《差错控制编码》PPT课件.ppt

2007年12月,1,第九章 差错控制编码,2007年12月,2,引 言,信源编码，目的是实现模拟信号数字化 信道编码，目的是提高数字通信的可靠性 差错率是信噪比的函数 信道编码，差错控制编码，抗干扰编码 信道编码过程： 信息码元序列监督码元编码码组 信道译码过程： 编码码组检错或纠错信息码元序列,2007年12月,3,本章目录,9.1 差错控制编码的基本概念 9.2 线性分组码 9.3 循环码 9.4 卷积码 9.5 差错控制编码对系统性能的改善 9.6 数字通信系统的应用举例,2007年12月,4,9.1差错控制编码的基本概念,9.1.1 差错控制方式 9.1.2 差错控制编码分类 9.1.3 几种简单的检错码 9.1.4 检错和纠错的基本原理,2007年12月,5,9.1.1 差错控制方式,常用的差错控制方式有三种： 前向纠错（FEC:forward error correction） 发送能纠错的码，在译码时自动发现并纠正传输中的错误 只需正向信道，实时性好 编译码设备复杂，适合单向信道和一发多收系统 检错重发（ARQ:automatic repeat request） 发送端发出能够检错的码，接收端检验，接收端发出反馈应答信号，发送端重新传输 直到正确接收为止 工作原理简单，正向信道+反向信道，传输效率低 混合纠错（HEC:hybrid error correction） 前向纠错方式和检错重发方式的结合与折衷 外层先采用前向纠错，当前向纠错不能解决问题时，内层再采用检错重发。,2007年12月,6,（a） FEC方式 （b） ARQ方式 （c） HEC方式,2007年12月,7,检 错 重 发 的 三 种 方 式,停发等候重发,返回重发,选择重发,2007年12月,8,9.1.2 差错控制编码分类 在编码前先把信息序列分为k位一组（称为信息码），然后附加m位监督码，形成n = k + m位的码组。 1、按信息码和附加监督码间的检验关系 线性码：监督码是信息码的线性组合 非线性码：监督码是信息码的非线性组合 2、按信息码和监督码间的约束方式 分组码：监督码仅与本码组的信息码有关 卷积码：监督码与之前的若干个信息码组的码元有约束关系,2007年12月,9,9.1.3 几种简单的检错码,1. 奇偶监督码 编码方法 把信息码元先分组，在每组最后加一位监督码元，使该码组中1的数目为奇数或偶数 奇数时称为奇校验码 偶数时称为偶校验码 偶校验码 许用码组为000，011，101，110 禁用码组为001，010，100，111 奇校验码 禁用码组为000，011，101，110 许用码组为001，010，100，111,2007年12月,10,一般情况下： 设码组长为n，且为： 则偶校验时有： 奇校验时有： 译码方法(与编码方法相对应) 不满足校验关系，传输一定错误！ 奇偶校验只能发现奇数个(单个)错误，不能检测出偶数个错误。 编码方法简单且实用性强，适用于检测随机零星错码 满足校验关系，传输一定准确吗？,2007年12月,11,2. 二维奇偶监督码 将奇偶校验码的若干码组排列成矩阵 每一码组写成一行 m个码组m行 m个监督位构成了一监督位列 按列的方向增加第二维校验位 n个监督位构成了一监督位行,检错能力 检出所有行和列中的奇数个差错 能检出大多数偶数个差错 检测突发错码也有一定的适应能力 方阵码，交织码,2007年12月,12,3. 重复码 重复码是在每位信息码元之后，再简单重复多次的编码；接收端译码时采用多数表决法 。 4. 恒比码 从固定码长的码组中选择那些1和0的比例恒定的码组作为许用码组，如五单位保护电码等。 5. ISBN国际统一图书编号,2007年作了修改,2007年12月,13,9.1.4 检错与纠错的基本原理 差错编码的基本思想是在被传输的信息中附加监督码，用信息的冗余度来实现检错和纠错。 例如：000、001、010、011、100、101、110、111用来传递信息，则无法检错； 000、011、101、110用来传递信息可以检一位错，但无法纠错； 000、111用来传递信息可以检一位或两位错码，还可以纠一位错码。 可见，码组间的差异与纠检错能力十分重要。,2007年12月,14,定义1：码组中非零码元的数目称为码组的重量，简称码重。 定义2：两码组中对应码位上具有不同码元的数目称为两码组的距离，简称码距，又叫汉明距。 最小汉明距离dmin决定纠检错能力 例 8种码组000、001、010、011、100、101、110、111均为许用码组时，最小码距为1 在选4种码组000、011、101、110为许用码组情况下，最小码距为2 采用2种许用码组000、111时，最小码距为3,2007年12月,15,下图为码距的几何解释 三种编码组合，其汉明距分别为1，2，3。