衛(wèi)星通信第4章v3

1、1 第第4章章 信號傳輸與處理技術信號傳輸與處理技術 4.1. 信源技術信源技術 4.2. 數(shù)字信號調制數(shù)字信號調制 4.3. 信道編碼信道編碼 4.4. 差錯控制差錯控制 4.5. 信號處理技術信號處理技術 2 概要 本章將簡要回顧數(shù)字通信中信號處理的本章將簡要回顧數(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信源處理技術、信號調制技術和信道編 碼技術，信道差錯控制技術碼技術，信道差錯控制技術, ,最后介紹數(shù)最后介紹數(shù) 字話音內插和回波控制技術。字話音內插和回波控制技術。 3 4.1 信源技術信源技術 信源處理主要工作信源處理主要工作 n對信源的數(shù)字化對信源的數(shù)字化 n信源編碼信源

2、編碼 信源編碼的目的信源編碼的目的 n盡量減小信源的冗余度盡量減小信源的冗余度 n對話音或圖像信號進行數(shù)據(jù)壓縮傳輸對話音或圖像信號進行數(shù)據(jù)壓縮傳輸 n降低系統(tǒng)的傳輸速率，提高通信系統(tǒng)效率降低系統(tǒng)的傳輸速率，提高通信系統(tǒng)效率 4 4.1.1 4.1.1 信源及其編碼信源及其編碼 1 1、語音信號及其編碼語音信號及其編碼 話音信號的處理話音信號的處理 u抽樣抽樣 u量化量化 u編碼編碼 語音編碼分類語音編碼分類 u波形編碼波形編碼 u參量編碼，即聲碼器參量編碼，即聲碼器 5 1、語音信號及其編碼語音信號及其編碼 語音質量語音質量 波形編碼波形編碼 LPC聲碼器聲碼器 LPC聲碼器的改進聲碼器的改進

3、 音樂信號音樂信號 6 語音質量評定方法語音質量評定方法 l 主觀評定法主觀評定法 （MOS） l 客觀評定法分等級客觀評定法分等級 語音質量語音質量 7 MOS語音質量語音質量信號畸變的感覺信號畸變的感覺 5非常好非常好無無 4好好在可接受的范圍內在可接受的范圍內 3中中輕微的討厭感輕微的討厭感 2差差很討厭，但可忍受很討厭，但可忍受 1很差很差無法忍受無法忍受 語音質量主觀評分等級（語音質量主觀評分等級（MOS） （mean opinion score） 語音質量語音質量 8 MOS等級等級語音質量語音質量 44.5優(yōu)優(yōu)長途電話質量長途電話質量 3.5良良通信質量通信質量 3.0以下以下差

4、差合成語音質量合成語音質量 語音質量主觀評分等級（語音質量主觀評分等級（MOS） 語音質量語音質量 9 DRT語音質量語音質量 95% +優(yōu)優(yōu) 8594%良良 7584%中中 6574%差差 65% -不接受不接受 判斷韻字測試（判斷韻字測試（DRT） 側重話音清晰度或可懂度的測試，百分制側重話音清晰度或可懂度的測試，百分制 語音質量語音質量 10 判斷滿意度測試（判斷滿意度測試（DAM） 在多種條件下對話音質量可接受程度的在多種條件下對話音質量可接受程度的 綜合評價，采用百分評測。綜合評價，采用百分評測。 語音質量語音質量 11 1、語音信號及其編碼語音信號及其編碼 語音質量語音質量 波形編

5、碼波形編碼 LPC聲碼器聲碼器 LPC聲碼器的改進聲碼器的改進 音樂信號音樂信號 12 波形編碼是直接將時域信號變成為數(shù)字波形編碼是直接將時域信號變成為數(shù)字 代碼的一種編碼方式代碼的一種編碼方式 n PCM n DPCM n M n ADPCM 速率速率1664kbps 波形編碼波形編碼 13 1、語音信號及其編碼語音信號及其編碼 語音質量語音質量 波形編碼波形編碼 LPC聲碼器聲碼器 LPC聲碼器的改進聲碼器的改進 音樂信號音樂信號 14 LPC聲碼器聲碼器 LPC（線性預測編碼）聲碼器是參（線性預測編碼）聲碼器是參 數(shù)編碼的一種主要形式數(shù)編碼的一種主要形式 參數(shù)編碼是以發(fā)音機制模型作為基參

6、數(shù)編碼是以發(fā)音機制模型作為基 礎的，用礎的，用15個參數(shù)構造結構模型個參數(shù)構造結構模型 壓縮后的速率可達壓縮后的速率可達2.4kbps 15 1、語音信號及其編碼語音信號及其編碼 語音質量語音質量 波形編碼波形編碼 LPC聲碼器聲碼器 LPC聲碼器的改進聲碼器的改進 音樂信號音樂信號 16 改進的改進的LPC聲碼器聲碼器 CELP(碼激勵線性預測編碼碼激勵線性預測編碼) 16kbps，MOS 4 4.8kbps，MOS 3.5 VSELP(矢量和激勵線性預測編碼矢量和激勵線性預測編碼) 8kbps，MOS 3 IMBE(增強多子帶激勵增強多子帶激勵) 6.4kbps，MOS 3.4 17 通信

7、系統(tǒng)中語音編碼應用通信系統(tǒng)中語音編碼應用 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)語音編碼語音編碼語音速率語音速率(kbps)語音質量語音質量MOS PSTNPCM644.3 DECTADPCM324.1 IS95，GlobalStarQCELP8，4，2，1 3.31 GSM2+，UMTSARM10.2, 7.95, 6.7, DAMPSVSELP83.5 Inmarsat-MVSELP4.8 ICOVSELP3.6 IridiumVSELP2.4 GSMRPE-LTP134.0 表5 -1 微 波 與 衛(wèi) 星 系 統(tǒng) 中 所 使 用 的 語 音 編 碼 應 用 場 合 語 音 編 碼 速 率

