CN1249872A - 尤其在gsm传输中的用于错误掩蔽的帧错误检测的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于帧错误检测的方法,利用此方法一个帧被描述为错误的,如果一个确定的逻辑组合满足几个不同的比较标准。利用这个方法帧错误检测是可能的,特别对于采用参数的源编码方法实现较高的可靠性是可能的。

Description

尤其在GSM传输中的用于错误掩蔽的 帧错误检测的方法和设备

本发明涉及了一个用于在数据传输帧中检测帧错误的方法，以及执行该方法的设备。

为了很好的利用用于使用的传输信道的有限能量，在数据传输之前在发送设备中就执行了源代码特别是对于图象、音频和声音传输，这是为了从这些数据中清除多余信息以及压缩将要被传输的数据。当前用于传输的数据首先在所谓的帧中被均分。这些帧可以是有确定期限的时隙，而且也可以是光谱范围或图象片段。然后在源代码中计算得到参数，这个参数尽可能好的描述和确定了将被传输的数据。在这种情况下称之为参数化的源代码。在声音编码的情况时一个相应例子就是GSM全频编码。对于声音源代码来说所得到的参数也被称作语音系数。

对于这种压缩数据的传输来说在较差的信道条件下尽管有保护措施，象信道编码，错误仍能出现，例如接收的声音被严重干扰同时其可理解性也被丢失了。因此举例来说在GSM标准中所有接收的语音帧首先利用帧错误检测标准分类为好或者坏。坏的帧由一个通常是从一个或几个以前接收的“好的”帧中利用外推法获得的帧来替换。于是在语音中的干扰能够被减低并且语音可理解性被保持了。

举例来说在GSM全频率传输时在帧中的语音以每20ms为一段被细分同时每个帧利用全频或增强全频代码被压缩在260位中。根据重要性排列为等级1a、等级1b和等级2的位。此外等级1a的50位通过3位奇偶校验被确认。如果CRC(循环冗余检测)产生了一个错误，于是这个帧被认为是坏的。这个3位奇偶校验对于全频语音代码对错误检测有大约7/8的可靠性，也就是说，有可能好的帧被检测为坏的或者倒过来，在移动电话的扬声器中可以听到一个被检测成好的坏帧通常是一个清晰的破裂声。

因此本发明基于这样一个任务，给出一个帧错误检测的方法和实现这个方法的设备，利用这个方法帧错误能够被准确的检测出来。其中目标是，具有好品质的帧被检测为好的，而坏的帧被检测为坏的。

这个任务通过一个具有权利要求1的特征的方法来解决。这里如果一个确定的逻辑组合满足多个不同的标准，这个帧被认为是错的。其中一个标准中至少有一个所谓的比较值，这个比较值是在接收设备中和一个预先给定的阈值进行比较而得出的。当这个阈值被超过或者未被超过时，这个标准可以执行。

根据本发明的一个有利的设计方案这个比较值通过一个数学函数被计算出来，这个数学函数的自变量可以是测量值或者可以是在数字处理内部产生的值。

此外本发明的一个其他的有利设计规定，除此以外至少一个计算得出的比较值要依赖于帧能量或者依赖于针对前一个帧的帧能量的变化。其中这个帧能量也可以估算。这种估算可以借助于由计算得出的参数来得到，特别是当在发送设备中的数据传输内部执行了一个参数化的源编码的时候。这样得到一个针对帧能量的估算值是可能的，而不一定必须执行源编码。因此本方法通过它较小的复杂性而出众。

在本发明的另外一个设计中，对于在发送设备里数据传输内部执行的一个参数化源编码，至少有一个这样计算得出的参数或者针对前一个帧的相应参数的变化被应用来计算得出至少一个上面所说的比较值。

