微波与卫星通信第五章-编码与信号处理技术课件.ppt

1、 主要讲述的内容：主要讲述的内容： 信源编码与信道编码技术；信源编码与信道编码技术； 信号处理技术：数字话音内插信号处理技术：数字话音内插（DSI）技术和回波控制技术。）技术和回波控制技术。 信源编码技术信源编码技术5.1信道编码技术信道编码技术5.2信号处理技术信号处理技术5.3 所谓信源编码指首先将话音、图象等所谓信源编码指首先将话音、图象等模拟信号转换成为数字信号，然后再根据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。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，就要对话音或图象信号进行频带压

2、效率，就要对话音或图象信号进行频带压缩传输。缩传输。 5.1.1 微波与卫星通信系统对信微波与卫星通信系统对信源编码的要求源编码的要求 数字微波通信系统：采用最基本的语数字微波通信系统：采用最基本的语音编码方式为脉冲编码调制，即以奈奎斯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，将频带宽度为特抽样定理为基准，将频带宽度为（3003400Hz）的语音信号变换成为）的语音信号变换成为64kb/s的数字信号，这就是标准的的数字信号，这就是标准的PCM编编码方式。码方式。 数字卫星通信系统：由于通信卫星所数字卫星通信系统：由于通信卫星所处的环境特殊，因此在卫星系统的传输中，处的环境特殊，因此

3、在卫星系统的传输中，会受到如多径衰落、多普勒效应等因素的会受到如多径衰落、多普勒效应等因素的影响。影响。 具体要求如下：具体要求如下： 在有限的频带内，尽量提高频谱利在有限的频带内，尽量提高频谱利用率，一般数字微波通信系统的编码速率用率，一般数字微波通信系统的编码速率为为64 kb/s，数字卫星通信中的编码速率可，数字卫星通信中的编码速率可在在1664 kb/s范畴，而在卫星移动通信的范畴，而在卫星移动通信的编码速率在编码速率在1.29.6kb/s之间；之间； 在一定编码速率下，尽可能提高话在一定编码速率下，尽可能提高话音质量；音质量； 应对编解过程所用时间进行严格控应对编解过程所用时间进行严

4、格控制，因而采用编解码时延较短的方案，并制，因而采用编解码时延较短的方案，并要求限制在几十毫秒之内；要求限制在几十毫秒之内； 由于系统中的信号传输环境非常恶由于系统中的信号传输环境非常恶劣，时常会遇到雨、雾等不利气候条件的劣，时常会遇到雨、雾等不利气候条件的影响，因此要求信源编码的算法本身具有影响，因此要求信源编码的算法本身具有较好的抗误码性能，以保证话音传输质量；较好的抗误码性能，以保证话音传输质量； 不同的压缩编码方式所采用的基本不同的压缩编码方式所采用的基本算法不同，程序实现的复杂程度也不相同，算法不同，程序实现的复杂程度也不相同，应选用复杂程度适中的算法和程序，便于应选用复杂程度适中的

5、算法和程序，便于电路的集成化。电路的集成化。 5.1.2 微波与卫星通信采用的信微波与卫星通信采用的信源编码方式及特点源编码方式及特点 在数字系统中所采用的话音信号的基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、参数本编码方式包括三大类：波形编码、参数编码和混合编码。编码和混合编码。 在表在表5-1中给出一些微波与卫星系统中中给出一些微波与卫星系统中所采用的语音编码情况。所采用的语音编码情况。 信道编码是指在数据发送之前，在信信道编码是指在数据发送之前，在信息码中每隔一定的比特增加一些冗余比特息码中每隔一定的比特增加一些冗余比特以此作为监测码元或检验码元，这样当出以此作为监

