衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術（信號傳輸與處理技術）.ppt

1、衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術,陳振國 楊鴻文 郭文彬 編著 北京郵電大學出版社,第5章 信號傳輸與處理技術,5.1.信源技術 5.2.數(shù)字信號調制 5.3.信道編碼 5.4.差錯控制,本節(jié)將簡要回顧數(shù)字通信中信號處理的信源處理技術、信號調制技術和信道編碼技術，最后介紹信道差錯控制技術。,5.1 信源技術,信源處理主要包括對信源的數(shù)字化、信源編碼，信源編碼的目的是為了盡量減小信源的冗余度,5.1.1 信源及其編碼,1、語音信號及其編碼 話音信號的處理包括抽樣、量化、編碼。 語音編碼可以分成兩大類，一類是波形編碼，另一類是參量編碼，即聲碼器。,1、語音信號及其編碼,語音質量 波形編碼 LPC聲碼器 LPC聲

2、碼器的改進 音樂信號,2、靜止圖象信號,一幅數(shù)字圖象可以看成是一個象素序列。當圖象是黑白時，每個象素的值只用灰度值表示就可以了，而當圖象是彩色時，每個象素必須用三個值表示，通常為象素的RGB或YUV值。,JPEG系統(tǒng)算法,通過離散余弦變換減少圖象數(shù)據(jù)的相關性。 利用人眼視覺特性對系數(shù)進行自適應量化。 對每個子塊量化后的系數(shù)矩陣進行Z形掃描，將系數(shù)矩陣變換成“符號”序列。 用Huffman變長編碼對“符號”序列進行熵編碼。,JPEG處理框圖,3.電視信號,電視信號包括兩部分：視頻信號和音頻信號。,(1)彩色電視信號,視頻信號可以看成是圖象序列。,電視信號的功率譜密度,(2)視頻編碼技術,視頻編碼

3、的主要目的是在保證一定重構質量的前提下，以盡量少的比特數(shù)來表征視頻信息。,MEPG2視頻編碼框圖,預測編碼的原理,5.1.2 多媒體信號,多媒體信號集中了文字、語音、視頻、圖象等多種媒體數(shù)據(jù)信息。 多媒體的關鍵特性在于信息載體的多樣性、交互性和集成性。,5.1.3 數(shù)據(jù)信號及壓縮技術,Huffman編碼 游程編碼（RLE） Lampel-Ziv-Welch編碼（LZW）,5.2 數(shù)字信號調制,數(shù)字信號的調制可分為幅度、相位、頻率調制，在調制過程中，由于信道的帶寬限制，還需要將調制信號進行適當濾波，以限制調制后信號的帶寬。,衛(wèi)星通信系統(tǒng)框圖,對調制方式的要求,要求調制后的信號波形具有恒包絡特性。

4、 調制技術最好具有高的功率有效性和頻譜效率，即具有較好的抗干擾能力和頻帶利用率。,5.2.1 相位調制,相位調制信號是用基帶信號去調制載波的相位而形成的調制信號，相位調制信號具有恒包絡的特點。 衛(wèi)星通信中常用的相位調制包括：BPSK、QPSK、OQPSK、/4-QPSK。,在單個碼元時間內，相位調制信號可以表示成如下,BPSK、QPSK、8PSK星座圖,1.二進制調相信號,BPSK信號將二進制符號0、1分別對應載波的0、相位，可以表示成：,對于 為矩形的情況，即基帶信號為雙極性NRZ碼時，BPSK信號的功率譜密度為,BPSK信號的相干解調,2.四進制調相信號,QPSK信號可表示成：,QPSK調

5、制與解調框圖,3.偏移QPSK信號,OQPSK信號調制,4. /4-DQPSK信號,/4-DQPSK 調制采用相差為/4的兩個QPSK星座映射，其調制符號前后相差最多為3/4。目,(1)/4-DQPSK信號及調制,/4-DQPSK信號調制,/4-DQPSK星座圖,為了抑制已調信號的帶外輻射，在/4-DQPSK同相和正交支路中分別加入一個具有線性相位特性和平方根升余弦幅頻特性的低通濾波器,/4-DQPSK信號可以寫成如下形式：,(2)/4-DQPSK信號的解調,/4-DQPSK差分解調,5.2.2 頻率調制,1. 多載波調制 設中心頻率為 ，帶寬為W的信道采用N個子載波的OFDM技術，每個子載波

