移動通信原理第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章我們討論了數字調制和解調。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頻發(fā)射設備中的位置如圖所示。7.1線路編碼7.1.1基帶信號含有直流和豐富低頻成分的信號就是基帶信號(BasebandSignal)，其較大的功率譜密度分量集中在直流附近的頻帶內。所有的脈沖信號序列都可以說是基帶信號。例如，傳感器輸出的脈沖信號、PCM數字語音信號、傳輸線路中的脈沖信號序列等。與基帶信號相對應的是頻帶信號。用基帶信號對余弦載波信號的幅度、頻率和相位進行調制就得到數字調制信號。數字調制信號是頻帶信號，其功率譜密度與基帶信號的相同，對稱分布在載波頻率的兩側?；鶐盘栍挚梢苑譃榛鶐гa(BasebandSourceCode)和線路碼(LineCode)。1、基帶原碼基帶原碼是由數字信號源輸出的原始脈沖信號序列。例如，傳感器輸出的脈沖信號、PCM信號和波形與參數混合編碼器等A/D轉換器輸出的信號?；鶐гa常見碼型如下圖。

基帶原碼的常見碼型

幾種基帶原碼的功率譜密度2、線路碼由于數字基帶原碼含有直流和豐富的低頻成分，以及0碼和1碼出現概率不均衡等缺點，所以在它們進入數字通信系統(tǒng)之前需要將其轉換成適合在線路上傳輸的線路碼或傳輸碼(TransmissionCode)。這種碼型轉換過程就是線路編碼，有些文獻將線路編碼歸入信源編碼模塊。對線路碼碼型的要求如下：頻譜中沒有直流分量和只有很少的低頻分量。碼流中“1”和“0”的出現概率相同,各占50%，與它們在信源中出現的統(tǒng)計規(guī)律無關。碼流含有定時信息。碼流含有檢錯和糾錯信息。碼元攜帶的信息量大，頻帶利用率高。線路編譯碼方法簡單?，F有線路碼超過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、差分碼對于用電位高低來表示0和1的絕對電位碼來說，當收發(fā)端的極性顛倒時，收端判定的碼流序列將與發(fā)端的完全相反。差分碼又叫相對碼。與絕對碼不同，差分碼是用脈沖電位的跳變來表示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。用線路編碼器產生差分碼時，必須預先給定一位前置碼，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。它把一位原碼轉換成兩位，方法是：1變成01，0變成10。雙向碼的特點是：每個碼元正負平衡，無直流分量；每個碼元中部電位跳變，便于提取定時信號；頻譜的第一個零點在2/T處，信號帶寬較原碼增加一倍；便于誤碼自檢。線路碼3、AMI碼AMI碼的全稱是傳號交替翻轉碼，也有文獻稱之為雙極性碼。AMI碼的脈沖序列有三個電位：正電位、零電位和負電位。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電位之間交替變化?？梢詫螛O性歸零碼進行變換得到AMI碼。AMI碼的頻譜有突出的優(yōu)點：無直流分量，對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1/T定時頻率，在提取位定時信號時需要進行非線性變換。不過，當出現長的連續(xù)0時，定時信號會丟失。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，還可以將連0碼限制在3個以內，克服了AMI碼長連0不利于提取時鐘信號的缺點。在二進制NRZ碼轉換成HBD3碼的編碼過程中，編碼原理與AMI碼基本一樣，不過，當出現連續(xù)4個0時，需用000V或B00V代替。其中，V碼破壞傳號正負極性交替出現的規(guī)律，其出現的位置叫做破壞點，相鄰V碼的極性是交替出現的；B碼不破壞傳號正負極性交替出現的規(guī)律，其出現的位置叫做非破壞點。HBD3的優(yōu)點與AMI碼一樣多，但它克服了AMI碼的缺點，HBD3在通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。Manchester碼、AMI碼和HDB3碼的編碼原理課堂練習題畫出二進制數字序列“110000100000101000000000”的NRZ碼、Manchester碼、AMI碼和HBD3碼波形。思考題基帶信號、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據傳輸差錯率，提高數據傳輸可靠性。信道編碼是在數字基帶信號序列中加入校驗碼，以便解碼器利用這些校驗碼檢測或糾正數字信號在存儲和傳輸過程中產生的隨機差錯和突發(fā)差錯。3G移動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據中的隨機差錯?，F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，一個卷積碼組由一個信息碼元和若干監(jiān)督碼元組成，監(jiān)督碼元與前面的幾個碼元都有關系。本例中有兩個監(jiān)督碼元，監(jiān)督碼元與前面的三個信息碼元有關，加入當前信息碼元后卷積碼組與四個碼元有關。我們稱這個卷積碼的約束長度k=4。k的長度與移位寄存器的長度m有關，等于m+1。卷積碼的傳輸碼率：碼率=信息碼元數/碼組長度單極性二進制數字信號的摸二加雙極性負邏輯波形的邏輯乘0⊕

0=0(+1)×(+1)=+11⊕1=0(-1)

×(-1)=+11⊕0=1(-1)×(+1)=-10⊕1=1(+1)×(-1)=-17.2.3交織由于移動通信很容易出現深衰落和受到強脈沖干擾，導致比特流出現長串連續(xù)出錯。這種連續(xù)的長串差錯，往往超過系統(tǒng)的糾錯能力。如果將長串的差錯人為分散開變成隨機的差錯，這樣就好發(fā)現，并用糾正隨機差錯的方法來糾正。方法：首先將輸入信號序列分成m行n列，然后按列自左至右順序輸出。7.2.4Turbo碼將卷積碼經過交織后就得到Turbo碼。交織編碼可以糾正數據中的突發(fā)差錯，卷積碼可以糾正數據中的隨機差錯，因此，Turbo碼既可以糾正數據中的隨機差錯，又可以糾正數據中的突發(fā)差錯。適合對時延要求不嚴格的應用。例如，我們可以將前面（3，1）卷積碼產生的碼序列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，它們在新的碼序列里也是以隨機差錯的形式出現，可以用糾正隨機差錯的辦法進行糾正。7.2.53G應用的信道編碼3G的三大主流技術都采用了卷積碼和Turbo碼。Turbo碼適用于高速率、對編譯碼時延要求不嚴格的輔助數據鏈路中。卷積碼適用于低速率、實時和對編譯碼時延要求嚴格的數據鏈路中。3G的業(yè)務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