1、1数字通信技术学习笔记语音编码语音编码的方法 语音信号编码分别沿着两个方向发展， 一个方向是从 PCM 出发，基于语音信号波形特点进行编码，称为语音信号的波形编码。另一个方向是从声码器出发， 对语音信号的某些特征参数进行编码，称为参数编码或模型编码。波形编码 波形编码以重构语音波形为目的，力图使重建语音波形保持原语音信号的波形。编码时用数据表示语音信号的时间波形，在解码端通过重构出与原始语音信号相似的波形来得到近似的话音。它一般具有适应能力强、话音质量好等优点，但所需用的编码速率高。参数编码 参数编码不以重构原始信号波形为目的。它将语音信号分段，并提取出能表征语音段特征的参数，在解码端重构一个
2、新的有相似声音但波 形不尽同的语音信号，声码器所用的参数，有的是表明声音的短时谱，有的是描述语音产生的数学模型。这类编码器的优点是编码速率低， 例如可以低到 2.4kb/s 以下，甚至达到 800 b/s 。混合编码算法 随着大规模、超大规模集成电路的出现以及计算机技术和信号处理技术的发展，语音编码技术有了突破性的进展，提出了一些非常有效的处理方法，产生了新一代的语音算法，这些算法结合了原2有波形编码器质量好和声码器速率低的特点，而克服了它们各自的弱点，因而称为混合编码算法。语音编码性能的评价语音编码器的性能一般可以从四方面来评价，即比特率、语音质量、信号延时和复杂度。线路编码线路编码设计 通
3、常把表示数字信息的数码形式称为码型,在基带传输系统中所用的码型称为线路传输码型。根据线路传输的要求选择合适的码型也称为线路编码。差错控制的基本概念及分类 差错控制的基本思想即在发送端根据要传输的数据序列，按一定的规律加入一些多余码元，使原来不相关的数据序列变成相关，即编码。传输时将多余码元和信息码元一并传送。接收端根据信息元和多余码元间的规则进行检验，即译码，根据译码结果进行错误检测。当发现错误时，或者通过反馈信道要求发方重发有错的数据，或者由接收端的译码器自动将错误纠正。这种技术为差错控制技术，多余码元为校验码元，或监督码元。根据信息码元来产生监督码元的方法为差错控制编码。差错控制的基本方法
4、大体上可分为两类：一类是接收端发现数据有错后，收方译码器自动地纠正错误；另一类是接收端发现数据有错后， 收方通过反馈信道传送一个应答信号要求发方重发有错的3数据，从而进行纠错。具体地可以分为四种 ： 前 向 纠 错 FEC（ Forward Error Correction） 、检错重传 ARQ(Automatic Repeat Request)、 混合纠错 HEC(Hybrid Error Correction)、 信息重发。常用的差错控制码 （1） 奇偶校验码 这是最基本的检错码。它的编码规则是在信息码后附加一个监督码元，使得码组中“ 1”或“ 0” 的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）
5、 。 奇偶校验码组共有 n 个码元，其中信息元有 n 1 个。当传输过程中奇数个码元发生错误时，奇偶校验可以检测出，偶数个码元发生错误时，则无法检测。(2)行列校验码行列校验码是二维的奇偶校验码，又称矩阵码。这种码克服了奇偶校验码不能发现偶数个差错的缺点。其编码方法是：将若干个要传送的信息码元编成一个矩阵，矩阵的每一行为一码组进行奇偶校验。矩阵中的每一列由不同码组系统位置的码元组成，每列同样进行奇偶校验。这样每一行、每一列均构成一个奇偶校验码。 当某一行（列）出现偶数个差错时，该行（列）虽然不能发现， 但只要差错所在的列（行）没有同时出现偶数个差错，则该差错仍然可以被发现。只有当差错数正好为
