CDMA语音编码和信道编码.docx

CDMA的语音编码与信道编码摘要：随着3G移动通信技术的逐步实现以及移动通信与互联网的融合，全球 正迅速步入移动信息时代。CDMA已被广泛接纳为第三代移动通信的核心技术 之一，它具有优越的性能。本文主要介绍CDMA中常用的语音编码技术与信道 技术。关键词：语音编码信道编码受激励线性编码码激励线性预测编码矢量和 激励线性预测编码编码器解码器卷积码1 CDMA中的语音编码技术语音编码为信源编码，是将模拟信号转变为数字信号，然后在信道中传输。 在数字移动通信中，语音编码技术具有相当关键的作用，高质量低速率的话音编 码技术与高效率数字调制技术相结合，可以为数字移动网提供高于模拟移动网的 系统容量。目前，国际上语音编码技术的研究方向有两个：降低话音编码速率和 提高话音质量1.1语音编码技术的分类语音编码技术有三种类型：波形编码、参量编码和混合编码。波形编码：是在时域上对模拟话音的电压波形按一定的速率抽样，再将 幅度量化，对每个量化点用代码表示。解码是相反过程，将接收的数字 序列经解码和滤波后恢复成模拟信号。波形编码能提供很好的话音质 量，但编码信号的速率较高，一般应用在信号带宽要求不高的通信中。 脉冲编码调制（PCM）和增量调制（AM）常见的波形编码，其编码速率 在 1664kbps。参量编码：又称声源编码，是以发音模型作基础，从模拟话音提取各个 特征参量并进行量化编码，可实现低速率语音编码，达到24.8kbps。 但话音质量只能达到中等。混合编码：是将波形编码和参量编码结合起来，既有波形编码的高质量 优点又有参量编码的低速率优点。其压缩比达到416kbps。泛欧GSM 系统的规则脉冲激励-长期预测编码（RPE-LTP）就是混合编码方案。1.2 CDMA的语音编码CDMA系统如同其它数字式移动电话系统，它也采用语音编码技术来降低语 音的编码速率。CDMA系统的语音编码主要有从线性预测编码技术发展而来的激 励线性预测编码QCELP和增强型可变速率编码EVRC。目前13kbpsCELP语音编码 已达到有线长途的音质水平，我国已正式将CELP编码列入CDMA标准中。总之， CDMA系统中所使用的编码技术是对现有编码技术的有机组合和高效利用。(1) QCELP受激线性预测编码QCELP，艮口 QualComm Code Excited Linear Predictive( QualComm 受激线性 预测编码)。美国Qualcomm通信公司的专利语音编码算法，是北美第二代数字 移动电话(CDMA)的语音编码标准(IS95)。这种算法不仅可工作于 4/4.8/8/9.6kbps等固定速率上，而且可变速率地工作于800bps9600bps之间。 Q4401、Q4413单片语音编码器就是基于这种编码算法。QCELP算法被认为是 到目前为止效率最高的一种算法，它的主要特点之一是使用适当的门限值来决定 所需速率。门限值随着噪声电平变化而变化，这样就抑制了背景噪声，使得即使 在喧闹的环境中，也能得到良好的话音质量，CDMA8Kbps的话音近似GSM 13Mbps的话音。CDMA采用QCELP编码等一系列技术，具有话音清晰、背景 噪声小等优势，其性能明显优于其他无线移动通信系统，语音质量可以与有线电 话媲美，并且无线辐射低。(2) CELP码激励线性预测编码CELP码激励线性预测编码是Code Excited Linear Prediction的缩写。CELP 是近10年来最成功的语音编码算法。CELP语音编码算法用线性预测提取声道 参数，用一个包含许多典型的激励矢量的码本作为激励参数，每次编码时都在这 个码本中搜索一个最佳的激励矢量，这个激励矢量的编码值就是这个序列的码本 中的序号。CELP已经被许多语音编码标准所采用，美国联邦标准FS1016就是 采用CELP的编码方法，主要用于高质量的窄带语音保密通信。CELP (Code-Excited Linear Prediction)这是一个简化的LPC算法，以其低比特率著称 (4800-9600Kbps)，具有很清晰的语音品质和很高的背景噪音免疫性。CELP是一种在中低速率上广泛使用的语音压缩编码方案。它综合使用了线性预测、矢量量化、感觉加权、A-B-S (综合分析法)等技术，在416kbps的 速率上，是电话宽带语音编码得到很高的编码质量。编码器的基本原理框图如图 1.2-1所示。与LPC模型类似，CELP模型中也有激励信号和声道滤波器，但它的 激励信号不再是LPC模型中的二元激励信号。在目前常用的CELP模型中，激励 信号来自两个方面：长时基音预测器(又称自适应码本)和随机码本。