WCDMA技术的信源编码和信道编码

1、WCD M技术的信源编码和信道编码WCDM网络是全球商用时间最长，技术成熟、可演进性最好的，全球第一个 3G商用网络就是采用WCDMW式。我国采用了全球广泛应用的WCDMA 3技术， 目前已全面支持HSDPA/HSUPA网络下载理论最高速率达到14.4Mbps。2G无线 宽带的最高下载速度约为150Kbps,我国的WCDM网络速度几乎是2G网络速度 的 100倍。支持业务最广泛，基于WCDM成熟的网络和业务支撑平台，其所能实现的 3G业务非常丰富。无线上网卡、手机上网、手机音乐、手机电视、手机搜 索、可视 电话、即时通讯、手机邮箱、手机报等业务应用可为用户的工作、生活 带来更多的 便利和美妙享

2、受。终端种类最多，截至2008年底，支持WCDM商用 终端的款式数 量超过2000款，全球主要手机厂商都推出了为数众多的WCDM手 机。国内覆盖广 泛，截至2009年9月28日，联通3G网络已成功在中国大陆285个地市完成覆盖并 正式商用，新覆盖的城镇数量还在不断增长中，联通3G网络和业务已经覆盖了中国绝大部分的人口和地域。 开通国家最广，可漫游的国家和 地区最多，截至2008年底，全球已有115个国家开通了 264个WCDMW络，占 全球3G商用网络的71.3%。截至2009年9月28日，中国联通已与全球215个国 家的395个运营商开通了。WCDM的优势明显，技术成熟，在WCDM物理层来看

3、，信源编码和信道编码 是WCDM技术的基础，信源编码是采用语音编码技术，AMF语音编码技术是由基 于变速率多模式语音编码技术发展而来，主要原理在于：语音编码器模型由一系列 能提供多种编码输出速率与合成质量的声码器构成AMR支持八种速率。鉴于不同信 源比特对合成语音质量的影响不同AMR语音编码器输出的话音比特在传输 之前需要 按照它们的主观重要性来排序分类，分别采用不同保护程度的信道编码 对其进行编 码保护。信源编码AMR模式自适应选择编码器模式以更加智能的方式解决信源和信 道编 码的速率匹配问题，使得无线资源的配置和利用更加灵活和高效。实际的语 音编码 速率取决于信道条件，它是信道质量的函数。

4、而这部分工作是解码器根据 信道质量 的测量参数协助基站来完成，选择编码模式，决定编码速率。原则上在信道质量差 时采用低速率编码器，就能分配给信道编码更多的比特冗余位来实现纠错，实现更 可靠的差错控制。在信道质量好、误比特率较低时采用高速率编码 器，能够提高语 音质量。在自适应过程中，基站是主要部分，决定上下行链路采用的速率模式。信源编码AMRS码器原理，WCDM系统的AMRA码器共有八种编码模式，它 们的输出比特速率不同。为了降低成本和复杂度，八种模式都采用代数码本激励线 性预测技术，它们编码的语音特征参量和参量提取方法相同，不同的是参量的量化码本和量化比特数。AMR5音编码器根据实现功能大致

5、可分为LPC分析、基 音搜索、代数码本搜索三大部分。其中LPC分析完成的主要功能是获得10阶LPC 滤波器的-个系数，并将它们转化为线谱对参数，并对LSF进行量化；基音搜索包 括了开环基音分析和闭环基音分析两部分，以获得基音延迟和基音增益这两个参数；代数码本搜索则是为了获得代数码本索引和代数码本增益，还包括了码本增益的量化。原始语吝AM焉扁码器原理框图AM译码器原理,AMR的译码器原理如解码原理图所示。按照可选模式从接收的比特流中，将传输的索引选出。在每次的传输帧中索引被译码，参数包括LSP矢量、基音延迟、分数基音延迟、更新码矢量、基音和更新增益 LSP矢量被转化 为LP滤波系数，经过内插获得

6、在每个子帧的LP滤波器：激励通过自适应码本和更 新 码本及各自增益的加权而获得；激励信号通过LP合成滤波器重构语音信号；最后，重 构的语音信号通过自适应后置滤波器。S F索弓Sp解码对四个产帧的LSP内捕；基音 累引 索引自适和本拆码解后 置 滤 波LSP转更新码本的解码化为A（z）AM解码器原理框图AM在WCDMA统中应用，AM集成了多种语音编码模式，每种模式都有自己的输出速率和比特分布特征。语音编码所提供的不同的特征参量对信道误码的敏 感度不同， 对信道越敏感的参量在加扰后对合成语音质量影响越大。另外，即使同一个参量在量化后，不同比特对信道误码的敏感程度也不同。由于移动通信系统资 源有限，

7、考虑到传输效率的要求，不能为了通信质量无限制地增加信道的冗余度。因 此，鉴于不同信源比特对合成语音质量的影响不同，语音的信道保护设计中采用不等差错保护方案（UEP,即将信源比特按其重要性排序分类，分别采用不同 保护程度的信道编码对其进行编码保护。AMRS过多种编码模式间的自适应切换显示出其在合成语音效果和抗干扰性 能方面较传统语音编码器更为优越的地方。WCDM的信道编码方案，WCDM的信道编码方案包括以下几部分：纠错编码/译 码（包括速率适配）交织/解交织，传输信道映射至/分离出物理信道。另外，某些业 务的组合可能要求不同层次上的业务复用，也会在信道编译码器的设计上有所体现。 信道编码方案已不

