卫星通信第4章v3

1、1 第第4章章 信号传输与处理技术信号传输与处理技术 4.1. 信源技术信源技术 4.2. 数字信号调制数字信号调制 4.3. 信道编码信道编码 4.4. 差错控制差错控制 4.5. 信号处理技术信号处理技术 2 概要 本章将简要回顾数字通信中信号处理的本章将简要回顾数字通信中信号处理的 信源处理技术、信号调制技术和信道编信源处理技术、信号调制技术和信道编 码技术，信道差错控制技术码技术，信道差错控制技术, ,最后介绍数最后介绍数 字话音内插和回波控制技术。字话音内插和回波控制技术。 3 4.1 信源技术信源技术 信源处理主要工作信源处理主要工作 n对信源的数字化对信源的数字化 n信源编码信源

2、编码 信源编码的目的信源编码的目的 n尽量减小信源的冗余度尽量减小信源的冗余度 n对话音或图像信号进行数据压缩传输对话音或图像信号进行数据压缩传输 n降低系统的传输速率，提高通信系统效率降低系统的传输速率，提高通信系统效率 4 4.1.1 4.1.1 信源及其编码信源及其编码 1 1、语音信号及其编码语音信号及其编码 话音信号的处理话音信号的处理 u抽样抽样 u量化量化 u编码编码 语音编码分类语音编码分类 u波形编码波形编码 u参量编码，即声码器参量编码，即声码器 5 1、语音信号及其编码语音信号及其编码 语音质量语音质量 波形编码波形编码 LPC声码器声码器 LPC声码器的改进声码器的改进

3、 音乐信号音乐信号 6 语音质量评定方法语音质量评定方法 l 主观评定法主观评定法 （MOS） l 客观评定法分等级客观评定法分等级 语音质量语音质量 7 MOS语音质量语音质量信号畸变的感觉信号畸变的感觉 5非常好非常好无无 4好好在可接受的范围内在可接受的范围内 3中中轻微的讨厌感轻微的讨厌感 2差差很讨厌，但可忍受很讨厌，但可忍受 1很差很差无法忍受无法忍受 语音质量主观评分等级（语音质量主观评分等级（MOS） （mean opinion score） 语音质量语音质量 8 MOS等级等级语音质量语音质量 44.5优优长途电话质量长途电话质量 3.5良良通信质量通信质量 3.0以下以下差

4、差合成语音质量合成语音质量 语音质量主观评分等级（语音质量主观评分等级（MOS） 语音质量语音质量 9 DRT语音质量语音质量 95% +优优 8594%良良 7584%中中 6574%差差 65% -不接受不接受 判断韵字测试（判断韵字测试（DRT） 侧重话音清晰度或可懂度的测试，百分制侧重话音清晰度或可懂度的测试，百分制 语音质量语音质量 10 判断满意度测试（判断满意度测试（DAM） 在多种条件下对话音质量可接受程度的在多种条件下对话音质量可接受程度的 综合评价，采用百分评测。综合评价，采用百分评测。 语音质量语音质量 11 1、语音信号及其编码语音信号及其编码 语音质量语音质量 波形编

5、码波形编码 LPC声码器声码器 LPC声码器的改进声码器的改进 音乐信号音乐信号 12 波形编码是直接将时域信号变成为数字波形编码是直接将时域信号变成为数字 代码的一种编码方式代码的一种编码方式 n PCM n DPCM n M n ADPCM 速率速率1664kbps 波形编码波形编码 13 1、语音信号及其编码语音信号及其编码 语音质量语音质量 波形编码波形编码 LPC声码器声码器 LPC声码器的改进声码器的改进 音乐信号音乐信号 14 LPC声码器声码器 LPC（线性预测编码）声码器是参（线性预测编码）声码器是参 数编码的一种主要形式数编码的一种主要形式 参数编码是以发音机制模型作为基参

6、数编码是以发音机制模型作为基 础的，用础的，用15个参数构造结构模型个参数构造结构模型 压缩后的速率可达压缩后的速率可达2.4kbps 15 1、语音信号及其编码语音信号及其编码 语音质量语音质量 波形编码波形编码 LPC声码器声码器 LPC声码器的改进声码器的改进 音乐信号音乐信号 16 改进的改进的LPC声码器声码器 CELP(码激励线性预测编码码激励线性预测编码) 16kbps，MOS 4 4.8kbps，MOS 3.5 VSELP(矢量和激励线性预测编码矢量和激励线性预测编码) 8kbps，MOS 3 IMBE(增强多子带激励增强多子带激励) 6.4kbps，MOS 3.4 17 通信

7、系统中语音编码应用通信系统中语音编码应用 通信系统通信系统语音编码语音编码语音速率语音速率(kbps)语音质量语音质量MOS PSTNPCM644.3 DECTADPCM324.1 IS95，GlobalStarQCELP8，4，2，1 3.31 GSM2+，UMTSARM10.2, 7.95, 6.7, DAMPSVSELP83.5 Inmarsat-MVSELP4.8 ICOVSELP3.6 IridiumVSELP2.4 GSMRPE-LTP134.0 表5 -1 微 波 与 卫 星 系 统 中 所 使 用 的 语 音 编 码 应 用 场 合 语 音 编 码 速 率

