移动通信入门第四章移动通信的编码技术

,单击此处编辑母版标题样式,2019/9/12,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章,移动通信的,编码技术,目录,4.3,交织技术,3,4.2,差错控制编码,2,4.1,信源编码,1,4.1,信源编码,在发送端，把经过采样和量化后的模拟信号变换成数字脉冲信号的过程，称为信源编码。信源编码主要完成两大任务：一是将模拟信号转换成数字信号，第二是实现数据压缩。信源编码通常分为三类：波形编码、参数编码和混合编码。其中波形编码和参数编码是两种基本类型，混合编码是前两者的衍生物。,（,1,）波形编码 波形编码技术直接对语音波形采样、量化，并用二进制码表示。脉冲编码调制,PCM,和增量调制,DM,是波形编码的代表。,优点：具有很宽范围的语音特性，对各类模拟话音波形信号进行编码均可达到很好的效果；抗干扰能力强，具有优良的的话音质量；技术成熟、复杂度不高；费用适中。,缺点：编码速率要求高，一般要求在,16,64kbit/s,之间，所占用的频带较宽，只适用于有线通信系统中。,4.1,信源编码,（,2,）参数编码 是以发音机制的模型作为基础，用一套模拟声带频谱特性的滤波器系数和若干声源参数来描述这个模型，在发送端从模拟语音信号中提取各个特征参数并进行量化编码。包括线性预测编码（,LPC,）及各种改进型。目前移动通信系统的语音编码技术大多采用这种类型技术为基础。,优点：由于只需传输话音特征参量，因而语音编码速率可以很低，一般在,2,4.8kbit/s,之间，并且对话音可懂度没有多少影响。,缺点是：话音有明显的失真，并且对噪声较为敏感，话音质量一般，不能满足商用话音质量的要求。,（,3,）混合编码 将波形编码和参数编码结合起来，力图保持波形编码话音的高质量与参数编码的低速率。目前移动通信中使用的混合编码包括规则脉冲激励长期预测编码（,RPE-LTP,）和应用于,IS-95 CDMA,蜂窝移动通信系统的码激励线性预测编码（,CELP,）。,特点是：数字语音信号中既包括若干话音特征参量又包括部分波形编码信息，因而综合了参数编码和质量波形编码各自的优点。,4.2,差错控制编码,数字信号在传输过程中，由于受到干扰的影响，码元波形将破坏，接收端收到后可能发生错误判决。为此，在传送数字信号时，往往要进行各种编码。通常把在信息码元序列中加入监督码元的方法称为差错控制编码，也叫纠错编码。,从差错控制的角度看，按照加性干扰引起的错码分布规律的不同，可把信道分为三类：,随机信道、突发信道和混合信道。恒参高斯白噪声信道是典型的随机信道，其中差错的出现是随机的，而且错误之间是统计独立的。具有脉冲干扰的信道是典型的突发信道，错误是成串成群出现的，即在短时间内出现大量错误。短波信道和对流层散射信道是混合信道的典型例子，随机错误和成串错误都占有相当比例。对于不同类型的信道，应采用不同的差错控制方式。常用的差错控制方式有,3,种：检错重发（,ARQ,）、前向纠错（,FEC,）和混合纠错（,HEC,）。,4.2,差错控制编码,1,检错重发方式,检错,重发又称自动请求重传方式（,ARQ,，,Automatic Repeat Qequest,），由发端送出,能够发现,错误的码，由收端判决传输中有无错误产生，如果发现错误，则通过反向信道把这,一判决,结果反馈给发端，然后，发端把收端认为错误的信息再次重发，从而达到正确传输,的目的,。其特点是需要反向信道，译码设备简单，对突发错误和信道干扰较严重时有效，,但实时,性差，主要在计算机数据通信中得到应用,。,2,前向纠错方式,前向纠错方式,记作,FEC,（,Forword Error-Correction,）。发端发送能够纠正错误的码，收,端收到,码后自动地纠正传输中的错误。其特点是单向传输，实时性好，但译码设备较复杂。,4.2,差错控制编码,3,混合纠错方式,混合,纠错方式记作,HEC,（,Hybrid Error-Correction,）是,FEC,和,ARQ,方式的结合。