第7章 差錯控制同步信道復(fù)用課件

1、2022-4-241第第7章章 差錯控制、同步及信道復(fù)用差錯控制、同步及信道復(fù)用 差錯控制差錯控制 同步同步 信道復(fù)用信道復(fù)用 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-242差錯控制的基本概念差錯控制的基本概念 差錯控制差錯控制在發(fā)送端被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息（信息碼）中增加一些多余的比特（監(jiān)督碼），并使信息碼與監(jiān)督碼間有某種確定關(guān)系。 接收端對信息碼與監(jiān)督碼之間的這種關(guān)系進(jìn)行校驗。 一旦傳輸發(fā)生差錯，則信息碼與監(jiān)督碼的關(guān)系就可能受到破壞，從而使接收端可以檢測（發(fā)現(xiàn)）以至糾正傳輸中產(chǎn)生的錯誤。 通過犧牲系統(tǒng)有效性來提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-243差錯類型差錯類型常見的錯誤類型有以

2、下三3種：（1）隨機(jī)錯誤 （2）突發(fā)錯誤（3）混合錯誤 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-244差錯控制的方式差錯控制的方式 常用的差錯控制方式主要有檢錯重發(fā)、前向糾錯和混合差錯控制三種。檢錯重發(fā) 在發(fā)送端，輸入的信息碼元在編碼器中被分組編碼（加入監(jiān)督碼）后，除了立即發(fā)送外，還暫存于緩沖存儲器中。 若接收端譯碼器檢出錯碼，則由譯碼器控制產(chǎn)生一個重發(fā)指令，指令經(jīng)過反向信道送到發(fā)送端。這時，由發(fā)送端重發(fā)控制器控制緩沖存儲器重發(fā)一次。 接收端僅當(dāng)譯碼器認(rèn)為接收信息碼元正確時，才將信息碼元送給收信者，否則在輸出緩沖存儲器中刪除接收碼元。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-245檢錯重發(fā)檢錯重發(fā) 當(dāng)譯碼器未

3、發(fā)現(xiàn)錯碼時，經(jīng)過反向信道發(fā)出不需重發(fā)指令。發(fā)送端收到此指令后，即繼續(xù)發(fā)送后一碼組，發(fā)送端的緩沖存儲器中的內(nèi)容也隨之更新。圖圖8-1 檢錯重發(fā)差錯控制系統(tǒng)的原理框圖檢錯重發(fā)差錯控制系統(tǒng)的原理框圖 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-246前向糾錯前向糾錯 接收端利用接收到的碼組中的監(jiān)督碼，判斷接收到的碼組有無錯誤以及錯誤的位置。 若有錯誤并且錯誤的數(shù)目在糾錯能力之內(nèi)，則譯碼器對錯誤進(jìn)行糾正后再將數(shù)字信息送給信宿。圖圖8-2 前向糾錯原理框圖前向糾錯原理框圖 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-247混合差錯控制混合差錯控制 混合差錯控制（HEC）是利用檢錯重發(fā)檢錯重發(fā)與前向糾錯前向糾錯兩種方式相結(jié)合的差

4、錯控制方式。 接收端收到碼組后，首先進(jìn)行錯誤檢測，如果檢測出的錯誤在該編碼的糾錯能力之內(nèi)，則自動對錯誤進(jìn)行糾正。如果檢測出的錯誤超過了該編碼的糾錯能力，則經(jīng)過反向信道請求發(fā)送端重新發(fā)送這組數(shù)據(jù)。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-248檢錯和糾錯的基本概念檢錯和糾錯的基本概念差錯控制編碼舉例 檢錯或糾錯能力與發(fā)送編碼中冗余碼的位數(shù)有關(guān)。監(jiān)督碼元越多，檢（糾）錯能力越強(qiáng)。 舉例差錯控制編碼的基本概念n差錯控制編碼按照編碼構(gòu)成方式的不同分為分組碼和卷積碼n分組碼通常用符號(n,k)表示，其中n是碼組的總位數(shù)，又稱為碼組長度；k表示碼組中信息碼元的數(shù)目。令r=n-k，表示監(jiān)督碼元個數(shù)。在二進(jìn)制編碼中，