8、 / （ k b /s ） 语 音 编 码 方 法 长 途 通 信 网 （ 微 波 与 卫 星 ） 6 4 3 2 1 6 P C M A D P C M 低 时 延 码 L D -C E L P 移 动 通 信 4 .8 1 6 1 3 .2 8 C E L P R P E -L T P V S E L P 卫 星 移 动 通 信 1 6 1 6 6 .4 4 .8 8 2 .4 4 .8 L D -C E L P A P C L P C V S E L P 多 带 激 励 M B E 19 1、语音信号及其编码语音信号及其编码 语音质量语音质量 波形编码波形编码 LPC声码器声码器 LPC

9、声码器的改进声码器的改进 音乐信号音乐信号 20 音乐信号的编码音乐信号的编码 音乐节目信号带宽音乐节目信号带宽 40Hz 15kHz 音乐信号抽样频率音乐信号抽样频率 32kHz 44.1kHz 48kHz 音乐信号典型编码方法音乐信号典型编码方法 MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 ITU建议的卫星广播音乐编码方法建议的卫星广播音乐编码方法 抽样频率抽样频率32kHz，量化，量化14bit， PCM编码编码 21 2、静止图象信号静止图象信号 一幅数字图象可以看成是一个象素序列。一幅数字图象可以看成是一个象素序列。 当图象是黑白时，每个象素的值只用灰当图象是黑白时，每个象素的值只用灰

10、 度值表示。而当图象是彩色时，每个象度值表示。而当图象是彩色时，每个象 素必须用三个值表示，通常为象素的素必须用三个值表示，通常为象素的 RGB或或YUV值。值。 22 JPEG系统算法系统算法 通过离散余弦变换减少图象数据的相关性通过离散余弦变换减少图象数据的相关性 利用人眼视觉特性对系数进行自适应量化利用人眼视觉特性对系数进行自适应量化 对每个子块量化后的系数矩阵进行对每个子块量化后的系数矩阵进行Z形扫描，形扫描， 将系数矩阵变换成将系数矩阵变换成“符号符号”序列序列 用用Huffman变长编码对变长编码对“符号符号”序列进行熵编序列进行熵编 码码 JPEG处理框图 DCT Z扫描 及量化

11、 Huffman 编码 Huffman 解码 系数排列 反量化 IDCT 24 3.电视信号电视信号 彩色电视的制式彩色电视的制式 NTSC (National Television System Committee) 正交平衡调幅制正交平衡调幅制 PAL (Phase Alternation Line) 逐行倒相正交平衡调幅制逐行倒相正交平衡调幅制 SECAM (System Electronique Couleur Avec Memoire) 调频顺序转换制调频顺序转换制 25 彩色电视参数彩色电视参数 参参 数数PAL制制NTSC制制SECAM制制 每画面扫描行数每画面扫描行数62552

12、5625 帧频帧频/场频场频/Hz25/5030/6025/50 标称带宽标称带宽/MHz64.26 伴音图像载频间距伴音图像载频间距 (1)彩色电视信号彩色电视信号 26 电视信号包括两部分电视信号包括两部分 n视频信号视频信号 n音频信号音频信号 视频信号可以看成是图象序列视频信号可以看成是图象序列 (1)彩色电视信号彩色电视信号 电视信号的功率谱密度电视信号的功率谱密度 亮度信号 功率谱密度 色差信号 功率谱密度 伴音信号 功率谱密度 NTSC 3.58M PAL 4.43M SECOM 4.25M 4.40M 6.6MHz 28 (2)(2)视频编码技术视频编码技术

13、视频编码的主要目的是在保证一定视频编码的主要目的是在保证一定 重构质量的前提下，以尽量少的比重构质量的前提下，以尽量少的比 特数来表征视频信息。特数来表征视频信息。 MEPG2视频编码框图视频编码框图 30 视频编码技术（续） 帧内压缩 n基于JPEG方法：DCT、量化、熵编码 数据速率控制 n量化控制 帧间压缩 n预测编码 n运动补偿 n双向预测（帧序重排） 预测编码的原理预测编码的原理 32 4.1.2 4.1.2 多媒体信号多媒体信号 多媒体信号集中了文字、语音、视频、图多媒体信号集中了文字、语音、视频、图 象等多种媒体数据信息。象等多种媒体数据信息。 多媒体的关键特性在于信息载体的多样

14、性、多媒体的关键特性在于信息载体的多样性、 交互性和集成性。交互性和集成性。 33 4.1.3 4.1.3 数据信号及压缩技术数据信号及压缩技术 Huffman编码编码 游程编码（游程编码（RLE） Lampel-Ziv-Welch编码（编码（LZW） 34 4.2 4.2 数字信号调制数字信号调制 信息传递的两种方式信息传递的两种方式 n基带传输基带传输无需进行基带频谱搬移无需进行基带频谱搬移 就能以基带信号形式传输的方式就能以基带信号形式传输的方式 n频带传输频带传输将基带信号的频谱搬移将基带信号的频谱搬移 到某个载波频带内进行传输到某个载波频带内进行传输 35 4.2 4.2 数字信号调

15、制（续）数字信号调制（续） 卫星通信信道既可以传输模拟信号，卫星通信信道既可以传输模拟信号， 也可以传输数字信号。由于数字信号也可以传输数字信号。由于数字信号 的抗干扰性能强，数字信号的传输质的抗干扰性能强，数字信号的传输质 量要优于模拟信号的传输质量。量要优于模拟信号的传输质量。 36 4.2 4.2 数字信号调制（续）数字信号调制（续） 卫星通信系统中的两类调制类型卫星通信系统中的两类调制类型 n功率有效调制方式功率有效调制方式有效利用地球站有效利用地球站 和转发器的发射功率方式为主要目的和转发器的发射功率方式为主要目的 n频率有效调制方式频率有效调制方式有效利用射频频有效利用射频频 带为