8、 / （ k b /s ） 語 音 編 碼 方 法 長 途 通 信 網(wǎng) （ 微 波 與 衛(wèi) 星 ） 6 4 3 2 1 6 P C M A D P C M 低 時 延 碼 L D -C E L P 移 動 通 信 4 .8 1 6 1 3 .2 8 C E L P R P E -L T P V S E L P 衛(wèi) 星 移 動 通 信 1 6 1 6 6 .4 4 .8 8 2 .4 4 .8 L D -C E L P A P C L P C V S E L P 多 帶 激 勵 M B E 19 1、語音信號及其編碼語音信號及其編碼 語音質量語音質量 波形編碼波形編碼 LPC聲碼器聲碼器 LPC

9、聲碼器的改進聲碼器的改進 音樂信號音樂信號 20 音樂信號的編碼音樂信號的編碼 音樂節(jié)目信號帶寬音樂節(jié)目信號帶寬 40Hz 15kHz 音樂信號抽樣頻率音樂信號抽樣頻率 32kHz 44.1kHz 48kHz 音樂信號典型編碼方法音樂信號典型編碼方法 MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 ITU建議的衛(wèi)星廣播音樂編碼方法建議的衛(wèi)星廣播音樂編碼方法 抽樣頻率抽樣頻率32kHz，量化，量化14bit， PCM編碼編碼 21 2、靜止圖象信號靜止圖象信號 一幅數(shù)字圖象可以看成是一個象素序列。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當圖象是黑白時，每個象素的值只用灰

10、 度值表示。而當圖象是彩色時，每個象度值表示。而當圖象是彩色時，每個象 素必須用三個值表示，通常為象素的素必須用三個值表示，通常為象素的 RGB或或YUV值。值。 22 JPEG系統(tǒng)算法系統(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)矩陣進行對每個子塊量化后的系數(shù)矩陣進行Z形掃描，形掃描， 將系數(shù)矩陣變換成將系數(shù)矩陣變換成“符號符號”序列序列 用用Huffman變長編碼對變長編碼對“符號符號”序列進行熵編序列進行熵編 碼碼 JPEG處理框圖 DCT Z掃描 及量化

11、 Huffman 編碼 Huffman 解碼 系數(shù)排列 反量化 IDCT 24 3.電視信號電視信號 彩色電視的制式彩色電視的制式 NTSC (National Television System Committee) 正交平衡調幅制正交平衡調幅制 PAL (Phase Alternation Line) 逐行倒相正交平衡調幅制逐行倒相正交平衡調幅制 SECAM (System Electronique Couleur Avec Memoire) 調頻順序轉換制調頻順序轉換制 25 彩色電視參數(shù)彩色電視參數(shù) 參參 數(shù)數(shù)PAL制制NTSC制制SECAM制制 每畫面掃描行數(shù)每畫面掃描行數(shù)62552

12、5625 幀頻幀頻/場頻場頻/Hz25/5030/6025/50 標稱帶寬標稱帶寬/MHz64.26 伴音圖像載頻間距伴音圖像載頻間距 (1)彩色電視信號彩色電視信號 26 電視信號包括兩部分電視信號包括兩部分 n視頻信號視頻信號 n音頻信號音頻信號 視頻信號可以看成是圖象序列視頻信號可以看成是圖象序列 (1)彩色電視信號彩色電視信號 電視信號的功率譜密度電視信號的功率譜密度 亮度信號 功率譜密度 色差信號 功率譜密度 伴音信號 功率譜密度 NTSC 3.58M PAL 4.43M SECOM 4.25M 4.40M 6.6MHz 28 (2)(2)視頻編碼技術視頻編碼技術

13、視頻編碼的主要目的是在保證一定視頻編碼的主要目的是在保證一定 重構質量的前提下，以盡量少的比重構質量的前提下，以盡量少的比 特數(shù)來表征視頻信息。特數(shù)來表征視頻信息。 MEPG2視頻編碼框圖視頻編碼框圖 30 視頻編碼技術（續(xù)） 幀內壓縮 n基于JPEG方法：DCT、量化、熵編碼 數(shù)據(jù)速率控制 n量化控制 幀間壓縮 n預測編碼 n運動補償 n雙向預測（幀序重排） 預測編碼的原理預測編碼的原理 32 4.1.2 4.1.2 多媒體信號多媒體信號 多媒體信號集中了文字、語音、視頻、圖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。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

14、性、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。交互性和集成性。 33 4.1.3 4.1.3 數(shù)據(jù)信號及壓縮技術數(shù)據(jù)信號及壓縮技術 Huffman編碼編碼 游程編碼（游程編碼（RLE） Lampel-Ziv-Welch編碼（編碼（LZW） 34 4.2 4.2 數(shù)字信號調制數(shù)字信號調制 信息傳遞的兩種方式信息傳遞的兩種方式 n基帶傳輸基帶傳輸無需進行基帶頻譜搬移無需進行基帶頻譜搬移 就能以基帶信號形式傳輸?shù)姆绞骄湍芤曰鶐盘栃问絺鬏數(shù)姆绞?n頻帶傳輸頻帶傳輸將基帶信號的頻譜搬移將基帶信號的頻譜搬移 到某個載波頻帶內進行傳輸?shù)侥硞€載波頻帶內進行傳輸 35 4.2 4.2 數(shù)字信號調

15、制（續(xù)）數(shù)字信號調制（續(xù)） 衛(wèi)星通信信道既可以傳輸模擬信號，衛(wèi)星通信信道既可以傳輸模擬信號， 也可以傳輸數(shù)字信號。由于數(shù)字信號也可以傳輸數(shù)字信號。由于數(shù)字信號 的抗干擾性能強，數(shù)字信號的傳輸質的抗干擾性能強，數(shù)字信號的傳輸質 量要優(yōu)于模擬信號的傳輸質量。量要優(yōu)于模擬信號的傳輸質量。 36 4.2 4.2 數(shù)字信號調制（續(xù)）數(shù)字信號調制（續(xù)） 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的兩類調制類型衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的兩類調制類型 n功率有效調制方式功率有效調制方式有效利用地球站有效利用地球站 和轉發(fā)器的發(fā)射功率方式為主要目的和轉發(fā)器的發(fā)射功率方式為主要目的 n頻率有效調制方式頻率有效調制方式有效利用射頻頻有效利用射頻頻 帶為

