卫星通信第5章

1、第5章 编码与信号处理技术5.1 信源编码技术5.2 信道编码技术5.3 信号处理技术 信源编码是指首先将话音、图像等模拟信号转换成为数字信号，然后再根据传输信息的性质，采用适当的编码方法。为了降低系统的传输速率，提高通信系统效率，就要对话音或图像信号进行频带压缩传输。5.1 信源编码技术5.1.1 微波与卫星通信系统对信源编码的要求 在目前普遍使用的通信系统中，包括数字微波通信系统采用的最基本的语音编码方式为脉冲编码调制，即以奈奎斯特抽样定理为基准，将频带宽度为3003400Hz的语音信号变换成为64kbit/s的数字信号，这就是标准的PCM编码方式。5.1.2 微波与卫星通信采用的信源编码

2、方式及特点 在数字系统中所采用的话音信号的基本编码方式包括三大类：波形编码、参数编码和混合编码。 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。参数编码是以发音机制模型作为基础的。混合编码是一种综合编码方式，它吸取波形编码和参数编码的优点，使编码数字语音中即包括语音特征参量，又包括部分波形编码信息。表5-1给出一些微波与卫星系统中所采用的语音编码情况。5.2 信道编码技术 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码元，使监督码元与信息码元构成某种特定的关系，接收端根据这种特定的关系来进行检验。5.2.1 信道编码的目的1差错控制 差错控制是指当信道差错率达到一定程度

3、时，必须采取的用以减少差错的措施。 通常差错控制方式又可分为三大类：前向纠错（FEC）、检错重发（自动请求重发ARQ）以及使用FEC和ARQ技术的混合方式。（1）前向纠错 前向差错控制又称为自动纠错，它是指检测端检测到所接收的信息出现误码的情况下，可按一定的算法，自动确定发生误码的位置，并自动予以纠正。（2）检错重发 检错重发也称为自动请求重发（ARQ），它是指在接收端检测到接收信息出现差错之后，通过反馈信道要求发送端重发原信息，直到接收端得到正确信息为止，从而达到纠错的目的。（3）使用FEC和ARQ技术的混合方式 在此种方式中，当接收端检测到所接收的信息存在差错时，只对其中少量的错误自动进行

4、纠正，而超过纠正能力的差错仍通过反向信道发回信息，要求重发此分组。2码距与交错能力 码距是指两个码组中非零码的数目。例如一个码组为“010”，另一码组为“011”，显然这两个码组之间的码距等于1。编码的纠错和检错能力由汉明距离决定。通常存在下列几种情况。（1）若要求检测e个错码，则dmin应满足：dmin e+1；（2）若要求能够纠正t个错码，则dmin应满足：dmin 2t+1；（3）若要求能够纠正t个错码，同时检测e个错码，则dmin应满足：dmin e+t+1。3常用的信道编码方式 由前面的介绍可以看出，对于实时性要求高的语音通信而言，几乎都使用前向纠错的差错控制方式。 在微波与固定卫星

5、系统中使用的纠错编码有线性分组码、循环码、BCH码和卷积码等。 在SDH通信系统中，还使用比特交织奇偶检验（BIP）码，用以进行再生段和复用段的通道检错。5.2.2 分组编码与交织技术1线性分组码 分组码是将每k个信息码元分为一组，然后按一定的规律产生r个监督码元，那么分组码的长度n = k+r，通常用符号（n,k）表示。（1）（7,4）线性分组码的监督关系（2）监督码的形成与检测（3）（7,4）分组码2交织技术 线性分组码主要是用于纠正随机错误的，但实际通信中常常会遇到突发性干扰，会出现成串或成片的多个错误，这时就需要一种具有纠正突发性错误的纠错技术，交织技术正是这样一种技术。（1）水平奇偶

6、监督码 若发送端的串行码序列为a1,a2,a3,a50，首先将其排列成每一行包含10个码元、每一列包含5个码元的方阵，如表5-3所示，这被称为“分组交织”。（2）交织原理 交织原理是将已编码的码字（例如按线性分组码的规律构成的n,k分组码）按行读入，每行包含一个（n,k）分组码，共排成m行，这样构成一个m行n列的矩阵，如图5-1所示。图5-1 已编码数据的矩阵交织5.2.3 循环码与BCH码 BCH码是具有纠正多个随机差错功能的循环码，它是循环码的一个重要子类。循环码CRC的应用非常广泛，例如在数字微波与卫星通信中的链路层都加入CRC校验码，因而我们首先介绍循环码。1循环码（1）循环码的概念

7、循环码也是一种线性分组码，因此除具有线性分组码的性质外，还具有循环性。（2）循环码的生成多项式 为了便于分析，常引入代数理论来研究循环码。即用多项式表示码组，这个多项式就是码多项式。（3）生成矩阵【例5-1】求表5-5中所示的（7，3）循环码的典型生成矩阵。解 式（5-5）正是（7，3）循环码的生成多项式，即g(x)=x4+x2+x+1。利用式（5 -6 ）可得其生成矩阵：（4）循环码的形成 前面介绍了计算（n，k）循环码的生成多项式的方法。 【例5-2】设（7，3）循环码的信息码为101，求整个码组。(5)求生成多项式的方法 求生成多项式的方法有两种：一种是根据概念进行计算，另一种是对xn+