此外一个其他的优选的设计方案规定，至少一个这种比较值是建立在这种循环冗余检测(CRC)基础上的。

通过在GSM系统方案中引进本发明可以不依赖于所采用的语音编码(全频-，半频-或者增强全频编码)获得一个重要的语音质量修正。

本发明的其他设计由从属权利要求给出。实现本发明的装置在权利要求11到15中给出。

图1用于解释本发明的实现形式，该图给出了依照本发明用于帧错误检测的方法的优选实现形式的方块图。图2给出了依照本发明的设备的实现形式的概略构造。

接下来借助优选的实施例并且用图1和图2详细说明了本发明。

接收的数据(RD)首先以有利的方式通过信道编码(CD)。然后通过循环冗余检测(CRC)同时根据检测结果确定比较值F_CRC。另外根据在发送设备里利用参数化的源编码方法获得的参数(PD)估算帧能量(EE)并计算该能量针对前一个帧的能量的变化(DE)并且由此确定比较值F_E。此外参数(PD)针对前一个帧的相应参数的变化(DP)被计算得出并且由此确定比较值F_C。比较值F和阈值进行比较同时比较操作逻辑上互相连接在一起(LC)。根据逻辑连接的结果这个帧被说明为好或者坏。一个说明为坏的帧在有利的方式中通过设置BFI标志(坏的帧标志)被标明。紧接着这个坏的帧在源代码中通过一个通常利用外推法从一个或多个上次所接收的“好的”帧而得到的帧来替换。因此在源代码(QD)中利用参数(PD)能够在很大程度上重建原始数据。

对于一个依照本发明方法的特殊实现形式来说在发送设备上的数据传输内部执行了一个参数化的语音编码方法，例如GSM-全频-，半频-或者增强的全频编码。

在接收设备里获得的比较值F其中是以有利的方式按下面的在接收终端里执行的计算为依据的：

a)CRC(F_CRC)

b)估算帧能量，特别是帧能量的绝对值和两个相邻帧之间的来源于语音系数的变化(参数化源编码的参数)(F_E)。

c)其他几个语音系数(参数化源编码的参数)和其相邻帧之间的变化(F_C，F_CLAR，F_CX，F_CN)。

在有利的方式下对于一个范围定义在0(好)到100(坏)的比较值来说，可以确定阈值例如是95。如果至少一个得到的比较值高于阈值或者多个比较值之和高于一个较高的阈值例如150，那么这个帧就称为坏的，反之就是好的。如果一个帧被说明是坏的，BFI标志(坏的帧标志)被置位。

在采用GSM全频语音编码时各个比较值在优选方式中依照下面步骤获得。

A)CRC-比较值F_CRC

接收到的经过译码的奇偶位和利用接收的经过译码的50个等级为1a的位得到的奇偶位进行比较。如果两者之间不一致，CRC-比较值F_CRC被设置成一个值例如F_CRC＝100(坏的帧)，或反之F_CRC＝0。

B)能量比较值F_E＝F_E1+F_E2

●利用一个帧的76个语音系数得到能量估算，

一个20ms的语音帧的能量在语音译码之前是不可知的。为了不必执行两次语音译码，帧能量E_Ges借助于76个语音系数来估算。能量估算以有利的方式按照下面步骤得到的：

首先一个所谓的能量E_rest根据下面的公式按5ms的子帧m来被确定(m＝0，1，2，3) $E_{\mathrm{rest}}\left(m\right)=\underset{i=0}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{X_m\left(i\right)-3.5}{4}\right)}^2*{{X^{\′}}_{\max }}^2---\left(1\right)$

这里X’_max描述了反对数(delogarithmisierten)的系数X_max(块振幅)以及X_m(i)子帧m的超前脉冲[1]。

紧接着下一步以粗略的近似获得当前子帧m的能量E_Subfr。其中是借助于LTP-延迟N和近似比例q_b，把带有q_b加权的倒数第三个，倒数第二个或倒数第一个的子帧能量加上能量E_rest来获得。

  E_Subfr(m)＝E_rest(m)+q_b·E_Subfr(m-l)    (2)

