專利名稱：傳輸信息信號的頻譜有效的方法
技術領域：
本發(fā)明總的說是涉及信息信號的頻譜有效的傳輸，特別是涉及由信息編碼器處理過的信息信號的傳輸，而且是針對信息的頻譜有效傳輸，該信息使用子頻帶的編碼器處理。
話音編碼器(VO-coders)是公知的技術。對于通信系統(tǒng)，任何話音編碼器的目的都是把話音信號進行編碼用于在信道上傳輸。由于通信信道在信息傳送容量(帶寬)方面經(jīng)常是很有限的，因此傳輸所要求的編碼信息的總量最好減至最小。這樣，話音編碼過程通常要求通過排除冗余的頻譜分量(或其他不需要的信息)來壓縮信息信號，而在傳送到接收器時，只保留該信息，允許再生(或推斷出)必要分量，因為允許原話音輸入在感覺可接受的再生合成。本領域的技術人員將懂得，話音信號包括大量冗余的或不需要的信息。
話音的產(chǎn)生可以被模仿成一個激發(fā)的信號(如通過聲帶產(chǎn)生的聲音脈沖)，驅動一個濾波器(如聲管)，它具有一定的共振的結構。由于激發(fā)的信號和/或濾波器二者都隨時間變化，講話的聲音也隨時間改變。對于非話音的聲音(如輔音)來說激發(fā)的信號象噪聲，而話音的聲音(如元音)是出現(xiàn)周期性的。主要地，特別對話音聲音，大部分基本話音能量僅僅集中在很少頻率的子頻帶中，而且包含大部分能量的這些特別的頻帶一般相對于時間慢慢地變化。研究表明，只傳送約包含這些頻譜峰值的信息就是全部信息，通常要求提供可合理地重新建立該輸入話音。這種方法形成了已知的數(shù)字適配子頻帶話音編碼器的基礎，這種編碼器試圖在多個頻譜的子頻帶之間分配固定的比特數(shù)，這樣在最高能量的子頻帶中話音信號分量的再生精確性是最大的。
在減小話音編碼器的數(shù)據(jù)率的努力中，采用普通的低比特率的數(shù)字編碼話音的系統(tǒng)在聲音的質量方面比原話音信號表現(xiàn)出相當大的降低，采用這種編碼器的無線電通信系統(tǒng)的用戶特別感受到這種降低，不隨接收器離發(fā)射天線的距離而變化。因此，不管接收器距發(fā)射天線是25英里或是25碼，只要沒有比特差錯，所得到的聲音質量基本上保持固定，在有比特差錯時，出現(xiàn)進一步的降低。
一般地說，當代的話音編碼器設計者特別開發(fā)數(shù)字信號處理的優(yōu)點，例如數(shù)字濾波器工作的重復性，數(shù)字電路對老化的變化不敏感性，數(shù)字電話對溫度，濕度，振動和其他不利條件的自然不變性。還有，用于從數(shù)字話音編碼器傳送信息的當代方法導致頻譜效率低，這可能犧牲了在排除冗余話音信息中所取得的好處。例如，已經(jīng)知道高質量的未處理的模擬話音信號的帶寬大約為4KHz。數(shù)字化(經(jīng)脈沖編碼調制PCM)以后，這個信號的數(shù)字表示具有64Kb/s的數(shù)據(jù)庫，它約占用30KHz的帶寬(假定使用普通的二進制通路調制技術)。甚至在普通的子頻帶編碼器中進行相當?shù)奶幚?，以排除不太重要的頻譜成分(在低至10Kb/s的速率時提供中等的音質)使用二進制調制的話音信號的傳輸仍然要求比原來的模擬信號更寬。
雖然傳統(tǒng)的多電平技術(使用通路符號對多于單個的比特進行編碼)可用來減小必要的傳輸帶寬，這樣做是以增強信道的損傷為代價的。重要的是減少(減至最小)傳送比特的數(shù)目被正確地接收。對于當代低比特率話音編碼器來說，小于百分之一的誤碼率(由于噪聲或信道衰落)可使一個未保護的信號變成不可懂的。在普通的地面移動通路中，由于多路徑衰落，取得這樣低的誤碼率是特別困難的。因此通常的做法是對傳送的信號附加上差錯編號以允許代表話音信號的比特的差錯檢測或校正。但是，附加的編碼增加了傳送比特的數(shù)目，而且進一步降低系統(tǒng)的頻譜效率。某些設計者試圖通過對傳送比特的子集進行選擇地編碼來補償這種損失。
因此，在現(xiàn)有技術中需要提供一種傳輸信息的方法，這種信息在話音編碼器中已處理了，當在恢復的信號中提供優(yōu)良的音質的同時，該方法可滿足可靠性和最大的頻譜效率的綜合通信目標。
簡單地說，根據(jù)本發(fā)明，一個信息信號如話音信號使用一個子頻帶編碼器進行取樣，量化和數(shù)字處理。由子頻帶編碼器產(chǎn)生的數(shù)字處理的樣值被調制到一條通信信道上，以產(chǎn)生信道符號，信道符號具有正比于各個數(shù)字處理樣值的特性(最好是樣值的幅度)的調制幅度。在高信號強度的期間內，這種信道調制技術提供接收器的數(shù)字處理樣值的很好的估計。這便于接收器的話音再生，因而提供一個較高質量的話音信號。當接收的信號降低時，數(shù)字處理樣值估計的精確性降低這樣使得再生的話音相對于該信號的總衰減適當?shù)亟档?。在一個無線頻率傳輸實施例的內容中看到，在提供改善的頻譜效率的同時，本發(fā)明的總效果提供對噪聲惡化的堅固性(robustness)。
本發(fā)明的另一方面，提供數(shù)字處理樣值的加密以保證通信秘密。
最后，本發(fā)明的另一方面，有線的實施例是標準的(未補償?shù)?窄帶電話通路(該通路沒有低頻響應)提供頻譜有效的通信(包括加密)。
圖1是本發(fā)明的無線頻率編碼器的方框圖;
在本發(fā)明優(yōu)選的無線頻率(RF)的實施例中，信息信號被取樣，量化和數(shù)字處理以減少信息信號占用的帶寬，因而允許多達四個這種處理的信號(該信號可以是加密的)在單條的25KHz的地面移動通信信道上傳送。
