在通信系統中插入信令的方法和裝置的制作方法

專利名稱：在通信系統中插入信令的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及通信系統，具體涉及在通信系統的一個通信信道上插入信令的技術。
通信系統特別是蜂窩通信系統是眾所周知的。公知的蜂窩通信系統由各個網孔現場組成，每一網孔現場裝有與工作在網孔現場內的各移動通信單元通信的設備。網孔現場的通信是通過通信資源進行的，通常叫做通信信道，它由一對射頻頻率組成，由移動通信單元用來與網孔現場之間發送和接收信息。最近，已經開發出數字蜂窩移動通信系統，其中通信信道由一系列時隙或分組組成，各時隙中含有移動通信單元與基站間通信的信息幀。這類數字通信系統已大大增加了通信系統的容量，因為借助于將各信息幀復用到通信信道上，可以把許多個用戶分配到單一通信信道。
在數字通信系統中，例如數字蜂窩通信系統，一個講話人的話音信號首先要變換為一種已調信號，然后將這個已調信號編碼，即將該已調信號轉換為它的數字表示信號，而適合于在通信信道上傳輸。該編碼信號發送給接收單元，例如一個移動通信單元，在接收單元中進行解碼、解調，并重新產生講話人話音的聲音表示物。
為了在蜂窩通信系統中控制通信活動性，在移動通信單元網孔現場的基站控制器之間需要傳送控制信息或信令。例如在時分多址(TDMA)系統中，可以使信息幀的特定時隙專門用來傳送信令信息。然而，可以證明這種安排是低效率的，因為即使不需要傳送信令時，也總是要保留該時隙。由于保留時隙，使傳送諸如編碼語音之類的信息的可用帶寬減小。
在碼分多址(CDMA)類型的通信系統中，根本不保留信息幀的特定部分用于信令，因而，如有必要，每個信息幀均可用來傳送最大量的信息。眾所周知，在CDMA系統中還可以提供可變速率的通信。在一些情況下，可變速率通信只提供小于一整信息幀的部分，用來傳送特定用戶的信息。因此，該信息幀的其余部分便可以用來為其它用戶提供業務，或者，如下所述用來傳送信令。
在可變速率通信情況下，當用戶講話時通常以全速率傳送信息，也就是說，整個信息幀專用于傳送用戶的編碼語音。但當講話暫停時，無需使用全速率通信也能有效地傳送講話人的全部信息，因而可以使用較低的速率，為半(1/2)速率、四分之一(1/4)速率、八分之一(1/8)速率。在半速率時，用戶的信息僅占用1/2個信息幀或信息帶寬。因而，從系統的另一個用戶來的信息便可以插入該幀或信息帶寬的其余部分，并在該通信信道上進行通信。
當需要傳送信令時，例如移動通信單元和基站之間的信令(雙向)，信令裝置會設法等待一個小于全速率通信幀的部分，將信令信息插入該幀。然而，信令信息通常包括一個“超時定時”或時間周期，其間必須將信令送出。萬一定時已達超時而沒能將信令信息送出，則信念裝置會將信息插入稱之為“空白和突發”(blank-and-burst)或“微弱和突發”(aim-and-burst)處理過程。
在一個“空白和突發”期間，便會放棄一整幀或更多的編碼語音信號，并將信令信息插入，以代替編碼語音。在一個“微弱和突發”期間，將語音以比全率速低的速率進行編碼，例如1/2速率，并將信令信息插入減小了信息帶寬的幀中。在“空白和突發”或“微弱和突發”工作過程中，一部分編碼語音信號因在它的位置上傳送信令而丟失導致音頻信號惡化。然而，在進行一個“空白和突發”或“微弱和突發”之前，在信令裝置中的語音編碼器會據此調整其狀態，使接收裝置解碼器不因丟失的話音帶寬而顯著失真，并實質上保持著聲頻質量。
在移動臺至移動臺的通信中，語音在發送移動通信單元進行編碼，通過蜂窩通信網傳送，并由接收移動臺進行接收和解碼。而當通過蜂窩通信網與網外進行通信時，不進行語音解碼，而只是將它傳送給其通信目的端。然而，如果蜂窩通信網須給接收移動臺傳送信令信息時，實現的唯一方式是傳送一個“空白和突發”，這會導致發送移動通信單元編碼器與接收移動通信單元解碼器之間過度偏差。如所討論過的，正常情況下允許信令裝置編碼器調整其狀態，以避免解碼器與編碼器之間有偏差。然而，當信令由蜂窩網設備在移動臺至移動臺的通信中插入時，蜂窩網便不能通知移動通信單元的話音編碼器調整其狀態。解碼器在預期含有編碼話音的幀時會偏離編碼器，從而造成聲頻質量降低。
