編碼與信號處理技術實用教案

1、 主要講述的內容(nirng)： 信源編碼與信道編碼技術； 信號處理技術：數(shù)字話音內插（DSI）技術和回波控制技術。第1頁/共75頁第一頁，共76頁。 信源編碼技術信源編碼技術5.1信道編碼技術信道編碼技術5.2信號處理技術信號處理技術5.3第2頁/共75頁第二頁，共76頁。5.1 信源編碼(bin m)技術 所謂信源編碼指首先(shuxin)將話音、圖象等模擬信號轉換成為數(shù)字信號，然后再根據(jù)傳輸信息的性質，采用適當?shù)木幋a方法。為了降低系統(tǒng)的傳輸速率，提高通信系統(tǒng)效率，就要對話音或圖象信號進行頻帶壓縮傳輸。第3頁/共75頁第三頁，共76頁。 5.1.1 微波與衛(wèi)星通信系統(tǒng)對信源編碼的要求 數(shù)字

2、微波通信系統(tǒng)：采用最基本( jbn)的語音編碼方式為脈沖編碼調制，即以奈奎斯特抽樣定理為基準，將頻帶寬度為（3003400Hz）的語音信號變換成為64kb/s的數(shù)字信號，這就是標準的PCM編碼方式。第4頁/共75頁第四頁，共76頁。 數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)：由于通信衛(wèi)星所處的環(huán)境特殊，因此在衛(wèi)星系統(tǒng)的傳輸(chun sh)中，會受到如多徑衰落、多普勒效應等因素的影響。第5頁/共75頁第五頁，共76頁。 具體要求如下： 在有限的頻帶內，盡量提高頻譜利用率，一般數(shù)字微波通信系統(tǒng)的編碼(bin m)速率為64 kb/s，數(shù)字衛(wèi)星通信中的編碼(bin m)速率可在1664 kb/s范疇，而在衛(wèi)星移動通信的編

3、碼(bin m)速率在之間；第6頁/共75頁第六頁，共76頁。 在一定(ydng)編碼速率下，盡可能提高話音質量；第7頁/共75頁第七頁，共76頁。 應對編解過程所用時間(shjin)進行嚴格控制，因而采用編解碼時延較短的方案，并要求限制在幾十毫秒之內；第8頁/共75頁第八頁，共76頁。 由于系統(tǒng)(xtng)中的信號傳輸環(huán)境非常惡劣，時常會遇到雨、霧等不利氣候條件的影響，因此要求信源編碼的算法本身具有較好的抗誤碼性能，以保證話音傳輸質量；第9頁/共75頁第九頁，共76頁。 不同的壓縮編碼方式所采用的基本算法不同，程序實現(xiàn)的復雜程度也不相同(xin tn)，應選用復雜程度適中的算法和程序，便于電

4、路的集成化。第10頁/共75頁第十頁，共76頁。 5.1.2 微波(wib)與衛(wèi)星通信采用的信源編碼方式及特點 在數(shù)字系統(tǒng)中所采用的話音信號的基本編碼方式包括三大類：波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼。第11頁/共75頁第十一頁，共76頁。 第12頁/共75頁第十二頁，共76頁。 第13頁/共75頁第十三頁，共76頁。 在表5-1中給出一些微波與衛(wèi)星系統(tǒng)(xtng)中所采用的語音編碼情況。第14頁/共75頁第十四頁，共76頁。5.2 信道編碼技術(jsh) 信道編碼是指在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，在信息碼中每隔一定(ydng)的比特增加一些冗余比特以此作為監(jiān)測碼元或檢驗碼元，這樣當出現(xiàn)誤碼時，可供接收端進行糾錯

5、或檢出錯誤信息，以克服傳輸中由干擾、衰落、噪聲等因素造成的影響。第15頁/共75頁第十五頁，共76頁。 5.2.1 信道編碼的目的 1差錯控制 所謂(suwi)差錯控制是指當信道差錯率達到一定程度時，必須采取的用以減少差錯的措施。第16頁/共75頁第十六頁，共76頁。 第17頁/共75頁第十七頁，共76頁。 (1) 前向差錯控制（FEC） 前向差錯控制又稱為自動糾錯，它是指檢測端檢測到所接收的信息出現(xiàn)(chxin)誤碼情況下，可按一定的算法，自動確定發(fā)生誤碼的位置，并自動予以糾正。第18頁/共75頁第十八頁，共76頁。 第19頁/共75頁第十九頁，共76頁。 (2) 檢錯重發(fā)（自動請求重發(fā)AR

