第4章 語(yǔ)音編碼、信道編碼和交織

移動(dòng)通信技術(shù)第4章語(yǔ)音編碼、信道編碼和交織編碼2023/2/51第4章語(yǔ)音編碼、信道編碼和交織技術(shù)4.1

語(yǔ)音編碼

4.2信道編碼

4.3交織編碼2023/2/52語(yǔ)音編碼及信道編碼技術(shù)語(yǔ)音編碼和信道編碼是通信數(shù)字化的兩個(gè)重要技術(shù)領(lǐng)域。在移動(dòng)通信數(shù)字化中，模擬語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化，可提高頻帶利用率和信道容量。信道編碼技術(shù)可提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而保證良好的通話質(zhì)量。第4章語(yǔ)音編碼、信道編碼和交織技術(shù)2023/2/532023/2/54圖GSM手機(jī)電路基本組成框圖2023/2/55圖

8210／8850型手機(jī)發(fā)射信號(hào)流程圖

2023/2/56圖

8210／8850型手機(jī)接收信號(hào)流程圖2023/2/574.1語(yǔ)音編碼4.1.1概述4.1.2語(yǔ)音信號(hào)特征4.1.3聲碼器4.1.4線性預(yù)測(cè)編碼器4.1.5移動(dòng)通信中語(yǔ)音編碼器的選擇4.1.6GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器4.1.7IS-95系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器2023/2/58信源編碼的定義與作用源編碼就是信源信號(hào)的模數(shù)（A∕D）變換，即將模擬的信源信號(hào)轉(zhuǎn)化成適于在信道中傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)形式。在數(shù)字系統(tǒng)中，信源編碼的基本目的就是通過(guò)壓縮信源產(chǎn)生的冗余信息來(lái)提高整個(gè)傳輸鏈路的有效性。2信源編碼的分類(lèi)(1)根據(jù)信源信號(hào)是離散的信號(hào)還是連續(xù)的信號(hào)，可以將信源編碼分為：4.1.1概述

2023/2/59①離散信源編碼；②模擬信源編碼。(2)根據(jù)信源信號(hào)是語(yǔ)音還是圖像，可以分為：①語(yǔ)音編碼；②圖像編碼。移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信源有語(yǔ)音信號(hào)、圖像（如可視移動(dòng)電話）或離散數(shù)據(jù)(如短信息服務(wù))。本節(jié)主要講語(yǔ)音編碼。4.1.1概述

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4語(yǔ)音編碼語(yǔ)音編碼為信源編碼，是將模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)以便在信道中傳輸。語(yǔ)音編碼技術(shù)通常分為三類(lèi)：波形編碼、聲源編碼（或參量編碼）和混合編碼。波形編碼是對(duì)模擬語(yǔ)音波形信號(hào)經(jīng)過(guò)取樣、量化、編碼而形成的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)。為了保證數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)解碼后的高保真度，波形編碼需要較高的編碼速率，一般在16～64kbit/s?？蓪?duì)各種各樣的模擬語(yǔ)音波形信號(hào)進(jìn)行編碼均可達(dá)到很好的效果。優(yōu)點(diǎn)：適用于很寬范圍的語(yǔ)音特性，以及在噪音環(huán)境下都能保持穩(wěn)定。4.1.1概述

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波形編碼包括脈沖編碼調(diào)制（PCM）、差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）、增量調(diào)制（DM）、連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSDM）、自適應(yīng)變換編碼(ATC)、子帶編碼（SBC）和自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼（APC）等。聲源編碼是基于人類(lèi)語(yǔ)言的發(fā)聲機(jī)理，找出表征語(yǔ)音的特征參量，對(duì)特征參量進(jìn)行編碼的一種方法。在接收端，根據(jù)所接收的語(yǔ)音特征參量信息，恢復(fù)出原來(lái)的語(yǔ)音。由于參量編碼只需傳送語(yǔ)音特征參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)低速率的語(yǔ)音編碼，一般在1.2～4.8kbit/s。4.1.1概述

2023/2/512聲源編碼的例子線性預(yù)測(cè)編碼（LPC)聲碼器。這技術(shù)可壓縮到2Kbit/s，缺點(diǎn)：在于語(yǔ)音質(zhì)量只能達(dá)到中等水平，不能滿(mǎn)足商用語(yǔ)音通信的要求。但語(yǔ)音質(zhì)量不夠好，故高速碼不用這種技術(shù)。對(duì)此，綜合參量編碼和波形編碼各自的長(zhǎng)點(diǎn)，即保持參量編碼的低速率和波形編碼的高質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，又提出了混合編碼方法。4.1.1概述

2023/2/513混合編碼基于參量編碼和波形編碼發(fā)展的一類(lèi)新的編碼技術(shù)。在混合編碼的信號(hào)中，既含有若干語(yǔ)音特征參量又含有部分波形編碼信息。其編碼速率一般在4～16kbit/s。當(dāng)編碼速率在8～16kbit/s范圍時(shí)，其語(yǔ)音質(zhì)量可達(dá)到商用語(yǔ)音通信標(biāo)準(zhǔn)的要求。混合編碼技術(shù)在數(shù)字移動(dòng)通信中得到了廣泛應(yīng)用?；旌暇幋a包括規(guī)則脈沖激勵(lì)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)編解碼器（RPE-LTP）、矢量和激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（VSELP）和碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（CELP）等。4.1.1概述

