ES2275329T3 - Metodo y dispositivo para mejorar la calidad de señales de voz transmitidas por instalaciones de comunicacion inalambricas. - Google Patents
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Abstract
Un método para transmitir una señal digital que está organizada en una secuencia de tramas hacia un receptor por un medio de transmisión, en que el método comprende los pasos de: determinar antes de ser transmitida si una trama actual en la secuencia de tramas es una trama crítica o una trama no crítica; si la trama actual es designada como trama no crítica, transmitir la trama actual no crítica de una primera manera; y si la trama actual es designada como trama crítica, transmitir la trama actual crítica de una segunda manera que es más robusta que la primera manera, en que la segunda manera es tal que hay menor probabilidad en comparación con la primera manera de que el receptor determine que la trama actual sea una trama borrada.
Description
Método y dispositivo para mejorar la calidad de
señales de voz transmitidas por instalaciones de comunicación
inalámbricas.
Esta invención se refiere a comunicaciones
inalámbricas, y más en particular, a un método y dispositivo para
mejorar la calidad de las señales de voz transmitidas por un sistema
de comunicaciones inalámbrico.
Con el fin de maximizar el uso de la limitada
anchura de banda disponible para servicios de comunicación
inalámbricos, se usan diversas técnicas de compresión y técnicas de
multiplexado en el enlace entre una estación base, que está
conectada a una red de telecomunicaciones por cable, y una
pluralidad de usuarios diferentes en unidades móviles, cada uno de
las cuales está comunicándose simultáneamente, a través de esa
estación base, con otros usuarios que pueden estar conectados bien
a una red por cable o inalámbrica. El acceso múltiple por división
en el tiempo (TDMA, del inglés "Time Division Multiple Access")
y el acceso múltiple por división de código (CDMA, del inglés
"Code Division Multiple Access") son ejemplos de dos esquemas
de multiplexado bien conocidos, usados en sistemas celulares
inalámbricos y sistemas de comunicación personal (PCS, del inglés
"Personal Communication System"). En el acceso TDMA, una trama
de tiempo es subdividida en una pluralidad de segmentos de tiempo y
una unidad móvil de usuario se comunica en transmisiones de ráfaga
por un segmento de tiempo específico a frecuencias portadoras de
enlace ascendente y de enlace descendente asociadas a la estación
base, cuya asignación de segmento de tiempo se hace cuando comienza
una llamada. Un receptor en una estación base multiplexa por
división en el tiempo las señales de voz digitales plurales
dirigidas a las unidades móviles plurales formando una señal de
enlace descendente que es transmitida a una frecuencia portadora de
enlace descendente hacia las unidades móviles. El receptor en cada
unidad móvil recupera entonces la señal de voz digital dirigida
hacia ella misma de acuerdo con el segmento de tiempo asignado a esa
unidad móvil. De forma similar, la señal de enlace ascendente
transmitida por cada unidad móvil es transmitida en un segmento de
tiempo asignado, cuya asignación de segmento de tiempo es usada por
la estación base para recuperar de forma apropiada la señal de voz
digital transmitida por la unidad móvil. En el acceso CDMA, en vez
de asignar a una unidad móvil un segmento de tiempo específico, se
asigna a una unidad móvil un código de cifrado específico que se usa
para dispersar el espectro de la señal de voz codificada sobre el
canal. Las unidades móviles plurales que están comunicándose
simultáneamente con la estación base reciben cada una la asignación
de un código de cifrado/descifrado diferente. Los códigos asociados
a cada unidad móvil son usados entonces por la estación base para
multiplexar las señales de voz de entrada digitales plurales
formando una señal de enlace descendente que es transmitida a todas
las unidades móviles. El equipo de unidad móvil usa entonces su
código de descifrado asociado para recuperar la señal de voz
digital particular dirigida a él a partir de la señal de enlace
descendente multiplexada transmitida por la estación base. La
comunicación de enlace ascendente desde las unidades móviles
plurales funciona de un modo paralelo.
Con el fin de reducir el número de bits que
representan la señal de voz digital codificada, y por lo tanto
mejorar la eficiencia de uso de la anchura de banda de frecuencia
disponible, se usan técnicas de compresión de voz en la
comunicación inalámbrica. La señal de voz analógica, que es
normalmente muestreada a una tasa de por ejemplo 8 kHz para
producir una cadena de bits con modulación por impulsos codificados
(PCM, del inglés "Pulse Code Modulation"), es subdividida en
tramas y comprimida usando un algoritmo de codificación apropiado.
