课件ppt第五章.

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1、毫米波通信技术 刘发林 电子工程与信息科学系 2012年10月 第五章、宽带数字通信编码、调制与均衡 研究生选修课 ESD5302 中国科学技术大学 1 5.1 编码技术 5.1.1差错控制编码的基本概念 5.1.2 自动重发请求(ARQ)方式 5.1.3 线性分组码 5.1.4 循环码 5.1.5 卷积码 5.1.6 交织编码 5.1.7 级联码 5.1.8 Turbo码 5.2 数字调制解调技术 5.2.1数字调制解调的基本概念 5.2.2滤波和脉冲成形技术 5.2.3 PSK调制 5.2.4多载波调制 5.2.5正交振幅调制 5.2.6编码调制 5.3均衡与分集 5.3.1 分集接收抗衰

2、落技术 5.3.2 均衡技术 第五章、宽带数字通信编码、调制与均衡 2 两个发展方向 n 无线宽带：数据、多媒体等 n 信源编码，解决传输有效性 n 信道编码，解决传输可靠性 n 移动通信：无缝覆盖，动中通等 n 信道编码 信道特性容易受到各种干扰： n 系统干扰、突发干扰、衰落等 对应手段： n 编码体制、交织、均衡与分集等 信道传输技术 5.1 编码技术 3 n信源编码 n 提高信息传输的有效性 n 模拟信号(如话音或图象)转换成数字 信号 如：语音编码、图象编码等 n信道编码 n 提高信息传输的可靠性。 n 又叫差错控制编码，它是根据一定 的规则适当增加信号的冗余度，使信号具 有一定的检

3、测错误和纠正错误的能力。 n 重点介绍信道编码即差错控制编码 编码技术 5.1 编码技术 4 差错控制概念 在数字信号传输过程中，信道受噪声或干扰的影 响，信号码元的波形传到接收端可能发生错误。为使 错误减少，需要在数字码流中加入一些附加码元(称监 督码元)，并采用某些特殊的编码方式进行差错控制。 n差错控制编码基本原理 n如用两位二进制码组，可表示四种天气情况:00晴， 01云，10阴，11雨，如果四组码中任意错一位码，则将一 种天气变为另一种天气。 n如果把码组增加到3位构成码组来表示，则有 000晴 001云 010阴 011雨 可增加正确判断率。 n结论：差错控制编码以降低传输的有效性

4、来换 取传输可靠性的提高 5.1 编码技术 5 三类差错控制的编码方式 n反馈纠错：校验或应答 (1) 奇偶监督码： (2) 行列监督码： (3) 自动要求重发ARQ(Automatic Repeat Request) n前向纠错FEC：发端发送能够纠错的 码字，收端收到后根据编码规则进行译码 ，通过译码发现并纠正传输过程中的错误 。 n混合纠错HEC：在反馈纠错和FEC两 类基础上派生出的第三类。 5.1 编码技术 6 n按功能分： n检错码：仅检错 n纠错码：仅纠错 n纠删码：纠错检错码 n按校验关系和形成规则分： n线性码：信息码元与监督码元为线性关 系 n非线性码：线性以外的其他关系

5、n按约束关系分： n分组码：监督码元仅与本组信息码元有 关 n卷积码：n个码元与本组和前m组的信息 码元有关 5.1 编码技术 7 1、反馈纠错 n (1) 奇偶监督码： 一般的奇偶监督码分两种,一种叫 奇数监督,它的编码规则是在一个码组中使“1”的数目为 奇数。 n (2) 行列监督码：行列监督 码是在前面奇偶监督码基础 上发展而来的。行列监督码 是二维奇偶监督码，又称为 矩阵码，它能用以纠正突发 差错为目标的简单编码。 5.1 编码技术 8 n(3)自动要求重发ARQ(Automatic Repeat Request) 。 n发送端发送能检错的码字，接收端收到后根据编码规 则检测传输过程中