6、4 的倍数，而且差错位置正好构成矩形的 4 个角时，行列校验码才无法进行差错检测。行列校验码是发现错码能力较强、检测突发差错的简单编码。当然，它的编码效率4较之奇偶校验码要低。（3）恒比码 恒比码，又称定比码，等比码，定 1 码，等重码等。在恒比码中，每个码组“ 1”和“ 0”的数目都保持固定的比例。在接收端进行检测时， 只要计算接收到的码组中“1”的个数是否正确 就知道有无错误。除去“1” 错成“ 0”正好等于 “0” 错成“1” 的误码外，恒比码可以检测出所有其它的错误模式。恒比码的主要优点是简单，且适用于传输电传机或其它键盘设备产生的状态 有限的字母和符号。而不适于传输信源来的随机的二进
7、制数字序列。（4）群计数法 群计数法首先将信息码进行分组，而后计算每一组中的“1”码的个数，并用二进制数来表示。此二进制数作为校验元附在信息元后进行传输。如 1011011 共有 5 个 1，用 101 来表示，则传输的码组为 1011011101。这种编码方法 可以发现大量的错误图样，有很高的检错能力。 但群计数法的编码效率较低。常用的差错控制码 差错控制编码按其特点可以分为以下几类： （1）根据监督元与信息元的关系，可以分为线性码和非线性码。（2）根据对信息元的处理方式，可以分为分组码和卷积码。 （3）根据纠正错误类型，可以分为纠正随机错误与纠正突发错误的码字。 5(4)根据码元的结构特点
8、，可以分为循环码与非循环码。此外，还可以按码元的取值可以分为二元码与多元码。线性分组码 线性分组码就是对每一个信息码组都按一定的规则加入一组监督码元。即在（n ,k）码字中 r (r = n - k)个监督元是由 k 个信息元的线性组合而得到。前面讲到的奇偶校验码、行列校验码、恒比码等都是最早使用的、较简单的线性分组码。它们的缺点是只能检错而无法纠错。1949 年，汉明（ Hamming）发明了一种能纠正单个随机错误的 线性分组码，即汉明码 （Hamming Code） 。汉明码要求在比特串发送前插入多个奇偶校验位来校验关键位置上的奇偶性。其思想是如果比特位改变了，它的位置决定了一个特定的奇偶
9、校验错误组合。一组码字被发送后，接收方重新进行奇偶校验计算。如果有错误，则错误的组合可告诉接收方哪 些比特位受到影响。接收方就可将这些比特位设置为正确的值，从而完成对错码的纠正。循环码循环码 CRC（Cyclic Redundancy Check）也是一种线性分组码。它是在严密的代数学理论基础上建立起来的，它不仅具有分组码的一般性质，而且还具有由于循环码所带来的其它特性。循环码的编译码设备都不太复杂，检错、纠错能力较强，所以在理论及实践上都得到了广泛的应用。数字调制6数字调制的基本方法 数字调制的实现方法有两种。一是把数字信号当作模拟信号的特例，采用模拟调制的方法；二是利用数字信号具有离散值的
10、特点去键控载波实现调制，这种方法也称为键控法。二进制 的ASK、FSK 和 PSK 就是用键控法分别控制载波的幅度、频率和相位来实现数字调制的。键控法通常采用数字电路完成数字调制，具有变换速度快、调整测试方便、设备可靠等优点，因此在数字通信中得到了广泛的应用。格栅编码调制 TCM编码的多电平/多相位调制也称为格栅编码调制（Trellis Coded Modulation） ，即 TCM。TCM 调制有两个基本特点：在信号空间中，信号点的数目比无编码的调制时对应的信号点的数目要多一倍。采用卷积码编码规则，使一系列信号点之间引入依赖关系，使得只有某些信号点图样或序列是许用的信号序列，并可模型化为格