En sistemas TDMA, un codificador de voz de tasa fija, tal como un
codificador mediante predicción lineal con excitación por código
algebraico (ACELP, del inglés "Algebraic Code Excited Linear
Predictive") o un codificador mediante predicción lineal con
excitación por código de suma vectorial (VCELP, del inglés
"Vector-Sum CELP"), se usa para comprimir las
muestras PCM. En sistemas CDMA, se usa un algoritmo CELP de tasa
variable. Específicamente, para el acceso CDMA, un codificador de
voz produce una salida de tasa variable basada en la actividad de
voz de la señal de voz de entrada. Durante periodos activos de voz,
el codificador de voz produce tramas de 20 ms de tasa completa.
Durante los periodos de silencio, el codificador de voz produce
tramas de 1/8 de tasa. Durante los periodos de transición entre los
periodos de habla y los periodos de silencio, el codificador de voz
produce tramas de ½ de tasa y de ¼ de tasa. Durante estas tramas de
sub-tasa, el consumo de energía se reduce a un
nivel menor que durante las tramas de tasa completa, reduciendo
ventajosamente la potencia de salida general.
En el transmisor CDMA bien en la unidad móvil o
bien en la estación base, las muestras de voz PCM son descompuestas
en tramas de 20 ms. El codificador de voz usa un método de
análisis-por-síntesis para
determinar óptimamente los parámetros para una entrada de trama de
voz PCM dada. Para cada entrada de trama de voz PCM de 20 ms, el
codificador de voz produce un conjunto de parámetros de salida que
representan la trama codificada. El codificador de voz determina
ese conjunto como un conjunto de parámetros de entrada para un
descodificador interno al codificador, que minimiza la diferencia
perceptiva entre la voz sintetizada, que constituye la salida del
descodificador interno, y la voz de entrada original. Una trama de
tasa completa codificada incluye los siguientes parámetros: los
parámetros de codificación mediante predicción lineal (LPC, del
inglés "Linear Predictive Coding"); parámetros de retardo de
paso (L, del inglés "Lag") y de ganancia de paso (b); y
parámetros de ganancia de libro de códigos (G, del inglés
"Gain") y de índice de libro de códigos (I, del inglés
"Index"). En el extremo receptor, en la unidad móvil o en la
estación base, el descodificador de voz recibe cada trama
codificada entrante y convierte cada trama de vuelta a una secuencia
de muestras de voz PCM usando la trama codificada (véase, por
ejemplo, la opción de servicio de voz IS-733 de alta
velocidad de [13 k] bits por segundo de la Asociación Industrial de
Telecomunicaciones (TIA, del inglés "Telecommunications Industry
Association")).
Como consecuencia de la susceptibilidad de los
enlaces inalámbricos a interferencias y otras condiciones
atmosféricas inherentes, una trama transmitida puede no alcanzar el
receptor bien en la estación base o bien en el equipo de unidad
móvil o puede quedar severamente corrompida por ruido o
interferencias. Cuando una trama está "perdida" o está tan
corrompida por ruido o interferencias que no puede ser
descodificada, es marcada por el receptor como borrada y no se
suministran parámetros codificados al descodificador de voz. Con el
fin de minimizar el efecto perceptivo de una trama borrada de este
tipo, se utiliza un algoritmo de enmascaramiento de tramas para
estimar las muestras PCM para la trama borrada usando una
extrapolación de los datos de una trama previa. De este modo, el
descodificador de voz usa los valores previos de los parámetros de
trama anteriormente descritos para determinar los valores actuales
de la trama borrada. Más específicamente, para sistemas CDMA de 13
k, los valores actuales de los parámetros de codificación mediante
predicción lineal (LPC) son determinados haciendo decaer los
parámetros LPC de la trama previa, en que el coeficiente de
decaimiento es una función del número de tramas de borrado
consecutivas. El valor actual del retardo de ganancia de paso (L) es
repetido a partir de la trama previa; el valor actual de la
ganancia de paso (b) es determinado a partir de la ganancia de paso
de la última trama; el valor actual de la ganancia de libro de
códigos (G) es determinado restando un entero apropiado del valor
previo de G; y el índice de libro de códigos (I) es determinado
aleatoriamente. Surge un problema, sin embargo, cuando la trama
previa a una trama borrada es de una tasa menor que la de una trama
de tasa completa. Cuando la trama previa es, por ejemplo, una trama
de 1/8 de tasa, la calidad perceptiva de voz resultante obtenida
por extrapolación de parámetros a partir de la trama de 1/8 de tasa
es pobre.