接下来考虑子帧的有利划分m-l(l＝1，2，3；m-l＜0，这一点适合以前的最后被评定为“好的”完整帧的子帧m-l+4)和依赖于LTP-延迟N(9.，26.，43.和60.系数，每次总是用7个位来量化)的加权qb和值b(10.，27.，44.和61.系数，每次总是用2个位量化)：[1]

b	qb
		0123	0.10.350.651.0

表.1：对应于等级q的系数b的划分

延迟N	子帧    (m-l)
		＜＝6061..100＞＝101	m-1m-2m-3

表2：对应于子帧的数量，系数N的划分能量E_Subfr是针对每5ms为一段的4个子帧来确定的。如果在前面出现的帧(设置了BFI标志)里确定了一个错误，则参照上一次好的帧，这样其中每一个不完善帧的能量举例来说就被减少了20％。

最后的信号在还原之前的能量E_HP是如下计算的： $E_{\mathrm{HP}}\left(m\right)=E_{\mathrm{Subtr}}{\left(m\right)}^{*}\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Π}}}\frac{1}{{1-r_m\left(i\right)}^2}---\left(3\right)$

这里r_m(i)是一个由LAR系数计算得出的反射系数。相应4个子帧的能量E_HP被相加并且计算得出一个帧在通过低通滤波器进行信号还原之前的总能量。这个能量被取对数并且最后用这个能量减去23(随机选择)。数值0dB相当于一个非常小的背景噪声。 $E_{\mathrm{Log}}={10}^{*}{\log }_{10}\left(\underset{m=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{HP}}\left(m\right)\right)-23\left[\mathrm{dB}\right]---\left(4\right)$

●通过高通滤波器能量变动很小。因此可得出

        E_Ges≈E_Log                        (5)

●确定能量比较值F_E＝F_E1+F_E2

i)F_E1：由多个语音检测测量得出，语音信号的这个能量E＝E_m(E_m＝当前帧的能量E_ges)不超过准确值例如57dB并且大于48dB。F_E1计算的一个实际例子以下述方式给出

ii)F_E2：在当前帧和前一个帧之间的能量变化ΔE＝|E_m-E_m-1|在通常情况下小于一个确定的限制值ΔE_max。然而这个变化是依赖于绝对能量E_m。如果有一个较大的变化产生，则非常可能是在信道中出现了一个传输错误。另外能量变化也有一个限制值ΔE_selten，这个能量变化的限制值非常小(例如小于5％)。在下表中给出了两个限制值可能的实际数值，这里绝对能量在5dB这列中被说明为min{E_m-1，E_m}。

min{Em-1，Em}         [dB]	＜5	＜10	＜15	＜20	＜25	＜30
							ΔEmax               [dB]	42	39	36	30	27	24
ΔEselten            [dB]	22	19	18	17	15	14

min{Em-1，Em}        [dB]	＜35	＜40	＜45	＜50	＜55	＜57	ab 57
								ΔEmax               [dB]	20	16	12	9	6	3	0
ΔEselten             [dB]	12	9	6	4	3	1	---

表3.依赖于语音帧绝对能量的最大被允许的能量变化和出现的小能量变化(利用这个值计算能量比较值，这个比较值是当前语音帧错误概率的大小)

F_E2计算的一个可考虑的实际方案列出如下：

能量比较值F_E的最大值在有利的方式下被限制在100。

C)系数比较值F_C、F_CLAR、F_CX、 F_CN得到了语音帧的统计调查，由GSM-全频语音代码产生的76个语音系数中的一些仅仅有很小的变化，如由LPC-分析得到的8个LAR系数和由RPE-分析得到的4个X_max系数。因此可以应用帧错误检测系数的这种相互关系。如果这种变化大于一个确定的值，则有很大的概率归因于信道错误。4个LTP-延迟系数占有特殊作用，这种系数所允许的绝对值域是被限制的。如果接收的值在这个值域之外，则可以考虑进行帧错误检测。

-在优选的方式中系数比较值可以用下面方式来确定：

i)F_CLAR：在进行能量观测时给出系数变化的最大值。如果变化很大，系数比较值F_CLAR被设为100。此外还有一个变化，这个变化显得很小(当小于5％的情况时)。在这两个值之间系数比较值F_CLAR由0到100线性增加。在下面这个表里给出了这8个LAR系数变化值的可能分布：