,2007年12月,16,对于分组码，一般有如下结论： (1) 在一个码组内检测e个误码，要求 ； (2) 在一个码组内纠正t个误码，要求 ； (3) 在一个码组内纠正t个误码，同时检测 个误码，要求 。 差错控制编码提高了通信系统的可靠性，也降低了有效性。 为衡量有效性，定义编码效率 。 k是编码前码组中的码元数，即信息码元数； n是编码后码组中的码元数，它包含了校验码元。,2007年12月,17,9.2 线性分组码 线性码组中的监督码是信息码元的线性组合。 线性码具有封闭性，即任意两个许用码组之和（模2加），结果仍为一许用码组。 设n位分组码用 表示，k位信息码用 表示，记该码组为(n , k)码。 将码组和信息码组用行矩阵表示出来，则有：,2007年12月,18,n=k+m， n：编码以后的位数 k：编码以前的位数，即信息码 m=n-k：监督位或校验位,2007年12月,19,写成矩阵形式，有 ，G为生成矩阵(k*n)，且： 设 则,k行,k+m =n列,2007年12月,20,矩阵P的重要意义, 与监督位或校验位相对应 编码的根据 译码的根据，检纠错的根据 矩阵P如何选择？ 编码前信息码组有k位码元，k位码元共有 种组合 编码后码组有n位码元，n位码元共有 种组合， 矩阵P可有多种选择 较强的检错或纠错能力 实现方法尽可能简单且编码效率高 在数学上已经证明 线性码的最小码距正好等于非零码的最小码重 为了估算线性码的差错控制能力应首先求出码组的最小码距,2007年12月,21,例9-1已知(6,3)码的生成矩阵为G，试求：(1) 编码码组和各码组的码重；(2) 最小码距 及其差错控制能力。 解 (1) 由3位码组成的信息码组矩阵为D：,2007年12月,22,由式 ，得码组矩阵为： 信息码组、编码码组及码重如下表所示： 信息码组 编码码组 码重W 信息码组 编码码组 码重W 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 3 0 0 1 0 0 1 1 1 0 3 1 0 1 1 0 1 0 1 1 4 0 1 0 0 1 0 0 1 1 3 1 1 0 1 1 0 1 1 0 4 0 1 1 0 1 1 1 0 1 4 1 1 1 1 1 1 0 0 0 3,2007年12月,23,由前表可知，非零码组的最小码重为： 所以最小码距为： 因此，该码有纠1错，或检2错，或纠一错同时检一错的能力。,2007年12月,24,译码原理 由 可知， 或写成 设 ，则有 。 任何线性分组码码组都应该满足上述关系 信息码与监督码间的校验关系完全取决于H H矩阵称为校验矩阵或监督矩阵，是译码的关键！,2007年12月,25,设接收码组为R，它可分解为 。 其中，C为正确码组，E为错误码组（差错图案） 当无错接收时，E为0，当有错接收时，E为非零矢量。 再设伴随矩阵为： ， 则有： 当出现错码时，S为非零矢量，则根据上式可求得E，然后再经过计算 ，便可得到正确的码组了。,只与E有关，而与发送的码字C无关。只反映信道对码字的干扰,RHT=S E C=R+E,2007年12月,26,由于信息码组有 个，由于由S计算出来的E不唯一，纠正后的C就不同，这时，使用最大似然比准则，选择与R最接近的C作为正确的接收码组。方法是：在 E中选择码重最 小的E，即表示 选择与R最接近 的C。 右图是查表法译 码器原理图。,2007年12月,27,例9-2 按照例9-1生成矩阵G，列出S与E的对照表。当收到码组R=1 1 1 0 1 1时，解出对应的信息码组D。 解：已知生成矩阵为： 又因为 故,2007年12月,28,为6X3的矩阵，由式 可知，共有 种形式，相应的码重最小矢量有8种，见下表。由表可知，(6,3)码具有纠1错能力。虽然S111时对应一种双错图案，但除此以外的双错却不能得到纠正。 E S E S 0 0 0 0 0 0 000 0 0 0 1 0 0 100 1 0 0 0 0 0 101 0 0 0 0 1 0 010 0 1 0 0 0 0 011 0 0 0 0 0 1 001 0 0 1 0 0 0 110 1 0 0 0 1 0 111,2007年12月,29,将码组矢量R=1 1 1 0 1 1代入 ，可得S(如下)。 查E-S对照表，可找到差错矢量为： 由式 ，可得到正确码组，即 所以信息码组为：,2007年12月,30,汉明码：能纠正单个错码的称为汉明码。 