En la técnica anterior, la potencia de las
señales transmitidas por el enlace descendente desde la estación
base al equipo de unidad móvil y por el enlace ascendente desde la
unidad móvil a la estación base es controlada para minimizar la
potencia al tiempo que se mantiene una tasa de error de tramas
aceptable. En particular, en el enlace descendente, un algoritmo de
control de potencia toma una decisión de incrementar o reducir la
potencia de transmisión de la estación base en función de
información proporcionada por la unidad móvil en el enlace
ascendente. Un ejemplo de esta técnica se describe en el documento
WO 9604718. La unidad móvil vigila el enlace descendente y compila
estadísticas acerca de la tasa de error de tramas del enlace
descendente. Esta información es transportada entonces de vuelta a
la estación base por el enlace ascendente para permitir a la
estación base controlar su potencia de transmisión para mantener las
estadísticas de error deseadas del enlace descendente. En el enlace
ascendente, la unidad móvil controla su potencia de transmisión en
respuesta directa a los mensajes de mando para el control de
potencia enviados por la estación base a la unidad móvil por el
enlace de ida. El algoritmo de control de potencia del enlace
ascendente determina la dirección requerida del cambio de potencia
hacia arriba o hacia abajo de la transmisión de enlace ascendente y
la magnitud del cambio basada en la historia de las tramas
recibidas hasta el momento. La historia de las tramas recibidas por
el enlace ascendente incluye tramas buenas, tramas corrompidas, e
información de tasa de tramas.
Desventajosamente, tales esquemas de control de
potencia de la técnica anterior incrementan la potencia transmitida
por la estación base y la unidad móvil sólo después de que hayan
sido recibidas tramas corrompidas por la unidad móvil y la estación
base, respectivamente.
De acuerdo con la presente invención, definida
por el método de la reivindicación 1 y el transmisor de la
reivindicación 12, se ha reconocido que cuando una secuencia de
tramas son transmitidas desde la estación base a la unidad móvil o
desde la unidad móvil a la estación base, ciertas tramas son más
"importantes" desde la perspectiva de calidad de voz que otras
y por lo tanto deben ser transmitidas individualmente de un modo
que asegure mejor su apropiada recepción en el extremo receptor del
enlace de radio. Mediante la detección de estas tramas
"críticas" y la mejora de su robustez antes de que sean
transmitidas, será por lo tanto menos probable que cada una de
estas tramas críticas se pierda o quede corrompida cuando es
transmitida por el canal de transmisión inalámbrico. Como ejemplo,
en una realización de acceso CDMA, si los parámetros de las tramas
previas pueden ser usados por el descodificador para recrear las
muestras PCM de la trama actual sin una distorsión significativa,
la trama actual puede ser caracterizada como una trama no crítica.
Por otro lado, si los parámetros de la(s) trama(s)
previa(s) no pueden ser usados para recrear las muestras PCM
de la trama actual sin una distorsión significativa, la trama
actual es caracterizada como una trama crítica. De este modo, si una
trama de tasa completa sigue a una trama de tasa parcial, tal como
una trama de 1/8 de tasa, entonces esa trama de tasa completa
actual es identificada como una tasa crítica antes de que sea
transmitida y se mejora su robustez respecto a tramas no críticas
antes de que una trama crítica así sea transmitida. En una
realización de la presente invención en un sistema CDMA, se
determina que una trama actual es crítica o no crítica comparando
los valores de los parámetros de trama de la trama actual con los
parámetros de trama correspondientes en una trama previa y formando
una suma pesada de las diferencias correspondientes, que es entonces
comparada con un valor umbral. En esta realización, una vez que una
trama ha sido identificada como una trama crítica, se mejora su
robustez incrementando su potencia transmitida. Así, es menos
probable que se determine que esa trama crítica, cuando es
transmitida a un nivel de potencia mayor, sea borrada por un
receptor, y es más probable que alcance el extremo receptor sin ser
corrompida por ruido. Técnicas alternativas para mejorar la robustez
de una trama particular incluyen una codificación mejorada de canal
que incorpora nuevos métodos de entrelazado de bits.
