第7章 差错控制同步信道复用课件

1、2022-4-241第第7章章 差错控制、同步及信道复用差错控制、同步及信道复用 差错控制差错控制 同步同步 信道复用信道复用 信息科学与技术学院2022-4-242差错控制的基本概念差错控制的基本概念 差错控制差错控制在发送端被传输的数据信息（信息码）中增加一些多余的比特（监督码），并使信息码与监督码间有某种确定关系。 接收端对信息码与监督码之间的这种关系进行校验。 一旦传输发生差错，则信息码与监督码的关系就可能受到破坏，从而使接收端可以检测（发现）以至纠正传输中产生的错误。 通过牺牲系统有效性来提高信息传输的可靠性。 信息科学与技术学院2022-4-243差错类型差错类型常见的错误类型有以

2、下三3种：（1）随机错误 （2）突发错误（3）混合错误 信息科学与技术学院2022-4-244差错控制的方式差错控制的方式 常用的差错控制方式主要有检错重发、前向纠错和混合差错控制三种。检错重发 在发送端，输入的信息码元在编码器中被分组编码（加入监督码）后，除了立即发送外，还暂存于缓冲存储器中。 若接收端译码器检出错码，则由译码器控制产生一个重发指令，指令经过反向信道送到发送端。这时，由发送端重发控制器控制缓冲存储器重发一次。 接收端仅当译码器认为接收信息码元正确时，才将信息码元送给收信者，否则在输出缓冲存储器中删除接收码元。 信息科学与技术学院2022-4-245检错重发检错重发 当译码器未

3、发现错码时，经过反向信道发出不需重发指令。发送端收到此指令后，即继续发送后一码组，发送端的缓冲存储器中的内容也随之更新。图图8-1 检错重发差错控制系统的原理框图检错重发差错控制系统的原理框图 信息科学与技术学院2022-4-246前向纠错前向纠错 接收端利用接收到的码组中的监督码，判断接收到的码组有无错误以及错误的位置。 若有错误并且错误的数目在纠错能力之内，则译码器对错误进行纠正后再将数字信息送给信宿。图图8-2 前向纠错原理框图前向纠错原理框图 信息科学与技术学院2022-4-247混合差错控制混合差错控制 混合差错控制（HEC）是利用检错重发检错重发与前向纠错前向纠错两种方式相结合的差

4、错控制方式。 接收端收到码组后，首先进行错误检测，如果检测出的错误在该编码的纠错能力之内，则自动对错误进行纠正。如果检测出的错误超过了该编码的纠错能力，则经过反向信道请求发送端重新发送这组数据。 信息科学与技术学院2022-4-248检错和纠错的基本概念检错和纠错的基本概念差错控制编码举例 检错或纠错能力与发送编码中冗余码的位数有关。监督码元越多，检（纠）错能力越强。 举例差错控制编码的基本概念n差错控制编码按照编码构成方式的不同分为分组码和卷积码n分组码通常用符号(n,k)表示，其中n是码组的总位数，又称为码组长度；k表示码组中信息码元的数目。令r=n-k，表示监督码元个数。在二进制编码中，

5、通常分组码都是k个信息码元在前，r个监督码元附加在k个信息码元之后，其结构如图8-4所示。 信息科学与技术学院2022-4-249检错和纠错的基本概念（续）检错和纠错的基本概念（续）图图8-4 分组码结构图分组码结构图 信息科学与技术学院2022-4-2410检错和纠错的基本概念（续）检错和纠错的基本概念（续）n在分组码中，我们把码组中“1”的数目称为码组的重量（简称码重）n两个码组之间对应位上数字不同的位数称为码距，又称汉明距离。n最小码距是指一种编码中各个码组间汉明距离的最小值，也叫做最小码距d0。一种编码的最小码距d0的大小直接关系着这种编码的检错和纠错能力，具体关系如图8-5所示。 信