2023/2/514表4.1常用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)語(yǔ)音編解碼

標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)類(lèi)型語(yǔ)音編碼器（比特率：kbps）GSM數(shù)字蜂窩網(wǎng)RPE-LTP13USDC（IS-54）數(shù)字蜂窩網(wǎng)VSELP16IS-95（CDMA）數(shù)字蜂窩網(wǎng)CELP1.2，2.4，4.8，9.6CT2、DECT、PHS數(shù)字無(wú)繩電話ADPCM32DCS-1800個(gè)人通信系統(tǒng)RPE-LTP13PACS個(gè)人通信系統(tǒng)ADPCM324.1.1概述

2023/2/5154.1.2語(yǔ)音信號(hào)特征語(yǔ)音是一種波，振蕩頻率在20HZ-20000HZ之間，喉以上部分稱(chēng)為聲道，喉部稱(chēng)為聲門(mén)。喉部的聲帶即是閥門(mén)又是振動(dòng)部件。聲帶的聲學(xué)功能是為語(yǔ)音提供主要的的激勵(lì)源。聲帶的開(kāi)啟閉合使氣流形成一系列脈沖。由聲帶產(chǎn)生的音統(tǒng)稱(chēng)為濁音，不由聲帶產(chǎn)生的音統(tǒng)稱(chēng)為清音?？梢?jiàn)，語(yǔ)音是由氣流激勵(lì)聲到最后從嘴和鼻孔或同時(shí)從嘴和鼻孔輻射出來(lái)而產(chǎn)生的。對(duì)于濁音、清音、爆破音來(lái)說(shuō)，激勵(lì)源是不同的。2023/2/516長(zhǎng)期研究證明，發(fā)不同性質(zhì)的音，激勵(lì)的情況是不同的。大致分為兩類(lèi)。發(fā)濁音時(shí)，氣流通過(guò)緊繃的聲帶，沖擊聲帶產(chǎn)生振蕩，是聲門(mén)處形成準(zhǔn)周期的脈沖列，用它來(lái)激勵(lì)聲道。發(fā)清音時(shí)，聲帶松弛而不振動(dòng)，氣流通過(guò)聲門(mén)直接進(jìn)入聲道。根據(jù)以上機(jī)理我們構(gòu)建如圖4.1所示語(yǔ)音信號(hào)的產(chǎn)生模型。4.1.2語(yǔ)音信號(hào)特征2023/2/517圖4-1語(yǔ)音信號(hào)的產(chǎn)生模型4.1.2語(yǔ)音信號(hào)特征2023/2/518由圖4-1可見(jiàn)，激勵(lì)源可由沖擊序列發(fā)生器或隨機(jī)噪聲發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生，分別對(duì)應(yīng)產(chǎn)生清音和濁音的激勵(lì)。增益系數(shù)AV和AN分別對(duì)應(yīng)清音和濁音時(shí)聲門(mén)激勵(lì)信號(hào)的強(qiáng)度，用以調(diào)節(jié)信號(hào)幅度和能量。聲道模型用來(lái)模擬聲道諧振腔結(jié)構(gòu)，以此形成諧振頻率。聲碼器是以人類(lèi)語(yǔ)音的產(chǎn)生模型為基礎(chǔ)，分析表征語(yǔ)音激勵(lì)源和聲道等的特征參數(shù)，再運(yùn)用這些特征參數(shù)重新合成語(yǔ)音信號(hào)的設(shè)備。4.1.2語(yǔ)音信號(hào)特征2023/2/5194.1.3聲碼器

聲碼器又稱(chēng)為“參量編碼器”。聲碼器的數(shù)碼率可以壓縮到2.4kbit/s以下，但其語(yǔ)音質(zhì)量，特別是自然度，大大下降。自1939年來(lái)，研制各種聲碼器如通道聲碼器、相位聲碼器、圖樣匹配聲碼器、同態(tài)聲碼器、線性預(yù)測(cè)聲碼器等。研究最多是線性預(yù)測(cè)編碼聲碼器如圖4-2，也是應(yīng)用最廣泛的。線性預(yù)測(cè)聲碼器在發(fā)送端進(jìn)行語(yǔ)音分析，每隔10-20ms取出一幀語(yǔ)音做請(qǐng)濁音區(qū)分和音調(diào)提取，已給出激勵(lì)信息，并計(jì)算出預(yù)測(cè)濾波器的各種參數(shù)，經(jīng)量化及編碼后送往接收端。2023/2/5204.1.3聲碼器

圖4-2典型的線性預(yù)測(cè)編碼聲碼器原理框圖2023/2/521必須傳輸?shù)木幋a量化參數(shù)有預(yù)測(cè)器系數(shù)、音調(diào)周期、請(qǐng)濁音判決和增益系數(shù)。大多數(shù)線性預(yù)測(cè)聲碼器研究集中在1.2-2.4Kbit/s.理論和實(shí)踐都表明，用聲碼器進(jìn)行語(yǔ)音通信，其語(yǔ)音質(zhì)量提高主要癥結(jié)在于模型的激勵(lì)信號(hào)。多年來(lái)，一直以準(zhǔn)周期和白噪聲作為激勵(lì)源，這對(duì)提高語(yǔ)音質(zhì)量有障礙?；旌暇幋a是新一代語(yǔ)音通信編碼器的發(fā)展方向。4.1.3聲碼器