La figura 1 es un diagrama de bloques que
muestra el transmisor de una estación base y el receptor de una
unidad móvil en un sistema de comunicaciones inalámbrico de acceso
CDMA de la técnica anterior;
la figura 2 es un diagrama de flujo que muestra
los pasos de la presente invención;
la figura 3 es un diagrama de bloques de un
transmisor de estación base de acceso CDMA de acuerdo con la
presente invención; y
la figura 4 es un diagrama de bloques de un
detector de tramas críticas de acuerdo con la presente
invención.
Con referencia a la figura 1, se muestra un
diagrama de bloques de un sistema inalámbrico de acceso CDMA 100 de
la técnica anterior que ilustra un transmisor 101 en una estación
base y un receptor 102 en una unidad móvil. La entrada a un
codificador de voz 103 en el transmisor 101 es una cadena de bits de
voz codificada mediante PCM, que es muestreada a, por ejemplo, una
tasa de 8 kHz. Puesto que el transmisor 101 está incorporado dentro
de una estación base y un conmutador inalámbrico, que están
conectados a la red telefónica conmutada pública (PSTN, del inglés
"Public Switched Telephone Network") (no mostrada), la propia
señal de voz es derivada de la conversión de analógico a digital de
una voz de usuario introducida desde un equipo telefónico con cable
en la red PSTN o un equipo móvil en la red inalámbrica. El
codificador de voz 103 da formato a la cadena PCM generando tramas
de 20 ms y comprime los datos de entrada usando un algoritmo de
codificación CELP de tasa variable. Durante los periodos activos de
voz, el codificador de voz 103 produce tramas de tasa completa.
Durante periodos de silencio, el codificador de voz produce tramas
de 1/8 de tasa. Durante periodos de transición entre los periodos
de habla y los periodos de silencio, el codificador de voz 103
produce tramas de ½ ó ¼ de tasa. Para cada entrada de trama PCM de
20 ms, el codificador de voz 103 produce una trama codificada que
consta de un conjunto de parámetros de salida. Una trama de tasa
completa codificada incluye los siguientes parámetros: parámetros
de codificación mediante predicción lineal (LPC); parámetros de
retardo de paso (L) y de ganancia de paso (b); y parámetros de
ganancia de libro de códigos (G) y de índice de libro de códigos
(I).
La trama codificada de banda base es convertida
entonces en una señal de banda de radiofrecuencia por un codificador
de canal 104, que usando una tecnología CDMA bien documentada
(véase, por ejemplo, el estándar TIA IS-95B,
"Mobile Station - Base Station Compatibility Standard for
Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular
System"), modula la señal usando un código de cifrado
específicamente asignado cuando la llamada fue iniciada. Un
controlador de potencia 105 controla la potencia de salida del
codificador de canal 104 de acuerdo con la tasa de la trama que
está siendo transmitida y las estadísticas de tasa de error de
tramas de la señal recibida por el receptor 102, que retornan a la
estación base a través de una señal de enlace ascendente desde la
unidad móvil a la estación base. Cuando la tasa de error de tramas
(FER, del inglés "Frame Error Rate") aumenta, esa información
de tasa FER retorna a la estación base y su potencia de salida es
incrementada. La señal de salida del codificador de canal 104
consta de una secuencia de tramas de 20 ms, en que cada trama es o
bien una trama de tasa completa o una trama de
sub-tasa dependiendo de si la señal de entrada
representa un periodo activo de voz, un periodo de silencio o un
periodo de transición. El controlador de potencia 105 también ajusta
la potencia de salida del codificador de canal 104 de acuerdo con
la tasa de la trama que está siendo transmitida, siendo la potencia
de salida durante una trama de tasa completa mayor que la potencia
de salida durante una trama de sub-tasa.
La salida del codificador de canal 104 es
transmitida a través de la antena 106 por el aire a la unidad móvil,
que recibe las tramas secuenciales de datos de voz comprimidos a
través de una antena 107. En el receptor 102 en la unidad móvil, un
descodificador de canal 108 descifra la secuencia codificada de
tramas y desmodula la señal CDMA generando una secuencia de
parámetros de banda base. Cada trama de parámetros es introducida
en un descodificador de voz 109, que convierte estos parámetros en
una cadena de muestras PCM, que son descodificadas mediante
circuitería de conversión de digital a analógico (no mostrada)
generando una señal de voz que es audible para el usuario de la
unidad móvil.
Aunque no se muestra, queda fácilmente claro que
la unidad móvil también incluye un transmisor que incluye un
codificador de voz, un codificador de canal y un controlador de
potencia, para transmitir una señal de enlace ascendente a un
receptor en la estación base. Esta última también incluye por lo
tanto un receptor que consta de un descodificador de canal y de un
descodificador de voz.
