5-移动通信的基本技术之编码技术

GSM系统采用的是规则脉冲线性预测编码（RPE-LPC） 方案，IS-95（CDMA）系统采用的是9．6kbit/s码激励线 性预测编码（CELP）方案。
GSM系统中语音编码方式
在GSM系统中语音编码采用“规则脉冲激励长期 对差错不敏 预测编码（RPE—LTP）”方式感的78bit 速率22.８
GSM系统中语音编码方式
把话音编码产生的260bit分成：
(1)50个最重要bit (2)132个重要bit (3)78个不重要bit 对50个bit先添加3个奇偶校验bit（分组编码）。再与 132bit和4个尾bit一起卷积编码，比率为1：2，形成378个 bit。另外78个不重要bit不予保护不进行编码。这样， 260bit的数字话音信号经信道编码后成为456个bit。比特 速率为：456\20=22.8Kbit/s
主要内容
电波传播分析 调制与解调技术
编码和解码技术
多址技术
抗噪声和干扰技术
交织技术 分集技术
数字通信系统
信 息 源
信 源 编 码 器
信 道 编 码 器
数 字 调 制 器
信 道
数 字 解 调 器
信 道 译 码 器
信 源 译 码 器
受 信 者
噪声源
编码技术
信源编码和信道编码是通信数字化的两个重要技术领域。 在移动通信数字化中，首先是模拟语音信号的数字化。对 于语音信号进行数字化处理，采用低码率数字语音编码， 可以提高频带的利用率和信道容量；同时采用较强纠错能 力的信道编码技术，可使移动通信系统在较低载干比 （C/I）的条件下运行，从而保证良好的通话质量。
语音编码技术
混合编码是基于参量编码和波形编码发展的一类编码技术。 一般都把以LPAS为基础的用VQ技术对激励信号进行量化 的编码算法统称为CELP。 CELP具有波形编码和参数编码两种特点，它保持了波形 编码的高质量和参量编码的低速率，因此也称为混合编码， 在4～16kbit/s速率上能够得到高质量的合成语音。 多脉冲线性预测编码（MP-LPC）、规则脉冲线性预测编 码（RPE-LPC）和码激励线性预测编码（CELP）等都属 于混合编码技术。
差错控制方式
常用的差错控制方法有三种：检错重发法(简称ARQ)、前 向纠错法(简称FEC)和混合纠错法(简称HEC)，系统构成如 图所示。 能够检错的码
发
应答信号 （a）检错重发 （ARQ）
收
发
能够纠错的码
一
收
（b）前向纠错 （FEC） 能够检错和纠错的码
发
应答信号 （c）混合纠错检错 （HEC）
收
差错控制方式
1、检错重发法
这种差错控制方式也称为“自动请求重传（ARQ）”。 在发送端对数据序列进行分组编码，加入一定多余码 元使之具有一定的检错能力，成为能够发现错误的码 组；接收端收到码组后，按一定规则对其进行有无错 误判别，并把判决结果（应答信号）通过反向信道送 回发送端。如有错误，发送端把前面发出的信息重新 传送一次，直到接收端认为已正确收到信息为止。
重发码组11
9 10 1重发功能的连续ARQ（全双工）
差错控制方式
2、前向纠错法
前向纠错（FEC）系统中，发送端的信道编码器将输入数据序列 变换成能够纠正错误的码，接收端的译码器根据编码规律检验出 错误的位臵并自动纠正。这种纠错方式不需要反向信道（传递重 发指令），特别适合于只能提供单向信道的场合。由于能自动纠 错，不要求检错重发，因而时延小，实时性好。
语音编译码器相关技术
①误码保护技术
移动通信中传输信息的差错控制有各种方法，例如， 检测/纠错、比特交错、译码波形插补、误码量化等， 其中最重要的是检测/纠错。在检测/纠错时为竭力减少 纠错时的冗余比特，在要求低速率的无线传输中，从 语音编码的比特中选择最重要的比特，并进行纠错， 这种保护方法（BS-FET）现已被广泛采用。
在通信系统中，一般采用“信源编码”技术来提高数字系统的传 输效率。
通常采用“信道编码”技术，即“差错控制编码”来提高数字系 统的可靠传输。
语音压缩编码技术
信源编码技术的主要任务是通过降低数字信号的 码元速率，压缩频带，达到提高信号传输有效性 的目的。