6、息科学与技术学院2022-4-2411检错和纠错的基本概念（续）检错和纠错的基本概念（续）图图8-5 码距与检错和纠错能力的关系码距与检错和纠错能力的关系 信息科学与技术学院2022-4-2412检错和纠错的基本概念（续）检错和纠错的基本概念（续）01de021dt （1）为检测e个错误，要求最小码距 （2）为纠正t个错误，要求最小码距 （3）为纠正t个错误，同时检测e个错误，要求最小码距01()detet 信息科学与技术学院2022-4-2413检错和纠错的基本概念（续）检错和纠错的基本概念（续） 编码效率是指一个码组中信息位所占的比例，用R表示。 R越大，编码效率越高，但检纠错能力越差。

7、kkRnkr 信息科学与技术学院2022-4-2414同步同步 在数字通信系统中，同步是指收发双方在时间和频率上步调一致。 接收端在进行信号检测之前，需要建立各种同步，包括载波同步、位同步和群同步等。 信息科学与技术学院2022-4-2415载载 波波 同同 步步 相干解调必须有载波同步。载波同步的方法可以分为两大类。第一类是在发送端的发送信号中插入一个专门用于载波同步的导频。 导频通常是一个或几个特定频率的未经调制的正弦波。 在接收端提取出导频，利用此导频的频率和相位来决定本地产生的载波频率和相位。 第二类是在接收端设法从有用信号中直接提取出载波，而不用发送专门的导频。 信息科学与技术学院2

8、022-4-2416插入导频法插入导频法 插入导频法主要用于接收信号频谱中没有离散载频分量，且在载频附近频谱幅度很小的情况。 以2PSK信号为例， “0”和“1”等概发送时，2PSK可以看作是抑制载波的双边带调幅。 在此方案中插入导频的相位与原调制载波的相位正交，如图9-1所示。 信息科学与技术学院2022-4-2417插入导频法（续）插入导频法（续）图图9-1 抑制载波双边带信号的导频插入抑制载波双边带信号的导频插入 信息科学与技术学院2022-4-2418插入导频法（续）插入导频法（续）图图9-2 插入导频法发端框图插入导频法发端框图 信息科学与技术学院2022-4-2419图图9-2中中

9、a点的波形点的波形 信息科学与技术学院2022-4-2420图图9-2中中b点的波形点的波形 信息科学与技术学院2022-4-2421图图9-2中中c点的波形点的波形 信息科学与技术学院2022-4-2422插入导频法收端方框图插入导频法收端方框图 信息科学与技术学院2022-4-2423各点波形各点波形图图9-7 收端收端a点的波形点的波形图图9-8 收端收端b点的波形点的波形 信息科学与技术学院2022-4-2424各点波形（续）各点波形（续）图图9-9 收端收端c点的波形点的波形图图9-10 收端收端d点的波形点的波形 信息科学与技术学院2022-4-2425直接法直接法 对于没有载波分

10、量的信号，可以用非线性变换或其他处理方法得到包含与载波分量相关的离散频率分量，再通过滤波，频率分解与合成等处理后，可以获得载波分量，这种方法称为直接法，也称为自同步法。 2PSK等信号最常用的直接法有平方变换法和平方环法。 信息科学与技术学院2022-4-2426平方变换法平方变换法c( )( )cose ts tt 在平方变换法中，接收到的2PSK信号可以表示为 s(t)为双极性数字基带信号，将此接收信号首先进行平方运算 平方运算后的信号中包含载波二倍频的离散分量和基带信号的平方项，因而采用窄带滤波器可提取出载波二倍频的离散分量，再经过二分频，就得出载频fc。22222cc11( )( )c

11、os ()( )( )cos(2)22etsttststt 信息科学与技术学院2022-4-2427平方变换法提取载波原理框图平方变换法提取载波原理框图 信息科学与技术学院2022-4-2428各点波形各点波形图图9-12 平方变换法中平方变换法中 a点波形点波形图图9-13 平方变换法中平方变换法中b点波形点波形 信息科学与技术学院2022-4-2429各点波形（续）各点波形（续）图图9-14 平方变换法中平方变换法中c点波形点波形图图9-15 平方变换法中平方变换法中d点波形点波形 信息科学与技术学院2022-4-2430载波同步系统的性能载波同步系统的性能 载波同步系统主要包括4个方面的

