TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)是一種基于數(shù)字時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)的專業(yè)移動(dòng)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在同一技術(shù)平臺上提供指揮調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸和電話服務(wù)。信息產(chǎn)業(yè)部于2000年發(fā)布了我國《數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)體制》（SJ／T11228-2000）標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)中確定了TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)和iDEN數(shù)字集群通信系統(tǒng)兩種體制。

 語音信道編解碼技術(shù)是TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)中的重要部分，它不僅能夠提高系統(tǒng)的頻譜利用率，而且能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供有效的差錯(cuò)控制，保證系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃裕M(jìn)一步提高系統(tǒng)語音通信質(zhì)量。

2 TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)語音信道的編碼技術(shù)

2.1刪余卷積編碼

 TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)語音信道采用碼率兼容刪除卷積碼（RCPC），進(jìn)行前向糾錯(cuò)編碼，實(shí)現(xiàn)語音的不同等級差錯(cuò)保護(hù)控制。卷積碼可表示為(n,k,N)，即每輸入k個(gè)信息比特輸出n個(gè)編碼比特，其約束長度為N。為了提高碼率，需要增加k的值，但是k值的增加會顯著提高解碼器計(jì)算的復(fù)雜度。對于常用的Viterbi解碼器，k增加1，寄存器狀態(tài)數(shù)將翻倍，而且每個(gè)狀態(tài)至下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)移路徑有2k條，加比選（ACS）的工作量也將隨k的增長而呈指數(shù)倍增長。這樣在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，將大大增加對存儲單元的需求，使得解碼器的實(shí)現(xiàn)變得十分復(fù)雜。為了獲得較高的通信速率且不增加編解碼器的復(fù)雜度，使用刪除（Puncture）方法。
 首先利用某一固定碼率的編碼器進(jìn)行卷積編碼，然后根據(jù)要生成的碼率要求，周期性地刪除碼序列中某些位置上的比特，從而提高編碼效率。以一個(gè)碼率為1/n的碼為母本來進(jìn)行刪除，設(shè)刪除的周期為p。在一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)編碼器輸入p個(gè)信息比特時(shí)，將輸出n*p個(gè)編碼比特，n*p個(gè)編碼比特對應(yīng)的刪除矩陣A為：
                         （1）

 其中：A每列的n元素與編碼器輸出的n個(gè)比特相對應(yīng)。

 矩陣A的元素為0或1，當(dāng)aij=1時(shí)，編碼器輸出對應(yīng)的編碼比特；當(dāng)aij=0時(shí)，編碼器刪除對應(yīng)的編碼比特。因此，n、刪除周期p以及矩陣A中1的個(gè)數(shù)能夠確定最后輸出的碼率。當(dāng)從n*p個(gè)比特中刪除N個(gè)比特時(shí)，碼率為p/(n*p-N)。

2.2交織

 TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)中使用的交織技術(shù)主要有兩種：塊內(nèi)交織和塊間交織。塊內(nèi)交織是在單個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣變換，將原數(shù)據(jù)排列次序置亂。塊間交織是首先將當(dāng)前數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)分散到N個(gè)交織塊中，當(dāng)前塊和前N-1個(gè)數(shù)據(jù)塊中的部分?jǐn)?shù)據(jù)合成為一個(gè)數(shù)據(jù)塊；然后對于每個(gè)數(shù)據(jù)塊再進(jìn)行塊內(nèi)交織，交織深度N的取值范圍是1、4或8。交織深度N越大，交織效果越好，但將增加編碼和解碼的延時(shí)，導(dǎo)致業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)延加大。

2.3加擾
 為了保證數(shù)字基帶傳輸中定時(shí)恢復(fù)的質(zhì)量，要求所傳輸比特流中所含有的“1”和“0”出現(xiàn)的概率是相等的。在交織之后，TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)將利用一個(gè)偽隨機(jī)序列對傳送的碼流進(jìn)行擾亂處理，使之變?yōu)閭坞S機(jī)序列，從而限制連“0”碼和連“1”碼的長度。