系数LAR	1	2	3	4	5	6	7	8
									值域ΔmaxΔselten	0-633124	0-633124	0-311512	0-311512	0-1586	0-1586	0-7--4	0-7--4

表4：值域，依赖于语音系数号码的最大允许的变化和可得到的小变化(由这个值计算系数比较值，这个系数比较值是当前语音帧错误概率的大小)。

由于LAR系数7和8对语音的清晰度不是特别重要，如果变化为5-7则系数比较值F_CLAR被设成40，如果变化是4，则设置为20。然而系数比较值F_CLAR根本不会被设置为100，因为不会给出最大的允许的Δ_max由于一个大的变化是信道错误的指示并且这些错误大部分是一起出现(衰减)，因此在一定程度上考虑LAR系数7和8。因此有一个针对系数标准的附加值，这个附加值使准确判断信道错误成为可能。上表的第二行给出了LAR系数所采用的值域。

ii)F_CX：由每个子帧计算得出系数X_max(块振幅)，也就是说，分四次提取每个20ms帧。一方面在几个子帧之间计算四个X_max变化的和。如果这个值大于64，系数比较值F_CX被设置为100，对于在48到64之间的值按0到100的线性增加计算。另一方面确定四个变化的最大值。如果大于31，系数比较值F_CX被设置为100并且在24到31之间的值按0到100线性增长。

iii)F_CN：LTP延迟N利用7个位来量化并且因此有一个从0到127的值域。然而根据LTP分析的定义只允许范围在40到120。因此一个由0...39或121...127的值在任何情况下都是由于有信道错误产生的。因为这种值差不多总是在等级为1a的位里描述了一个错误(LTP系数中7位里的6位是等级为1a的位，所以只有120到121的值变化是没有在1a位中的错误)，所以这种值总是很好的指示了在等级1a中的错误。这种错误是一个特别的干扰。于是系数比较值F_CN以有利的方式并且简单的由下面来定义

iv)F_C：值F_CLAR，F_CX，F_CN被累加并且算出系数比较值F_C。在优选方式中其最大值被限制在140。

因为对于这个变化总是一个当前值和一个以前值比较，如果错误参数被存储并且因此作为比较值用于下一个帧，则错误传播的危险总是存在。因此在下一次帧错误能够被检测出来，虽然这个接收的位总是正确的。为了尽可能的排除错误传播的可能性一个错误的已经存储了的比较值应该以有利的方式由一个新的值来避免。于是在有利的方式下这个旧值在存储之前被修正。对于旧值存储的一个有利的解决办法在下面得以描述。首先其中输入LAR系数的1-6位。如果两个LAR值的变化大于表4中所给出的最大值，则下面的值被存储

这里LAR_s是存储的新值，LAR₀是旧值和LAR_akt是当前接收的值。通过这种计算考虑到了在相应方向上产生的微小变化。在表中给出的两个值之间的变化适应于LAR_s[i]＝(2^*LAR₀[i]+LAR_akt[i])/3    i∈{1...6}    (10)

这里LAR_akt是当前帧值。如果这个旧的已经存储的值＜4并且变化至少为4，则对于LAR系数7和8这个值被设置为3，如果这个旧的已经存储的值＞＝4则设为4。因此对于下面一个帧F_CLAR根据LAR系数7和8被增加的概率是非常小的。基于非重要系数的错误传播被特别的干扰。

对于所有8个LAR系数如果变化小于Δ_selten则LAR_S[i]＝LAR_akt[i]。

对于系数X_max将考虑在第3和第4子帧之间的系数。如果这个系数最高是20，则第四子帧的值被存储用于下面一个循环，其他情况下将构造来源于旧的已经存储的值和四个当前值的中间值。

对于专业人员来说，这里描述的依照本发明的方法的实际形式也适用于对其他的特殊参数的源编码方法，例如半频编码或增强的全频编码而且适用于音频和图象源编码，在此匹配于每次传输的数据形式的帧能量和参数的比较值被计算出来。