16、主要目的帶為主要目的 37 4.2 4.2 數(shù)字信號調制（續(xù)）數(shù)字信號調制（續(xù)） 常用脈沖形式的基帶序列對中頻頻率常用脈沖形式的基帶序列對中頻頻率 70MHz或或140MHz進行調制后，再變進行調制后，再變 換到微波頻率，且它應具有以下特點換到微波頻率，且它應具有以下特點 n（1）調制信號的功率譜較窄；）調制信號的功率譜較窄； n（2）具有較高頻譜效率；）具有較高頻譜效率； n（3）相對短波而言，具有較好的傳輸特性。）相對短波而言，具有較好的傳輸特性。 衛(wèi)星通信系統(tǒng)框圖衛(wèi)星通信系統(tǒng)框圖 數(shù)字 調制器 中頻 濾波器 上變頻器 HPA 低噪聲 放大器 下變頻器 中頻 濾波器 數(shù)字 解調器 低噪聲

17、放大器 濾波器 高功率放 大器 濾波器 39 4.2 4.2 數(shù)字信號調制（續(xù)）數(shù)字信號調制（續(xù)） 數(shù)字信號的調制可分為幅度、相位、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，以限制調制后信號進行適當濾波，以限制調制后信號 的帶寬。的帶寬。 40 4.2 4.2 數(shù)字信號調制（續(xù)）數(shù)字信號調制（續(xù)） 當用以調制的信號是數(shù)字信號時當用以調制的信號是數(shù)字信號時,我們稱這種調我們稱這種調 制為數(shù)字調制，此時載波參量隨基帶數(shù)字信號制為數(shù)字調制，此時載波參量隨基帶數(shù)字信號 的變

18、化而變化。的變化而變化。 在數(shù)字調制中仍然采用正弦波作為載波信號。在數(shù)字調制中仍然采用正弦波作為載波信號。 由于正弦信號有幅度、相位和頻率三種基本參由于正弦信號有幅度、相位和頻率三種基本參 量，因此可以構成數(shù)字調幅、數(shù)字調相和數(shù)字量，因此可以構成數(shù)字調幅、數(shù)字調相和數(shù)字 調頻三種基本調制方式，如后圖所示。調頻三種基本調制方式，如后圖所示。 二進制基帶信號的調制波形二進制基帶信號的調制波形 42 4.2 4.2 數(shù)字信號調制（續(xù)）數(shù)字信號調制（續(xù)） 三種調制方式所對應的功率譜如后圖所示三種調制方式所對應的功率譜如后圖所示 2 2 2 2 2 sin 4 sin 4 bc bcb bc bcb T

19、ff TffTA Tff TffTA P PSK 228228 2 22 2 2 h x h x Ah xS h xS TA P aa b FSK 三種調制方式所對應的功率譜三種調制方式所對應的功率譜 44 對調制方式的要求對調制方式的要求 要求調制后的信號波形具有恒包絡要求調制后的信號波形具有恒包絡 特性。特性。 調制技術最好具有高的功率有效性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和頻譜效率，即具有較好的抗干擾 能力和頻帶利用率。能力和頻帶利用率。 45 4.2.1 4.2.1 相位調制相位調制 相位調制信號是用基帶信號去調制載波的相相位調制信號是用基帶信號去調制載波

20、的相 位而形成的調制信號，相位調制信號具有恒位而形成的調制信號，相位調制信號具有恒 包絡的特點。包絡的特點。 衛(wèi)星通信中常用的相位調制包括：衛(wèi)星通信中常用的相位調制包括：BPSK、 QPSK、OQPSK、/4-QPSK。 46 4.2.1 4.2.1 相位調制相位調制 相位調制相位調制 絕對移相絕對移相 相對移相相對移相 相對調相是利用載波信號相位的相對關系表示數(shù)字信號相對調相是利用載波信號相位的相對關系表示數(shù)字信號 的的“1”和和“0”碼的，其變換規(guī)則是：數(shù)據(jù)信號的碼的，其變換規(guī)則是：數(shù)據(jù)信號的“1” 使已調信號的相位變化使已調信號的相位變化180相位，數(shù)據(jù)信號的相位，數(shù)據(jù)信號的“0”使使

21、已調信號的相位變化已調信號的相位變化0相位；或反之。相位；或反之。0和和180的的 變化是相對于已調信號的前一碼元的相位，或者說，這變化是相對于已調信號的前一碼元的相位，或者說，這 里的變化是以已調信號的前一碼元相位作參考相位的。里的變化是以已調信號的前一碼元相位作參考相位的。 47 在單個碼元時間內，相位調制信號可以在單個碼元時間內，相位調制信號可以 表示成如下表示成如下 )cos()( 2 )( nc s s ttg T E ts ttg T E ttg T E cn s s cn s s sinsin)( 2 coscos)( 2 )2 1 ,.,2 , 1( M n Mn n BPSK

22、、QPSK、8PSK相位圖相位圖 00 0 /2 /2 /4 /2 -/2 -/2 -/2 -3/8 3/2 3/2 -3/2 -3/2 /4 -/4 /8 3/8 5/8 7/8 -/8 -5/8 -7/8 BPSKQPSK8PSK /2系統(tǒng)系統(tǒng) /4系統(tǒng)系統(tǒng) 49 1.1.二進制調相信號二進制調相信號 BPSK信號將二進制符號信號將二進制符號0、1分別對分別對 應載波的應載波的0、相位相位，可以表示成：，可以表示成： n csnc tAnTtgatAtxtscos)(cos)()( 50 4.2.1 4.2.1 相位調制相位調制 2PSK與與2DPSK的調相波形的調相波形 51 對于對于