2G数字蜂窝移动通信系统以语音业务为主，故信 源编码主要指的是语音压缩编码。
误码保护技术
采用BS-FET的语音信息传输系统
语音编译码器相关技术 ②VOX和回波抵消技术
在移动通信中与语音信息传送的相关技术有语 音控制发送（VOX，Voice Opereted Transmission）和回波抵消技术等。所谓VOX就是为 了减少移动台功耗，使其仅在发声期间发送编 码语音信息，在收话期间停止进行无线发送， 这是手机的重要功能，回波抵消就是抑制由于 编码时延引起的通话质量恶化的回波功能。
速率较低, 纯编码速率应低于16 kb/s;
在一定编码速率下的音质应尽可能高; 编码时延要短, 要控制在几十毫秒之内;
编码算法应具有较好的抗误码性能, 计算量小, 性能稳定;
编码器应便于大规模集成。
语音编码技术
混合编码广泛用在数字蜂窝移动系统中。由于采用的激励 源不同，就构成了不同的编码方案。泛欧数字蜂窝网 （GSM）中的RPE-LTP编码方案采用规则脉冲作激励源， 而北美数字移动通信系统中的VSELP编码方案采用码本激 励的方法。
4
ACK
5
NAK
5
3
4
5 错误
5
8
4
5
6
7
8
9
10 11
7
8
从码组4开始重发 NAK
错误 错误 （b）具有回拉功能的连续ARQ（全双工） 发射机 传输 接收机 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7
NAK
8
4
9 10 11 12 13 14 11 15 16 重发码组4 8 4
NAK
1．信源信号的数字化
“数字化”的最基本的技术，叫作脉冲编码调制（PCM， Pulse Code Modulation），简称脉码调制。
模拟信号正是通过PCM而变换成数字信号的，其具体过程 是：通过抽样、量化和编码三个步骤，用若干代码表示模 拟形式的信息信号（如图像、声音信号），再用脉冲信号 表示这些代码来进行传输／存储。其系统原理框图如图所 示。
移动通信的基本技术
机电信息工程学院 主讲；任元吉
广州城建职业学院
移动通信的基本技术
【本章内容简介】本章着重介绍了移动通信系统所涉及的 主要技术，通过学习调制解调技术、编码技术、交织技术、 基带传输、多址技术、跳频扩频技术和分集接收技术，了 解这些技术的基本概念、主要特点、应用范围和方式，为 掌握移动通信系统的工作原理和方法打下坚实的基础。 【学习重点与要求】重点掌握调制解调技术、编码技术、 跳频扩频技术等的基本概念、主要特点和应用范围，了解 MSK类调制的性能比较，掌握伪随机（PN）序列基本特 性。
语音编码技术
移动通信中采用的语音编码方法主要取决于无线移动信道 的条件：由于频率资源十分有限, 因此要求编码信号的速 率较低; 由于移动信道的传播条件恶劣, 因而编码算法应有 较好的抗误码特性。
另外, 从用户的角度出发, 还应有较好的话音质量和较短的 时延。移动通信对数字语音编码的要求如下：
这种编码算法并不忠实地反映输入语音的原始波形，而是 着眼于人耳的听觉特性，确保解码语音的可懂度和清晰度。 基于这种编码技术的编码系统一般称之为声码器，主要用 在窄带信道上提供4．8kbit/s以下的低速率语音通信和一 些对时延要求较宽的场合。当前参数编码技术主要的研究 方向是线性预测LPC（Linear Predictive Coder）声码器 和余弦声码器。
2．语音编码技术
在数字移动通信中，采用的语音编码技术有波形 编码、参数编码和混合编码三种。
波形编码技术是通过对语音波形进行采样、量化， 然后用二进制码表现出来，并在解码端尽可能准 确地恢复语音信号的原始波形。
语音编码技术
参数编码技术是以语音信号产生的数学模型为基础，根据 输入语音信号分析出表征声门振动的激励参数和表征声道 特性的声道参数，然后在解码端根据这些模型参数来恢复 语音。
3G不仅提高语言业务，还提供高速数据、图像等 多媒体业务，故信源编码除了语音编码外还有图 像压缩编码、多媒体数据压缩编码等。
语音压缩编码技术