2023/2/5224.1.4線性預(yù)測(cè)編碼器目前較成功的混合編碼方案有兩種，多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（MPLPC)和碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（CELPC),前者使用一個(gè)數(shù)目有限且幅度和位置要調(diào)整的脈沖序列作為激勵(lì)源。后者使用一個(gè)波形矢量作為激勵(lì)源。圖4-3給出三種不同激勵(lì)序列及其產(chǎn)生語(yǔ)音方法。圖4-3三種不同激勵(lì)的語(yǔ)言合成模型2023/2/5231．多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（MPLPC）

4.1.4線性預(yù)測(cè)編碼器圖4-4MPLPC算法基本原理2023/2/524無(wú)論合成清音或濁音，激勵(lì)源一律使用多脈沖序列形式。圖4-4給出這一算法基本原理加上感知加權(quán)濾波器后，主觀聽(tīng)覺(jué)上的語(yǔ)音質(zhì)量有明顯的提高。MPLPC必須進(jìn)行量化編碼，它傳輸?shù)膬?nèi)容包括多脈沖激勵(lì)的脈沖位置和幅度、長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)預(yù)測(cè)器系數(shù)、音調(diào)周期等。MPLPC產(chǎn)生的語(yǔ)音質(zhì)量和比特率取決于提供一幀語(yǔ)音激勵(lì)信號(hào)的脈沖數(shù)目。多脈沖激勵(lì)方式要優(yōu)化眾多脈沖的位置與幅度參數(shù)，計(jì)算量大。

4.1.4線性預(yù)測(cè)編碼器2023/2/5252．碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（CELPC）

4.1.4線性預(yù)測(cè)編碼器圖4-5CELPC的基本工作原理圖2023/2/5261984年提出的一種新的混合型編碼器算法

CELPC與MPLPC比，只是激勵(lì)源不同，其他相同。CELPC應(yīng)用了矢量量化技術(shù)。在數(shù)字移動(dòng)通信中，碼激勵(lì)的一種變型即矢量和激勵(lì)（VSELP）已成為美國(guó)和日本數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)。三種編碼技術(shù)同時(shí)存在通信系統(tǒng)中，波形編碼以其高質(zhì)量用于長(zhǎng)途傳輸和寬帶語(yǔ)音；聲碼器以高效壓縮性用于保密通信；混合編碼以其獨(dú)有特性用于各種通信系統(tǒng)。4.1.4線性預(yù)測(cè)編碼器2023/2/5274.1.5移動(dòng)通信中語(yǔ)音編碼器的選擇

在低比特率語(yǔ)音編碼中，有4個(gè)參數(shù)是很重要的，即比特率、質(zhì)量、復(fù)雜度和處理時(shí)延。1．語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估當(dāng)前世界上流行的語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估方法是采用原CCITT提議的從1分到5分的主觀評(píng)定的方法。這就是“平均評(píng)價(jià)得分”（MeanOpinionScore）簡(jiǎn)稱(chēng)MOS。2023/2/528語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估圖4-6語(yǔ)音編碼的現(xiàn)狀4.1.5移動(dòng)通信中語(yǔ)音編碼器的選擇

2023/2/5292．語(yǔ)音編碼器的復(fù)雜度和處理時(shí)延語(yǔ)音數(shù)字編碼的算法通常用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)實(shí)現(xiàn)。編碼硬件的成本通常隨著復(fù)雜度的提高而增加。4.1.5移動(dòng)通信中語(yǔ)音編碼器的選擇

2023/2/5304.1.6GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器

1GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器性能要求（1）語(yǔ)音質(zhì)量對(duì)語(yǔ)音編碼最基本的要求就是用戶(hù)角度測(cè)試，在可工作的范圍內(nèi)，平均語(yǔ)音質(zhì)量應(yīng)至少不低于900MHz模擬移動(dòng)系統(tǒng)。語(yǔ)音編碼算法應(yīng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)頻譜以及電平變化的能力。語(yǔ)音編碼器能夠不受環(huán)境噪聲以及很多語(yǔ)音信號(hào)混雜的干擾。2023/2/531在移動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)接移動(dòng)臺(tái)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩套編/譯碼器復(fù)接的情況。（2）碼速率仍然使用8kHz取樣率，以便于和PSTN的接口連接?；趯?duì)頻率利用率和語(yǔ)音質(zhì)量相矛盾的協(xié)調(diào)，將16kbit/s作為可接受的工作比特率。（3）碼變換GSM系統(tǒng)所確定的基本語(yǔ)音編碼的變碼器可將13位線性PCM碼流變換成16kbit/s的無(wú)線傳輸比特率。4.1.6GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器

2023/2/532在GSM語(yǔ)音編碼器網(wǎng)絡(luò)一端將完成A律或律的PCM變換。4.1.6GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器

2023/2/533（4）非話信號(hào)的傳輸語(yǔ)音編譯碼器沒(méi)有對(duì)語(yǔ)音頻段的數(shù)據(jù)做出要求，然而，必須要求語(yǔ)音編譯器能夠傳輸由網(wǎng)絡(luò)提供給用戶(hù)的各種音頻信號(hào)音，如撥號(hào)音、振鈴音、忙音等。考慮到中、低比特率的編譯碼器將盡量利用語(yǔ)音中的一些特征，將語(yǔ)音以及語(yǔ)音頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)一起協(xié)調(diào)的編碼算法必將降低語(yǔ)音的質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)語(yǔ)音編碼器時(shí)，應(yīng)首先考慮語(yǔ)音的質(zhì)量，而對(duì)于語(yǔ)音頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)信號(hào)，則通過(guò)特殊的終端適配器來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.1.6GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器