6、Q） 檢錯重發(fā)也稱為自動請求重發(fā)（ARQ），它是指在接收端檢測到接收信息出現(xiàn)差錯之后，通過反饋信道要求發(fā)送端重發(fā)原信息，直到接收端得到正確(zhngqu)信息為止，從而達到糾錯的目的。第20頁/共75頁第二十頁，共76頁。 第21頁/共75頁第二十一頁，共76頁。 (3) 使用FEC和ARQ技術的混合方式 在此種方式中，當接收端檢測到所接收的信息(xnx)存在差錯時，只對其中少量的錯誤自動進行糾正，而超過糾正能力的差錯仍通過反向信道發(fā)回信息(xnx)要求重發(fā)此分組。第22頁/共75頁第二十二頁，共76頁。 第23頁/共75頁第二十三頁，共76頁。 2常用的信道編碼方式 從不同的角度出發(fā)(chf

7、)，糾錯編碼可有不同的分類方法。第24頁/共75頁第二十四頁，共76頁。 (1) 按碼組的功能分：檢錯碼、糾錯碼。 (2) 按碼組中監(jiān)督( jind)碼元與信息碼元之間的關系分：線性碼、非線性碼。第25頁/共75頁第二十五頁，共76頁。 線性碼：可以用一組線性代數(shù)方程聯(lián)系起來，幾乎( jh)所有得到實際應用的都是線性碼 非線性碼：正在研究開發(fā)，實現(xiàn)起來困難第26頁/共75頁第二十六頁，共76頁。 (3) 按碼組中監(jiān)督碼元與信息(xnx)碼元之間的約束關系分：分組碼、卷積碼。第27頁/共75頁第二十七頁，共76頁。 分組碼：將每k個信息碼元分為一組，然后按一定的規(guī)律(gul)產(chǎn)生r個監(jiān)督碼元，那

8、么分組碼的長度n = k+r, 通常用符號（n,k）表示。在分組碼中，監(jiān)督碼元僅監(jiān)督本碼組中的信息碼元。第28頁/共75頁第二十八頁，共76頁。 卷積碼：每組的監(jiān)督碼元不但與本組碼的信息碼元有關，而且還與前面若干組信息碼元有關，即不是(b shi)分組監(jiān)督，而是每個監(jiān)督碼元對它的前后碼元都實行監(jiān)督。第29頁/共75頁第二十九頁，共76頁。 5.2.2 分組編碼(bin m)與交織技術 1線性分組碼 線性分組碼是指將每k個信息碼元分為一組，然后按一定的規(guī)律產(chǎn)生r個監(jiān)督碼元，那么分組碼的長度n = k+r，其中分組碼的監(jiān)督位與信息位之間呈現(xiàn)線性關系，即可以用一組線性方程來描述。第30頁/共75頁第

9、三十頁，共76頁。 分組碼的結構( jigu)如下： an-1，an-2，.，ar，ar-1，ar-2，.，a0第31頁/共75頁第三十一頁，共76頁。 第32頁/共75頁第三十二頁，共76頁。 圖中前面k位(an-1，an-2，.，ar)為信息位， 后面(hu mian)附加r個監(jiān)督位（ar-1，ar-2，.，a0）。 (n,k)第33頁/共75頁第三十三頁，共76頁。 (1) (7,4)分組碼 （7，4）分組碼的碼長為7個碼元，其中(qzhng)有4個碼元作為信息碼分別為a6 a5 a4 a3，而監(jiān)督碼元占用了三個碼元a2 a1 a0。第34頁/共75頁第三十四頁，共76頁。 第35頁/共

10、75頁第三十五頁，共76頁。 我們知道三個碼元共有23=8種不同的排列組合。如表5-2所示（S1 S2 S3稱為校正( jiozhng)子，在后面介紹）。第36頁/共75頁第三十六頁，共76頁。 可見可以用其中的7種組合分別表示7位碼中出現(xiàn)一位差錯的位置，而其余的一種(y zhn)組合（一般為000）代表這7位碼全部正確。這樣便確立了（7，4）分組碼的信息位與其監(jiān)督位之間的監(jiān)督關系。第37頁/共75頁第三十七頁，共76頁。 第38頁/共75頁第三十八頁，共76頁。 (2) (7,4)線性分組碼的監(jiān)督( jind)關系 a6，a5，a4， a3，a2，a1，a0第39頁/共75頁第三十九頁，共7