23、為矩形的情況，即基帶信號為為矩形的情況，即基帶信號為 雙極性雙極性NRZ碼時，碼時，BPSK信號的功率譜密信號的功率譜密 度為度為 )(tg )()( 4 )( 2 cbcb ffPffP A fP 2 )sin( )( s s sb fT fT TfP 二進制絕對調相信號的產生電路二進制絕對調相信號的產生電路 BPSK信號的相干解調信號的相干解調 帶通濾波器 載波恢復 低通比特判決 比特同步恢 復 56 鎖相環(huán)本身是一個非線性電路，它處于穩(wěn)鎖相環(huán)本身是一個非線性電路，它處于穩(wěn) 定平衡狀態(tài)時，輸出相位定平衡狀態(tài)時，輸出相位n有多個可能值，有多個可能值， 為為的整數(shù)倍：的整數(shù)倍： ntttc n

24、 coscos 這種相位不確定性稱作相位模糊這種相位不確定性稱作相位模糊 57 調相信號結論一調相信號結論一 問題問題 n采用絕對調相，存在相位的不確定采用絕對調相，存在相位的不確定 性，使接收機無法正確判斷碼元的性，使接收機無法正確判斷碼元的 極性。極性。 方法與結論措施方法與結論措施 n采用相對移相方式或稱差分移相，采用相對移相方式或稱差分移相， 即即DPSK，可消除相位模糊，可消除相位模糊 n衛(wèi)星通信實際的系統(tǒng)主要采用衛(wèi)星通信實際的系統(tǒng)主要采用DPSK 58 2.2.四進制調相信號四進制調相信號 QPSK信號可表示成：信號可表示成： tQtI tAnTtgtAnTtg tAnTtgts

25、cncn nc n snc n s nc n s sincos sinsin)(coscos)( cos)()( 等效為兩個正交載波進行雙邊帶調幅波之和等效為兩個正交載波進行雙邊帶調幅波之和 59 n 二進二進 制碼制碼 /2系統(tǒng)系統(tǒng) QPSK /4系統(tǒng)系統(tǒng) QPSK 1000-3/4-1-1 201-/23/4-1+1 311/4+1+1 410/2-/4+1-1 QPSK相位邏輯相位邏輯 k I k Q 61 QPSK的功率譜的功率譜 設設QPSK信號的幅度為信號的幅度為A, ,則兩支路則兩支路2PSK的幅度的幅度 為為| |Acoscosk| |=| |Asinsink| |=A/ /

26、，同時考慮到同時考慮到 Ts=2Tb , ,利用利用2PSK功率譜的公式，可以得到功率譜的公式，可以得到 QPSK信號的功率譜：信號的功率譜： 22 2 22 sin2 ()sin2 () ( ) 2 2 ()2 () cbcb b QPSK cbcb ff Tff TA T Pf ff Tff T 2 63 四進制調相方法四進制調相方法 四相調相的電路有很多種，常見的有四相調相的電路有很多種，常見的有 n正交調制法（直接調相法）正交調制法（直接調相法） n相位選擇法相位選擇法 n脈沖插入法脈沖插入法 QPSK調制與解調框圖（正交調制法）調制與解調框圖（正交調制法） 串并 變換 基帶成形 基帶

27、成形 90 t c cos 低通 低通 抽樣判決 抽樣判決 并串變換 載波恢復 90 比特同步 65 正交法正交法QPSK調相信號的產生調相信號的產生 67 QPSK調相信號的產生調相信號的產生 相位選擇相位選擇法法QPSK調制框圖調制框圖 脈沖插入脈沖插入法法QPSK調制框圖調制框圖 68 QPSK調相信號的解調調相信號的解調 QPSK的解調可采用相干解調的方法或用相關的解調可采用相干解調的方法或用相關 器解調，其原理分別如圖器解調，其原理分別如圖8.3-6和和8.3-7所示。由所示。由 于于QPSK是兩個正交是兩個正交2PSK信號的合成，因此解信號的合成，因此解 調可以采用和調可以采用和2

28、PSK信號類似的解調方法，這信號類似的解調方法，這 需要兩個需要兩個2PSK接收機。接收機。 69 LPF LPF y1(t) y1 判 決 判 決 cos ct sin ct y2(t) y2 輸出 圖 8.3-6 QPSK的相干解調 SQPSK(t) x1(t) x2(t) 并 串 變 換 70 y1(t) y1 判 決 判 決 cos ct y2(t) y2 輸出 圖 8.3-7 QPSK的相關接收 SQPSK(t) x1(t) x2(t) 并 串 變 換 0 b T dt 0 b T dt sin ct 71 實現(xiàn)實現(xiàn)DQPSK的方法首先對四進制碼的方法首先對四進制碼Xk（絕絕 對碼）

29、進行差分編碼，得到相對碼對碼）進行差分編碼，得到相對碼Yk, ,然后然后 用用Yk進行絕對相移鍵控，如圖進行絕對相移鍵控，如圖8.3-98.3-9。 DQPSK調相信號的產生調相信號的產生 圖 8.3-9 DQPSK原理 四進制 差分編碼 QPSK 調 制 絕對碼相對碼YkXk cos() ck t SDQPSK(t) a , bc , d 72 DQPSK調相信號的解調調相信號的解調 DQPSK的解調，可以用相干方法（乘積的解調，可以用相干方法（乘積低低 通濾波）或相關器方法（乘積通濾波）或相關器方法（乘積積分）。這一積分）。這一 過程和過程和QPSK是一樣的。但解調所得是一樣的。但解調所得