2023/2/534（5）傳輸時(shí)延造成傳輸時(shí)延的主要原因有以下兩方面。①

語(yǔ)音編碼的時(shí)延。②

無(wú)線分系統(tǒng)中的時(shí)延。為此對(duì)這兩種時(shí)延的限定各自可不超過(guò)65ms?？紤]到二／四線轉(zhuǎn)換阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致反射現(xiàn)象發(fā)生，上述的時(shí)延將給用戶(hù)帶來(lái)令人厭煩的回聲，因此需要采用回波抑制器來(lái)消除時(shí)延的影響。4.1.6GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器

2023/2/535（6）硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音編碼器的要求主要來(lái)自手持機(jī)。為了保障手持機(jī)的輕小和長(zhǎng)期工作，需要硬件能夠在一塊VLSI芯片上實(shí)現(xiàn)，并要求功率消耗盡可能的低。2．GSM系統(tǒng)語(yǔ)音處理功能結(jié)構(gòu)RPE-LTP編譯碼器特性如下:①取樣速率為8kHz。②幀長(zhǎng)為20ms，每幀編碼成為260bit。每幀分為4個(gè)子幀，每個(gè)子幀長(zhǎng)5ms。③純比特率為13kbit/s。4.1.6GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器

2023/2/536④語(yǔ)音比特分為兩類(lèi)。第一類(lèi)含182bit/s，它們對(duì)誤碼是敏感的，即這些比特中發(fā)生差錯(cuò)會(huì)對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這些比特受到循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）碼和一個(gè)具有恒定長(zhǎng)度為5的1/2率卷積碼的保護(hù)。第二類(lèi)含78bit，它們抗差錯(cuò)的能力強(qiáng)，不受保護(hù)。同時(shí)，為了抗突發(fā)差錯(cuò)，編碼語(yǔ)音塊的交積跨越了8個(gè)TDMA幀。分配給編譯碼器的最大時(shí)延為30ms。端對(duì)端的最大時(shí)延在75ms左右，其中40ms以上分配給時(shí)隙交織和信道編譯碼。為了進(jìn)行不連續(xù)的傳輸，可應(yīng)用語(yǔ)音激活檢測(cè)器。4.1.6GSM系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器

2023/2/5374.1.7IS-95系統(tǒng)語(yǔ)音編碼器

QCELP是Qualcomm公司CDMA系統(tǒng)中的語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)IS-95。QCELP主要是使用碼表矢量量化差值信號(hào)，然后基于語(yǔ)音的激活程度產(chǎn)生一個(gè)可變的輸出數(shù)據(jù)速率。2023/2/5384.1.8移動(dòng)通信中的信源編碼舉例12G/3G中的話音信源編碼2G/3G中的話音信源編碼的基本原理是相同的，都采用了矢量量化和參數(shù)編碼的方式。IS-95中的變速率碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(CELP)IS-95中的CELP技術(shù)通過(guò)四個(gè)等級(jí)的變速率編碼實(shí)現(xiàn)話音激活，即使用者發(fā)聲時(shí)進(jìn)行全速率(9.6kbps)編碼，而不發(fā)聲時(shí)僅僅傳遞八分之一（1.2kbps）的背景噪聲，以降低功耗和對(duì)其他用戶(hù)的干擾。2023/2/539(2)GPRS/WCDMA中的自適應(yīng)多速率編碼（AMR）AMR的基本原理是根據(jù)環(huán)境或應(yīng)用需求的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼速率，例如在信道條件惡化時(shí)，降低編碼速率，通過(guò)犧牲話音品質(zhì)以拿出更多的無(wú)線資源用于更可靠的信道編碼以保證基本的語(yǔ)音可懂，而在信道條件好的時(shí)候則采用較高的編碼速率保證話音品質(zhì)。4.1.8移動(dòng)通信中的信源編碼舉例2023/2/540(3)CDMA2000演進(jìn)系統(tǒng)中的可選擇模式語(yǔ)聲編碼（SMV）SMV用于CDMA2000演進(jìn)系統(tǒng)中，其基本原理與前述兩種基本相同，它也是可變速率的，從速率等級(jí)上看與IS-95中的CELP一樣，有9.6kbps、4.8kbps、2.4kbps、1.2kbps四種，不同的是，SMV允許有四種模式供系統(tǒng)側(cè)選擇，即Mode0（高品質(zhì)模式）、Mode1（標(biāo)準(zhǔn)模式）、Mode2（經(jīng)濟(jì)模式）、Mode3（容量節(jié)省模式），不同的模式實(shí)現(xiàn)不同程度的話音質(zhì)量和平均速率的折中，通過(guò)調(diào)整不同等級(jí)速率所占的比例實(shí)現(xiàn)不同的模式，從而調(diào)整平均數(shù)據(jù)速率。4.1.8移動(dòng)通信中的信源編碼舉例2023/2/54123G系統(tǒng)中的視頻信源編碼H.264在3GPP的R6、R7以及3GPP2的高演進(jìn)版本中，視頻通信業(yè)務(wù)采用了H.264/AVC（高級(jí)視頻編碼）視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。3G系統(tǒng)中的視頻信源編碼H.264H.264從某種程度上看是MPEG的擴(kuò)展。在H.264中，一幅圖像可編碼成一個(gè)或者若干個(gè)片(slice，此處與幀的含義相同），每個(gè)slice包含整數(shù)個(gè)MB（MacroBlock），相當(dāng)于一個(gè)完整圖像中的不同區(qū)域，編碼片（slice）共有5中不同的類(lèi)型，包括I片、B片、P片、SP片、SI片，SP和SI介于I與P4.1.8移動(dòng)通信中的信源編碼舉例2023/2/542之間，但考慮了更多數(shù)據(jù)片之間的相關(guān)性，進(jìn)一步壓縮了數(shù)據(jù)速率。NAL的工作模式分為SSM（孤立片模式）和DPM（數(shù)據(jù)分區(qū)模式），如圖3.1所示。在SSM中，屬于同一數(shù)據(jù)片的所有編碼信息在一個(gè)RTP數(shù)據(jù)包中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。在DPM中，每個(gè)slice中的MB間彼此聯(lián)系，利用相鄰MB存在空間相關(guān)性來(lái)進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼。將圖像數(shù)據(jù)分成動(dòng)態(tài)矢量數(shù)據(jù)（即基本層，需要更好的差錯(cuò)保護(hù)）以及剩余的信息。4.1.8移動(dòng)通信中的信源編碼舉例2023/2/543圖3.1H.264網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)層NAL工作模式示意圖每個(gè)數(shù)據(jù)片的編碼視頻信息首先被分割成三部分并分別放到A、B、C數(shù)據(jù)分區(qū)中，每個(gè)數(shù)據(jù)分區(qū)中包含的信息被分別封裝到相應(yīng)的RTP數(shù)據(jù)包中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。其中，PartA中包含最重要的slice頭信息，MB頭信息，以及動(dòng)態(tài)矢量信息；PartB中包含幀內(nèi)和SI片宏塊的編碼殘差數(shù)據(jù)，能夠阻止誤碼繼續(xù)傳播；PartC中包含幀間宏塊的編碼殘差數(shù)據(jù)，幀間編碼數(shù)據(jù)塊的編碼方式信息和幀間變換系數(shù)。4.1.8移動(dòng)通信中的信源編碼舉例2023/2/5444.2信道編碼