5、通常分組碼都是k個信息碼元在前，r個監(jiān)督碼元附加在k個信息碼元之后，其結(jié)構(gòu)如圖8-4所示。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-249檢錯和糾錯的基本概念（續(xù)）檢錯和糾錯的基本概念（續(xù)）圖圖8-4 分組碼結(jié)構(gòu)圖分組碼結(jié)構(gòu)圖 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2410檢錯和糾錯的基本概念（續(xù)）檢錯和糾錯的基本概念（續(xù)）n在分組碼中，我們把碼組中“1”的數(shù)目稱為碼組的重量（簡稱碼重）n兩個碼組之間對應(yīng)位上數(shù)字不同的位數(shù)稱為碼距，又稱漢明距離。n最小碼距是指一種編碼中各個碼組間漢明距離的最小值，也叫做最小碼距d0。一種編碼的最小碼距d0的大小直接關(guān)系著這種編碼的檢錯和糾錯能力，具體關(guān)系如圖8-5所示。 信

6、息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2411檢錯和糾錯的基本概念（續(xù)）檢錯和糾錯的基本概念（續(xù)）圖圖8-5 碼距與檢錯和糾錯能力的關(guān)系碼距與檢錯和糾錯能力的關(guān)系 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2412檢錯和糾錯的基本概念（續(xù)）檢錯和糾錯的基本概念（續(xù)）01de021dt （1）為檢測e個錯誤，要求最小碼距 （2）為糾正t個錯誤，要求最小碼距 （3）為糾正t個錯誤，同時檢測e個錯誤，要求最小碼距01()detet 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2413檢錯和糾錯的基本概念（續(xù)）檢錯和糾錯的基本概念（續(xù)） 編碼效率是指一個碼組中信息位所占的比例，用R表示。 R越大，編碼效率越高，但檢糾錯能力越差。

7、kkRnkr 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2414同步同步 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，同步是指收發(fā)雙方在時間和頻率上步調(diào)一致。 接收端在進(jìn)行信號檢測之前，需要建立各種同步，包括載波同步、位同步和群同步等。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2415載載 波波 同同 步步 相干解調(diào)必須有載波同步。載波同步的方法可以分為兩大類。第一類是在發(fā)送端的發(fā)送信號中插入一個專門用于載波同步的導(dǎo)頻。 導(dǎo)頻通常是一個或幾個特定頻率的未經(jīng)調(diào)制的正弦波。 在接收端提取出導(dǎo)頻，利用此導(dǎo)頻的頻率和相位來決定本地產(chǎn)生的載波頻率和相位。 第二類是在接收端設(shè)法從有用信號中直接提取出載波，而不用發(fā)送專門的導(dǎo)頻。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2

8、022-4-2416插入導(dǎo)頻法插入導(dǎo)頻法 插入導(dǎo)頻法主要用于接收信號頻譜中沒有離散載頻分量，且在載頻附近頻譜幅度很小的情況。 以2PSK信號為例， “0”和“1”等概發(fā)送時，2PSK可以看作是抑制載波的雙邊帶調(diào)幅。 在此方案中插入導(dǎo)頻的相位與原調(diào)制載波的相位正交，如圖9-1所示。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2417插入導(dǎo)頻法（續(xù)）插入導(dǎo)頻法（續(xù)）圖圖9-1 抑制載波雙邊帶信號的導(dǎo)頻插入抑制載波雙邊帶信號的導(dǎo)頻插入 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2418插入導(dǎo)頻法（續(xù)）插入導(dǎo)頻法（續(xù)）圖圖9-2 插入導(dǎo)頻法發(fā)端框圖插入導(dǎo)頻法發(fā)端框圖 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2419圖圖9-2中中

