第4章 語音編碼、信道編碼和交織

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

語音編碼

4.2信道編碼

4.3交織編碼2023/2/52語音編碼及信道編碼技術(shù)語音編碼和信道編碼是通信數(shù)字化的兩個重要技術(shù)領(lǐng)域。在移動通信數(shù)字化中，模擬語音信號的數(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章語音編碼、信道編碼和交織技術(shù)2023/2/532023/2/54圖GSM手機電路基本組成框圖2023/2/55圖

8210／8850型手機發(fā)射信號流程圖

2023/2/56圖

8210／8850型手機接收信號流程圖2023/2/574.1語音編碼4.1.1概述4.1.2語音信號特征4.1.3聲碼器4.1.4線性預(yù)測編碼器4.1.5移動通信中語音編碼器的選擇4.1.6GSM系統(tǒng)語音編碼器4.1.7IS-95系統(tǒng)語音編碼器2023/2/58信源編碼的定義與作用源編碼就是信源信號的模數(shù)（A∕D）變換，即將模擬的信源信號轉(zhuǎn)化成適于在信道中傳輸?shù)臄?shù)字信號形式。在數(shù)字系統(tǒng)中，信源編碼的基本目的就是通過壓縮信源產(chǎn)生的冗余信息來提高整個傳輸鏈路的有效性。2信源編碼的分類(1)根據(jù)信源信號是離散的信號還是連續(xù)的信號，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)信源信號是語音還是圖像，可以分為：①語音編碼；②圖像編碼。移動通信系統(tǒng)中，信源有語音信號、圖像（如可視移動電話）或離散數(shù)據(jù)(如短信息服務(wù))。本節(jié)主要講語音編碼。4.1.1概述

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4語音編碼語音編碼為信源編碼，是將模擬語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號以便在信道中傳輸。語音編碼技術(shù)通常分為三類：波形編碼、聲源編碼（或參量編碼）和混合編碼。波形編碼是對模擬語音波形信號經(jīng)過取樣、量化、編碼而形成的數(shù)字語音信號。為了保證數(shù)字語音信號解碼后的高保真度，波形編碼需要較高的編碼速率，一般在16～64kbit/s?？蓪Ω鞣N各樣的模擬語音波形信號進行編碼均可達到很好的效果。優(yōu)點：適用于很寬范圍的語音特性，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)測編碼（APC）等。聲源編碼是基于人類語言的發(fā)聲機理，找出表征語音的特征參量，對特征參量進行編碼的一種方法。在接收端，根據(jù)所接收的語音特征參量信息，恢復(fù)出原來的語音。由于參量編碼只需傳送語音特征參數(shù)，可實現(xiàn)低速率的語音編碼，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)測編碼（LPC)聲碼器。這技術(shù)可壓縮到2Kbit/s，缺點：在于語音質(zhì)量只能達到中等水平，不能滿足商用語音通信的要求。但語音質(zhì)量不夠好，故高速碼不用這種技術(shù)。對此，綜合參量編碼和波形編碼各自的長點，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，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)展的一類新的編碼技術(shù)。在混合編碼的信號中，既含有若干語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。當編碼速率在8～16kbit/s范圍時，其語音質(zhì)量可達到商用語音通信標準的要求?；旌暇幋a技術(shù)在數(shù)字移動通信中得到了廣泛應(yīng)用?；旌暇幋a包括規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編解碼器（RPE-LTP）、矢量和激勵線性預(yù)測編碼（VSELP）和碼激勵線性預(yù)測編碼（CELP）等。4.1.1概述

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

標準服務(wù)類型語音編碼器（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)字無繩電話ADPCM32DCS-1800個人通信系統(tǒng)RPE-LTP13PACS個人通信系統(tǒng)ADPCM324.1.1概述

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

聲碼器又稱為“參量編碼器”。聲碼器的數(shù)碼率可以壓縮到2.4kbit/s以下，但其語音質(zhì)量，特別是自然度，大大下降。自1939年來，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)測聲碼器等。研究最多是線性預(yù)測編碼聲碼器如圖4-2，也是應(yīng)用最廣泛的。線性預(yù)測聲碼器在發(fā)送端進行語音分析，每隔10-20ms取出一幀語音做請濁音區(qū)分和音調(diào)提取，已給出激勵信息，并計算出預(yù)測濾波器的各種參數(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)測器系數(shù)、音調(diào)周期、請濁音判決和增益系數(shù)。大多數(shù)線性預(yù)測聲碼器研究集中在1.2-2.4Kbit/s.理論和實踐都表明，用聲碼器進行語音通信，其語音質(zhì)量提高主要癥結(jié)在于模型的激勵信號。多年來，一直以準周期和白噪聲作為激勵源，這對提高語音質(zhì)量有障礙。混合編碼是新一代語音通信編碼器的發(fā)展方向。4.1.3聲碼器

