第3章 编码及调制技术课件

第3章编码及调制技术信源编码概述3.1信道编码概述3.2调制技术概述3.3线性调制技术3.4恒定包络调制技术3.5扩频调制技术3.6信息：是事物行为、状态的表征。“信息变换”过程：将信息脱离源事物而附着于另一种事物的过程。信息载体：能将自己的某种物理量与附着的信息建立一一对应关系的物理载体。如电信号、光信号、声信号等。3.1信源编码概述·

信息传输的基本模型如图3.1所示。图3.1信息传输的一般模型信源：产生消息和消息序列的来源。信源编码：是对信源输出的信息进行适当的变换和处理，目的是为了提高信息的传输效率。信源编码又称为频带压缩编码或数据压缩编码。信道编码：是为了提高信息的可靠性而对消息进行的变换和处理。信道：指通信系统中传输信息的媒介，信道中存在噪声和干扰。译码：编码的逆过程，将信道输出的编码信号反变换为信息。信宿：接收消息的人或机器。3.1.1语音编码·

语音编码作为一种信源编码，是将模拟语音信号变成数字信号以便在信道中传输。·

语音编码技术可分为波形编码、参量编码和混合编码等类型·

波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，其目的是尽可能精确地再现原始语音波形。·

波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示。·

波形编码技术包括脉冲编码调制（PCM）和增量调制（M）以及它们的各种改进型。·

参量编码，又称为声源编码，是基于人类语言的发声机理，找出表征语音的特征参量，对特征参量进行编码的一种方法。如线性预测编码(LPC)及其各种改进型。

·

混合编码是近年来提出的一类新的语音编码技术，它将波形编码和参量编码结合起来，力图保持波形编码的高质量的优点以及参量编码的低速率的优点。如码激励线性预测编码（CELP）。·

混合编码是适合于数字移动通信的语音编码技术。·语音编码技术首先应用于有线通信和保密通信，其中最成熟的实用数字语音系统是64kbit/s的PCM。这是一种典型的波形编码技术，主要用于有线电话网，它的语音质量好，可与模拟语音相比，达到网络质量。3.1.2语音编码技术的应用及发展另一类型的波形编码是增量调制（△M），较简单且能抗误码。当速率达到32~40kbit/s时，语音质量较好；当速率在8~16kbit/s时，语音质量较差。速率为24kbit/s的声码器是一种典型的采用参量编码技术的数字语音系统，优点是速率低，主要用于军事保密通信，语音质量仅能达到合成质量，且对背景噪声敏感。·波形编码的改进:自适应差分PCM（AdaptiveDifferentialPCM，ADPCM）、子带编码（Sub-BandCoding，SBC）、自适应变换编码（Adaptive

TransformCoding，ATC）、时域谐波压扩（TimeDomainHarmonicScaling，TDHS）等。参量编码的改进：多脉冲激励线性预测编码（Multi-PulseExcitedLPC，MPE-LPC）、规则脉冲激励线性预测编码（RegularPulseExcitedLPC，RPE-LPC）等。移动通信对语音编码技术的要求如下：

速率较低，纯编码速率应低于16kbit/s；在强噪声环境中，算法应具有较好的抗误码性能，以保持较高的语音质量；在一定编码速率下语音质量应尽可能高；

编解码时延应较短，控制在几十毫秒之内。3.1.3脉冲编码调制（PCM）·PCM是一种典型的波形编码技术，是最早提出的语音编码方法，至今仍被广泛采用，主要用于有线电话网，它的语音质量好，可与模拟语音相比，达到网络质量。

PCM的优点是技术简单、无时延，对语音信号和其他类型信号都能可靠地编码传输。图3.2PCM原理框图抽样:对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。量化:把经过抽样得到的瞬时值的幅度离散化，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。·

一般语音信号的带宽为300～3

400Hz，编码时通常采用的抽样速率为，如果采用8比特量化，则单路语音编码的比特速率为64kbit/s。

编码：用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。线性预测编码（linearpredictivecoding,LPC）方法是一种参数编码方式。参数编码的基础是人类语音的生成模型，通过这个模型，提取语音的特征参数，然后对特征参数进行编码传输。3.1.4线性预测编码（LPC）在线性预测编码中，将语声激励信号简单地划分为浊音信号和清音信号。浊音信号可以用准周期脉冲序列激励信号来表示，清音信号可以用白色随机噪声激励信号来表示。发送端：原始话音信号送入A／D变换器，以8kHz速率抽样变成数字化语声信号。以180个抽样样值为一帧，以一帧为处理单元逐帧完成每一帧的线性预测系数分析，并作相应的清／浊音（u/v）处理、基音Tp提取，再对这些参量进行量化、编码并送入信道传送。接收端：经参量译码分出参量、G、Tp、u/v，以这些参数作为合成语声信号的参量，最后将合成产生的数字化语声信号经D／A变换还原为语声信号。图3.3线性预测编译码原理3.1.5IS-95语音编码（CELP）