6、测码元或检验码元，这样当出现误码时，可供接收端进行纠错或检出错现误码时，可供接收端进行纠错或检出错误信息，以克服传输中由干扰、衰落、噪误信息，以克服传输中由干扰、衰落、噪声等因素造成的影响。声等因素造成的影响。 5.2.1 信道编码的目的信道编码的目的 1差错控制差错控制 所谓差错控制是指当信道差错率达到所谓差错控制是指当信道差错率达到一定程度时，必须采取的用以减少差错的一定程度时，必须采取的用以减少差错的措施。措施。 (1) 前向差错控制（前向差错控制（FEC） 前向差错控制又称为自动纠错，它是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情指检测端检测到所接收的信息出现

7、误码情况下，可按一定的算法，自动确定发生误况下，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。码的位置，并自动予以纠正。 (2) 检错重发（自动请求重发检错重发（自动请求重发ARQ） 检错重发也称为自动请求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），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。为止，从而达到纠错的目的。 (3) 使用使用FEC和和ARQ技术的混合方式技术的混合方式 在此种方式中，当接收端检测

8、到所接在此种方式中，当接收端检测到所接收的信息存在差错时，只对其中少量的错收的信息存在差错时，只对其中少量的错误自动进行纠正，而超过纠正能力的差错误自动进行纠正，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。仍通过反向信道发回信息要求重发此分组。 2常用的信道编码方式常用的信道编码方式 从不同的角度出发，纠错编码可有不从不同的角度出发，纠错编码可有不同的分类方法。同的分类方法。(1) 按码组的功能分：检错码、纠错按码组的功能分：检错码、纠错码。码。(2) 按码组中监督码元与信息码元之按码组中监督码元与信息码元之间的关系分：线性码、非线性码。间的关系分：线性码、非线性码。 线性码：可

9、以用一组线性代数方程联线性码：可以用一组线性代数方程联系起来，几乎所有得到实际应用的都是线系起来，几乎所有得到实际应用的都是线性码性码 非线性码：正在研究开发，实现起来非线性码：正在研究开发，实现起来困难困难(3) 按码组中监督码元与信息码元之按码组中监督码元与信息码元之间的约束关系分：分组码、卷积码。间的约束关系分：分组码、卷积码。 分组码：将每分组码：将每k个信息码元分为一组，个信息码元分为一组，然后按一定的规律产生然后按一定的规律产生r个监督码元，那么个监督码元，那么分组码的长度分组码的长度n = k+r, 通常用符号（通常用符号（n,k）表示。在分组码中，监督码元仅监督本码表示。在分组

10、码中，监督码元仅监督本码组中的信息码元。组中的信息码元。 卷积码：每组的监督码元不但与本组卷积码：每组的监督码元不但与本组码的信息码元有关，而且还与前面若干组码的信息码元有关，而且还与前面若干组信息码元有关，即不是分组监督，而是每信息码元有关，即不是分组监督，而是每个监督码元对它的前后码元都实行监督。个监督码元对它的前后码元都实行监督。 5.2.2 分组编码与交织技术分组编码与交织技术 1线性分组码线性分组码 线性分组码是指将每线性分组码是指将每k个信息码元分为个信息码元分为一组，然后按一定的规律产生一组，然后按一定的规律产生r个监督码元，个监督码元，那么分组码的长度那么分组码的长度n = k

11、+r，其中分组码的，其中分组码的监督位与信息位之间呈现线性关系，即可监督位与信息位之间呈现线性关系，即可以用一组线性方程来描述。以用一组线性方程来描述。 分组码的结构如下：分组码的结构如下：an-1，an-2，.，ar，ar-1，ar-2，.，a0 图中前面图中前面k位位(an-1，an-2，.，ar)为为信息位，信息位， 后面附加后面附加r个监督位（个监督位（ar-1，ar-2，.，a0）。）。 (n,k) (1) (7,4)分组码分组码 （7，4）分组码的码长为）分组码的码长为7个码元，其个码元，其中有中有4个码元作为信息码分别为个码元作为信息码分别为a6 a5 a4 a3，而监督码元占用

