WCDMA技術(shù)的信源編碼和信道編碼

1、WCDMA技術(shù)的信源編碼和信道編碼WCDMA網(wǎng)絡(luò)是全球商用時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)成熟、可演進(jìn)性最好的，全球第一個(gè)3G商用網(wǎng)絡(luò)就是采用WCDMA制式。我國(guó)采用了全球廣泛應(yīng)用的WCDMA3G技術(shù)，目前已全面支持HSDPA/HSUPA，網(wǎng)絡(luò)下載理論最高速率達(dá)到14.4Mbps。2G無(wú)線寬帶的最高下載速度約為150Kbps,我國(guó)的WCDMA網(wǎng)絡(luò)速度幾乎是2G網(wǎng)絡(luò)速度的100倍。支持業(yè)務(wù)最廣泛，基于WCDMA成熟的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)，其所能實(shí)現(xiàn)的3G業(yè)務(wù)非常豐富。無(wú)線上網(wǎng)卡、手機(jī)上網(wǎng)、手機(jī)音樂(lè)、手機(jī)電視、手機(jī)搜索、可視電話、即時(shí)通訊、手機(jī)郵箱、手機(jī)報(bào)等業(yè)務(wù)應(yīng)用可為用戶(hù)的工作、生活帶來(lái)更多的便利和美妙享受。終端種

2、類(lèi)最多，截至2008年底，支持WCDMA商用終端的款式數(shù)量超過(guò)2000款，全球主要手機(jī)廠商都推出了為數(shù)眾多的WCDMA手機(jī)。國(guó)內(nèi)覆蓋廣泛，截至2009年9月28日,聯(lián)通3G網(wǎng)絡(luò)已成功在中國(guó)大陸285個(gè)地市完成覆蓋并正式商用，新覆蓋的城鎮(zhèn)數(shù)量還在不斷增長(zhǎng)中，聯(lián)通3G網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)已經(jīng)覆蓋了中國(guó)絕大部分的人口和地域。開(kāi)通國(guó)家最廣，可漫游的國(guó)家和地區(qū)最多，截至2008年底，全球已有115個(gè)國(guó)家開(kāi)通了264個(gè)WCDMA網(wǎng)絡(luò)，占全球3G商用網(wǎng)絡(luò)的71.3%。截至2009年9月28日，中國(guó)聯(lián)通已與全球215個(gè)國(guó)家的395個(gè)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)通了。WCDMA的優(yōu)勢(shì)明顯，技術(shù)成熟，在WCDMA物理層來(lái)看，信源編碼和信道編碼

3、是WCDMA技術(shù)的基礎(chǔ)，信源編碼是采用語(yǔ)音編碼技術(shù)，AMR語(yǔ)音編碼技術(shù)是由基于變速率多模式語(yǔ)音編碼技術(shù)發(fā)展而來(lái)，主要原理在于：語(yǔ)音編碼器模型由一系列能提供多種編碼輸出速率與合成質(zhì)量的聲碼器構(gòu)成AMR支持八種速率。鑒于不同信源比特對(duì)合成語(yǔ)音質(zhì)量的影響不同AMR語(yǔ)音編碼器輸出的話音比特在傳輸之前需要按照它們的主觀重要性來(lái)排序分類(lèi)，分別采用不同保護(hù)程度的信道編碼對(duì)其進(jìn)行編碼保護(hù)。信源編碼AMR模式自適應(yīng)選擇編碼器模式以更加智能的方式解決信源和信道編碼的速率匹配問(wèn)題，使得無(wú)線資源的配置和利用更加靈活和高效。實(shí)際的語(yǔ)音編碼速率取決于信道條件，它是信道質(zhì)量的函數(shù)。而這部分工作是解碼器根據(jù)信道質(zhì)量的測(cè)量參數(shù)

