移动通信技术与网络优化第2版第3章语音编码信道编码和交织

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1、移动通信技术移动通信技术第第3章章 语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/191第第3章章 语音编码、信道编码和交织技术语音编码、信道编码和交织技术3.1 语语 音音 编编 码码 3.2 信信 道编道编 码码 3.3 交交 织织 编编 码码2024/9/1922024/9/193图图 GSM 电路基本组成框图电路基本组成框图2024/9/194图图 82108850型型 发射信号流程图发射信号流程图 2024/9/195图图 82108850型型 接收信号流程图接收信号流程图 2024/9/196语音编码及信道编码技术：语音编码及信道编码技术： 语音编码和信道编

2、码语音编码和信道编码是通信数字化的两个重要技术领域。在移动通信是通信数字化的两个重要技术领域。在移动通信数字化中，模拟语音信号的数字化，可数字化中，模拟语音信号的数字化，可提高频带提高频带利用率和信道容量利用率和信道容量。信道编码技术可。信道编码技术可提高系统的提高系统的抗干扰能力抗干扰能力，从而保证良好的通话质量。，从而保证良好的通话质量。蜂窝移动通信系统由于频率资源受限，一般数字蜂窝移动通信系统由于频率资源受限，一般数字语音编码技术如语音编码技术如PCM、ADPCM、 M等，因为等，因为编码速率高而未被采用。蜂窝移动通信均采用编码速率高而未被采用。蜂窝移动通信均采用13kbit/s以下低速

3、率语音编码。以下低速率语音编码。第第3章章 语音编码、信道编码和交织技术语音编码、信道编码和交织技术2024/9/197信道编码是以增加传输码元冗余度，降低有效码信道编码是以增加传输码元冗余度，降低有效码元传输速率为代价，以牺牲通信的有效性换取通元传输速率为代价，以牺牲通信的有效性换取通信的可靠性。信的可靠性。交织交织编码：编码：突发性干扰是快衰落在衰落深度和持突发性干扰是快衰落在衰落深度和持续时间较长的情况下，对信号造成成串的错误，续时间较长的情况下，对信号造成成串的错误，用一般信道编码方法很难纠错；只能用交织技术用一般信道编码方法很难纠错；只能用交织技术将成串的错误转换成随机差错后，再用信

4、道编码将成串的错误转换成随机差错后，再用信道编码方法纠错。方法纠错。第第4章章 语音编码、信道编码和交织技术语音编码、信道编码和交织技术2024/9/1983.1 语语 音音 编编 码码3.1.1 概述概述3.1.2 语音信号特征语音信号特征3.1.3 声码器声码器3.1.4 线性预测编码器线性预测编码器3.1.5 移动通信中语音编码器的选择移动通信中语音编码器的选择3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器3.1.7 IS-95系统语音编码器系统语音编码器2024/9/1991信源编码的定义与作用信源编码的定义与作用源编码就是信源信号的模数（源编码就是信源信号的模数（AD）变换，即将）变

5、换，即将模拟的信源信号转化成适于在信道中传输的数字模拟的信源信号转化成适于在信道中传输的数字信号形式。信号形式。在数字系统中，信源编码的基本目的就是通过压在数字系统中，信源编码的基本目的就是通过压缩信源产生的冗余信息来提高整个传输链路的有缩信源产生的冗余信息来提高整个传输链路的有效性。效性。2 信源编码的分类信源编码的分类( (1 1) ) 根据信源信号是离散的信号还是连续的信号，根据信源信号是离散的信号还是连续的信号，可以将信源编码分为：可以将信源编码分为：3.1.1 概述概述 2024/9/1910离散信源编码；离散信源编码；模拟信源编码。模拟信源编码。(2) 根据信源信号是语音还是图像，

6、可以分为：根据信源信号是语音还是图像，可以分为：语音编码；语音编码；图像编码。图像编码。 移动通信系统中，信源有语音信号、图移动通信系统中，信源有语音信号、图像（如可视移动像（如可视移动 ）或离散数据）或离散数据(如短信息如短信息服务服务)。本节主要讲语音编码。本节主要讲语音编码。3.1.1 概述概述 2024/9/1911 4 语音编码语音编码语音编码为信源编码，是将模拟语音信号转变为数字信号语音编码为信源编码，是将模拟语音信号转变为数字信号以便在信道中传输。以便在信道中传输。语音编码技术通常分为三类：语音编码技术通常分为三类：波形编码、声源编码（或参波形编码、声源编码（或参量编码）和混合编

7、码量编码）和混合编码。波形编码波形编码是对模拟语音波形信号经过取样、量化、编码而是对模拟语音波形信号经过取样、量化、编码而形成的数字语音信号。为了保证数字语音信号解码后的高形成的数字语音信号。为了保证数字语音信号解码后的高保真度，波形编码需要较高的编码速率，一般在保真度，波形编码需要较高的编码速率，一般在1664kbit/s。可对各种各样的模拟语音波形信号进行编码均。可对各种各样的模拟语音波形信号进行编码均可达到很好的效果。优点：适用于很宽范围的语音特性，可达到很好的效果。优点：适用于很宽范围的语音特性，以及在噪音环境下都能保持稳定。以及在噪音环境下都能保持稳定。 概述概述 2024/9/19

8、12 波形编码包括脉冲编码调制（波形编码包括脉冲编码调制（PCM）、差分脉冲编码调）、差分脉冲编码调制（制（DPCM）、自适应差分脉冲编码调制（）、自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）、）、增量调制（增量调制（DM）、连续可变斜率增量调制（）、连续可变斜率增量调制（CVSDM）、）、自适应变换编码自适应变换编码(ATC)、子带编码（、子带编码（SBC）和自适应预测）和自适应预测编码（编码（APC）等。）等。 声源编码是声源编码是基于人类语言的发声机理，找出表征语音的特基于人类语言的发声机理，找出表征语音的特征参量，对特征参量进行编码的一种方法。在接收端，根征参量，对特征参量进行编码的一种方法。

9、在接收端，根据所接收的语音特征参量信息，恢复出原来的语音。由于据所接收的语音特征参量信息，恢复出原来的语音。由于参量编码只需传送语音特征参数，可实现低速率的语音编参量编码只需传送语音特征参数，可实现低速率的语音编码，一般在。码，一般在。3.1.1 概述概述 2024/9/1913声源编码的例子线性预测编码（声源编码的例子线性预测编码（LPC)声码器。这技术可声码器。这技术可压缩到压缩到2Kbit/s，缺点：在于语音质量只能达到中等水平，缺点：在于语音质量只能达到中等水平，不能满足商用语音通信的要求。不能满足商用语音通信的要求。语音质量不够好，故高速语音质量不够好，故高速码不用这种技术。码不用这

10、种技术。对此，综合参量编码和波形编码各自的长点，即保持参量对此，综合参量编码和波形编码各自的长点，即保持参量编码的低速率和波形编码的高质量的优点，又提出了混合编码的低速率和波形编码的高质量的优点，又提出了混合编码方法。编码方法。混合编码混合编码基于参量编码和波形编码发展的一类新的编码技基于参量编码和波形编码发展的一类新的编码技术。在混合编码的信号中，既含有若干语音特征参量又含术。在混合编码的信号中，既含有若干语音特征参量又含有部分波形编码信息。其编码速率一般在有部分波形编码信息。其编码速率一般在416kbit/s。当。当编码速率在编码速率在816kbit/s范围时，其语音质量可达到商用语范围时

11、，其语音质量可达到商用语音通信标准的要求。音通信标准的要求。3.1.1 概述概述 2024/9/1914混合编码技术在数字移动通信中得到了广泛应用。混合编码技术在数字移动通信中得到了广泛应用。混合编码包括规则脉冲激励长期预测编解码器混合编码包括规则脉冲激励长期预测编解码器（RPE-LTP）、矢量和激励线性预测编码）、矢量和激励线性预测编码（VSELP）和码激励线性预测编码（）和码激励线性预测编码（CELP）等等。3.1.1 概述概述 2024/9/1915表常用数字移动通信系统语音编解码 标准准服服务类型型语音音编码器（比特率：器（比特率：kbpskbps）GSM数字蜂窝网RPE-LTP13U