6、占用帶寬 ，每個子載波上的符號速率為 ，碼元間隔 ，其中 ，則子載波,設 時間內各子載波上傳輸?shù)姆枮?， 是復包絡信號，則OFDM信號可以表示成：,等效基帶信號為,用DFT實現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)框圖,2.連續(xù)相位頻移鍵控,CPFSK信號可以寫成如下形式：,3.最小移頻鍵控,MSK信號可以寫成如下形式,MSK信號的相位路徑,MSK信號也可以表示成正交調制形式，即,MSK正交調制法,MSK正交解調法,4. GMSK信號,GMSK調制,預調制濾波器必須具備以下特點,帶寬窄且具有陡峭的截止特性； 沖激響應的過沖??； 濾波器輸出脈沖面積為一常量，該常量對應的一個碼元內載波相移為。,GMSK中采用的預濾波器

7、為高斯低通濾波器，其沖激響應為：,5.2.3 各種調制的性能及功率譜,QPSK等信號雖然具有窄的主瓣帶寬，但帶外衰減慢，而MSK具有較快的帶外衰減，GMSK的帶外衰減就更快了。,調制信號功率譜密度,5.3 信道編碼,信道編碼一般可以分成兩大類，即分組碼和卷積碼。,5.3.1. 基本知識,域 有限域GF 有限域上的多項式,5.3.2 線性分組碼,一、線性分組碼的概念及性質 若碼字 ， ， ，滿足線性條件 則稱該（n，k）碼為線性分組碼。,二、線性分組碼的譯碼,當信道傳輸出現(xiàn)差錯后，則接收到的碼字 ，接收端通過校驗矩陣進行校驗運算，即 ，S稱為校驗子， 只與差錯向量E有關，因此可以通過校驗子S的值

8、來檢驗傳輸是否出現(xiàn)差錯或對差錯進行糾正。,三、漢明碼及其設計,漢明碼是一類能糾正一個傳輸錯誤的線性分組碼，若校驗子的列數(shù)為n-k，則校驗子可以對應錯誤向量E的 種情況，錯誤向量E中為1的位置表示傳輸出現(xiàn)差錯。,四、碼距及其與糾錯、檢錯能力的關系,設 為輸入碼字空間， 為輸出碼字空間，（n，k）編碼規(guī)則：IC為一一映射。若 ， 表示碼字 第k個比特的值。,定義1、碼字間的漢明距,定義2、碼字的碼重 碼字中的比特1的個數(shù),定義3、最小碼距 碼空間中任意兩個碼字間最小的漢明距。即,檢測e個錯誤的最小碼距,糾t個錯誤的最小碼距,糾t個檢e的最小碼距,5.3.3 循環(huán)碼,循環(huán)碼是一類特殊的線性分組碼，它

9、的特點是具有循環(huán)性，即任何許用碼字的循環(huán)移位仍然是一個許用碼字。,一、循環(huán)碼的結構,碼字 的碼多項式如下：,碼字 的循環(huán)移位i計為,則,定理一,GF（2）上的循環(huán)碼（n，k）具有唯一的生成多項式 ，且 為該循環(huán)碼中最低冪次的碼字多項式，循環(huán)碼中的其他碼字可以表示成 。,定理二,（n，k）循環(huán)碼的生成多項式 是多項式 的因子，且冪次為n-k。,二、循環(huán)碼的生成矩陣與監(jiān)督矩陣,非系統(tǒng)碼的生成矩陣 系統(tǒng)碼的生成矩陣,三、循環(huán)碼的編碼和譯碼,1.系統(tǒng)循環(huán)碼的編碼器 系統(tǒng)循環(huán)碼最容易實現(xiàn)的方式是將信息碼多項式升n-k次冪后除以生成多項式，然后將所得余式置于升冪后的信息多項式后。,2.循環(huán)碼的譯碼,用于糾

