CDMA的语音编码与信道编码(2)

2019-08-30 20:36

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8kbit/sVSELP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6.7kbit/s。

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(4.8 --- 8kpbs)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,并求和以出组合的激励序列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VSEIP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 LPC参数 能量-Sq 激励代码-I、H 滞后-L Gs-P0-P1代码 保留 总和

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-Sq 5 激励代码-I、H 11 44 滞后-L 7 28 Gs-P0-P1代码 7 28 保留 1 总和 25 144

bit/5ms子帧 7+7 7 8 29 bit/20ms帧 38 5 56 28 32 1 160 2 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编码技术机RS-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,两上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级码相比提高不多,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(Multi—stage Interleaving Method,简称MIL);最后,数据映射到一个或多个DPD—CH。 W—CDMA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l/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(32kbit/s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。

参考文献:

⑴ 郭梯云. 数字移动通信. 人民邮电出版社. 2001年 ⑵ 陈显治. 现代通信技术. 电子工业出版社. 2001年

⑶ 朱旭红、卢学军(译). 宽带CDMA第三代移动通信技术. 人民邮电出版社.

2000年

⑷ 周胜军(译). WCDMA技术与系统设计. 机械工业出版社. 2002年


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