信源输出的信号都是模拟语音信号，信源编码主 要完成两大任务：第一是将模拟语音信号转换成 数字信号（也就是实现模拟信号数字化），第二 是实现数据压缩。
模拟信号数字化的方法有多种，目前采用最多的是信号波 形的A/D变换方法（波形编码）。它直接把时域波形变换 为数字序列，接收恢复的信号质量好。实用的波形编码方 法主要有两种基本形式，一是脉冲编码调制（PCM），另 一种是增量调制（ΔM）。下面主要介绍信源编码的工作 原理。
差错控制方式
图列举了三种最流行的ARQ过程，图中时间从左到右递进。
发射机 传输 接收机 1 2 3 错误 （a）停止-等待ARQ（半双工） 发射机 传输 接收机 1 2 3 4 5 6 7 8 4 5 6 7 8 9 10 11 7 1 2 3 4 5 6 7
NAK
1
ACK
2
ACK
3
NAK
3
ACK
VOX和回波抵消技术 数字移动通信中语音信息传输系统
VOX和回波抵消技术
由公众网侧的2W/4W切换用混接网络恢复回波。若语音 编译码器的时延加大，移动台侧检测到回波就降低了通话 质量。这里，回波抵消器根据推测的公众网的传输特性， 生成模拟回波，反相位与此相抵消，从而消除回波。综合 来看，实现高质量语音信息传输时，VOX和回波抵消都是 语音编译码器的相关技术。
信道编码
“差错控制编码”的基本思想是在发送端被传送 的信息中附加一些冗余比特（称为监督码元）， 这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规 则相互关联（约束）；接收端通过检验这种既定 的规则来获知是否有错码产生，进而纠正这些错 码。 由于监督码元的加入，增加了信号的冗余度，即 可靠性的提高是以带宽为代价的，所以信道编码 技术的目的是如何以最小的监督码元，获得最大 的纠错和检错能力。
信道编码
由于通信信道, 尤其是无线通信信道, 容易受到外界干扰和 噪声的影响, 因此导致信息在传输过程中发生改变, 从而在 接收端接收不到完全正确的信息。 为了保证通信的可靠性, 必须采用信道编码。信道编码能够检查和纠正接收信息流 中的差错。
传输信号在接收端出现误判是由两方面原因造成的
由于信道传输特性不理想（一般称为“乘性干扰”）产生的误差， 其通常可采用“均衡”的方法加以纠正 由于信号在传输时叠加上噪声（称为“加性干扰”）产生的误差， 其影响一般需采用“差错控制编码”的方法来加以纠正
脉冲编码调制
模拟信号数字传输方框图
话音 信号
抽 样
量 化
编 码
PCM 信号 数字通 信系统
PCM 信号
译 码
低 通
话音 信号
A/D（模数转换）
D/A（数模转换）
这里所说的“代码”是指表示数值的一组二进制或多进制的数字符号， 如表示数值“五”的十进制代码是“5”，二进制代码是“101”。 PCM技术中，通常用二进制代码。
CDMA系统中的语音编码技术
在数字移动通信系统中，语音编码速率与传输信号带宽成比例关系， 即语音编码速率减半，传输信号所占用带宽也减半，而系统容量增加 一倍。为此，必须积极开发低速率高质量的语音编码技术，即高效语 音编码技术。其中码激励线性预测编码CELP是高质量语音编码的方 案。
在移动无线传输线路中，突发脉冲序列中常因衰落产生误码。为抑制 误码对语音质量的影响，要研究抗误码能力的编码方式，即采取高效 纠错/检测编码的措施。 对于高效语音编码方式，为了抑制由于低速率引起语音质量的恶化， 需要进行庞大的运算处理，这种运算处理甚至超过目前数字信号处理 器（DSP）的能力，为此，就需要高性能数字信号处理器。
kbit/s
模拟信号转化 成数字信号 PCM编码,速 率64kbps
每20ms一段进行混合 编码,速率13kbps 对差错敏感的 182bit
GSM通信系统的语音编码示意
3个奇偶校 验比特和4 个尾比特
GSM系统中语音编码方式
GSM中话音编码采用混合编码器，其编码过程分 为：
第一阶段：话音分段。64Kbit/s的话音分成20ms一段 进行编码。 第二阶段：编码。将每20ms话音编成260bit的数码。 即比特速率为：260\20=13Kbit/s