卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)

1、最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)卫星通信系统与技术卫星通信系统与技术陈振国陈振国 杨鸿文杨鸿文 郭文彬郭文彬 编著编著最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)第第5章章 信号传输与处理技术信号传输与处理技术 5.1. 信源技术5.2. 数字信号调制5.3. 信道编码5.4. 差错控制 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)本节将简要回顾数字通信中信号处本节将简要回顾数字通信中信号处理的信源处理技术、信号调制技术理的信源处理技术、信号调制技术和信道编码技术，最后介绍信道差和信道编码技术，最后介绍信道差错控制技术。错控制技术。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.

2、1 信源技术信源处理主要包括对信源的数字化、信源编码，信源编码的目的是为了尽量减小信源的冗余度 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.1.1 5.1.1 信源及其编码信源及其编码 1、语音信号及其编码语音信号及其编码 话音信号的处理包括抽样、量化、编码。语音编码可以分成两大类，一类是波形编码，另一类是参量编码，即声码器。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)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最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2、静止图象信号静止图象信号 一幅数字图象可以

3、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度值表示就可以了，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RGB或YUV值。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)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。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Z形扫描，将系数矩阵变换成“符号”序列。用Huffman变长编码对“符号”序列进行熵编码。JPEG处理框图 DCTZ扫描及量化Huffman编码Huffman解码系数排列反量化IDCT最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)3.3.电视信号电视信号 电视信号包括两部分：视

4、频信号和音频信号。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)(1)(1)彩色电视信号彩色电视信号 视频信号可以看成是图象序列。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 3.58MPAL 4.43MSECOM 4.25M 4.40M6.6MHz最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)(2)(2)视频编码技术视频编码技术 视频编码的主要目的是在保证一定重构质量的前提下，以尽量少的比特数来表征视频信息。 MEPG2视频编码框图视频编码框图 预测编码的原理预测编码的原理 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.1.2 5.1.2 多媒体信号多

5、媒体信号 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。 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。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.1.3 5.1.3 数据信号及压缩技术数据信号及压缩技术Huffman编码 游程编码（RLE）Lampel-Ziv-Welch编码（LZW）最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.2 5.2 数字信号调制数字信号调制 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，以限制调制后信号的带宽。 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

6、频器中频滤波器数字解调器低噪声放大器滤波器高功率放大器滤波器最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)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特性。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能力和频带利用率。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.2.1 5.2.1 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位而形成的调制信号，相位调制信号具有恒包络的特点。卫星通信中常用的相位调制包括：BPSK、QPSK、OQPSK、/4-QPSK。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)在单个码元时间内，相位调制信号可以表示成如下 )c

7、os()(2)(ncssttgTEtsttgTEttgTEcnsscnsssinsin)(2coscos)(2)21,.,2 , 1(MnMnnBPSK、QPSK、8PSK星座图星座图 BPSKQPSK110100108PSK最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)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0、1分别对应载波的0、相位，可以表示成：ncsnctAnTtgatAtxtscos)(cos)()(最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)对于 为矩形的情况，即基带信号为双极性NRZ码时，BPSK信号的功率谱密度为)(tg)()(4)(2cbcbffPffPA

8、fP2)sin()(sssbfTfTTfPBPSK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最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2.2.四进制调相信号四进制调相信号 QPSK信号可表示成：ncnstAnTtgtscos)()(QPSK调制与解调框图调制与解调框图 串并变换基带成形基带成形90tccos低通低通抽样判决抽样判决并串变换载波恢复90比特同步最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)3.3.偏移偏移QPSK信号信号 OQPSK信号调制信号调制 串并变换基带成形基带成形90tccos延迟Ts/2最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)4. 4

9、. /4-DQPSK/4-DQPSK信号信号 /4-DQPSK 调制采用相差为/4的两个QPSK星座映射，其调制符号前后相差最多为3/4。目 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)(1)(1)/4-DQPSK信号及调制信号及调制 /4-DQPSK信号调制串/并变换差分相位编码低通低通XkIkQkUkVkYktccostcsin)(ts /4-DQPSK星座图 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)为了抑制已调信号的带外辐射，在/4-DQPSK同相和正交支路中分别加入一个具有线性相位特性和平方根升余弦幅频特性的低通滤波器TfTfTTfTTfTfG2)1 (|02)1 (|2)1 (2

10、1|2(sin12121| )(|最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)/4-DQPSK信号可以写成如下形式：tkTtgtkTtgtscksckssinsin)(coscos)()(最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)(2)(2)/4-DQPSK信号的解调信号的解调 tccostcsin低通低通抽样抽样差分译码并/串变换wkzk)(tw)(tz11kkkkzzww11kkkkzwwzkekf)(kkefarctg /4-DQPSK差分解调 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.2.2 频率调制频率调制1. 多载波调制多载波调制 设中心频率为 ，带宽为W的信道采用N个子载