为能指出所有单错位置和无错情况，线性码组码长n、信息位k和监督位m间应满足下述关系： 上式取等号时为汉明码，此时有： 由于m = nk， 所以，,2007年12月,31,上式表明：若信息码组长为k，则能纠正单个错码所需的最小码组长度n。此时有 。 由上式可求得有(3 , 1)码，(7 , 4)码，(15 , 11)码，(31 , 26)码等。 汉明码的编码效率为： 一般地，若码组有纠t个差错的能力，则应能指出无错、单错到t个差错所有可能情况，此时校验位数m应满足： 上式称为汉明界。它给出了纠t个错的必要条件。,2007年12月,32,9.3 循环码 9.3.1 循环码的特点及表达式 循环码是一种系统分组码，前k位是信息码，后r位是监督码。不仅具有封闭性，还具有循环性，即一许用码组经循环移位后得到另一个许用码组。 设 是一个循环码组，则可将之表示为： 上式称为码多项式。,2007年12月,33,码组C移位1次得到的仍是码组，它可写成： 不难验证： 类似地，码组C经i次移位后，得到的新的码组 是 除以 的余式。 也就是说，在模 意义下，若c(x)是码多项式，则 都是码多项式。 循环码的编码过程也可用多项式来描述。,2007年12月,34,一个k位信息码组 用信息多项式表述出来，则有： 编码问题就是求解码组多项式c(x) 的问题。 设 ，这里g(x)是 的nk次因式，称为生成多项式。 所以有： 由于 而前已证明： 显然， ，d1(x)对应某个信息码组,2007年12月,35,上式表明： 对应某个信息码组，就是说c(x) 一定是循环码组。或者说，循环码完全由其码组长度n及生成多项式g(x)所决定。由于g(x)是一个能除尽 的nk次多项式，所以对 进行因式分解，便可得到相应的g(x)。 通常，由信息码组D和生成多项式求出的码组不是系统码。根据系统码的定义，码组的前k位是信息码，后m位是校验码。 用多项式表示为：,2007年12月,36,又因为 ，所以，有： 或写成： 因此，有： 可见， 。,remainder 余数，余式，余项,2007年12月,37,例9-3 求(7 , 4)循环码的生成多项式g(x)。 当信息码组D=1 0 1 0 时，求输出码组C。 解：由已知条件可知n = 7，k = 4，m = 3，g(x) 应为 的3次因式。而 得到2个g(x)分别为： 和 由 可计算输出码组。计算过程如下： 多项式运算时遵循模2规则，即 。,2007年12月,38,例9-4 用例9-3的生成多项式g(x)求系统循环码的码组，已知D=1 0 1 0。 解：当 时，信息多项式和升位后的多项式分别为： 求余式R(x)的竖式为：,2007年12月,39,余式和码组多项式分别为： 可得系统循环码码组C为： 当 时，用同样方法可得： 由以上结果可以看出，用不同的生成多项式，都可以得到系统循环码。,2007年12月,40,9.3.2 循环码的编码和译码 循环码的优点是其编译码电路都可用移位寄存器和模2加构成的线性时序网络来实现。编码的关键是求出校验位多项式R(x)，而R(x)可通过式 求解。 多项式除法可用带反馈的线性移位寄存器来实现。g(x)与移位寄存器的反馈逻辑相对应， 是初始预置状态，随着码元的节拍就可以进行求解余式的运算。,2007年12月,41,(7,4)循环码编码电路如下图所示。 由于发送码组c(x) 是g(x) 的倍式。如果经信道传输后发生错误，收到码组多项式r(x) 不再是g(x) 的倍式，可表示为 或写成：,2007年12月,42,s(x) 是r(x) 除以g(x) 的余式，是不大于m1次的码组多项式，称为伴随多项式或校正子多项式。 接收码组r(x)可表示为发送码组与差错多项式之和，即 r(x) = c(x) + e(x) 。 所以，有： 由此，可以通过s(x)确定e(x)。 对于一个s(x)，可以有多个e(x)，依照最大似然比准则，取最小码重的e(x)，于是，可得所接收到的码组为：c(x) = r(x) + e(x),2007年12月,43,右图是循环码译码器的一种。校正子计算电路计算出相应的s(x)， 错误图样识别器 可通过查表法找 到e(x)，模2和用 来计算正确的译 码输出c(x) = r(x) + e(x) 。例9-5,2007年12月,44,例9-5 已知纠单错(7, 4)系统循环码的生成多项式为 ，试构成译码表。 若接收码组R= 1 0 0 0 1 0 1，求发送码组。 解：根据书中式(8-38)，对码重为1的差错多项式e(x)，求出相应的伴随多项式s(x)，将其对应结果列成译码表，如下表所示。 e(x) ： s(x) ：,2007年12月,45,当接收码组无错误时，e(x) = 0，则s(x) = 0。