CELP(CodeExcitedLinearPrediction，码激励线性预测编码)是一种混合编码方式，也是近10年来最成功的语音编码算法。CELP语音编码算法用线性预测提取声道参数，用一个包含许多典型的激励矢量的码本作为激励参数，每次编码时都在这个码本中搜索一个最佳的激励矢量，这个激励矢量的编码值就是这个序列的码本中的序号。·

CELP能改善语音的质量，主要体现在以下几方面：①对误差信号进行感觉加权，利用人类听觉的掩蔽特性来提高语音的主观质量；②用分数延迟改进基音预测，使浊音的表达更为准确，尤其改善了女性语音的质量；③使用修正的MSPE准则来寻找“最佳”的延迟，使得基音周期延迟的外形更为平滑；④根据长时预测的效率，调整随机激励矢量的大小，提高语音的主观质量；⑤使用基于信道错误率估计的自适应平滑器，在信道误码率较高的情况下也能合成自然度较高的语音。3.2信道编码概述·

信道编码也称为差错控制编码，它是以提高信息传输的可靠性为目的的编码，它通常通过增加信源的冗余度来实现来改善信道链路的性能。用于检测错误的信道编码称为检错编码，既可检错又可纠错的信道编码称为纠错编码。·

香农论证了通过对信息的恰当编码，可以将由于信道噪声而导致的错误控制在任何误差范围之内，同时不需要降低信息传输速率。·

应用于加性高斯白噪声（AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN）信道的香农信道容量公式如下:

（3.1）·

检错和纠错技术的基本思想：通过在数据传输中引入冗余来提高通信的可靠性。冗余的引入将消耗一定的带宽，这会降低频谱效率，但却能够大大降低SNR情况下的误码率。香农指出，只要SNR足够大，就可以用很宽的带宽实现无差错通信。

3.2.1分组码

·

分组码是一种前向纠错（ForwardErrorCorrection，FEC）编码，前向纠错码的码字是具有一定纠错能力的码型，它在接收端解码后，不仅可以发现错误，而且能够判断错误码元所在的位置，并自动纠错。分组码一般用符号（n，k）表示，其中n是码组的总位数，又称为码组的长度（码长），k是码组中信息码元的数目，n–k=r为码组中的监督码元数目。·

在分组码中，码距和码重是两个重要的参数。·

分组码的纠错能力是码距的函数，

码距是指两个码字Ci与Cj间不相同比特的数目。用公正表示如下：

（3.2）·

如果采用二进制编码，那么码距就是汉明距。·

最小码距是码距集合中的最小值，可表示成

（3.3）最小码距dmin的大小直接关系着这种编码的检错和纠错能力。码的检错、纠错能力与最小码距dmin的关系分为以下三种情况:（1）为检测e个错码，要求最小码距：dmin≥e+1（2）为纠正t个错码，要求最小码距：dmin≥2t+1（3）为纠正t个错码，同时检测e个错码，要求最小码距：dmin≥e+t+1(e＞t)·

码重是码组中非零元素的数量。·

如果采用二进制编码，码重就是码组中1的数目，可用下式表示：

（3.4）1．汉明（Hamming）码·

Hamming码是一种简单的纠错码。这种编码以及由它们衍生的编码，已被用于数字通信系统的差错控制中。

二进制Hamming码具有如下特性 （3.5）2．Hadamard码·

一个N×N的Hadamard矩阵由0和1组成，其任意两行恰好有N/2个元素不同。·

除了一行为全0外，其余行均有N/2个0和N/2个1，最小码距为N/2。·

当N=2时，Hadamard矩阵为

（3.6）3．循环（Cyclic）码·

循环码可以由(n-k)次的生成多项式g(p)生成。·

(n,k)的循环码的生成多项式表示如下:

（3.7）·

消息多项式x(p)定义如下:

（3.8）·

而最后生成的码多项式c(p)如下:

（3.9）4．BCH码·

BCH码是循环码的一个重要子类，纠错能力很强，具有多种码率，可获得很大的编码增益，并能够在高速方式下实现。·

二进制BCH码可推广到非二进制BCH码，它的每个编码符号代表m个比特。5．RS码·RS（Reed-Solomon）码是一种多进制BCH码。把多重码元当成一个码元，编成BCH码，就是RS码。它能够纠突发错误，通常在连续编码系统中采用。3.2.2卷积码