12、SDC（IS-54）数字蜂窝网VSELP16IS-95（CDMA）数字蜂窝网CELP1.2，2.4，4.8，9.6CT2、DECT、PHS数字无绳电话ADPCM32DCS-1800个人通信系统RPE-LTP13PACS个人通信系统ADPCM323.1.1 概述概述 2024/9/19163.1.2 语音信号特征语音信号特征语音是一种波，振荡频率在语音是一种波，振荡频率在20HZ-20000HZ20HZ-20000HZ之间，之间，喉以上部分称为喉以上部分称为声道声道，喉部称为，喉部称为声门声门。喉部的。喉部的声声带带即是阀门又是振动部件。即是阀门又是振动部件。声带的声学功能是为语音提供主要的的激

13、励源。声带的声学功能是为语音提供主要的的激励源。声带的开启闭合使气流形成一系列脉冲。声带的开启闭合使气流形成一系列脉冲。由声带产生的音统称为由声带产生的音统称为浊音浊音，不由声带产生的音，不由声带产生的音统称为统称为清音清音。可见，语音是由气流激励声到最后从嘴和鼻孔或可见，语音是由气流激励声到最后从嘴和鼻孔或同时从嘴和鼻孔辐射出来而产生的。对于浊音、同时从嘴和鼻孔辐射出来而产生的。对于浊音、清音、爆破音来说，激励源是不同的。清音、爆破音来说，激励源是不同的。2024/9/1917长期研究证明，发不同性质的音，激励的情况是长期研究证明，发不同性质的音，激励的情况是不同的。大致分为两类。不同的。大

14、致分为两类。发浊音时，气流通过紧绷的声带，冲击声带产生发浊音时，气流通过紧绷的声带，冲击声带产生振荡，是声门处形成准周期的脉冲列，用它来激振荡，是声门处形成准周期的脉冲列，用它来激励声道。励声道。发清音时，声带松弛而不振动，气流通过声门直发清音时，声带松弛而不振动，气流通过声门直接进入声道。接进入声道。根据以上机理我们构建如图所示语音信号的产生根据以上机理我们构建如图所示语音信号的产生模型。模型。3.1.2 语音信号特征语音信号特征2024/9/1918图图4-1 语音信号的产生模型语音信号的产生模型3.1.2 语音信号特征语音信号特征2024/9/1919由图由图4-1可见，激励源可由冲击序

15、列发生器或随机可见，激励源可由冲击序列发生器或随机噪声发生器来产生，分别对应产生清音和浊音的噪声发生器来产生，分别对应产生清音和浊音的激励。增益系数激励。增益系数AV和和AN分别对应清音和浊音时分别对应清音和浊音时声门激励信号的强度，用以调节信号幅度和能量。声门激励信号的强度，用以调节信号幅度和能量。声道模型用来模拟声道谐振腔结构，以此形成谐声道模型用来模拟声道谐振腔结构，以此形成谐振频率。振频率。声码器是以人类语音的产生模型为基础，分析表声码器是以人类语音的产生模型为基础，分析表征语音激励源和声道等的特征参数，再运用这些征语音激励源和声道等的特征参数，再运用这些特征参数重新合成语音信号的设备

16、。特征参数重新合成语音信号的设备。3.1.2 语音信号特征语音信号特征2024/9/19203.1.3 声码器声码器 声码器又称为声码器又称为“参量编码器参量编码器”。声码器的数码率。声码器的数码率可以压缩到以下，但其语音质量，特别是自然度，可以压缩到以下，但其语音质量，特别是自然度，大大下降。大大下降。自自1939年来，研制各种声码器如通道声码器、相年来，研制各种声码器如通道声码器、相位声码器、图样匹配声码器、同态声码器、线性位声码器、图样匹配声码器、同态声码器、线性预测声码器等。研究最多是线性预测编码声码器预测声码器等。研究最多是线性预测编码声码器如图如图4-2，也是应用最广泛的。，也是应

17、用最广泛的。线性预测声码器在发送端进行语音分析，每隔线性预测声码器在发送端进行语音分析，每隔10-20ms取出一帧语音做请浊音区分和音调提取，已取出一帧语音做请浊音区分和音调提取，已给出激励信息，并计算出预测滤波器的各种参数，给出激励信息，并计算出预测滤波器的各种参数，经量化及编码后送往接收端。经量化及编码后送往接收端。2024/9/19213.1.3 声码器声码器 图4-2 典型的线性预测编码声码器原理框图2024/9/1922必须传输的编码量化参数有预测器系数、音调周必须传输的编码量化参数有预测器系数、音调周期、请浊音判决和增益系数。期、请浊音判决和增益系数。大多数线性预测声码器研究集中在

18、大多数线性预测声码器研究集中在.理论和实践都表明，用声码器进行语音通信，其理论和实践都表明，用声码器进行语音通信，其语音质量提高主要症结在于模型的激励信号。多语音质量提高主要症结在于模型的激励信号。多年来，一直以准周期和白噪声作为激励源，这对年来，一直以准周期和白噪声作为激励源，这对提高语音质量有障碍。提高语音质量有障碍。混合编码是新一代语音通信编码器的发展方向。混合编码是新一代语音通信编码器的发展方向。3.1.3 声码器声码器 2024/9/1923混合编码混合编码目前较成功的混合编码方案有两种，目前较成功的混合编码方案有两种，多脉冲激励多脉冲激励线性预测编码（线性预测编码（MPLPC)和和

19、码激励码激励线性预测编码线性预测编码（CELPC),前者使用一个数目有限且幅度和位置前者使用一个数目有限且幅度和位置要调整的脉冲序列作为激励源。后者使用一个波要调整的脉冲序列作为激励源。后者使用一个波形矢量作为激励源。图形矢量作为激励源。图4-3给出三种不同激励序列给出三种不同激励序列及其产生语音方法。及其产生语音方法。图4-3 三种不同激励的语言合成模型2024/9/19241多脉冲激励线性预测编码（多脉冲激励线性预测编码（MPLPC） 混合编码混合编码图4-4 MPLPC算法基本原理2024/9/1925无论合成清音或浊音，激励源一律使用无论合成清音或浊音，激励源一律使用多脉冲序多脉冲序列

20、形式。列形式。图图4-4 给出这一算法基本原理给出这一算法基本原理 加上感知加权滤波器后，主观听觉上的语音质量加上感知加权滤波器后，主观听觉上的语音质量有明显的提高。有明显的提高。MPLPC必须进行量化编码，它传输的内容包括多必须进行量化编码，它传输的内容包括多脉冲激励的脉冲位置和幅度、长时和短时预测器脉冲激励的脉冲位置和幅度、长时和短时预测器系数、音调周期等。系数、音调周期等。MPLPC产生的语音质量和比特率取决于提供一帧产生的语音质量和比特率取决于提供一帧语音激励信号的脉冲数目。语音激励信号的脉冲数目。多脉冲激励方式要优化众多脉冲的位置与幅度参多脉冲激励方式要优化众多脉冲的位置与幅度参数，

21、计算量大。数，计算量大。 混合编码混合编码2024/9/19262码激励线性预测编码（码激励线性预测编码（CELPC） 3.1.4 线性预测编码器线性预测编码器图4-5 CELPC的基本工作原理图2024/9/19271984年提出的一种新的混合型编码器算法年提出的一种新的混合型编码器算法 CELPC与与 MPLPC比，只是激励源不同，其他相同。比，只是激励源不同，其他相同。CELPC应用了矢量量化技术。应用了矢量量化技术。在数字移动通信中，码激励的一种变型即矢量和激在数字移动通信中，码激励的一种变型即矢量和激励（励（VSELP）已成为美国和日本数字蜂窝移动通信）已成为美国和日本数字蜂窝移动通