30、c,d還需還需 經(jīng)差分譯碼，并經(jīng)差分譯碼，并/串變換還原為原來的二進制串變換還原為原來的二進制 序列。序列。 74 調相信號結論二調相信號結論二 問題問題 n/2相移系統(tǒng)存在相移系統(tǒng)存在180的相位躍遷，信號振的相位躍遷，信號振 幅必須立刻為零。為了實現(xiàn)該信號的精確傳幅必須立刻為零。為了實現(xiàn)該信號的精確傳 輸，需要放大器工作在線性區(qū)，使放大器的輸，需要放大器工作在線性區(qū)，使放大器的 功率效率大大降低。功率效率大大降低。 方法與結論措施方法與結論措施 n采用采用/4相移系統(tǒng)，任何一種相位的變動都不相移系統(tǒng)，任何一種相位的變動都不 需要使信號振幅為零，一定程度上減小了系需要使信號振幅為零，一定程度

31、上減小了系 統(tǒng)線性的必要性。統(tǒng)線性的必要性。 n衛(wèi)星通信實際使用的衛(wèi)星通信實際使用的QPSK采用的是系統(tǒng)采用的是系統(tǒng)/4 相移系統(tǒng)相移系統(tǒng) 75 3.3.偏移偏移QPSK信號信號 OQPSK稱為偏移（或參差）四相移相鍵稱為偏移（或參差）四相移相鍵 控，它是在控，它是在QPSK基礎之上發(fā)展起來的基礎之上發(fā)展起來的 OQPSK與與QPSK相位圖相同相位圖相同 OQPSK只允許相鄰符號之間的相位差為只允許相鄰符號之間的相位差為 90 78 偏移偏移QPSK信號調制信號調制/ /解調解調 OQPSK信號調制信號調制 串并 變換 基帶成形 基帶成形 90 t c cos 延遲 Ts/2 80 4.2.2

32、 頻率調制頻率調制 1. 多載波調制多載波調制 （OFDM） 設中心頻率為設中心頻率為 ，帶寬為，帶寬為W的信道采用的信道采用N 個子載波的個子載波的OFDM技術，每個子載波占用技術，每個子載波占用 帶寬帶寬 ，每個子載波上的符號，每個子載波上的符號 速率為速率為 ，碼元間隔，碼元間隔 ， 其中其中 ，則子載波，則子載波 c f NWf/ f cs NTWNT/ WTc/1fnff n 0 81 設設 時間內各子載波上傳輸?shù)姆枙r間內各子載波上傳輸?shù)姆?為為 ， 是復包絡信號，則是復包絡信號，則 OFDM信號可以表示成：信號可以表示成： s T )(tan)(tan 1 0 22 1 0 2

33、 0 )(Re)(Re)( N n tfjftnj n N n tfj n eetaetats n 82 等效基帶信號為等效基帶信號為 1 0 /2 1 0 2 )()()( N n NTntj n N n ftnj nl c etaetats 用DFT實現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)框圖 S/P 1 2 N IDFT/ IFFT 1 2 N P/SD/A復包絡調制 復包絡解調 信 道 噪聲 采樣/A/D Tc S/P 1 2 N DFT/FFTP/S 1 2 N 84 2.2.連續(xù)相位頻移鍵控連續(xù)相位頻移鍵控 CPFSK信號可以寫成如下形式：信號可以寫成如下形式： t n snc dnTgahtAts)(

34、cos)( sdT fh2h為調頻指數(shù)為調頻指數(shù) fd為頻率偏差為頻率偏差 1, 1 n a other0 0/1 ss TtT tg 85 2.2.連續(xù)相位頻移鍵控連續(xù)相位頻移鍵控 CPFSK信號根據(jù)輸入比特信號根據(jù)輸入比特+1，-1選擇輸選擇輸 出信號的頻偏出信號的頻偏+fd、-fd，并且比特之間信，并且比特之間信 號相位是連續(xù)的。號相位是連續(xù)的。 86 3.3.最小移頻鍵控最小移頻鍵控 最小移頻鍵控最小移頻鍵控MSK是是CPFSK的一個特殊的一個特殊 情況。主要特點是相鄰兩碼元轉換時，情況。主要特點是相鄰兩碼元轉換時， 相位載波是連續(xù)的，調頻指數(shù)相位載波是連續(xù)的，調頻指數(shù)h為為0.5，

35、fd 等于碼元速率的等于碼元速率的1/4。 87 3.3.最小移頻鍵控最小移頻鍵控 MSK信號可以寫成如下形式信號可以寫成如下形式 .2 , 1 , 0) 1( 2 cos)( kTktkT tu T tts s kk s cMSK 1, 1 k u 是第是第k碼元時刻的輸入信息碼元時刻的輸入信息 是保持前后相位連續(xù)的參數(shù)。是保持前后相位連續(xù)的參數(shù)。 k 88 最小頻移鍵控最小頻移鍵控MSK 當基帶信號b(t)為NRZ的方波信號,即碼元 取值為bk=1時， MSK信號可以表示為 ( )cos(22) cos(2) cos(2) 2 cos(2( )(1) MSKckdk ckk b ckk b

36、 ckbb stAf tb ft h Af tbt T Af tbt T Af ttkTtkT ( ) 2 kkk b tbt T 90 事實上，在事實上，在t=kTb時刻，令時刻，令 1 ()() kbkb kTkT 11 22 kbkkbk bb bkTbkT TT 11 () 2 kkkk k bb 91 一個碼元從開始時刻到該碼元結束的時刻，一個碼元從開始時刻到該碼元結束的時刻， 其相位變化量（增量）等于其相位變化量（增量）等于 MSK信號的相位路徑信號的相位路徑 (1) 2 kkbkbk kTkTb 圖 8.5-2 附加相位的相位路徑 . t/Tb ( ) k t 0 3 2 2 3

37、 -1-1-1+1+1+1+1 123456 MSK信號的相位路徑 s T t 2 46 8 2/ 2/3 2/ 2/3 信息序列為信息序列為10011100 95 3.3.最小移頻鍵控最小移頻鍵控 正斜率直線表示傳正斜率直線表示傳“1”時的軌跡，負時的軌跡，負 斜率曲線表示傳斜率曲線表示傳“0”時的相位軌跡。時的相位軌跡。 在在Tb的奇數(shù)倍時，相位為的奇數(shù)倍時，相位為/2的奇數(shù)的奇數(shù) 倍；在倍；在Tb的偶數(shù)倍時，相位為的偶數(shù)倍時，相位為/2的的 偶數(shù)倍。偶數(shù)倍。 96 MSK信號的波形圖 97 MSK信號也可以表示成正交調制形式，信號也可以表示成正交調制形式， 即即 tt T u tt T