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

4.1.4線性預(yù)測編碼器圖4-4MPLPC算法基本原理2023/2/524無論合成清音或濁音，激勵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，主觀聽覺上的語音質(zhì)量有明顯的提高。MPLPC必須進行量化編碼，它傳輸?shù)膬?nèi)容包括多脈沖激勵的脈沖位置和幅度、長時和短時預(yù)測器系數(shù)、音調(diào)周期等。MPLPC產(chǎn)生的語音質(zhì)量和比特率取決于提供一幀語音激勵信號的脈沖數(shù)目。多脈沖激勵方式要優(yōu)化眾多脈沖的位置與幅度參數(shù)，計算量大。

4.1.4線性預(yù)測編碼器2023/2/5252．碼激勵線性預(yù)測編碼（CELPC）

4.1.4線性預(yù)測編碼器圖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)字移動通信中，碼激勵的一種變型即矢量和激勵（VSELP）已成為美國和日本數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中的語音編碼標準。三種編碼技術(shù)同時存在通信系統(tǒng)中，波形編碼以其高質(zhì)量用于長途傳輸和寬帶語音；聲碼器以高效壓縮性用于保密通信；混合編碼以其獨有特性用于各種通信系統(tǒng)。4.1.4線性預(yù)測編碼器2023/2/5274.1.5移動通信中語音編碼器的選擇

在低比特率語音編碼中，有4個參數(shù)是很重要的，即比特率、質(zhì)量、復(fù)雜度和處理時延。1．語音質(zhì)量評估當前世界上流行的語音質(zhì)量評估方法是采用原CCITT提議的從1分到5分的主觀評定的方法。這就是“平均評價得分”（MeanOpinionScore）簡稱MOS。2023/2/528語音質(zhì)量評估圖4-6語音編碼的現(xiàn)狀4.1.5移動通信中語音編碼器的選擇

2023/2/5292．語音編碼器的復(fù)雜度和處理時延語音數(shù)字編碼的算法通常用數(shù)字信號處理器（DSP）來實現(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移動通信中語音編碼器的選擇

2023/2/5304.1.6GSM系統(tǒng)語音編碼器

1GSM系統(tǒng)語音編碼器性能要求（1）語音質(zhì)量對語音編碼最基本的要求就是用戶角度測試，在可工作的范圍內(nèi)，平均語音質(zhì)量應(yīng)至少不低于900MHz模擬移動系統(tǒng)。語音編碼算法應(yīng)具有很強的適應(yīng)頻譜以及電平變化的能力。語音編碼器能夠不受環(huán)境噪聲以及很多語音信號混雜的干擾。2023/2/531在移動臺轉(zhuǎn)接移動臺時，會出現(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。基于對頻率利用率和語音質(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)所確定的基本語音編碼的變碼器可將13位線性PCM碼流變換成16kbit/s的無線傳輸比特率。4.1.6GSM系統(tǒng)語音編碼器

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

2023/2/533（4）非話信號的傳輸語音編譯碼器沒有對語音頻段的數(shù)據(jù)做出要求，然而，必須要求語音編譯器能夠傳輸由網(wǎng)絡(luò)提供給用戶的各種音頻信號音，如撥號音、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音中的一些特征，將語音以及語音頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)一起協(xié)調(diào)的編碼算法必將降低語音的質(zhì)量。因此，在設(shè)計語音編碼器時，應(yīng)首先考慮語音的質(zhì)量，而對于語音頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)信號，則通過特殊的終端適配器來實現(xiàn)。4.1.6GSM系統(tǒng)語音編碼器

2023/2/534（5）傳輸時延造成傳輸時延的主要原因有以下兩方面。①

語音編碼的時延。②

無線分系統(tǒng)中的時延。為此對這兩種時延的限定各自可不超過65ms?？紤]到二／四線轉(zhuǎn)換阻抗不匹配會導致反射現(xiàn)象發(fā)生，上述的時延將給用戶帶來令人厭煩的回聲，因此需要采用回波抑制器來消除時延的影響。4.1.6GSM系統(tǒng)語音編碼器