22、信系统中的语音编码标准。系统中的语音编码标准。 三种编码技术同时存在通信系统中，波形编码以三种编码技术同时存在通信系统中，波形编码以其高质量用于长途传输和宽带语音；声码器以高效其高质量用于长途传输和宽带语音；声码器以高效压缩性用于保密通信；混合编码以其独有特性用于压缩性用于保密通信；混合编码以其独有特性用于各种通信系统。各种通信系统。3.1.4 线性预测编码器线性预测编码器2024/9/19283.1.5 移动通信中语音编码器的选择移动通信中语音编码器的选择 在低比特率语音编码中，有在低比特率语音编码中，有4个参数是很重要的，个参数是很重要的，即比特率、质量、复杂度和处理时延。即比特率、质量、

23、复杂度和处理时延。1语音质量评估语音质量评估当前世界上流行的语音质量评估方法是采用原当前世界上流行的语音质量评估方法是采用原CCITT提议的从提议的从1分到分到5分的主观评定的方法。分的主观评定的方法。这就是这就是“平均评价得分平均评价得分”（Mean Opinion Score）简称简称MOS。 2024/9/1929语音质量评估图4-6 语音编码的现状3.1.5 移动通信中语音编码器的选择移动通信中语音编码器的选择 2024/9/19302 2语音编码器的复杂度和处理时延语音编码器的复杂度和处理时延语音数字编码的算法通常用数字信号处理器语音数字编码的算法通常用数字信号处理器（DSPDSP）

24、来实现。）来实现。编码硬件的成本通常随着复杂度的提高而增加。编码硬件的成本通常随着复杂度的提高而增加。 3.1.5 移动通信中语音编码器的选择移动通信中语音编码器的选择 2024/9/19313.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 1 GSM系统语音编码器性能要求系统语音编码器性能要求（1）语音质量）语音质量对语音编码最基本的要求就是用户角度测试，在对语音编码最基本的要求就是用户角度测试，在可工作的范围内，平均语音质量应至少不低于可工作的范围内，平均语音质量应至少不低于900MHz模拟移动系统。模拟移动系统。语音编码算法应具有很强的适应频谱以及电平变语音编码算法应具有很强的适应频谱以及

25、电平变化的能力。化的能力。语音编码器能够不受环境噪声以及很多语音信号语音编码器能够不受环境噪声以及很多语音信号混杂的干扰。混杂的干扰。2024/9/1932在移动台转接移动台时，会出现两套编在移动台转接移动台时，会出现两套编/译码器复译码器复接的情况。接的情况。（2）码速率）码速率仍然使用仍然使用8kHz取样率，以便于和取样率，以便于和PSTN的接口连的接口连接。基于对频率利用率和语音质量相矛盾的协调，接。基于对频率利用率和语音质量相矛盾的协调，将将16kbit/s作为可接受的工作比特率。作为可接受的工作比特率。（3）码变换）码变换GSM系统所确定的基本语音编码的变码器可将系统所确定的基本语音

26、编码的变码器可将13位线性位线性PCM码流变换成码流变换成16kbit/s的无线传输比特率。的无线传输比特率。3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 2024/9/1933在在GSM语音编码器网络一端将完成语音编码器网络一端将完成A律或律或 律的律的PCM变换。变换。3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 2024/9/1934（4）非话信号的传输）非话信号的传输语音编译码器没有对语音频段的数据做出要求，语音编译码器没有对语音频段的数据做出要求，然而，必须要求语音编译器能够传输由网络提供然而，必须要求语音编译器能够传输由网络提供给用户的各种音频信号音，如拨号音、振铃音、给用户的

27、各种音频信号音，如拨号音、振铃音、忙音等。忙音等。考虑到中、低比特率的编译码器将尽量利用语音考虑到中、低比特率的编译码器将尽量利用语音中的一些特征，将语音以及语音频段内的数据一中的一些特征，将语音以及语音频段内的数据一起协调的编码算法必将降低语音的质量。因此，起协调的编码算法必将降低语音的质量。因此，在设计语音编码器时，应首先考虑语音的质量，在设计语音编码器时，应首先考虑语音的质量，而对于语音频段内的数据信号，则通过特殊的终而对于语音频段内的数据信号，则通过特殊的终端适配器来实现。端适配器来实现。3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 2024/9/1935（5）传输时延）传输时延 造

28、成传输时延的主要原因有以下两方面。造成传输时延的主要原因有以下两方面。 语音编码的时延。语音编码的时延。 无线分系统中的时延。无线分系统中的时延。 为此对这两种时延的限定各自可不超过为此对这两种时延的限定各自可不超过65ms。考。考虑到二四线转换阻抗不匹配会导致反射现象发生，虑到二四线转换阻抗不匹配会导致反射现象发生，上述的时延将给用户带来令人厌烦的回声，因此需要上述的时延将给用户带来令人厌烦的回声，因此需要采用回波抑制器来消除时延的影响。采用回波抑制器来消除时延的影响。3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 2024/9/1936（6）硬件实现）硬件实现 对语音编码器的要求主要来自手

29、持机。为了保障对语音编码器的要求主要来自手持机。为了保障手持机的轻小和长期工作，需要硬件能够在一块手持机的轻小和长期工作，需要硬件能够在一块VLSI芯片上实现，并要求功率消耗尽可能的低芯片上实现，并要求功率消耗尽可能的低。2GSM系统语音处理功能结构系统语音处理功能结构RPE-LTP编译码器特性如下编译码器特性如下: 取样速率为取样速率为8kHz。 帧长为帧长为20ms，每帧编码成为，每帧编码成为260bit。每帧分为。每帧分为4个个子帧，每个子帧长子帧，每个子帧长5ms。 纯比特率为纯比特率为13kbit/s。3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 2024/9/1937 语音比特分

30、为两类。第一类含语音比特分为两类。第一类含182bit/s，它们对误，它们对误码是敏感的，即这些比特中发生差错会对语音质量码是敏感的，即这些比特中发生差错会对语音质量产生严重影响。这些比特受到循环冗余校验产生严重影响。这些比特受到循环冗余校验（CRC）码和一个具有恒定长度为）码和一个具有恒定长度为5的的1/2率卷积码率卷积码的保护。第二类含的保护。第二类含78bit，它们抗差错的能力强，不，它们抗差错的能力强，不受保护。同时，为了抗突发差错，编码语音块的交受保护。同时，为了抗突发差错，编码语音块的交积跨越了积跨越了8个个TDMA帧。帧。分配给编译码器的最大时延为分配给编译码器的最大时延为30m

31、s。端对端的最大。端对端的最大时延在时延在75ms左右，其中左右，其中40ms以上分配给时隙交织以上分配给时隙交织和信道编译码。和信道编译码。为了进行不连续的传输，可应用语音激活检测器。为了进行不连续的传输，可应用语音激活检测器。3.1.6 GSM系统语音编码器系统语音编码器 2024/9/19383.1.7 IS-95系统语音编码器系统语音编码器 QCELP是是Qualcomm公司公司CDMA系统中的语音编系统中的语音编码标准码标准IS-95。QCELP主要是使用码表矢量量化差值信号，然后主要是使用码表矢量量化差值信号，然后基于语音的激活程度产生一个可变的输出数据速基于语音的激活程度产生一个

32、可变的输出数据速率。率。2024/9/19393.1.8 移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例1 2G/3G中的话音信源编码中的话音信源编码 2G/3G中的话音信源编码的基本原理是相同中的话音信源编码的基本原理是相同的，都采用了矢量量化和参数编码的方式。的，都采用了矢量量化和参数编码的方式。(1)IS-95中的变速率码激励线性预测编码中的变速率码激励线性预测编码(CELP) (2) IS-95中的中的CELP技术通过四个等级的变速率编技术通过四个等级的变速率编码码(3)实现话音激活，即使用者发声时进行全速率实现话音激活，即使用者发声时进行全速率(9.6kbps)(4)编码，而不发声