一个相应于依照本发明的方法的设备，设计了一个数字式处理器(MD，MC，ML，MI)，这个处理器利用一个程序内部的运算步骤计算上面提到的比较值并且把这个比较值和阈值进行比较。此外这个数字式处理单元和这种比较操作按照逻辑互相连接，如果这个上面提到的逻辑组合是满足的，就设置一个标志(BFI)。另外为了能够实现相应的比较，这个处理器计算出了当前存储值。

此外依照本发明的设备，其优选的实际形式的这个数字式信号处理单元(MCRC，ME，MP)执行CRC并且计算参数，这个数据传输内部的参数是通过一个参数的原编码方法被计算同时借助这个参数估算帧能量。

此外一个另外的依照本发明的设备支配存储器(MS)来存储可能发生的修正的参数，这个参数被重复用于以后的计算，为了能够实现相应的比较。

举例来说技术人员借助于合适的软件模块实现这个提到的用于构造一个所描述的布置和设备的装置，这个软件模块运行在处理器上，这种处理器通常情况下是存在于所述方式的通讯终端里。依照本发明方法的描述使技术人员不需要重复构造一个这种软件模块。

在这个中请的文件中下面的文本被引用：

[1]GSM介绍06.10，第三章.

Claims (15)

1.用于帧错误检测的方法，其特征是，如果一个确定的逻辑组合满足标准，其中至少有一个把阈值和接收设备中用来计算的比较值进行比较得到的标准，帧被说明为坏的。

2.根据权利要求1的方法，其特征是，至少一个接收设备中用来计算的比较值通过数学函数被计算，除此以外该函数的自变量是来源于接收设备中其他用于计算的值。

3.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，除此以外至少一个用于计算的比较值是依赖于可能的已估算的帧能量和/或依赖于针对前一个帧相应的可能的已估算的帧能量的变化。

4.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，除此以外至少有一个用于计算的比较值是依赖于通过数据传输内部执行的参数源编码方法来计算确定的参数和/或依赖于针对前一个帧相应参数的变化。

5.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，除此以外至少一个用于计算的比较值是基于CRC的。

6.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，除此以外至少一个用于计算的比较值通过一个线性组合依赖于下面的值，基于CRC的值和/或基于可能的已估算的帧能量的值和/或针对前一次帧可能的已估算的帧能量的变化值和/或依赖基于参数源编码方法计算得出的参数确定的值和/或针对前一次帧相应的参数变化值。

7.根据上述权利要求之一在数据传输内部除此以外对于源编码执行一个LPC的方法，其特征是，除此以外针对前一次帧中相应的LAR系数至少有一个用于计算的比较值依赖于LAR系数的至少一个的变化。

8.根据上述权利要求之一在数据传输内部除此以外对于源编码执行LTP的方法，其特征是，至少一个用于计算的比较值除此以外依赖于LTP延迟值。

9.根据上述权利要求之一在数据传输内部除此以外对于源编码执行了一个RPE分析的方法，其特征是，除此以外至少一个用于计算的比较值依赖于一个子帧的至少一个块振幅。

10.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，为了以后计算而存储的参数值以一种方式被修正，这种方式至少避免了错误的传播。

11.用来执行根据权利要求1的方法的接收设备(MR)，具有

a)装置(MD)用于计算当前帧特定的比较值；

b)装置(MC)用于比较由计算得出的比较值和相应的阈值；

c)装置(ML)用于逻辑连接根据b)实现的比较操作；

d)装置(MI)用于标志出坏的帧。

12.根据权利要求11的设备，具有的装置(MCRC)用于CRC分析。

13.根据权利要求11到12之一的设备，具有的装置(ME)用于计算或估算帧能量。

14.根据权利要求11到13之一的设备，具有的装置(MP)用于计算参数，该参数对于在帧内部传输的数据是特定的。

15.根据权利要求11到14之一的设备，具有的装置(MS)用于存储以后计算所需要的参数，该参数在存储之前以一定的方式被修正，这种方式至少避免了错误的传播。

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