在優(yōu)選的有線實施例中，話音信號被取樣，量化和數(shù)字處理。但是，這些數(shù)字處理的樣值用來產(chǎn)生多個副載波信號，該信號處在標準的(未補償?shù)?窄帶電話通路的可用帶寬中心用于通信。多個符號同時在該信道上傳送。每個符號用一個不同副載波并具有與單個數(shù)字處理的樣值的特性成正比的調制幅度?？傞_銷數(shù)據(jù)也用這些副載波調制。根據(jù)本發(fā)明，可提供加密以在標準的(未補償?shù)?電話線路上提供保密通信信道。
無線頻率編碼器現(xiàn)在參見圖1，優(yōu)選的無線頻率編碼器100以方框圖形式表示出來。工作時，一個信息信號如一個話音信號用一個模數(shù)(A/D)變換器(圖中未示出)進行取樣和量化，該變換器給編碼器(100的一個輸端口102提供信息信號的二進制表示(最好經(jīng)過每秒8000個樣值的PCM)。數(shù)字化的樣值被發(fā)送到多個子頻帶濾波器(104-119)，每個濾波器具有250Hz的帶寬以提供多個信息信號的“子頻帶”。這種濾波器在本技術領域是公知的，最好包括多相位或正交鏡象濾波器，在相鄰的頻帶之間，該濾波器具有抗干擾的特性。因此，濾波器104占用的頻率從直流到250Hz，濾波器105占用250-500Hz的頻帶，以此類推直到濾波器119，該濾波器占用3750-4000Hz頻帶。
如圖1中所示，目前的技術水平把信息信號均分為16個頻帶。
圖2是圖1的分配選擇器的方框圖;
圖3是圖2的矢量編碼器的方框圖;
圖4a是本發(fā)明的優(yōu)選的子幀信道格式圖解;
圖4b是話音信號和干擾噪聲的圖解;
圖5是本發(fā)明的無線頻率譯碼器的方框圖;
圖6是圖5的分配譯碼器的方框圖;
圖7是本發(fā)明的有線編碼器的方框圖;
圖8是本發(fā)明的有線譯碼器的方框圖;
圖9是使用圖1的編碼器和圖5的譯碼器無線頻率發(fā)射機和接收機的方框曬;
圖10是優(yōu)選的入站-中繼器和出站-移動單元時分復用RF信道規(guī)程的說明。
圖11a是根據(jù)本發(fā)明進行加密的無線頻率發(fā)射機的方框圖;
圖11b是根據(jù)本發(fā)明進行加密的無線頻率接收機的方框圖;
圖12a-d是本發(fā)明的優(yōu)選的加密技術的圖解。
本發(fā)明起著減少信息信號如話音，視頻，遙測或類似信號所占用的傳輸帶寬的作用，這些信號包含或可能適于包含冗余頻譜或其他不需要的信息。對信息信號進行取樣，量化和數(shù)字處理，以產(chǎn)生數(shù)字處理的樣值。通信信道以數(shù)字處理的樣值進行調制來產(chǎn)生信道符號，它具有與各個數(shù)字處理樣值特性正比的調制幅度。根據(jù)本發(fā)明，最佳的發(fā)送信號包括信道符號和總開銷數(shù)據(jù)，該信號可用來同步接收和轉發(fā)有關信息信號正確再生的信息?？蛇x擇地，數(shù)字處理的樣值可以規(guī)格化，壓擴或加密以提供頻譜有效的通信系統(tǒng)，在高信號強度期間該系統(tǒng)具有良好的信號質量并顯示出對發(fā)送信號的噪聲惡化的堅固性。根據(jù)本發(fā)明，如果信息信號是一個話音信號，有幾個濾波器(104和116-119)不需要使用，因為與這些濾波器相關的頻譜中的話音能量的總量很小或對在接收機中正確再生(合成)話音信號是不需要的。對于其他信息信號(如視頻信號或遙測信號)，根據(jù)信息信號未處理的頻譜特性和希望恢復的信號質量，可能要求16個濾波器作另一種安排。無論如何，所選的濾波器經(jīng)過十中取一裝置(121-136)接到一個分配選擇器(120)。對于話音編碼器，濾波器(105-115)經(jīng)過十中取一裝置(122-132)接到分配選擇器(120)。
十中取一裝置把數(shù)字濾波樣值的取樣速率減少到原來的16分之一。通過放慢處理的速率，十中取一裝置減少了功率消耗，存儲裝置的要求和減輕后面幾級的計算負擔。因此，本發(fā)明把每個濾波器的輸出取樣值的速率減少到原來的16分之一。當然，根據(jù)具體的實施，可以選擇其他的十中取一的速率。
分配選擇器(120)探查每個十中取一濾波器輸出的預先確定的部分(最好15個樣值相應于話音的30ms)以識別該濾波器的預先確定的子集，它具有主要能量值。在本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，選擇了四個濾波器用于傳輸。剩余的七個未被選的濾波器頻帶被探查以確定在未被選的頻帶中的能量總量有關的能量值。最后，分配選擇器(120)形成了一個掩蔽矢量(149)，它包括識別四個被選用濾波器的一個數(shù)字碼，使得接收機可恰當?shù)睾铣稍撔畔⑿盘枴?br>
四個被選用濾波器的每一個都有發(fā)送到正規(guī)化裝置(138，140，142和144)的十五個樣值，它把每個被選用濾波器的十五個樣值定在某些最大幅度范圍內。最好是，每個正規(guī)化裝置(138，140，142和144)工作時樣值的幅度按6dB步進增加，直到確定下一次增加6dB時將超過一個預定的門限值時為止。四個被選用濾波器的每個濾波器的這個放大(正規(guī)化)系數(shù)徑路由(139，141，143和145)到正規(guī)化選擇器(148)該正規(guī)化選擇器(148)工作以選擇由正規(guī)化裝置(138，14140，142和144)提供的最低正規(guī)化系數(shù)，以調節(jié)((正規(guī)化)七個未選的濾波器的能量值。相應地，根據(jù)最低正規(guī)化系數(shù)，正規(guī)化裝置(150-162)對分配選擇器(120)提供的每個能量值進行均勻調節(jié)。最低正規(guī)化系數(shù)的最佳選擇防止在發(fā)射機的限幅在接收機處，干擾能量樣值的任何雜音或其他不利的現(xiàn)象將被這個正規(guī)化系數(shù)衰減以減少其影響。根據(jù)本發(fā)明，正規(guī)化了能量值不與門限值比較，因為超過該門限值的能量值的影響對恢復話音質量一般是無害的。其原因是在未被選的濾波器中該能量值一般是很低的。當然這是未被選的濾波器沒有被分配選擇器(120)選擇的原因。
