1、衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術(shù),陳振國 楊鴻文 郭文彬 編著 北京郵電大學(xué)出版社,第5章 信號(hào)傳輸與處理技術(shù),5.1.信源技術(shù) 5.2.數(shù)字信號(hào)調(diào)制 5.3.信道編碼 5.4.差錯(cuò)控制,本節(jié)將簡要回顧數(shù)字通信中信號(hào)處理的信源處理技術(shù)、信號(hào)調(diào)制技術(shù)和信道編碼技術(shù)，最后介紹信道差錯(cuò)控制技術(shù)。,5.1 信源技術(shù),信源處理主要包括對信源的數(shù)字化、信源編碼，信源編碼的目的是為了盡量減小信源的冗余度,5.1.1 信源及其編碼,1、語音信號(hào)及其編碼 話音信號(hào)的處理包括抽樣、量化、編碼。 語音編碼可以分成兩大類，一類是波形編碼，另一類是參量編碼，即聲碼器。,1、語音信號(hào)及其編碼,語音質(zhì)量 波形編碼 LPC聲碼器 LPC聲

2、碼器的改進(jìn) 音樂信號(hào),2、靜止圖象信號(hào),一幅數(shù)字圖象可以看成是一個(gè)象素序列。當(dāng)圖象是黑白時(shí)，每個(gè)象素的值只用灰度值表示就可以了，而當(dāng)圖象是彩色時(shí)，每個(gè)象素必須用三個(gè)值表示，通常為象素的RGB或YUV值。,JPEG系統(tǒng)算法,通過離散余弦變換減少圖象數(shù)據(jù)的相關(guān)性。 利用人眼視覺特性對系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)量化。 對每個(gè)子塊量化后的系數(shù)矩陣進(jìn)行Z形掃描，將系數(shù)矩陣變換成“符號(hào)”序列。 用Huffman變長編碼對“符號(hào)”序列進(jìn)行熵編碼。,JPEG處理框圖,3.電視信號(hào),電視信號(hào)包括兩部分：視頻信號(hào)和音頻信號(hào)。,(1)彩色電視信號(hào),視頻信號(hào)可以看成是圖象序列。,電視信號(hào)的功率譜密度,(2)視頻編碼技術(shù),視頻編碼

3、的主要目的是在保證一定重構(gòu)質(zhì)量的前提下，以盡量少的比特?cái)?shù)來表征視頻信息。,MEPG2視頻編碼框圖,預(yù)測編碼的原理,5.1.2 多媒體信號(hào),多媒體信號(hào)集中了文字、語音、視頻、圖象等多種媒體數(shù)據(jù)信息。 多媒體的關(guān)鍵特性在于信息載體的多樣性、交互性和集成性。,5.1.3 數(shù)據(jù)信號(hào)及壓縮技術(shù),Huffman編碼 游程編碼（RLE） Lampel-Ziv-Welch編碼（LZW）,5.2 數(shù)字信號(hào)調(diào)制,數(shù)字信號(hào)的調(diào)制可分為幅度、相位、頻率調(diào)制，在調(diào)制過程中，由于信道的帶寬限制，還需要將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)濾波，以限制調(diào)制后信號(hào)的帶寬。,衛(wèi)星通信系統(tǒng)框圖,對調(diào)制方式的要求,要求調(diào)制后的信號(hào)波形具有恒包絡(luò)特性。

4、 調(diào)制技術(shù)最好具有高的功率有效性和頻譜效率，即具有較好的抗干擾能力和頻帶利用率。,5.2.1 相位調(diào)制,相位調(diào)制信號(hào)是用基帶信號(hào)去調(diào)制載波的相位而形成的調(diào)制信號(hào)，相位調(diào)制信號(hào)具有恒包絡(luò)的特點(diǎn)。 衛(wèi)星通信中常用的相位調(diào)制包括：BPSK、QPSK、OQPSK、/4-QPSK。,在單個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)，相位調(diào)制信號(hào)可以表示成如下,BPSK、QPSK、8PSK星座圖,1.二進(jìn)制調(diào)相信號(hào),BPSK信號(hào)將二進(jìn)制符號(hào)0、1分別對應(yīng)載波的0、相位，可以表示成：,對于 為矩形的情況，即基帶信號(hào)為雙極性NRZ碼時(shí)，BPSK信號(hào)的功率譜密度為,BPSK信號(hào)的相干解調(diào),2.四進(jìn)制調(diào)相信號(hào),QPSK信號(hào)可表示成：,QPSK調(diào)

