

CB_hindex(i)＝CB_findex(2i-1)，i＝1，…，4(7)

码本增益也可以表示为2组8个全速率子帧中的函数：

CB_hgain(i)＝F(CB_f in(2i-1)，CB_fgain(2i)；i＝1，…，4   (8)这些参数需要再量化、组合，并再量化为一个合成的半速率码本增益。由于码本增益要进行差分编码，为得到净差分增益，应加上逆量化值，而不是取平均。减去常数K，以提供漏项，在解码过程中使码本增益偏差最小。因此，半速率码本增益可以表示为：

CB_hgain(i)＝Q_h{Q}{CB_fgain(21i-1)}+Q}{CB_fgain(2li-1)}-K}；i＝1，…4     (9)

这些方程只考虑组合最后两个子帧参数。也许希望有一个前面子帧的历史参数，但这样做会使算法复杂，并引入基站复用器功能更多地处理。用于优选实施例的各式能够很快的计算，没有明显的处理负担或增大系统延迟。

表II表示结合本发明的蜂窝通信系统的模拟性能的目标测量。表II所报告的分段信噪比(SNRseg)定义为： ${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{seg}}=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}10l{\mathrm{og}}_{10}\left[\frac{\underset{i=\mathrm{iN}}{\overset{\mathrm{iN}+N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right)}{\underset{i-\mathrm{jN}}{\overset{\mathrm{jN}+N-1}{\mathrm{\Σ}}}(X\left(i\right)-Y\left(i\right){)}^2}\right]--\left(10\right)$ 而功率谱信噪比(SNRps)定义为： $\mathrm{SN}{R}_{\mathrm{PS}}=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}10l{\mathrm{og}}_{10}\left[\frac{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}|X_{\mathrm{jN}}\left(i\right){|}^2}{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[\right|X_{\mathrm{jN}}{\left(i\right)|-Y}_{\mathrm{jN}}\left(i\right)|{]}^2}\right]--\left(11\right)$ 式中，X(n)为参考语音解码器的输出，y(n)为测试语音解码器的输出，|X_j(K)|为时间i开始的信号X(n)的256点离散富里哀变换(DFT)幅度谱，|Y_i(K)|为时间i开始的信号y(n)的256点离散富里哀(DFT)幅度谱，N为样值(40)中的分段大小，M为序列X(n)中的分段数目，L为独特DFT幅度分量的数目(在优选实施例中，129)。

表II表示在信令速率设置为每20个业务帧为-(1)的条件下的测试结果。输入为所指示的IS—85标准测试文件。第一例报告“空白和突发”制式的结果，第二列报告帧擦除补偿制式的结果，第三列报告本发明的帧速率减低器情况的结果。正如可以看到的那样，本发明比之“空白和突发”和帧擦除方法所测量的SNR具有显著的改善。主观测试还表明用本发明改善了声频质量。

                    表II

信令速率-1/20帧
					空白和突发	擦除	微弱和突发
IS-85文件	SNRseg SNRps	SNRseg SNRps	SNRseg  SNRps
				F160	7.4dB   11.3dB	6.9dB   10.5dB	12.2dB   15.5dB
F520	5.8dB   10.0dB	5.7dB   9.7dB	12.7dB   16.6dB
				M120	4.7dB   8.9dB	4.9dB   9.0dB	10.7dB   14.5dB
M540	6.5dB   11.0dB	6.8dB   11.2dB	12.9dB   16.3dB
				平均	6.1dB   10.3dB	6.1dB   10.1dB	12.1dB   15.7dB

本发明是借助CDMA通信系统移动台至移动台通信的优选实施例进行描述的，但本领域的技术人员很容易认识到，在不背离本发明的适用范围的条件下，其各项技术可以用于其它实施例。例如，本发明可以应用以编码方式存诸如识别音、录音消息、语音邮件消息一类的声音消息，并在之后传送给移动通信单元。作为这类应用的说明，在图4所示的话音邮件系统中，以编码语音格式将话音邮件消息存储在话音邮件系统存储器中。根据前面的实施例用相同的号码标示相同的单元。如果话音信箱所有者移动通信单元20检索调用消息，则话音邮件处理器62调用该消息，并仍以编码格式将该消息传送到基站16。如果基站16在将所调用的消息传送给移动通信单元20的同时还须插入信令，则以“空白和突发”格式引入信令会造成编码语音与可变速率解码器46之间的偏差，从而引起前面所述的声频质量降低。为防止这种声频质量降低，可以利用本发明的帧速率减低器40来降低所调用的编码消息的速率，在插入信令期间，保持该消息的部分表示物。

据此，本发明通过限制编码器/解码器的偏差来提高声频质量。其实现过程是，通过减低编码语音速率，在业务帧中生成在其上插入信令的带宽，同时保持编码语音分组的部分表示物，从而减小编码器/解码器的偏差。此外，本发明可以提高声频质量，但不显著增加处理负担或蜂窝通信系统中的延迟。

Claims (5)

1.一种用于将信令插入通信系统的通信信道的装置，其特征在于，包括：

一个接收机，以一个第一速率接收所传送的编码信号；

帧速率减低器，将以第一速率传送的编码信号变换为一个第二速率编码信号，所述第二速率比所述第一速率慢；及

一个信号处理器，将信令插入第二速率编码信号。

2.权利要求1的装置，其特征在于，该通信系统包括CDMA通信系统。

3.权利要求1的装置，其特征在于，以第一速率所传送的编码信号包括一个存储的编码声频信号。

4.权利要求1的装置，其特征在于，以第一速率在传送的编码信号包括一个由移动通信单元产生的编码声频信号。

5.一种在通信信道上插入信令的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)若通信信道有足够的可用信息带宽，则将信令插入通信信道；

b)如果信道缺乏插入信令的足够信息带宽，则减小通信信道的信息带宽；

c)将信令插入减小了信息带宽的通信信道。

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