16、主要目的带为主要目的 37 4.2 4.2 数字信号调制（续）数字信号调制（续） 常用脉冲形式的基带序列对中频频率常用脉冲形式的基带序列对中频频率 70MHz或或140MHz进行调制后，再变进行调制后，再变 换到微波频率，且它应具有以下特点换到微波频率，且它应具有以下特点 n（1）调制信号的功率谱较窄；）调制信号的功率谱较窄； n（2）具有较高频谱效率；）具有较高频谱效率； n（3）相对短波而言，具有较好的传输特性。）相对短波而言，具有较好的传输特性。 卫星通信系统框图卫星通信系统框图 数字 调制器 中频 滤波器 上变频器 HPA 低噪声 放大器 下变频器 中频 滤波器 数字 解调器 低噪声

17、放大器 滤波器 高功率放 大器 滤波器 39 4.2 4.2 数字信号调制（续）数字信号调制（续） 数字信号的调制可分为幅度、相位、数字信号的调制可分为幅度、相位、 频率调制，在调制过程中，由于信频率调制，在调制过程中，由于信 道的带宽限制，还需要将调制信号道的带宽限制，还需要将调制信号 进行适当滤波，以限制调制后信号进行适当滤波，以限制调制后信号 的带宽。的带宽。 40 4.2 4.2 数字信号调制（续）数字信号调制（续） 当用以调制的信号是数字信号时当用以调制的信号是数字信号时,我们称这种调我们称这种调 制为数字调制，此时载波参量随基带数字信号制为数字调制，此时载波参量随基带数字信号 的变

18、化而变化。的变化而变化。 在数字调制中仍然采用正弦波作为载波信号。在数字调制中仍然采用正弦波作为载波信号。 由于正弦信号有幅度、相位和频率三种基本参由于正弦信号有幅度、相位和频率三种基本参 量，因此可以构成数字调幅、数字调相和数字量，因此可以构成数字调幅、数字调相和数字 调频三种基本调制方式，如后图所示。调频三种基本调制方式，如后图所示。 二进制基带信号的调制波形二进制基带信号的调制波形 42 4.2 4.2 数字信号调制（续）数字信号调制（续） 三种调制方式所对应的功率谱如后图所示三种调制方式所对应的功率谱如后图所示 2 2 2 2 2 sin 4 sin 4 bc bcb bc bcb T

19、ff TffTA Tff TffTA P PSK 228228 2 22 2 2 h x h x Ah xS h xS TA P aa b FSK 三种调制方式所对应的功率谱三种调制方式所对应的功率谱 44 对调制方式的要求对调制方式的要求 要求调制后的信号波形具有恒包络要求调制后的信号波形具有恒包络 特性。特性。 调制技术最好具有高的功率有效性调制技术最好具有高的功率有效性 和频谱效率，即具有较好的抗干扰和频谱效率，即具有较好的抗干扰 能力和频带利用率。能力和频带利用率。 45 4.2.1 4.2.1 相位调制相位调制 相位调制信号是用基带信号去调制载波的相相位调制信号是用基带信号去调制载波

20、的相 位而形成的调制信号，相位调制信号具有恒位而形成的调制信号，相位调制信号具有恒 包络的特点。包络的特点。 卫星通信中常用的相位调制包括：卫星通信中常用的相位调制包括：BPSK、 QPSK、OQPSK、/4-QPSK。 46 4.2.1 4.2.1 相位调制相位调制 相位调制相位调制 绝对移相绝对移相 相对移相相对移相 相对调相是利用载波信号相位的相对关系表示数字信号相对调相是利用载波信号相位的相对关系表示数字信号 的的“1”和和“0”码的，其变换规则是：数据信号的码的，其变换规则是：数据信号的“1” 使已调信号的相位变化使已调信号的相位变化180相位，数据信号的相位，数据信号的“0”使使

21、已调信号的相位变化已调信号的相位变化0相位；或反之。相位；或反之。0和和180的的 变化是相对于已调信号的前一码元的相位，或者说，这变化是相对于已调信号的前一码元的相位，或者说，这 里的变化是以已调信号的前一码元相位作参考相位的。里的变化是以已调信号的前一码元相位作参考相位的。 47 在单个码元时间内，相位调制信号可以在单个码元时间内，相位调制信号可以 表示成如下表示成如下 )cos()( 2 )( nc s s ttg T E ts ttg T E ttg T E cn s s cn s s sinsin)( 2 coscos)( 2 )2 1 ,.,2 , 1( M n Mn n BPSK

22、、QPSK、8PSK相位图相位图 00 0 /2 /2 /4 /2 -/2 -/2 -/2 -3/8 3/2 3/2 -3/2 -3/2 /4 -/4 /8 3/8 5/8 7/8 -/8 -5/8 -7/8 BPSKQPSK8PSK /2系统系统 /4系统系统 49 1.1.二进制调相信号二进制调相信号 BPSK信号将二进制符号信号将二进制符号0、1分别对分别对 应载波的应载波的0、相位相位，可以表示成：，可以表示成： n csnc tAnTtgatAtxtscos)(cos)()( 50 4.2.1 4.2.1 相位调制相位调制 2PSK与与2DPSK的调相波形的调相波形 51 对于对于