正規(guī)化的被選用濾波器的樣值，它們的正規(guī)化系數(shù)，正規(guī)化的能量值和掩蔽矢量(149)都發(fā)送到復用器(164)。復用器(164)的功能是把這些信號安排成子幀的格式，最終被調制到一個RF通信信道上。這些信號的最佳安排(圖4a)由該復用器(164)在一個輸出端口(166)上提供該端口可以接到一個模擬的或數(shù)字的多電平調制設備(圖中未示出)用于調制到一個RF通信信道上。
現(xiàn)在參見圖2，表示了該編碼器(100)的分配選擇器(12(120)的方框圖。從濾波器2(105)到濾波器12(115的十中取一濾波器樣值由能量計算機(200-220)接收〔回想一下，濾波器1(104)和13-16(116-119)在本發(fā)明優(yōu)選的話音編碼器的實施例中是不用的〕。該能量計算機(200-220)是常規(guī)型的裝置，并最好包括平方與求和型的設備或由軟件規(guī)程完成的等效的功能。每個能量計算機(200-220)提供一個數(shù)值，該值與相關的各個濾波器頻帶中的能量總值成正比。這些值耦合(222-242)到矢量編碼器(244)，該編碼器工作以提供四比特的二進制掩蔽矢量(149)，它識別四個被選用的濾波器。該掩蔽矢量(149)耦合(246-252)到一個交叉點矩陣(254)，該矩陣確定四個被選用濾波器(由掩蔽矢量識別)到四個相應的輸出端口(256-262)的路由。代表七個未被選的濾波器的每個能量值的信號(與實際的濾波器樣值相反)被發(fā)送到其他的輸出端口(264-276)。這樣，只有從四個濾波器輸出的樣值(即使正規(guī)化了)和代表未被選濾波器能量的能量值(也已正規(guī)化了)被調制到用于傳輸?shù)耐ㄐ判诺郎稀?br>
現(xiàn)在參見圖3，表示了矢量編碼器(244)的方框圖。從十一個話音編碼器濾波器(F2-F12)來的能量值(222-242)根據(jù)圖3的表1(1表示連接)連接到16個加法器(300-330)。因此，例如濾波器12的能量值(242)接到加法器S10(318)和濾波器12的能量值(242)接到加法器S1S10(318)和S16(330)。加法器(300-330)加上接到它們的能量值，并把加數(shù)提供給選擇器(332)，它從116個加數(shù)中選擇最大的加數(shù)。具有最大值的加法器內選擇器(332)指定為邏輯1，而其余的加法器將被指定為邏輯0(或是反之亦然)。該選擇器(332)被接(333)到16中取一的二進制變換器(334)，它提供一個四比特數(shù)字碼，該數(shù)字碼指明16個加法器中的一個特別的加法器具有最大的被加的能量值。包括掩蔽矢量(149)的二進制數(shù)可以標出(根據(jù)圖3的表1)以識別四個被選用濾波器。這樣，例如，如果加法器7(312)被識別為有最大加數(shù)的加法器，則濾波器2，3，5和6包括被選用的四個濾波器。
通常地，十一個獨立的濾波器的任何四個濾波器的選擇產(chǎn)生330個可能的四的組合。應用現(xiàn)代信息理論，可用各種計數(shù)算法把這330個可能的組合編碼為9個數(shù)字比特。但是，根據(jù)經(jīng)驗表明，在音頻頻帶上話音信號的能量值不是隨機出現(xiàn)的。這就是，四個濾波器的所有的可能組合不可能均等地出現(xiàn)。因此，四個被選用濾波器不是獨立的，而且表明，假定第一濾波器被選擇了，則有可測量的概率，預定的其他濾波器將具有話音信號基本的能量值。其原因包括話音聲音(即元音)的實現(xiàn)，主要的頻譜信息僅僅分布在幾個經(jīng)常選擇的濾波器頻帶內。對于無聲的話音(即輔音)，包含主要能量的濾波器頻帶不是決定性的，正如下面將要說明的，因為在接收機處未被選的濾波器充滿著噪聲以再生類似無聲話音的噪聲。因此，它可表明，330種可能組合的120種選擇產(chǎn)生99%概率選擇正確的濾波器。但是，對于具有自然聲音可再生的話音來說，這樣的最佳化程度是不需要的。
根據(jù)本發(fā)明，通過將四個濾波器的可能安排只限于圖3的表1指定的16種組合，良好的音質具有合乎需要的揚聲器識別的特性并提供自然的聲音豐滿度。此外，掩蔽矢量要求的符號的數(shù)目也已稀少50%以上16種可能的組合只需要四個符號，因此全部330種可能的組合需要9個符號。頻譜的效率因而提高了。