4.2.1信道編碼原理4.2.2分組碼4.2.3卷積碼4.2.4其他信道編碼2023/2/5454.2.1信道編碼原理移動(dòng)通信系統(tǒng)使用信道編碼技術(shù)可以降低信道突發(fā)的和隨機(jī)的差錯(cuò)。信道編碼是通過(guò)在發(fā)送信息時(shí)加入冗余的數(shù)據(jù)位來(lái)改善信道鏈路的性能的。在發(fā)射機(jī)的基帶部分，信道編碼器按照某種確定的約束規(guī)則，把一段數(shù)字信息映射成另一段包含更多數(shù)字比特的碼序列，然后把已被編碼的碼序列進(jìn)行調(diào)制以便在無(wú)線信道中傳送。信道編碼的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)是利用傳輸數(shù)據(jù)的冗余量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2023/2/546用于檢測(cè)錯(cuò)誤的信道編碼稱(chēng)做檢錯(cuò)編碼；可糾錯(cuò)的信道編碼被稱(chēng)做糾錯(cuò)編碼。信道編碼是通過(guò)增加相關(guān)的冗余數(shù)據(jù)來(lái)提高系統(tǒng)性能，也就是以增加傳輸帶寬為代價(jià)來(lái)取得編碼增益的。檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼有兩種基本類(lèi)型：分組碼和卷積碼。編碼增加了數(shù)據(jù)比特，這使得信道中傳輸?shù)目偟臄?shù)據(jù)速率提高，也就會(huì)占用更大的信道帶寬。傳統(tǒng)的信道編碼：分組碼和卷積碼上世紀(jì)90年代出現(xiàn)Turbo碼把調(diào)制和編碼看作是一個(gè)整體來(lái)考慮的網(wǎng)格編碼調(diào)制TCM（Trelliscodedmodulation）4.2.1信道編碼原理2023/2/5471有關(guān)通信信道概念：信道指信號(hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì)。通信系統(tǒng)可為有線（包括光纖）通信和無(wú)線通信兩大類(lèi)。（1）有線信道：雙絞線，同軸電纜，光纖。特點(diǎn)是低損耗，傳輸頻帶寬。（2）無(wú)線信道：光視距、微波、短波、中號(hào)波、衛(wèi)星通信等。（3）狹義信道：有線信道和無(wú)線信道的總稱(chēng)（4）廣義信道：擴(kuò)大范圍象天線、發(fā)收設(shè)備等，一般情況下討論均指廣義信道。4.2.1信道編碼原理2023/2/548（5）無(wú)記憶信道：是隨機(jī)差錯(cuò)，即前后碼元發(fā)生差錯(cuò)是獨(dú)立、互不依賴(lài)，產(chǎn)生這種差錯(cuò)的信道稱(chēng)為無(wú)記憶信道。（6）有記憶信道：是一種突發(fā)差錯(cuò)，即前后碼元發(fā)生差錯(cuò)有關(guān)聯(lián)性，一個(gè)差錯(cuò)出現(xiàn)影響后面差錯(cuò)的出現(xiàn)，產(chǎn)生這種差錯(cuò)的信道稱(chēng)為有記憶信道。例如發(fā)往信道序列00000000，受干擾后變成01100100，其中11001稱(chēng)為差錯(cuò)圖樣，這里突發(fā)長(zhǎng)度是5。4.2.1