23、为矩形的情况，即基带信号为为矩形的情况，即基带信号为 双极性双极性NRZ码时，码时，BPSK信号的功率谱密信号的功率谱密 度为度为 )(tg )()( 4 )( 2 cbcb ffPffP A fP 2 )sin( )( s s sb fT fT TfP 二进制绝对调相信号的产生电路二进制绝对调相信号的产生电路 BPSK信号的相干解调信号的相干解调 带通滤波器 载波恢复 低通比特判决 比特同步恢 复 56 锁相环本身是一个非线性电路，它处于稳锁相环本身是一个非线性电路，它处于稳 定平衡状态时，输出相位定平衡状态时，输出相位n有多个可能值，有多个可能值， 为为的整数倍：的整数倍： ntttc n

24、 coscos 这种相位不确定性称作相位模糊这种相位不确定性称作相位模糊 57 调相信号结论一调相信号结论一 问题问题 n采用绝对调相，存在相位的不确定采用绝对调相，存在相位的不确定 性，使接收机无法正确判断码元的性，使接收机无法正确判断码元的 极性。极性。 方法与结论措施方法与结论措施 n采用相对移相方式或称差分移相，采用相对移相方式或称差分移相， 即即DPSK，可消除相位模糊，可消除相位模糊 n卫星通信实际的系统主要采用卫星通信实际的系统主要采用DPSK 58 2.2.四进制调相信号四进制调相信号 QPSK信号可表示成：信号可表示成： tQtI tAnTtgtAnTtg tAnTtgts

25、cncn nc n snc n s nc n s sincos sinsin)(coscos)( cos)()( 等效为两个正交载波进行双边带调幅波之和等效为两个正交载波进行双边带调幅波之和 59 n 二进二进 制码制码 /2系统系统 QPSK /4系统系统 QPSK 1000-3/4-1-1 201-/23/4-1+1 311/4+1+1 410/2-/4+1-1 QPSK相位逻辑相位逻辑 k I k Q 61 QPSK的功率谱的功率谱 设设QPSK信号的幅度为信号的幅度为A, ,则两支路则两支路2PSK的幅度的幅度 为为| |Acoscosk| |=| |Asinsink| |=A/ /

26、，同时考虑到同时考虑到 Ts=2Tb , ,利用利用2PSK功率谱的公式，可以得到功率谱的公式，可以得到 QPSK信号的功率谱：信号的功率谱： 22 2 22 sin2 ()sin2 () ( ) 2 2 ()2 () cbcb b QPSK cbcb ff Tff TA T Pf ff Tff T 2 63 四进制调相方法四进制调相方法 四相调相的电路有很多种，常见的有四相调相的电路有很多种，常见的有 n正交调制法（直接调相法）正交调制法（直接调相法） n相位选择法相位选择法 n脉冲插入法脉冲插入法 QPSK调制与解调框图（正交调制法）调制与解调框图（正交调制法） 串并 变换 基带成形 基带

27、成形 90 t c cos 低通 低通 抽样判决 抽样判决 并串变换 载波恢复 90 比特同步 65 正交法正交法QPSK调相信号的产生调相信号的产生 67 QPSK调相信号的产生调相信号的产生 相位选择相位选择法法QPSK调制框图调制框图 脉冲插入脉冲插入法法QPSK调制框图调制框图 68 QPSK调相信号的解调调相信号的解调 QPSK的解调可采用相干解调的方法或用相关的解调可采用相干解调的方法或用相关 器解调，其原理分别如图器解调，其原理分别如图8.3-6和和8.3-7所示。由所示。由 于于QPSK是两个正交是两个正交2PSK信号的合成，因此解信号的合成，因此解 调可以采用和调可以采用和2

28、PSK信号类似的解调方法，这信号类似的解调方法，这 需要两个需要两个2PSK接收机。接收机。 69 LPF LPF y1(t) y1 判 决 判 决 cos ct sin ct y2(t) y2 输出 图 8.3-6 QPSK的相干解调 SQPSK(t) x1(t) x2(t) 并 串 变 换 70 y1(t) y1 判 决 判 决 cos ct y2(t) y2 输出 图 8.3-7 QPSK的相关接收 SQPSK(t) x1(t) x2(t) 并 串 变 换 0 b T dt 0 b T dt sin ct 71 实现实现DQPSK的方法首先对四进制码的方法首先对四进制码Xk（绝绝 对码）

29、进行差分编码，得到相对码对码）进行差分编码，得到相对码Yk, ,然后然后 用用Yk进行绝对相移键控，如图进行绝对相移键控，如图8.3-98.3-9。 DQPSK调相信号的产生调相信号的产生 图 8.3-9 DQPSK原理 四进制 差分编码 QPSK 调 制 绝对码相对码YkXk cos() ck t SDQPSK(t) a , bc , d 72 DQPSK调相信号的解调调相信号的解调 DQPSK的解调，可以用相干方法（乘积的解调，可以用相干方法（乘积低低 通滤波）或相关器方法（乘积通滤波）或相关器方法（乘积积分）。这一积分）。这一 过程和过程和QPSK是一样的。但解调所得是一样的。但解调所得