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

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

2023/2/5374.1.7IS-95系統(tǒng)語音編碼器

QCELP是Qualcomm公司CDMA系統(tǒng)中的語音編碼標準IS-95。QCELP主要是使用碼表矢量量化差值信號，然后基于語音的激活程度產(chǎn)生一個可變的輸出數(shù)據(jù)速率。2023/2/5384.1.8移動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中的變速率碼激勵線性預(yù)測編碼(CELP)IS-95中的CELP技術(shù)通過四個等級的變速率編碼實現(xiàn)話音激活，即使用者發(fā)聲時進行全速率(9.6kbps)編碼，而不發(fā)聲時僅僅傳遞八分之一（1.2kbps）的背景噪聲，以降低功耗和對其他用戶的干擾。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)用需求的變化動態(tài)調(diào)整編碼速率，例如在信道條件惡化時，降低編碼速率，通過犧牲話音品質(zhì)以拿出更多的無線資源用于更可靠的信道編碼以保證基本的語音可懂，而在信道條件好的時候則采用較高的編碼速率保證話音品質(zhì)。4.1.8移動通信中的信源編碼舉例2023/2/540(3)CDMA2000演進系統(tǒng)中的可選擇模式語聲編碼（SMV）SMV用于CDMA2000演進系統(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（標準模式）、Mode2（經(jīng)濟模式）、Mode3（容量節(jié)省模式），不同的模式實現(xiàn)不同程度的話音質(zhì)量和平均速率的折中，通過調(diào)整不同等級速率所占的比例實現(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的高演進版本中，視頻通信業(yè)務(wù)采用了H.264/AVC（高級視頻編碼）視頻壓縮標準。3G系統(tǒng)中的視頻信源編碼H.264H.264從某種程度上看是MPEG的擴展。在H.264中，一幅圖像可編碼成一個或者若干個片(slice，此處與幀的含義相同），每個slice包含整數(shù)個MB（MacroBlock），相當于一個完整圖像中的不同區(qū)域，編碼片（slice）共有5中不同的類型，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RTP數(shù)據(jù)包中通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。在DPM中，每個slice中的MB間彼此聯(lián)系，利用相鄰MB存在空間相關(guān)性來進行幀內(nèi)預(yù)測編碼。將圖像數(shù)據(jù)分成動態(tài)矢量數(shù)據(jù)（即基本層，需要更好的差錯保護）以及剩余的信息。4.1.8移動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)包中通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。其中，PartA中包含最重要的slice頭信息，MB頭信息，以及動態(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)的和隨機的差錯。信道編碼是通過在發(fā)送信息時加入冗余的數(shù)據(jù)位來改善信道鏈路的性能的。在發(fā)射機的基帶部分，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行調(diào)制以便在無線信道中傳送。信道編碼的檢錯和糾錯是利用傳輸數(shù)據(jù)的冗余量來實現(xiàn)的。2023/2/546用于檢測錯誤的信道編碼稱做檢錯編碼；可糾錯的信道編碼被稱做糾錯編碼。信道編碼是通過增加相關(guān)的冗余數(shù)據(jù)來提高系統(tǒng)性能，也就是以增加傳輸帶寬為代價來取得編碼增益的。檢錯碼和糾錯碼有兩種基本類型：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90年代出現(xiàn)Turbo碼把調(diào)制和編碼看作是一個整體來考慮的網(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：信道指信號傳輸?shù)拿劫|(zhì)。通信系統(tǒng)可為有線（包括光纖）通信和無線通信兩大類。（1）有線信道：雙絞線，同軸電纜，光纖。特點是低損耗，傳輸頻帶寬。（2）無線信道：光視距、微波、短波、中號波、衛(wèi)星通信等。（3）狹義信道：有線信道和無線信道的總稱（4）廣義信道：擴大范圍象天線、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）無記憶信道：是隨機差錯，即前后碼元發(fā)生差錯是獨立、互不依賴，產(chǎn)生這種差錯的信道稱為無記憶信道。（6）有記憶信道：是一種突發(fā)差錯，即前后碼元發(fā)生差錯有關(guān)聯(lián)性，一個差錯出現(xiàn)影響后面差錯的出現(xiàn)，產(chǎn)生這種差錯的信道稱為有記憶信道。例如發(fā)往信道序列00000000，受干擾后變成01100100，其中11001稱為差錯圖樣，這里突發(fā)長度是5。4.2.1