33、时仅仅传递八分之一（编码，而不发声时仅仅传递八分之一（）的背）的背(5)景噪声，以降低功耗和对其他用户的干扰。景噪声，以降低功耗和对其他用户的干扰。2024/9/1940(2) GPRS/WCDMA中的自适应多速率编码中的自适应多速率编码（AMR） AMR的基本原理是根据环境或应用需求的变化的基本原理是根据环境或应用需求的变化动态调整编码速率，例如在信道条件恶化时，降低动态调整编码速率，例如在信道条件恶化时，降低编码速率，通过牺牲话音品质以拿出更多的无线资编码速率，通过牺牲话音品质以拿出更多的无线资源用于更可靠的信道编码以保证基本的语音可懂，源用于更可靠的信道编码以保证基本的语音可懂，而在信道

34、条件好的时候则采用较高的编码速率保证而在信道条件好的时候则采用较高的编码速率保证话音品质。话音品质。3.1.8 移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例2024/9/1941(3) CDMA2000演进系统中的可选择模式语声编码（演进系统中的可选择模式语声编码（SMV） SMV用于用于CDMA2000演进系统中，其基本原理演进系统中，其基本原理与前述两种基本相同，它也是可变速率的，从速率等与前述两种基本相同，它也是可变速率的，从速率等级上看与级上看与IS-95中的中的CELP一样，有、一样，有、四种，不同的是，、四种，不同的是，SMV允许有四种允许有四种模式供系统侧选择，即模式供系统侧

35、选择，即Mode 0（高品质模式）、（高品质模式）、Mode 1（标准模式）、（标准模式）、Mode 2（经济模式）、（经济模式）、Mode 3（容量节省模式），不同的模式实现不同程度的话（容量节省模式），不同的模式实现不同程度的话音质量和平均速率的折中，通过调整不同等级速率所音质量和平均速率的折中，通过调整不同等级速率所占的比例实现不同的模式，从而调整平均数据速率。占的比例实现不同的模式，从而调整平均数据速率。3.1.8 移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例2024/9/19422 3G系统中的视频信源编码系统中的视频信源编码在在3GPP的的R6、R7以及以及3GPP2的高演进版

36、本中，视频通信的高演进版本中，视频通信业务采用了（高级视频编码）视频压缩标准。业务采用了（高级视频编码）视频压缩标准。3G系统中的视频信源编码系统中的视频信源编码从某种程度上看是从某种程度上看是MPEG的扩展。在中，一幅图像可编码的扩展。在中，一幅图像可编码成一个或者若干个片成一个或者若干个片(slice，此处与帧的含义相同），每个，此处与帧的含义相同），每个slice包含整数个包含整数个MB（Macro Block），相当于一个完整图），相当于一个完整图像中的不同区域，编码片（像中的不同区域，编码片（slice）共有）共有5中不同的类型，中不同的类型，包括包括I片、片、B片、片、P片、片、S

37、P片、片、SI片，片，SP和和SI介于介于I与与P之间，之间，但考虑了更多数据片之间的相关性，进一步压缩了数据速但考虑了更多数据片之间的相关性，进一步压缩了数据速率。率。3.1.8 移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例2024/9/1943NAL的工作模式分为的工作模式分为SSM（孤立片模式）和（孤立片模式）和DPM（数据（数据分区模式），如图所示。在分区模式），如图所示。在SSM中，属于同一数据片的所中，属于同一数据片的所有编码信息在一个有编码信息在一个RTP数据包中通过网络进行传输。在数据包中通过网络进行传输。在DPM中，每个中，每个slice中的中的MB间彼此联系，利用相邻间

38、彼此联系，利用相邻MB存存在空间相关性来进行帧内预测编码。将图像数据分成动态在空间相关性来进行帧内预测编码。将图像数据分成动态矢量数据（即基本层，需要更好的差错保护）以及剩余的矢量数据（即基本层，需要更好的差错保护）以及剩余的信息。信息。3.1.8 移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例2024/9/1944图图 网络自适应层网络自适应层NALNAL工作模式示意图工作模式示意图每每个个数数据据片片的的编编码码视视频频信信息息首首先先被被分分割割成成三三部部分分并并分分别别放放到到A A、B B、C C数数据据分分区区中中，每每个个数数据据分分区区中中包包含含的的信信息息被被分分别别封

39、封装装到到相相应应的的RTPRTP数数据据包包中中通通过过网网络络进进行行传传输输。其其中中，Part Part A A中中 包包 含含 最最 重重 要要 的的sliceslice头头信信息息，MBMB头头信信息息，以以及及动动态态矢矢量量信信息息；Part Part B B中中包包含含帧帧内内和和SISI片片宏宏块块的的编编码码残残差差数数据据，能能够够阻阻止止误误码码继继续续传传播播；Part Part C C中中包包含含帧帧间间宏宏块块的的编编码码残残差差数数据据，帧帧间间编编码码数数据据块块的的编编码码方方式式信信息息和帧间变换系数。和帧间变换系数。3.1.8 移动通信中的信源编码举例

40、移动通信中的信源编码举例2024/9/19453.2 信信 道道 编编 码码 3.2.1 信道编码原理信道编码原理3.2.2 分组码分组码3.2.3 卷积码卷积码3.2.4 其他信道编码其他信道编码2024/9/19461 有关通信信道概念：有关通信信道概念： 信道指信号传输的媒质。通信系统可为有线（包信道指信号传输的媒质。通信系统可为有线（包括光纤）通信和无线通信两大类。括光纤）通信和无线通信两大类。（1）有线信道：双绞线，同轴电缆，光纤。特点是）有线信道：双绞线，同轴电缆，光纤。特点是低损耗，传输频带宽。低损耗，传输频带宽。（2）无线信道：光视距、微波、短波、中号波、卫）无线信道：光视距、

41、微波、短波、中号波、卫星通信等。星通信等。（3）狭义信道：有线信道和无线信道的总称）狭义信道：有线信道和无线信道的总称（4）广义信道：扩大范围象天线、发收设备等，一）广义信道：扩大范围象天线、发收设备等，一般情况下讨论均指广义信道。般情况下讨论均指广义信道。3.2.1 信道编码原理信道编码原理2024/9/19473.2.1 信道编码原理信道编码原理（5）无记忆信道：是随机差错，即前后码元发生差错是独立、）无记忆信道：是随机差错，即前后码元发生差错是独立、互不依赖，产生这种差错的信道称为无记忆信道。互不依赖，产生这种差错的信道称为无记忆信道。（6）有记忆信道：是一种突发差错，即前后码元发生差错

42、有）有记忆信道：是一种突发差错，即前后码元发生差错有关联性，一个差错出现影响后面差错的出现，产生这种差关联性，一个差错出现影响后面差错的出现，产生这种差错的信道称为有记忆信道。例如发往信道序列错的信道称为有记忆信道。例如发往信道序列00000000，受干扰后变成受干扰后变成01100100，其中，其中11001称为差错图样，这里突称为差错图样，这里突发长度是发长度是5。 （7） 二进对称信道（二进对称信道（BSC）：信道干扰使）：信道干扰使“1”变变“0”的可的可能性和能性和“0”变变“1”的可能性相等，且互不依赖，则这种的可能性相等，且互不依赖，则这种信道称二进对称信道。如下图信道称二进对称

43、信道。如下图4-8示示：图4-8 2024/9/1948（8 ）不对称二进信道：反之，如两种差错可能性不等就称为）不对称二进信道：反之，如两种差错可能性不等就称为不对称二进信道。不对称二进信道。（9 ）二进删除信道：在传输过程中，凡受干扰而无法正确判）二进删除信道：在传输过程中，凡受干扰而无法正确判为为“0”或或“1”码，被删除，这种信道称二进删除信道。码，被删除，这种信道称二进删除信道。2. 码组结构码组结构码元：二进制数据的每一位码元：二进制数据的每一位“0”码或码或“1”码。码。码组：每一个码组：每一个m进制码元由进制码元由n位二进制码的码组代表，称这位二进制码的码组代表，称这n位为一个