11、6頁。 第40頁/共75頁第四十頁，共76頁。 由表5-2可知(k zh)信息碼與監(jiān)督碼之間的關系為 (5-1)346035614562aaaaaaaaaaaa第41頁/共75頁第四十一頁，共76頁。 其中(qzhng) 代表模2加。 例如第一個方程 (1 0 0) =(1 1 1)+ (1 1 0)+ (1 0 1) (1 1 1) (1 1 0) + (1 0 1) 1 0 0第42頁/共75頁第四十二頁，共76頁。 可見每個監(jiān)督碼元是本碼組中某些信息(xnx)碼的模2加之和，換句話說每個信息(xnx)碼元將受到幾個監(jiān)督碼元的多重監(jiān)督。第43頁/共75頁第四十三頁，共76頁。 從中我們(w

12、 men)可以得出這樣的結論，(n,k)分組碼的監(jiān)督位只能監(jiān)督本碼組中各信息碼元，而對本碼組之前以及之后的碼組不夠成監(jiān)督關系。第44頁/共75頁第四十四頁，共76頁。 (3) 監(jiān)督碼的形成與檢測 例如已知一個（7，4）分組碼的4個信息碼元（a6 a5 a4 a3）= (0110), 那么根據(jù)(gnj)式（5-1）可求出（a2 a1 a0）=（011），這樣就構成(7,4)分組碼的一個碼組（a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0）= （0110011）。第45頁/共75頁第四十五頁，共76頁。 如果在傳輸過程中該碼組出現(xiàn)單個錯誤，那么接收端就接到一個錯誤的碼組，如接收錯碼為（0100011）。

13、下面的任務便是確定錯誤發(fā)生的位置，并予以(yy)糾正。第46頁/共75頁第四十六頁，共76頁。 首先根據(jù)信息(xnx)碼與監(jiān)督位之間的關系式（5-1），經(jīng)移項后，可改寫為： （5-2）000034613562456aaaaaaaaaaaa第47頁/共75頁第四十七頁，共76頁。 根據(jù)式（5-2）所規(guī)定的監(jiān)督關系(gun x)做如下假設： （5-3）034631356224561aaaaSaaaaSaaaaS第48頁/共75頁第四十八頁，共76頁。 Si (i=1,2,3)稱為校正子，當式（5-2）與式（5-3）比較之后，我們可以得到這樣的結論( jiln)： 如果所接收的碼組準確無誤的話，則利

14、用（5-3）式計算出校正子Si (i=1,2,3) =0,反之則說明所接收的碼組存在錯碼現(xiàn)象。第49頁/共75頁第四十九頁，共76頁。 現(xiàn)在我們就把上面(shng min)接收的一個錯誤碼組（0100011）代入式（5-3）中，由計算可知(S1 S2 S3 )=（101）。第50頁/共75頁第五十頁，共76頁。 當與表（5-1）進行對照時便知a4出現(xiàn)差錯，這樣(zhyng)接收端就可以通過對相應錯碼位進行加1操作來糾正單個錯碼。由此可見(7,4)分組碼是一種能夠糾正一位差錯的碼，因而只能用于糾正隨機性差錯。第51頁/共75頁第五十一頁，共76頁。 2交織技術 線性分組碼主要是用于糾正隨機(su

15、 j)錯誤（單個錯誤）的，交織技術主要是糾正突發(fā)性錯誤（會出現(xiàn)成串或成片的多個錯誤）的。第52頁/共75頁第五十二頁，共76頁。 (1) 水平奇偶監(jiān)督碼 奇偶監(jiān)督碼：編碼規(guī)則是將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼元分組，在分組數(shù)據(jù)后面附加一位監(jiān)督位，使得該組碼連同(lintng)監(jiān)督位在內的碼組中的“1”的個數(shù)為偶數(shù)（稱為偶校驗）或奇數(shù)（稱為奇校驗）。第53頁/共75頁第五十三頁，共76頁。 水平奇偶監(jiān)督碼：一組為一行，每一行包含10個碼元，在后面(hu mian)加一位監(jiān)督位，使得該組碼連同監(jiān)督位在內的碼組中的“1”的個數(shù)為偶數(shù)。一共5行。傳送時按列從左至右傳送。如表5-4所示。第54頁/共75頁第五十四頁，