現(xiàn)在參見圖4a，表示了優(yōu)選的子幀格式(400)。子幀格式(400)包括由4比特的掩蔽矢量構成的80個符號，掩蔽矢量由矢量編碼器(244)產(chǎn)生，它被編碼具有掩蔽奇偶比特(404)提供在該掩蔽中檢測差錯的一種方法。由于該掩蔽識別四個被選用濾波器，因此該接收機和正確地譯碼是重要的，四個濾波器是接收發(fā)送的樣值。在掩蔽奇偶比特之后，四個被選用濾波器的每個濾波器的正規(guī)化系數(shù)，以兩個三元(三電平)信號傳送，該系統(tǒng)是由正規(guī)化裝置(138，140，142和144)提供的。正如已知道的，兩個三元符號可以識別九個不同的正規(guī)化系數(shù)。因為在優(yōu)選的實施例中，正規(guī)化每步是6dB，因此提供了54dB(9×6)的動態(tài)范圍。但是，可以使用其他的安排方法。因此，第一個被選用濾波器(SF1的正規(guī)化值有兩個三元信號(406)，它后面是濾波器SF2(408)，SF3(410)的兩個三元信號，最后是SF4(4(412)的三元信號。接著，未被選的濾波器的正規(guī)化能量值(414)的每個值都以單個符號傳送(回想一下，這些能量值的正規(guī)化常數(shù)不需要傳送，因為該接收機將選擇傳送的正規(guī)化值最低的選擇濾波器)。在這之后，傳送從四個被選用濾波器中的一個濾波器(它可能是正規(guī)化的)來的十五個樣值。二進制掩蔽比特，三元正規(guī)化系數(shù)，能量值的符號和濾波器樣值一起構弱了本發(fā)明的80個符號子幀格式。
現(xiàn)在參見圖4b，表示了調制在通信信道的單個信道符號(424)的例圖。最好是這樣值已進行數(shù)字調制，以提供一個8比特(256電平)多電平的信號，該信號調制幅度正比于計算的正規(guī)化濾波器樣值的實際值。
樣值調制的程序用于傳送正規(guī)化計算的能量樣值的幅度。另一種是，濾波器樣值和能量樣值可用普通的模擬技術調制到通信信道上。這些程序在把多于單個比特的信息編碼為單個的信道符號時是有好處的，但是避免了在普通多電平數(shù)據(jù)傳輸中的不利的事，在該傳輸中數(shù)據(jù)譯碼是以出現(xiàn)噪聲而折衷的。
為了說明本發(fā)明提供的抗噪聲度，假定一個典型的噪聲信號(426)干擾信道符號(424)。根據(jù)噪聲信號的幅度和極性，被干擾信道符號可獲得與噪聲范圍的頂部(430)一樣高的幅度或與噪聲范圍的下部(428)一樣低的幅度。如果噪聲波動是適中的，在該接收機處對再生話音只有很小的影響，因為在正比于該干擾噪聲信號的恢復的樣值中將只出現(xiàn)一個誤碼。因此，代替在普通編碼方案中很平凡的復雜而廣泛誤碼的編碼方法，本發(fā)明將數(shù)字處理的樣值以信道符號傳送到通信信道，這樣任何干擾參數(shù)只產(chǎn)生殺壤幕指囪檔奈蟛?。震q吞峁┝嗣饈茉肷推淥氖д媯誆煥拇涮跫攏市斫郵盞男藕胖柿渴實苯檔?。因此，根据强的洁]招藕毆ぷ韉慕郵棧捎辛己玫幕指蔥藕胖柿?，因为从兄Z婪嘔指吹難滌θ⊙土炕?，理蠚柝，栽枹射机处提供与原数讏?zhí)淼難迪嗤鬧?。螕]誑拷ㄐ擰氨咴怠鋇厙慕郵棧贍芫哂懈笤肷幕指蔥藕?，因为从兄Z婪諾玫降難狄丫桓扇帕恕Ｍü鮮穌婊潭冉徊郊跎倭嗽肷撓跋?。蕦上，任何恢竾棂謾n牟畬磯際且哉扔謖婊凳甓鵲?，该系数与话音能量有关。因绰柕现翑\行У腦肷詒巍
無線頻率譯碼器現(xiàn)在參見圖5，無線頻率話音譯碼器的實施例(500)以方框圖形式表示出。當然，大多數(shù)的編碼器/譯碼器裝置都是這樣的，該譯碼器(500)總的目的是將由編碼器(199)提供的編碼過程顛倒過來。因此，接收的包括子幀信息的符號(見圖4a優(yōu)選的子幀格式)被取樣，量化，二進制樣值表示送入譯碼器(500)的輸入(502)用于合成信息(話音)信號。在最初，分路器(504)將串行傳輸?shù)男畔⒎纸鉃槠叫懈袷剑ㄋ膫€被選用濾波器(506-512)的各個濾波器的十五個樣值，它們相關的正規(guī)化系數(shù)(514-520)，未被選的濾波器(522-534)的七個能量樣值)，當然還有掩蔽矢量(536)，該矢量識別四個被選用濾波器。所有的這些信號都由一個分配譯碼器(538)接收，該譯碼器對濾波器樣值和能量樣值進行去正規(guī)化(de-normalizes)，將濾波器樣值發(fā)送到一個適當?shù)慕邮諡V波器(557-567)。每個未被選的濾波器都“充滿”隨機噪聲，該噪聲被調節(jié)在相應于能量樣值幅度的一個合適的幅度上，以改善可懂音頻質量，因此避免了“不真實”或不自然的聲音并且掩蔽了各種人為的聲音。
分配譯碼器(538)將這些信號每一個信號提供給一個插入器(541-551)，該插入器將樣值的取樣速率增加一個倍數(shù)，該倍數(shù)相應于發(fā)射機十中取一的速率(在優(yōu)選的實施例中為十六倍)。回想一下，普通十六個子頻帶的情況，第一和第十三至第十六在本發(fā)明的話音編碼實施例中是不用的。因此，對于話音信號來說，插入器(540)和(552-555)是不需要的。上取樣信號發(fā)送到數(shù)字實現(xiàn)的子頻帶濾波器組(556-571)，它的帶寬和頻譜位置和編碼器(100)的濾波器(105-115)一致。每個濾波器(557-567)的濾波輸出組合起來以合成話音信號，該信號在譯碼器(500)的一個輸出端口輸出。
現(xiàn)在參見圖6，圖中表示了分配譯碼器(538)。四個被選用濾波器(506-512)中的每個濾波器的十五個樣值分別接入一個去正規(guī)化裝置(600-606)，它接收正規(guī)化系數(shù)(514-520)作為第二個輸入，并工作以調整樣值。每個正規(guī)化系數(shù)(514-512)還接到一個選擇電路(607)，它選擇最低的正規(guī)化系數(shù)，經(jīng)過去正規(guī)化裝置(610-622)調整7個未被選的能量樣值(522-532)。每個去正規(guī)化的樣值接到普通型的交叉點矩陣(632)。因此，交叉點矩陣(632)接收(624630)掩蔽矢量(536)。掩蔽矢量(536)確定四個被選用濾波器和七個未被選濾波器到十一個輸出端口(638-647)的輸出安排。每個輸出端口(638-647)包括或者是濾波器樣值或者是能量樣值的一個輸出口(根據(jù)該濾波器被選了或未被選)。當然，對被選用濾波器來說，濾波器樣值將從交叉點矩陣(632)的輸出端口提供，因為被選用濾波器的能量級不被傳送。相反地，未被選濾波器的輸出端口將有能量樣值，但沒有濾波器樣值。
