郭小丹 解永軍

摘 要： 針對當前西藏GSM基站信號覆蓋較弱或無信號覆蓋區(qū)域的通信局限性，將多種技術(shù)融合應(yīng)用于應(yīng)急無線通信系統(tǒng)。系統(tǒng)分析了低速率語音壓縮編解碼算法、聯(lián)合信源信道編譯碼相關(guān)技術(shù)和北斗/GPS混合定位等相互融合的技術(shù)方案和設(shè)計方法，具有較高推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 弱信號；應(yīng)急無線通信；北斗/GPS混合定位

Abstract：Aiming at the current communication limitations of GSM base stations with weak signal coverage or no signal coverage in Tibet a variety of technologies are integrated and applied into emergency wireless for communication systems. The system analyzes the technology and design methods of the combination of low rate speech compression coding and decoding algorithm joint source channel coding and decoding technology and Beidou/GPS hybrid positioning which has a high application value.

Key words： weak signal；emergency wireless communication；Beidou/GPS hybrid positioning

引言

近年來，西藏自治區(qū)針對人口較集中的鄉(xiāng)鎮(zhèn)開展了“村村通”電話等利民工程，城鎮(zhèn)居民可以利用移動、聯(lián)通等通信服務(wù)商完成通話等數(shù)據(jù)通信。但是針對地域面積廣、人口居住分散的部分區(qū)域（如阿里牧區(qū)），GSM基站的建設(shè)卻仍有待完善，導(dǎo)致這些牧區(qū)的信號較弱或沒有信號，尤其在牧民遭遇突發(fā)緊急事件時，缺乏有效的與外界溝通渠道，無法提供自己的位置定位信息，造成了不同程度的生命和財產(chǎn)損失。

國內(nèi)數(shù)字應(yīng)急通信系統(tǒng)建設(shè)已經(jīng)起步，應(yīng)急通信系統(tǒng)建設(shè)主要借助國家的衛(wèi)星通信，由政府職能部門負責收集視頻、語音信息，集成數(shù)據(jù)分析處理、信息發(fā)布等工作，僅在發(fā)生重大事故、戰(zhàn)爭時啟用，不利于在社會生活中推廣使用。如何解決GSM基站信號覆蓋較弱或無信號覆蓋區(qū)域的通信問題，即有效開展應(yīng)急無線通信系統(tǒng)研究則尤顯迫切與重要。

1 總體架構(gòu)

綜合上述分析，文章設(shè)計了應(yīng)急無線通信系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了弱信號區(qū)域無線信號傳輸，系統(tǒng)中主要包括低速率語音壓縮編解碼算法、聯(lián)合信源信道編譯碼相關(guān)技術(shù)和北斗/GPS混合定位的應(yīng)用等。本文研究系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。

系統(tǒng)控制器部件使用ARM公司的Cortex-M4F微控制器（TM4C123），通過統(tǒng)籌設(shè)計管理，系統(tǒng)其它模塊協(xié)同有序工作，共同完成既定功能[1]。對關(guān)鍵模塊的研究方法可設(shè)計表述如下。

1.1 低速率語音壓縮編解碼算法

標準的MELP語音壓縮算法的采樣率為8 kHz，每180個采樣點為一幀，每個采樣點量化精度是16 bit，幀長為22.5 ms，每幀量化比特數(shù)為54 bit，總的編碼速率為54 bit /22.5 ms=2.4 kbps[2]。MELP算法的編碼過程則如圖2所示。

為了降低標準MELP算法的編碼速率，將連續(xù)的數(shù)幀語音組成超幀，超幀參數(shù)聯(lián)合編碼在充分利用幀內(nèi)參數(shù)相關(guān)性的同時，又有效利用了幀間相關(guān)性，進一步減少語音數(shù)據(jù)的冗余。相對單幀而言，超幀聯(lián)合量化可以獲得更高的編碼效率，在保證良好表現(xiàn)能力的前提下，通過減少MELP幀間冗余，采用三幀或者四幀聯(lián)合編碼和混合激勵，組成超幀模式，可實現(xiàn)600 b/s的MELP甚低速率語音壓縮算法。

項目算法以標準2.4 kbps 的MELP連續(xù)3幀組成一個超幀，擬采用的每個子幀的幀長從標準的22.5 ms增加到30 ms，超幀幀長為90 ms，用54 bit量化一個超幀，編碼速率（即碼率）為54 bit/90 ms=600 bps。經(jīng)過如此改進后的600 bps MELP算法符合遠距離無線通信系統(tǒng)語音信號速率的要求。

1.2 聯(lián)合信源信道編譯碼的方法

分離的信源、信道編譯碼模型沒有充分利用信源與信道之間的相關(guān)性，實現(xiàn)簡單，但譯碼的性能受到了限制，目前多數(shù)通信系統(tǒng)都沿用了這種經(jīng)典的分離編譯碼結(jié)構(gòu)。

文章采用的基于Turbo碼的聯(lián)合信源信道編譯碼技術(shù)在語音、圖像、視頻等多媒體數(shù)據(jù)的編碼與傳輸中有重要的應(yīng)用[3-4]。聯(lián)合信源信道編譯碼系統(tǒng)的基本原理如圖3所示。