11、波的OFDM技术，每个子载波占用带宽 ，每个子载波上的符号速率为 ，码元间隔 ，其中 ，则子载波 cfNWf/fcsNTWNT/WTc/1fnffn0最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)设 时间内各子载波上传输的符号为 ， 是复包络信号，则OFDM信号可以表示成：sT)(tan)(tan10221020)(Re)(Re)(NntfjftnjnNntfjneetaetatsn最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)等效基带信号为10/2102)()()(NnNTntjnNnftnjnlcetaetats 用DFT实现的OFDM系统框图 S/P12NIDFT/IFFT12NP/SD/A

12、复包络调制复包络解调信道噪声采样/A/DTcS/P12NDFT/FFTP/S12N 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)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： tnsncdnTgahtAts)(cos)(最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)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.2 , 1 , 0) 1(2cos)(kTktkTtuTttsskkscMSKMSK信号的相位路径 sTt24682/2/32/2/3最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)MSK信号也可以表示成正交调制形式，即ttTuttTtsckskck

13、sMSKsincos2sincoscos2cos)( 双极性编码TTtTCOSS2tTs2sintccostcsinku)(tsMSKS/PkdMSK正交调制法 MSK正交解调法 带通低通低通抽样判决抽样判决并/串ttTCOScScos2ttTcSsin2sin最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)4. 4. GMSKGMSK信号信号 双极性编码线性调频h=0.5ku)(tsGMSK预调制滤波器GMSK调制 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)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；冲激响应的过冲小；滤波器输出脉冲面积为一常量，该常量

14、对应的一个码元内载波相移为。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)GMSK中采用的预滤波器为高斯低通滤波器，其冲激响应为：222/)(teth最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.2.3 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，但带外衰减慢，而MSK具有较快的带外衰减，GMSK的带外衰减就更快了。 调制信号功率谱密度 -50-40-30-20-10010-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.50.050.551.051.552.052.55f*Ts功率谱密度(dB)BPSKQPSK,DQPSKMSK最新卫星通信系统与技术(信号传输

15、与处理技术)5.3 信道编码信道编码 信道编码一般可以分成两大类，即分组码和卷积码。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.3.1. 基本知识基本知识域有限域GF有限域上的多项式 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.3.2 线性分组码线性分组码一、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),.,(21naaaA )2(GFai),.,2 , 1(01knihanjijj最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)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，则接收到的码字 ，

16、接收端通过校验矩阵进行校验运算，即 ，S称为校验子， 只与差错向量E有关，因此可以通过校验子S的值来检验传输是否出现差错或对差错进行纠正。EAASHATTEHS 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)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分组码，若校验子的列数为n-k，则校验子可以对应错误向量E的 种情况，错误向量E中为1的位置表示传输出现差错。 kn2最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)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

17、 第k个比特的值。ICCccji,ikcic最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)定义定义1、码字间的汉明距nkjkikijccd1)(最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术) 定义2、码字的码重码字中的比特1的个数 w最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)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 mind,minijjiCccdMindjiedminicjc检测e个错误的最小码距 tdminicjct纠t个错误的最小码距 纠t个检e的最小码距 tdminicjcte最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.3.3 循环码循环码循环码是一类特殊

18、的线性分组码，它的特点是具有循环性，即任何许用码字的循环移位仍然是一个许用码字。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)一、循环码的结构一、循环码的结构 码字 的码多项式如下：),.,(021cccCnn012211.)(cxcxcxcxcnnnn最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)码字 的循环移位i计为 ),.,(021cccCnn),.,.,(1021innininicccccCinininicxcxcxc.)(011则最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)定理一定理一 GF（2）上的循环码（n，k）具有唯一的生成多项式 ，且 为该循环码中最低幂次的码字多项式，循环码中

19、的其他码字可以表示成 。 )(xg)(xg)()()(xgxIxc最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)定理二定理二 （n，k）循环码的生成多项式 是多项式 的因子，且幂次为n-k。)(xg1nD最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)二、循环码的生成矩阵与监督矩阵二、循环码的生成矩阵与监督矩阵 非系统码的生成矩阵系统码的生成矩阵 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)三、循环码的编码和译码三、循环码的编码和译码 1.系统循环码的编码器系统循环码的编码器 系统循环码最容易实现的方式是将信息码多项式升n-k次幂后除以生成多项式，然后将所得余式置于升幂后的信息多项式后。最新卫星通信

20、系统与技术(信号传输与处理技术)2.循环码的译码循环码的译码 用于纠错目的的循环码译码器原理用于检错目的，然后用ARQ方式的循环码的原理 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)BCH码码 BCH码是一种特殊的循环码，其特点是能够根据所需要的纠错能力构造循环码。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)一、一、BCH码的生成多项式码的生成多项式 BCH码的生成多项式 ,若含有以下 个连续根： 则由 生成的（n, k）循环码称为BCH码。 )(xg121.,jjj)(xg)(),.(),()(210 xmxmxmLCMxg最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)通常，若 含有一个本原

21、多项式，则码长为 ，我们称这类BCH码为本本原原BCH码码；若码长为 的因子，则该码称为非本原非本原BCH码码。)(xg12m12m最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)二、二、BCH译码译码 BCH的译码可以按照下面的步骤进行：的译码可以按照下面的步骤进行：根据接收到的r(x)计算校验子由校验子确定出错误图样E。1.根据错误图样E，得到译码结果C=R-E 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)RS码码 RS码实际上也是循环码，但RS码是定义在非二进制域上的循环码，RS码是定义在多进制域上的BCH码。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)RS码的生成多项式 ).()()(2

