移動(dòng)通信原理第8次課-線路編碼和信道編碼

第7章

線路編碼和信道編碼第6章我們討論了數(shù)字調(diào)制和解調(diào)。本章將討論線路編碼和提高通信系統(tǒng)可靠性的主要方法—信道編碼。線路編碼和信道編碼在擴(kuò)頻發(fā)射設(shè)備中的位置如圖所示。7.1線路編碼7.1.1基帶信號(hào)含有直流和豐富低頻成分的信號(hào)就是基帶信號(hào)(BasebandSignal)，其較大的功率譜密度分量集中在直流附近的頻帶內(nèi)。所有的脈沖信號(hào)序列都可以說(shuō)是基帶信號(hào)。例如，傳感器輸出的脈沖信號(hào)、PCM數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)、傳輸線路中的脈沖信號(hào)序列等。與基帶信號(hào)相對(duì)應(yīng)的是頻帶信號(hào)。用基帶信號(hào)對(duì)余弦載波信號(hào)的幅度、頻率和相位進(jìn)行調(diào)制就得到數(shù)字調(diào)制信號(hào)。數(shù)字調(diào)制信號(hào)是頻帶信號(hào)，其功率譜密度與基帶信號(hào)的相同，對(duì)稱分布在載波頻率的兩側(cè)?；鶐盘?hào)又可以分為基帶原碼(BasebandSourceCode)和線路碼(LineCode)。1、基帶原碼基帶原碼是由數(shù)字信號(hào)源輸出的原始脈沖信號(hào)序列。例如，傳感器輸出的脈沖信號(hào)、PCM信號(hào)和波形與參數(shù)混合編碼器等A/D轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)?；鶐гa常見(jiàn)碼型如下圖。

基帶原碼的常見(jiàn)碼型

幾種基帶原碼的功率譜密度2、線路碼由于數(shù)字基帶原碼含有直流和豐富的低頻成分，以及0碼和1碼出現(xiàn)概率不均衡等缺點(diǎn)，所以在它們進(jìn)入數(shù)字通信系統(tǒng)之前需要將其轉(zhuǎn)換成適合在線路上傳輸?shù)木€路碼或傳輸碼(TransmissionCode)。這種碼型轉(zhuǎn)換過(guò)程就是線路編碼，有些文獻(xiàn)將線路編碼歸入信源編碼模塊。對(duì)線路碼碼型的要求如下：頻譜中沒(méi)有直流分量和只有很少的低頻分量。碼流中“1”和“0”的出現(xiàn)概率相同,各占50%，與它們?cè)谛旁粗谐霈F(xiàn)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律無(wú)關(guān)。碼流含有定時(shí)信息。碼流含有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)信息。碼元攜帶的信息量大，頻帶利用率高。線路編譯碼方法簡(jiǎn)單?，F(xiàn)有線路碼超過(guò)100種，ITU規(guī)定了20多種可用，常用的有以下幾種。返回兩種線路碼的功率譜密度7.1.2線路編碼1、差分碼對(duì)于用電位高低來(lái)表示0和1的絕對(duì)電位碼來(lái)說(shuō)，當(dāng)收發(fā)端的極性顛倒時(shí)，收端判定的碼流序列將與發(fā)端的完全相反。差分碼又叫相對(duì)碼。與絕對(duì)碼不同，差分碼是用脈沖電位的跳變來(lái)表示1，脈沖電位保持不變表示0。即使收發(fā)端的極性搞顛倒，收端判定的碼流序列也將與發(fā)端的完全一樣。用線路編碼器產(chǎn)生差分碼時(shí)，必須預(yù)先給定一位前置碼，如圖中虛線所示。前置位的電位高低不同，碼型取反，但是譯碼結(jié)果相同。差分碼的頻譜與變換前的基帶原碼一樣。線路碼2、雙相碼雙相碼又叫分相碼、雙流碼、裂相碼或曼徹斯特（Manchester）碼。它把一位原碼轉(zhuǎn)換成兩位，方法是：1變成01，0變成10。雙向碼的特點(diǎn)是：每個(gè)碼元正負(fù)平衡，無(wú)直流分量；每個(gè)碼元中部電位跳變，便于提取定時(shí)信號(hào)；頻譜的第一個(gè)零點(diǎn)在2/T處，信號(hào)帶寬較原碼增加一倍；便于誤碼自檢。線路碼3、AMI碼AMI碼的全稱是傳號(hào)交替翻轉(zhuǎn)碼，也有文獻(xiàn)稱之為雙極性碼。AMI碼的脈沖序列有三個(gè)電位：正電位、零電位和負(fù)電位。它維持原碼中表示0的零電位不變，將表示1的電位在正電位與負(fù)電位之間交替變化?？梢詫?duì)單極性歸零碼進(jìn)行變換得到AMI碼。AMI碼的頻譜有突出的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)直流分量，對(duì)單極性歸零碼的頻譜特性有所改善，頻譜帶寬比雙相碼小。但是，AMI碼的頻譜中無(wú)1/T定時(shí)頻率，在提取位定時(shí)信號(hào)時(shí)需要進(jìn)行非線性變換。不過(guò)，當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)的連續(xù)0時(shí)，定時(shí)信號(hào)會(huì)丟失。線路碼4、三階高密度雙極性碼三階高密度雙極性碼（HBD3