30、c,d还需还需 经差分译码，并经差分译码，并/串变换还原为原来的二进制串变换还原为原来的二进制 序列。序列。 74 调相信号结论二调相信号结论二 问题问题 n/2相移系统存在相移系统存在180的相位跃迁，信号振的相位跃迁，信号振 幅必须立刻为零。为了实现该信号的精确传幅必须立刻为零。为了实现该信号的精确传 输，需要放大器工作在线性区，使放大器的输，需要放大器工作在线性区，使放大器的 功率效率大大降低。功率效率大大降低。 方法与结论措施方法与结论措施 n采用采用/4相移系统，任何一种相位的变动都不相移系统，任何一种相位的变动都不 需要使信号振幅为零，一定程度上减小了系需要使信号振幅为零，一定程度

31、上减小了系 统线性的必要性。统线性的必要性。 n卫星通信实际使用的卫星通信实际使用的QPSK采用的是系统采用的是系统/4 相移系统相移系统 75 3.3.偏移偏移QPSK信号信号 OQPSK称为偏移（或参差）四相移相键称为偏移（或参差）四相移相键 控，它是在控，它是在QPSK基础之上发展起来的基础之上发展起来的 OQPSK与与QPSK相位图相同相位图相同 OQPSK只允许相邻符号之间的相位差为只允许相邻符号之间的相位差为 90 78 偏移偏移QPSK信号调制信号调制/ /解调解调 OQPSK信号调制信号调制 串并 变换 基带成形 基带成形 90 t c cos 延迟 Ts/2 80 4.2.2

32、 频率调制频率调制 1. 多载波调制多载波调制 （OFDM） 设中心频率为设中心频率为 ，带宽为，带宽为W的信道采用的信道采用N 个子载波的个子载波的OFDM技术，每个子载波占用技术，每个子载波占用 带宽带宽 ，每个子载波上的符号，每个子载波上的符号 速率为速率为 ，码元间隔，码元间隔 ， 其中其中 ，则子载波，则子载波 c f NWf/ f cs NTWNT/ WTc/1fnff n 0 81 设设 时间内各子载波上传输的符号时间内各子载波上传输的符号 为为 ， 是复包络信号，则是复包络信号，则 OFDM信号可以表示成：信号可以表示成： s T )(tan)(tan 1 0 22 1 0 2

33、 0 )(Re)(Re)( N n tfjftnj n N n tfj n eetaetats n 82 等效基带信号为等效基带信号为 1 0 /2 1 0 2 )()()( N n NTntj n N n ftnj nl c etaetats 用DFT实现的OFDM系统框图 S/P 1 2 N IDFT/ IFFT 1 2 N P/SD/A复包络调制 复包络解调 信 道 噪声 采样/A/D Tc S/P 1 2 N DFT/FFTP/S 1 2 N 84 2.2.连续相位频移键控连续相位频移键控 CPFSK信号可以写成如下形式：信号可以写成如下形式： t n snc dnTgahtAts)(

34、cos)( sdT fh2h为调频指数为调频指数 fd为频率偏差为频率偏差 1, 1 n a other0 0/1 ss TtT tg 85 2.2.连续相位频移键控连续相位频移键控 CPFSK信号根据输入比特信号根据输入比特+1，-1选择输选择输 出信号的频偏出信号的频偏+fd、-fd，并且比特之间信，并且比特之间信 号相位是连续的。号相位是连续的。 86 3.3.最小移频键控最小移频键控 最小移频键控最小移频键控MSK是是CPFSK的一个特殊的一个特殊 情况。主要特点是相邻两码元转换时，情况。主要特点是相邻两码元转换时， 相位载波是连续的，调频指数相位载波是连续的，调频指数h为为0.5，

35、fd 等于码元速率的等于码元速率的1/4。 87 3.3.最小移频键控最小移频键控 MSK信号可以写成如下形式信号可以写成如下形式 .2 , 1 , 0) 1( 2 cos)( kTktkT tu T tts s kk s cMSK 1, 1 k u 是第是第k码元时刻的输入信息码元时刻的输入信息 是保持前后相位连续的参数。是保持前后相位连续的参数。 k 88 最小频移键控最小频移键控MSK 当基带信号b(t)为NRZ的方波信号,即码元 取值为bk=1时， MSK信号可以表示为 ( )cos(22) cos(2) cos(2) 2 cos(2( )(1) MSKckdk ckk b ckk b

36、 ckbb stAf tb ft h Af tbt T Af tbt T Af ttkTtkT ( ) 2 kkk b tbt T 90 事实上，在事实上，在t=kTb时刻，令时刻，令 1 ()() kbkb kTkT 11 22 kbkkbk bb bkTbkT TT 11 () 2 kkkk k bb 91 一个码元从开始时刻到该码元结束的时刻，一个码元从开始时刻到该码元结束的时刻， 其相位变化量（增量）等于其相位变化量（增量）等于 MSK信号的相位路径信号的相位路径 (1) 2 kkbkbk kTkTb 图 8.5-2 附加相位的相位路径 . t/Tb ( ) k t 0 3 2 2 3

37、 -1-1-1+1+1+1+1 123456 MSK信号的相位路径 s T t 2 46 8 2/ 2/3 2/ 2/3 信息序列为信息序列为10011100 95 3.3.最小移频键控最小移频键控 正斜率直线表示传正斜率直线表示传“1”时的轨迹，负时的轨迹，负 斜率曲线表示传斜率曲线表示传“0”时的相位轨迹。时的相位轨迹。 在在Tb的奇数倍时，相位为的奇数倍时，相位为/2的奇数的奇数 倍；在倍；在Tb的偶数倍时，相位为的偶数倍时，相位为/2的的 偶数倍。偶数倍。 96 MSK信号的波形图 97 MSK信号也可以表示成正交调制形式，信号也可以表示成正交调制形式， 即即 tt T u tt T