发端,发送,具有自动纠错同时又具有检错能力的码。收端收到后，检查差错情况，如果错误在码,的纠错,能力范围以内，则自动纠错，如果超过了码的能力，但能检测出来，则经过,反馈信道请求,发端重发。这种方式具有自动纠错和检错重发的优点，可达到较低的误码率，因此,，近年,来得到广泛的应用。,移动通信中常用的差错控制编码包括：线性分组码，卷积码，循环码，,Turbo,码和,LDPC,码。,4.2,差错控制编码,线性,分组码,线性分组码是信道编码中最基本的一类码。在线性分组码中，监督码元仅与所在码组,中的,信息码元有关，且两者之间是通过预定的线性关系联系起来的。线性分组码中的分组是指编译码过程是按分组进行的，编码的过程是先把要传送的信息每,k,位分为一组，每隔一单位时间给编码器送入一个信息组，编码器按照预定的线性规则，把信息码组变换成,n,重（,n,k,）码字。这种信息位长为,k,，码长为,n,的线性分组码，记为,(n,，,k),，用,=k/n,表示码字中信息位所占的比重，称为编码效率，简称码率。码率反映了该码的信道利用率。,通常定义码组中非零码元的数目为码的重量，简称码重。把两个码组中对应码位上具有不同二进制码元的位数定义为两码组的距离，称为汉明（,Hamming,）距离，简称码距。码组集中任意两个码字之间距离的最小值称为码的最小距离，用,D0,表示。例如,11000,与,10011,之间的距离,D0=3,。最小码距是码的一个重要参数，它是衡量码检错、纠错能力的依据。,4.2,差错控制编码,线性,分组码,线性分组码是信道编码中最基本的一类码。在线性分组码中，监督码元仅与所在码组,中的,信息码元有关，且两者之间是通过预定的线性关系联系起来的。线性分组码中的分组是指编译码过程是按分组进行的，编码的过程是先把要传送的信息每,k,位分为一组，每隔一单位时间给编码器送入一个信息组，编码器按照预定的线性规则，把信息码组变换成,n,重（,n,k,）码字。这种信息位长为,k,，码长为,n,的线性分组码，记为,(n,，,k),，用,=k/n,表示码字中信息位所占的比重，称为编码效率，简称码率。码率反映了该码的信道利用率。,通常定义码组中非零码元的数目为码的重量，简称码重。把两个码组中对应码位上具有不同二进制码元的位数定义为两码组的距离，称为汉明（,Hamming,）距离，简称码距。码组集中任意两个码字之间距离的最小值称为码的最小距离，用,D0,表示。例如,11000,与,10011,之间的距离,D0=3,。最小码距是码的一个重要参数，它是衡量码检错、纠错能力的依据,。,在,(n,，,k),码中，对于,k,个信息元。有,2K,种不同的信息组，则有,2K,个码字分别与之一一对应，每个码字长,n,。这些码组的集合构成代数中的群，因此又称为群码或块码。它具有以下,性质,：,任意两个码字之和（模,2,和）仍为一个码字，即具有封闭性。,码的最小距离等于非零码的最小重量。,4.2,差错控制编码,循环码,循环码,是线性分组码中最重要的一个子类，这类码可以用简单的反馈移位寄存器来实现，,易于检错和纠错，是一种很有效的编译码方法。,循环码,除了具有线性分组码所具有的特点之外，还具有自己独特的循环性，即循环码,C,中任意一个码字，经过循环移位后仍然是,C,中的码字。例如，设,(c,n-1,c,n-2,c,0,),是,(n,，,k),循环码,C,的一个码字，我们用码多项式,C(x),来表示循环码的码字,C(x)=c,n-1,x,n-1,+c,n-2,x,n-2,+c,0,该码字循环一次的码多项式是原码多项式,C(x),乘,x,除以,x,n,+1,的余式，写作,C,1,(x,)=xC(x),（模,x,n,1,）,推广下去，,C,（,x,）的,i,次循环移位,C,i,（,x,）是,C(x),乘,x,i,除以,x,n,+1,的余式，即,C,i,(x)=x,i,C(x),（模,x,n,+1,）,既然循环码也是一种线性分组码，它的构成可沿用上节中的方法。