本题给出的接收码组为： 由此可写出接收码组多项式： 由 可计算出伴随多项式： 查表得到： 由r(x) 和e(x) 可得到译码码组多项式 ：,2007年12月,46,相应的码组为： 由于是系统循环码，所以信息码组为： 据此分析构成的一种译码器如下图所示。图中伴随式计算电路对接收到的码多项式计算出相应的s(x)。错误图样识别器是一个具有nk个输入端的逻辑电路，原则上可采用查表方法，根据 伴随式找到错误图样。 缓存器用于存储k位信 息码元。模2和电路用 于纠正错误。,2007年12月,47,9.4卷积码,引 言 卷积码是非分组码。 它充分利用了各组之间的相关性，信息码的码长 k和卷积码的码长n 都比较小。 卷积码的性能在许多实际应用情况下优于分组码，而且设备也较简单。 通常它更适用于前向纠错，在高质量的通信设备中已得到广泛应用。,2007年12月,48,9.4.1 卷积码的编码及描述,1编码方法 由N 段输入移位寄存器，n 个模2加法器和n 级输出移位寄存器三部分组成。 N 段输入移位寄存器每段均为k 位，这样共有Nk 位输入移位寄存器。 编码器每输入k 位信息比特，输出移位寄存器输出n 位比特的编码。,2007年12月,49,卷积码编码器的一般形式,由图可知，n 位输出比特不但与当前的k个输入信息比特有关，而且与以前的(N1)k 个输入信息比特有关。,通常把N 称为编码约束长度，把卷积码记作（n，k，N），编码效率。,在有的文献中将N1或nN 称为约束长度。,2007年12月,50,（2，1，3）卷积码编码器,输出移位寄存器用转换开关代替。,每个时隙中，只有1bit输入信息进入移位寄存器，并且移位寄存器暂存的内容向右移1位，开关旋转一周输出2比特。,bi 是当前输入信息位，bi-1 为bi 前面第一个信息位， bi-2 为bi 前面第二个信息位。,每输入一个信息比特，经编码器产生2个输出比特c1和c2 。,2007年12月,51,c1和c2与bi、bi-1、bi-2的关系为,设起始状态使所有级清零，即bi bi-1 bi-2 =000，,当第1位数据为1时，即bi=1，bi-2 bi-1=00，输出码组c1 c2=11。,当第1位数据为1时，即bi=1，bi-2 bi-1=01，输出码组c1 c2=01。,依此类推，可求出所有输入数据输入后的输出码组。,2007年12月,52,若输入数据为11010，编码器的状态如下表所示,表9-6 图9-11编码器的状态,为保证全部数据通过移位寄存器，还必须在数据后加3个0。,当第4位数据输入时，第1位数据移出移位寄存器而消失。,每一位数据影响3个输出码组，即（2，1，3）卷积码的约束度为3。,2007年12月,53,2.卷积码的描述,图解法 用图示的方法描述卷积码的状态和输入输出情况。图解法描述编码过程比较直观。 树状图 状态图 网格图 解析法 用编码的生成多项式或者生成矩阵描述卷积码的状态和输入输出情况。 生成多项式 生成矩阵,2007年12月,54,卷积码的树状图,描述在任何数据序列输入时，码组所有可能的输出。,对应上面的（2，1，3）卷积码编码器，树状图如下,把树状图的起始节点放在最左边。,以bi=0，bi-2 bi-1=00作为起点，用a、b、c和d表示bi-2 bi-1的四种可能状态00、01、10、11。,当第1位输入bi=0时，输出码组c1 c2=00。若bi=1，则c1c2=00。,因此从a点出发有两条支路（树叉）可供选择。bi=0时取上支路，bi=1时取下支路。,2007年12月,55,输入第2位比特时，移位寄存器状态右移一位，上支路移位寄存器状态仍为00，下支路的状态则为01，即状态b。,新的一位输入比特到来时，随着移位寄存器状态和输入比特的不同，树状图继续分叉成4条支路，2条向上，2条向下。,如此，即可得到上图所示的二叉树图形。,树状图中，每条树叉上所标注的是输出比特，每个节点上标注的为移位寄存器的状态。,由图可以看出，从第三条支路开始，树状图呈现出重复性，即图中表明的上半部与下半部完全相同，这意味着从第4位数据开始，输出码组已与第一位数据无关，这也解释了前述编码约束度为3的含义。,当输入数据为11010时，沿树状图可得到输出序列为，其路径如图中虚线所示。,2007年12月,56,卷积码的解析法表示,生成多项式表示 编码器中输入移位寄存器与模2加法器的连接关系以及输入、输出序列都可表示为延时算子D的多项式。,例如输入序列为11010的表达式为,式中D的幂次等于时间起点的单位延时数，一般选择第一个比特作为时间起点。,通常把表示移位寄存器与模2加法器之间的连接关系多项式称为生成多项式。因为由它们可以用多项式相乘计算出输出序列。,2007年12月,57,若某级寄存器与某个模2加法器相连接，则生成多项式相应系数取1，否则取0。