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编码器解码器一、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。

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。

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2kbit/s－4.8kbit/s。

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4kbit/s－16kbit/s。

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。

.CDMA的语音编码CDMA系统如同其它数位式行动电话系统，它也采用语音编码技术来降低语音的资料速率。

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。

(1)QCELP 受激线性预测编码QCELP，即QualComm Code Excited Linear Predictive（QualComm受激线性预测编码）。

这种算法不仅可工作于4/4.8/8/9.6kbit／s等固定速率上，而且可变速率地工作于800bit／s～9600bit／s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。

I‘1限值懈景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，CDMA8Kbit/s的话音近似GSM 13Mbit/s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。

(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 (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4～16kb/s 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所示。

与LPC 模型类似，CELP 模型中也有激励信号和声到滤波器，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。

LI图 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 。

CELP 算法简介：线性预测：y(n)∑=--=p 1i i )i n (y a)n (y ˆCELP 语音合成示意图：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)。

CELP 码激励线性预测编码的特点：改善语音的质量：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；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；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；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；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。

索引a 增益a0255子帧延迟自适应码本⊗索引s随机码本511增益s ⊗⊕线性预测滤波器线谱参数语音信号更新(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。

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。

图2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2 VSELP语音解码器二、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。

（一）CDMA2000中的信道编码技术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。