9、a點的波形點的波形 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2420圖圖9-2中中b點的波形點的波形 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2421圖圖9-2中中c點的波形點的波形 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2422插入導(dǎo)頻法收端方框圖插入導(dǎo)頻法收端方框圖 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2423各點波形各點波形圖圖9-7 收端收端a點的波形點的波形圖圖9-8 收端收端b點的波形點的波形 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2424各點波形（續(xù)）各點波形（續(xù)）圖圖9-9 收端收端c點的波形點的波形圖圖9-10 收端收端d點的波形點的波形 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2425直接法直接法 對于沒有載波分

10、量的信號，可以用非線性變換或其他處理方法得到包含與載波分量相關(guān)的離散頻率分量，再通過濾波，頻率分解與合成等處理后，可以獲得載波分量，這種方法稱為直接法，也稱為自同步法。 2PSK等信號最常用的直接法有平方變換法和平方環(huán)法。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2426平方變換法平方變換法c( )( )cose ts tt 在平方變換法中，接收到的2PSK信號可以表示為 s(t)為雙極性數(shù)字基帶信號，將此接收信號首先進(jìn)行平方運算 平方運算后的信號中包含載波二倍頻的離散分量和基帶信號的平方項，因而采用窄帶濾波器可提取出載波二倍頻的離散分量，再經(jīng)過二分頻，就得出載頻fc。22222cc11( )( )c

11、os ()( )( )cos(2)22etsttststt 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2427平方變換法提取載波原理框圖平方變換法提取載波原理框圖 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2428各點波形各點波形圖圖9-12 平方變換法中平方變換法中 a點波形點波形圖圖9-13 平方變換法中平方變換法中b點波形點波形 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2429各點波形（續(xù)）各點波形（續(xù)）圖圖9-14 平方變換法中平方變換法中c點波形點波形圖圖9-15 平方變換法中平方變換法中d點波形點波形 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2430載波同步系統(tǒng)的性能載波同步系統(tǒng)的性能 載波同步系統(tǒng)主要包括4個方面的

12、性能指標(biāo)，分別是效率、精度、同步建立時間和同步保持時間。 效率是指系統(tǒng)的功率利用率，即系統(tǒng)實現(xiàn)載波同步要盡量少消耗發(fā)送功率。 精度是指接收端提取的本地載波與接收信號中所含有的標(biāo)準(zhǔn)載波間的相位誤差，相位誤差越小，精度越高。 同步建立時間是指從開機(jī)或載波失步到載波同步所消耗的時間。 同步保持時間是指載波同步建立后，若同步信號消失，系統(tǒng)還能維持載波同步的時間。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2431本地載波相位誤差對解調(diào)性能的影本地載波相位誤差對解調(diào)性能的影響響 對解調(diào)性能的影響主要體現(xiàn)為所提取的本地載波與接收信號中的載波間有相位誤差 一般情況下，相位誤差 不僅引起信噪比下降，而且還引起輸出波形失

13、真。在數(shù)字通信中，波形失真會產(chǎn)生碼間干擾，使誤碼率大大增加，因此，應(yīng)盡可能使 減小。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2432位同步位同步 位同步也稱為碼元同步，是數(shù)字通信中接收端對收到的信號碼元進(jìn)行抽樣判決的時間基準(zhǔn)，位同步的精度對系統(tǒng)性能具有重要的影響。 同載波同步類似，位同步的方法也有兩種：插入導(dǎo)頻法和直接法。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2433插入導(dǎo)頻法插入導(dǎo)頻法 插入導(dǎo)頻法在此基帶信號（不歸零矩形脈沖）的頻率 處插入導(dǎo)頻，如圖所示s1T 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2434插入導(dǎo)頻法（續(xù)）插入導(dǎo)頻法（續(xù)） 在采用雙極性波形的基帶系統(tǒng)中，位同步的插入導(dǎo)頻法在發(fā)端的框圖如圖所示