En este sistema de la técnica anterior, cuando
un receptor (en la unidad móvil o la estación base) determina que
una trama es borrada debido bien a no ser recibida o bien como
resultado de un error detectado alto por ruido o interferencias, el
descodificador usa un algoritmo de enmascaramiento de tramas para
obtener por extrapolación los valores actuales de los parámetros
recibidos a partir de los correspondientes parámetros en una trama
o tramas previas. Por ejemplo, para codificadores CELP de acceso
CDMA de 13 k, los valores actuales de los parámetros de
codificación mediante predicción lineal (LPC) son determinados
haciendo decaer los parámetros LCP de la trama previa, en que el
coeficiente de decaimiento es una función del número de tramas de
borrado consecutivas. El valor actual del retardo de paso (L) es
repetido a partir de la trama previa, y el valor actual de la
ganancia de paso (b) es determinado a partir de la ganancia de paso
de la última trama. El valor actual de la ganancia de libro de
códigos (G) es determinado restando un entero apropiado del valor
previo de G, y el índice de libro de códigos (I) de la trama actual
es determinado aleatoriamente.
En este sistema de la técnica anterior, cuando
la trama previa a una trama borrada es una trama de
sub-tasa, o cuando los parámetros de la trama
previa a una trama borrada son ampliamente diferentes de los
parámetros originales de la trama borrada, un receptor bien en la
unidad móvil o bien en la estación base no puede obtener por
extrapolación los valores de parámetros de la trama borrada a partir
de la trama previa con ningún grado de precisión. La señal de voz
resultante es por lo tanto pobre, y puede ser inaudible para el
usuario receptor.
De acuerdo con la presente invención, se ha
determinado que ciertas tramas son más importantes que otras tramas
desde la perspectiva de calidad de voz. Estas tramas
"críticas", una vez identificadas, son transmitidas entonces
por el transmisor dentro de la estación base y/o la unidad móvil de
una manera que incrementa su robustez frente a ruido e
interferencias hasta un grado que es mayor que el asociado a las
otras tramas no críticas. De este modo, sólo aquellas tramas
particulares que son definidas como críticas antes de ser
transmitidas están sujetas a tratamiento especial para reducir la
probabilidad de que sean borradas. Pueden usarse diversos criterios
para determinar si una trama actual debe clasificarse como trama
crítica. Por ejemplo, si los parámetros de la trama o tramas
previas pueden ser usados por el descodificador de voz para recrear
las muestras PCM de la trama actual sin distorsión significativa,
la trama actual puede ser caracterizada como una trama no
importante. En este caso, la trama actual puede ser definida como
trama "no crítica". Por otro lado, si los parámetros de la
trama o tramas previas no pueden ser usados para recrear las
muestras PCM de la trama actual sin distorsión significativa, la
trama actual es caracterizada como trama "crítica". Por
ejemplo, es probable que la trama de tasa completa que sigue a una
trama de sub-tasa en una secuencia de tramas sea
caracterizada como trama crítica dado que, como se ha indicado
previamente, si el receptor determinara que esa trama de tasa
completa sea borrada, sería difícil, si no imposible, obtener por
extrapolación los parámetros de esa trama de tasa completa a partir
de la trama de sub-tasa previa con algún grado de
precisión o con alguna calidad de voz aceptable.
Una vez detectada la trama crítica, entonces, de
acuerdo con la invención, esa trama es transmitida de una manera
que incrementa su robustez frente a ruido e interferencias en el
canal de comunicación inalámbrico. En la realización particular
preferida descrita aquí, una trama crítica es protegida frente a
ruido de canal, amortiguamiento e interferencia por el incremento
de su potencia de transmisión a un nivel superior a la potencia de
transmisión de salida para tramas no críticas. De este modo, con su
potencia de transmisión incrementada, es menos probable que la
trama crítica sea borrada por un descodificador en el receptor.
Además, al incrementar la potencia de salida de sólo aquellas
tramas individuales determinadas como críticas, el efecto global en
la potencia de salida total del transmisor es pequeño. Pueden usarse
también otros métodos diferentes al incremento de la potencia de
transmisión de salida de una trama crítica para proteger una trama
crítica de este tipo. Ejemplos de tales métodos son usar un método
más robusto de codificación de canal incorporando nuevos métodos de
entrelazado de bits.