12、了三个码元而监督码元占用了三个码元a2 a1 a0。 我们知道三个码元共有我们知道三个码元共有23=8种不同的种不同的排列组合。如表排列组合。如表5-2所示（所示（S1 S2 S3称为校正称为校正子，在后面介绍）。子，在后面介绍）。 可见可以用其中的可见可以用其中的7种组合分别表示种组合分别表示7位码中出现一位差错的位置，而其余的一位码中出现一位差错的位置，而其余的一种组合（一般为种组合（一般为000）代表这）代表这7位码全部正位码全部正确。这样便确立了（确。这样便确立了（7，4）分组码的信息）分组码的信息位与其监督位之间的监督关系。位与其监督位之间的监督关系。 (2) (7,4)线性分组码的

13、监督关系线性分组码的监督关系 a6，a5，a4， a3，a2，a1，a0 由表由表5-2可知信息码与监督码之间的关可知信息码与监督码之间的关系为系为 (5-1)346035614562aaaaaaaaaaaa 其中其中 代表模代表模2加。加。 例如第一个方程例如第一个方程 (1 0 0) =(1 1 1)+ (1 1 0)+ (1 0 1) (1 1 1) (1 1 0) + (1 0 1) 1 0 0 可见每个监督码元是本码组中某些信可见每个监督码元是本码组中某些信息码的模息码的模2加之和，换句话说每个信息码元加之和，换句话说每个信息码元将受到几个监督码元的多重监督。将受到几个监督码元的多重

14、监督。 从中我们可以得出这样的结论，从中我们可以得出这样的结论，(n,k)分组码的监督位只能监督本码组中各信息分组码的监督位只能监督本码组中各信息码元，而对本码组之前以及之后的码组不码元，而对本码组之前以及之后的码组不够成监督关系。够成监督关系。 (3) 监督码的形成与检测监督码的形成与检测 例如已知一个（例如已知一个（7，4）分组码的）分组码的4个信个信息码元（息码元（a6 a5 a4 a3）= (0110), 那么根据那么根据式（式（5-1）可求出（）可求出（a2 a1 a0）=（011），），这样就构成这样就构成(7,4)分组码的一个码组（分组码的一个码组（a6 a5 a4 a3 a2

15、a1 a0）= （0110011）。）。 如果在传输过程中该码组出现单个错如果在传输过程中该码组出现单个错误，那么接收端就接到一个错误的码组，误，那么接收端就接到一个错误的码组，如接收错码为（如接收错码为（0100011）。下面的任务便）。下面的任务便是确定错误发生的位置，并予以纠正。是确定错误发生的位置，并予以纠正。 首先根据信息码与监督位之间的关系首先根据信息码与监督位之间的关系式（式（5-1），经移项后，可改写为：），经移项后，可改写为： （5-2）000034613562456aaaaaaaaaaaa 根据式（根据式（5-2）所规定的监督关系做如）所规定的监督关系做如下假设：下假设：

16、（5-3）034631356224561aaaaSaaaaSaaaaS Si (i=1,2,3)称为校正子，当式（称为校正子，当式（5-2）与式（与式（5-3）比较之后，我们可以得到这样）比较之后，我们可以得到这样的结论：的结论： 如果所接收的码组准确无误的话，则如果所接收的码组准确无误的话，则利用（利用（5-3）式计算出校正子）式计算出校正子Si (i=1,2,3) =0,反之则说明所接收的码组存在错码现象。反之则说明所接收的码组存在错码现象。 现在我们就把上面接收的一个错误码现在我们就把上面接收的一个错误码组（组（0100011）代入式（）代入式（5-3）中，由计算）中，由计算可知可知(S

17、1 S2 S3 )=（101）。）。 当与表（当与表（5-1）进行对照时便知）进行对照时便知a4出现出现差错，这样接收端就可以通过对相应错码差错，这样接收端就可以通过对相应错码位进行加位进行加1操作来纠正单个错码。由此可见操作来纠正单个错码。由此可见(7,4)分组码是一种能够纠正一位差错的码，分组码是一种能够纠正一位差错的码，因而只能用于纠正随机性差错。因而只能用于纠正随机性差错。 2交织技术交织技术 线性分组码主要是用于纠正随机错误线性分组码主要是用于纠正随机错误（单个错误）的，交织技术主要是纠正突（单个错误）的，交织技术主要是纠正突发性错误（会出现成串或成片的多个错误）发性错误（会出现成串