從輸出端口(638-647)來的每個能量樣值接入正規(guī)化裝置(648-658)，用于控制由噪聲發(fā)生器(659-669)提供的隨機噪聲的幅度。這樣安排提供與未被選濾波器能量幅度成正比的調整的噪聲信號。通過未被選濾波器的強制調整的噪聲信號接近于類似噪聲的無聲的聲音(即輔音)，它提供一個按豐滿的和更可識別的合成話音信號。噪聲源(659-669)可將信號源分給十一個濾波器的每個濾波器，或者它們可以是單個噪聲源，發(fā)送到所有的正規(guī)化裝置(648-658)，或者隨機噪聲可由合適的軟件算法產(chǎn)生。
濾波器樣值和正規(guī)化的隨機噪聲接入傳輸門電路對(670/670′-680/680′)。每個傳輸門電路(670′-680′)有一個相關的反向器(681-691)，安排成使每一傳輸門電路對有一個相應的通/斷裝置。即，如果傳輸門電路(670)是導通時，傳輸門電路670′是斷開(反之也一樣)。傳輸門電路對由十一條控制線(692)控制，它由只讀存儲器(ROM)查找表提供。ROM查找表(634)根據(jù)圖3的表1將四比特掩蔽矢量(536)安排給十一條控制線(692)。這樣，四個被選用濾波器的濾波器樣值和每個未被選濾波器的正規(guī)化隨機噪聲都環(huán)⑺偷郊臃ㄆ鰨 95a-k)。由于傳輸門電路對安排成一個交替裝置，加法器(695a-k)或者將濾波器樣值或者將調整的隨機噪聲傳遞給圖5的插入器(541-551)。
雖然為方便起見編碼器(100)和譯碼器(500)(分別在圖1和5)以硬件方框圖進行了說明，但是普通技術人員懂得，這些器件最好的具體實施例可以包括一個數(shù)字信號處理器(DSP)，例如莫托羅拉公司生產(chǎn)的DSP56000或它的功能相當?shù)摹Ｒ虼?，本發(fā)明通過使用單獨地或與一個外部微處理機一起的DSP的計算能力以改善本發(fā)明的話音編碼裝置的可靠性可提供另外的優(yōu)點。
正如結合圖4a和4b所討論的，本發(fā)明的優(yōu)選的子幀格式包括80個符號，其中只有一個符號代表奇偶符號。根據(jù)本發(fā)明，對能量符號或濾波器樣值沒有提供附加的差錯保護或其他的編碼方法。因此很明顯，本發(fā)明只傳送本發(fā)明的譯碼器(500)要求的基本信息。但是，長時間極度的衰落可能對傳輸信號的正確接收有不利的影響。因此，本發(fā)明期待著“歷史表”的產(chǎn)生和維護，該表存儲從前面接收的幾個子幀得到的信息。另外，這個信息可具有一個相關的加權系數(shù)以提供該信息可靠性的可信度的測量。這種加權系數(shù)例如可正比于在接收該特別子幀的瞬間的接收信號強度。這樣，接收的能量符號和正規(guī)化系數(shù)的歷史可被維持，而且從建立的歷史應有一個標志的偏差出現(xiàn)，譯碼器(500)可能不考慮有利于歷史值的偏差(或者是單個地或者是前面幾個值的平均值)。
本發(fā)明提供的歷史表方法是可行的，主要是因為每個子幀代表30ms的話音。話音編碼技術領域的人員將懂得，話音是一個特別獨特的信號，通過檢查其特性，可以看出話音圖中的標志偏差在很短的期間內一般不會出現(xiàn)。在識別話音信號的特性中，存儲在歷史表中的數(shù)值與加權的可信度一起，歷史表的每個單元是正確，本發(fā)明提供一種補償技術，不需要附加的差錯校正或奇偶符號。如果采用特別的DSP有足夠的駐留RAM，則歷史表可以方便地存儲在芯片上。但是，DSP可能與片外RAM通信或可以接收由微處理機或類似的控制器件提供的信息。
有線編碼器現(xiàn)在參見圖7，本發(fā)明的有線編碼器(700)以方框圖形式表示出來。有線編碼器(700)工作情況類似于在它的輸入端(102)接收信息信號的RF編碼器(100)，并提供四個被選用濾波器的正規(guī)化的樣值七個未被選的濾波器的正規(guī)化能量值和識別濾波器安排的掩蔽矢量。但是，在有線編碼器(700)中，這些信號被提供給樣值變換裝置(Mapper)(702)。
樣值變換裝置(702)安排總開銷數(shù)據(jù)和由六個濾波器(716-726)處理的樣值。類似于結合圖1討論的數(shù)字濾波器，六個數(shù)字實現(xiàn)的濾波器中的每個濾波器具有250Hz的帶寬;最低的濾波器處在750-1000Hz的頻譜位置，即最高的濾波器頻譜位于2000-2250Hz。這些濾波器選擇用于將編碼的信息信號放在標準的(即未補償?shù)?電話線路可用帶寬的中心。當然，其他的濾波器選擇也是可能的，但是，所述的頻譜位置是優(yōu)選的。在樣值變換裝置(702)與這些濾波器(716-726)之間是六個插入器(704-714)，在它們組合為一個輸出信號(728)之前，上述插入器增加這些信號的取樣速率。該插入器(704-714)的插入系數(shù)選擇為與由十中取一裝置(122-122)提供的系數(shù)相同(最佳的系數(shù)是16)。
上述結果產(chǎn)生六個同時的每個具有一個被調制的幅度，這樣以保持正比于數(shù)字處理的樣值。用于產(chǎn)生過程的子頻帶濾波器組的使用考慮了副載波的有效“存儲”(packing)，并將從一個副載波到一個相鄰的副載波的信息“泄漏”減少到最小。