5、制與解調(diào)框圖,3.偏移QPSK信號(hào),OQPSK信號(hào)調(diào)制,4. /4-DQPSK信號(hào),/4-DQPSK 調(diào)制采用相差為/4的兩個(gè)QPSK星座映射，其調(diào)制符號(hào)前后相差最多為3/4。目,(1)/4-DQPSK信號(hào)及調(diào)制,/4-DQPSK信號(hào)調(diào)制,/4-DQPSK星座圖,為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，在/4-DQPSK同相和正交支路中分別加入一個(gè)具有線性相位特性和平方根升余弦幅頻特性的低通濾波器,/4-DQPSK信號(hào)可以寫成如下形式：,(2)/4-DQPSK信號(hào)的解調(diào),/4-DQPSK差分解調(diào),5.2.2 頻率調(diào)制,1. 多載波調(diào)制 設(shè)中心頻率為 ，帶寬為W的信道采用N個(gè)子載波的OFDM技術(shù)，每個(gè)子載波

6、占用帶寬 ，每個(gè)子載波上的符號(hào)速率為 ，碼元間隔 ，其中 ，則子載波,設(shè) 時(shí)間內(nèi)各子載波上傳輸?shù)姆?hào)為 ， 是復(fù)包絡(luò)信號(hào)，則OFDM信號(hào)可以表示成：,等效基帶信號(hào)為,用DFT實(shí)現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)框圖,2.連續(xù)相位頻移鍵控,CPFSK信號(hào)可以寫成如下形式：,3.最小移頻鍵控,MSK信號(hào)可以寫成如下形式,MSK信號(hào)的相位路徑,MSK信號(hào)也可以表示成正交調(diào)制形式，即,MSK正交調(diào)制法,MSK正交解調(diào)法,4. GMSK信號(hào),GMSK調(diào)制,預(yù)調(diào)制濾波器必須具備以下特點(diǎn),帶寬窄且具有陡峭的截止特性； 沖激響應(yīng)的過沖?。?濾波器輸出脈沖面積為一常量，該常量對應(yīng)的一個(gè)碼元內(nèi)載波相移為。,GMSK中采用的預(yù)濾波器

7、為高斯低通濾波器，其沖激響應(yīng)為：,5.2.3 各種調(diào)制的性能及功率譜,QPSK等信號(hào)雖然具有窄的主瓣帶寬，但帶外衰減慢，而MSK具有較快的帶外衰減，GMSK的帶外衰減就更快了。,調(diào)制信號(hào)功率譜密度,5.3 信道編碼,信道編碼一般可以分成兩大類，即分組碼和卷積碼。,5.3.1. 基本知識(shí),域 有限域GF 有限域上的多項(xiàng)式,5.3.2 線性分組碼,一、線性分組碼的概念及性質(zhì) 若碼字 ， ， ，滿足線性條件 則稱該（n，k）碼為線性分組碼。,二、線性分組碼的譯碼,當(dāng)信道傳輸出現(xiàn)差錯(cuò)后，則接收到的碼字 ，接收端通過校驗(yàn)矩陣進(jìn)行校驗(yàn)運(yùn)算，即 ，S稱為校驗(yàn)子， 只與差錯(cuò)向量E有關(guān)，因此可以通過校驗(yàn)子S的值