卷积码是信道编码中一类重要的编码方式。卷积码既能纠正随机差错也具有一定的纠正突发差错的能力。在CDMA移动通信系统中采用的就是卷积码。图3.4卷积编码结构它与分组码的根本区别：它不是把信息序列分组后再进行单独编码，而是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列。同样，在卷积码译码过程中，不仅从此时刻收到的码组中提取译码信息，而且还要利用以前或以后各时刻收到的码组中提取有关信息。·

卷积码的解码技术有许多种，常用的有Viterbi算法、序贯译码法。而最重要的是Viterbi算法，它是一种最大似然译码法。交织编码主要用来纠正突发差错，将突发差错分散成为随机差错而得到纠正。通常，交织编码与各种纠正随机差错的编码(如卷积码或其它分组码)结合使用，从而具有较强的既能纠正随机差错又能纠正突发差错的能力。交织编码不像分组码那样，它不增加监督元，即交织编码前后，码速率不变，因此不影响有效性。在移动信道中，数字信号传输常出现成串的突发差错，因此，数字化移动通信中经常使用交织编码技术。3.2.3

交织编码在交织编码之前，先要进行分组码编码，将待编码的个数据位进行交织。通常，每行由n个数据位组成一个字，行数m表示交织的深度，其结构如图3.5所示：图3.5常用的交织方法（按列写入，按行读出）

或者按行写入，按列读出：

在交织之前，先进行分组码编码，将每个码字按行顺序存入，然后按列顺序读出并输出。·

交织编码的作用：将源信息分散到不同的时间段中，这样，当出现深衰落或突发干扰时，源信息中的某一块数据不会被同时扰乱。并且，源比特在时间上被分开后，还可以利用信道编码来减弱信道干扰对源信息的影响。床前明月光春眠不觉晓白发三千丈红豆生南国床床前前明明月月光光春春眠眠不不觉觉晓晓白白发发三三千千丈丈红红豆豆生生南南国国床春白红床春白红前眠发豆前眠发豆明不三生明不三生月觉千南月觉千南光晓丈国光晓丈国床春白红？？？？？？？？前眠发豆明不三生明不三生月觉千南月觉千南光晓丈国光晓丈国床？？前明明月月光光春？？眠不不觉觉晓晓白？？发三三千千丈丈红？？豆生生南南国国信道编码交织去交织信道解码突发错误

举例：3.2.4Turbo码·Turbo码又称并行级联卷积码(Parallel

ConcatenatedConvolutionalCode，PCCC），是由Berrou等人在ICC’93会议上提出的。·Turbo码的基本原理：通过编码器的巧妙构造，即多个子码通过交织器进行并行或串行级联（PCC/SCC），然后以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭代译码，从而获得卓越的纠错性能，Turbo码也因此得名。Turbo码的性能远远超过了其他的编码方式，得到了广泛的关注和发展。图3.6AWGN信道中的码率与香农限·Turbo码编码器是由两个反馈的系统卷积码编码器通过一个随机交织器并行连接而成的，编码后的校验位经过删余阵产生不同码率的码字。

图3.7Turbo码编码器结构图3.8Turbo码译码器结构Turbo码译码器的基本结构如图3.8所示。它由两个软输入软输出（SISO）译码器DEC1和DEC2串行级联组成，交织器与编码器中所使用的交织器相同。调制是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合传输的形式的过程。即是把基带信号（信源）转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号。移动通信系统的调制技术包括用于第一代移动通信系统的模拟调制技术和用于现今及未来系统的数字调制技术。3.3调制技术概述

数字调制利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。常用的3种基本数字调制技术：幅移键控(ASK)，频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。模拟调制利用输入的模拟信号来控制载波(正弦波)的振幅、频率或相位，从而得到调幅(AM)、调频(FM)或调相(PM)信号。幅移键控：ASK，用二进制基带信号（0或1）去控制正弦载波的幅度变化。·

频移键控：FSK，用二进制基带信号去控制正弦载波的频率变化。·

相移键控：PSK，用二进制基带信号去控制正弦载波的相位变化。3.3.1移动通信对调制技术的要求

在蜂窝移动环境中，无线信号传输受到移动信道等多种因素的作用而影响到传输质量，其中主要因素有：（1）带宽有限，它取决于使用的频率资源和信道的传播特性；（2）干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的；（3）存在着多径衰落；（4）同频干扰。