La figura 2 ilustra los pasos de la presente
invención. En el paso 201, una trama es identificada como crítica
antes de ser transmitida. En el paso 202, esa trama crítica es
transmitida usando un mecanismo robusto por, como ejemplo
ilustrativo, incremento de la potencia de salida, o usando un
esquema de codificación de canal más robusto.
Con el fin de identificar una trama como
crítica, se implementa un algoritmo en el codificador de voz en el
transmisor en la estación base y en la unidad móvil. El algoritmo
identifica las tramas críticas, ya estén al comienzo de una palabra
hablada, dentro de una palabra hablada o al final de una palabra
hablada. Un bit extra, denominado "bit crítico" es asociado a
cada trama de tasa completa para indicar que esa trama es crítica.
Este bit crítico es activado para cada trama que es identificada
como crítica, y es desactivado para las tramas no críticas. En la
realización preferida descrita aquí, una trama es identificada como
crítica comparando los parámetros de la trama actual con los
correspondientes parámetros de una trama previa. Específicamente,
se forma una suma pesada de las diferencias entre los parámetros de
trama de una trama actual y aquellos mismos parámetros en una trama
previa. Un valor \Delta se calcula entonces como sigue:
(1)\Delta= W1
\bigparallel
LPC(n)-LPC(n-1)
\bigparallel + W2 \bigparallel
L(n)-L(n-1)
\bigparallel + W3 \bigparallel
b(n)-b(n-1)
\bigparallel + W4 \bigparallel
G(n)-G(n-1)
\bigparallel
donde ||x|| representa el valor
absoluto de x y
donde
- n:
- se refiere a los parámetros de la trama actual;
- n-1:
- se refiere a los parámetros de la trama previa;
- LPC, L, b, G:
- son los parámetros de trama que representan cada trama; y
- W1, W2, W3, W4
- son coeficientes de peso para las diferencias en los parámetros LPC, L, b, y G de trama, respectivamente, que están asociados a la trama actual y a la trama previa.
Una vez calculado \Delta, es comparado con
\Delta_{umbral}. Si \Delta > \Delta_{umbral}, entonces
la diferencia entre la trama actual y la trama previa es tan grande
que la trama actual es clasificada como trama crítica. De este
modo, como se ha descrito anteriormente, si la trama fuera borrada,
el receptor sería incapaz de obtener por extrapolación los
parámetros de trama de la trama actual a partir de la trama previa
con un grado de precisión satisfactorio en cuanto a la audición. De
este modo, una vez que una trama actual ha sido designada como
crítica, se activa el bit crítico para esa trama crítica. Si
\Delta <= \Delta_{umbral}, la trama actual es una trama no
crítica y el bit crítico es desactivado.
Los coeficientes de peso W1, W2, W3 y W4 son
normalizados para variar entre 0 y 1. Están relacionados entre sí y
pueden ser seleccionados como un conjunto usando un método iterativo
como sigue.
- 1.
- El conjunto (W1, W2, W3, W4) es inicializado a (0,5; 0,5; 0,5; 0,5).
- 2.
- \Delta_{umbral} es igualado a 1 para un conjunto normalizado de coeficientes de peso entre 0 y 1.
- 3.
- Usando un conjunto de señales de voz con balance extremo (voz que incluye todas las componentes de frecuencia desde 0 kHz a 4 kHz), tal como por ejemplo frases habladas de cinco hablantes femeninos y cinco masculinos, el codificador CELP es usado para codificar estas señales de voz para producir las tramas codificadas, en que X es el número resultante de tramas codificadas.
- 4.
- Usando el algoritmo de la ecuación (1), las tramas críticas son identificadas usando los valores iniciales de (W1, W2, W3, W4) y \Delta_{umbral}=1. Y es el número total resultante de tramas críticas.
- 5.
- Suponiendo una tasa de error de tramas del 3%, que es la tasa FER a la cual la mayoría de los usuarios perciben una degradación en la calidad de voz recibida, 0,03X tramas son borradas de las X-Y tramas no críticas. Un modelo de canal para el sistema CDMA se usa para identificar las 0,03X tramas borradas.
- 6.
- El descodificador CELP se usa entonces para descodificar todas las X tramas, después del proceso de borrado, para producir una salida que es la versión codificada/descodificada de la señal de voz.
- 7.
- La calidad de voz de la voz de salida procedente del descodificador es evaluada entonces subjetivamente.
- 8.
