1．7．2　编码技术

在通信系统中，基于不同的目的，编码可以分为信源编码和信道编码两大类。

所谓信源编码是指将信号源中多余的信息除去，从而形成一个适合用来传输的信号的过程。信源编码的目的是提高系统传输效率，去除冗余度。

所谓信道编码是指为了减小衰落和抑制信道噪声对信号的干扰，把信号编码进行重新排列或是给信号编码增加冗余的纠、检错码的过程。信道编码的目的主要有两点：①使码列的频谱特性适应信道的频谱特性，从而使传输过程中能量损失最小，提高信号能量与噪声能量的比例（Eb／N0），减小发生差错的可能性，提高传输效率；②增加纠错能力，使得即便出现差错，也能得到纠正。

总的来讲，信源编码是为了提高系统传输的有效性，信道编码是为了提高系统传输的可靠性。

1．7．2．1　语音编码技术

通信信源中的模拟信号主要是话音信号和图像信号，而移动通信中最多的信号是话音信号，因而语音编码技术在数字移动通信中具有相当重要的作用。语音编码技术可以直接影响到数字移动通信系统的通信质量、频谱利用率和系统容量。

在数字移动通信系统中，模拟话音信号变为数字信号才能进行传输，语音编码目的之一是将语音数字化。众所周知，在数字移动通信系统中，频率资源非常有限，故语音编码目的之二是压缩冗余，提高频谱利用率，提高系统容量。

移动通信对语音编码的要求如下：

·编码速率要低，话音质量要高；

·有较强的抗噪声干扰和抗误码性能；

·编译码时延应在几十毫秒之内；

·编译码器复杂度要低，便于大规模集成化；

·功耗要小，以适应手持机。

语音编码技术有三种类型：波形编码、参量编码和混合编码。

1．波形编码

波形编码是在时域上对模拟话音的电压波形按一定的速率抽样，再将幅度量化，对每个量化点用代码表示。解码是相反过程，将接收的数字序列经解码和滤波后恢复成模拟信号。

波形编码能提供很好的话音质量，但编码信号的速率较高，一般应用在信号带宽要求不高的通信中。如固定电话网中的脉冲编码调制（PCM）、小灵通网络中的自适应差分脉冲编码（ADPCM）、增量调制（ΔM）等都属于波形编码，其编码速率在16～64kbit／s。

脉冲编码调制（PCM编码），有如下三个步骤：

①抽样。抽样时遵循抽样定理，对一个时间上连续的信号，若频带限制在Fm内，要完全恢复原信号，必须以大于或等于2Fm的频率进行抽样。

例如，一般话音的频率为300～3　400Hz，如要完全不失真恢复话音信号，抽样频率至少为6　800Hz，为保险起见，一般取8　000Hz。

②量化。模拟信号经抽样后在时间上是离散的，但其幅度的取值仍是连续的，为了使模拟信号变成数字信号，还必须将幅度离散化，即将幅度用有限个电平来表示，实现样值幅度离散化的过程称为量化。量化犹如数学上的四舍五入，即将样值幅度用规定的量化电平表示。

③编码。将模拟信号抽样量化再编码成数字代码，称为脉冲编码调制（PCM）。64kbit／s的PCM是最成熟的数字语音系统，主要用于有线电话网，它的话音质量好，可与模拟语音相比，其抽样速率为8kHz，每个抽样脉冲用8位二进制代码表示，每一路标准话路的比特率为8　000×8＝64kbit／s。

优点：适应很宽范围的语音特性，复杂度低，处理简单，音质好。

缺点：压缩率低，当码率小于16kbit／s时，音质明显变差；占用频带较宽，适合于有线通信，对无线传输系统来说，由于频带的限制，必须采用低速高质的编码技术，所以波形编码不适合。

2．参量编码

人们对语音的研究发现，提取出语音信号的特征参量进行编码，而不是对语音信号的时域波形本身编码，可以大大降低编码信号的速率，这种语音编码方式称为参量编码。

参量编码的基础是语音信号特征参量的提取与语音信号的恢复，这涉及语音产生的物理模型。为提取特征参量作语音分析，利用了语音信号的平稳特征，即认为语音在10～20ms的时间内其特征参数不变。这样，可将实际语音信号划分为10～20ms的时间段，对每个段内分别进行参量提取。