针对移动通信信道的特点，移动通信对数字调制技术的要求有：

①所有的技术必须有规定频带内提供高的传输效率。②抗干扰性能要强，要使信号深衰落引起的误差数降至最小。③应使用高效率的放大器。④在衰落条件下获得所需要的误码率。⑤占用频带要窄，带外幅射要小。⑥同频复用的距离小。⑦能提供较高的传输速率，使用方便、成本低。·

从技术方法的角度看，移动通信实用的调制技术主要有两类。（1）线性调制技术（2）恒定包络调制技术3.3.2移动通信实用的调制技术·

为了减小相位突变，提出了QPSK信号的两种改型——交错四相相移键控（OQPSK）和四相相对相移键控（DQPSK）。·

四相相移键控（QPSK）应用广泛，频谱利用率是BPSK（二相相移键控）的两倍，采用相干解调时误码性能与BPSK相同。3.4线性调制技术3.4.1四相相移键控（QPSK）·

QPSK是由2个比特组成一个双比特码去控制载波的相位状态，这样共有4种相位状态。双比特码元与载波相位有两种对应关系，如表3.1所示。双比特码元载波相位abA方式B方式001101100°90°180°270°45°135°225°315°表3.1双比特码元与载波相位的对应关系在相位图上标示出来如图3.9所示，相位分别是方式（a）π/2和方式（b）π/4。（a）π/2（b）π/4

图3.9双比特码元与载波相位的对应关系QPSK信号相位变化特点：QPSK由于两个信道上的数据沿对齐，所以在码元转换点上，当两个信道上只有一路数据改变极性时，QPSK信号的相位，将发生突变；当两个信道上数据同时改变极性时，QPSK信号的相位将发生突变。图3.10QPSK的相位关系图·

QPSK信号的表达式为(π/2方式)：

（3.10）式中，Ts是符号间隙，等于两个比特周期，上式可进一步写成：

(3.11)图3.11QPSK发射机的框图图3.10给出了典型的QPSK发射机框图。图3.12QPSK接收机方框图图3.11给出了相干QPSK解调接收机的框图。3.4.2交错四相相移键控（OQPSK）OQPSK信号的调制框图如图3.13所示。图3.13OQPSK调制框图OQPSK的I信道和Q信道的两个数据流如图3.14所示，每次只有其中一个可能发生极性转换。图3.14OQPSK的I、Q信道波形及相位路径OQPSK信号相位变化特点：OQPSK信号每比特跳变一次，可能的跳变值为±/2。其相位关系如图3.15所示。图3.15OQPSK的相位关系图3.4.3/4QPSK

1．概述

π/4-QPSK是QPSK调制的一种改进方式。改进之一是将QPSK的最大相位跳变由±π降为nπ／4（n＝±1或±3）

，以改善π/4-QPSK的频谱特性；改进之二是解调方式的改进,QPSK只能用相干解调，而π/4-QPSK可以用于相干解调也可以用于非相干解调。

π/4-QPSK已成功应用于美国的IS-136数字蜂窝系统、日本的PDC系统和美国的PACS系统。图3.16π/4QPSK调制的矢量图2．调制器π／4QPSK调制器的硬件实现可用图3.17来表示。 图3.17π／4QPSK的发射机框图信号映射的基本关系式为

(3.12)

(3.13)其中，是输入双bit符号{，}所对应的相移值。

3．/4QPSK解调

（1）基带差分检测

π/4-QPSK信号的解调包括基带差分检测、IF差分检测和FM鉴频器检测。图3.18π/4QPSK的基带差分检测器的框图（2）中频差分检测图3.19π/4QPSK的中频差分检测器（3）鉴频器解调图3.20采用FM鉴频检测器解调π/4QPSK信号的框图3.5恒定包络调制技术3.5.1最小频移键控（MSK）·

最小移频键控（MSK）信号是调制指数h=0.5的二进制调频信号。为了抑制带外辐射，可以对MSK输入信号进行平滑处理，即增加一个预调制滤波器。并通过将非归零的二进制比特流直接送入调制指数为0.5的FM调制器产生MSK信号。MSK信号可以表示为：

(3.14)设初相位为，所以MSK信号的时域表达式的一般形式为：

(3.15)MSK的另一个特点是连续相位调制，即在第n个码元结束时的相位等于第n＋1个码元开始时相位。

(3.16)