信道編碼原理2023/2/549（7）

二進對稱信道（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，則這種信道稱二進對稱信道。如下圖4-8示：4.2.1信道編碼原理圖4-82023/2/550（8）不對稱二進信道：反之，如兩種差錯可能性不等就稱為不對稱二進信道。（9）二進刪除信道：在傳輸過程中，凡受干擾而無法正確判為“0”或“1”碼，被刪除，這種信道稱二進刪除信道。2.碼組結(jié)構(gòu)碼元：二進制數(shù)據(jù)的每一位“0”碼或“1”碼。碼組：每一個m進制碼元由n位二進制碼的碼組代表，稱這n位為一個碼組。碼集：例如8種不同的3位二進制碼組稱為一個碼集。4.2.1信道編碼原理2023/2/551碼距：在任何兩個不同的碼組中，對應(yīng)碼位的碼元不同的個數(shù)，稱為這兩個碼組間的碼距。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）：一個碼集中兩個碼組間的距離有一最小值，稱為最小碼距。4.2.1信道編碼原理2023/2/552

3碼組檢錯和糾錯的基本原理

例子:(000),(001),(010),(011),(100),(101),(110),(111)(1)8個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，就成為其它碼組，收端不能察覺差錯，所以使用8個碼組的碼沒有抗干擾能力。(2)如果碼集中(000),(011),(101),(110)四個作為許用碼組,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，不論其差錯位置在何處，都變成禁用碼組，收端能發(fā)現(xiàn)差錯，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，收端能發(fā)現(xiàn)差錯，如果造成一位差錯，發(fā)現(xiàn)差錯且能糾正它?？垢蓴_力強。這種碼有可能糾正一位差錯，原因是碼組分成兩類：{(000),(001),(010),(100)}和{(111),(011),(101),(110)}。如(000)或(111)發(fā)生一位差錯，都不會超越任何一類的范圍。收端收到第一類中任一碼組就判為(000)，反之收到第二類中任一碼組，就判為(111)，所以說可自動糾正一位錯碼。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；或者可以發(fā)現(xiàn)一位差錯時并糾正一位差錯。在第一種情況中無抗干擾能力。在第二種情況中可以發(fā)現(xiàn)一位差錯，也表明有抗干擾能力。既然許用4個碼組，即代表4個消息，現(xiàn)用3位二進制碼有8個碼組，有一半多余度（多余碼元)?？梢娨胍欢ǘ嘤喽群蠹訌姶a的抗干擾能力。在第三種情況中，可以發(fā)現(xiàn)二位差錯，并糾正一位差錯，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圖4.9。分組編碼是把信息序列以k個碼元分組，通過編碼器將每組的k元信息按一定規(guī)律產(chǎn)生r個多余碼元(稱為檢驗元或監(jiān)督元)，輸出長n＝k十r的一個碼組。圖4.9

分組編碼2023/2/557要使信道編碼具有一定的檢錯或糾錯能力，必須加入一定的多余碼元。信息碼元先按組進行劃分，然后對各信息組按一定規(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關(guān)，這種編碼方法稱為分組編碼。