在優(yōu)選的安排中，樣值變換裝置(702)將掩蔽矢量符號(402)，掩蔽奇偶符號(404)和三元正規(guī)化符號(406)(408)和(410)通過濾波器3(720)。同時，三元正規(guī)化系數(shù)(412)和七個能量值符號(414)通過濾波器4(722)。同時，被選用的濾波器1(416)的15個樣值通過第二濾波器(718)發(fā)送;被選用的濾波器2(418)的15個樣值通過濾波器5(724)發(fā)送;被選用的濾波器3(420)的15個樣值經(jīng)過濾波器1(716)發(fā)送;以及濾波器4(422)的樣值經(jīng)濾波器6(726)發(fā)送。還有，同步符號通過各個濾波器(716-726)在六個濾波器上分開該同步圖(它也可用于均衡信道)。當然，這些樣值和符號的其它安排可能的;唯一的要求目譯碼樣值變換裝置(828)完成如編碼樣值變換裝置(702)一樣的反面安排，用于正確的恢復。
有線譯碼器現(xiàn)在參見圖8，本發(fā)明的有線譯碼器(800)以方框圖的形式表示。接收的信號根據(jù)圖7的樣值變換裝置(702)安排格式，取樣，量化蒸發(fā)送給有線譯碼器(800)的輸入端口(802)。輸入端口(802)將接收的信號耦合到六個數(shù)字實現(xiàn)的濾波器(804-814)，而這些濾波器依次被耦合到十中取一裝置(816-826)。濾波器(804-814)的帶寬和頻譜位置同編碼器(700)的濾波器(716-726)一致，而且十中取一裝置(816-826)以等于發(fā)射機的插入率取出(優(yōu)選實施例的系數(shù)為16)。當然，合適的量化和幀及符號必須在濾波過程之前或以后完成。
部分頻帶濾波的和取出的信號提供給樣值變換裝置(828)，該裝置提供樣值變換裝置(702)的逆分配功能。因此，四個被選用的濾波器(506-512)的15個濾波樣值，它們相關的正規(guī)化系數(shù)(514-520)，七個未被選濾波器(522-534)的正規(guī)化能量樣值和掩蔽矢量被發(fā)送到分配譯碼器(538)。從這點看，有線譯碼器(800)的工作類似于結合圖5說明的RF譯碼器(500)。合成的話音信號是在一個輸出端口(572)提供的。
正如對RF編碼器(100)和譯碼器(500)所敘述的，有線編碼器(700)和譯碼器(800)優(yōu)選的具體安排包括一個數(shù)字信號處理器(DSP)，例如莫托羅拉DSP56000。這樣“歷史表”補償裝置不考慮前面接收的特別信息電平的標志偏差，可用于增強接收的有線信號的正確接收。
當然，由于未補償?shù)碾娫捦返念l帶是如此窄，因此每次只能傳送一個信息信號。但是，當使用加密以保證話音秘密時，提供了在有線情況下的真正改善。根據(jù)本發(fā)明，當話音信號按圖7說明的進行話音編碼時，可提供總開銷數(shù)據(jù)和樣值的加密(下面進行更充分的討論)，在標準的(未補償?shù)?電話線路上當前可用的帶寬內保證全部話音秘密。通常有線數(shù)字加密技術一般要求很復雜的調制解調器，特別是補償?shù)碾娫捑€路，和/或使用很低比特率的話音編碼器，該編碼器提供很差的話音再生。這樣就在話音秘密的可用性上嚴格制制了電話市場。根據(jù)本發(fā)明，可能已提供了話音秘密，而不需要特別的補償?shù)碾娫捑€路的代價。
無線頻率通信系統(tǒng)現(xiàn)在參見圖9，這是一個無線頻率發(fā)射機(900)與一個無線頻率接收機(902)在一條不理想的無線頻率通信信道(904)上通信的情況。該通信信道(904)被認為是不理想的，在該信道中噪聲干擾，信號衰落和其它不利的現(xiàn)象在發(fā)送的信號上不同程度地不斷出現(xiàn)。
在發(fā)射機處，話音信號加在麥克風(906)上，它接到一個A/D變換器，變換器對話音信號取樣和數(shù)字化。量化的話音信號樣值輸入到話音編碼器(100)，它工作情況如對圖1所述的敘述一樣。話音編碼器(100)將根據(jù)優(yōu)選的子幀格式(圖4a安排格式的信息提供給一個時分復用(TDM)幀格式器(909)。幀格式器(909)將該子幀安排成下面要更充分說明的優(yōu)選的幀(信道)格式。TDM幀輸入到一個頻率調制器(914)(它最好包括合適的濾波以使占用帶寬減至最小)，頻率調制器將數(shù)字處理的(和濾波的)樣值變換為頻率調制的信道符號。根據(jù)本發(fā)明，可以使用任何其它類型的多電平數(shù)字或模擬調制，包括幅度調制，相位調制，或者幅度或角度次載波調制。在這之后，產(chǎn)生的信號被放大(916)并輸入到天線(918)經(jīng)過不理想的通信信道(904)發(fā)送。
在接收機處，天線(920)將該發(fā)送的信息傳送到一個預選器(922)，預選器將帶寬限制在該接收機(902)可用的頻譜范圍內。從預選器(922)來的已濾波的接收信息通過下變頻器(924)從RF載波中取出變?yōu)橐粋€適當?shù)闹蓄l(IF)。IF濾波器(926)進一步限定接收信號的頻帶，該信號經(jīng)一個合適的FM解調器(928)解調。然后，在一個均衡器(930)中對該信息進行均衡，均衡器工作以校正發(fā)送信息的時延和其它的干擾，這些是由于在調制器(914)中濾波、IF濾波和通信系統(tǒng)中其它已知的時延造成的。均衡的TDM幀再輸入到一個A/D變換器(923)，它將接收的符號變換為二進制型式，它們可以使用數(shù)字信號處理器(DSP)進行數(shù)字處理。在通路符號數(shù)字化以后，一部分或全部的均衡可以在DSP內數(shù)字地執(zhí)行。當然，必須恢復(934)合適的時鐘信號并提供給TDM幀去格式式器，該幀去格式器分析出要輸入到話音譯碼器(500)的子幀。話音譯碼器(500)的工作已結合圖5作了敘述，并且給D/A變換器(936)提供合成的話音信號。然后該合成話音信號輸入到揚聲器(938)完成了恢復的過程。