4、協(xié)助基站來(lái)完成，選擇編碼模式，決定編碼速率。原則上在信道質(zhì)量差時(shí)采用低速率編碼器，就能分配給信道編碼更多的比特冗余位來(lái)實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)更可靠的差錯(cuò)控制。在信道質(zhì)量好、誤比特率較低時(shí)采用高速率編碼器，能夠提高語(yǔ)音質(zhì)量。在自適應(yīng)過(guò)程中，基站是主要部分，決定上下行鏈路采用的速率模式。信源編碼AMR編碼器原理，WCDMA系統(tǒng)的AMR聲碼器共有八種編碼模式，它們的輸出比特速率不同。為了降低成本和復(fù)雜度，八種模式都采用代數(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)技術(shù)，它們編碼的語(yǔ)音特征參量和參量提取方法相同，不同的是參量的量化碼本和量化比特?cái)?shù)。AMR語(yǔ)音編碼器根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能大致可分為L(zhǎng)PC分析、基音搜索、代數(shù)碼本搜索三大部分。其中L

5、PC分析完成的主要功能是獲得10階LPC濾波器的-個(gè)系數(shù)，并將它們轉(zhuǎn)化為線譜對(duì)參數(shù)，并對(duì)LSF進(jìn)行量化；基音搜索包括了開(kāi)環(huán)基音分析和閉環(huán)基音分析兩部分，以獲得基音延遲和基音增益這兩個(gè)參數(shù)；代數(shù)碼本搜索則是為了獲得代數(shù)碼本索引和代數(shù)碼本增益，還包括了碼本增益的量化。AMR譯碼器原理，AMR的譯碼器原理如解碼原理圖所示。按照可選模式從接收的比特流中，將傳輸?shù)乃饕x出。在每次的傳輸幀中索引被譯碼，參數(shù)包括LSP矢量、基音延遲、分?jǐn)?shù)基音延遲、更新碼矢量、基音和更新增益LSP矢量被轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)P濾波系數(shù)，經(jīng)過(guò)內(nèi)插獲得在每個(gè)子幀的LP濾波器：激勵(lì)通過(guò)自適應(yīng)碼本和更新碼本及各自增益的加權(quán)而獲得；激勵(lì)信號(hào)通過(guò)LP

6、合成濾波器重構(gòu)語(yǔ)音信號(hào)；最后，重構(gòu)的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)自適應(yīng)后置濾波器。輸出解碼增益增益索引碼本索引更新碼本的解碼對(duì)四個(gè)子幀的LS卩內(nèi)插LS墮珥麗L5F轉(zhuǎn)化為A（Z）基音索引-”-ar自適應(yīng)碼本解碼AMR解碼器原理框圖AMR在WCDMA系統(tǒng)中應(yīng)用，AMR集成了多種語(yǔ)音編碼模式，每種模式都有自己的輸出速率和比特分布特征。語(yǔ)音編碼所提供的不同的特征參量對(duì)信道誤碼的敏感度不同，對(duì)信道越敏感的參量在加擾后對(duì)合成語(yǔ)音質(zhì)量影響越大。另外，即使同一個(gè)參量在量化后，不同比特對(duì)信道誤碼的敏感程度也不同。由于移動(dòng)通信系統(tǒng)資源有限，考慮到傳輸效率的要求，不能為了通信質(zhì)量無(wú)限制地增加信道的冗余度。因此，鑒于不同信源比特對(duì)合

7、成語(yǔ)音質(zhì)量的影響不同，語(yǔ)音的信道保護(hù)設(shè)計(jì)中采用不等差錯(cuò)保護(hù)方案（UEP），即將信源比特按其重要性排序分類(lèi)，分別采用不同保護(hù)程度的信道編碼對(duì)其進(jìn)行編碼保護(hù)。AMR通過(guò)多種編碼模式間的自適應(yīng)切換顯示出其在合成語(yǔ)音效果和抗干擾性能方面較傳統(tǒng)語(yǔ)音編碼器更為優(yōu)越的地方。WCDMA的信道編碼方案，WCDMA的信道編碼方案包括以下幾部分：糾錯(cuò)編碼/譯碼（包括速率適配），交織/解交織，傳輸信道映射至/分離出物理信道。另外,某些業(yè)務(wù)的組合可能要求不同層次上的業(yè)務(wù)復(fù)用,也會(huì)在信道編譯碼器的設(shè)計(jì)上有所體現(xiàn)。信道編碼方案已不僅僅是糾錯(cuò)碼的選擇、編譯碼算法和交織算法的問(wèn)題。它還涉及與高層消息的通信,從高層獲得業(yè)務(wù)質(zhì)量指