自适应码 本被用来描述语音信号的周期性(基音信息)。固定的随机码本则被用来逼近语 音信号经过短时和长时预测后的线性预测余量信号。从自适应码本和随机码本中 搜索出的最佳激励矢量乘以各自的最佳增益后相加，便可得到激励e(n)。它一 方面被用来更新自适应码本，另一方面则被输入到合成滤波器H(z)以得到合成 语音”s(n)。”s(n)与原始语音s(n)的误差通过感觉加权滤波器W(z)后可得到感 觉加权误差信号e(n)。使e(n)均方误差为最小的激励矢量就是最佳激励矢量。图1.2-1 CELP编码其原理框图CELP的解码过程已经包含在编码过程中。在解码时，根据编码传输过来 的信息从自适应码本和随机码本中找出最佳码矢量，分别乘以各自的最佳增益 并相加，可以得到激励信号e(n)，将e(n)输入到合成滤波器H(z)，便可得到 合成语音s(n)。可以看出，搜索最佳激励矢量是通过综合出重建语音信号进行 的。这种通过综合来分析语音编码参数的优化方法称为综合分析法，即A-B-S 方法。采用这种方法明显提高了合成语音的质量，但也使编码运算量增加不少。 固定码本采用不同的结构形式，就构成不同类型的CELP。例如采用代数码本、 多脉冲码本、矢量和码本的CELP分别称为ACELP、MP-CELP和VSELP编码。CELP算法简介：线性预测：v Py ( n ) = 2 a y(n - i)ii = 1y(n)从语音产生的机理出发，对人发音模型的有关参数进行编码，即分析-合成 编码，可获得较好音质的同时有效降低编码率，其中最具代表性的是线性预测编 码(Linear Prediction Code-LPC)和码激励线性预测编码(Code Excited Linear Prediction Code-CELP)。LPC的基本原理是根据人发声特点来建立语音产生的 数学模型。人发声时有清音和浊音之分，清音无基音，呈现与白噪声类似的平坦 频谱，所以可用白噪声作为清音的激励；浊音则有振动的基本频率(基音)，故可 用具有一定基音频率的脉冲源作激励；而人的声管相当于一组滤波器，对不同的 激励产生不同的响应，形成特定声音的输出。为了提高重建话音的自然度，编码端可以增加一组预测滤波器，采用闭环 LPC结构，由特征参数激励得到预测信号，将此信号与原信号s(n)相减得到残差 信号e(n)，把此信号与有关参数一并编码传送，在解码端进行误差修正可有效改 善语音质量。但此时将降低编码效率。不过如果我们能对一定时间内残差信号可能出现的 各种样值的组合按一定规则排列构成一个码本，编码时从本地码本中搜索出一组 最接近的残差信号，然后对该组残差信号对应的地址编码并传送，解码端也设置 一个同样的码本，按照接收到的地址取出相应的残差信号加到滤波器上完成话音 重建，则显然可以大大减少传输比特数，提高编码效率。这就是CELP编码的基 本原理。它有两个预测滤波器，短时预测计算每一采样的残差，长时预测计算每个子 帧(5ms)的残差。由码本取出的激励e(n)经长短时预测后得到预测值，与输入信号 s(n)相减得到差值，将此差值通过感知加权滤波器，以最小均方误差准则(LMS) 判定最佳激励码本e(n)。对CELP来说关键是码本。如果码本编得好，就可以在低码率下获得较好的 语音质量。由于自80年代以来，国际上一些著名的通信研究机构和大学大力开 展了这种高质量低码率编码技术的研究，一些算法迅速走向了成熟，见表1。进 入90年代，随着DSP技术的发展，这些成果得到了广泛应用。如1989年通过 的数码率为13.6Kbps，采用规则脉冲激励-长时预测算法的语音编码标准，在误 码率为10-3的GSM用信道中传输，话音质量不降低；而码速率为5.6Kbps的 VSELP编码则足以使现有的GSM扩容1倍；ITU于1995年下半年通过了具有 长话音质的8Kbps编码标准，它采用共轭结构代数(CSA-CELP)算法，将用于第 三代移动通信系统；具有多种码率的IS-96则是美国Qualcomm公司为CDMA 研制的又一种CELP编码。总的来说，语音压缩倍率越高，数码率越低，编码算 法也越复杂，在实时压缩的条件下就不可能用逻辑电路实现，也不会用体积大、 速度慢、成本高的微机实现，此时DSP是一种合适的选择。有资料表明，在无 线基站系统中，单片机TMS320C6201可实时完成30个信道的语音编解码任务。CELP码激励线性预测编码的特点：改善语音的质量：1. 对误差信号进行感觉加权，利用人类听觉的掩蔽特性来提高语音的主观质量；2. 用分数延迟改进基音预测，使浊音的表达更为准确，尤其改善了女性语音的质量；3. 