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发表于 2020-1-13 09:02:29 |显示全部楼层
作者订阅号:BOO聊通信
上回给忙碌者的5G基础知识课(十一)——NSA下手机是怎么移动的?说到狗蛋急冲冲的赶到了女朋友二丫的公司楼下,平复了下早已崩溃的心情,用自己新买的5G手机给女朋友打出了一通电话。

“喂,亲爱的”。女朋友的话音还是那么温柔,仿佛没有丝毫受到刚刚分手的影响。

“丫丫,你听我说。。”。狗蛋第一句话刚说完,情绪已经崩,顿时声泪俱下。

且慢,在我们继续两个人的爱情故事之前,先让我们看看狗蛋的这通5G电话是怎么进行的。

再且慢,在这之前,先让我们看看234G网络下语音通话是怎么打的。

一、语音是怎么在移动通信网络下传输的?

如果看过前面文章的同学,应该能够理解什么是模拟信号,什么是数字信号。人的语音是一种典型的模拟信号,因为你发出的声音在时间上、在音量上都是连续的。这种信号,是无法在移动通信系统中传输的,因为从2G开始,移动通信系统就已经是数字系统了,只能传输010010这样的比特序列。




而如果想实现将模拟的语音信号转化为数字信号,那么就需要进行模数转化,方法就是:采样-量化-编码。




其中采样的主要作用是把模拟信号在时间上变得离散,而量化则是把模拟信号在幅度(比如音量)上变得离散,编码则是最终把已经离散的点用二进制01001这样的比特位来表示出来。

从上面的流程不难看出,模拟信号转为数字信号,就是一个由完全精确变为不那么精确的过程,所以难免会在模数转换中丢失一些信息。比如你面对面和你女朋友聊天,是不是比打电话聊天,语音的清晰程度上、特征的分辨上,要好很多?

所以才会有那么多骗子用语音诈骗的方式获取被害人的信任,毕竟有的时候对方的声音真的听不出来到底是谁。

那么如何才能使得数字语音通话的质量尽量高呢?

二、奈奎斯特定理

如果想让语音在模数转换时,尽量保持更高的音质,那就首先得提到一个只要学过通信原理的同学,一定很熟悉的名字:奈奎斯特。

奈大爷来自于一个我在之前的文章中经常提到的,在通信行业里牛X到上天的实验室:贝尔实验室。



你奈大爷在1928年发现了著名的以他老人家自己名字命名的奈奎斯特定理:在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率大于信号中最高频率的2倍时,采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。

这可厉害了,这代表着模拟信号转为数字信号,竟然可以做到无损,只要你采样的频率足够快。



而对于声音信号来说,人耳能够分辨的频率范围是20Hz-20kHz,因此理论上来说,只要你采样的频率达到40kHz以上,那么传输的语音数据就可以做到无损,这就是为啥很多无损音频采用44.1kHz的采样频率,相当于1秒钟内对模拟信号采样44100个采样点。


然鹅,采样频率越快,代表着采样点越多,需要的容量越大啊。

CD、mp3啥的毕竟都不用实时传输,只要拷贝下一次性就搞定了,但是打电话不行啊,毕竟是占用无线电波有限的带宽资源,如果都用CD音质去通话,一是一个基站根本也就承受不了几个用户,二是大家也不用上网了,基站容量直接都给语音通话得了。

另一方面,光减少采样的频率还不行,毕竟最后每个采样点需要多少个bit还是要看量化编码滴。

对于CD啥的,为了保证音质,可以使用16bit(1个bit代表一个二进制位)来表示一个采样点,甚至更高也没问题,毕竟不差容量。

简单算下假如使用44.1kHz+16bit,传输音频需要多大速率:16bit×44.1KHz=705.6Kbit/s,就是大概0.7Mbps,100个用户在一个小区下同时打电话就是70Mbps,四舍五入就是1个亿啊。

因此,在移动通信中,本着能省就省的原则,需要采用压缩编码技术用尽量少的bit来表示一个采样点。
三、AMR语音压缩算法

在234G的语音通话中,都采用了共同的语言压缩编码算法,名为AMR,Adaptive Multi Rate,就是能自适应语音编码速率的压缩算法,是由3GPP专门为234G语音通话设计的。

这个算法的具体实现过程我就不说了,一是我说了估计大家也不明白,二是我也不懂。大家只要知道,所有的视频、音频压缩编码算法,都是用一些看上去很厉害的数学公式,让本来需要较大容量存储或传输的数据,变成用小得多的容量存储或者传输。


但是,副作用就是,会对原始数据造成一些损失。最常见的就是你看的一些表面上是1080p的电影,但是画面全是马赛克,就是因为经过压缩后信息丢失了,比如下面压缩过的图片,明显比上面无压缩的能看到马赛克。




当然如果你说你看的电影是有那种马赛克的,那肯定不是压缩编码造成的。


同理,之所以你用手机打电话时听对方的声音感觉和面对面听没那么像,就是因为语音经过压缩编码后,很多细节丢失了。

目前使用的AMR语音编码技术,主要分两种,一种叫做AMR-NB,一种叫做AMR-WB。其中NB的意思是Narrow Band,就是窄带,它的采样频率是8kHz,而WB就是Wide Band,就是宽带,它的采样频率是16kHz。也就是说,AMR-WB可以比NB多保留一倍的语音细节(保留更宽广的语音频率范围)。

所以AMR-NB虽然叫NB,但不真的NB,真正NB的是AMR-WB。

另外,AMR-WB的压缩算法更厉害,所以就算用相同的语音传输速率,AMR-WB还是比AMR-NB的音质更好,具体对比如下:


可以看到,在横坐标也就是语音传输速率相同的情况下,粉色的线(AMR-WB)始终要比蓝色的线(AMR-NB)要高的,而这里面的纵坐标就代表着语音质量。

AMR之所以被叫做AMR,是因为它可以根据用户无线环境的好坏,自适应采用不同的编码速率。目前AMR-NB的编码速率分别为:


再看看AMR-WB的:


可以看到,AMR-NB本身就比WB的采样频率、压缩算法要弱的多,然后它最高才只支持12.2kbps的语音编码速率。

而AMR-WB呢?在技术本身就比NB高出一个层次的情况下,还最高支持23.85bps的语音编码速率。

所以说,AMR-WB的语音编码质量是远胜于AMR-NB。目前在4G网络下的语音,也就是VoLTE(Voice over LTE,LTE就是4G网络的制式),就是采用的23.85bps的AMR-WB的语音编码速率,而2G下的语音,由于受限于2G容量实在有限、设备不支持等原因,一般采用AMR-NB或者低阶的AMR-WB的语音编码。


这就是为啥各大运营商都强推VoLTE的原因,相信大家自己也有感受,4G下的语音质量是明显更清晰的。

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发表于 2020-1-13 15:20:59 |显示全部楼层
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