RF信道規(guī)程現(xiàn)在參見圖10，圖中表示出了優(yōu)選的入站(即移動單元至中繼器和出站(即中繼器至移動單元)無線頻率信道規(guī)程。從圖10可看出，優(yōu)選的TDM時隙包括圖4a的八個子幀。每幀包括四個時隙。因此，四個話音消息可同時駐留在單個RF地面移動通信信道中，該信道具有普通的25KHz的信道間隔。因此，其他的三個TDM時隙跟在圖10中所示的單5時隙之后。
入站信道規(guī)程(1002)有一個長度相當于39個符號的“保護時間”。該保護時間包括接收至發(fā)送(R/T)所要求的時間，以允許發(fā)射機的合成器改變頻率和穩(wěn)定，并允許功率放大器給出能量。R/T部分(1006)放在同步的圖(1008)之前，同步圖最好包括十六個符號的同步字，它標志該時隙的開頭。在同步字((1008)之后，發(fā)送八個信息子幀(1010-1024)。接著發(fā)送十六個符號的識別碼(1026)，它識別發(fā)送方。最后，在每個TDM時隙之后有九個符號的傳播許可(1028)，它允許近的和遠的發(fā)送移動單元的傳輸時延時間的偏差(由中繼器可看出)。正如前面提到的，在第一時隙(1002)之后，立即跟隨著三個相同的時隙，這樣每條信道容納四個話音。
四個時隙可以包括兩個全雙工的通話，四個轉接通話，或者一個全雙工和兩個轉接通話的任何組合。根據(jù)發(fā)送移動單元的請求;自動地根據(jù)系統(tǒng)負荷情況;或者例如由每天的時間確定的周期性的基準，這些分配可以動態(tài)地變化。當然，在混合的話音/數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)消息可以在一個或多個時隙內傳輸，以代替話音消息。
出站信道規(guī)程(1004)從一個點圖的48個符號開始。(該點圖是普通的1-0-1等)通常傳送點圖使接收的移動單元能得到比特(同步)。在點圖(1030)后面，發(fā)送十六個符號同步字(1032)，給接收的移動單元提供同步標記。在同步字(103(1032)之后，發(fā)送五符號的時隙ID(1034)，在這之后發(fā)送十一符號的監(jiān)視字(1036)。五符號時隙ID(1034)識別下一個時隙，這樣接收的移動單元可以跟蹤被發(fā)送的那個時隙。十一個監(jiān)視符號(1036)控制時隙指定與分配，以實現(xiàn)如全雙工通話，轉接通話，數(shù)據(jù)消息以及改變其它的與在無線頻率信道上的通信控制有關的參數(shù)。在這監(jiān)視信息之后，發(fā)送八個子幀(1038-1052)，它包括單個的出站TDM時隙。如前面提到的，每幀四個TDM時隙可允許比普通的通信系統(tǒng)有四比一的頻譜改善。
加密現(xiàn)在參見圖11a，圖中以方框圖的形式表示出保密發(fā)射機(1100)。在圖11a中，表示了一個加密裝置(1101)，接到圖9的發(fā)射機(902)的一部分，其中話音信號加到麥克風(906)上，它將聲能變換為電信號，由編譯碼器(1102)對其進行取樣。編譯碼器將話音信號數(shù)字化，發(fā)送到編碼器(100)編碼器產(chǎn)生如在圖1-4a中所討論的子幀格式。但是，子幀格式的數(shù)據(jù)的總開銷部分(402-412)被發(fā)送(1104)到數(shù)字保密器(1108)。該數(shù)字保密器(1108)可以是普通型的，而且可使用任何專有的加密算法對總開銷信息加密，或者可使用美國國家標準局公布的數(shù)據(jù)加密標準(DES)。這些被選用的濾波器(416-422)的每個濾波器的量化能量樣值(414)和十五個量化的濾波器樣值被發(fā)送(1106)到一個模數(shù)加法器(1110)。作為第二輸入，該模數(shù)加法器(1110)接收量化的加密矢量(表示為r)(1112)，它加到量化的濾波樣值(表示為x)上以得到一個加密的量化樣值(表示為S)。該加密技術采用隨機產(chǎn)生的量化加密矢量，該矢量模加在一個量化的信息樣值上，這種技術通常稱為“樣值掩蔽”。
根據(jù)本發(fā)明的加密安排，數(shù)字加密的總開銷和“樣值掩蔽”的量化能量及濾波樣值提供給TDM格式器(909)，格式器工作以安排TDM時隙(見圖10)。已格式的時隙信息被發(fā)送給任何適合的調制器，如圖9的調制器(914)。
現(xiàn)在參見圖11b，保密接收機(1126)包括接到該接收機(904)部分的一個加密裝置(1112)?；謴偷腡DM幀被取樣和量化(932)，并傳遞到一個時鐘恢復電路(934)，該電路提供一個時鐘信號(933)以便于恢復。已取樣的量化的TDM幀也輸入到TDM幀去格式器(935)，它將子幀發(fā)送到解密器件(1112)。解密是以和圖11a說明的加密相似的方法完成的，通過將子幀的數(shù)字總開銷部分發(fā)送(1114)到數(shù)字反擾碼器(1181)。當然，必須采用適當?shù)耐揭员ＷC發(fā)射機(1114和接收機(1124)的加密發(fā)生器同步地工作。樣值掩蔽的話音和能量樣值被發(fā)送(1116)到模數(shù)加法器(1120)，該加法器通過將加密的矢量(表示為S)減去掩蔽矢量“表示為r)(1122)來恢復原來的樣值(表示為x)。加密發(fā)生器(1124)和加密發(fā)生器(1114)基本上相似，提供被加上或減去樣值矢量的相同的掩蔽矢量(r)。解密的總開銷和樣值部分提供給譯碼器(500)，它對該樣值進行數(shù)字處理來再生話音信號。在D/A變換(936)以后，再生的話音信號加在揚聲器(938)以完成恢復過程。