6、是否有错。 n若有错，则通过反向信道通知发送端重发。 n重发的次数可能是一次，也可能是多次，直到无错。 n优点：工作原理简单，易于实现， n缺点：有延迟，实时性不高，双向信道。 ARQ系统示意图 5.1 编码技术 9 n自动要求重发ARQ 数据以编码分组为单位传输，如果接收端检测无错 ，返回ACK信号；如果检测有错，返回NAK信号 nARQ 三种方式： (1) 停止等待(Stop and Wait)方式：发送端将刚刚发送的 分组存储起来等待接收端的应答。 n 若收到NAK，则重发该分组，若收到ACK则发下 一个分组。两次发送之间的延迟约为两倍的信道传播时 间加上处理时间。不适于长时延的卫星信道

7、600ms n(2) 退回-N(Go-Back-N)方式：发端存储N个已发送的分 组，若收到此N个ACK，则发送下N组。如果收端检测到 第i个分组出错，则发送NAKi，同时拒绝接收其后的所有 分组，直到收到正确的第i个分组，因此发送方退回到分 组i，并且从分组i开始重新发送。 n 只有当收到NAK信号时才会存在一个时延，该方式 减小了时延，但发端必须设置缓存器。 5.1 编码技术 10 (3) 选择重发(Selective Repeat)方式。是对退回-N方式 的进一步改善。 n原理：只重发出错的分组，而不重发该分组之后的其 它分组。要求在接收机中设置一个存储区，用来在收到 出错分组的正确版本

8、之前存储在出错分组之后发送的所 有分组。 n不可检测概率（漏检概率） n 一个（n，k）分组码，其中n为码字长度，k为数据 比特(信息码元)数。r是编码码字中的冗余比特数。则， 数据字的数目是2k，而码字的数目是2n。当某个数据字被 传输时，如果错成其它的许用码字，则这种误码不可检 测。不可检测的错误码字的数目是2k-1 5.1 编码技术 11 n吞吐量：ARQ系统的吞吐量定义：在给定时间内使用 ARQ时收端正确收到的平均数据比特数与不使用ARQ时收 端能够收到的数据比特数之比。令PA是分组被正确接收的 概率，则吞吐量为： 对于一个BCH（1023，973）码，并且N = 4，当分组被正 确接

9、收的概率为99%时，则退回N ARQ的吞吐量为0.915， 选择重发ARQ的吞吐量为0.942。 5.1 编码技术 12 n 一般分组码用符号(n,k)表示，其中k是每 组码中信息码元数目，n为码组的总位数，又称 (码长)，附加码元数为r，又称监督码元数。r=n -k。增加的r比特可由信息比特求得，但不是信 息比特。如用ci表示码位,则纠错编码码组结构 如图所示。 分组码结构图 线性分组码 k位信息位 r位监督位 5.1 编码技术 13 (1) 任意两个许用码组之和（逐位模2和）仍为一个许用 码组，即线性分组码具有封闭性； (2) 码的最小距离等于非零码的最小重量。 线性分组码：两个重要特性

10、常用线性分组码 n汉明(Hamming)码，汉明码是一种能纠正单个随机错 误的线性分组码 n哈达马特(Hadamard)码 n格雷(Golay)码 汉明码的特性 最小码距d=3 5.1 编码技术 14 线性分组码：术语和基本概念 (1) 许用码组与禁用码组 字长n，则有2n个n重， 2k个信息组合，对应于2k个n重 该2k个n重称为许用码组（码矢、码字） 2n-2k个n重称为禁用码组 (2) 码率：编码效率，一个(n,k)分组码的效率为k/n 给定码长和对纠检错能力的要求后，码率就与码的结构有关。信 息元越多，码率越高； 具有高的编码效率的码称为好码(Perfect code) (3) 码重：

11、用汉明重量衡量。即每个码组中“1”的个数。 (4)码距、最小码距 ：用汉明距离衡量。即任意两个码字中 对应位不同的数目。 5.1 编码技术 15 线性分组码：术语和基本概念 续1 (5)最小码距： 所有码距中的最小值就是该分组码的最小码距，用d表示。 最小码距就等于该码中码组的最小重量。 (6)监督矩阵： 监督矩阵也称校验矩阵，用H(rn阶矩阵)表示。它可 以监督或校验码字的传输是否有错。 (7)生成矩阵： 用于生成码字C的矩阵 (8)校验子： 校验子也是矢量，用S表示。它是收端根据监督矩阵H 对接收的码字进行校验的结果 5.1 编码技术 16 (1) 循环码： n循环码是线性分组码的一个子类

