gsm如何发语音

全球移动通信系统（GSM）作为第二代移动通信技术的核心标准，其语音传输功能是日常通信的基础。本文将深入解析GSM网络发送语音的全过程，从声音的数字化转换、信道编码与交织、调制发射，到无线传输、网络交换与最终还原为声音的完整链路。内容涵盖关键技术原理、网络架构角色以及实际通信中的优化与挑战，旨在为读者提供一份专业、详尽且实用的技术解读。

       当我们使用一部支持全球移动通信系统（GSM）的手机与亲友通话时，一句简单的问候背后，隐藏着一套复杂而精密的工程技术体系。语音信号如何从发送方的口中出发，穿越无形的空气与庞大的网络，清晰准确地抵达接收方的耳中？这并非简单的“传递”，而是一个涉及声电转换、数字处理、无线传输和网络交换的系统工程。理解这个过程，不仅能满足我们对日常科技的好奇，更能让我们洞察现代移动通信的基石。

       

一、 起点：从模拟声波到数字比特流

       语音通信的第一步，是将我们发出的连续变化的模拟声音信号，转换为手机能够处理和传输的数字信号。这个过程在手机的麦克风和音频编码器中完成。

       首先，麦克风将声波的机械振动转换为模拟电信号，其电压高低随声音的强弱和频率而变化。随后，这个模拟信号被送入一个关键组件——语音编码器。在GSM标准中，主要采用全速率语音编码（FR）、增强型全速率语音编码（EFR）或自适应多速率语音编码（AMR）等方案。以经典的FR编码为例，它采用一种称为规则脉冲激励长期预测（RPE-LTP）的算法。该算法以每秒8000次的频率对模拟信号进行采样（根据奈奎斯特采样定理，这足以捕捉最高4000赫兹的人类语音频率），并将每个采样值量化为13比特的数字值。接着，编码算法会分析语音信号的短期特性（如共振峰）和长期特性（如音调周期），并利用预测技术去除信号中的冗余信息，最终将语音压缩为每秒13千比特（kbps）的数字比特流。这一压缩过程至关重要，它极大地降低了数据传输需求，使得有限的无线频谱资源能够容纳更多用户同时通话。

       

二、 加固：信道编码与交织

       原始的数字语音比特流非常脆弱，直接通过充满干扰和衰减的无线信道传输，极易产生误码，导致通话中出现杂音甚至中断。因此，GSM系统引入了强大的信道编码技术来保护这些信息。

       信道编码分为两个阶段。第一阶段是分组编码，为每20毫秒的语音帧（对应260比特）添加3比特的循环冗余校验（CRC）码，用于接收端检测该帧数据是否出错。第二阶段是卷积编码，这是一种前向纠错码。它将添加了CRC的比特流与编码器内部状态进行卷积运算，产生额外的冗余校验比特，使总比特数增加到456比特每20毫秒。经过卷积编码后，数据的抗干扰能力显著增强，接收端即使收到部分错误比特，也能通过算法大概率还原出原始信息。

       然而，无线信道中常会出现突发性干扰，导致连续一串比特出错，这可能超出卷积编码的纠错能力。为了解决这个问题，GSM采用了交织技术。它将一帧456比特的数据分散（交织）到8个连续的常规突发脉冲序列中发送。这样，原本连续的突发错误在接收端被解交织后，就变成了分散的随机错误，从而更容易被信道解码器纠正。

       

三、 载波：调制与多址接入

       经过编码和交织的数字序列需要“搭载”在高频无线电波上才能发射出去，这个过程称为调制。GSM采用高斯最小频移键控（GMSK）调制方式。它将二进制数据流（0和1）转换为微小的频率变化：一个比特周期内，频率正向偏移代表“1”，负向偏移代表“0”。GMSK的优点是频谱效率高且信号包络恒定，对功率放大器的线性度要求较低，有助于设计更省电的手机。

       同时，一个基站要服务成百上千的用户，必须解决多用户共享频谱的问题。GSM结合了频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）两种技术。首先，将可用频带划分为多个200千赫兹宽的载频。然后，将每个载频在时间上划分为周期性的帧，每帧再分为8个时隙。每个通话的用户被分配一个固定的时隙（例如每帧的第3个时隙）进行通信。因此，用户发送的语音数据被封装在指定的时隙内，以突发脉冲的形式发射出去。一个载频上的8个时隙可以同时支持8路独立的语音通话。

       

四、 空中之旅：无线传输与基站接收

       调制后的信号由手机的天线转换为电磁波辐射出去。电磁波在空间中传播时会经历路径损耗、阴影衰落（由建筑物等遮挡引起）和多径衰落（由反射波叠加引起）。为了对抗衰落，GSM手机和基站采用了多种技术，如功率控制（根据信号强弱动态调整发射功率）、跳频（在不同载频间快速切换以平均干扰）以及前面提到的信道编码与交织。

       信号到达基站天线后，被接收机捕获。接收过程是发射的逆过程：首先进行解调，从GMSK调制信号中恢复出数字比特序列；然后进行解交织，将分散的比特重新排列成原始顺序；最后进行信道解码，利用卷积码的冗余信息纠正传输中的错误，并利用CRC判断该帧数据是否有效。如果CRC校验失败，该帧可能被标记为坏帧，系统会采用差错隐藏技术，利用前后语音帧的信息进行插值，以平滑地填补丢失的语音段，尽可能减少用户的感知影响。

       

五、 网络核心：交换与路由

       基站控制器（BSC）管理着多个基站收发信台（BTS），负责无线资源分配和切换控制。从基站恢复出的数字语音数据，通过Abis接口传送到BSC，再经由A接口传送到移动交换中心（MSC）。MSC是GSM网络的核心交换节点，扮演着“电话总机”的角色。