現(xiàn)在參見圖12a，說明樣值掩蔽技術的基本工作情況。開始時一個8比特多電平樣值(1200)駐留在兩個門限(+A和-A)之間。這兩個門限可以很方便地設置成與對正規(guī)化的限值相同(結合圖1討論過的)，以保證最佳動態(tài)范圍。256電平的樣值(x)(1200)被加(1202)在一個8比特的掩蔽矢量(r)(1204)上。掩蔽矢量(1204)是隨機的極性和幅度。在本例中，該和等于8比特多電平樣值掩蔽矢量(S)(1206)，它是將被發(fā)送的加密的樣值。
在圖12b中，說明了另一個樣值掩蔽的例子。8比特的樣值(x)(1208)加到8比特掩蔽矢量(r)(1210)上，提供一個8比特的樣值掩蔽矢量(S)(1212)，該矢量駐留在門限內。因此，不需要另外的操作，而且樣值掩蔽的矢量(S)可被傳送出去。
但是在圖12c中，當8比特的樣值(x)(1214)加上8比特掩蔽矢量(r)(1216)上時，超出上限(+A)一個增量值(△)“1218)。因此，由于上限已經(jīng)超出了，加密的樣值““卷繞”通過下限(-A)相同增量值(△)(1218′)，通過設定該矢量(S)的8比特的符號和幅度可建立起樣值掩蔽的矢量(1220)以同由(1218′)識別的該范圍的上部相符合。本領域的技術人員懂得，“卷繞”過程僅僅是一種模加的特征。
在圖12d中，當8比特樣值(x)(1222)加上8比特掩蔽(r)(1224)時，就超出下限(-A)一個增量值(△)(1226)。因此，這個樣值“卷繞”上限(+A)相同的增量值(△)(1226′)，而且8赴特樣值掩蔽矢量(S)(1228)被安排成同下限超過的數(shù)值相符合。
這樣，量化的能量和濾波器樣值可被有效地掩蔽，提供的話音保密性可與由普通的二進制加密系統(tǒng)提供的保密性相比。本領域的技術人員懂得，在結合RF編碼器(100)和譯碼器(500)討論加密器件(1101和1112)時，分別在樣值變換器(702)之前和樣值變換器(828)之后，通過配置加密器件(1101和解密器件(1112)，可以給有線編碼器(700)和有線譯碼器(800)提供加密，提供在標準的(即未補償?shù)?電話線路上完全的話音保密性。
權利要求
1.一種在通信信道上傳送一個信息信號的方法，包括下列步驟(a)至少部分信息信號進行取樣和量化，以提供數(shù)字編碼的樣值其特征在于下列附加步驟(b)至少對部分上述數(shù)字編碼的樣值進行處理以提供數(shù)字處理的樣值(c)至少使用一些上述數(shù)字處理的樣值調制一個通信信道以提供信道符號，這樣每個信道符號具有與各個數(shù)字處理的樣值的特性成正比的調制的幅度。
2.一種從發(fā)送的信號再生代表實際的信息信號的信息信號的方法，其中發(fā)送信號的特征是信道符號具有一個調制的幅度，它至少與處理的樣值或能量值的一個特性成正比上述方法的特性在于下列步驟(a)接收發(fā)送的信號和提供恢復的處理樣值及恢復的能量值(b)為每個恢復的能量值產(chǎn)生一個背景信號，該背景信號具有分別與上述恢復的能量值相關的幅度(c)處理上述恢復的處理樣值，提供數(shù)字編碼的樣值(d)將上述數(shù)字編碼的樣值和上述背景信號組合起來，提供一個組合的信號(e)對上述組合信漚惺 模擬變換，提供再生的信息信號。
3.權利要求1的方法，進一步的特征在于上述調制步驟包括至少用一些上述處理樣值子集和至少用一些上述選擇的能量值去調制一條無線頻率的通信信道，提供上述信道的符號，每個上述信道符號具有一個調制的幅度，該幅度至少正比于上述各處理的樣值或能量值的一個特性。
4.權利要求1的方法，進一步的特征在于上述調制步驟包括至少用一些上述處理樣值子集和至少用一些上述選擇的能量值去調制一條有線通信信道，提供上述信道信號，每個上述信道符號具有一個調制的幅度，該調制幅度至少與上述各處理的樣值或能量值的一個特性成正比。
5.一種編碼器，用于對信息信號進行編碼和將它調制到一條通信信道上，包括用于至少對部分信息信號取樣和量化，以提供數(shù)字編碼樣值的裝置和進一步的特征在于用于對上述數(shù)字編碼的樣值進行數(shù)字的子頻帶編碼，以提供子頻帶編碼的樣值的裝置用于至少用一些上述子頻帶編碼的樣值去調制一條通信信道，以提供信道符號的裝置，以致每個信道符號具有一個調制的幅度，調制幅度與各個子頻帶編碼的樣值的一個特性成正比。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，一個信息信號，例如一個信息信號通過一個信息編碼器被取樣，量化和數(shù)字處理。由該編碼器產(chǎn)生的數(shù)字處理的樣值被調制到通信信道，以產(chǎn)生信道符號，該信道符號具有與各數(shù)字處理的樣值的一個特性成正比的調制幅度。提供了無線頻率(RF)傳輸?shù)膶嵤├陀芯€的實施例。在本發(fā)明的最后一方面，提供加密以保證通信秘密。
文檔編號H04B3/23GK1038193SQ8910370
公開日1989年12月20日 申請日期1989年6月3日 優(yōu)先權日1988年6月3日
發(fā)明者科特金·邁克爾·戴爾, 范·丹霍伊維爾·安東尼·帕特里克, 克賴斯勒·肯尼思·詹, 希畢·布雷德利·邁克爾, 莫勒·勞倫斯·M, 波林·馬克·理查德 申請人:莫托羅拉公司