信道編碼原理2023/2/549（7）

二進(jìn)對(duì)稱(chēng)信道（BSC）：信道干擾使“1”變“0”的可能性和“0”變“1”的可能性相等，且互不依賴(lài)，則這種信道稱(chēng)二進(jìn)對(duì)稱(chēng)信道。如下圖4-8示：4.2.1信道編碼原理圖4-82023/2/550（8）不對(duì)稱(chēng)二進(jìn)信道：反之，如兩種差錯(cuò)可能性不等就稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)二進(jìn)信道。（9）二進(jìn)刪除信道：在傳輸過(guò)程中，凡受干擾而無(wú)法正確判為“0”或“1”碼，被刪除，這種信道稱(chēng)二進(jìn)刪除信道。2.碼組結(jié)構(gòu)碼元：二進(jìn)制數(shù)據(jù)的每一位“0”碼或“1”碼。碼組：每一個(gè)m進(jìn)制碼元由n位二進(jìn)制碼的碼組代表，稱(chēng)這n位為一個(gè)碼組。碼集：例如8種不同的3位二進(jìn)制碼組稱(chēng)為一個(gè)碼集。4.2.1信道編碼原理2023/2/551碼距：在任何兩個(gè)不同的碼組中，對(duì)應(yīng)碼位的碼元不同的個(gè)數(shù)，稱(chēng)為這兩個(gè)碼組間的碼距。例如：（100）和（000）的碼距為1；（110）和（101）的碼距為2。最小碼距（漢明碼距）：一個(gè)碼集中兩個(gè)碼組間的距離有一最小值，稱(chēng)為最小碼距。4.2.1信道編碼原理2023/2/552

3碼組檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的基本原理

例子:(000),(001),(010),(011),(100),(101),(110),(111)(1)8個(gè)碼組全部作為有用碼組，在這種情況下，任一碼組中有一位發(fā)生差錯(cuò)，就成為其它碼組，收端不能察覺(jué)差錯(cuò)，所以使用8個(gè)碼組的碼沒(méi)有抗干擾能力。(2)如果碼集中(000),(011),(101),(110)四個(gè)作為許用碼組,其余4種(001),(010),(100),(111)為禁用碼組，則任一許用碼組中在傳輸中受干擾而造成一位差錯(cuò)，不論其差錯(cuò)位置在何處，都變成禁用碼組，收端能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，但不能糾正。4.2.1信道編碼原理2023/2/553(3)若取碼集中的(000),(111)作為許用碼組，其余6種(001),(010),(011),(100),(101),(110)為禁用碼組,則任一許用碼組在傳輸中受干擾造成二位差錯(cuò)，收端能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，如果造成一位差錯(cuò)，發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)且能糾正它。抗干擾力強(qiáng)。這種碼有可能糾正一位差錯(cuò)，原因是碼組分成兩類(lèi)：{(000),(001),(010),(100)}和{(111),(011),(101),(110)}。如(000)或(111)發(fā)生一位差錯(cuò)，都不會(huì)超越任何一類(lèi)的范圍。收端收到第一類(lèi)中任一碼組就判為(000)，反之收到第二類(lèi)中任一碼組，就判為(111)，所以說(shuō)可自動(dòng)糾正一位錯(cuò)碼。4.2.1信道編碼原理2023/2/554這種碼組可以發(fā)現(xiàn)二位差錯(cuò)；或者可以發(fā)現(xiàn)一位差錯(cuò)時(shí)并糾正一位差錯(cuò)。在第一種情況中無(wú)抗干擾能力。在第二種情況中可以發(fā)現(xiàn)一位差錯(cuò)，也表明有抗干擾能力。既然許用4個(gè)碼組，即代表4個(gè)消息，現(xiàn)用3位二進(jìn)制碼有8個(gè)碼組，有一半多余度（多余碼元)。可見(jiàn)引入一定多余度后加強(qiáng)碼的抗干擾能力。在第三種情況中，可以發(fā)現(xiàn)二位差錯(cuò)，并糾正一位差錯(cuò)，表明抗干擾能力更好。所以d越大，抗干擾能力越大。4.2.1信道編碼原理2023/2/5554.2.1信道編碼原理2023/2/5564.2.2

線性分組碼分組編碼的原理框圖見(jiàn)圖4.9。分組編碼是把信息序列以k個(gè)碼元分組，通過(guò)編碼器將每組的k元信息按一定規(guī)律產(chǎn)生r個(gè)多余碼元(稱(chēng)為檢驗(yàn)元或監(jiān)督元)，輸出長(zhǎng)n＝k十r的一個(gè)碼組。圖4.9

分組編碼2023/2/557要使信道編碼具有一定的檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力，必須加入一定的多余碼元。信息碼元先按組進(jìn)行劃分，然后對(duì)各信息組按一定規(guī)則加入多余碼元，這些附加監(jiān)督碼元僅與本組的信息碼元有關(guān)，而與其他碼組的信息無(wú)關(guān)，這種編碼方法稱(chēng)為分組編碼。

