基于ＣＤＭＡ技术的中兴无线数字接入系统

１ 引言

    CＤＭＡ码分多址接入是当今无线接入最热门的话题，ＣＤＭＡ在频谱利用率、系统容量、频率规划、抗多径干扰、语音编码质量、话音保密性、低功率谱密度，以及在时间、空间和频率分集技术等方面都有很大的优势。

     中兴公司在国内通信厂家中较早认识到ＣＤＭＡ技术在数字无线通信中的重要地位，对该项技术的研究和开发，中兴公司一直给予了高度的重视，并已成功地将ＣＤ-ＭＡ接入技术运用到数字无线本地环路中。本文介绍与ＣＤＭＡ技术有关的话音编码和信道编码技术，旨在对ＣＤＭＡ技术进行探讨，使大家对中兴公司的数字无线本地环路（ＺＸＤＷＬＬ）系统有更进一步的了解。

    在ＺＸＤＷＬＬ系统中，语音编码和信道编码由一片数字信号处理（ＤＳＰ）芯片来完成。反向信道和前向信道的数据处理过程类似，前向信道的数据处理过程。

２ 语音编码

    有效去除语音冗余度而又保持符合要求的语音质量，是语音业务通信领域的重要课题。自从３０年代末脉冲编码调制（ＰＣＭ）被提出以来，出现了许许多多针对不同用途的语音编码方案，大体上可分为３类：波形编码、参数编码和混合编码。评价语音编码器主要参考以下几个方面：语音质量（如平均意见得分）、算法复杂度及其所需的编解码延时等。波形编码以ＰＣＭ，自适应差分脉冲编码调制（ＡＤＰＣＭ）为代表，语音自然度好，适应能力强，但当编码速率低于１６ｋｂｉｔ／ｓ时，编码质量明显下降。线性预测编码（ＬＰＣ）是应用相当广泛的参数编码方案，由于是建立在人类话音参数模型基础上，编码效率大为提高，付出的代价是：自然度差，编码时延增加，难胜任非话音音频业务，对环境噪声敏感等。为了在中低速率上（１６ｋｂｉｔ／ｓ以下）得到高质量语音，研究者试图克服波形编码和参数编码的弱点，结合两者长处，从而产生了混合编码技术，码激励线性预测（ＣＥＬＰ）便是运用到ＣＤＭＡ接入技术的语音编码方案。

２．１ ＣＥＬＰ简介

    ＣＥＬＰ从１９８５年被提出至今，由于其高质量的合成语音，优良的抗噪声及多次转接性能，同时也得益于当今ＤＳＰ技术在运行速度和内存空间容量上的突破，尽管复杂度较高，仍被广泛用于许多语音编码标准之中，如：１９８８年美国国防部与ＡＴ＆Ｔ提出的４．８ｋｂｉｔ／ｓ的ＦＳ－１０１６标准，１９８９年８ｋｂｉｔ／ｓ速率上的北美数字移动通信矢量和激励线性预测（ＶＳＥＬＰ）编码器，１９９１年ＣＣＩＴＴ通过的１６ｋｂｉｔ／ｓ的短延时码激励线性预测（ＬＤ－ＣＥＬＰ）编码器（Ｇ．７２８），１９９６年ＩＴＵ通过的８ｋｂｉｔ／ｓ共轭结构代数码激励线性预测（ＣＳ－ＡＣＥＬＰ）编码器（Ｇ．７２９）。

    ＣＥＬＰ是一种采用ＬＰＣ方案，码本感觉最优搜索的帧编码技术。码本（含自适应码本和随机码本）搜索占用ＣＥＬＰ编码器约８０％的处理时间，搜索算法的优化及定点化是ＣＥＬＰ获得实用的关键。

    ＣＥＬＰ采用一个自适应码本矢量来逼近语音的长时周期性（基音）结构，而用一个固定的随机码本中的码字来近似经过短时、长时预测后的余量信号。从两个码本中搜索出来的最佳码矢量，乘以各自的最佳增益后，其和即是ＣＥＬＰ的激励信号源。将激励信号输入ＬＰ综合滤波器，得到合成语音信号，合成语音与原始语音的误差经过感觉加权滤波 即为感觉加权误差。ＣＥＬＰ用感觉加权的最小平方预测误差（ＭＳＰＥ）作为搜索最佳码矢量及其幅度的度量准则。

    ＣＥＬＰ采用两级搜索的方法。首先以加权ＬＰ余量信号搜索自适应码字，第２级的目标矢量为第１级的目标矢量减去自适应码本搜索得到的最佳码矢量激励综合加权滤波器的结果。

２．２ ＺＸＤＷＬＬ系统的语音编码方案

    采用改进的ＣＥＬＰ编码方案，鉴于ＣＤＭＡ系统的特殊性，编码速率可变，当速率为８ｋｂｉｔ／ｓ时，语音质量优于１６ｋｂｉｔ／ｓ的ＡＤＰＣＭ编码器，接近长途电话语音。

编码器各部分介绍如下：

（１）速率确定

    由于语音交流在许多时间间隔内存在停顿，速率确定可充分利用这些短暂停顿降低输出功率，将节省ＣＤＭＡ功率消耗，从而提高系统容量。

（２）帧分析

    帧分析为１０阶线性预测，由于ＬＰＣ参数编码效率低，误码波及面较大，编码时变换到线谱对（ＬＳＰ）形式。线谱对是线性预测参数在频域的表示形式，可用来估计语音的基本特征。它和语音信号谱包络的峰有更紧密的联系，用其合成预测滤波器能保证稳定性，而且ＬＳＰ的量化特性和内插特性均优于ＬＰＣ参数，使得产生相同质量的合成语音所需的比特率约可降低２５％。