）不僅保留了AMI碼的所有優(yōu)點(diǎn)，還可以將連0碼限制在3個(gè)以內(nèi)，克服了AMI碼長(zhǎng)連0不利于提取時(shí)鐘信號(hào)的缺點(diǎn)。在二進(jìn)制NRZ碼轉(zhuǎn)換成HBD3碼的編碼過(guò)程中，編碼原理與AMI碼基本一樣，不過(guò)，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)4個(gè)0時(shí)，需用000V或B00V代替。其中，V碼破壞傳號(hào)正負(fù)極性交替出現(xiàn)的規(guī)律，其出現(xiàn)的位置叫做破壞點(diǎn)，相鄰V碼的極性是交替出現(xiàn)的；B碼不破壞傳號(hào)正負(fù)極性交替出現(xiàn)的規(guī)律，其出現(xiàn)的位置叫做非破壞點(diǎn)。HBD3的優(yōu)點(diǎn)與AMI碼一樣多，但它克服了AMI碼的缺點(diǎn)，HBD3在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。Manchester碼、AMI碼和HDB3碼的編碼原理課堂練習(xí)題畫出二進(jìn)制數(shù)字序列“110000100000101000000000”的NRZ碼、Manchester碼、AMI碼和HBD3碼波形。思考題基帶信號(hào)、基帶原碼和線路碼之間有什么聯(lián)系和區(qū)別？7.2信道編碼7.2.1信道編碼概述信道編碼的目的是降低數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)率，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。信道編碼是在數(shù)字基帶信號(hào)序列中加入校驗(yàn)碼，以便解碼器利用這些校驗(yàn)碼檢測(cè)或糾正數(shù)字信號(hào)在存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)差錯(cuò)和突發(fā)差錯(cuò)。3G移動(dòng)通信采用的信道編碼是卷積碼和Turbo碼。7.2.2卷積碼卷積碼主要用于糾正數(shù)據(jù)中的隨機(jī)差錯(cuò)?，F(xiàn)以（3，1）編碼器為例介紹卷積碼的編碼原理。（3，1）編碼器的碼長(zhǎng)是3bit，信息碼元只有1bit。（3，1）編碼器的原理如圖所示。CPmjmj-1mj-2mj-3Pj1Pj2卷積碼000000000011000111112110000100301101001040011110115100101101Pj1=mj⊕mj-1⊕mj-3

Pj2=mj⊕mj-1⊕mj-2從上面的例子我們可以看出，一個(gè)卷積碼組由一個(gè)信息碼元和若干監(jiān)督碼元組成，監(jiān)督碼元與前面的幾個(gè)碼元都有關(guān)系。本例中有兩個(gè)監(jiān)督碼元，監(jiān)督碼元與前面的三個(gè)信息碼元有關(guān)，加入當(dāng)前信息碼元后卷積碼組與四個(gè)碼元有關(guān)。我們稱這個(gè)卷積碼的約束長(zhǎng)度k=4。k的長(zhǎng)度與移位寄存器的長(zhǎng)度m有關(guān)，等于m+1。卷積碼的傳輸碼率：碼率=信息碼元數(shù)/碼組長(zhǎng)度單極性二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的摸二加雙極性負(fù)邏輯波形的邏輯乘0⊕

0=0(+1)×(+1)=+11⊕1=0(-1)

×(-1)=+11⊕0=1(-1)×(+1)=-10⊕1=1(+1)×(-1)=-17.2.3交織由于移動(dòng)通信很容易出現(xiàn)深衰落和受到強(qiáng)脈沖干擾，導(dǎo)致比特流出現(xiàn)長(zhǎng)串連續(xù)出錯(cuò)。這種連續(xù)的長(zhǎng)串差錯(cuò)，往往超過(guò)系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力。如果將長(zhǎng)串的差錯(cuò)人為分散開變成隨機(jī)的差錯(cuò)，這樣就好發(fā)現(xiàn)，并用糾正隨機(jī)差錯(cuò)的方法來(lái)糾正。方法：首先將輸入信號(hào)序列分成m行n列，然后按列自左至右順序輸出。7.2.4Turbo碼將卷積碼經(jīng)過(guò)交織后就得到Turbo碼。交織編碼可以糾正數(shù)據(jù)中的突發(fā)差錯(cuò)，卷積碼可以糾正數(shù)據(jù)中的隨機(jī)差錯(cuò)，因此，Turbo碼既可以糾正數(shù)據(jù)中的隨機(jī)差錯(cuò)，又可以糾正數(shù)據(jù)中的突發(fā)差錯(cuò)。適合對(duì)時(shí)延要求不嚴(yán)格的應(yīng)用。例如，我們可以將前面（3，1）卷積碼產(chǎn)生的碼序列111，100，010，011，101交織后生成Turbo碼。首先，將卷積碼序列分成一個(gè)3×5矩陣：

111100010011101然后，按照列從左到右，從上到下輸出新的碼序列：

101，101，111，100，001。即使矩陣中第一行的碼元全錯(cuò)，它們?cè)谛碌拇a序列里也是以隨機(jī)差錯(cuò)的形式出現(xiàn)，可以用糾正隨機(jī)差錯(cuò)的辦法進(jìn)行糾正。7.2.53G應(yīng)用的信道編碼3G的三大主流技術(shù)都采用了卷積碼和Turbo碼。Turbo碼適用于高速率、對(duì)編譯碼時(shí)延要求不嚴(yán)格的輔助數(shù)據(jù)鏈路中。卷積碼適用于低速率、實(shí)時(shí)和對(duì)編譯碼時(shí)延要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)鏈路中。3G的業(yè)務(wù)信道上一般用卷積碼，高速率用Turbo碼。3G的控制信道上也是主要用卷積