4.2.2線性分組碼2023/2/5584.2.3卷積碼圖4.10卷積編碼的原理框圖2023/2/5594.2.3卷積碼圖4.11（2，1）卷積碼的編碼器框圖圖4-12卷積編碼器的通用結(jié)構(gòu)圖2023/2/560圖中有兩級(jí)移位寄存器和一個(gè)模2加器。它的工作過(guò)程是：電子開(kāi)關(guān)其換接周期正好是等于一位碼元時(shí)間，上半周期向上接，下半周期向下接。例如第一位已從第二級(jí)移位寄存器移出，而第二位已從第一級(jí)移位寄存器移出。這時(shí)開(kāi)關(guān)向上接，一路經(jīng)開(kāi)關(guān)輸出，另一路與進(jìn)行模2加，按方程，當(dāng)開(kāi)關(guān)向下接時(shí)，經(jīng)開(kāi)關(guān)輸出，完成一個(gè)周期時(shí)間。同理從寄存器2出，從寄存器1出，這時(shí)開(kāi)關(guān)上接，一路經(jīng)開(kāi)關(guān)輸出，另一路與前一碼元模2加得，當(dāng)開(kāi)關(guān)下接輸出，完成第二個(gè)周期，如此下去……，發(fā)端編碼器產(chǎn)生編碼序列，這就編成卷積碼。4.2.3卷積碼2023/2/5614.2.3卷積碼圖4.13（2，1）卷積碼的解碼器框圖2023/2/562圖中已包含本地編碼器從接收的信息碼編成監(jiān)督碼，這監(jiān)督碼與接收的監(jiān)督碼實(shí)行模2加，產(chǎn)生檢校子。所以收端由移位寄存器1、2和模2加（1）構(gòu)成本地編碼器，再加模2加（2）一起組成檢校子運(yùn)算器。而移位寄存器3和一個(gè)與門(mén)組成正交運(yùn)算器，作為判決之用，其輸出加上模2加（3），用作自動(dòng)糾錯(cuò)。這樣解碼器把接收的可能有差錯(cuò)的卷積碼還原為正確的信息碼序列。4.2.3卷積碼2023/2/563解碼器工作過(guò)程是：電子開(kāi)關(guān)上半周上接，讓信息碼進(jìn)入移位寄存器，先經(jīng)過(guò)移位寄存器1，后經(jīng)移位寄存器2移出，于是從1移出，兩者經(jīng)模2加（1）得監(jiān)督碼，加到模2加（2），這時(shí)開(kāi)關(guān)下半周下接，讓接收的也加到模2加，產(chǎn)生，完成一個(gè)周期。同樣，開(kāi)關(guān)又上接從移位寄存器2移出，從移位寄存器1移出，兩者經(jīng)模2加（1）得監(jiān)督碼，加到模2加（2），這時(shí)開(kāi)關(guān)下接讓接收的也加到模2加（2），產(chǎn)生。從移位寄存器3移出，到達(dá)寄存器3的輸入，兩者都加到與門(mén)。如和都是1，與門(mén)通過(guò)1，加到模2加（3）。如果和不都是1，則與門(mén)把0加到模2加（3）。這時(shí)正好到達(dá)模2加（3），因?yàn)橐寻l(fā)生差錯(cuò)，例如由0錯(cuò)成1，4.2.3卷積碼2023/2/564現(xiàn)在正交運(yùn)算器產(chǎn)生的1，可以把的1糾正為原來(lái)的為0的狀態(tài)（或把的0糾正為原來(lái)的1），得到正確信息碼輸出。同樣，如有錯(cuò)，則和都是1，正交運(yùn)算器也通過(guò)1，把它加到模2加（3），糾正還原成。4.2.3卷積碼2023/2/5651．Turbo碼Turbo碼的基本原理是通過(guò)編碼器的巧妙構(gòu)造，即多個(gè)子碼通過(guò)交織器進(jìn)行并行或串行級(jí)聯(lián)（PCC/SCC），然后以類(lèi)似內(nèi)燃機(jī)引擎廢氣反復(fù)利用的機(jī)理進(jìn)行迭代譯碼，從而獲得卓越的糾錯(cuò)性能，Turbo碼也因此得名。它不僅在信噪比較低的高噪聲環(huán)境下性能優(yōu)越，而且具有很強(qiáng)的抗衰落、抗干擾能力，其糾錯(cuò)性能接近香農(nóng)極限。這使得Turbo碼在信道條件較差的移動(dòng)通信系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。4.2.4其他信道編碼

2023/2/566輸入的數(shù)據(jù)比特流直接輸入到編碼器1，同時(shí)也把這數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)交織器重新排列次序后輸入到編碼2。由這兩組編碼器產(chǎn)生的奇偶校驗(yàn)比特，連同輸入的信息比特組成Turbo碼編碼器的輸出。其編碼率為1/3圖4-15Turbo碼編碼原理圖4.2.4其他信道編碼

2023/2/567圖中b為帶噪聲的系統(tǒng)比特，Z1、Z2是兩個(gè)帶噪聲的奇偶校驗(yàn)比特。Turbo碼譯采用后驗(yàn)概率譯碼APP。兩個(gè)譯碼器均采用BCJR算法。圖4-16Turbo碼譯碼原理圖4.2.4其他信道編碼