10、錯目的的循環(huán)碼譯碼器原理 用于檢錯目的，然后用ARQ方式的循環(huán)碼的原理,BCH碼,BCH碼是一種特殊的循環(huán)碼，其特點是能夠根據(jù)所需要的糾錯能力構造循環(huán)碼。,一、BCH碼的生成多項式,BCH碼的生成多項式 ,若含有以下 個連續(xù)根： 則由 生成的（n, k）循環(huán)碼稱為BCH碼。,通常，若 含有一個本原多項式，則碼長為 ，我們稱這類BCH碼為本原BCH碼；若碼長為 的因子，則該碼稱為非本原BCH碼。,二、BCH譯碼,BCH的譯碼可以按照下面的步驟進行： 根據(jù)接收到的r(x)計算校驗子 由校驗子確定出錯誤圖樣E。 根據(jù)錯誤圖樣E，得到譯碼結果C=R-E,RS碼,RS碼實際上也是循環(huán)碼，但RS碼是定義在

11、非二進制域上的循環(huán)碼，RS碼是定義在多進制域上的BCH碼。,RS碼的生成多項式,5.3.4 卷積碼,卷積碼的糾錯性能隨N的增加而增大，而差錯率隨N的增加而指數(shù)下降。在編碼器復雜性相同的情況下，卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。,1.卷積碼的結構和描述,卷積碼結構示意圖,卷積碼的描述,描述卷積碼的方法有兩類：圖解法和解析表示。圖解法包括：樹圖、狀態(tài)圖、網(wǎng)格圖。解析法包括：矩陣形式、生成多項式形式。,（7，5）卷積碼結構,（7，5）卷積碼樹圖,（7，5）卷積碼狀態(tài)圖,（7，5）卷積碼網(wǎng)格圖,生成多項式表示,定義 ， ，則上述結構為 ， ，這里用8進制表示,定義,設輸入信息 的多項式為 ，則可以得到輸出 最終

12、輸出是 的相同次數(shù)項的排列。,2.卷積碼的傳輸函數(shù),卷積碼也是線性碼，輸出碼的最小碼重決定了卷積碼的最小碼距。計算卷積碼的碼距特性可以通過考察卷積碼的傳輸函數(shù)來得到，并且通過傳輸函數(shù)還可以估計卷積碼的性能。,（7，5）卷積碼狀態(tài)圖,（7，5）卷積碼流圖,令 表示a狀態(tài)下的狀態(tài)值，則,由上解得,系統(tǒng)傳輸函數(shù)為,3 .卷積碼的譯碼及其性能,代數(shù)譯碼：根據(jù)卷積碼的本身編碼結構進行譯碼，譯碼時不考慮信道的統(tǒng)計特性。 概率譯碼：這種譯碼在計算時要考慮信道的統(tǒng)計特性。,1.概率譯碼的思路,最大似然序列譯碼 硬判決 軟判決,2.Viterbi譯碼算法,設卷積碼的狀態(tài)數(shù)為，在時刻k各狀態(tài)的計算如下：,3.卷積

13、碼的性能,如果譯碼出現(xiàn)差錯時，卷積譯碼器輸出錯誤序列，當采用2PSK時，卷積碼的性能界可以由下式計算：,5.3.5. 級聯(lián)碼,根據(jù)香農信道編碼定理，任何小于信道容量的數(shù)字通信，總可以找到一種編碼方法，達到任意小誤碼的通信。,1.Turbo碼,Turbo碼是并行的級聯(lián)碼，通過交織器將兩個并行的卷積碼支路聯(lián)合起來。,Turbo碼編碼器(7,5),urbo碼譯碼器,2. 串行級聯(lián)碼,串行級聯(lián)碼編碼器結構,串行級聯(lián)碼譯碼器結構,5.3.6.編碼調制,1.TCM 格形編碼調制（TCM）是結合多進制調制與卷積編碼的一種方法，它最早由Ungerboeck171819提出，目前作為ITU的標準，已廣泛應用于Modem的傳輸，,一、TCM編碼,TCM編碼示意圖,8PSK星座劃分,TCM編碼器基本結構,2/3卷積碼格圖,2/3卷積碼結構,二、 Turbo碼級聯(lián)高階調制,目前，結合Turbo碼和高階調制的方法有如下兩種：一種是Robertson提出的基于TCM結構形式的TTCM；另一種是PT-TCM結構。,TTCM結構,5.4. 差錯控制,5.4.1純ARQ（Pure ARQ） 為了適應不同的應用，純ARQ方式也有多種形式，主要有等待重發(fā)方式、回溯N重發(fā)方式、選擇重發(fā)方式。,一、 等待重發(fā)方式,等待重發(fā)ARQ方式,等待重發(fā)ARQ