- Los pasos 1-7 son repetidos entonces con diferentes valores de los coeficientes de peso, cambiando un coeficiente de peso cada vez cuando los otros tres permanecen constantes.
El conjunto de pesos (W1, W2, W3, W4) que
producen la calidad de voz más alta es el usado en el algoritmo de
identificación de tramas críticas de la ecuación (1).
Con referencia a la figura 3, se muestra un
diagrama de bloques de un transmisor 301 en una estación base de un
sistema CDMA de acuerdo con la presente invención. Una cadena de
entrada de muestras de voz codificadas mediante PCM es introducida
en un codificador de voz 302. Al igual que hace el codificador de
voz 103 de la figura 1, el codificador de voz 302 da formato a la
cadena PCM generando tramas de 20 ms y comprime los datos de
entrada usando un algoritmo de codificación CELP de tasa variable.
Durante periodos activos de voz, el codificador de voz 302 produce
tramas de tasa completa. Durante periodos de silencio, el
codificador de voz 302 produce tramas de 1/8 de tasa. Durante
periodos de transición entre los periodos de habla y los periodos
de silencio, el codificador de voz 302 produce tramas de ½ o ¼ de
tasa. Para cada entrada de trama PCM de 20 ms, el codificador de
voz 302 produce una trama codificada que consta de un conjunto de
parámetros de salida. Una trama de tasa completa codificada incluye
los parámetros anteriormente descritos de codificación mediante
predicción lineal (LPC), retardo de paso (L), ganancia de paso (b);
ganancia de libro de códigos (G) e índice de libro de códigos (I).
Estos parámetros de trama que son la salida del codificador de voz
302 para cada trama son introducidos tanto en un codificador de
canal 303 como en un detector de tramas críticas 304. El detector
de tramas críticas 304 forma la suma pesada de las diferencias entre
los parámetros de trama de la trama actual y los correspondientes
parámetros de trama de una trama previa. En la realización
preferida, la trama previa es la trama que precede inmediatamente a
la trama actual. Usando el algoritmo de la ecuación (1) anterior,
el detector de tramas críticas 304 computa \Delta y lo compara con
\Delta_{umbral}, en que este último está normalizado a 1, como
se ha descrito aquí con anterioridad. Si la trama actual ha sido
designada como trama crítica por el detector de tramas críticas 304,
el bit crítico es activado en la cadena de bits y la cadena de bits
con el bit crítico activado es introducida en un controlador de
potencia 305.
La salida con formato de tramas del codificador
de voz 302 es introducida en un codificador de canal 303 que, como
hace el codificador de canal 104 en la figura 1, convierte la salida
de banda base del codificador de voz 302 en una señal de
radiofrecuencia usando tecnología CDMA. La salida del codificador de
canal 303 es transmitida por la antena 306. La potencia de salida
de la señal transmitida por el codificador de canal 303 es
controlada por el controlador de potencia 305. Como para el
transmisor de la técnica anterior, el controlador de potencia 305
controla la potencia de salida de la señal transmitida en función
tanto de si la trama transmitida es una trama de tasa completa o de
sub-tasa, como de las estadísticas de tasa de error
de tramas. De acuerdo con la realización preferida de la presente
invención, sin embargo, el controlador de potencia 305 también
controla la potencia de salida del codificador de canal, sobre una
base de trama por trama, en función de si cada trama está designada
o no como trama crítica. De este modo, cuando el bit crítico en la
cadena de bits de salida del detector de tramas críticas 304 es
detectado por el controlador de potencia 305 como activado, el
controlador de potencia 305 incrementa la potencia de transmisión de
salida del codificador de canal 303 para esa trama y la reduce a su
nivel de potencia de salida normal para cada trama en la cual el bit
crítico está desactivado.
La figura 4 es un diagrama de bloques del
detector de tramas críticas 304 de la figura 3. Una salida de tramas
del codificador de voz 302, que consta de los parámetros de trama
de la trama actual, es introducida en una memoria intermedia 401,
que almacena la trama actual (n) y la compara con los parámetros de
trama de la trama previa
(n-1) almacenada en una memoria intermedia 402. Una suma pesada es formada a partir de las diferencias entre los parámetros de trama de la trama actual y los de la trama previa por el sustractor 403, para producir un \Delta, que es comparado con \Delta_{umbral} por el comparador 404. Cuando la siguiente trama actual nueva es introducida en la memoria intermedia 401, la última trama actual es desplazada a la memoria intermedia 402 y el bit activado o desactivado de salida recién determinado del comparador 404 es adjuntado a la trama que sale de la memoria intermedia 401 por el registro 405 para formar la entrada al controlador de potencia 305.