44、码组。位为一个码组。码集：例如码集：例如8种不同的种不同的3位二进制码组称为一个码集。位二进制码组称为一个码集。码距：在任何两个不同的码组中，对应码位的码元不同的个码距：在任何两个不同的码组中，对应码位的码元不同的个数，称为这两个码组间的码距。例如：（数，称为这两个码组间的码距。例如：（100）和（）和（000）的）的码距为码距为1；（；（110）和（）和（101）的码距为）的码距为2。3.2.1 信道编码原理信道编码原理2024/9/1949最小码距（汉明码距）最小码距（汉明码距） ：一个码集中两个码组：一个码集中两个码组间的距离有一最小值，称为最小码距。间的距离有一最小值，称为最小码距。

45、3.2.1 信道编码原理信道编码原理2024/9/1950 3 码组检错和纠错的基本原理码组检错和纠错的基本原理 例子例子: (000), (001), (010), (011), (100), (101), (110), (111) (1) 8个码组全部作为有用码组，在这种情况下，任一码组中个码组全部作为有用码组，在这种情况下，任一码组中有一位发生差错，就成为其它码组，有一位发生差错，就成为其它码组，收端收端不能察觉差错，不能察觉差错，所以使用所以使用8个码组的码没有抗干扰能力。个码组的码没有抗干扰能力。(2) 如果码集中如果码集中(000),(011),(101),(110)四个作为许用码

46、组四个作为许用码组, 其余其余4种种(001), (010), (100), (111)为禁用码组，则任一许用码组为禁用码组，则任一许用码组中在传输中受干扰而造成一位差错，不论其差错位置在何中在传输中受干扰而造成一位差错，不论其差错位置在何处，都变成禁用码组，处，都变成禁用码组，收端收端能发现差错，但不能纠正。能发现差错，但不能纠正。3.2.1 信道编码原理信道编码原理2024/9/1951(3) 若取码集中的若取码集中的(000), (111)作为许用码组，其余作为许用码组，其余6种种(001), (010), (011), (100), (101), (110)为禁用码组为禁用码组,则任一

47、许用码组在传输中则任一许用码组在传输中受干扰造成二位差错，受干扰造成二位差错，收端收端能发现差错，如果造成一位差错，能发现差错，如果造成一位差错，发现差错且能纠正它。抗干扰力强。发现差错且能纠正它。抗干扰力强。 这种码有可能纠正一位差错，原因是码组分成两类：这种码有可能纠正一位差错，原因是码组分成两类：(000),(001), (010), (100)和和(111),(011),(101),(110)。如。如(000)或或(111)发生一位差错，都不会超越任何一类的范围。发生一位差错，都不会超越任何一类的范围。收端收端收到第收到第一类中任一码组就判为一类中任一码组就判为(000)，反之收到第二

48、类中任一码组，反之收到第二类中任一码组，就判为就判为(111)，所以说可自动纠正一位错码。，所以说可自动纠正一位错码。 所以这种码组可以发现二位差错；或者可以发现一位差所以这种码组可以发现二位差错；或者可以发现一位差错时并纠正一位差错。错时并纠正一位差错。3.2.1 信道编码原理信道编码原理2024/9/19523.2.1 信道编码原理信道编码原理 在第一种情况中无抗干扰能力。在第二种情况中可以发在第一种情况中无抗干扰能力。在第二种情况中可以发现一位差错，也表明有抗干扰能力。既然许用现一位差错，也表明有抗干扰能力。既然许用4个码组，即个码组，即代表代表4个消息，现用个消息，现用3位二进制码有位

49、二进制码有8个码组，有一半多余度个码组，有一半多余度（多余码元（多余码元)。可见引入一定多余度后加强码的抗干扰能。可见引入一定多余度后加强码的抗干扰能力。在第三种情况中，可以发现二位差错，并纠正一位差力。在第三种情况中，可以发现二位差错，并纠正一位差错，表明抗干扰能力更好。所以错，表明抗干扰能力更好。所以 越大，抗干扰能力越越大，抗干扰能力越大。大。2024/9/1953 线性分组码线性分组码分组编码的原理框图见图。分组编码是把信息序列以分组编码的原理框图见图。分组编码是把信息序列以k个个码元分组，通过编码器将每组的码元分组，通过编码器将每组的k元信息按一定规律产生元信息按一定规律产生r个多余

50、码元个多余码元(称为检验元或监督元称为检验元或监督元)，输出长，输出长nk十十r的一个的一个码组。码组。 要使信道编码具有一定的检错或纠错能力，必须加入一定要使信道编码具有一定的检错或纠错能力，必须加入一定的多余码元。的多余码元。信息码元先按组进行划分，然后对各信息组按一定规则加信息码元先按组进行划分，然后对各信息组按一定规则加入多余码元，这些附加监督码元仅与本组的信息码元有关，入多余码元，这些附加监督码元仅与本组的信息码元有关，而与其他码组的信息无关，这种编码方法称为分组编码。而与其他码组的信息无关，这种编码方法称为分组编码。图 分组编码2024/9/19543.2.2 线性分组码线性分组码

51、2024/9/19553.2.2 线性分组码线性分组码2024/9/19563.2.2 线性分组码线性分组码2024/9/19573.2.2 线性分组码线性分组码2024/9/19583.2.3 卷积码卷积码图3.10 卷积编码的原理框图2024/9/1959 卷积码卷积码监督码元如何得出监督码元如何得出2024/9/19603.2.3 卷积码卷积码图（2，1）卷积码的编码器框图图4-12 卷积编码器的通用结构图2024/9/19613.2.3 卷积码卷积码图中有两级移位寄存器和一个模图中有两级移位寄存器和一个模2加器加器 。它的工作过程是：电子开关其换接周期正好是等于它的工作过程是：电子开关

52、其换接周期正好是等于一位码元时间，上半周期向上接，下半周期向下接。一位码元时间，上半周期向上接，下半周期向下接。例如第一位例如第一位 已从第二级移位寄存器移出，而第二已从第二级移位寄存器移出，而第二位位 已从第一级移位寄存器移出已从第一级移位寄存器移出, 这时开关向上接，这时开关向上接，一路一路 经开关输出，另一路经开关输出，另一路 与与 进行模进行模2加，按方加，按方程程 ，当开关向下接时，经开关输出，完成一，当开关向下接时，经开关输出，完成一个周期时间。个周期时间。同理从寄存器同理从寄存器2出，从寄存器出，从寄存器1出，这时开关上接，出，这时开关上接，一路经开关输出，另一路与前一码元模一路

53、经开关输出，另一路与前一码元模2加得，当开加得，当开关下接输出，完成第二个周期，如此下去关下接输出，完成第二个周期，如此下去，发，发端编码器产生编码序列，这就编成卷积码。端编码器产生编码序列，这就编成卷积码。2024/9/1962解码器：收端受到卷积码为解码器：收端受到卷积码为 ，按上监，按上监督方程，将写出校检子方程：解码器：收端受到卷积码为，督方程，将写出校检子方程：解码器：收端受到卷积码为，按上监督方程，将写出校检子方程：按上监督方程，将写出校检子方程： 卷积码卷积码2024/9/19633.2.3 卷积码卷积码2024/9/19643.2.3 卷积码卷积码图（ 2，1）卷积码的解码器框

54、图图中已包含本地编码器从接收的信息码编成监督码，这监督码与接收图中已包含本地编码器从接收的信息码编成监督码，这监督码与接收的监督码实行模的监督码实行模2加，产生检校子。所以收端由移位寄存器加，产生检校子。所以收端由移位寄存器1、2和模和模2加（加（1）构成本地编码器，再加模）构成本地编码器，再加模2加（加（2）一起组成检校子运算器。而）一起组成检校子运算器。而移位寄存器移位寄存器3和一个与门组成正交运算器，作为判决之用，其输出加上和一个与门组成正交运算器，作为判决之用，其输出加上模模2加（加（3），用作自动纠错。这样解码器把接收的可能有差错的卷积），用作自动纠错。这样解码器把接收的可能有差错的