38、ts ck s k ck s MSK sincos 2 sin coscos 2 cos)( 双极性编码 T T t T COS S 2 t Ts2 sin t c cos t c sin k u)(tsMSK S/P k d MSK正交调制法正交调制法 MSK正交解调法正交解调法 带通 低通 低通抽样判决 抽样判决 并/串 tt T COS c S cos 2 tt T c S sin 2 sin ( ) M SK St ( )sin(/ 2)sin qbc xttTt ( )( ) qM SK xt St ( )( ) iM SK xt St ( )cos(/ 2)cos ibc xttT

39、t yi(t) yq(t) 图 8.5-6 MSK相 关 解 调 器 的 各 点 波 形 Tb=1 101 MSK信号的功率谱信号的功率谱 2 2 22 16cos(2) ( ) 1 16 bb b A TfT P f f T -100 -80 -60 -40 -20 0 20 dB 图 8.5-7 MSK,QPSK和OQPSK信号的功率谱 012345 (f-fc) /Rb QPSK, OQPSK MSK 103 3.3.最小移频键控小结最小移频键控小结 MSK是是FSK的一种特例。的一种特例。FSK称为数字调频，称为数字调频， 又称频移键控，又称频移键控，MSK称为最小频移键控。称为最小频

40、移键控。 MSK是一种恒定包络的调制方式是一种恒定包络的调制方式 MSK频带利用率低于频带利用率低于QPSK MSK的功率效率与的功率效率与QPSK相同，但其抗非线性相同，但其抗非线性 的性能要优于的性能要优于QPSK，甚至优于甚至优于/4-QPSK。 104 4. GMSK信号信号 MSK调制方式的突出优点是信号具有恒定的振幅调制方式的突出优点是信号具有恒定的振幅 及信号的功率谱在主瓣以外衰减较快。不过在某及信号的功率谱在主瓣以外衰减较快。不过在某 些场合，对信号带外辐射功率的限制非常严格。些场合，对信号带外辐射功率的限制非常严格。 MSK信号仍不能满足这样高的要求。信号仍不能满足这样高的要

41、求。高斯最小移高斯最小移 频键控频键控(GMSK)方式就是针对上述要求提出来的。方式就是针对上述要求提出来的。 GMSK是在是在MSK调制器之前加入一个高斯低通滤调制器之前加入一个高斯低通滤 波器。也就是说，用高斯低通滤波器作为波器。也就是说，用高斯低通滤波器作为MSK调调 制的前置滤波器。制的前置滤波器。 105 4. GMSK信号信号 双极性编码 线性调频 h=0.5 k u)(ts GMSK 预调制滤波器 GMSK调制 106 预调制滤波器必须具备以下特点预调制滤波器必须具备以下特点 带宽窄且具有陡峭的截止特性；带宽窄且具有陡峭的截止特性； 冲激响应的过冲小；冲激响应的过冲小； 滤波器输

42、出脉冲面积为一常量，该滤波器输出脉冲面积为一常量，该 常量对应的一个码元内载波相移为。常量对应的一个码元内载波相移为。 107 GMSK中采用的预滤波器为高斯低中采用的预滤波器为高斯低 通滤波器，其冲激响应为：通滤波器，其冲激响应为： 222 / )( t eth 108 高斯滤波器的频率特性为 其冲激响应可以由其傅氏变换等到： 1 1 高斯滤波器的特性高斯滤波器的特性 2 (/) ( )() b af B H fef 2 (/ ) ( )() b B t a b h tB et a ln20.5887a 121121 ( ) 2ln222ln22 bb bb tt g terfcxerfcx

43、 TT 112 设要发送的二进制数据序列设要发送的二进制数据序列 b bk k( b bk k = =1)1) 用用NRZNRZ码来表示，码元起始时刻为码来表示，码元起始时刻为T Tb b的整数的整数 倍，此基带信号经过高斯滤波器后输出为倍，此基带信号经过高斯滤波器后输出为 2 GMSK 信号的波形和相位路径信号的波形和相位路径 ( )(/2) kbb k q tb g tkTT 113 信号对调频器调频，输出为信号对调频器调频，输出为 ( )cos 22( )cos 2( ) t cfmc s tf tkqdf tt ( )2( ) t fm tkqd 114 在一个码元时间内：在一个码元时

44、间内：kTbt(k+1)+1) Tb，相相 位的增量取决于在该码元期间位的增量取决于在该码元期间q( (t) )曲线下的曲线下的 面积面积Ak： (1)(1) 2( )( )2( )2 bbb b kTkTkT kfmfmfmk kT kqdqdkqdkA 117 GMSK信号的产生除了用调频方法，还可信号的产生除了用调频方法，还可 以采用正交调制的方式。以采用正交调制的方式。 ( )cos( )cos ( )cossin ( )sin ccc s ttttttt 118 4.2.3 各种调制的性能及功率谱各种调制的性能及功率谱 QPSK等信号虽然具有窄的主瓣带宽，但等信号虽然具有窄的主瓣带宽