18、或成片的多个错误）的。的。 (1) 水平奇偶监督码水平奇偶监督码 奇偶监督码：编码规则是将所要传输奇偶监督码：编码规则是将所要传输的数据码元分组，在分组数据后面附加一的数据码元分组，在分组数据后面附加一位监督位，使得该组码连同监督位在内的位监督位，使得该组码连同监督位在内的码组中的码组中的“1”的个数为偶数（称为偶校验）的个数为偶数（称为偶校验）或奇数（称为奇校验）。或奇数（称为奇校验）。 水平奇偶监督码：一组为一行，每一水平奇偶监督码：一组为一行，每一行包含行包含10个码元，在后面加一位监督位，个码元，在后面加一位监督位，使得该组码连同监督位在内的码组中的使得该组码连同监督位在内的码组中的“

19、1”的个数为偶数。一共的个数为偶数。一共5行。传送时按列从左行。传送时按列从左至右传送。如表至右传送。如表5-4所示。所示。 只要连续误码不超过只要连续误码不超过5个，则可将这些个，则可将这些连续误码分散到每一行，并且每一个行中连续误码分散到每一行，并且每一个行中最多出现一位码差错。但是不能确定差错最多出现一位码差错。但是不能确定差错的具体位置，即不能纠错。的具体位置，即不能纠错。 (2) 交织原理交织原理 一组为一行，每一行是已编码的码字，一组为一行，每一行是已编码的码字，例如是以线性分组码的规律构成的例如是以线性分组码的规律构成的n,k分分组码，一共组码，一共m行。如图行。如图5-1所示，

20、共所示，共m行行n列。列。写入时，按从左至右，从上至下一行行写写入时，按从左至右，从上至下一行行写入。读出时，按从上至下，从左至右一列入。读出时，按从上至下，从左至右一列列读出。列读出。 在接收端则以每在接收端则以每m比特构成一列，按比特构成一列，按从上至下，从左至右一列列读出到矩阵。从上至下，从左至右一列列读出到矩阵。可见当收到可见当收到m*n个比特时，便可构成如图个比特时，便可构成如图5-1格式相同的矩阵。格式相同的矩阵。 然后对每一行按已知编码规律进行差然后对每一行按已知编码规律进行差错检测。如果已知每一行是采用错检测。如果已知每一行是采用(n,k)分组分组码来进行纠错编码的话，那么传输

21、过程中码来进行纠错编码的话，那么传输过程中连续连续m*b个比特出现误码时，由于是按列个比特出现误码时，由于是按列传送的，因此突发性误码便被分散到传送的，因此突发性误码便被分散到m行，行，每行包括每行包括b个错码。个错码。 若此时若此时(n,k)分组码具有纠正分组码具有纠正b个错误的个错误的能力，那么接收端恢复出的数据就与发射能力，那么接收端恢复出的数据就与发射端所发射的数据相同。端所发射的数据相同。 如何提高卫星系统通信容量和传输性如何提高卫星系统通信容量和传输性能，这是人们普遍关注的重要问题。正是能，这是人们普遍关注的重要问题。正是由于近年来大规模集成电路的迅速发展，由于近年来大规模集成电路

22、的迅速发展，使得信号处理技术在卫星通信领域取得巨使得信号处理技术在卫星通信领域取得巨大的进展。大的进展。 例如在例如在TDM卫星移动通信系统中，采卫星移动通信系统中，采用了数字话音内插（用了数字话音内插（DSI）技术，从而大）技术，从而大大地扩大了通信容量。大地扩大了通信容量。 又如在具有长延时的卫星线路中的在又如在具有长延时的卫星线路中的在基带线路中采用接入回波抑制器或回波抵基带线路中采用接入回波抑制器或回波抵消器的方法，来消弱或抵消回波的影响。消器的方法，来消弱或抵消回波的影响。本节仅就数字话音内插（本节仅就数字话音内插（DSI）技术和回）技术和回波控制技术进行介绍。波控制技术进行介绍。