（３）全局优化

    以上介绍的码本搜索，是一局部最优过程，为使两过程相互独立，在实际的激励矢量搜索过程中，还需要全局优化处理，这主要是统一考虑两者产生的误差，并使感觉均方误差最小。

（４）后置自适应滤波器

    后置自适应滤波器由长期后置滤波器、短期后置滤波器、畸变补偿滤波器和输出增益控制单元组成，通过自适应调整频率响应，衰减合成语音频率的谱谷，以提升重建语音共振峰，感觉上使噪音降低，但同时也给语音引入了一些畸变，因此在多次转接系统中，应尽量放置于最后一级。长期后置滤波器又称基音后置滤波器，频响谱峰位于需要后置滤波语音的基频的倍数位置上。短期后置滤波器为１０阶零极点滤波器，用于衰减共振峰之间的频率分量。畸变补偿滤波器为１阶零点滤波器，试图补偿频率响应中的频谱倾斜。增益控制单元使后置滤波器输出语音的幅度与未经滤波的语音幅度大致相等。

２．３ 实现的编码器性能

    以上介绍的８ｋｂｉｔ／ｓ ＣＥＬＰ编码器可在一片定点数字信号处理芯片上实现，性能如表１所示。

３ 信道编码

３．１ 维特比译码

    在ＣＤＭＡ系统中采用卷积编码来降低误码率，而维特比译码是目前使用最为广泛且效果最好的卷积译码算法。其性能与卷积码的最大自由距离有关。自由距离是指任意长卷积后序列之间的最小汉明距，具有误码率随自由距离增加呈指数减少的特性。对于一定约束长度的卷积码，可由计算机搜索得到在低误码率高编码增益下的最佳码，此时该码的自由距离最大。由编码理论，当编码效率为１／２，在白色高斯噪声信道中及同样的信息传输速率和输出误码率的情况下。

由此表可见，约束长度６和７的编码增益差别较大，但维特比译码的运算量随约束长度的增加而呈指数增长，对于（２，１，６）卷积码，若输入序列的长度为１７９时，维特比译码需４．１０ＭＩＰＳ，改为（２，１，７）码时则需８．５０ＭＩＰＳ。一般ＣＤＭＡ系统中要采用约束长度大于６的卷积码。用ＤＳＰ软件来实现维特比编码码的最大优点是灵活，只要ＤＳＰ的空间和ＭＩＰＳ资源足够，可以根据需要随意调整编码效率和约束长度。维特比译码是一种最大似然译码方法，其基本思想是在这个网络中选择一条路径，使相应的译码序列与接收到的序列之间的汉明距最小，即路径量度最小，路径确定了，原码也就解出来了。

    具体操作是对每一级的每一个节点，都要找出它的两个父节点。比较这两条路径的总量度，然后丢弃量度大的一条路径，保存量度小的一条路径，所以对应每个节点都有两个存贮器，一个是路径存贮器，存贮该节点的部分路径；另一个是路径度量存贮器，用来存贮到达该节点的部分路径度量值。所以，维特比译码的基本运算是：相加——比较——选择。相加指在给定级中各节点的路径量与允许传输的两条分支度量相加；比较指在给定级中比较进入节点的路径度量的大小；选择指选择具有最小路径度量（最大对数似然函数）累加值的路径保存起来，而丢弃另一条路径。用ＤＳＰ程序实现时可充分利用ＤＳＰ的片内ＲＡＭ空间，缩短译码时间。上述编译码均针对二元序列二进制对称信道（ＢＳＣ）而言，此时的维特比译码为硬判决。要改善维特比译码的性能，还可采用软判决的方法。此时信号经信道板解调后送给ＤＳＰ的是多比特的数据。软判决维特比译码的编码增益在量化比特数超出３位（量化电平Ｑ＝８）时趋于饱和，因此软判决时量化比特取３位即可。译码过程与硬判决类似。根据编码理论，在一定的误码率下，对某一种卷积码而言，软判决比硬判决可以多获得２～３ｄＢ的量化增益。

３．２ 交织、反交织的实现

    无线传输过程很不稳定，即使在同一地点、不同时间收到的场强也不同，时强时弱。在移动通信中，由于城市建筑及地面复杂地形的影响，移动台收到的信号是经过多次反射或散射路径传来 的，所以任何一个接收点的场强是多径信号矢量合成的结果，这种衰弱就是快衰弱。块交织的主要作用是抗快衰弱，是为了对付突发噪声造成的连续误码。当出现连续误码时，对维特比译码是很不利的，所以要用交织技术把误码错开再进行维特比译码。

    对于前向信道，实现方法是在其调制端把一帧３８４个比特按先列后行的顺序组成如图３所示２４×１６的矩阵；在接收端再按先行后列的顺序读出。

反向信道与此类似，只不过矩阵排列为３２×１６，一帧共５７６个比特。

３．３ ＣＲＣ校验的实现

    ＣＲＣ校验的目的是检测传输过程的信号质量，ＺＸＤＷＬＬ中用于ＣＲＣ校验的生成如图４所示，其多项式为：

ｇ（ ｘ）＝ｘ１２＋ｘ１１＋ｘ１０＋ｘ９＋

ｘ８＋ｘ４＋ｘ＋１

    设输入信息长度为１８０ｂｉｔ。其后附加１２个零，经上述除法电路后得到的各寄存器（图中寄存器１～１２）值即为校验结果。在接收端也一样操作，将此１９２ｂｉｔ经除法后若得到零，表示校验结果正确，否则判为传输出错。□

（收稿日期：１９９７－１０－２５）