,上面提到的（2，1，3）卷积码的编码器结构可以用以下两个生成多项式描述：,仍以输入数据11010为例，可得,2007年12月,58,2个模2和的输出序列分别为,输出序列为,这个结果和树状图法得到的结果是相同的。,为了方便，可以用二进制数或八进制数来表示生成多项式的系数,2007年12月,59,9.4.2 卷积码的译码方法,代数译码 利用编码本身的代数结构进行译码，而不考虑信道的统计特性。 硬件实现简单，但性能较差。 门限译码：从线性译码的校正子出发，找到一组特殊的能够检查信息位置是否发生错误的方程组，实现纠错译码。 概率译码 建立在最大似然准则的基础上，在计算时用到了信道的统计特性。 提高了译码性能，但同时增加了硬件的复杂性。 维特比译码译码：把已经接收到的序列与所有可能的发送序列相比较，选择其中汉明距离最小的一个发送序列作为译码输出。 序列译码：在硬件和性能方面介于门限译码和维特比译码之间，适用于约束长度很大的卷积码。,2007年12月,60,9.5 差错控制编码对系统性能的改善 这里仅讨论信号功率相同和信道条件相同条件下，纠t个差错的情况。 设在T时间内传送k位信息码元，对无编码系统，编码前信息传送速率 与信道传送的信息速率 相同，即 但对编码系统，则有 其信息速率比无编码系统高n/k倍。,2007年12月,61,传输带宽大n/k倍，信噪比低n/k倍，也就导致了误比特率高于无编码系统。但译码后的误码组率却明显降低了！ 对无编码系统，设码组有k位码元，则其误码组率为： 通常，有 ，所以， 。 对编码系统，由于能纠t个错，设此时误比特率为 ，在n位码的码组中有t个以上差错时，码组才会出错。在n位码中错i位码的概率为：,2007年12月,62,由此得误码组率为： 当 时，出现t+1个差错的概率远大于出现t+1个以上差错的概率，于是有： 设系统采用2PSK传输，信息传输速率为 ，信道白噪声功率谱密度为 ，并设 ， 为信号平均功率。则对无编码系统，有： ， ， 。,2007年12月,63,而对编码系统，则有 ， ， 当n=7，k=4，t=1时， 有 有无纠错时误码组率比较：节省1 dB.,2007年12月,64,9.6 数字通信系统应用举例 9.6.1 用于市话网的PCM终端设备 下图是局间交换机使用模拟交换机的情况。其弊端是绳路有限，交换机容量受限，市话网的电缆容量也有限。,2007年12月,65,下图是局间直接数字中继传输的情况。 两模拟交换机间通过各自的PCM终端机完成中继，以二次群为例，使用2对线，可以替代模拟中继的120对线。,2007年12月,66,下图是光纤数字传输系统连接方式图。 16端PCM基群单元由A局中继输出，经2、3、4次群复接成140 Mbit/s四次群信号。四次群信号经光端机进行光调制，光信号经光缆传输到达光接收端机，经光电检测器变换，再经分接器分接为16端PCM基群信号，接入B局中继入线。,2007年12月,67,9.6.2数字移动通信系统,移动通信是指通信的双方至少有一方是移动的。 20世纪80年代发展起来的模拟蜂窝移动通信系统被称为第一代（1G）移动通信系统。 主要技术：模拟调频、码分多址 主要业务：电话 主要缺点：容量小、干扰严重、不能与数字网兼容等。 90年代投入运营的数字蜂窝移动通信系统被称为第二代（2G）移动通信系统（我国的GSM系统和CDMA系统）。 系统构成上与第一代并无多大差别。 主要采用了数字技术，如多址方式、话音编码、调制技术、信道编码和分集接收技术等。 容量仍然不能满足要求。不能支持高速数据传输和多媒体业务。 第三代（3G）移动通信系统IMT-2000为多功能、多业务和多用途的数字移动通信系统。 三大主流标准：TD-SCDMA、cdma2000和W-CDMA TD-SCDMA为我国拥有自主知识产权的标准。,2007年12月,68,我国移动通信的发展,我国的公众移动通信始于80年代末期，发展速度极为迅速。 1996年建成了一个覆盖全国（除台湾以外）的模拟移动通信网。模拟移动通信系统于2000年封网。 1994年由中国联通和中国电信分别建立了采用GSM体制的公众移动通信网。同时，中国联通还采用CDMA标准组建了CDMA数字蜂窝系统。 至2006年，GSM体制的市场占有率约为92，CDMA体制的市场占有率约为8。 在2003年9月我国电话普及率达38，其中固定电话的普及率和移动电话普及率持平，各为19。 截止到2007年1月，我国电话普及率达63.3，其中固定电话的普及率达28，移动电话普及率达35.3。,2007年12月,69,3G在我国的发展 近几年来，3G在我国的试验网工作进展顺利。 随着3G技术的不断完善，3G的运营牌照即将发放。 3G的普及和推广必将推动我国的移动通信事业更加快速发展。 