23、5.3.1 数字话音内插技术数字话音内插技术 1话音内插话音内插 由于在两个人通过线路进行双工通话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。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。号，而另一方向的线路则处于收听状态。这样就某一方向的话路而言，也只有一部这样就某一方向的话路而言，也只有一部分的时间处于讲话状态。分的时间处于讲话状态。 而其他时间是处于收听状态。根据统而其他时间是处于收听状态。根据统计分析资料显示，一个单方向话路实际传计分析资料显示，一个单方向话路实际传送话音的平均时

24、间百分比，即平均话音激送话音的平均时间百分比，即平均话音激活率，通常只有活率，通常只有40%左右。左右。 因而可以设想如果采用一定的技术手因而可以设想如果采用一定的技术手段，仅仅在讲话时间段为通话者提供讲话段，仅仅在讲话时间段为通话者提供讲话话路，这样在其空闲时间段可以将话路分话路，这样在其空闲时间段可以将话路分配给其他用户，这种技术就叫做配给其他用户，这种技术就叫做“话音内话音内插插”，也称为话音激活技术，它特别适用，也称为话音激活技术，它特别适用于大容量数字化话音系统中。于大容量数字化话音系统中。 2数字话音内插数字话音内插 通常所使用的数字话音内插（通常所使用的数字话音内插（DSI）技术

25、包括时分话音内插（技术包括时分话音内插（TASI）和话音预）和话音预测编码（测编码（SPEC）两种方式。）两种方式。 5.3.2回波控制回波控制 1回波产生的原因回波产生的原因 由于在与地球站相连接的由于在与地球站相连接的PSTN用户的用户的用户线上是采用二线制，即在一对线路上用户线上是采用二线制，即在一对线路上传输两个方向的信号。传输两个方向的信号。 因而当因而当PSTN电话端的二电话端的二/四线耦合电四线耦合电路（混合线圈）处于不平衡（地球站与卫路（混合线圈）处于不平衡（地球站与卫星之间的接收和发送分两条线路（上行和星之间的接收和发送分两条线路（上行和下行线路）进行，故称为四线）时。下行线

26、路）进行，故称为四线）时。 卫星终端发送给卫星终端发送给PSTN用户的话音会有用户的话音会有一些经混合线圈泄漏回发话的卫星终端，一些经混合线圈泄漏回发话的卫星终端，这样一个泄漏信号就是回波。这样一个泄漏信号就是回波。 由于卫星系统中，信号传输时延较长，由于卫星系统中，信号传输时延较长，因而卫星终端发出的话音和收到的对方泄因而卫星终端发出的话音和收到的对方泄漏话音的时延也较长，这除了使得在电话漏话音的时延也较长，这除了使得在电话线路中的双方通话时会感到不自然，更重线路中的双方通话时会感到不自然，更重要的是还会出现严重的回波干扰。要的是还会出现严重的回波干扰。 2回波控制措施回波控制措施 为了抑制回波干扰的影响，因而在话为了抑制回波干扰的影响，因而在话音线路中接入一定的电路，这样在不影响音线路中接入一定的电路，这样在不影响话音信号正常传输的条件下，将回波消弱话音信号正常传输的条件下，将回波消弱或者抵消。或者抵消。 图图5-18是一个回波抵消器的原理图，是一个回波抵消器的原理图，它用一个横向滤波器来模拟混合线圈，使它用一个横向滤波器来模拟混合线圈，使其输出与接收到的话音信号的泄漏相抵消，其输出与接收到的话音信号的泄漏相抵消，以此防止回波的产生，而且此时对发送与以此防止回波的产生，而且此时对发送与接收通道并没有引入任何附加的损耗。接收通道并没有引入任何附加的损耗。