3   TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)語音信道的編碼流程

 在TETRA數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)中，下MAC層的邏輯信道可以分為業(yè)務(wù)信道和信令信道兩類，通過業(yè)務(wù)信道中的語音業(yè)務(wù)信道實(shí)現(xiàn)TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)中的語音信號傳輸。在語音信號采集端，模擬語音信號經(jīng)8kHz采樣，16比特量化后轉(zhuǎn)化為128kbit／s的數(shù)字信號，然后將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行ACELP（Algebraic Code—Excited Linear Predictive：代數(shù)碼激勵(lì)線性預(yù)測）語音編碼，得到每幀137比特的語音編碼數(shù)據(jù)。通常，一個(gè)時(shí)隙（14.167毫秒）會傳輸2個(gè)語音幀，共274比特的語音編碼數(shù)據(jù)，這兩個(gè)語音幀的數(shù)據(jù)將會被相互交叉合并進(jìn)行編碼，以提高語音信道編碼的魯棒性，用于傳輸這種格式語音數(shù)據(jù)的邏輯信道為全時(shí)隙業(yè)務(wù)信道（TCH/F）；當(dāng)發(fā)生了信道挪用且只挪用了2個(gè)語音幀中的一幀時(shí)，一個(gè)時(shí)隙（14.167毫秒）只傳輸1個(gè)語音幀共137比特的語音編碼數(shù)據(jù)，用于傳輸這種格式語音數(shù)據(jù)的邏輯信道為半時(shí)隙業(yè)務(wù)信道（TCH/H）。

 全時(shí)隙業(yè)務(wù)信道（TCH/F）和半時(shí)隙業(yè)務(wù)信道（TCH/H）的信道編碼方案不同，但編碼的步驟是相同的。圖1示出了TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)全時(shí)隙業(yè)務(wù)信道（TCH/F）和半時(shí)隙業(yè)務(wù)信道（TCH/H）的信道編碼結(jié)構(gòu)。

 圖1  TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)的信道編碼結(jié)構(gòu)

 TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)TCH/F的主要編碼流程為：

 （1）等級分類

 由于TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)的信道帶度為25kHz，所以為了提高信道利用率，其信道糾錯(cuò)編碼方案采用非均等保護(hù)。由于語音編碼后的274比特對于語音重建的作用是不同的，根據(jù)對語音信號重建的重要性，將語音編碼后的274比特分為3個(gè)等級，即：0等級(102比特)、1等級（112比特）以及2等級（60比特），其中0等級比特最不重要，2等級比特最重要。

(2）加入循環(huán)碼校驗(yàn)

 在等級分類后，根據(jù)不同等級對語音重建作用的不同，對語音編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行非均等糾錯(cuò)保護(hù)。因?yàn)?等級的數(shù)據(jù)最為重要，所以TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)利用循環(huán)冗余碼（CRC碼）對其保護(hù)，其生成多項(xiàng)式為：
                            （2）

（3）刪余卷積碼

 刪余卷積碼也采用了非均等糾錯(cuò)保護(hù)，對2等級數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)碼以及4比特尾碼進(jìn)行碼率為8/18的刪除卷積編碼，對1等級數(shù)據(jù)進(jìn)行碼率為2/3的刪除卷積編碼，0等級數(shù)據(jù)不加保護(hù)。

（4）交織和加擾

 所有數(shù)據(jù)都要進(jìn)行交織和加擾。交織是將突發(fā)錯(cuò)誤分散并轉(zhuǎn)換成為隨機(jī)錯(cuò)誤，從而提高系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力。TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)對全時(shí)隙業(yè)務(wù)信道（TCH/F）采用了塊內(nèi)交織，對其進(jìn)行的矩陣變換。

4  TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)語音信道的FPGA實(shí)現(xiàn)

 在FPGA平臺上，利用VHDL語言實(shí)現(xiàn)語音信道編解碼，F(xiàn)PGA選芯片型號為Virtex-4 SX55，其信道編碼器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  TETRA系統(tǒng)信道編碼器的結(jié)構(gòu)

 TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)信道編碼器主要由兩大類模塊構(gòu)成：控制模塊和編碼模塊。