故参量编码，是以发音模型作基础，从模拟话音提取各个特征参量并进行量化编码，在接收端由传过来的变化参量人工合成语音，参量编码又称声源编码。优点是在可实现低速率语音编码，达到2～4．8kbit／s。参量编码可达到很低的速率，但其语音质量较差，主观评定等级低于3级。

3．混合编码

混合编码是将波形编码和参量编码结合起来，在这种编码信号中，既含有语音特征参量信息，又含有部分波形编码信息，故其有波形编码的高质量优点又有参量编码的低速率优点。其压缩比达到4～16kbit／s，语音质量可达到商用话音标准。

若语音编码的数字信号速率太高，会占用过宽的频段，无疑会降低系统容量。但若语音编码的速率过低，又会使话音质量降低，所以移动通信系统采用一种高质量低速率的语音编码技术是非常关键的。目前各大移动通信系统的编码都属此类编码，如GSM系统的13kbit／s规则脉冲激励——长期预测编码（RPE－LTP）、窄带CDMA系统的最高速率为8kbit／s码本激励线性预测编码（CELP）都是混合编码方案。

如GSM系统的RPE－LTP编码进行混合编码的器件，其输入信号是模拟信号的PCM信号，对移动台来讲，抽样速率为8　000Hz，采用13bit均匀量化，则速率为8　000×13＝104kbit／s。在编码器中，编码处理是按帧进行的，每帧为20ms，即对104kbit／s语音数据流取20ms一段，然后分析并编码，编码后形成260bit的净话音数据块，编码后的速率为260／20ms＝13kbit／s。

在语音编码中，对话音质量的评价一般按听音者的主观感觉来定级。

质量等级分为5级，最高级是5级。优，听着可完全松弛，不需要注意力；其次是4级，良，需要注意，但不需要明显集中注意力；再次是3级，满意（正常），需要中等程度注意力；之后是2级，差，需要集中注意力；最次是1级，劣，即使努力去听，也很难听懂。GSM系统的RPE－LTP编码、码本激励线性预测编码（CELP）可达到4分。

1．7．2．2　信道编码

无线信道的环境是很恶劣的，如果语音编码之后的净话音数据流直接调制后送入无线信道，那么会受到各种干扰而丢失许多有用的信息，因为这些净话音数据本身对干扰不具有纠错能力。

而信道编码可以解决这一问题，信道编码是一门专业技术，其作用在于改善传输质量，克服无线信道上的各种干扰因素对有用信号产生的不良影响。

具体来讲，是在发送端将被传输的信息附上一些监督码元，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），这个过程称为信道编码；接收端按照既定的规则校验信息码元与监督码元之间的关系，一旦传输发生差错，则信息码元与监督码元的关系就受到破坏，从而接收端可以发现错误乃至纠正错误，这个过程称为信道解码。

编码增加了数据比特，这使得信道中传输的总的数据速率提高，也就会占用更大的信道带宽，也就是以增加传输带宽为代价来取得编码增益的。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。用于检测错误的信道编码称为检错编码；可纠错的信道编码称为纠错编码。

1．信道编码的要求

信道编码一般有下列要求：

（1）增加尽可能少的数据率而可获得较强的检错和纠错能力，即编码效率高，抗干扰能力强；

（2）对数字信号有良好的透明性，也即传输通道对于传输的数字信号内容没有任何限制；

（3）传输信号的频谱特性与传输信道的通频带有最佳的匹配性；

（4）编码信号内包含有正确的数据定时信息和帧同步信息，以便接收端准确地解码；

（5）编码的数字信号具有适当的电平范围；

（6）发生误码时，误码的扩散蔓延小。

2．差错控制方式

传输出现差错，网络一般采取的差错控制方式有：检错重发、前向纠错、混合方式。

检错重发（ARQ）：在接收端根据编码规则进行检查，如果发现规则被破坏，则通过反向信道要求发送端重新发送，直到接收端检查无误为止。特点：ARQ系统需要反馈信道，效率较低，但是能达到很好的性能。

前向纠错（FEC）：发送端发送能纠正错误的编码，在接收端根据接收到的码和编码规则，能自动纠正传输中的错误。特点：不需要反馈信道，实时性好，但是随着纠错能力的提高，编译码设备复杂。