在通信期間，各幀的失真損傷不是罕見的，因而解碼器自適應地處理由于惡化引起語音幀丟失(稱作幀擦除)。為了說明在移動臺至移動臺通信中由蜂窩通信網進行的信令插入，業已建議，允許解碼器直接將“空白和突發”信令幀視為如像傳輸過程中受到惡化的幀那樣的擦除幀。這種方法有一些缺點在移動臺至移動臺通信的初始呼叫建立過程中，需要大量的附加信令和處理；在這種處理過程中還需要使音頻信號靜默長達一秒時間，以使各種呼叫建立所需的信令傳送給移動通信單元，其中包括通知移動通信單元，這次呼叫是移動臺至移動臺的呼叫。移動通信單元將“空白和突發”視為這一特定呼叫過程的擦除幀。然而，測試表明，用這種方法的聲頻質量改善與不采用“空白和突發”幀的情況相比是有限的。
據此，現在需要在蜂窩通信系統中，在信令插入期間提高聲頻質量，尤其是在移動臺至移動臺通信的情況下，更是如此。


圖1示出按照本發明最優實施例的典型蜂窩通信系統的一部分的方框圖；圖2示出按照本發明最優實施例的表示提高移動臺至移動臺蜂窩通信中音頻質量的一種方法的流程圖；圖3示出按照本發明最優實施例的具有提高聲頻質量的數字消息恢復(retrieval)系統。
按照本發明優選實施例，在信令插入期間通過減低業務幀速率亦即信息帶寬的策略，將信令插入一個“微弱和突發”格式而保持編碼語音的部分描述(description)，使移動臺至移動臺通信的聲頻質量得到提高。下面就CDMA蜂窩通信系統中移動臺至移動臺的通信進行描述。然而，一個本領域的普通技術人員會認識到，本發明具有包括增強諸如存儲消息恢復系統聲頻質量的大量其它應用。
參看圖1，圖中示出蜂窩通信系統的一部分10，其中包括第一移動通信單元12、第一空中接口14、基站16、第二空中接口18和第二移動通信單元20。正如在CDMA蜂窩通信系統領域所公知的那樣，移動通信單元12包括可變速率語音編碼器22、控制器24、信號處理器26、復用器27和發射機28，用以通過空中接口14發送編碼語音和/或信令。優選實施例中的空中接口14和18是典型的擴譜通信信道。基站16包含接收機30，用以接收所發送的編碼語音和/或信令；“去復用”器31；信號處理器32，用以接收所發送的信令；控制器34；信號處理器36，用以產生信令；復用器37；和用以通過空中接口18發送編碼語音和/或信令的發射機38。基站16還包括用以將較高速率編碼語音減低為較低速率編碼語音即減小信息帶寬的可變速率幀減低器40，下面將進行描述。移動通信單元20包括用以接收編碼語音和/或信令的接收機42、“去復用”器43、用以接收所發送的信令的信號處理器44和可變速率語音解碼器46。應當理解，為了清楚起見分別地標識了移動通信單元12和20的各部件，并且每個移動通信單元本應還包括一些其它部件。還能將諸如發射機28和接收機42、復用器27和去復用器43或信號處理器26和信號處理器44分別地組合為各個單個部件，而不背離本發明的相當合適的范圍。類似地，基站16的諸如信號處理器32和信號處理器36或發射機38和接收機30的各部件也可以分別地組合為各個單個部件。
在工作中，已調制的語音48傳送到移動通信單元12中的可變速率語音編碼器22，可變速率語音編碼器22對語音進行編碼，并產生出將要包括在業務幀中的編碼語音分組。如CDMA通信系統IS-96所限定的，這可從電子行業協會/電信行業協會工程出版辦公室得到(available from Electronics Industries Association/Telecommunications Industries Association Engineering Publica-tions Office，2001 Pennsylvania Ave.，Washington，D.C.20006))得到，業務幀長度為20ms。根據對語音編碼的速率即全速率、半速率等，編碼的語音分組可以實際上占用整個業務幀，或它的某一部分。編碼的語音分組插入業務幀，而復用器29復用該業務幀，經由空中接口14傳送給基站16的接收機30。