38、ts ck s k ck s MSK sincos 2 sin coscos 2 cos)( 雙極性編碼 T T t T COS S 2 t Ts2 sin t c cos t c sin k u)(tsMSK S/P k d MSK正交調制法正交調制法 MSK正交解調法正交解調法 帶通 低通 低通抽樣判決 抽樣判決 并/串 tt T COS c S cos 2 tt T c S sin 2 sin ( ) M SK St ( )sin(/ 2)sin qbc xttTt ( )( ) qM SK xt St ( )( ) iM SK xt St ( )cos(/ 2)cos ibc xttT

39、t yi(t) yq(t) 圖 8.5-6 MSK相 關 解 調 器 的 各 點 波 形 Tb=1 101 MSK信號的功率譜信號的功率譜 2 2 22 16cos(2) ( ) 1 16 bb b A TfT P f f T -100 -80 -60 -40 -20 0 20 dB 圖 8.5-7 MSK,QPSK和OQPSK信號的功率譜 012345 (f-fc) /Rb QPSK, OQPSK MSK 103 3.3.最小移頻鍵控小結最小移頻鍵控小結 MSK是是FSK的一種特例。的一種特例。FSK稱為數(shù)字調頻，稱為數(shù)字調頻， 又稱頻移鍵控，又稱頻移鍵控，MSK稱為最小頻移鍵控。稱為最小頻

40、移鍵控。 MSK是一種恒定包絡的調制方式是一種恒定包絡的調制方式 MSK頻帶利用率低于頻帶利用率低于QPSK MSK的功率效率與的功率效率與QPSK相同，但其抗非線性相同，但其抗非線性 的性能要優(yōu)于的性能要優(yōu)于QPSK，甚至優(yōu)于甚至優(yōu)于/4-QPSK。 104 4. GMSK信號信號 MSK調制方式的突出優(yōu)點是信號具有恒定的振幅調制方式的突出優(yōu)點是信號具有恒定的振幅 及信號的功率譜在主瓣以外衰減較快。不過在某及信號的功率譜在主瓣以外衰減較快。不過在某 些場合，對信號帶外輻射功率的限制非常嚴格。些場合，對信號帶外輻射功率的限制非常嚴格。 MSK信號仍不能滿足這樣高的要求。信號仍不能滿足這樣高的要

41、求。高斯最小移高斯最小移 頻鍵控頻鍵控(GMSK)方式就是針對上述要求提出來的。方式就是針對上述要求提出來的。 GMSK是在是在MSK調制器之前加入一個高斯低通濾調制器之前加入一個高斯低通濾 波器。也就是說，用高斯低通濾波器作為波器。也就是說，用高斯低通濾波器作為MSK調調 制的前置濾波器。制的前置濾波器。 105 4. GMSK信號信號 雙極性編碼 線性調頻 h=0.5 k u)(ts GMSK 預調制濾波器 GMSK調制 106 預調制濾波器必須具備以下特點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；帶寬窄且具有陡峭的截止特性； 沖激響應的過沖??；沖激響應的過沖??； 濾波器輸

42、出脈沖面積為一常量，該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。常量對應的一個碼元內載波相移為。 107 GMSK中采用的預濾波器為高斯低中采用的預濾波器為高斯低 通濾波器，其沖激響應為：通濾波器，其沖激響應為： 222 / )( t eth 108 高斯濾波器的頻率特性為 其沖激響應可以由其傅氏變換等到： 1 1 高斯濾波器的特性高斯濾波器的特性 2 (/) ( )() b af B H fef 2 (/ ) ( )() b B t a b h tB et a ln20.5887a 121121 ( ) 2ln222ln22 bb bb tt g terfcxerfcx

43、 TT 112 設要發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)序列設要發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)序列 b bk k( b bk k = =1)1) 用用NRZNRZ碼來表示，碼元起始時刻為碼來表示，碼元起始時刻為T Tb b的整數(shù)的整數(shù) 倍，此基帶信號經(jīng)過高斯濾波器后輸出為倍，此基帶信號經(jīng)過高斯濾波器后輸出為 2 GMSK 信號的波形和相位路徑信號的波形和相位路徑 ( )(/2) kbb k q tb g tkTT 113 信號對調頻器調頻，輸出為信號對調頻器調頻，輸出為 ( )cos 22( )cos 2( ) t cfmc s tf tkqdf tt ( )2( ) t fm tkqd 114 在一個碼元時間內：在一個碼元時

44、間內：kTbt(k+1)+1) Tb，相相 位的增量取決于在該碼元期間位的增量取決于在該碼元期間q( (t) )曲線下的曲線下的 面積面積Ak： (1)(1) 2( )( )2( )2 bbb b kTkTkT kfmfmfmk kT kqdqdkqdkA 117 GMSK信號的產生除了用調頻方法，還可信號的產生除了用調頻方法，還可 以采用正交調制的方式。以采用正交調制的方式。 ( )cos( )cos ( )cossin ( )sin ccc s ttttttt 118 4.2.3 各種調制的性能及功率譜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，但等信號雖然具有窄的主瓣帶寬

45、，但 帶外衰減慢，而帶外衰減慢，而MSK具有較快的帶外衰具有較快的帶外衰 減，減，GMSK的帶外衰減就更快了。的帶外衰減就更快了。 調制信號功率譜密度調制信號功率譜密度 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.50.050.551.051.552.052.55 f*Ts 功率譜密度 (dB) BPSK QPSK,DQPSK MSK 120 4.3 信道編碼信道編碼 信道編碼是指在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，在信道編碼是指在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，在 信息碼之外附加一定比特數(shù)的監(jiān)督信息碼之外附加一定比特數(shù)的監(jiān)督 碼元，使監(jiān)督碼元與信息碼元構成碼元，使監(jiān)督碼元與信息碼