22、1jjjxxxxg最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.3.4 5.3.4 卷积码卷积码 卷积码的纠错性能随N的增加而增大，而差错率随N的增加而指数下降。在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)1.1.卷积码的结构和描述卷积码的结构和描述 卷积码结构示意图卷积码结构示意图 输入输出12N1k1n最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)卷积码的描述卷积码的描述 描述卷积码的方法有两类：图解法和解析表示。图解法包括：树图、状态图、网格图。解析法包括：矩阵形式、生成多项式形式。 m1m2输入m0g10g11g12g20g22c1

23、c2输出（7，5）卷积码结构）卷积码结构 （7，5）卷积码树图 起点aa01babcdabcdabcd0011011011010010abcd（7，5）卷积码状态图）卷积码状态图 00/011/110/001/111/000/101/010/1abcd（7，5）卷积码网格图）卷积码网格图 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)生成多项式表示 定义 ， ，则上述结构为 ， ，这里用8进制表示,1211101gggg ,2221202gggg 71g52g21,gg2101211101,mmmgggc2102221202,mmmgggc最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)定义定义22

24、12111011)(DDDgDggDg2222212021)(DDgDggDg最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)设输入信息 的多项式为 ，则可以得到输出最终输出是 的相同次数项的排列。 ,.,210bbb.)(332210bDbDbbDM)()()(11DgDMDC)()()(22DgDMDC)(),(21DCDC最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2.2.卷积码的传输函数卷积码的传输函数 卷积码也是线性码，输出码的最小码重决定了卷积码的最小码距。计算卷积码的码距特性可以通过考察卷积码的传输函数来得到，并且通过传输函数还可以估计卷积码的性能。 0011011011010010

25、abcd（7，5）卷积码状态图 abcdeIDw2wDwIDwIDIDDw2wD（7，5）卷积码流图 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)令 表示a状态下的状态值，则)(aXcedbddbccabDXwXwIDXwIDXXwDXwDXXIDXIDXwX22最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)由上解得aaeXDDIwDwIDIDwXwIDwIDIDwX.)1 ()1 (11222235235最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)系统传输函数为.)1 ()1 (1/),(222235DDIwDwIDIDwXXDIwTae最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)3 .卷积码

26、的译码及其性能卷积码的译码及其性能代数译码：代数译码：根据卷积码的本身编码结构进行译码，译码时不考虑信道的统计特性。概率译码：概率译码：这种译码在计算时要考虑信道的统计特性。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)1.1.概率译码的思路概率译码的思路 最大似然序列译码硬判决软判决 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2.Viterbi译码算法译码算法 设卷积码的状态数为，在时刻k各状态的计算如下：v),min()1 ,(1)1 ,(1)0 ,(1)0 ,(1jfkjfkjfkjfkjkSSSNkjv,.,2 , 1;2,.,2 , 1最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)3

27、.卷积码的性能 如果译码出现差错时，卷积译码器输出错误序列，当采用2PSK时，卷积码的性能界可以由下式计算：02)(NwREQwAPbdwefree最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.3.5. 5.3.5. 级联码级联码 根据香农信道编码定理，任何小于信道容量的数字通信，总可以找到一种编码方法，达到任意小误码的通信。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)1.Turbo码码 Turbo码是并行的级联码，通过交织器将两个并行的卷积码支路联合起来。 交织器kdkd11kp21kp Turbo码编码器码编码器(7,5) MAP译码器交织MAP译码器去交织Demux2111,kkpp

28、dk11,kpdk21,kpdIkeL判决urbo码译码器 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2. 串行级联码串行级联码串行级联码编码器结构 ENC1交织ENC2BPSKxYCuz串行级联码译码器结构串行级联码译码器结构 SISO)(Iu IC)(Ou)(OCSISO)(Ixz)(Ox)(Oz去交织交织最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术).3.6.编码调制编码调制 1.TCM 格形编码调制（TCM）是结合多进制调制与卷积编码的一种方法，它最早由Ungerboeck171819提出，目前作为ITU的标准，已广泛应用于Modem的传输， 最新卫星通信系统与技术(信号

29、传输与处理技术)一、一、TCM编码编码 信号映射卷积码编码子集内选择子集选择1x2x1mxmx0y1y1mymyTCM编码示意图 8sin20d21d22d子集B子集C000111011101001110010100子集B0子集B1子集C0子集C2子集C3子集C18PSK星座划分 11vh21vh01vh22vh12vh02vh21h11h01h0vh00hTCM编码器基本结构 C0,C2C1,C3C0,C2C1,C3C0,C2C1,C3C3,C1C2,C0C0C2C2C0C1C3C3C12/3卷积码格图 2/3卷积码结构 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)二、二、 Turbo码级联高阶调制码级联高阶调制目前，结合Turbo码和高阶调制的方法有如下两种：一种是Robertson提出的基于TCM结构形式的TTCM