從3個方面對該編譯碼算法進行研究：首先，分析 Turbo 碼的最優(yōu)參數(shù)設(shè)計，研究低復(fù)雜度的快速譯碼算法，為 Turbo 碼應(yīng)用于實時語音無線通信提供方案；其次，研究高帶寬效率的 Turbo 編碼調(diào)制方法，在基本不增加帶寬的前提下，提高編碼增益；最后，研究信源可變長編碼和信道 Turbo 碼的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計方法，利用剩余信源冗余，提高編碼系統(tǒng)的整體性能。

2 關(guān)鍵模塊的應(yīng)用設(shè)計

設(shè)計一套應(yīng)急無線通訊系統(tǒng)，實現(xiàn)語音信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和傳輸，聯(lián)合信源信道編譯碼，系統(tǒng)便攜終端位置定位功能，以及系統(tǒng)各個終端的語音通信功能，主要功能模塊的內(nèi)容研發(fā)解析可做詳情闡釋如下。

2.1 低速率語音壓縮編解碼的研究

遠距離無線通信系統(tǒng)只能以較低的通信速率工作，傳統(tǒng)的語音壓縮編碼（2.4 kbps及以上）占用通信帶寬大，此時難以實現(xiàn)語音的實時傳輸。相對于各種低速率語音編碼方式，混合激勵線性預(yù)測（Mixed-Excitation Linear Prediction，MELP）語音編解碼算法近年來發(fā)展迅速。該算法是一種編碼速率比較低并且合成語音質(zhì)量比較好的低速率語音編解碼算法，采用混合的脈沖和噪聲激勵，使用一個由濾波器組實現(xiàn)的自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)，將一幀語音信號的頻譜劃分成5個頻帶，分別對每個頻帶進行清濁音判決，經(jīng)過這樣處理后能減少 LPC 聲碼器合成語音中的蜂鳴聲，改善語音回放的質(zhì)量，使得該算法標準能以2.4 kb/s的速率工作。

以MELP語音編解碼算法為基礎(chǔ)，對MELP算法的參數(shù)和量化情況進行修正與改進，使其能夠在 1.2 kb/s和600 b/s 甚低速率下工作，可以節(jié)省大量通信帶寬資源，為多用戶通信創(chuàng)造了條件[5]。

2.2 聯(lián)合信源信道編譯碼方法及其相關(guān)技術(shù)的研究

由于無線通信信道易于受到天氣、噪聲、地理環(huán)境等的影響和干擾，在傳輸語音數(shù)據(jù)流的過程中難免會出現(xiàn)錯誤，對于甚低速率的語音壓縮算法來說，較低的誤碼率即可導(dǎo)致語音回放質(zhì)量的嚴重惡化。本文在甚低速率語音壓縮編碼的條件下，擬對MELP語音壓縮編碼算法增加糾錯技術(shù)，將清音幀中沒有用到的 13 個比特用來進行前向糾錯編碼（FEC），其中包括3個（7，4）漢明碼和1個（8，4）漢明碼。通過以上方法對程序融入了設(shè)計優(yōu)化改進，預(yù)期達到提高壓縮后語音信號的抗干擾能力，在基本不增加無線通信帶寬的情況下對傳輸錯誤做出了較好的響應(yīng)效果，保證語音回放時合成語音信號的質(zhì)量。

在語音壓縮后，進一步采用高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）對語音信號進行加密處理，防止無線通信的數(shù)據(jù)被第三方竊聽和篡改，提高通信的安全性，同時保護用戶通信的私密性。

2.3 北斗/GPS混合定位的應(yīng)用研究

通過微控制器控制北斗/GPS混合定位模塊，實時監(jiān)控并選擇適宜的北斗或GPS衛(wèi)星，設(shè)計接收其星歷參數(shù)、時間信息，通過計算獲取相應(yīng)的三維位置、方向和速度等參數(shù)，之后將定位坐標信息附加在語音信號編碼中發(fā)送到接收機，通信雙方在進行語音通信的同時獲取用戶的位置定位坐標。

3 結(jié)束語

通過對系統(tǒng)的實地調(diào)試，利用微控制器及數(shù)字無線通信技術(shù)實現(xiàn)了弱信號區(qū)域應(yīng)急無線通信 建立了偏遠牧區(qū)人員與外界聯(lián)系的渠道，并且實驗室模擬所投入的成本也較低。該設(shè)計定位為小型化、集成化，應(yīng)用方便、靈活、便于攜帶，具有位置分享和方位指示等功能，不足之處是受無線傳輸信號衰減限制，信號傳輸距離有限。當然針對在西藏這一獨特地理位置地區(qū)使用，具有一定的應(yīng)用和社會價值，該通信系統(tǒng)可以用作村內(nèi)人員互相通信的工具，同時可用于無人區(qū)礦產(chǎn)探測人員信號追蹤、海洋探測人員信號通信和反饋、地震和臺風等自然災(zāi)害時的應(yīng)急通信等領(lǐng)域；無需GSM基站中轉(zhuǎn)通信，經(jīng)過進一步研究和擴充功能后，還可以應(yīng)用在陸軍野外作戰(zhàn)中，尤其是偏遠地區(qū)，供單兵作戰(zhàn)隊員隨身攜帶，戰(zhàn)時提供作戰(zhàn)情報傳遞、行軍指揮、隊員位置分享、個人生命體征實時監(jiān)控等功能。

參考文獻

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[5] 曾鎮(zhèn)城. 基于MELP的300bps語音編解碼算法設(shè)計及其DSP實現(xiàn)[D]. 上海：上海交通大學，2014.