55、卷积码还原为正确的信息码序列。码还原为正确的信息码序列。2024/9/1965解码器工作过程是：电子开关上半周上接，让信息码进入解码器工作过程是：电子开关上半周上接，让信息码进入移位寄存器，移位寄存器， 先经过移位寄存器先经过移位寄存器1，后经移位寄存器，后经移位寄存器2移移出，于是出，于是 从移位寄存器从移位寄存器1移出，两者经模移出，两者经模2加（加（1）后再）后再加到模加到模2加加 (2) 一端，这时开关下半周下接，让接收的一端，这时开关下半周下接，让接收的 也也加到模加到模2加加(2) 另一端，产生另一端，产生 ，完成一个周期。同样，开，完成一个周期。同样，开关又上接关又上接, 从移位

56、寄存器从移位寄存器2移出移出 ，从移位寄存器，从移位寄存器1移出移出 ，两者经模，两者经模2加（加（1）后再加到模）后再加到模2加（加（2）一端，这时开关）一端，这时开关下接让接收的下接让接收的 也加到模也加到模2加（加（2）另一端，产生）另一端，产生 。 此时此时 从移位寄存器从移位寄存器3移出，移出， 到达寄存器到达寄存器3的输入，两者的输入，两者都加到与门。如果都是都加到与门。如果都是1，与门通过输出为，与门通过输出为1，加到模，加到模2加加（3），如果不都是），如果不都是1，则与门输出为，则与门输出为0加到模加到模2加（加（3），），这时这时 正好到达模正好到达模2加（加（3），如果已

57、发生差错，例如由），如果已发生差错，例如由0错成错成1，现在正交运算器产生的，现在正交运算器产生的1，可以把，可以把3.2.3 卷积码卷积码2024/9/1966的的1纠正为原来的为纠正为原来的为0的状态（或把的的状态（或把的0纠正为原来的纠正为原来的1），得），得到正确信息码输出。到正确信息码输出。3.2.3 卷积码卷积码2024/9/19673.2.4 小结小结移动通信系统使用信道编码技术可以降低信道突移动通信系统使用信道编码技术可以降低信道突发的和随机的差错。发的和随机的差错。信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数据位信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善信道链路的性能的。来改

58、善信道链路的性能的。在发射机的基带部分，信道编码器按照某种确定在发射机的基带部分，信道编码器按照某种确定的约束规则，把一段数字信息映射成另一段包含的约束规则，把一段数字信息映射成另一段包含更多数字比特的码序列，然后把已被编码的码序更多数字比特的码序列，然后把已被编码的码序列进行调制以便在无线信道中传送。列进行调制以便在无线信道中传送。信道编码的检错和纠错是利用传输数据的冗余量信道编码的检错和纠错是利用传输数据的冗余量来实现的。来实现的。2024/9/1968用于检测错误的信道编码称做检错编码；可纠错的信道编用于检测错误的信道编码称做检错编码；可纠错的信道编码被称做纠错编码。码被称做纠错编码。信

59、道编码是通过增加相关的冗余数据来提高系统性能，也信道编码是通过增加相关的冗余数据来提高系统性能，也就是以增加传输带宽为代价来取得编码增益的。检错码和就是以增加传输带宽为代价来取得编码增益的。检错码和纠错码有两种基本类型：分组码和卷积码。纠错码有两种基本类型：分组码和卷积码。编码增加了数据比特，这使得信道中传输的总的数据速率编码增加了数据比特，这使得信道中传输的总的数据速率提高，也就会占用更大的信道带宽。提高，也就会占用更大的信道带宽。传统的信道编码：分组码和卷积码传统的信道编码：分组码和卷积码 上世纪上世纪90年代出现年代出现Turbo码码 把调制和编码看作是一个整体来考虑的网格编码调制把调制

60、和编码看作是一个整体来考虑的网格编码调制TCM（Trellis coded modulation）3.2.4 小结小结2024/9/19691 Turbo码码（1)Turbo码的定义码的定义 Turbo码，又称并行级联卷积码，码，又称并行级联卷积码，Turbo是英文中的前缀，是英文中的前缀，是指带有涡轮驱动，即反复迭代的含义。它巧妙地将卷积码和是指带有涡轮驱动，即反复迭代的含义。它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想，同时，采用随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想，同时，采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码的性能。软输出迭代译码来逼近最大似然译码的性能。(2)Tur

61、bo码的主要特性：码的主要特性：Turbo通过编码器的巧妙构造，即多个子码通过交织器进行通过编码器的巧妙构造，即多个子码通过交织器进行并行或串行级联，然后进行迭代译码，从而获得卓越的纠错并行或串行级联，然后进行迭代译码，从而获得卓越的纠错性能。性能。用短码去构造等效意义上的长码，以达到长码的纠错性能而用短码去构造等效意义上的长码，以达到长码的纠错性能而减少译码复杂度。减少译码复杂度。3.2.5 其他信道编码其他信道编码 2024/9/1970（3）Turbo码的基本原理：码的基本原理：在发送端：在发送端：交织器起到随机化码组（字）重量分布的作用，使交织器起到随机化码组（字）重量分布的作用，使T

62、urbo码码的最小重量分布均匀化并达到最大。它等效于将一个确知的最小重量分布均匀化并达到最大。它等效于将一个确知的的Turbo编码规则编码后进行随机化，以达到等效随机编编码规则编码后进行随机化，以达到等效随机编码的作用。码的作用。在接收端：在接收端：A 交织器、去交织器与多次反馈迭代译码同样也等效起到了交织器、去交织器与多次反馈迭代译码同样也等效起到了随机译码的作用。随机译码的作用。B 另外，交织器还同时能将具有突发差错的衰落信道改造成另外，交织器还同时能将具有突发差错的衰落信道改造成随机独立差错信道。随机独立差错信道。 其他信道编码其他信道编码 2024/9/1971C 级联编、译码能起到利

63、用短码构造长码的作用，再加上交级联编、译码能起到利用短码构造长码的作用，再加上交织器的随机化作用，使级联码也具有随机性，从而可以克织器的随机化作用，使级联码也具有随机性，从而可以克服确定性的固定式级联码的渐进性能差的缺点。服确定性的固定式级联码的渐进性能差的缺点。D 并行级联码采用最优的多次迭代软输入软输出的最大后并行级联码采用最优的多次迭代软输入软输出的最大后验概率验概率BCJR算法，从而大大地改善了译码的性能。使其算法，从而大大地改善了译码的性能。使其性能非常优异，并逐步逼近了理想性能非常优异，并逐步逼近了理想Shannon随机编、译码随机编、译码限。限。(4) Turbo码的编译码器结构

64、码的编译码器结构Turbo码编码器：码编码器： 编码器有编码器有3个基本组成部分：直接输入；经过编码器个基本组成部分：直接输入；经过编码器1送入送入开关单元；输入数据经过交织器后再通过编码器开关单元；输入数据经过交织器后再通过编码器2送入开关送入开关单元。以上三者可以看做并行级联，因此，单元。以上三者可以看做并行级联，因此，Turbo码从原理码从原理上可看做并行级联码。上可看做并行级联码。3.2.5 其他信道编码其他信道编码 2024/9/1972图4-15 Turbo码编码原理图3.2.5 其他信道编码其他信道编码 2024/9/1973A 两个编码器分别称为两个编码器分别称为Turbo码的