8、示、業(yè)務(wù)復(fù)用方式等信息，以實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的不同編碼和復(fù)用方案,從而以最高的效率提供多種業(yè)務(wù)的組合。為了適應(yīng)多種速率的傳輸,信道編碼方案中還增加了速率適配功能,WCDMA給出了一種速率適配算法,目的是把業(yè)務(wù)速率適配為標(biāo)準(zhǔn)速率集中的某個(gè)速率。當(dāng)然，決定信道編碼性能最基本的問(wèn)題還是它的差錯(cuò)控制案WCDMA傳輸信道提供了兩類(lèi)糾錯(cuò)方式：前向糾錯(cuò)（FEC）和自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（ARQ）。FEC是作為無(wú)線業(yè)務(wù)最基本的糾錯(cuò)方式，ARQ作為一種補(bǔ)充方式。在早期的WCDMA的提議中，它建議了四種前向信道糾錯(cuò)碼，它們分別是：卷積碼、RS碼與卷積碼的串行級(jí)聯(lián)、Turbo碼以及業(yè)務(wù)專(zhuān)用編碼。WCDMA的差錯(cuò)控制技術(shù)，數(shù)字通信中

9、的兩類(lèi)基本差錯(cuò)控制方法：ARQ和FEC在WCDMA的差錯(cuò)控制中都將有所應(yīng)用。這一部分將介紹不同差錯(cuò)控制方式在未來(lái)移動(dòng)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，以及主要的糾錯(cuò)碼編碼技術(shù)及其性能.Turbo碼是一種新型級(jí)聯(lián)遞歸系統(tǒng)卷積碼，它是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)通常相同的遞歸系統(tǒng)卷積（RSC）編碼器通過(guò)內(nèi)部交織器的級(jí)聯(lián)而成。Turbo碼的主要優(yōu)點(diǎn)之處是在AWGN信道中,其糾錯(cuò)性能可接近香農(nóng)限。在傳輸同樣長(zhǎng)的信息位的數(shù)據(jù)塊時(shí)，Turbo碼的性能要比RS級(jí)聯(lián)碼要好ldB以上從上面的分析，可以看到，在WCDMA中，在低速率和低性能要求下仍然采用與第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)中類(lèi)似的卷積碼編譯碼技術(shù)，而在高速率和高性能要求的情況下，差錯(cuò)控制編碼方案已經(jīng)

10、有了很大變化;RS碼與卷積碼的級(jí)聯(lián)的編碼方案已經(jīng)逐漸被Turbo碼所代替。目前，Turbo碼的編解碼技術(shù)發(fā)展很快，它已經(jīng)發(fā)展為一種包括多種編譯碼方法的FEC技術(shù)分支。WCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的Turbo碼的應(yīng)用，1948年香農(nóng)提出了著名的第二信道編碼定理。該定理指出：在有噪聲的信道中，只要實(shí)際傳輸速率小于信道的容量時(shí)，總可以實(shí)現(xiàn)在信道中無(wú)差錯(cuò)的傳輸。香農(nóng)提出了三個(gè)基本條件：（1）采用隨機(jī)編譯碼方式；（2）編譯長(zhǎng)度L到無(wú)窮，即分組的碼組長(zhǎng)度無(wú)限；（3）譯碼采用最佳的最大似然譯碼算法。在滿足這三個(gè)條件的前提下，他認(rèn)為在信道中可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)傳輸oTurbo碼的設(shè)計(jì)包括分量RSC生成元的確定、碼率調(diào)整