46、元構成 某種特定的關系，接收端根據(jù)這種某種特定的關系，接收端根據(jù)這種 特定的關系來進行檢驗。特定的關系來進行檢驗。 121 4.3 信道編碼信道編碼 信道編碼一般可以分成兩大類信道編碼一般可以分成兩大類 n分組碼分組碼將輸入信息分成不同的組，將輸入信息分成不同的組， 對各組信息分別獨立編碼，加入冗余信對各組信息分別獨立編碼，加入冗余信 息。息。 n卷積碼卷積碼將輸入信息與一固定結構的將輸入信息與一固定結構的 編碼器進行卷積，卷積的輸出作為傳輸編碼器進行卷積，卷積的輸出作為傳輸 信息。信息。 122 有關信道編碼的名詞解釋 碼重碼重 碼組重量，碼組中非零碼元的數(shù)目碼組重量，碼組中非零碼元的數(shù)目

47、例：例： 1101011 碼距碼距/漢明漢明（Hamming）距距 兩個碼字中對應碼位上具有不同二進制碼元的位數(shù)兩個碼字中對應碼位上具有不同二進制碼元的位數(shù) 例：例：1100111與與1011001 最小碼距最小碼距dmin 對于某種編碼，所含的全部碼字之間的最小距離對于某種編碼，所含的全部碼字之間的最小距離 碼重為碼重為5 碼距為碼距為5 123 4.3.1 線性分組碼線性分組碼 分組碼是將每分組碼是將每 k 個信息碼元分為一組，然后按個信息碼元分為一組，然后按 一定的規(guī)律產生一定的規(guī)律產生 r 個監(jiān)督碼元，那么分組碼的個監(jiān)督碼元，那么分組碼的 長度長度 n = k + r，通常用符號（通常

48、用符號（n, k）表示。表示。 信息碼信息碼校驗碼校驗碼 k 位位r 位位 n 位位 信息碼信息碼 k 位位 編碼編碼 124 4.3.1 線性分組碼（續(xù)）線性分組碼（續(xù)） 校驗碼與信息碼是某種確定的代數(shù)關系校驗碼與信息碼是某種確定的代數(shù)關系 校驗碼為信息碼的線性組合，兩者是用校驗碼為信息碼的線性組合，兩者是用 線性方程聯(lián)系起來的線性方程聯(lián)系起來的 125 線性分組碼糾錯舉例線性分組碼糾錯舉例 設分組碼為（設分組碼為（7，4）碼）碼a6a5a4a3 c2c1c0 ，其中信，其中信 碼為碼為a3a4a5a6， ，校驗碼為 校驗碼為c0c1c2。用。用S1S2S3表示誤表示誤 碼位置。對應關系如下

49、（誤碼表）碼位置。對應關系如下（誤碼表） S1S2S3誤碼位置誤碼位置S1S2S3誤碼位置誤碼位置 001 c0 101 a4 010 c1 110 a5 100 c2 111 a6 011 a3 000無錯無錯 當誤碼位置出現(xiàn)在當誤碼位置出現(xiàn)在a6a5a4 c2時，時，S1=1 ，否則，否則S1=0 24561 caaaS 同理同理 03463 13562 caaaS caaaS 編碼時，編碼時，S1=S2=S3=0 0 0 0 0346 1356 2456 caaa caaa caaa 0346 1356 2456 caaa caaa caaa 得到得到16個許用碼組如下個許用碼組如下 信

50、息碼信息碼 a6a5a4a3 校驗碼校驗碼 c2c1c0 信息碼信息碼 a6a5a4a3 校驗碼校驗碼 c2c1c0 00000001000111 00010111001100 00101011010010 00111101011001 01001101100001 01011011101010 01100111110100 01110001111111 129 接收端收到每個碼組后，計算接收端收到每個碼組后，計算S1、S2、S3 如不全為如不全為0，意味著有誤碼，意味著有誤碼 查對誤碼表，糾錯查對誤碼表，糾錯 舉例：發(fā)送舉例：發(fā)送00010110001011，接收到，接收到0000000 0

51、011011 計算S1、S2、S3 011 321 SSS 24561 caaaS 03463 13562 caaaS caaaS = 0 = 1 = 1 查證誤碼表 糾錯碼 a3 假如，發(fā)送假如，發(fā)送10100101010010，接收到，接收到1 1101000000 00 0，結果如何？，結果如何？ 假如，發(fā)送假如，發(fā)送11101001110100，接收到，接收到11110101100100，結果如何？，結果如何？ S1S2S3誤碼位置誤碼位置S1S2S3誤碼位置誤碼位置 001 c0 101 a4 010 c1 110 a5 100 c2 111 a6 011 a3 000無錯無錯 00

52、00000 00110110000001 1011011 132 4.3.1 線性分組碼（續(xù)）線性分組碼（續(xù)） 一、線性分組碼的概念及性質一、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。 CA),.,( 21n aaaA )2(GFai ),.,2 , 1(0 1 kniha n j ijj 133 4.3.1 線性分組碼（續(xù)）線性分組碼（續(xù)） 線性條件寫成矩陣形式線性條件寫成矩陣形式 0AH T H被稱為監(jiān)督矩陣或校驗矩陣，被稱為監(jiān)督矩陣或校驗矩陣，n行，行，n-k列組成列組成 kn IPH 信碼信碼an-1an-2an-k組成一行陣組成一行陣U

53、，即，即 knnn aaa 21, U GUA 134 4.3.1 線性分組碼（續(xù)）線性分組碼（續(xù)） G被稱為生成矩陣被稱為生成矩陣 由由G可以生成整個碼組可以生成整個碼組A 在上例中在上例中 T PIG k 1101 1011 0111 1111 T PIG k 135 二、線性分組碼的譯碼二、線性分組碼的譯碼 當信道傳輸出現(xiàn)差錯后，則接收到的碼當信道傳輸出現(xiàn)差錯后，則接收到的碼 字字 ，接收端通過校驗矩陣進接收端通過校驗矩陣進 行校驗運算，即行校驗運算，即 ，S 稱為校驗稱為校驗 子，子， 只與差錯向量只與差錯向量E有關，因此有關，因此 可以通過校驗子可以通過校驗子S的值來檢驗傳輸是否出的