8、仅仅是纠错码的选择、编译码算法和交织算法的问题。它还涉及与 高层消息的通信，从高层获得业务质量指示、业务复用方式等信息，以实现不同业务 的不同编码和复用方案，从而以最高的效率提供多种业务的组合。为了适应多种速率的 传输，信道编码方案中还增加了速率适配功能,WCDMA合出了一种速率适配算法,目的 是把业务速率适配为标准速率集中的某个速率。当然，决定信道编码性能最基本的问题 还是它的差错控制案。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是作为无线业务最基本的纠错方式，ARQ作为一种补充方 式。在早期的WCDMA的提议中，它建议了四种前向信道纠错码，它

9、们分别是：卷积 码、RS码与卷积码的串行级联、Turbo码以及业务专用编码。WCDM的差错控制技术，数字通信中的两类基本差错控制方法：ARQ和FEC 在WCDM的差错控制中都将有所应用。这一部分将介绍不同差错控制方式在未来移动 业务中的应用，以及主要的纠错码编码技术及其性能.Turb。码是一种新型级联递归系 统卷积码，它是由两个结构通常相同的递归系统卷积（RSC）编码器通过内部交织器的 级联而成。Turbo码的主要优点之处是在AWGN言道中，其纠错性能可接近香农限。 在传输同样长的信息位的数据块时，Tur bo码的性 能要比RS级联码要好1dB以上从 上面的分析,可以看到，在WCDM中 在低速

10、率和低性能要求下仍然采用与第二代移动 通信系统中类似的卷积码编译码技术，而在高速率和高性能要求的情况下，差错控制编 码方案已经有了很大变化；RS码与卷积码的级联的编码方案已经逐渐被Turbo码所代 替。目前,Turb。码的编解码技术发展很快，它已经发展为一种包括多种编译码方法的 FEC技术分支。WCDM移动通信系统中的Turbo码的应用，1948年香农提出了著名的第 二信道 编码定理。该定理指出：在有噪声的信道中，只要实际传输速率小于信道的容量 时，总可以实现在信道中无差错的传输。香农提出了三个基本条件：（1）采用随机编 译码方式；（2）编译长度L到无穷，即分组的码组长度无限；（3）译码采用最

11、佳的最大 似然译码算法。在满足这三个条件的前提下，他认为在信道中可以实现无差错传 输。Turbo码的设计包括分量RSC生成元的确定、码率调整器的设计（打孔）以及内部 交织器的设计.（1） RSC（分量）编码器生成元的设计由上面的算法复杂度分析看，译 码的计算量是与卷积码的约束长度（M + 1）有 关为o （ 2M ）,如果要减少运算量，约束 长度就不能太大，因而在WCDM的提 案中建议的约束长度一般是3、4和5。从仿真结果来看:译码时，在一定的范围 内，较大的约束长度具有较大的编码增益.从另一个角度看，约束长度越长，信 息关联程度越大，无疑对译码性能的提高是有好处的。（2）栅格终止Turbo由

12、于Turbo 码编码器的两个分量编码器之间存在一个内部交织器，而且每个分量编码器又是递归 的卷积码编码器，所以很难在每个数据块尾将寄存器状态归零，B的初始条件的状态 是定义在寄存器的状态为0的条件下。虽然在仿真中发现带有 尾比特的与没有尾比特 的译码算法的性能差距不大，但是没有栅格终止会合硬件实现带来麻烦。目前还没有 只用M位（寄存器为M个）同时结束两个RSC编码 器的简单算法。解决的办法是： 在完成所有输入信息编码工作后，让第二个RSC编码器不工作，只将第一个RSC编 码器归零。同理，让第一个编码器不工作，只将第二个RSC编码器归零。这样在输入 信息的数据之后加入2M个尾比特，就可 以实现T

13、urbo码的栅格终止。（3）交织深度的 选择，Turbo码有较大的时延，使得它在对时延要求较高的话音业务中的应用受到了限 制，但对于其他无编译码时延要求或对时延要求较低的业务，Turb。码的作用就可以得 到充分地发挥了所以在WCDM系统中,32kbps （包括32kbps）以上的业务由Turbo码完成。由前面的分析知道，Turb。码的译码性能除了受交织器随机化作用影响外，它 很大程度上取决于交织器长度（即交织深度）。交织深度越大，译码的误码率越 低。使 用的交织深度达到65536。在WCDM系统中，业务速率由32kbps到 2Mbps,10ms 一帧，其帧长由320到20000,如果帧长等于交

14、织深度的话,那么Turbo码的 译码器性能就会有很大差别。虽然一些文献对短帧进行了研究，但其性能还远不能让 人满意。当然在实际应用时，不能选用很大的交织深度。因此，为了提高译码器的性 能，在一些低速业务的场合，可以用多帧组成一个数据块，加大交织深度。从仿真结 果看，对于144kbps以上到384kbps的业务，其一帧可单独对应一个译码数据块。（4）交织算法Turb。码的交织算法也是影响其性能的一个重要因素。目前交织算法 还处在研究阶段，其设计方法尚无理论上完整的表述，到 底采用什么方法作为标准尚 无定论，一般采用非均匀交织器。目前，所采用的交织算法还不能说对所有的RSC都 是最佳的，往往是对某些RSC编码生成元比较 好，需要通过仿真结果加以判断和调 整。很多国家和组织已经提交了交织算法，但都比较烦琐。在WCDM的信道编码技术中除了继承二代移动通信的话