65、二维分量（单元组成）码，码的二维分量（单元组成）码，从原理上看，它可以很自然地推广到多维分量码。从原理上看，它可以很自然地推广到多维分量码。B 各个分量码既可以是卷积码也可以是分组码，还可以是串行各个分量码既可以是卷积码也可以是分组码，还可以是串行级联码；两个或多个分量码既可以相同，也可以不同；为级联码；两个或多个分量码既可以相同，也可以不同；为了进行有效的迭代，已证明分量码必须选用递归的系统码了进行有效的迭代，已证明分量码必须选用递归的系统码C 输入的数据比特流直接输入到编码器输入的数据比特流直接输入到编码器1，同时也把这数据流，同时也把这数据流经过交织器重新排列次序后输入到编码器经过交织器

66、重新排列次序后输入到编码器2。由这两组编码。由这两组编码器产生的奇偶校验比特，连同输入的信息比特组成器产生的奇偶校验比特，连同输入的信息比特组成Turbo码码编码器的输出。其编码率为编码器的输出。其编码率为1/3.Turbo码的译码器码的译码器 A 由上述由上述Turbo码译码器的原理框图可以看出，这类并行级码译码器的原理框图可以看出，这类并行级联卷积码的译码具有反馈式迭代结构，它类似于涡轮机原联卷积码的译码具有反馈式迭代结构，它类似于涡轮机原理，故命名为理，故命名为Turbo码。码。3.2.5 其他信道编码其他信道编码 2024/9/1974图图4-16 Turbo码译码器原理图码译码器原理

67、图图4-16 Turbo码译码原理图3.2.5 其他信道编码其他信道编码 2024/9/19753.2.5 其他信道编码其他信道编码 B BCJR迭代算法：迭代算法： 采用软输入采用软输入/软输出软输出(SISO)的最大后验概率的最大后验概率(MAP)的的BCJR迭代算法是迭代算法是Turbo码常用的译码算法。码常用的译码算法。 BCJR算法的最大特色是采用递推、迭代方法来实现最大算法的最大特色是采用递推、迭代方法来实现最大后验概率，且每个符号的运算量不随总码长而变化，运算速后验概率，且每个符号的运算量不随总码长而变化，运算速度快，因而受到重视。度快，因而受到重视。 将将BCJR算法引入反馈迭

68、代和软输入软输出及交织、去算法引入反馈迭代和软输入软输出及交织、去交织，实现了级联长码的伪随机化迭代译码，使其性能非常交织，实现了级联长码的伪随机化迭代译码，使其性能非常优异，并逐步逼近了理想优异，并逐步逼近了理想Shannon随机编、译码限。随机编、译码限。C C 图中图中b为带噪声的系统比特，为带噪声的系统比特，Z1、Z2是两个带噪声的奇偶是两个带噪声的奇偶校验比特。校验比特。 Turbo码译采用后验概率译码码译采用后验概率译码APP。两个译码器。两个译码器均采用均采用BCJR算法。算法。2024/9/1976(5) Turbo码的应用：码的应用： 综上所述，综上所述，Turbo码所采用的

69、手段与码所采用的手段与Shannon证明信道编证明信道编码定理时提出的码定理时提出的3个先决条件：采用随机码、码长无限长和个先决条件：采用随机码、码长无限长和在接收端选用最佳的最大后验概率算法不谋而合。这也正是在接收端选用最佳的最大后验概率算法不谋而合。这也正是Turbo码取得接近最佳性能的主要原因。码取得接近最佳性能的主要原因。 仿真结果表明，采用长度为仿真结果表明，采用长度为65535的交织器，并且在采用的交织器，并且在采用18次迭代的情况下，利用编码速率为次迭代的情况下，利用编码速率为 的的Turbo码在码在 时，时，AWGN信道上的误码率（信道上的误码率（BER）小于）小于 ，达到了接

70、近，达到了接近Shannon极限的性能。极限的性能。 Turbo码不但在抵御加性高斯噪声方面性能优越，而且具码不但在抵御加性高斯噪声方面性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力，其纠错性能接近香农极限。有很强的抗衰落、抗干扰能力，其纠错性能接近香农极限。 其他信道编码其他信道编码 2024/9/19773.2.5 其他信道编码其他信道编码 2 网格编码调制（网格编码调制（TCM） 网格编码调制技术是通过把有限状态编码器和有网格编码调制技术是通过把有限状态编码器和有冗余度的多进制调制器结合起来，可在不扩展占用冗余度的多进制调制器结合起来，可在不扩展占用带宽的前提下获得可观的编码增益。如图带宽的

71、前提下获得可观的编码增益。如图4-17所所示。示。图图4-172024/9/1978采用采用R=2/3卷积码和卷积码和8PSK调制结合，未编码流为调制结合，未编码流为2比特比特(a,b)本来可以采用本来可以采用4个状态的个状态的4PSK信号来传信号来传送，现经过送，现经过R=2/3卷积码编码后增加一个比特，变卷积码编码后增加一个比特，变成成3比特比特(a,b,c)，采用具有，采用具有8个状态的个状态的8PSK来传送。来传送。由此可见，编码后增加的冗余度不是通过提高码由此可见，编码后增加的冗余度不是通过提高码元速率实现的，而是通过扩展信号空间的状态数元速率实现的，而是通过扩展信号空间的状态数实现

72、的，这样就可以在保持占有带宽不变的情况实现的，这样就可以在保持占有带宽不变的情况下获得编码增益下获得编码增益。3.2.5 其他信道编码其他信道编码 2024/9/19793.3 交交 织织 编编 码码 突发错误是指一个错误序列，错误序列的长度称突发错误是指一个错误序列，错误序列的长度称为突发长度。为突发长度。交织编码设计思路不是为了适应信道，而是为了交织编码设计思路不是为了适应信道，而是为了改造信道；它是通过交织与去交织将一个有记忆改造信道；它是通过交织与去交织将一个有记忆的突发信道，改造为基本上是无记忆的随机独立的突发信道，改造为基本上是无记忆的随机独立差错的信道，然后再用随机独立差错的纠错

73、码来差错的信道，然后再用随机独立差错的纠错码来纠错。纠错。图4-17 分组交织码的实现框图2024/9/1980假设发送一组信息流假设发送一组信息流交织存储器为一交织存储矩阵，它按列写入，按交织存储器为一交织存储矩阵，它按列写入，按行读出。行读出。交织存储器输出到突发信道的信息为交织存储器输出到突发信道的信息为3.3 交交 织织 编编 码码 2024/9/1981假设突发信道产生两个突发：第一个突发产生于假设突发信道产生两个突发：第一个突发产生于 连错五位；第二个突发产生于连错五位；第二个突发产生于 连错四位。连错四位。突发信道输出信息为突发信道输出信息为z, 可表示为可表示为进入去交织存储器

74、后，它按行写入，按列读出。进入去交织存储器后，它按行写入，按列读出。3.3 交交 织织 编编 码码 2024/9/1982去交织存储器输出为去交织存储器输出为有上述分析可见，经过交织存储器与去交织存储有上述分析可见，经过交织存储器与去交织存储器变换后，原来信道中突发器变换后，原来信道中突发5位连错和突发位连错和突发4位连位连错，变成了错，变成了 中的随机性的独立差错。中的随机性的独立差错。3.3 交交 织织 编编 码码 2024/9/19833.4.1 GSM系统的数字信号形成系统的数字信号形成1 GSM系统终端设备系统终端设备BTS的信号形成过程与的信号形成过程与GSM移动台移动台MS的基的

75、基本相同本相同2 GSM移动台原理框图移动台原理框图3-18 如下：如下： 3.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码图图3-182024/9/1984图3-18 GSM系统的话音编码和信道编码的组成方框图3.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/19853 过程过程发送部分电路由信源编码、信道编码、交织、加密、突发发送部分电路由信源编码、信道编码、交织、加密、突发脉冲串形成等功能模块完成基带数字信号的形成过程。数脉冲串形成等功能模块完成基带数字信号的形成过程。数字信号经过调制及上变频、功率放大，由天线将信号发射字信号经过调