       当用户发起呼叫时，MSC会与拜访位置寄存器（VLR）和归属位置寄存器（HLR）交互，完成对主叫和被叫用户的鉴权与位置查询。一旦呼叫建立，MSC的主要任务就是在主叫方和被叫方（可能在同一MSC下，也可能在不同MSC甚至不同运营商网络间）之间建立一条稳定的语音通路。这条通路可能完全基于电路交换，即为这次通话独占分配一条64千比特每秒（kbps）的时隙资源，从发端MSC经过可能的多个中转MSC，一直连接到收端MSC，确保语音数据以极低的延迟和固定的速率传输。这是GSM作为第二代通信系统“电路交换”语音业务的典型特征。

       

六、 终点：还原声音与回声消除

       语音数据通过核心网路由至接收方所在的基站区域，并通过无线链路发送到接收方手机。接收手机执行与发送端相反的过程：信道解码、解交织、语音解码。语音解码器（如RPE-LTP解码器）将压缩的数字比特流重新解压缩，还原成近似原始的13比特采样值序列，再通过数模转换器（DAC）恢复成模拟电信号，最后由扬声器将电信号转换为声波，送入接听者的耳中。

       在整个链路的MSC或特定设备中，还有一个关键功能——回声消除。由于手机电路或网络传输的混合效应，说话者的声音可能被反射回自己的听筒，形成令人讨厌的回声。回声消除器通过自适应滤波算法，预测并减去从对端反射回来的语音信号，从而保证通话清晰。

       

七、 全双工通信：收发同时进行

       自然通话是双向同时进行的。GSM通过频分双工（FDD）实现全双工。即上行链路（手机到基站）和下行链路（基站到手机）使用两个不同且有一定间隔的频段。同时，结合TDMA技术，手机在分配给它的上行时隙发射信号，在对应的下行时隙接收信号。由于时隙间有保护间隔，且收发频率不同，手机可以近乎同时地进行听和说，实现了自然的对话体验。

       

八、 移动中的通话：切换技术

       用户不会固定不动。当通话中的手机从一个基站的覆盖区移动到另一个基站的覆盖区时，网络必须无缝地将通话连接从一个信道（或基站）转移到另一个信道，这个过程称为切换。GSM支持多种切换，如同基站内不同时隙的切换、同BSC内不同基站间的切换、同MSC内不同BSC间的切换以及不同MSC间的切换。切换决策由网络基于手机上报的测量报告（包括当前和邻近基站的信号强度与质量）做出，目标是保证通话连续性，同时避免不必要的切换以节省网络资源。

       

九、 安全保障：加密与隐私

       无线信号在空中传播，容易被截获。GSM系统为语音通信提供了加密保护。在呼叫建立和鉴权过程中，网络和手机会协商一个临时的加密密钥。发送端在语音编码和信道编码之间，会对数据进行加密运算；接收端则在信道解码之后进行相应的解密。GSM最初使用的A5/1和A5/2流密码算法已被证明存在漏洞，但这一机制本身保障了早期移动通信的基本隐私，防止了语音被轻易窃听。

       

十、 从电路交换到分组交换的演进

       经典GSM语音基于电路交换，资源独占，质量稳定，但效率较低。随着通用分组无线服务（GPRS）和增强型数据速率GSM演进技术（EDGE）的引入，GSM网络具备了分组交换能力。这催生了早期基于互联网协议（IP）的语音服务尝试。而到了第三代合作伙伴计划（3GPP）定义的第三代（3G）和第四代（4G）网络，语音业务最终全面转向了IP多媒体子系统（IMS）架构下的VoLTE（长期演进语音承载），实现了语音数据包与互联网数据包的统一承载，这是后话，但其思想萌芽于GSM向分组域的演进。

       

十一、 影响语音质量的关键因素

       用户感知的通话质量受多重因素影响。无线侧包括信号强度、信噪比、干扰水平以及是否发生切换；网络侧涉及传输链路的质量、交换设备的负荷以及是否存在丢包或时延抖动；终端侧则与麦克风、扬声器质量、音频编解码器性能以及回声消除效果密切相关。运营商通过全网的路测、拨打测试和关键性能指标监控，持续优化这些参数。

       

十二、 GSM语音的遗产与现状

       尽管如今4G/5G高速数据网络和基于IP的语音服务已成为主流，但GSM语音技术并未瞬间消失。在许多地区，GSM网络作为广覆盖、高可靠的底层基础网依然存在，为2G功能手机、物联网设备以及4G/5G手机在信号不佳时的回落提供语音保障。其核心设计思想，如数字编码、信道保护、蜂窝结构、移动性管理等，已成为所有后续移动通信标准的基石。

       

十三、 动手实践：观察GSM信号

       对于技术爱好者，可以使用软件定义无线电设备配合特定软件，实际捕获和解码空中的GSM信号。虽然无法破译加密后的语音内容，但可以观察到蜂窝网络的信标广播、控制信道的信息以及业务信道突发的存在，直观地理解TDMA帧结构和时隙分配，将理论知识与空中无形的信号联系起来。

       

十四、 总结：一个精妙的系统交响

       回顾GSM发送语音的全程，它绝非单一技术的应用，而是一个由音频编码、信道编码、数字调制、多址接入、蜂窝网络、电路交换、移动性管理等多个子系统精密协作完成的交响乐。从模拟到数字，从比特到电波，从空中到光纤，每一步都蕴含着工程师们解决实际挑战的智慧。理解这个过程，不仅让我们明白了手机通话的基本原理，也让我们得以窥见整个现代通信工业庞大而严谨的技术体系。即便在技术飞速迭代的今天，这套诞生于数十年前的系统设计，其核心逻辑依然闪耀着光芒。