16、共76頁。 只要連續(xù)誤碼不超過(chogu)5個，則可將這些連續(xù)誤碼分散到每一行，并且每一個行中最多出現(xiàn)一位碼差錯。但是不能確定差錯的具體位置，即不能糾錯。第55頁/共75頁第五十五頁，共76頁。 (2) 交織原理 一組為一行，每一行是已編碼(bin m)的碼字，例如是以線性分組碼的規(guī)律構成的n,k分組碼，一共m行。如圖5-1所示，共m行n列。寫入時，按從左至右，從上至下一行行寫入。讀出時，按從上至下，從左至右一列列讀出。第56頁/共75頁第五十六頁，共76頁。 在接收端則以每m比特(b t)構成一列，按從上至下，從左至右一列列讀出到矩陣?？梢姰斒盏絤*n個比特(b t)時，便可構成如圖5-1

17、格式相同的矩陣。第57頁/共75頁第五十七頁，共76頁。 然后(rnhu)對每一行按已知編碼規(guī)律進行差錯檢測。如果已知每一行是采用(n,k)分組碼來進行糾錯編碼的話，那么傳輸過程中連續(xù)m*b個比特出現(xiàn)誤碼時，由于是按列傳送的，因此突發(fā)性誤碼便被分散到m行，每行包括b個錯碼。第58頁/共75頁第五十八頁，共76頁。 若此時(n,k)分組碼具有糾正b個錯誤的能力，那么(n me)接收端恢復出的數(shù)據(jù)就與發(fā)射端所發(fā)射的數(shù)據(jù)相同。第59頁/共75頁第五十九頁，共76頁。5.3 信號處理(xn ho ch l)技術 如何提高衛(wèi)星系統(tǒng)通信容量和傳輸性能，這是人們普遍關注的重要問題。正是由于近年來大規(guī)模集成電

18、路的迅速發(fā)展，使得信號處理技術在衛(wèi)星通信領域取得(qd)巨大的進展。第60頁/共75頁第六十頁，共76頁。 例如在TDM衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，采用了數(shù)字話音(huyn)內插（DSI）技術，從而大大地擴大了通信容量。第61頁/共75頁第六十一頁，共76頁。 又如在具有長延時的衛(wèi)星線路(xinl)中的在基帶線路(xinl)中采用接入回波抑制器或回波抵消器的方法，來消弱或抵消回波的影響。本節(jié)僅就數(shù)字話音內插（DSI）技術和回波控制技術進行介紹。第62頁/共75頁第六十二頁，共76頁。 5.3.1 數(shù)字話音內插技術 1話音內插 由于在兩個人通過線路進行雙工通話時，總是一方(y fn)講話，而另一方(y

19、fn)在聽。第63頁/共75頁第六十三頁，共76頁。 因而只有一個方向的話路中有話音信號，而另一方向的線路則處于收聽(shutng)狀態(tài)。這樣就某一方向的話路而言，也只有一部分的時間處于講話狀態(tài)。第64頁/共75頁第六十四頁，共76頁。 而其他時間是處于收聽狀態(tài)。根據(jù)(gnj)統(tǒng)計分析資料顯示，一個單方向話路實際傳送話音的平均時間百分比，即平均話音激活率，通常只有40%左右。第65頁/共75頁第六十五頁，共76頁。 因而可以設想如果采用一定(ydng)的技術手段，僅僅在講話時間段為通話者提供講話話路，這樣在其空閑時間段可以將話路分配給其他用戶，這種技術就叫做“話音內插”，也稱為話音激活技術，它特別適用于大容量數(shù)字化話音系統(tǒng)中。第66頁/共75頁第六十六頁，共76頁。 2數(shù)字話音內插 通常所使用(shyng)的數(shù)字話音內插（DSI）技術包括時分話音內插（TASI）和話音預測編碼（SPEC）兩種方式。第67頁/共75頁第六十七頁，共76頁。 第68頁/共75頁第六十八頁，共76頁。 回波控制 1回波產(chǎn)生的原因 由于在與地球站相連接的PSTN用戶(yngh)的用戶(yngh)線上是采用二線制，即在一對線路上傳輸兩個方向的信號。第69頁/共75頁第六十九頁，共76頁。 因而當PSTN電話端的二/四線耦合電路（混合線圈）處于不平衡（地球站與衛(wèi)星之間的