(3.17)进一步推导可得：(3.18)设，则或。3.MSK的特点Ⅰ.恒包络；Ⅱ.，在码元转换时刻，信号相位连续，但相位路径是折线（如图3.21所示）；举例：信息发射速率为1000Baud，载波频率为2000Hz，试画出MSK已调调制信号波形及相位轨迹图。MSK已调信号波形和相位轨迹图如图3.21所示。图3.21MSK已调信号和相位轨迹图Ⅲ.MSK功率谱更加紧凑，主瓣所占的频带宽度比BPSK信号窄（比QPSK信号宽），在主瓣之外，功率谱旁瓣的下降也更加迅速（比BPSK和QPSK都快），所以适合于窄带信道中传输，另外，由于占用带宽窄，故MSK抗干扰性能优于BPSK。3.5.2高斯滤波最小频移键控（GMSK）在MSK调制器前端加一个高斯滤波器就构成了GMSK调制，双极性NRZ矩形脉冲序列经高斯低通滤波器后，其信号波形得到平滑，再经过MSK调制，则MSK输出的相位路径就由折线变得平滑，其功率谱旁瓣衰减更快。1.高斯滤波器的性能

GMSK的原理图如图3.22所示。图3.22GMSK原理图或采用直接FM构成的GMSK发射机的框图如图3.23所示。将不归零信息比特流通过高斯低通滤波器，其后送入调制指数为1/2的频率调制（FM）器，FM调制器的输出信号就是GMSK已调制信号。图3.23GMSK发射机框图用于脉冲成型的滤波器可分为两大类，一类是升余弦滤波器，另一类是高斯滤波器。这两种滤波器是有区别的，升余弦滤波器是符合奈奎斯特法则的，它能消除ISI（PSK、QSK中应用），而高斯滤波器不符合奈奎斯特法则，会引起ISI。在GMSK中，高斯低通滤波器必须满足下列要求：带宽窄，具有尖锐的过滤带；（目的：抑制高频分量）具有较低的峰突冲激响应；（目的：防止瞬时频率偏移过大）能保持输出脉冲的面积。（目的：利于进行相干检测）2.高斯滤波器的设计高斯滤波器的冲激响应由下式给出

(3.19)传递函数为

(3.20)参数与高斯滤波器的3dB带宽有关，即：

(3.21)式中，对码元速率归一化的值称为归一化3dB带宽，它是高斯滤波器的重要参数。·

高斯滤波器对单个宽度为的矩形脉冲响应为：

（3.22）这就是GMSK信号的基带波形。式中（3.23）归一化3dB带宽的值还会影响基带波形g(t)的形状，如图3.24所示，也就影响到已调制信号相位变化的规律和信号频谱特性。图3.24GMSK信号的基带波形3.GMSK信号的功率谱图3.25GMSK信号的功率谱4.GMSK的优点恒包络；旁瓣衰减快，频谱效率高；适合非线性放大。3.6扩频调制技术3.6.1扩频调制技术概述

1．扩展频谱的概念·

扩展频谱（SS，SpreadSpectrum。简称扩频）技术：一般是指用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。

扩频的作用：在发端扩展信号频谱、在收端解扩后恢复所传信息。这一处理过程使得接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善，从而提高了系统的抗干扰能力。目前，最基本的展宽频谱的方法有两种：（1）直接序列扩频，简称直接扩频（DS），这种方法采用比特率非常高的数字编码的随机序列去调制载波，使信号带宽远大于原始信号带宽。（2）跳频扩频，简称跳频（FH），这种方法则是用较低速率编码序列的指令去控制载波的中心频率，使其离散地在一个给定频带内跳变，形成一个宽带的离散频率谱。扩展频谱的主要优点①抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力；②可检性低，（LPI，LowProbabilityofIntercept），不容易被侦破；③具有多址能力，易于实现码分多址（CDMA）技术；④可抗多径干扰。⑤可抗频率选择性衰落；⑥频谱利用率高，容量大（可有效利用纠错技术、正交波形编码技术、语音激活技术等）；⑦具有测距能力。扩展频谱的应用①卫星通信（多址，抗干扰，便于保密，降低平均功率谱密度）。②移动通信（多址，抗干扰，便于保密，抗多径，提高频谱利用率）。

③无线本地环路。④GPS（选址，抗干扰，保密，测距）。⑤测试仪，干扰仪测时延，无码测试仪等。3.6.2PN码序列

·伪随机序列或伪噪声序列（PN）是一种自相关的二进制序列，在一段周期内其自相似性类似于伪随机二进制序列。

·伪随机码具有近似于随机信号或白噪声的性能。但是，真正的随机信号或白噪声是不能重复再现和产生的。只能产生一种周期性的脉冲信号(即码序列)来逼近它的性能，故称其为伪随机码或PN码。在直接序列扩频任意选址的通信系统当中，对PN码有如下要求：1）N码的比特率应能够满足扩频带宽的需要。2）PN码的自相关性要大，且互相关性要小。3）PN码的应具有近似噪声的频谱性质，即接近连续谱，且均匀分布。3.6.3直接序列扩频·

直接序列扩