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圖中有兩級移位寄存器和一個模2加器。它的工作過程是：電子開關(guān)其換接周期正好是等于一位碼元時間，上半周期向上接，下半周期向下接。例如第一位已從第二級移位寄存器移出，而第二位已從第一級移位寄存器移出。這時開關(guān)向上接，一路經(jīng)開關(guān)輸出，另一路與進行模2加，按方程，當開關(guān)向下接時，經(jīng)開關(guān)輸出，完成一個周期時間。同理從寄存器2出，從寄存器1出，這時開關(guān)上接，一路經(jīng)開關(guān)輸出，另一路與前一碼元模2加得，當開關(guān)下接輸出，完成第二個周期，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）一起組成檢校子運算器。而移位寄存器3和一個與門組成正交運算器，作為判決之用，其輸出加上模2加（3），用作自動糾錯。這樣解碼器把接收的可能有差錯的卷積碼還原為正確的信息碼序列。4.2.3卷積碼2023/2/563解碼器工作過程是：電子開關(guān)上半周上接，讓信息碼進入移位寄存器，先經(jīng)過移位寄存器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），這時開關(guān)下半周下接，讓接收的也加到模2加，產(chǎn)生，完成一個周期。同樣，開關(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），這時開關(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，到達寄存器3的輸入，兩者都加到與門。如和都是1，與門通過1，加到模2加（3）。如果和不都是1，則與門把0加到模2加（3）。這時正好到達模2加（3），因為已發(fā)生差錯，例如由0錯成1，4.2.3卷積碼2023/2/564現(xiàn)在正交運算器產(chǎn)生的1，可以把的1糾正為原來的為0的狀態(tài)（或把的0糾正為原來的1），得到正確信息碼輸出。同樣，如有錯，則和都是1，正交運算器也通過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編碼器的巧妙構(gòu)造，即多個子碼通過交織器進行并行或串行級聯(lián)（PCC/SCC），然后以類似內(nèi)燃機引擎廢氣反復(fù)利用的機理進行迭代譯碼，從而獲得卓越的糾錯性能，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，而且具有很強的抗衰落、抗干擾能力，其糾錯性能接近香農(nóng)極限。這使得Turbo碼在信道條件較差的移動通信系統(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，同時也把這數(shù)據(jù)流經(jīng)過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是兩個帶噪聲的奇偶校驗比特。Turbo碼譯采用后驗概率譯碼APP。兩個譯碼器均采用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)是通過把有限狀態(tài)編碼器和有冗余度的多進制調(diào)制器結(jié)合起來，可在不擴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)本來可以采用4個狀態(tài)的4PSK信號來傳送，現(xiàn)經(jīng)過R=2/3卷積碼編碼后增加一個比特，變成3比特(a,b,c)，采用具有8個狀態(tài)的8PSK來傳送。由此可見，編碼后增加的冗余度不是通過提高碼元速率實現(xiàn)的，而是通過擴展信號空間的狀態(tài)數(shù)實現(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)錯誤是指一個錯誤序列，錯誤序列的長度稱為突發(fā)長度。交織編碼設(shè)計思路不是為了適應(yīng)信道，而是為了改造信道；它是通過交織與去交織將一個有記憶的突發(fā)信道，改造為基本上是無記憶的隨機獨立差錯的信道，然后再用隨機獨立差錯的糾錯碼來糾錯。圖4-17分組交織碼的實現(xiàn)框圖2023/2/571假設(shè)發(fā)送一組信息流交織存儲器為一交織存儲矩陣，它按列寫入，按行讀出。交織存儲器輸出到突發(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)生兩個突發(fā)：第一個突發(fā)產(chǎn)生于連錯五位；第二個突發(fā)產(chǎn)生于連錯四位。突發(fā)信道輸出信息為z,可表示為進入去交織存儲器后，它按行寫入，按列讀出。4.3交織編碼

2023/2/573去交織存儲器輸出為有上述分析可見，經(jīng)過交織存儲器與去交織存儲器變換后，原來信道中突發(fā)5位連錯和突發(fā)4位連錯，變成了中的隨機性的獨立差錯。4.3交織編碼

2023/2/574GSM系統(tǒng)的數(shù)字信號形成GSM系統(tǒng)終端設(shè)備BTS的信號形成過程與GSM移動臺MS的基本相同GSM移動臺原理框圖如下：4.4GSM數(shù)字信號的形成2023/2/575過程：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)字信號的形成過程。數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制及上變頻、功率放大，由天線將信號發(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，進行Viterbi均衡、去交織、解密、話音解碼，最后將信號還原為模擬信號4.4GSM數(shù)字信號的形成2023/2/5761語音編碼用于將模擬話音信號變成數(shù)字信號話音編碼器類型三種類型：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)則脈沖激勵長期線性預(yù)測（RPE-LTP）語音信號處理：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4.4GSM數(shù)字信號的形成2023/2/577在BTS中，8bit的A律量化轉(zhuǎn)變?yōu)?3bit均勻量化信號在BTS中，8bit的A律量化轉(zhuǎn)變?yōu)?3bit均勻量化信號分段：按20ms分段有聲段，進行語音編碼產(chǎn)生語音幀無聲段，分析背景噪聲，產(chǎn)生靜寂描述幀SID，在語音結(jié)束時發(fā)射RPE-LTP語音編碼過程：RPE-LTP語音編碼過程如下圖：4.4GSM數(shù)字信號的形成2023/2/5784.4GSM數(shù)字信號的形成2023/2/579RPE-LTP語音編碼過程：數(shù)模變換預(yù)處理線