14、圖圖9-18 插入導(dǎo)頻發(fā)端框圖插入導(dǎo)頻發(fā)端框圖 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2435插入導(dǎo)頻法（續(xù)）插入導(dǎo)頻法（續(xù)）圖圖9-22 接收端位同步信號提取框圖接收端位同步信號提取框圖 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2436位同步誤差對誤碼率的影響位同步誤差對誤碼率的影響 接收端提取的位同步信號與實際接收碼元的位置之間存在的時間誤差，使接收端對接收信號進(jìn)行抽樣的時刻偏離最佳判決時刻，從而使抽樣中所包含的有用信號分量數(shù)值減小，并且還可能引入碼間干擾，使進(jìn)入判決器的信號的信噪比下降，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增大。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2437幀幀 同同 步步 幀同步又稱為群同步，其主要任務(wù)就是從

15、接收碼元中識別數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束位置。 系統(tǒng)對幀同步的基本要求為： 正確同步概率大，假同步概率??； 初始同步時，捕獲時間要短； 捕捉后，同步保持時間要長； 在數(shù)據(jù)幀中專門用于同步的冗余度要小。 實現(xiàn)幀同步的方法通常有兩類，一類是外同步法，即在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼組作為每群的頭尾標(biāo)記，接收端根據(jù)這些特殊碼組的位置就可以實現(xiàn)幀同步；另一類方法是自同步法，類似于載波同步和位同步中的直接法，它不需要外加特殊碼組，利用數(shù)據(jù)本身所具有的特殊性質(zhì)來實現(xiàn)幀同步。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2438連貫式插入法連貫式插入法 連貫式插入法就是在一幀數(shù)據(jù)中的某一位置集中插入用于幀同步的特殊碼組，故又稱為

16、集中插入法。 幀同步的特殊碼組一般插入到一幀數(shù)據(jù)的起始位置。 接收端通過檢測幀同步碼組，確定一幀數(shù)據(jù)的起止位置，從而實現(xiàn)幀同步。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2439對幀同步碼組的要求對幀同步碼組的要求 為了達(dá)到系統(tǒng)對幀同步的基本要求，選擇幀同步碼組通?？紤]3個方面的原則：第一，幀同步碼組與信息碼元序列中同長度碼組相同的概率小，即將信息碼元誤認(rèn)為幀同步碼組的概率要??；第二，幀同步碼組的局部自相關(guān)函數(shù)應(yīng)該具有尖銳的單峰特性，即易于識別；第三，幀同步碼組的識別器應(yīng)該盡量簡單。 最常用的幀同步碼組是巴克碼，是一種具有特殊規(guī)律的二進(jìn)制碼組，是一種非周期序列。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-244

17、0巴克碼巴克碼 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2441巴克碼（續(xù)）巴克碼（續(xù)） 以5位巴克碼組 為例，其局部自相關(guān)函數(shù)R( j )在j = 0, 1, 2，3，4，5時的R( j )值分別為5, 0, 1，0，1，0。 其圖形如圖所示。 11101 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2442巴克碼（續(xù)）巴克碼（續(xù)） 根據(jù)巴克碼組具有尖銳的局部自相關(guān)特性，在接收端通常采用數(shù)字序列相關(guān)的方法進(jìn)行碼組識別，以獲得幀同步信號。 巴克碼組識別器是一個典型的數(shù)字序列相關(guān)器，它包括數(shù)字序列移位寄存器、加法器和判決器3個部分構(gòu)成。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2443巴克碼（續(xù)）巴克碼（續(xù)） 信息科學(xué)與技

18、術(shù)學(xué)院2022-4-2444幀同步性能幀同步性能 幀同步性能指接收端從接收到的數(shù)據(jù)幀中利用幀同步碼組識別器正確檢測出幀同步的性能。 幀同步常用的性能指標(biāo)有3個：漏同步概率、假同步概率和同步建立時間。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2445信道復(fù)用信道復(fù)用 復(fù)用是一種將若干個彼此獨立的信號，合并為一個可在同一信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號的方法。 接收端通過解復(fù)用將復(fù)合信號分離，傳送給不同的終端。 在通信系統(tǒng)中，根據(jù)合成復(fù)合信號的方法不同，復(fù)用主要分為頻分復(fù)用（FDM）、時分復(fù)用（TDM）、碼分復(fù)用（CDM）等。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2446頻頻 分分 復(fù)復(fù) 用用頻分復(fù)用原理 頻分復(fù)用（FD