76、制及上变频、功率放大，由天线将信号发射出去。出去。接收部分电路由高频电路、数字解调等电路组成。数字解接收部分电路由高频电路、数字解调等电路组成。数字解调后，进行调后，进行Viterbi均衡、去交织、解密、话音解码，最后均衡、去交织、解密、话音解码，最后将信号还原为模拟信号将信号还原为模拟信号3.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/19863.4.2 语音编码语音编码1 用于将模拟话音信号变成数字信号用于将模拟话音信号变成数字信号2 话音编码器类型话音编码器类型 三种类型：波形编码、参量编码和混合编码三种类型：波形编码、参量编码和混合编码 GSM系统采

77、用混合编码方式系统采用混合编码方式-规则脉冲激励长期线性规则脉冲激励长期线性预测（预测（RPE-LTP）3 语音信号处理语音信号处理 模数变换模数变换A/D 在在MS中，中，PCM编码。根据抽样定理编码。根据抽样定理fs2fm ，输出，输出8KHz，13bit信号。信号。 在在BTS中，中，8bit的的A律量化转变为律量化转变为13bit均匀量化信号均匀量化信号 。3.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/19874 语音编码部分原理如下图语音编码部分原理如下图3-19所示，加过语音编码后的信所示，加过语音编码后的信号送入信道编码部分进行前向纠错处理。

78、号送入信道编码部分进行前向纠错处理。图图3-193.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/1988分段：按分段：按20ms分段分段有声段，进行语音编码产生语音帧有声段，进行语音编码产生语音帧无声段，分析背景噪声，产生静寂描述帧无声段，分析背景噪声，产生静寂描述帧SID，在语音结束在语音结束时发射时发射RPE-LTP语音编码过程如下图语音编码过程如下图3-20所示：所示：图图3-203.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/1989 RPE-LTP语音编码过程：数模变换语音编码过程：数模变换 ；预处理；预处理 ；

79、线性预测；线性预测编码分析；短时分析滤波；长期预测编码分析；短时分析滤波；长期预测LTP ；规则脉冲激励编；规则脉冲激励编码码RPE 。语音编码包括以下参数编码的组合：。语音编码包括以下参数编码的组合：LPC参数参数LAR (36bit)，网格位置，网格位置(8bit)，长期预测系数，长期预测系数(8bit)， ，长期预测时延，长期预测时延(28bit)，规则脉冲激励编码，规则脉冲激励编码(180bit)，因此每，因此每20ms中中160样本样本编码后共编码后共260bit，语音编码器以，语音编码器以13kbit/s的速率吧信号传给信的速率吧信号传给信道编码部分。道编码部分。3.4 GSM语音

80、编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/19903.4.3 信道编码信道编码信道编码后传输速率提高，占用带宽增加，可靠性增加信道编码后传输速率提高，占用带宽增加，可靠性增加,可靠性提高以带宽为代价。可靠性提高以带宽为代价。GSM采用（采用（2:1）卷积码。其码率为）卷积码。其码率为1/2，它的监督位只，它的监督位只有一位，比较简单，约束长度为有一位，比较简单，约束长度为2（分组）的编码器，可（分组）的编码器，可在在4bit范围内纠正一个差错，范围内纠正一个差错，GSM中的信道编解码电路中的信道编解码电路如下如下3-21、3-22图所示。图所示。图图3-22解码电路图图

81、3-21编码电路语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/1991GSM信道编码器对信道编码器对20ms语音段的语音段的260bit进行信道编码信道：进行信道编码信道： 50个最重要比特，加上个最重要比特，加上3个奇偶校验比特，个奇偶校验比特， 132个重要比特，个重要比特，4个尾比特，一起按个尾比特，一起按1/2速率进行卷积编码，得到速率进行卷积编码，得到378比特，比特，另外另外78比特不予保护。信道编码的总输出速率为。比特不予保护。信道编码的总输出速率为。3.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/19923.4.4 G

82、SM中的交织编码中的交织编码1 概念：把信道编码输出的编码信息编成交错码，使突发差概念：把信道编码输出的编码信息编成交错码，使突发差错比特分散，再利用信道编码得到纠正错比特分散，再利用信道编码得到纠正2 作用：用于降低传输中的突发差错作用：用于降低传输中的突发差错 3 交织方法：交织方法：语音编码后，语音编码后，每每20ms有有260bit，经信道编码得，经信道编码得到到456bit,对对40ms语音信息语音信息进行交织。把进行交织。把40ms的输出共的输出共2456=912bit组成组成8114的矩阵，的矩阵，横向写入交织矩阵，然横向写入交织矩阵，然后纵向读出后纵向读出，即可取出，即可取出8

83、帧每帧为帧每帧为114比特的数据流。比特的数据流。 3.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/19933.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码图图4-242024/9/19944 GSM中的编码过程如中的编码过程如图图3-23 A/D分段分段RPE/LTP信道编码信道编码交织交织信息经交织编码形成信息经交织编码形成8帧，帧， 每帧每帧114bit。将将114bit分分成两段，填入普成两段，填入普 通突发脉冲序列。通突发脉冲序列。每个突发每个突发 脉冲序列脉冲序列156.25bit, 占时占时577 微秒。微秒。3.4 GS

84、M语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码图图3-23 GSM中的编码过程中的编码过程2024/9/1995普通突发脉冲序列中，普通突发脉冲序列中，2*57bit间留有间隙，两段间留有间隙，两段语音进行一次交织。如果语音进行一次交织。如果2*57bit取自取自同一语音帧同一语音帧并插入同一个并插入同一个突发突发 脉冲序列中，那么由于衰落造脉冲序列中，那么由于衰落造成突发成突发 脉冲串的损失就较严重。若同一普通突发脉冲串的损失就较严重。若同一普通突发 脉冲序列填入脉冲序列填入不同语音帧不同语音帧信息，可降低收端出现信息，可降低收端出现连续差错比特的可能性，即通过二次交织可降低连续

85、差错比特的可能性，即通过二次交织可降低由于突发干扰引起的损失。重排和交织过程如下由于突发干扰引起的损失。重排和交织过程如下图图3-24所示。所示。3.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/1996图图3-243.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/1997GSM系统中系统中二次交织后二次交织后普通突发脉冲序列中信息填充方法普通突发脉冲序列中信息填充方法如下图如下图3-25所示。所示。3.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码图图3-252024/9/1998GSM中的分级帧结构中的

86、分级帧结构 信道编码的信息经交织编码形成信道编码的信息经交织编码形成8帧，每帧帧，每帧114bit, 将分成将分成两段填入普通突发脉冲序列，再构成帧、复帧、超帧、超高两段填入普通突发脉冲序列，再构成帧、复帧、超帧、超高帧的分级帧结构，如下图帧的分级帧结构，如下图3-25所示。所示。 bit，占时占时577s，在一个时隙在一个时隙中发送。中发送。 8个时隙组成一个的个时隙组成一个的TDMA帧。帧。 26个话音个话音TDMA帧组成一个持续时间为帧组成一个持续时间为120ms的复帧。的复帧。 120ms的的26帧中，有帧中，有24个用户信息帧，个用户信息帧，2个帧传送系统的控个帧传送系统的控制信息，

87、每帧占时。（而在控制信道中制信息，每帧占时。（而在控制信道中51个帧组成一个复个帧组成一个复帧）。帧）。 51个个26帧的复帧（或帧的复帧（或26个个51帧的复帧）构成一个超帧；帧的复帧）构成一个超帧；3.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/1999 2048个超帧组成一个超高帧，总计个超帧组成一个超高帧，总计2715648个个TDMA帧，帧，占时占时3小时小时28分分53.7秒秒2048个超帧组成一个超高帧，总计个超帧组成一个超高帧，总计2715648个个TDMA帧，占时帧，占时3小时小时28分分53.7秒。秒。GSM系统中因采用系统中因采用TDMA技术，每载频可分为技术，每载频可分为8个时隙，个时隙，即即8个信道。提供个信道。提供1000信道。信道。3.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码2024/9/191003.4 GSM语音编码、信道编码和交织编码语音编码、信道编码和交织编码图3-25分级帧结构分级帧结构2024/9/19101