基站16正常地傳送業務幀，以其發射機38直接地將業務幀經由空中接口18再發送給移動通信單元20的接收機42。在移動單元20中，接收到的信號由“去復用”器43“去復用”，可變速率語音解碼器46將編碼的語音解碼為調制格式的信號50，接著使調制格式的信號50解調，并重新產生聲頻信號。
在移動通信單元12和移動通信單元20之間通信期間，移動通信單元12須將信令發送給基站16。在這種情況下，控制器24通知可變速率語音編碼器22正在插入信令。該信令由信號處理器26插入到基站16的接收機30。在基站16中，由信號處理器32將信令從業務幀提取出來。上述過程是很容易實現的，或以“空白和突發”格式，使信令替代整個業務幀，或以“微弱和突發”格式，使信令占用業務幀的一定部分，因為控制器24在插入信令之前可以給可變速率語音編碼器22提供信息，使可變速率語音編碼器可以據此調整它的狀態。
然而，當基站16須向移動通信單元20發送信令時，基站16不能夠通知可變速率語音編碼器22有關將插入信令的情況，因而，可變速率語音編碼器22不能夠在發送編碼語音之間調整其狀態。在由基站16將信令插入業務幀過程中，會丟失從移動通信單元12所發送的編碼語音幀。這會導致可變速率語音編碼器22和可變速率語音解碼器46之間的偏差，而這是預期的編碼語音幀，因此降低了聲頻質量。按照本發明的優選實施例，基站16可以通過幀速率減低器40在插入信令之前進行調整業務幀速率操作，也就是說，幀速率減低器40減小所傳送信號的信息帶寬，生成足夠帶寬，傳送信令，同時預留一部分諸如編碼語音的信息帶寬，因而通過減小編碼器/解碼器的偏差提高了聲頻質量。
繼續參看圖1并進而參看圖2，在步驟102，當沒有要傳送的信令時，基站16接收和再發送業務幀。當有要傳送的信令時，控制器34通知幀速率減低器40和信號處理器36。在步驟104，幀速率減低器40確定業務幀中是否有足夠的可用信息帶寬來插入信令。也就是說，若信令能夠以半速率進行傳送，且業務幀當前也正以半速率進行傳送，則在步驟106幀速率減低器不干預業務幀，并由信號處理器36以半速率將信令插入業務幀中。然而，在步驟104，若業務幀中沒有足夠的可用信息帶寬，則在步驟108幀速率減低器40通過映射變換編碼語音的參數從第一、較高幀速率映射變換(map)為第二、較低幀速率來減小業務幀的信息帶寬，下面將予以說明。減低速率的業務幀至少還保持了編碼語音的部分描述，使可變速率編碼器22和可變速率解碼器46之間的偏差減小。通常，在步驟106，減低速率的業務幀具有足夠的帶寬插入信令，其插入速率為信號處理器36確定的適當速率。也就是說，若業務幀從全速率減低為半速率，信令插入也以半速率。
正如在IS-96規范中關于碼激勵線性預測(CELP)可變速率聲碼器(話音編碼器)所規定的那樣，可變速率編碼器22將語音變換為幾個編碼參數。這些參數為線譜對(LSP)、音調滯后(Plag)、音調增益(Pgain)、碼本索引(CBindex)和碼本增益(CBgain)，它們以數字的編碼格式表示語音。關于編碼參數的完整說明可從IS-96附錄A中得到。然而應當懂得，在不背離本發明適用范圍的條件下，也可以采用其它的編碼方法。正如下面表I中所表示的那樣，按照對語音進行編碼采用的是全速率、半速率還是某種其它速率，編碼參數也是不同的，如下面的表I所示的。
表I