12、性能指标，分别是效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。 效率是指系统的功率利用率，即系统实现载波同步要尽量少消耗发送功率。 精度是指接收端提取的本地载波与接收信号中所含有的标准载波间的相位误差，相位误差越小，精度越高。 同步建立时间是指从开机或载波失步到载波同步所消耗的时间。 同步保持时间是指载波同步建立后，若同步信号消失，系统还能维持载波同步的时间。 信息科学与技术学院2022-4-2431本地载波相位误差对解调性能的影本地载波相位误差对解调性能的影响响 对解调性能的影响主要体现为所提取的本地载波与接收信号中的载波间有相位误差 一般情况下，相位误差 不仅引起信噪比下降，而且还引起输出波形失

13、真。在数字通信中，波形失真会产生码间干扰，使误码率大大增加，因此，应尽可能使 减小。 信息科学与技术学院2022-4-2432位同步位同步 位同步也称为码元同步，是数字通信中接收端对收到的信号码元进行抽样判决的时间基准，位同步的精度对系统性能具有重要的影响。 同载波同步类似，位同步的方法也有两种：插入导频法和直接法。 信息科学与技术学院2022-4-2433插入导频法插入导频法 插入导频法在此基带信号（不归零矩形脉冲）的频率 处插入导频，如图所示s1T 信息科学与技术学院2022-4-2434插入导频法（续）插入导频法（续） 在采用双极性波形的基带系统中，位同步的插入导频法在发端的框图如图所示

14、图图9-18 插入导频发端框图插入导频发端框图 信息科学与技术学院2022-4-2435插入导频法（续）插入导频法（续）图图9-22 接收端位同步信号提取框图接收端位同步信号提取框图 信息科学与技术学院2022-4-2436位同步误差对误码率的影响位同步误差对误码率的影响 接收端提取的位同步信号与实际接收码元的位置之间存在的时间误差，使接收端对接收信号进行抽样的时刻偏离最佳判决时刻，从而使抽样中所包含的有用信号分量数值减小，并且还可能引入码间干扰，使进入判决器的信号的信噪比下降，导致系统误码率增大。 信息科学与技术学院2022-4-2437帧帧 同同 步步 帧同步又称为群同步，其主要任务就是从

15、接收码元中识别数据帧的起始和结束位置。 系统对帧同步的基本要求为： 正确同步概率大，假同步概率小； 初始同步时，捕获时间要短； 捕捉后，同步保持时间要长； 在数据帧中专门用于同步的冗余度要小。 实现帧同步的方法通常有两类，一类是外同步法，即在数字信息流中插入一些特殊码组作为每群的头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置就可以实现帧同步；另一类方法是自同步法，类似于载波同步和位同步中的直接法，它不需要外加特殊码组，利用数据本身所具有的特殊性质来实现帧同步。 信息科学与技术学院2022-4-2438连贯式插入法连贯式插入法 连贯式插入法就是在一帧数据中的某一位置集中插入用于帧同步的特殊码组，故又称为

16、集中插入法。 帧同步的特殊码组一般插入到一帧数据的起始位置。 接收端通过检测帧同步码组，确定一帧数据的起止位置，从而实现帧同步。 信息科学与技术学院2022-4-2439对帧同步码组的要求对帧同步码组的要求 为了达到系统对帧同步的基本要求，选择帧同步码组通常考虑3个方面的原则：第一，帧同步码组与信息码元序列中同长度码组相同的概率小，即将信息码元误认为帧同步码组的概率要小；第二，帧同步码组的局部自相关函数应该具有尖锐的单峰特性，即易于识别；第三，帧同步码组的识别器应该尽量简单。 最常用的帧同步码组是巴克码，是一种具有特殊规律的二进制码组，是一种非周期序列。 信息科学与技术学院2022-4-244