19、M）是信道按照頻率區(qū)分信號，即將信道劃分成若干個相互不重疊的子頻帶，每個子頻帶占用不同的頻段，如圖10-1所示，然后將需要在同一信道上同時傳送的多個信號調(diào)制到不同的頻帶上 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2447頻頻 分分 復(fù)復(fù) 用（續(xù)）用（續(xù)）圖圖10-2 頻分復(fù)用系統(tǒng)組成原理圖頻分復(fù)用系統(tǒng)組成原理圖 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2448頻頻 分分 復(fù)復(fù) 用（續(xù)）用（續(xù)）圖圖10-1 頻分復(fù)用的子頻帶的劃分頻分復(fù)用的子頻帶的劃分 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2449有線載波群路標(biāo)準(zhǔn)有線載波群路標(biāo)準(zhǔn) 在長途載波電話中所采取的FDM群路標(biāo)準(zhǔn)（國際電聯(lián)（ITU-T）建議）如表10-1所示。

20、 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2450時分復(fù)用時分復(fù)用時分復(fù)用原理 時分復(fù)用（TDM）是按時間區(qū)分信號，即把時間劃分為若干時隙，各路信號占用各自的時隙，來實現(xiàn)在同一個信道上傳輸多路信號，如圖10-4所示。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2451時分復(fù)用（續(xù)）時分復(fù)用（續(xù)）圖圖10-4 TDM的時隙劃分示意圖的時隙劃分示意圖 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2452模擬時分復(fù)用模擬時分復(fù)用 模擬時分復(fù)用是利用一路抽樣信號的間隔時間傳輸其他路的抽樣信號來實現(xiàn)的，其實現(xiàn)的原理示意圖如圖所示。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2453數(shù)字時分復(fù)用數(shù)字時分復(fù)用 數(shù)字時分復(fù)用是將多路數(shù)字信號采用時間

21、劃分的方法合并在一個信道中傳輸。 語音信號的采樣速率通常為8kHz，即抽樣間隔時間（幀長）為125 。 若將每路抽樣值用8bit編碼，共有32路信號復(fù)用，則每秒的比特數(shù)等于8 000 8 32 = 2 048 kbit/s。 這個速率就是目前國際電聯(lián)（ITU-T）建議的PCM基群的一種標(biāo)準(zhǔn)速率，即PCM30/32路制式。s 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2454模擬時分復(fù)用（續(xù)）模擬時分復(fù)用（續(xù)）圖圖10-5 時分多路復(fù)用的原理示意圖（續(xù)）時分多路復(fù)用的原理示意圖（續(xù)） 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2455數(shù)字時分復(fù)用（續(xù)）數(shù)字時分復(fù)用（續(xù)） PCM30/32路制式實際上只能傳輸30路語

22、音信號，其他兩路信號是所需的幀同步、控制和信令等內(nèi)容。即在一個 的幀中劃分出32個時隙，每個時隙中都放置一路抽樣值的8bit編碼，具體安排如圖10-6所示。 時隙0用作幀同步，時隙16用作傳輸控制信號和信令，其他30個時隙用作傳輸30路語音信號。每秒傳輸8 000幀，故總傳輸速率為2 048kbit/s。125s圖圖10-6 PCM30/32路復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)路復(fù)用的幀結(jié)構(gòu) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2456數(shù)字時分復(fù)用（續(xù)）數(shù)字時分復(fù)用（續(xù)） 與FDM方式相比，TDM方式主要有以下兩個突出優(yōu)點：（1）多路信號的復(fù)接和分路都是采用數(shù)字處理方式實現(xiàn)，通用性和一致性好，比FDM的模擬濾波器分路簡單、可靠。（2）信道的非線性會在FDM系統(tǒng)中產(chǎn)生交調(diào)失真和高次諧波，引起路間串話。因此，要求信道的線性特性要好。而TDM系統(tǒng)對信道的非線性失真要求可降低。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022-4-2457碼碼