11、器的設(shè)計(jì)（打孔）以及內(nèi)部交織器的設(shè)計(jì).（1）RSC（分量）編碼器生成元的設(shè)計(jì)由上面的算法復(fù)雜度分析看，譯碼的計(jì)算量是與卷積碼的約束長(zhǎng)度（M+1）有關(guān)為o（2M），如果要減少運(yùn)算量，約束長(zhǎng)度就不能太大，因而在WCDMA的提案中建議的約束長(zhǎng)度一般是3、4和5。從仿真結(jié)果來(lái)看：譯碼時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，較大的約束長(zhǎng)度具有較大的編碼增益.從另一個(gè)角度看，約束長(zhǎng)度越長(zhǎng)，信息關(guān)聯(lián)程度越大，無(wú)疑對(duì)譯碼性能的提高是有好處的。（2）柵格終止Turb。由于Turbo碼編碼器的兩個(gè)分量編碼器之間存在一個(gè)內(nèi)部交織器，而且每個(gè)分量編碼器又是遞歸的卷積碼編碼器，所以很難在每個(gè)數(shù)據(jù)塊尾將寄存器狀態(tài)歸零，B的初始條件的狀態(tài)是定

12、義在寄存器的狀態(tài)為0的條件下。雖然在仿真中發(fā)現(xiàn)帶有尾比特的與沒(méi)有尾比特的譯碼算法的性能差距不大，但是沒(méi)有柵格終止會(huì)給硬件實(shí)現(xiàn)帶來(lái)麻煩。目前還沒(méi)有只用M位（寄存器為M個(gè)）同時(shí)結(jié)束兩個(gè)RSC編碼器的簡(jiǎn)單算法。解決的辦法是：在完成所有輸入信息編碼工作后，讓第二個(gè)RSC編碼器不工作，只將第一個(gè)RSC編碼器歸零。同理，讓第一個(gè)編碼器不工作，只將第二個(gè)RSC編碼器歸零。這樣在輸入信息的數(shù)據(jù)之后加入2M個(gè)尾比特，就可以實(shí)現(xiàn)Turbo碼的柵格終止。（3）交織深度的選擇，Turbo碼有較大的時(shí)延，使得它在對(duì)時(shí)延要求較高的話音業(yè)務(wù)中的應(yīng)用受到了限制,但對(duì)于其他無(wú)編譯碼時(shí)延要求或?qū)r(shí)延要求較低的業(yè)務(wù),Turbo碼的

13、作用就可以得到充分地發(fā)揮了.所以在WCDMA系統(tǒng)中，32kbps（包括32kbps）以上的業(yè)務(wù)由Turbo碼完成。由前面的分析知道,Turbo碼的譯碼性能除了受交織器隨機(jī)化作用影響外,它很大程度上取決于交織器長(zhǎng)度（即交織深度）。交織深度越大，譯碼的誤碼率越低。使用的交織深度達(dá)到65536。在WCDMA系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)速率由32kbps到2Mbps,10ms一幀，其幀長(zhǎng)由320到20000,如果幀長(zhǎng)等于交織深度的話，那么Turbo碼的譯碼器性能就會(huì)有很大差別。雖然一些文獻(xiàn)對(duì)短幀進(jìn)行了研究，但其性能還遠(yuǎn)不能讓人滿意。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不能選用很大的交織深度。因此，為了提高譯碼器的性能，在一些低速業(yè)務(wù)的場(chǎng)合，可以用多幀組成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，加大交織深度。從仿真結(jié)果看，對(duì)于144kbps以上到384kbps的業(yè)務(wù)，其一幀可單獨(dú)對(duì)應(yīng)一個(gè)譯碼數(shù)據(jù)塊。（4）交織算法Turbo碼的交織算法也是影響其性能的一個(gè)重要因素。目前交織算法還處在研究階段，其設(shè)計(jì)方法尚無(wú)理論上完整的表述，到底采用什么方法作為標(biāo)準(zhǔn)尚無(wú)定論，一般采用非均勻交織器。目前，所采用的交織算法還不能說(shuō)對(duì)所有的RSC都是最佳的，往往是對(duì)某些RSC編碼生成元比較好，需要通過(guò)仿真結(jié)果加以判斷和調(diào)整。很多國(guó)家和組織已經(jīng)提交了交織算法，但都比較煩瑣。在WCDMA的信道編碼技術(shù)中除了繼承二代移動(dòng)通信的話