5-移动通信的基本技术之编码技术

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。
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：
主要内容
电波传播分析 调制与解调技术
百度文库
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。
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。
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
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
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
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。
重发码组11
9 10 11 12 13 14 11 15
错误 错误 （c）具有选择性重发功能的连续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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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。
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）
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。