使用修正的MSPE准则来寻找“最佳”的延迟，使得基音周期延迟的外形 更为平滑；4. 根据长时预测的效率，调整随机激励矢量的大小，提高语音的主观质量；5. 使用基于信道错误率估计的自适应平滑器，在信道误码率较高的情况下也能 合成自然度较高的语音。结论：1. CELP算法在低速率编码环境下可以得到令人满意的压缩效果。2. 使用快速算法，可以有效地降低CELP算法的复杂度，使它完全可以实时地 实现。3. CELP可以成功地对各种不同类型的语音信号进行编码，这种适应性对于真 实环境，尤其是背景噪声存在时更为重要。（3） VSELP矢量和激励线性预测编码VSELP矢量和激励线性预测编码是Vector Sum Excited Linear Prediction的 缩写。这种算法采用三个码本作为激励信号，其中两个是随机码本，一个是自适 应码本，最终的激励信号是三个激励矢量的和。美国电信工业协会（TIA）选择 8kbpsVSELP算法作为北美第一代数字蜂窝移动电话的编码标准（IS54）。日本的 全速率数字移动电话也采用 VSELP算法作为语音编码标准（JDC），速率为 6.7kbps。VSELP语音编码器可以利用合理的计算复杂性达到最高的可能的语音质 量，同时提供给信道误差韧性，这些目标对于远程通信应用中的公认的低数据率 （4.88kpbs）语音编码至关重要。VSELP语音编码器通过有效利用构造的激励码本达到上述目标，这种结构 的激励码本降低了计算的复杂性并提高了对信道误差的韧性，两个VSELP激励 码本便可以达到上述性能，同时也使用了可以达到高编码效率的新型增益量化 器，并且具有对信道误差的韧性。新型的适应前/后置滤波器的设计提高了重建 的语音质量。下面针对8kbps和4.8kbps两个VSELP编码器的实例展开。图1.2-3是VSELP语音的解码器的方框图。VSELP codec总共利用三个激 励源，其一来自长项（节距）预测状态或适应性码本；其余的源来自VSELP激励 码本之一或之二。对于8kbps编码器采用两个VSELP码本，每个码本包含的信息量相当于128 个矢量；而4.8kbps的编码器仅利用一个VSELP码本，包含相当于2048个矢量 的信息量。这两个或三个激励源与它们相应的增益相乘，并求和得出组合的激励 序列ex（n），处理完每一子帧后，ex（n）用于更新长项滤波器状态，合成滤波器是 直接十阶全极点滤波器，LPC系数每20ms帧编码一次，通过内插（对8kbps系统） 每5ms子帧更新一次，激励参数每子帧内也更新。4.8kbps系统利用帧长为30ms，子帧长为7.5ms，子帧内一采样数分别为： 8kpbs为40，4.8kpbs为60，采样率为8kHz。节距（pitch）前置滤波器和频谱后置 滤波器用于提高重建的语音质量。图1.2-3 VSELP语音解码器表1.2-3.1和表1.2-3.2表示8kbps和4.8kbps的VSELP编码器的字段分配。 十个LPC系数利用反射系数的标量量化编码；表示每帧平均语音能量的Sq也每 帧编码一次；激励增益作矢量量化，对于8kbps系统为每子帧8bit（GS-P0-Pl 代码），而对于4.8kbps系数为7位（Gs-P。代码）。表1.2-3.1 8kbps编码器的字段分配参数bit/5ms 子帧bit/20ms 帧LPC参数38能量一Sq5激励代码一I、H7+756滞后一L728Gs-P0-P1 代码832保留1总和29160表1.2-3.2 4.8kbps编码器的字段分配参数bit/7.5ms 子帧bit/30ms 帧LPC参数38能量一Sq5激励代码一 I、H1144滞后一L728Gs-P0-P1 代码728保留1总和251442 CDMA中的信道编码技术信道编码技术是第三代移动通信的一项核心技术。在第三代移动通信系统主 要提案中（包括W-CDMA和cdma2000等），除采用与IS-95CDMA系统相类似的卷 积编码技术和交织技术之外，还建议采用Turbo编码技术及S-卷积码级联技术 2.1 CDMA2000中的信道编码技术（1） Turbo 码为了适应高速数据业务的需求，CDMA2000中采用Turbo编码技术（编码 速率可以是1/2、1/3或1/4）。Turbo编码器由两个递归系统卷积码（RSC）成员 编码器、交织器和删除器构成，每个RSC有两路校验位输出，两个RSC的输出 经删除复用后形成Turbo码。编码器一次输入Nturbobit，包括信息数据、帧校验 （CRC）和保留bit，输出（Nburbo + 6） /R符号。