混合方式：结合前向纠错和ARQ的系统，在纠错能力范围内，自动纠正错误，超出纠错范围则要求发送端重新发送。它是一种折中的方案。

3．差错控制编码的分类

根据差错控制方式不同分为：检错码、纠错码、纠删码（兼检错、纠错）。

根据信息位和校验位的关系分为：线性码（监督码元与信息码元之间满足线性运算关系）和非线性码。

根据信息码元和监督码元的约束关系分为：分组码和卷积码。

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，而与其他码组的信息无关，这种编码方法称为分组编码。在分组码中，数据每k个信息比特分为一组，k个信息位与增加的（n－k）个比特组成一个n比特的码组（或码字），这种码叫做（n，k）分组码。

分组中（n－k）／k比值称为码的冗余度，k／n比值称为编码效率。编码效率可表示分组中信息比特所占的比例。

最简单、最普遍使用的检测误码的奇偶校验码（奇偶校验码可以检知奇数个误码，而不能发现偶数个误码，故检错能力有限，并且没有纠错能力），循环冗余码（CRC）等都属于分组编码。

卷积编码也是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，这些附加监督码元不仅与本组的信息码元有关，而且与前m组的信息码元有关。卷积码用（n，k，m）表示。其主要用于纠错，具有十分有效的纠错能力。

4．信道编码案例

前面讲到的语音编码后的语音数据流为13kbit／s，即每20ms为260bit的数据块，每个数据块的260位中，根据重要性不同，分成三类，其中：50位称为Ia类话音数据；132位称为Ib类话音数据；78位称为Ⅱ类话音数据。

对Ia类数据采用循环冗余码（CRC）来保护，形成53位数据，这53位数据和132位Ib类数据一起采用1／2卷积码来保护，形成378位数据，而78位Ⅱ类数据不加保护，则经信道编码后的数据扩展到378＋78＝456位，亦即编码后的话音数据速率变为456bit／20ms＝22．8kbit／s，如图1．29所示。

图1．29　GSM移动台的信道编码

1．7．2．3　交织

在无线信道中，差错有两类，一类是随机差错，间断性地出现一个或两个码元的错误，这种情况一般是由信道的加性随机噪声引起的；另一类是突发性差错，带有一定的持续性，差错的出现是一连串出现的，例如由持续时间较长的深衰落带来的长串误码，即突发差错是指一个错误序列，错误序列的长度称为突发长度。

而信道编码只有误码是随机出现时，才能执行较好的纠错功能，目前还没有一种有效的信道编码方法可以克服几个相邻位的连续误码。

为了解决这一问题，希望能找到把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。这样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个（或长度很短），这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。这种方法就是交织技术。

交织器有两种结构类型：分组结构和卷积结构。分组交织是一种简单的交织方式，其原理是把待传输的数据，以n×m个数据位为一段分成m段，每段是一个交织处理单位，n×m个数据位放入一个n行m列的矩阵中。数据位被按列填入n×m的矩阵，而后按行读出发送，这样通过列写行读就产生了对原始数据位以m个比特为周期进行穿插的效果。在接收机一端的解交织操作则是与此相反进行的，收到的数据位按行写入一个n行m列的矩阵中，而后按列读出作为收到的数据，如图1．30所示。通常，将行数m称作交织器的深度。

图1．30　分组交织码的实现框图

分组结构交织器可以按列写入，按行读出；也可以按行写入，按列读出，这不影响交织的效果。只是发送端若是按列写入，按行读出，接收端则是按行写入，按列读出；若发送端若是按行写入，按列读出，接收端则是按列写入，按行读出。

例如GSM交织编码器的输入码是20ms的帧，每帧含456位，每两帧（40ms）共912位，按每行8位写入，共写入114行，输出时按列进行，每次读出114位。按行写入，按列读出，按列传输，若在传输中受到突发性干扰，经去交织译码后，则将突发差错变成随机差错。

缺点：因为接收机在收到了位并进行解交织以后才能解码，所以交织带来一个固有延时（完成交织与去交织变换在不计信道时延条件下，将产生2m×n个符号的时延，其中发、收端各占一半）。在现实中，当语音延时小于40ms时，人们还是可以忍受的，所以对语音传输而言，要求交织延时不超过40ms。另外，交织的字长和深度将取决于语音编码器、编码速率和最大容许时延。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码来纠错。

交织编码的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码（FEC）技术消除随机差错。交织深度越大，则离散度越大，抗突发差错能力也就越强。但交织深度越大，交织编码处理时间越长，从而造成数据传输时延增大，也就是说，交织编码是以时间为代价的。因此，交织编码属于时间隐分集。