54、值來檢驗傳輸是否出 現(xiàn)差錯或對差錯進行糾正?，F(xiàn)差錯或對差錯進行糾正。 EAA SHA T T EHS 136 設分組碼為（設分組碼為（7，3）碼）碼a6a5a4c3 c2c1c0 ，其中，其中 信碼為信碼為a4a5a6， ，校驗碼為 校驗碼為c0c1c2c3。 線性分組碼糾錯舉例線性分組碼糾錯舉例 用上述方法構造出生成矩陣并計算出用上述方法構造出生成矩陣并計算出23=8個信個信 碼碼組的（碼碼組的（7，3）分組碼組）分組碼組 信息碼信息碼 a6a5a4 校驗碼校驗碼 c3c2c1c0 0000000 0011101 0100111 0111010 1001110 1010011 1101001

55、 1110100 校驗子校驗子S S3S2S1S0 誤碼位置誤碼位置E e6 e5 e4 e3 e2 e1 e0 00000000000 11101000000 01110100000 11010010000 10000001000 01000000100 00100000010 00010000001 當接收碼組中有一位誤碼時，可以檢錯并糾錯當接收碼組中有一位誤碼時，可以檢錯并糾錯 139 發(fā)生發(fā)生2個錯誤時，（個錯誤時，（7，3）碼不同的錯誤圖）碼不同的錯誤圖 樣樣E共有共有21個，對應的校驗子個，對應的校驗子S有有7種：種：1001， 0011，1010，1100，1111，0101；每

56、種對；每種對 應應3個錯誤圖樣，無法確定哪個錯誤圖樣，無法確定哪2個是誤碼。個是誤碼。 發(fā)生發(fā)生3個錯誤時，（個錯誤時，（7，3）碼不同的錯誤圖）碼不同的錯誤圖 樣樣E共有共有15個，對應的校驗子個，對應的校驗子S有有8種：種：1110， 0111，1101，1000，0100，0010，0001； 每種對應每種對應4個錯誤圖樣，無法確定哪個錯誤圖樣，無法確定哪3個是誤個是誤 碼。碼。 140 三、漢明碼及其設計三、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)為分組碼，若校驗子的列數(shù)為n-k，則校驗子則校驗子 可以對應錯誤向量

57、可以對應錯誤向量E的的 種情況，錯誤種情況，錯誤 向量向量E中為中為1的位置表示傳輸出現(xiàn)差錯。的位置表示傳輸出現(xiàn)差錯。 kn 2 141 三、漢明碼及其設計（續(xù)）三、漢明碼及其設計（續(xù)） 漢明碼的特點漢明碼的特點 n碼長碼長 n = 2m - 1 n信息碼位數(shù)信息碼位數(shù) k = 2m m - 1 n校驗碼位數(shù)校驗碼位數(shù) r = n k = m n最小碼距最小碼距 dmin = 3 n糾錯能力糾錯能力 1 m為為2的整數(shù)，給定的整數(shù)，給定m后，可構造出具體后，可構造出具體 的漢明碼（的漢明碼（n，k） 142 四、碼距及其與糾錯、檢錯能力的關系四、碼距及其與糾錯、檢錯能力的關系 設 為輸入碼字空

58、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。 IC Ccc ji , ik c i c 143 定義定義1. . 碼字間的漢明距碼字間的漢明距 n k jkikij ccd 1 )( 兩個碼字中對應碼位上具有不同二進制碼元的位數(shù)兩個碼字中對應碼位上具有不同二進制碼元的位數(shù) 例：例：11001111100111與與10110011011001，碼距為，碼距為5 5 144 定義定義2. . 碼字的碼重碼字的碼重 碼字中的比特碼字中的比特1的個數(shù)的個數(shù) w 碼組重量，碼組中非零碼元的數(shù)目碼組重量，碼組中非零碼元的數(shù)目 例：例： 11010111

59、101011，碼重為，碼重為5 5 145 定義定義3. 最小碼距最小碼距 碼空間中任意兩個碼字間最小的漢 明距。即 min d , minij ji Ccc dMind ji e dmin i c j c 檢測檢測e個錯誤的最小碼距個錯誤的最小碼距 最小碼距與檢錯能力的關系最小碼距與檢錯能力的關系 檢測檢測 e 個錯誤，要求最小碼距個錯誤，要求最小碼距 dmin e + 1 t dmin i c j c t 糾糾 t 個錯誤的最小碼距個錯誤的最小碼距 最小碼距與糾錯能力的關系最小碼距與糾錯能力的關系 糾正糾正 t 個錯誤，要求最小碼距個錯誤，要求最小碼距 dmin 2t + 1 糾糾 t 個

60、檢個檢 e 的最小碼距的最小碼距 t dmin i c j c t e 最小碼距與檢錯和糾錯能力的關系最小碼距與檢錯和糾錯能力的關系 糾正糾正t個錯誤，同時檢測個錯誤，同時檢測e個錯誤，個錯誤， 要求最小碼距要求最小碼距 dmin t + e + 1 149 4.3.3 循環(huán)碼循環(huán)碼 循環(huán)碼是線性分組碼重要的一個子類循環(huán)碼是線性分組碼重要的一個子類, ,是目前是目前 研究得最成熟的一類碼。研究得最成熟的一類碼。 循環(huán)碼有許多特殊的代數(shù)性質，有助于按照所循環(huán)碼有許多特殊的代數(shù)性質，有助于按照所 要求的糾錯能力系統(tǒng)地構造這類碼。要求的糾錯能力系統(tǒng)地構造這類碼。 現(xiàn)有的重要的線性分組碼都是循環(huán)碼或與