（1）控制模塊

 控制模塊主要由主控制模塊、讀RAM地址控制器、1路變2路選擇器以及2路變1路選擇器。根據(jù)TETRA數(shù)字集群協(xié)議棧所要求編碼的邏輯信道類型，主控制模塊控制整個(gè)編碼模塊的工作。讀RAM地址控制器通過對讀地址的控制，實(shí)現(xiàn)了不同等級的分類。1路變2路選擇器將AACH的編碼數(shù)據(jù)和其他邏輯信道的編碼數(shù)據(jù)分離。2路變1路選擇器將兩路編碼數(shù)據(jù)合并成一路數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入擾碼模塊。

（2）編碼模塊

 編碼模塊主要由循環(huán)編碼模塊、RM（Reed-Muller）編碼模塊、卷積編碼模塊、交織模塊以及加擾模塊組成。循環(huán)編碼模塊是由移位寄存器實(shí)現(xiàn)的，在加入CRC校驗(yàn)碼之后，還加入了4個(gè)比特的尾碼。RM（Reed-Muller）編碼模塊只應(yīng)用于AACH邏輯信道。卷積編碼模塊支持TETRA協(xié)議中規(guī)定的各種碼率。交織模塊由塊內(nèi)交織和塊間交織兩個(gè)子模塊組成。在編碼之前，加擾模塊需要協(xié)議棧提供色碼參數(shù)，才能正確輸出編碼結(jié)果。

 在獲知協(xié)議棧所要求編碼的邏輯信道類型之后，主控制模塊開始從存儲數(shù)據(jù)的RAM中讀取待編碼數(shù)據(jù)，讀取的個(gè)數(shù)隨著邏輯信道類型的不同而不同。因?yàn)榇幋a數(shù)據(jù)是按順序存入RAM中，而TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)中語音信道的編碼方案采用了非均等保護(hù)，要求輸入編碼器的碼元順序按等級分類，所以在對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼之前，主控制模塊通過讀RAM地址控制器模塊來控制讀RAM的地址順序，從而完成等級分類。

 在TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)的信道編碼方案中，AACH邏輯信道的編碼流程與其他邏輯信道的編碼流程不同，所以在實(shí)際實(shí)現(xiàn)的過程中，通過兩個(gè)路徑選擇器形成兩條編碼路徑，使AACH的編碼路徑與其他邏輯信道分開。
 圖3示出了TETRA語音業(yè)務(wù)信道信道編碼的流程。

圖3  TETRA語音業(yè)務(wù)信道編碼流程

 在接收到編碼指令之后，信道編碼器首先判斷協(xié)議棧要求編碼的邏輯信道類型，并根據(jù)邏輯信道類型從語音緩存區(qū)里讀取數(shù)據(jù)：全時(shí)隙業(yè)務(wù)信道（TCH/F）讀取274比特的數(shù)據(jù)；半時(shí)隙業(yè)務(wù)信道（TCH/H）讀取137比特的數(shù)據(jù)。由于語音緩存區(qū)里的比特流級別順序是混亂的，所以必須對比特進(jìn)行重排，將各級別數(shù)據(jù)分類，并按順序排放。只對第二等級的比特進(jìn)行CRC編碼，在第二等級比特流末端加入CRC校驗(yàn)值之后，還要再加入4比特尾碼。根據(jù)395-2協(xié)議，業(yè)務(wù)信道編碼前的碼元是逆序進(jìn)入移位寄存器的，即最先進(jìn)入編碼模塊，最后進(jìn)入移位寄存器；最后進(jìn)入編碼模塊，最先進(jìn)入移位寄存器。當(dāng)進(jìn)行RCPC編碼時(shí)，首先對第1等級比特進(jìn)行卷積，然后對第2等級比特（包括CRC校驗(yàn)碼和尾碼）進(jìn)行運(yùn)算。第1等級和第2等級的比特所進(jìn)行刪余的碼率是不同的，但處理是連續(xù)進(jìn)行的，在碼率轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，寄存器不要清空。對所有比特進(jìn)行交織和加擾。

5  結(jié)束語

本文對TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)語音業(yè)務(wù)信道所采用的糾錯(cuò)編碼技術(shù)進(jìn)行了分析，闡述了語音業(yè)務(wù)信道的編碼流程，并給出了用FPGA實(shí)現(xiàn)編碼器的方案，為進(jìn)一步的研究與開發(fā)提供參考。

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