12、。 n具有循环移位特性，即某个码字经循环移位后可以得 到另一个码字。某个码字的组成为C1C2C3C4C5C6C7， 则循环移位后为C2C3C4C5C6C7C1，它仍然是一个码字 。 n优点是易于用移位寄存器和模二加法器实现。循环码 在无线通信中得到了广泛的应用。 n在具有循环性质的码中，只有k和n具有一定组合的码 才是可用的码。 2、 前向纠错码 设： 是一个码多项式，则 xic(x)也是一个码多项式 。 5.1 编码技术 17 n循环码有三个数字特征: n循环码的码组中,任意两个码组之和(模二 加)必定为该码组集合中的一个码组。 n循环码每个码组中，各码元之间存在一个 循环依赖关系。 n循环

13、码的码组之间具有循环性。 2、 前向纠错码续1 5.1 编码技术 18 n(1) BCH码：（三人首字母） n循环码是线性分组码的一个子类。 n具有循环移位特性，即某个码字经循环移位后可以得 到另一个码字。某个码字的组成为C1C2C3C4C5C6C7， 则循环移位后为C2C3C4C5C6C7C1，它仍然是一个码字 。 n优点是易于用移位寄存器和模二加法器实现。循环码 在无线通信中得到了广泛的应用。 n在具有循环性质的码中，只有k和n具有一定组合的码 才是可用的码。 常用循环码举例 设： 是一个码多项式，则 xic(x)也是一个码多项式 。 5.1 编码技术 19 n(2) 卷积码： n卷积码又

14、称连环码,它与上述的循环码(分组 码)不同，这种编码也是在信码之中插入监督码 元，但不实行分组监督，而是每一监督码元都要 对前后的信息单元起监督作用。整个编/解码过 程是一环扣一环连续地进行下去的，所以称连环 码。 n由k信息比特组成n比特码字，k，n均较小 nN个码元不但与本组信息元有关，且与前 m1个码组的信息码元有关 n表示为：(n,k,m) nN=m+1为约束长度，表示码字之间的约束关 系 n编码器复杂度一定时，性能优于分组码 5.1 编码技术 20 n卷积码基本原理 n有N-k个移位寄存器， n个模2加法器 n例： (2,1,3)表示N-k=3，n=2 输入 数据 编码 输出 图5.

15、4 （2,1,3）卷积码的编码器电路 5.1 编码技术 21 n卷积码基本原理续1 n任何时刻，均有3个信息元，因此m =3 n可以看成是输入数据流与此种电路连 接方式决定的另一个序列的卷积，故得名 。 n可以通过树图说明编码过程 n而解码主要是由已知的编码树图中得 到相应信息码，即根据逻辑判断。 5.1 编码技术 22 n卷积码主要译码方法 n对于长信息序列，译码比编码难得多，按照 搜索处理不可行（太费时） n大数逻辑译码：实现易，对随机错和突发错 均有效 n概率译码器：可实现最佳译码性能，实现复 杂； nViterbi译码（1976）和序列译码等方式 Q1900 n卷积码与调制相结合，在前

16、向纠错系统中广 泛应用。 5.1 编码技术 23 n卷积码编码增益 n定义：在给定编码码率和调制方式的 情况下，为获得相同的误比特率，未使用 编码时所需要的信噪比与采用编码后所需 要的信噪比的dB差值 n与误比特率是相关的 n对要求越高（Pe较小）的场合，增益 越高 5.1 编码技术 24 n卷积码编码增益续1 表5.4 常用卷积码的编码增益(3比特维 特比软判决译码) 卷积码(n , k , m) 编码增益（dB） Pe=10-3Pe=10-5Pe=10-7 (3，1，7)4.25.76.2 (2，1，7)3.85.15.8 (2，1，6)3.54.65.3 (2，1，5)3.34.34.9 (3，2，4)3.14.65.2 (3，2，3)2.94.24.7 (4，3，3)2.64.24.8 (4，3