幀速率減低器40工作，以將較高速率的編碼語音分組映射變換為較低速率的編碼語音分組，以在業務幀中生成用以插入信令以的帶寬。在本發明的最優實施例中，要將LSP從全速率重新量化為半速率，這可以表示為LSPh(i)=Qhi{Q-1fi{LsPf(i)}};...,10---(1)]]>式中Qhi為半速率線譜對(LSPh(i))的半速率量化算子，Q-1fi為全速率線譜對(LSPf(i)的逆全速率量化算子。LSP是按分辨率壓縮抽取的僅有參數，即對于較低的分辨率LSP參數以相同的速率傳送。其它參數均按時間壓縮抽取，即所傳送的相同分辨率只用一半的頻度表示相同的數量的聲頻數據。因此，利用某種可使總誤差最小化的函數，將兩個連續子幀的參數組合成為一個子幀。對于音調增益(Pitch gain)，函數F可以廣義地用于半速率子幀iPhgain(i)＝F(Pfgain(2i-1)，Pfgain(2i))；i＝1，2 (2)在優選實施例中，全速率音調增益的平均值用來產生半速率增益，或Phgain(i)=Pfgain(2i-1)+Pfgain(2i)2;i=1,2---(3)]]>類似地，可以將音調滯后的函數F廣義地表示為Phgain(i)＝F(Pflag(2i-1)，Pflag(2i))；i＝1，2 (4)同樣，在優選實施例中，全速率音調滯后的平均值可以用來產生產半速率音調滯后，或Phlag(i)=Pflag(2i-1)+Pflag(2i)2;i=1,2---(5)]]>對于碼本索引，可以將每組4個半速率子幀表示為2組8個全速率子幀的函數CBhindex(i)＝F(CBfindex(2i-1)，CBfindex(2i))；i＝1，…，4(6)在最佳情況下，函數F連結二個全速率碼本矢量，并根據使兩個連結的全速率矢量和單個半速率矢量之間平方誤差最小的原則選擇一個新的索引，使各半速率矢量索引耗盡。另一種情況是，選擇相應于最大碼本增益的全速率索引，這是一種有較少計算量的精細的解決途徑。若要選擇第二索引，則該索引需要加以調整，以使半速率碼矢量的第二半對準第二全速率碼矢量。然而，這些方法提供僅是一種邊緣的改進(marginal improvement)，直接使用第一全速率碼矢量的指數。因而，碼本索引可以表示為CBhindex(i)＝CBfindex(2i-1)，i＝1，…，4 (7)碼本增益也可以表示為2組8個全速率子幀中的函數
CBhgain(i)＝F(CBfin(2i-1)，CBfgain(2i)；i＝1，…，4 (8)這些參數需要再量化、組合，并再量化為一個合成的半速率碼本增益。由于碼本增益要進行差分編碼，為得到凈差分增益，應加上逆量化值，而不是取平均。減去常數K，以提供漏項，在解碼過程中使碼本增益偏差最小。因此，半速率碼本增益可以表示為CBhgain(i)=Qh{Q-1f{CBfgain(21i-1)}+Q-1f{CBfgain(21i]]>-1)}-K}；i＝1，…4(9)這些方程只考慮組合最后兩個子幀參數。也許希望有一個前面子幀的歷史參數，但這樣做會使算法復雜，并引入基站復用器功能更多地處理。用于優選實施例的各式能夠很快的計算，沒有明顯的處理負擔或增大系統延遲。
表II表示結合本發明的蜂窩通信系統的模擬性能的目標測量。表II所報告的分段信噪比(SNRseg)定義為SNRseg=1MΣj=0M-110log10[Σi=jNjN+N-1x2(i)Σi=jNjN+N-1(X(i)-Y(i))2]---(10)]]>而功率譜信噪比(SNRps)定義為SNRps=1MΣj=0M-110log10[Σi=0L-1|XjN(i)|2Σi=0L-1[|XjN(i)|-YjN(i)|]2]---(11)]]>式中，X(n)為參考語音解碼器的輸出，y(n)為測試語音解碼器的輸出，|Xj(K)|為時間i開始的信號X(n)的256點離散富里哀變換(DFT)幅度譜，|Yi(K)|為時間i開始的信號y(n)的256點離散富里哀(DFT)幅度譜，N為樣值(40)中的分段大小，M為序列X(n)中的分段數目，L為獨特DFT幅度分量的數目(在優選實施例中，129)。
