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第7章線(xiàn)路編碼和信道編碼第6章我們討論了數(shù)字調(diào)制和解調(diào)。本章將討論線(xiàn)路編碼和提高通信系統(tǒng)可靠性的主要方法信道編碼。線(xiàn)路編碼和信道編碼在擴(kuò)頻發(fā)射設(shè)備中的位置如圖所示。,7.1線(xiàn)路編碼7.1.1基帶信號(hào)含有直流和豐富低頻成分的信號(hào)就是基帶信號(hào)(BasebandSignal),其較大的功率譜密度分量集中在直流附近的頻帶內(nèi)。所有的脈沖信號(hào)序列都可以說(shuō)是基帶信號(hào)。例如,傳感器輸出的脈沖信號(hào)、PCM數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)、傳輸線(xiàn)路中的脈沖信號(hào)序列等。,與基帶信號(hào)相對(duì)應(yīng)的是頻帶信號(hào)。用基帶信號(hào)對(duì)余弦載波信號(hào)的幅度、頻率和相位進(jìn)行調(diào)制就得到數(shù)字調(diào)制信號(hào)。數(shù)字調(diào)制信號(hào)是頻帶信號(hào),其功率譜密度與基帶信號(hào)的相同,對(duì)稱(chēng)分布在載波頻率的兩側(cè)?;鶐盘?hào)又可以分為基帶原碼(BasebandSourceCode)和線(xiàn)路碼(LineCode)。1、基帶原碼基帶原碼是由數(shù)字信號(hào)源輸出的原始脈沖信號(hào)序列。例如,傳感器輸出的脈沖信號(hào)、PCM信號(hào)和波形與參數(shù)混合編碼器等A/D轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)?;鶐гa常見(jiàn)碼型如下圖。,基帶原碼的常見(jiàn)碼型,幾種基帶原碼的功率譜密度,2、線(xiàn)路碼由于數(shù)字基帶原碼含有直流和豐富的低頻成分,以及0碼和1碼出現(xiàn)概率不均衡等缺點(diǎn),所以在它們進(jìn)入數(shù)字通信系統(tǒng)之前需要將其轉(zhuǎn)換成適合在線(xiàn)路上傳輸?shù)木€(xiàn)路碼或傳輸碼(TransmissionCode)。這種碼型轉(zhuǎn)換過(guò)程就是線(xiàn)路編碼,有些文獻(xiàn)將線(xiàn)路編碼歸入信源編碼模塊。,對(duì)線(xiàn)路碼碼型的要求如下:頻譜中沒(méi)有直流分量和只有很少的低頻分量。碼流中“1”和“0”的出現(xiàn)概率相同,各占50%,與它們?cè)谛旁粗谐霈F(xiàn)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律無(wú)關(guān)。碼流含有定時(shí)信息。碼流含有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)信息。碼元攜帶的信息量大,頻帶利用率高。線(xiàn)路編譯碼方法簡(jiǎn)單。,現(xiàn)有線(xiàn)路碼超過(guò)100種,ITU規(guī)定了20多種可用,常用的有以下幾種。,返回,兩種線(xiàn)路碼的功率譜密度,7.1.2線(xiàn)路編碼1、差分碼對(duì)于用電位高低來(lái)表示0和1的絕對(duì)電位碼來(lái)說(shuō),當(dāng)收發(fā)端的極性顛倒時(shí),收端判定的碼流序列將與發(fā)端的完全相反。差分碼又叫相對(duì)碼。與絕對(duì)碼不同,差分碼是用脈沖電位的跳變來(lái)表示1,脈沖電位保持不變表示0。即使收發(fā)端的極性搞顛倒,收端判定的碼流序列也將與發(fā)端的完全一樣。用線(xiàn)路編碼器產(chǎn)生差分碼時(shí),必須預(yù)先給定一位前置碼,如圖中虛線(xiàn)所示。前置位的電位高低不同,碼型取反,但是譯碼結(jié)果相同。差分碼的頻譜與變換前的基帶原碼一樣。,線(xiàn)路碼,2、雙相碼雙相碼又叫分相碼、雙流碼、裂相碼或曼徹斯特(Manchester)碼。它把一位原碼轉(zhuǎn)換成兩位,方法是:1變成01,0變成10。雙向碼的特點(diǎn)是:每個(gè)碼元正負(fù)平衡,無(wú)直流分量;每個(gè)碼元中部電位跳變,便于提取定時(shí)信號(hào);頻譜的第一個(gè)零點(diǎn)在2/T處,信號(hào)帶寬較原碼增加一倍;便于誤碼自檢。,線(xiàn)路碼,3、AMI碼AMI碼的全稱(chēng)是傳號(hào)交替翻轉(zhuǎn)碼,也有文獻(xiàn)稱(chēng)之為雙極性碼。AMI碼的脈沖序列有三個(gè)電位:正電位、零電位和負(fù)電位。它維持原碼中表示0的零電位不變,將表示1的電位在正電位與負(fù)電位之間交替變化??梢詫?duì)單極性歸零碼進(jìn)行變換得到AMI碼。AMI碼的頻譜有突出的優(yōu)點(diǎn):無(wú)直流分量,對(duì)單極性歸零碼的頻譜特性有所改善,頻譜帶寬比雙相碼小。但是,AMI碼的頻譜中無(wú)1/T定時(shí)頻率,在提取位定時(shí)信號(hào)時(shí)需要進(jìn)行非線(xiàn)性變換。不過(guò),當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)的連續(xù)0時(shí),定時(shí)信號(hào)會(huì)丟失。