Turbo译码器由两个软输入软 输出的译码器、交织器和去交织器构成，两个成员译码器对两个成员编码器分别 交替译码，并通过软输出相互传递信息，进行多轮译码后，通过对软信息作过零 判决得到译码输出。Turbo码具有优异的纠错性能，但译码复杂度高，时延大，因此主要用于高 速率，对译码时延要求不高的数据传输业务。与传统的卷积码相比，Turbo码可 降低对发射功率的要求，增加系统容量。在CDMA2000中，Turbo码仅用于前 向补充信道和反向补充信道中。Turbo编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器，并辅之以一个交织 器。两个卷积编码器的输出经并串转换以及凿孔(Puncture)操作后输出。相应 的，Turbo解码器由首尾相接、中间由交织器和解交织器隔离的两个以迭代方式 工作的软判输出卷积解码器构成。虽然目前尚未得到严格的Turbo编码理论性能 分析结果，但从计算机仿真结果看，在交织器长度大于1000、软判输出卷积解 码采用标准的最大后验概率(MAP)算法的条件下，其性能比约束长度为9的卷 积码提高1至2.5db。目前Turbo码用于第三代移动通信系统的主要困难体现在 以下几个方面：1)由于交织长度的限制，无法用于速率较低、时延要求较高的 数据(包括语音)传输；2)基于MAP的软输出解码算法所需计算量和存储量较 大，而基于软输出Viterbi的算法所需迭代次数往往难以保证；3)Turbo编码 在衰落信道下的性能还有待于进一步研究。(2)RS编码RS编码是一种多进制编码技术，适合于存在突发错误的通信系统。RS解码 技术相对比较成熟，但由RS码和卷级码构成的级联码在性能上与传统的卷积码 相比提高不多，故在未来第三代移动通信系统采用的可能性不大。2.2 W-CDMA中的信道编码技术W-CDMA信道编码类型主要有两种:正交短扩谱码和非正交的长、短置乱码。 正交短扩谱码用于信道编码，W-CDMA的信道编码部分包含纠错编码和交织。 E1SI和ARIB都提出了各自的方案，两方案的操作步骤基本相同。首先，业务直 接进入信道编码器，或几种业务经过第一级业务复用进入信道编码器；接着在信 道编码器中作第一级编码、交织和速率适配。ETSI建议先交织，再作静态速率 适配；ARIB建议先作业务专用速率适配，再作可选的交织。接下来作第二级复 用、速率适配和交织。ETSI称第二级速率适配为动态速率适配，为上行链路专 有，且这一步的交织为帧内交织；而ARIB建议了一种新的交织方法，叫做多级 交织方法(Multistage Interleaving Method,简称MIL)；最后，数据映射到 一个或多个DPDCH。WCDMA传输信道提供了两类纠错方式：前向纠错(FEC) 和自动重发请求(ARQ)。FEC是无线业务最基本的纠错方式，ARQ作为一种补充方 式尚未作详细讨论。在FEC方式中，ETSI又建议了三种前向信道纠错码，它们 分别是：卷积码。用于误码率为10-3级别的业务，典型的有传统的话音业务。类似 于第二代移动通信系统，提案中用到了约束长度为9、码率为1/2和1/3的卷 积码。典型情况下，1/3码率的卷积码用于正常（非打孔）模式下的专用传输信 道（DCHs），而1/2码率的卷积码用于打孔模式下的DCHs。外RS码+外交织+卷积码。典型应用是用于误码率为10-6的业务中。RS 码为256进制，码率大约为4/5。信道编码中的级联用到基于256进制符号的 外交织，交织的宽度等于RS分组码的码长。交织的范围可在20ms和150ms之间 变化，属于帧间交织。它的优点是有系统的编码理论基础，技术成熟；与turbo 码相比，其缺点是硬件复杂，可能会引入较大的时延。 Turbo码。是ETSI提出的用于高数据率（32kbps以上）、高质量业务的备 选方案。日本ARIB较晚的版本（1998年7月）已用Turbo码取代了串行级联码， 作为高质量业务的纠错编码方案。Turbo码的优点有性能接近香农限、译码算法 的硬件实现较串行级联码简单等。缺点是目前缺乏理论依据，它的性能分析都是 建立在仿真的基础上，有可能引入较大的时延。Turbo码最早由韩国和北美的cdma2000标准提出，用于第三代移动通信系 统的信道编码方案，经研究发现有较好的性能后，W-CDMA等其它标准也纷纷转 而采纳。从中可以看到信道编码在整个移动通信系统中具有相对独立的地位，也 可以看到标准制定后并非一成不变，还需要不断跟踪并融合先进的技术，以求完 善。业务专用编码（例如某些类型的话音编解码的不等纠错保护）。业务专用编码 允许除以上编码方案外的其它编码方案，为U-TRA第一层提供了更大的灵活性。