表II表示在信令速率設置為每20個業務幀為-(1)的條件下的測試結果。輸入為所指示的IS-85標準測試文件。第一例報告“空白和突發”制式的結果，第二列報告幀擦除補償制式的結果，第三列報告本發明的幀速率減低器情況的結果。正如可以看到的那樣，本發明比之“空白和突發”和幀擦除方法所測量的SNR具有顯著的改善。主觀測試還表明用本發明改善了聲頻質量。
表II
本發明是借助CDMA通信系統移動臺至移動臺通信的優選實施例進行描述的，但本領域的技術人員很容易認識到，在不背離本發明的適用范圍的條件下，其各項技術可以用于其它實施例。例如，本發明可以應用以編碼方式存諸如識別音、錄音消息、語音郵件消息一類的聲音消息，并在之后傳送給移動通信單元。作為這類應用的說明，在圖4所示的話音郵件系統中，以編碼語音格式將話音郵件消息存儲在話音郵件系統存儲器中。根據前面的實施例用相同的號碼標示相同的單元。如果話音信箱所有者移動通信單元20檢索調用消息，則話音郵件處理器62調用該消息，并仍以編碼格式將該消息傳送到基站16。如果基站16在將所調用的消息傳送給移動通信單元20的同時還須插入信令，則以“空白和突發”格式引入信令會造成編碼語音與可變速率解碼器46之間的偏差，從而引起前面所述的聲頻質量降低。為防止這種聲頻質量降低，可以利用本發明的幀速率減低器40來降低所調用的編碼消息的速率，在插入信令期間，保持該消息的部分表示物。
據此，本發明通過限制編碼器/解碼器的偏差來提高聲頻質量。其實現過程是，通過減低編碼語音速率，在業務幀中生成在其上插入信令的帶寬，同時保持編碼語音分組的部分表示物，從而減小編碼器/解碼器的偏差。此外，本發明可以提高聲頻質量，但不顯著增加處理負擔或蜂窩通信系統中的延遲。
權利要求
1.一種用于將信令插入通信系統的通信信道的裝置，其特征在于，包括一個接收機，以一個第一速率接收所傳送的編碼信號；幀速率減低器，將以第一速率傳送的編碼信號變換為一個第二速率編碼信號；及一個信號處理器，將信令插入第二速率編碼信號。
2.權利要求1的裝置，其特征在于，該通信系統包括CD-MA通信系統。
3.權利要求1的裝置，其特征在于，幀速率減低器可操作以將相應于以第一速率傳送的編碼信號的一個編碼參數集合映射變換為相應于第二速率編碼信號的一個編碼參數集合。
4.權利要求3的裝置，其特征在于，幀速率減低器可操作以對分辨率的編碼參數集合的至少一個線譜對參數進行抽取。
5.權利要求3的裝置，其特征在于，幀速率減低器的可操作以對時間的編碼參數集合的至少一個音調增益參數、音調滯后參數或碼本索引參數進行抽取。
6.權利要求5的裝置，其特征在于，至少一個編碼參數包括一個碼本增益參數。
7.權利要求1的裝置，其特征在于，幀速率減低器的可操作以維持一部分以第一速率所傳送的編碼信號。
8.權利要求1的裝置，其特征在于，以第一速率所傳送的編碼信號包括一個存儲的編碼聲頻信號。
9.權利要求1的裝置，其特征在于，以第一速率在傳送的編碼信號包括一個由移動通信單元產生的編碼聲頻信號。
10.權利要求1的裝置，其特征在于，第二速率的編碼信號傳送給一個移動通信單元。
11.權利要求1的裝置，其特征在于，第二速率的編碼信號傳送給一個存儲媒體。
12.一種在通信信道上插入信令的方法，其特征在于，包括以下步驟a)若通信信道有足夠的可用信息帶寬，則將信令插入通信信道；b)如果信道缺乏插入信令的足夠信息帶寬，則減小通信信道的信息帶寬；c)將信令插入減小了信息帶寬的通信信道。
全文摘要
信令插入通信系統的一個通信信道(102)，其過程是，若該通信信道有足夠的可用帶寬(104)，則將信令插入通信信道，若該通信信道沒有足夠的可用帶寬，則減小正在該信道傳送的信息的帶寬(106)，并將信令插入減小了信息帶寬的通信信道。
文檔編號H04J3/16GK1132011SQ95190740
公開日1996年9月25日 申請日期1995年2月16日 優先權日1994年8月5日
發明者李·邁克爾·普羅科特, 帕特里克·詹姆斯·阿什利 申請人:摩托羅拉公司