移动通信的特点带来的特殊技术问题 在无线环境中的抗衰落和抗干扰技术 移动台在运动中的移动性管理技术 移动网的组网及和固定网连网技术等,2007年12月,70,1. GSM蜂窝移动通信系统,GSM标准制式的数字蜂窝移动通信系统主要在欧洲开发和使用，所以又称为泛欧GSM制式。 GSM技术已成熟，我国也采用了GSM制式。 GSM无线信道 GSM是TDMA/FDMA系统，即多址技术为在频分多址基础上的时分多址。 GSM使用频段为900MHz和1.8GHz。 使用900MHz频段时收、发频差45MHz，频带宽度25MHz。每个射频信道频带宽度为200kHz，分成8个时隙，每个时隙支持一个用户。 相同频率的8个时隙被称为一个TDMA帧，若用户在上行频率的0时隙发送，则将在下行频率的0时隙接收。,2007年12月,71,GSM移动终端设备 移动终端设备即移动台，包括车载台、便携式移动台及个人手机。 终端设备可分为高频部分、基带信号处理和控制部分、接口部分。,2007年12月,72,高频部分包括天线、发送、接收、调制与解调。 基带信号处理部分分发送通道和接收通道。发送通道的信号处理包括语音编码、信道编码、加密、TDMA帧形成。 接收信道的信号处理包括均衡、信道分离、解密、信道译码和语音解码。 控制部分实现对移动台的控制管理。 接口部分包括语音接口、数字接口、人机接口，用以分别实现A/D和D/A变换、语音传输、数字终端适配、显示器和键盘接入等功能。,2007年12月,73,GSM系统中移动台的编码实现,移动台对模拟语音信号的编码采用参数编码，编码方式为“长期预测的规律脉冲激励”（RPELTP），全速编码输出为13kbit/s。 信道编码由纠错编码、交织编码及加密等部分组成。 纠错编码采用在奇偶校验码基础上的卷积编码。经纠错编码后信息速率从13kbit/s增加到22.8kbit/s。 对纠错编码后的数字信号接着进行交织编码处理。交织的方法是按行写入按列读出，这样能把突发的连串差错变为零星的差错。 纠错编码和交织技术的结合，能有效地提高移动通信的可靠性。 经处理后的基带信号对射频进行高斯最小频移键控（GMSK）调制，取BbTb=0.3。,2007年12月,74,2. CDMA移动通信系统,码分多址（CDMA）移动通信系统大多采用美国高通公司（Qualcomm）推出的IS95标准，其商用网于1996年投入运营。 CDMA蜂窝移动通信概念 码分多址（CDMA）是利用不同的地址码区分用户的一种移动通信系统。各用户用不同的、相互正交（准正交）的地址码调制其发送信号，在接收端利用地址码识别（相关检测），从传输的信号中选出相应的各自信号。 CDMA系统既不分频道，又不分时隙，所使用的信道从时域和频域来看都是互相重叠的，即各个用户在同一时间同一频带内各自占用相同的带宽。 要使各用户之间的干扰降低到最低限度，码分系统必须与扩频技术相结合，才能发挥其优势。,2007年12月,75,CDMA系统中扩频技术的应用,由信息论可知，当信道容量一定时，带宽和信噪比可互换。 扩频通信将信号的频谱扩展到100倍以上再传输，这样就大大提高了系统的抗干扰能力，使之在强干扰情况下仍然可以维持正常通信。 以扩频技术为基础的码分多址移动通信系统具有容量大、质量高、功率小、频率规划简单等诸多优点。 在扩频通信中，在发送端用一个带宽远大于用户数据带宽的扩频序列与用户数据相乘（或模2和），即可得到扩频信号，这一过程称为扩频调制，简称扩频。 在接收端使用完全相同的扩频序列对宽带信号做相关处理，把宽带信号还原成原始的用户数据，这一过程称为解扩。 理想的扩频码应具有尖锐的自相关特性。,2007年12月,76,直接序列码分多址（DSCDMA）系统,把码分多址和直接扩频技术相结合，就构成了直接序列码分多址（DSCDMA）系统。 在码分多址通信中，要选择自相关性很强而互相关性为0的周期性序列作为地址码。将用户数据与地址码相乘（或模2和）即可得到码分多址信号。这一过程称为地址码调制。 地址码应具有良好的互相关特性，即互相关特性处处为0。 扩频码应具有良好的自相关特性，即自相关特性尖锐。 要同时满足这些条件很困难，对于不同的要求需要分别选择不同类型的码型。 沃尔什（Walsh）码的互相关特性为0，而且还具有良好的自相关特性，但是它所占的频谱不宽，所以只能作地址码，不能作扩频码。 m序列是一种类似白噪声的伪随机码，它具有尖锐的自相关特性和比较好的互相关特性，码组的频带可以作到很宽，所以m序列既可以作地址码又可作扩频码。,2007年12月,77,CDMA系统的无线信道结构 在码分多址系统中，综合使用了频分复用和码分多址技术。 这里的频分是把分配给CDMA制式的频段分成1.25MHz的频段。