,線(xiàn)路碼,4、三階高密度雙極性碼三階高密度雙極性碼(HBD3)不僅保留了AMI碼的所有優(yōu)點(diǎn),還可以將連0碼限制在3個(gè)以?xún)?nèi),克服了AMI碼長(zhǎng)連0不利于提取時(shí)鐘信號(hào)的缺點(diǎn)。在二進(jìn)制NRZ碼轉(zhuǎn)換成HBD3碼的編碼過(guò)程中,編碼原理與AMI碼基本一樣,不過(guò),當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)4個(gè)0時(shí),需用000V或B00V代替。其中,V碼破壞傳號(hào)正負(fù)極性交替出現(xiàn)的規(guī)律,其出現(xiàn)的位置叫做破壞點(diǎn),相鄰V碼的極性是交替出現(xiàn)的;B碼不破壞傳號(hào)正負(fù)極性交替出現(xiàn)的規(guī)律,其出現(xiàn)的位置叫做非破壞點(diǎn)。HBD3的優(yōu)點(diǎn)與AMI碼一樣多,但它克服了AMI碼的缺點(diǎn),HBD3在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。,Manchester碼、AMI碼和HDB3碼的編碼原理,課堂練習(xí)題畫(huà)出二進(jìn)制數(shù)字序列“110000100000101000000000”的NRZ碼、Manchester碼、AMI碼和HBD3碼波形。思考題基帶信號(hào)、基帶原碼和線(xiàn)路碼之間有什么聯(lián)系和區(qū)別?,7.2信道編碼7.2.1信道編碼概述信道編碼的目的是降低數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)率,提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。信道編碼是在數(shù)字基帶信號(hào)序列中加入校驗(yàn)碼,以便解碼器利用這些校驗(yàn)碼檢測(cè)或糾正數(shù)字信號(hào)在存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)差錯(cuò)和突發(fā)差錯(cuò)。3G移動(dòng)通信采用的信道編碼是卷積碼和Turbo碼。7.2.2卷積碼卷積碼主要用于糾正數(shù)據(jù)中的隨機(jī)差錯(cuò)。現(xiàn)以(3,1)編碼器為例介紹卷積碼的編碼原理。(3,1)編碼器的碼長(zhǎng)是3bit,信息碼元只有1bit。(3,1)編碼器的原理如圖所示。,Pj1=mjmj-1mj-3Pj2=mjmj-1mj-2,從上面的例子我們可以看出,一個(gè)卷積碼組由一個(gè)信息碼元和若干監(jiān)督碼元組成,監(jiān)督碼元與前面的幾個(gè)碼元都有關(guān)系。本例中有兩個(gè)監(jiān)督碼元,監(jiān)督碼元與前面的三個(gè)信息碼元有關(guān),加入當(dāng)前信息碼元后卷積碼組與四個(gè)碼元有關(guān)。我們稱(chēng)這個(gè)卷積碼的約束長(zhǎng)度k=4。k的長(zhǎng)度與移位寄存器的長(zhǎng)度m有關(guān),等于m+1。卷積碼的傳輸碼率:碼率=信息碼元數(shù)/碼組長(zhǎng)度,7.2.3交織由于移動(dòng)通信很容易出現(xiàn)深衰落和受到強(qiáng)脈沖干擾,導(dǎo)致比特流出現(xiàn)長(zhǎng)串連續(xù)出錯(cuò)。這種連續(xù)的長(zhǎng)串差錯(cuò),往往超過(guò)系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力。如果將長(zhǎng)串的差錯(cuò)人為分散開(kāi)變成隨機(jī)的差錯(cuò),這樣就好發(fā)現(xiàn),并用糾正隨機(jī)差錯(cuò)的方法來(lái)糾正。方法:首先將輸入信號(hào)序列分成m行n列,然后按列自左至右順序輸出。,7.2.4Turbo碼將卷積碼經(jīng)過(guò)交織后就得到Turbo碼。交織編碼可以糾正數(shù)據(jù)中的突發(fā)差錯(cuò),卷積碼可以糾正數(shù)據(jù)中的隨機(jī)差錯(cuò),因此,Turbo碼既可以糾正數(shù)據(jù)中的隨機(jī)差錯(cuò),又可以糾正數(shù)據(jù)中的突發(fā)差錯(cuò)。適合對(duì)時(shí)延要求不嚴(yán)格的應(yīng)用。例如,我們可以將前面(3,1)卷積碼產(chǎn)生的碼序列111,100,010,011,101交織后生成Turbo碼。首先,將卷積碼序列分成一個(gè)35矩陣:111100010011101,然后,按照列從左到右,從上到下輸出新的碼序列:101,101,111,100,001。即使矩陣中第一行的碼元全錯(cuò),它們?cè)谛碌拇a序列里也是以隨機(jī)差錯(cuò)的形式出現(xiàn),可以用糾正隨機(jī)差錯(cuò)的辦法進(jìn)行糾正。,7.2.53G應(yīng)用的信道編碼3G的三大主流技術(shù)都采用了卷積碼和Turbo碼。Turbo碼適用于高速率、對(duì)編譯碼時(shí)延要求不嚴(yán)格的輔助數(shù)據(jù)鏈路中。卷積碼適用

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