2023/2/5684.2.4其他信道編碼

2．網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM）網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)是通過(guò)把有限狀態(tài)編碼器和有冗余度的多進(jìn)制調(diào)制器結(jié)合起來(lái)，可在不擴(kuò)展占用帶寬的前提下獲得可觀的編碼增益。如圖4-17所示。圖4-172023/2/569采用R=2/3卷積碼和8PSK調(diào)制結(jié)合，未編碼流為2比特(a,b)本來(lái)可以采用4個(gè)狀態(tài)的4PSK信號(hào)來(lái)傳送，現(xiàn)經(jīng)過(guò)R=2/3卷積碼編碼后增加一個(gè)比特，變成3比特(a,b,c)，采用具有8個(gè)狀態(tài)的8PSK來(lái)傳送。由此可見(jiàn)，編碼后增加的冗余度不是通過(guò)提高碼元速率實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò)擴(kuò)展信號(hào)空間的狀態(tài)數(shù)實(shí)現(xiàn)的，這樣就可以在保持占有帶寬不變的情況下獲得編碼增益。4.2.4其他信道編碼

2023/2/5704.3交織編碼

突發(fā)錯(cuò)誤是指一個(gè)錯(cuò)誤序列，錯(cuò)誤序列的長(zhǎng)度稱(chēng)為突發(fā)長(zhǎng)度。交織編碼設(shè)計(jì)思路不是為了適應(yīng)信道，而是為了改造信道；它是通過(guò)交織與去交織將一個(gè)有記憶的突發(fā)信道，改造為基本上是無(wú)記憶的隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)的信道，然后再用隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)的糾錯(cuò)碼來(lái)糾錯(cuò)。圖4-17分組交織碼的實(shí)現(xiàn)框圖2023/2/571假設(shè)發(fā)送一組信息流交織存儲(chǔ)器為一交織存儲(chǔ)矩陣，它按列寫(xiě)入，按行讀出。交織存儲(chǔ)器輸出到突發(fā)信道的信息為4.3交織編碼

2023/2/572假設(shè)突發(fā)信道產(chǎn)生兩個(gè)突發(fā)：第一個(gè)突發(fā)產(chǎn)生于連錯(cuò)五位；第二個(gè)突發(fā)產(chǎn)生于連錯(cuò)四位。突發(fā)信道輸出信息為z,可表示為進(jìn)入去交織存儲(chǔ)器后，它按行寫(xiě)入，按列讀出。4.3交織編碼

2023/2/573去交織存儲(chǔ)器輸出為有上述分析可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)交織存儲(chǔ)器與去交織存儲(chǔ)器變換后，原來(lái)信道中突發(fā)5位連錯(cuò)和突發(fā)4位連錯(cuò)，變成了中的隨機(jī)性的獨(dú)立差錯(cuò)。4.3交織編碼

2023/2/574GSM系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)形成GSM系統(tǒng)終端設(shè)備BTS的信號(hào)形成過(guò)程與GSM移動(dòng)臺(tái)MS的基本相同GSM移動(dòng)臺(tái)原理框圖如下：4.4GSM數(shù)字信號(hào)的形成2023/2/575過(guò)程：發(fā)送部分電路由信源編碼、信道編碼、交織、加密、突發(fā)脈沖串形成等功能模塊完成基帶數(shù)字信號(hào)的形成過(guò)程。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制及上變頻、功率放大，由天線將信號(hào)發(fā)射出去。接收部分電路由高頻電路、數(shù)字解調(diào)等電路組成。數(shù)字解調(diào)后，進(jìn)行Viterbi均衡、去交織、解密、話音解碼，最后將信號(hào)還原為模擬信號(hào)4.4GSM數(shù)字信號(hào)的形成2023/2/5761語(yǔ)音編碼用于將模擬話音信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)話音編碼器類(lèi)型三種類(lèi)型：波形編碼、參量編碼和混合編碼GSM系統(tǒng)采用混合編碼方式------規(guī)則脈沖激勵(lì)長(zhǎng)期線性預(yù)測(cè)（RPE-LTP）語(yǔ)音信號(hào)處理：模數(shù)變換A/D：在MS中，PCM編碼。根據(jù)抽樣定理fs≥2fm

，輸出：8KHz，13bit信號(hào)4.4GSM數(shù)字信號(hào)的形成2023/2/577在BTS中，8bit的A律量化轉(zhuǎn)變?yōu)?3bit均勻量化信號(hào)在BTS中，8bit的A律量化轉(zhuǎn)變?yōu)?3bit均勻量化信號(hào)分段：按20ms分段有聲段，進(jìn)行語(yǔ)音編碼產(chǎn)生語(yǔ)音幀無(wú)聲段，分析背景噪聲，產(chǎn)生靜寂描述幀SID，在語(yǔ)音結(jié)束時(shí)發(fā)射RPE-LTP語(yǔ)音編碼過(guò)程：RPE-LTP語(yǔ)音編碼過(guò)程如下圖：4.4GSM數(shù)字信號(hào)的形成2023/2/5784.4GSM數(shù)字信號(hào)的形成2023/2/579RPE-LTP語(yǔ)音編碼過(guò)程：數(shù)模變換預(yù)處理線