17、0巴克码巴克码 信息科学与技术学院2022-4-2441巴克码（续）巴克码（续） 以5位巴克码组 为例，其局部自相关函数R( j )在j = 0, 1, 2，3，4，5时的R( j )值分别为5, 0, 1，0，1，0。 其图形如图所示。 11101 信息科学与技术学院2022-4-2442巴克码（续）巴克码（续） 根据巴克码组具有尖锐的局部自相关特性，在接收端通常采用数字序列相关的方法进行码组识别，以获得帧同步信号。 巴克码组识别器是一个典型的数字序列相关器，它包括数字序列移位寄存器、加法器和判决器3个部分构成。 信息科学与技术学院2022-4-2443巴克码（续）巴克码（续） 信息科学与技

18、术学院2022-4-2444帧同步性能帧同步性能 帧同步性能指接收端从接收到的数据帧中利用帧同步码组识别器正确检测出帧同步的性能。 帧同步常用的性能指标有3个：漏同步概率、假同步概率和同步建立时间。 信息科学与技术学院2022-4-2445信道复用信道复用 复用是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的方法。 接收端通过解复用将复合信号分离，传送给不同的终端。 在通信系统中，根据合成复合信号的方法不同，复用主要分为频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）等。 信息科学与技术学院2022-4-2446频频 分分 复复 用用频分复用原理 频分复用（FD

19、M）是信道按照频率区分信号，即将信道划分成若干个相互不重叠的子频带，每个子频带占用不同的频段，如图10-1所示，然后将需要在同一信道上同时传送的多个信号调制到不同的频带上 信息科学与技术学院2022-4-2447频频 分分 复复 用（续）用（续）图图10-2 频分复用系统组成原理图频分复用系统组成原理图 信息科学与技术学院2022-4-2448频频 分分 复复 用（续）用（续）图图10-1 频分复用的子频带的划分频分复用的子频带的划分 信息科学与技术学院2022-4-2449有线载波群路标准有线载波群路标准 在长途载波电话中所采取的FDM群路标准（国际电联（ITU-T）建议）如表10-1所示。

20、 信息科学与技术学院2022-4-2450时分复用时分复用时分复用原理 时分复用（TDM）是按时间区分信号，即把时间划分为若干时隙，各路信号占用各自的时隙，来实现在同一个信道上传输多路信号，如图10-4所示。 信息科学与技术学院2022-4-2451时分复用（续）时分复用（续）图图10-4 TDM的时隙划分示意图的时隙划分示意图 信息科学与技术学院2022-4-2452模拟时分复用模拟时分复用 模拟时分复用是利用一路抽样信号的间隔时间传输其他路的抽样信号来实现的，其实现的原理示意图如图所示。 信息科学与技术学院2022-4-2453数字时分复用数字时分复用 数字时分复用是将多路数字信号采用时间

21、划分的方法合并在一个信道中传输。 语音信号的采样速率通常为8kHz，即抽样间隔时间（帧长）为125 。 若将每路抽样值用8bit编码，共有32路信号复用，则每秒的比特数等于8 000 8 32 = 2 048 kbit/s。 这个速率就是目前国际电联（ITU-T）建议的PCM基群的一种标准速率，即PCM30/32路制式。s 信息科学与技术学院2022-4-2454模拟时分复用（续）模拟时分复用（续）图图10-5 时分多路复用的原理示意图（续）时分多路复用的原理示意图（续） 信息科学与技术学院2022-4-2455数字时分复用（续）数字时分复用（续） PCM30/32路制式实际上只能传输30路语

22、音信号，其他两路信号是所需的帧同步、控制和信令等内容。即在一个 的帧中划分出32个时隙，每个时隙中都放置一路抽样值的8bit编码，具体安排如图10-6所示。 时隙0用作帧同步，时隙16用作传输控制信号和信令，其他30个时隙用作传输30路语音信号。每秒传输8 000帧，故总传输速率为2 048kbit/s。125s图图10-6 PCM30/32路复用的帧结构路复用的帧结构 信息科学与技术学院2022-4-2456数字时分复用（续）数字时分复用（续） 与FDM方式相比，TDM方式主要有以下两个突出优点：（1）多路信号的复接和分路都是采用数字处理方式实现，通用性和一致性好，比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠。（2）信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真和高次谐波，引起路间串话。因此，要求信道的线性特性要好。而TDM系统对信道的非线性失真要求可降低。 信息科学与技术学院2022-4-2457码码