8、來檢驗(yàn)傳輸是否出現(xiàn)差錯(cuò)或?qū)Σ铄e(cuò)進(jìn)行糾正。,三、漢明碼及其設(shè)計(jì),漢明碼是一類能糾正一個(gè)傳輸錯(cuò)誤的線性分組碼，若校驗(yàn)子的列數(shù)為n-k，則校驗(yàn)子可以對應(yīng)錯(cuò)誤向量E的 種情況，錯(cuò)誤向量E中為1的位置表示傳輸出現(xiàn)差錯(cuò)。,四、碼距及其與糾錯(cuò)、檢錯(cuò)能力的關(guān)系,設(shè) 為輸入碼字空間， 為輸出碼字空間，（n，k）編碼規(guī)則：IC為一一映射。若 ， 表示碼字 第k個(gè)比特的值。,定義1、碼字間的漢明距,定義2、碼字的碼重 碼字中的比特1的個(gè)數(shù),定義3、最小碼距 碼空間中任意兩個(gè)碼字間最小的漢明距。即,檢測e個(gè)錯(cuò)誤的最小碼距,糾t個(gè)錯(cuò)誤的最小碼距,糾t個(gè)檢e的最小碼距,5.3.3 循環(huán)碼,循環(huán)碼是一類特殊的線性分組碼，它

9、的特點(diǎn)是具有循環(huán)性，即任何許用碼字的循環(huán)移位仍然是一個(gè)許用碼字。,一、循環(huán)碼的結(jié)構(gòu),碼字 的碼多項(xiàng)式如下：,碼字 的循環(huán)移位i計(jì)為,則,定理一,GF（2）上的循環(huán)碼（n，k）具有唯一的生成多項(xiàng)式 ，且 為該循環(huán)碼中最低冪次的碼字多項(xiàng)式，循環(huán)碼中的其他碼字可以表示成 。,定理二,（n，k）循環(huán)碼的生成多項(xiàng)式 是多項(xiàng)式 的因子，且冪次為n-k。,二、循環(huán)碼的生成矩陣與監(jiān)督矩陣,非系統(tǒng)碼的生成矩陣 系統(tǒng)碼的生成矩陣,三、循環(huán)碼的編碼和譯碼,1.系統(tǒng)循環(huán)碼的編碼器 系統(tǒng)循環(huán)碼最容易實(shí)現(xiàn)的方式是將信息碼多項(xiàng)式升n-k次冪后除以生成多項(xiàng)式，然后將所得余式置于升冪后的信息多項(xiàng)式后。,2.循環(huán)碼的譯碼,用于糾

10、錯(cuò)目的的循環(huán)碼譯碼器原理 用于檢錯(cuò)目的，然后用ARQ方式的循環(huán)碼的原理,BCH碼,BCH碼是一種特殊的循環(huán)碼，其特點(diǎn)是能夠根據(jù)所需要的糾錯(cuò)能力構(gòu)造循環(huán)碼。,一、BCH碼的生成多項(xiàng)式,BCH碼的生成多項(xiàng)式 ,若含有以下 個(gè)連續(xù)根： 則由 生成的（n, k）循環(huán)碼稱為BCH碼。,通常，若 含有一個(gè)本原多項(xiàng)式，則碼長為 ，我們稱這類BCH碼為本原BCH碼；若碼長為 的因子，則該碼稱為非本原BCH碼。,二、BCH譯碼,BCH的譯碼可以按照下面的步驟進(jìn)行： 根據(jù)接收到的r(x)計(jì)算校驗(yàn)子 由校驗(yàn)子確定出錯(cuò)誤圖樣E。 根據(jù)錯(cuò)誤圖樣E，得到譯碼結(jié)果C=R-E,RS碼,RS碼實(shí)際上也是循環(huán)碼，但RS碼是定義在