45、，但 带外衰减慢，而带外衰减慢，而MSK具有较快的带外衰具有较快的带外衰 减，减，GMSK的带外衰减就更快了。的带外衰减就更快了。 调制信号功率谱密度调制信号功率谱密度 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.50.050.551.051.552.052.55 f*Ts 功率谱密度 (dB) BPSK QPSK,DQPSK MSK 120 4.3 信道编码信道编码 信道编码是指在数据发送之前，在信道编码是指在数据发送之前，在 信息码之外附加一定比特数的监督信息码之外附加一定比特数的监督 码元，使监督码元与信息码元构成码元，使监督码元与信息码

46、元构成 某种特定的关系，接收端根据这种某种特定的关系，接收端根据这种 特定的关系来进行检验。特定的关系来进行检验。 121 4.3 信道编码信道编码 信道编码一般可以分成两大类信道编码一般可以分成两大类 n分组码分组码将输入信息分成不同的组，将输入信息分成不同的组， 对各组信息分别独立编码，加入冗余信对各组信息分别独立编码，加入冗余信 息。息。 n卷积码卷积码将输入信息与一固定结构的将输入信息与一固定结构的 编码器进行卷积，卷积的输出作为传输编码器进行卷积，卷积的输出作为传输 信息。信息。 122 有关信道编码的名词解释 码重码重 码组重量，码组中非零码元的数目码组重量，码组中非零码元的数目

47、例：例： 1101011 码距码距/汉明汉明（Hamming）距距 两个码字中对应码位上具有不同二进制码元的位数两个码字中对应码位上具有不同二进制码元的位数 例：例：1100111与与1011001 最小码距最小码距dmin 对于某种编码，所含的全部码字之间的最小距离对于某种编码，所含的全部码字之间的最小距离 码重为码重为5 码距为码距为5 123 4.3.1 线性分组码线性分组码 分组码是将每分组码是将每 k 个信息码元分为一组，然后按个信息码元分为一组，然后按 一定的规律产生一定的规律产生 r 个监督码元，那么分组码的个监督码元，那么分组码的 长度长度 n = k + r，通常用符号（通常

48、用符号（n, k）表示。表示。 信息码信息码校验码校验码 k 位位r 位位 n 位位 信息码信息码 k 位位 编码编码 124 4.3.1 线性分组码（续）线性分组码（续） 校验码与信息码是某种确定的代数关系校验码与信息码是某种确定的代数关系 校验码为信息码的线性组合，两者是用校验码为信息码的线性组合，两者是用 线性方程联系起来的线性方程联系起来的 125 线性分组码纠错举例线性分组码纠错举例 设分组码为（设分组码为（7，4）码）码a6a5a4a3 c2c1c0 ，其中信，其中信 码为码为a3a4a5a6， ，校验码为 校验码为c0c1c2。用。用S1S2S3表示误表示误 码位置。对应关系如下

49、（误码表）码位置。对应关系如下（误码表） S1S2S3误码位置误码位置S1S2S3误码位置误码位置 001 c0 101 a4 010 c1 110 a5 100 c2 111 a6 011 a3 000无错无错 当误码位置出现在当误码位置出现在a6a5a4 c2时，时，S1=1 ，否则，否则S1=0 24561 caaaS 同理同理 03463 13562 caaaS caaaS 编码时，编码时，S1=S2=S3=0 0 0 0 0346 1356 2456 caaa caaa caaa 0346 1356 2456 caaa caaa caaa 得到得到16个许用码组如下个许用码组如下 信

50、息码信息码 a6a5a4a3 校验码校验码 c2c1c0 信息码信息码 a6a5a4a3 校验码校验码 c2c1c0 00000001000111 00010111001100 00101011010010 00111101011001 01001101100001 01011011101010 01100111110100 01110001111111 129 接收端收到每个码组后，计算接收端收到每个码组后，计算S1、S2、S3 如不全为如不全为0，意味着有误码，意味着有误码 查对误码表，纠错查对误码表，纠错 举例：发送举例：发送00010110001011，接收到，接收到0000000 0

51、011011 计算S1、S2、S3 011 321 SSS 24561 caaaS 03463 13562 caaaS caaaS = 0 = 1 = 1 查证误码表 纠错码 a3 假如，发送假如，发送10100101010010，接收到，接收到1 1101000000 00 0，结果如何？，结果如何？ 假如，发送假如，发送11101001110100，接收到，接收到11110101100100，结果如何？，结果如何？ S1S2S3误码位置误码位置S1S2S3误码位置误码位置 001 c0 101 a4 010 c1 110 a5 100 c2 111 a6 011 a3 000无错无错 00

52、00000 00110110000001 1011011 132 4.3.1 线性分组码（续）线性分组码（续） 一、线性分组码的概念及性质一、线性分组码的概念及性质 若码字 ， ， ， 满足线性条件 则称该（n，k）码为线性分组码。 CA),.,( 21n aaaA )2(GFai ),.,2 , 1(0 1 kniha n j ijj 133 4.3.1 线性分组码（续）线性分组码（续） 线性条件写成矩阵形式线性条件写成矩阵形式 0AH T H被称为监督矩阵或校验矩阵，被称为监督矩阵或校验矩阵，n行，行，n-k列组成列组成 kn IPH 信码信码an-1an-2an-k组成一行阵组成一行阵U