(n-1) almacenada en una memoria intermedia 402. Una suma pesada es formada a partir de las diferencias entre los parámetros de trama de la trama actual y los de la trama previa por el sustractor 403, para producir un \Delta, que es comparado con \Delta_{umbral} por el comparador 404. Cuando la siguiente trama actual nueva es introducida en la memoria intermedia 401, la última trama actual es desplazada a la memoria intermedia 402 y el bit activado o desactivado de salida recién determinado del comparador 404 es adjuntado a la trama que sale de la memoria intermedia 401 por el registro 405 para formar la entrada al controlador de potencia 305.
Aunque se ha descrito en conexión con un
transmisor en una estación base, la presente invención puede usarse
de un modo similar al descrito anteriormente, en un transmisor en
una unidad móvil. Además, la presente invención puede usarse en un
sistema TDMA al igual que en el sistema CDMA descrito, y en otros
tipos de sistemas de radio inalámbricos conocidos ahora o que
puedan desarrollarse en el futuro. Adicionalmente, como se ha
indicado previamente, pueden usarse también otros métodos para
mejorar la robustez de aquellas tramas designadas como críticas,
tales como por ejemplo usar un algoritmo de codificación de canal
más robusto para cada una de tales tramas críticas.
Aunque se ha descrito aquí en conexión con la
mejora de la calidad de voz de una señal transmitida por
instalaciones inalámbricas, la presente invención puede también
aplicarse a la mejora de la transmisión de cualquier señal digital
que represente voz, vídeo o datos, en que la pérdida de ciertas
tramas tenga un mayor impacto que otras en la calidad de la señal
recibida.
Claims (12)
1. Un método para transmitir una señal digital
que está organizada en una secuencia de tramas hacia un receptor
por un medio de transmisión, en que el método comprende los pasos
de:
determinar antes de ser transmitida si una trama
actual en la secuencia de tramas es una trama crítica o una trama
no crítica;
si la trama actual es designada como trama no
crítica, transmitir la trama actual no crítica de una primera
manera; y
si la trama actual es designada como trama
crítica, transmitir la trama actual crítica de una segunda manera
que es más robusta que la primera manera, en que la segunda manera
es tal que hay menor probabilidad en comparación con la primera
manera de que el receptor determine que la trama actual sea una
trama borrada.
2. El método según la reivindicación 1, en que
dicho medio de transmisión es un medio de transmisión
inalámbrico.
3. El método según la reivindicación 1 o la
reivindicación 2, en que el paso de determinar si la trama actual
es una trama crítica o una trama no crítica comprende el paso
de:
comparar la trama actual con al menos una trama
previa en la secuencia de tramas.
4. El método según la reivindicación 3, en que
el paso de comparar la trama actual con la al menos una trama
previa comprende los pasos de:
determinar las diferencias entre una pluralidad
de valores asociados a la trama actual y una correspondiente
pluralidad de valores asociados a la al menos una trama previa;
formar una suma pesada de las diferencias; y
comparar la suma pesada con un umbral predeterminado.
5. El método según la reivindicación 4, en que
dicha transmisión emplea acceso múltiple por división de código y
dichos valores asociados a la trama actual y la al menos una trama
previa son parámetros de trama que representan una versión
codificada con compresión de la trama respectiva.
6. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 3 hasta 5, en que la al menos una trama previa es
la trama que precede inmediatamente a la trama actual.
7. El método según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en que si la trama actual es designada
como trama crítica, es transmitida a un nivel de potencia más alto
que aquel al que es transmitida una trama no crítica.
8. El método según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en que si la trama actual es designada
como trama crítica, es transmitida con un algoritmo de codificación
de canal que es más robusto que el algoritmo de codificación usado
para transmitir una trama no crítica.
9. El método según la reivindicación 8, en el
que el algoritmo de codificación de canal más robusto incorpora
entrelazado de bits.
10. El método según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, llevado a cabo dentro de una unidad
móvil.
11. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 hasta 9, llevado a cabo dentro de una estación
base.
12. Un transmisor para transmitir una señal
digital que está organizada en una secuencia de tramas hacia un
receptor por un medio de transmisión que comprende medios dispuestos
para llevar a cabo un método según se reivindica en cualquiera de
las reivindicaciones precedentes.
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