在,(n,，,k),循环码的码字中，我们取前,k,1,位皆为零的码字,g,（,x,）（其次数,r=n,k,），根据循环码的循环特性，将,g,（,x,）经,k,1,次循环移位，可得到,k,个码字,g,（,x,），,xg,（,x,），,x,K-1,g,（,x,）。,4.2,差错控制编码,卷积码,如前所述,，分组码是把,k,个信息比特的序列编成,n,个比特（在非二进制分组码中则为,n,个,非二进制符号）的码组，每个码组的（,n,k,）个校验位仅与本码组的,k,个信息位有关，而与其他码组无关。为了达到一定的纠错能力和编码效率（,RC=k/n,），分组码的码组长度通常都比较大。编译码时必须把整个信息码组存储起来，由此产生的延时随着,n,的增加而线性增加。,这里,介绍的卷积码则是另一类编码，它也是把,k,个信息比特编成,n,个比特，但,k,和,n,通常很小，特别适宜于以串行形式传输信息，延时小。与分组码不同，卷积码中编码后的,n,个码元不但与当前段的,k,个信息有关，而且与前面（,n,1,）段的信息有关，编码过程中相互关联的码元为,N=n*n,个。卷积码的纠错能力随着,N,的增加而增加，而差错率随着,N,的增加而按指数下降。在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。另一点不同的是：分组码有严格的代数结构，但卷积码至今尚未找到如此严密的数学手段，把纠错性能与码的构成十分有规律地联系起来，目前大多采用计算机来搜索好码。,4.2,差错控制编码,Turbo,编码技术,Turbo,码适用于高速率对译码时延要求不高的数据传输业务，并可降低对发射功率的,要求,，增加系统容量。,WCDMA,、,TD-SCDMA,和,CDMA 2000,均用到了,Turbo,码，,LTE,也将,Turbo,写入了标准。,无论是从信息论还是从编码理论看，要想尽量提高编码的性能，就必需要加大编码中,具有,约束关系的序列长度。但是直接提高分组码编码长度或卷积码约束长度都使得系统的,复杂性,急剧上升。在这种情况下，,Forney,提出了级联码的概念，即以多个短码来构造长码的方法,，这样,既可以减少译码的复杂性，同时又能够得到等效长码的性能。一种广泛应用的级联,结构就是,以,R-S,码作为外码，以卷积码作为内码的串联结构。,Turbo,码是一种基于广义级联码概念的新型编码方案，它代表着纠错控制编码研究,领域内,的重大进展。它在加性噪声（,AWGN,）信道下，进行信噪比为,0.7 dB,、码率为,1/2,的,常规信道编码,时，可使比特误码率达,10,-5,。,Turbo,码是一种新的纠错编码，其编码端由两个或更多卷积码并行级联构成，译码端采用基于软判决信息输入,/,输出的反馈迭代结构。在理论上，,Turbo,码的性能已非常接近信道编码的极限（,10,-1,10,-3,）。,4.2,差错控制编码,Turbo,码编码器结构,如,左图,所,示，其中,D,是寄存器。其基本编码过程是：未,编码的数据,信息即输入信息流,u=,（,u,1,，,u,N,）直接进入编码器,1,，同时，未编码信息流,u,经,交织后,进入编码器,2,。此后的过程,参见,右图,所,示。,Turbo,码的译码采用的是具有反馈迭代结构的译码器，其典型结构,如,右,图所,示。,4.2,差错控制编码,如图所示,，,x,k,为信息符号序列，,z,k,为外信息，,y,1k,和,y,2k,为校验序列。译码器,1,和,译码器,2,都采用软输出译码算法，且译码器,2,的软输出信息经解交织后反馈至译码器,1,，其,目的是,去掉已用过的本支路输出符号中本身的信息，实现判决译码的准确无误。,由于标准维特比译码算法无法给出已被译出比特的后验概率等软输出信息，因此对,标准维特比译码算法,进行如下修正：在每一次删除似然路径时保留必要的信息，把这一信息,作为标准,维特比译码的软输出，形成事实上的软输出维特比译码算法（,SOVA,）。此外，目前,还有一,种基于码