11、非二進(jìn)制域上的循環(huán)碼，RS碼是定義在多進(jìn)制域上的BCH碼。,RS碼的生成多項(xiàng)式,5.3.4 卷積碼,卷積碼的糾錯(cuò)性能隨N的增加而增大，而差錯(cuò)率隨N的增加而指數(shù)下降。在編碼器復(fù)雜性相同的情況下，卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。,1.卷積碼的結(jié)構(gòu)和描述,卷積碼結(jié)構(gòu)示意圖,卷積碼的描述,描述卷積碼的方法有兩類：圖解法和解析表示。圖解法包括：樹圖、狀態(tài)圖、網(wǎng)格圖。解析法包括：矩陣形式、生成多項(xiàng)式形式。,（7，5）卷積碼結(jié)構(gòu),（7，5）卷積碼樹圖,（7，5）卷積碼狀態(tài)圖,（7，5）卷積碼網(wǎng)格圖,生成多項(xiàng)式表示,定義 ， ，則上述結(jié)構(gòu)為 ， ，這里用8進(jìn)制表示,定義,設(shè)輸入信息 的多項(xiàng)式為 ，則可以得到輸出 最終

12、輸出是 的相同次數(shù)項(xiàng)的排列。,2.卷積碼的傳輸函數(shù),卷積碼也是線性碼，輸出碼的最小碼重決定了卷積碼的最小碼距。計(jì)算卷積碼的碼距特性可以通過考察卷積碼的傳輸函數(shù)來得到，并且通過傳輸函數(shù)還可以估計(jì)卷積碼的性能。,（7，5）卷積碼狀態(tài)圖,（7，5）卷積碼流圖,令 表示a狀態(tài)下的狀態(tài)值，則,由上解得,系統(tǒng)傳輸函數(shù)為,3 .卷積碼的譯碼及其性能,代數(shù)譯碼：根據(jù)卷積碼的本身編碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行譯碼，譯碼時(shí)不考慮信道的統(tǒng)計(jì)特性。 概率譯碼：這種譯碼在計(jì)算時(shí)要考慮信道的統(tǒng)計(jì)特性。,1.概率譯碼的思路,最大似然序列譯碼 硬判決 軟判決,2.Viterbi譯碼算法,設(shè)卷積碼的狀態(tài)數(shù)為，在時(shí)刻k各狀態(tài)的計(jì)算如下：,3.卷積

13、碼的性能,如果譯碼出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，卷積譯碼器輸出錯(cuò)誤序列，當(dāng)采用2PSK時(shí)，卷積碼的性能界可以由下式計(jì)算：,5.3.5. 級聯(lián)碼,根據(jù)香農(nóng)信道編碼定理，任何小于信道容量的數(shù)字通信，總可以找到一種編碼方法，達(dá)到任意小誤碼的通信。,1.Turbo碼,Turbo碼是并行的級聯(lián)碼，通過交織器將兩個(gè)并行的卷積碼支路聯(lián)合起來。,Turbo碼編碼器(7,5),urbo碼譯碼器,2. 串行級聯(lián)碼,串行級聯(lián)碼編碼器結(jié)構(gòu),串行級聯(lián)碼譯碼器結(jié)構(gòu),5.3.6.編碼調(diào)制,1.TCM 格形編碼調(diào)制（TCM）是結(jié)合多進(jìn)制調(diào)制與卷積編碼的一種方法，它最早由Ungerboeck171819提出，目前作為ITU的標(biāo)準(zhǔn)，已廣泛應(yīng)用于Modem的傳輸，,一、TCM編碼,TCM編碼示意圖,8PSK星座劃分,TCM編碼器基本結(jié)構(gòu),2/3卷積碼格圖,2/3卷積碼結(jié)構(gòu),二、 Turbo碼級聯(lián)高階調(diào)制,目前，結(jié)合Turbo碼和高階調(diào)制的方法有如下兩種：一種是Robertson提出的基于TCM結(jié)構(gòu)形式的TTCM；另一種是PT-TCM結(jié)構(gòu)。,TTCM結(jié)構(gòu),5.4. 差錯(cuò)控制,5.4.1純ARQ（Pure ARQ） 為了適應(yīng)不同的應(yīng)用，純ARQ方式也有多種形式，主要有等待重發(fā)方式、回溯N重發(fā)方式、選擇重發(fā)方式。,一、 等待重發(fā)方式,等待重發(fā)ARQ方式,等待重發(fā)ARQ