8、1因式进行因式分解，其中(n-k)次因子即为生成多项式。这里仅介绍后者。（6）循环码的编解码 循环码的编码可以由图5-2所示的电路实现。图5-2 循环编码器电路图2BCH码（1）原本BCH码与非原本BCH码 BCH码可分为两类：一类是原本BCH码，另一类是非原本BCH码。（2）BCH码的生成多项式 下面以码长为15的BCH码为例来进行说明。（3）格雷码和RS码 通常使用的二进制自然码排序为00，01，10，11，当用4PSK方式调制时，若以自然码排列，“00”与“11”将被调制到相邻相位，解调时若有误判就会产生两个比特误码。5.2.4 卷积码与维特比译码 卷积码不同于前面所介绍的线性分组码，它

9、是一种非分组码。这种码所具有的特点是其编码结构简单，易于实现，同时具有较强的抗误码性能，适用于采用前向纠错的FEC数字通信系统中，因而这种编码普遍运用于数字微波与卫星系统之中。1卷积码的基本概念 由前面的分析可知，在线性分组码中，任何一段时间内由编码器产生的n个码元构成一个码组，在此码组中包含k个信息码元与r个监督码元，可见n代表码长。2卷积码的编码器 图5-4给出了n=2，k=1，m=3的卷积码编码器的电路图。图5-4 (2,1,3)卷积编码器的电路图3卷积码的表示法 为了更直观地描述卷积码，因而人们分别提出了树图、状态转移图和网格图结构。（1）树图 树图是一种形象地描述卷积码编码中数据序列

10、在移位寄存器移动过程的方法。（2）网格图 通过仔细观察图5-5可以发现，码树呈现重复性，即从第4支路开始，码树的上半部与下半部完全相同。图5-5 (2,1,3)卷积码的树状图【例5-4】 若采用图5-5中所示的卷积码编码器，并且初始状态为a（即00），当输入序列为110111001000时，请求出输出序列，并用网格图表示状态变化路径。解 由前面的分析可知，初始状态时（t=0），b1b2b3=0，即处于a状态，当第1信息位b1=1，此时b2b3=00，输出y1y2=11，到达状态b，第2信息位b1=1，此时b2b3=01，输出y1y2=01，到达状态d，这样继续下去，最后我们可以得到编码器的输出

11、序列1101010010110000，移位寄存器的状态变化过程：a b d c b c a a，其编码过程和状态过程如图5-7所示。4维特比译码 卷积码的译码方法有三种：维特比译码、门限译码和序列译码。这里仅就维特比译码的解码思路进行简单介绍。 维特比译码是Viterbi于1967年提出的一种概率解码算法，它是建立在信道的统计特性基础上的一种解码。5.2.5 纠错编码与调制格型编码调制 在传统上，数字调制与纠错编码是独立设计的，即在发送端的调制和编码，接收端的解调和解码都是分开设计的。 格型编码调制（TCM）正是根据上述思路提出的一种方案，它是将调制和编码合为一体的调制技术。 这种采用卷积编码

12、的网格编码调制和采用软判决维特比译码技术的解调可获得36dB的信噪比增益。TCM技术已使话带调制解调器的传信速率达14.4kbits，28.8kbits和33.6kbits，已接近香农(CE.Shannon)定理所规定的信道容量极限。图5-9 TCM示意图5.3 信号处理技术5.3.1 数字话音内插技术 数字话音内插（DSI）技术是目前在卫星系统中广泛采用的一种技术。1话音内插 由于在两个人通过线路进行双工通话时，总是一方讲话，而另一方在听，因而只有一个方向的话路中有话音信号，而另一方向的线路则处于收听状态。2数字话音内插 通常所使用的数字话音内插（DSI）技术包括时分话音内插（TASI）和话

13、音预测编码（SPEC）两种方式。时分话音内插（TASI）技术是利用呼叫之间的间隙，听话而未说话以及说话停顿的空闲时间，把空闲的通路暂时分配给其他用户以提高系统的通信容量。（1）分话音内插的基本原理 时分话音内插系统结构 图5-10所示的是数字式话音内插系统的基本组成。图5-10 数字TASI系统的基本组成 数字话音时分内插的工作过程 在发送端，话音检测器依次对各输入话路的工作状态加以识别，判断它们是否有语音信号通过。 分配信息的传送 分配信息的传送方式有两种，一种是只发送最新的状态连接信息；另一种是发送全部连接状态信息。（2）音预测编码SPEC 在图5-11中给出了SPEC发端的原理图。其工作过程如下。 话音检测器依次对输入的采用TDM复用格式的N个通道编码码组进行检测，当有话音编码输入时，则打开传送门，将此编码码组送至中间帧寄存器和零级预测器；否则传送门仍保持关闭状态。图5-11 SPEC发端方框图 零级预测器将预测器帧存储器中所储存的上一次取样时刻通过该通道的那一组编码与刚收到的码组进行比较，并计算出它们的差值。 与此同时，又将此码组“写入”发送帧寄存器，并在规定时间进行“读操作”。 在零级预测器中，各次比较的情况被编成分配码（S