在同一小区内，各基站可用频分复用方式使用多个1.25MHz的频段。 前向传输信道（基站至移动台方向） 广播信道：用于传输各种控制信息，它包括导频信道、同步信道和寻呼信道。 业务信道：用于携带用户信息。 反向传输信道（移动台至基站方向） 接入信道 ：用于传输控制信息。 反向业务信道：用于传输用户信息。,2007年12月,78,CDMA系统中的前向传输信道,CDMA前向信道由广播信道和业务信道组成。 广播信道用于传输各种控制信息，它包括导频信道、同步信道和寻呼信道。 业务信道用于携带用户信息。 所有这些信道都使用同一个带宽为1.23MHz的载波频带。 每个载波频带采用64个互相正交的Walsh函数作为地址码，以实现多址接入。 经码分后的信道再由1.2288Mchip/s速率的PN码扩频，扩频信号对射频载波进行QPSK调制。,2007年12月,79,CDMA系统的前向信道的示意图,采用完全正交地址码的CDMA系统原理框图,2007年12月,80,CDMA系统中的反向传输信道,CDMA的反向信道由接入信道和反向业务信道构成。 接入信道传输控制信息。业务信道传输用户信息。 在同一个载波频带内的反向信道可有多个接入信道和多个业务信道。 反向信道的地址调制和扩频调制同时完成，地址码和扩频码使用的是同一个长PN码。 长码序列是由42个移位寄存器组成的序列产生的，长码的周期为242-1，速率为1.2288Mbit/s。 基站通过PN码的相位识别不同的信道和用户，也就是说PN码的相位偏置就是信道和用户的地址。 扩频信号采用OQPSK调制。 OQPSK调制信号使用功率效率高、非线性、完全饱和的C类放大器，这样可节省移动台的功耗，延长通话时间。,2007年12月,81,CDMA系统的反向信道的示意图,使用PN码的CDMA系统原理框图,2007年12月,82,9.6.3 数字微波通信系统,微波频率在300MHz与300GHz之间。,2007年12月,83,9.6.4 数字电视,摸拟电视 电视台发射传输和电视接收机接收到的信号均为模拟信号。 摸拟电视容易受到干扰，清晰度也低，一幅画面的水平线数只有500行左右。 数字电视 数字电视系统中，从节目制作和发射传输到信号接收及处理显示的整个过程都是全数字化的。 数字电视的抗干扰能力强，清晰度明显提高。 数字电视与高清晰度电视（HDTV-High Definition Television）密不可分，数字电视常指高清晰度电视，高清晰度电视也常用来代表数字电视。 高清晰度电视的水平清晰度在1000行以上，每行的像素达1920个，清晰度要比摸拟电视高得多，图像质量的视觉效果可达到35mm宽银幕电影的水平。,2007年12月,84,1. 数字电视系统,卫星数字电视广播 卫星电视广播系统汇总各电视台上星的电视信号（卫视信号），通过地球上空的广播卫星把电视信号送到地面上的相应区域，用户使用卫星接收天线接收。 卫星广播覆盖面广，适合边远的山区收看电视。但要求信号传输的可靠性高。 地面无线数字电视广播 地面无线电视广播系统是通过电视塔上的天线把电视信号发送到周围100公里左右的地区，用户使用天线接收电视信号。 地面无线电视广播覆盖面有限，但方便易行，可以实现移动和便携接收。地面电视广播容易受到高的建筑物或山体的阻挡和干扰，对信号传输的可靠性要求也高。 有线数字电视广播 有线电视广播系统通过同轴电缆把电视信号送到用户。 电视信号用电缆传输，不容易受到干扰，对信号的要求较低，但需要铺设电缆，成本较高。适合人口密度大的城区使用，特别是对于未来的双向电视，具有不可替代的优势。,2007年12月,85,数字电视广播系统构成和发展方向,每一种数字电视广播系统都是由数字电视发射机和接收机两部分组成的。 发射机产生载有数字图像和伴音信息的射频电视信号，以便远距离传输。 接收机接收射频电视信号，经解调后再现出原始的图像和伴音信号。 目前的模拟电视节目大多数是通过有线电视系统收看的，是单方向收看。 住宅小区通过公用天线接收本地电视塔发射的电视信号，还通过卫星接收天线接收卫星发射的电视信号，经变换和处理后通过同轴电缆把电视信号送到用户。 数字电视发展的方向将是双向的。 用户可以按照自己的喜好“点播”节目 。 有线数字电视将是未来数字电视的主要广播形式。,2007年12月,86,数字电视发射机,在数字电视发射机中，待传输的基带信号包括视频、音频和数据信号。,首先要对基带信号进行压缩编码和复用，组成单路串行的传输流(TS-Transport Stream)。基带传输流TS是一种数字信号格式。,运动图像专家组-2 (MPEG-2-Moving Picture Expert Group-2) 格式是国际上统一的基带编码标准，按照MPEG-2标准来处理基带信号的过程就是对信源进行压缩编码的过程。