53、，即，即 knnn aaa 21, U GUA 134 4.3.1 线性分组码（续）线性分组码（续） G被称为生成矩阵被称为生成矩阵 由由G可以生成整个码组可以生成整个码组A 在上例中在上例中 T PIG k 1101 1011 0111 1111 T PIG k 135 二、线性分组码的译码二、线性分组码的译码 当信道传输出现差错后，则接收到的码当信道传输出现差错后，则接收到的码 字字 ，接收端通过校验矩阵进接收端通过校验矩阵进 行校验运算，即行校验运算，即 ，S 称为校验称为校验 子，子， 只与差错向量只与差错向量E有关，因此有关，因此 可以通过校验子可以通过校验子S的值来检验传输是否出的

54、值来检验传输是否出 现差错或对差错进行纠正。现差错或对差错进行纠正。 EAA SHA T T EHS 136 设分组码为（设分组码为（7，3）码）码a6a5a4c3 c2c1c0 ，其中，其中 信码为信码为a4a5a6， ，校验码为 校验码为c0c1c2c3。 线性分组码纠错举例线性分组码纠错举例 用上述方法构造出生成矩阵并计算出用上述方法构造出生成矩阵并计算出23=8个信个信 码码组的（码码组的（7，3）分组码组）分组码组 信息码信息码 a6a5a4 校验码校验码 c3c2c1c0 0000000 0011101 0100111 0111010 1001110 1010011 1101001

55、 1110100 校验子校验子S S3S2S1S0 误码位置误码位置E e6 e5 e4 e3 e2 e1 e0 00000000000 11101000000 01110100000 11010010000 10000001000 01000000100 00100000010 00010000001 当接收码组中有一位误码时，可以检错并纠错当接收码组中有一位误码时，可以检错并纠错 139 发生发生2个错误时，（个错误时，（7，3）码不同的错误图）码不同的错误图 样样E共有共有21个，对应的校验子个，对应的校验子S有有7种：种：1001， 0011，1010，1100，1111，0101；每

56、种对；每种对 应应3个错误图样，无法确定哪个错误图样，无法确定哪2个是误码。个是误码。 发生发生3个错误时，（个错误时，（7，3）码不同的错误图）码不同的错误图 样样E共有共有15个，对应的校验子个，对应的校验子S有有8种：种：1110， 0111，1101，1000，0100，0010，0001； 每种对应每种对应4个错误图样，无法确定哪个错误图样，无法确定哪3个是误个是误 码。码。 140 三、汉明码及其设计三、汉明码及其设计 汉明码是一类能纠正一个传输错误的线性汉明码是一类能纠正一个传输错误的线性 分组码，若校验子的列数为分组码，若校验子的列数为n-k，则校验子则校验子 可以对应错误向量

57、可以对应错误向量E的的 种情况，错误种情况，错误 向量向量E中为中为1的位置表示传输出现差错。的位置表示传输出现差错。 kn 2 141 三、汉明码及其设计（续）三、汉明码及其设计（续） 汉明码的特点汉明码的特点 n码长码长 n = 2m - 1 n信息码位数信息码位数 k = 2m m - 1 n校验码位数校验码位数 r = n k = m n最小码距最小码距 dmin = 3 n纠错能力纠错能力 1 m为为2的整数，给定的整数，给定m后，可构造出具体后，可构造出具体 的汉明码（的汉明码（n，k） 142 四、码距及其与纠错、检错能力的关系四、码距及其与纠错、检错能力的关系 设 为输入码字空

58、间， 为输出码字空间， （n，k）编码规则：IC为一一映射。 若 ， 表示码字 第k个比特 的值。 IC Ccc ji , ik c i c 143 定义定义1. . 码字间的汉明距码字间的汉明距 n k jkikij ccd 1 )( 两个码字中对应码位上具有不同二进制码元的位数两个码字中对应码位上具有不同二进制码元的位数 例：例：11001111100111与与10110011011001，码距为，码距为5 5 144 定义定义2. . 码字的码重码字的码重 码字中的比特码字中的比特1的个数的个数 w 码组重量，码组中非零码元的数目码组重量，码组中非零码元的数目 例：例： 11010111

59、101011，码重为，码重为5 5 145 定义定义3. 最小码距最小码距 码空间中任意两个码字间最小的汉 明距。即 min d , minij ji Ccc dMind ji e dmin i c j c 检测检测e个错误的最小码距个错误的最小码距 最小码距与检错能力的关系最小码距与检错能力的关系 检测检测 e 个错误，要求最小码距个错误，要求最小码距 dmin e + 1 t dmin i c j c t 纠纠 t 个错误的最小码距个错误的最小码距 最小码距与纠错能力的关系最小码距与纠错能力的关系 纠正纠正 t 个错误，要求最小码距个错误，要求最小码距 dmin 2t + 1 纠纠 t 个

60、检个检 e 的最小码距的最小码距 t dmin i c j c t e 最小码距与检错和纠错能力的关系最小码距与检错和纠错能力的关系 纠正纠正t个错误，同时检测个错误，同时检测e个错误，个错误， 要求最小码距要求最小码距 dmin t + e + 1 149 4.3.3 循环码循环码 循环码是线性分组码重要的一个子类循环码是线性分组码重要的一个子类, ,是目前是目前 研究得最成熟的一类码。研究得最成熟的一类码。 循环码有许多特殊的代数性质，有助于按照所循环码有许多特殊的代数性质，有助于按照所 要求的纠错能力系统地构造这类码。要求的纠错能力系统地构造这类码。 现有的重要的线性分组码都是循环码或与