,压缩编码比普通的信源编码能降低传输码率，减小系统传输带宽。,2007年12月,87,压缩编码和复用后形成的基带传输流不能直接作为调制信号使用，必须先进行随机化处理。,（续）,随机化处理的方法是用一个伪随机序列对输入的码流进行加扰，加扰处理能使传输的数据码流中“1”和“0”的概率基本相等，打散码流中的长“1”和长“0”码。,加扰后的数据流有频繁的电平跳变沿和平坦的频谱分布，有利于接收端位定时的提取和信号的传输。,对经过随机化处理后的数据还要进行纠错编码。,方法是采用一级纠错编码和一次交织。一次纠错编码采用RS编码，把经过随机化处理后的每个数据包进行RS编码保护, 增加纠错码字节，产生有纠错功能的数据包。,RS码属于前向纠错编码，对随机性和突发性误码有很强的纠错能力，一般能将误码率改善一个数量级。,一次交织对有纠错功能的数据包实行交织，改变传输的顺序，把可能连续发生的误码分散到多个RS码中，使落在每个RS码中的误码数量大大减少。数据交织能使传输的数据具有更强的抗突发干扰的能力。,2007年12月,88,随机化、RS编码、交织这三个信号处理的过程组成了数字电视系统中的信道编码或称纠错编码。,信道编码是数字电视系统中的核心技术之一， 信道编码提高了数字传输系统的抗干扰性能，使系统能自动纠正传输过程中出现的误码，这是数字电视传输系统的特点之一。,交织后的数据进入变换单元，该单元将二进制的信息比特变换成调制所需要的多进制符号（码元），这个变换过程也叫映射。,数字电视信号的传输采用载波调制方式,将基带信号的符号用射频载波的状态即载波的特定幅度和相位来代表，这一过程称为数字调制。,多进制正交幅度调制MQAM是最常用的调制方式之一，这也是数字电视系统中的关键技术。,按星座图上星座的个数，有16、32、 64、128、 或256QAM之分，最常用的是64QAM 或256 QAM。,2007年12月,89,数字调制的实现,数字调制分为两步实现，即先映射后调制。 映射是将多个二进制比特转换成一个多进制的符号。 例如在QPSK 调制中，每2个比特转换成一个四进制的符号，四进制的符号对应载波的4种状态。 正交调制过程 在数字电视的64QAM 调制中，每6个比特转换成一个六十四进制的符号，六十四进制的符号对应载波的64种状态。 每个符号（6比特）经过串并变换生成各3比特的I和Q两个部分， I和Q分别称作同相分量和正交分量。 用这两个分量分别去调制相位差90度的两个载波，再把调制后的两个载波合成，便形成了64QAM调制的信号。 MQAM一般是在中频上实现，然后再经过上变频器，把中频上变频到标准规定的射频信道上。 电缆电视标准规定的射频频率是从 57 MHz到806 MHz，对应的频道号为 2频道到69频道。 MQAM调制后的射频信号通过电缆送到用户的电视接收机。,2007年12月,90,数字电视接收机原理,数字电视接收机完成与发射机相反的过程。,载有信息的射频信号通过下变频转换为中频数字调制信号，对中频信号解调出多进制的符号，然后进行符号到码组的映射，经信道译码得到数字的视频，音频和数据流，经信源解码后得到重建的图像和音频信号。,2007年12月,91,（续）,在数字电视接收机中，射频信号首先要经过调谐器(Tuner)选频，所选中的射频信号经下变频成为频率较低的中频调制信号。,常用的中频有36 MHz和44 MHz。从射频到中频的变频过程是频谱线性平移的过程，原来射频信号所携带的信息保持不变。,从中频数字调制信号到原始信号的重建过程与模拟电视信号的解调完全不同。,A/D 变换器将MQAM调制的中频信号数字化，变成数字信号，然后再进行与发射机相反的数字信号处理的过程。包括解调和信道译码，最后得到基带的图像和伴音。,A/D 变换和信道的解码过程都是数字信号处理的过程，这个过程可以由一个数字信号处理器芯片来完成,据报道，集成度更高的数字信号处理芯片将会面世。在这种新的芯片中，调谐器也将被集成在芯片之中，这样数字电视将变得更简单，更可靠，成本更低。,2007年12月,92,2. 数字电视的标准,国际电信联盟(ITU-International Telecommunication Union)已经批准了三个数字电视的国际标准。 美国高级电视制式委员会ATSC-Advanced Television System Committee)的ATSC标准。 欧洲数字电视广播联盟(DVB-Digital Video Broadcasting)的DVB标准。 日本综合业务数字广播组织(ISDB-Integrated Services Digital Broadcasting) 的ISDB标准。 三个标准在视频编码，音频编码，系统复用方面均采用M