11、状网络，因此又称为格栅编码。正交幅度调制 QAM QAM 是一种单载波数字调制系统，在传统的数字调制技术中几乎都是单载波数字调制系统，其中较为主要和应用较广的当数MPSK。在 MPSK 调制中，两个正交调制信号 I 和 Q 是互相依赖的，即它们的取值必须保证信号矢量的端点落在以 A 为半径的圆上。而在 QAM 调制中，取消了对 I、Q 信号之间的上述约束，使信号矢量的端点呈正方形均匀地分布在以 A 为半径的圆内。7无载波幅度相位调制 CAP CAP 与 QAM 的区别在于抑制了不携带任何有用信息的载波，而且其正交载频的调制过程则是采用了两个幅频特性相等、相位特性相差 /2 的横截型带通数字滤波
12、器（Hilbert 对）在数字域完成的，两路数字信号相加后经 D/A 变换输出。 CAP 优越于 QAM 的特点在于更多地使用了数字处理技术，易于大规模的数字集成、降低成本。此外，去除载波分量使得改变频谱的形态、中心频率、对称性等特征更加容易，仅需改变数字滤波器的抽头系数即可。交换技术什么是交换技术？ 交换技术是通信网中各节点间进行信息交互的方法和实现，通信网中采用信令或协议使各节点进行正确的信息交互。目前通信网中使用了哪些交换方法？ 电路交换分组交换ATM 交换 (Asynchronous Transfer Mode)现代通信网中交换哪些类型的信息？ 电话信号 计算机数据 图象信号 传真、电
13、报 多媒体 其他数据业务电路交换方式的主要优缺点 优点： 连接速度快，时延小，实时性好。 (特别适用于话音通信） 8 缺点： 固定占用电路，电路利用率不高。 应用： 适用于固定速率业务，如：电话。为什么会产生 ATM 交换？网络发展需要综合化高速化：综合化是将话音、数据、图象以二进制码表示的信息在同一网络中传输交换，传送速率达到几百兆、几千兆比特/每秒。ATM 的基本思想 将各种信息划分为统一格式的、长度固定的短分组-53 字节的信元 (Cell)，用于传输、交换和复用等。 将传输信道按虚通路（VC ）和虚通道（VP）划分为许多逻辑信道，用于传输信息。ATM 的定义 ATM 是一种传递模式，在
14、这种模式中，信息被分装成信元(cell)。这种传递模式是异步的。ATM 信元长度为 53 个字节，分为两个部分：5 个字节的信头用于表征信元去向的逻辑地址、优先级等控制信息； 48 个字节的信息段用来装载来自不同用户、不同业务的信息。信 元 信元 (cell): 固定长度短分组 区别于 X.25 分组 信元格式：信头(5 字节)信息域(48 字节) 信头：逻辑地址，维护信息，信元丢失优先 度和信头的纠错码等 信息域：有用的用户信息9ATM 交换的技术特点 ATM 是一种统计时分复用技术，按需分配网络资源。 ATM 利用硬件实现固定长度分组的快速交换，具有时延小，实时性好的特点。 ATM 是支持
15、多种业务的传递平台，并提供服务质量保证。 ATM通过定义不同的 AAL(ATM 适配层)来满足不同业务对传输性能的要求。 ATM 是面向连接的传输技术，在传输用户数据之前必须建立端到端的虚连接。所有数据，包括用户数据、信令和网管数据都通过虚连接进行传输。永久虚连接 （PVC）可以通过网管功能建立，但交换虚连接（SVC） 必须通过信令过程建立。IP/ATM 融合技术 因特网（Internet）采用 TCP/IP 协议实现网络互连。随着因特网用户不断增加，高带宽、大容量的多媒体业务不断发展，Internet 上传统路由器的传输能力已经无法适应网络的发展需要. 由于价格、性能上的原因，高速路由器技术
16、不可能迅速普及。 ATM（异步传递方式） 具有极高的传输速率，支持多种服务质量保障（QoS ） ，适应新的网络发展需求。 ATM 技术与高速路由器技术之争，已经不再是技术上的问题。短期内无法预见结果。 ATM 与传统 TCP/IP 网络的区别，限制了两种技术的有效融合。TCP/IP 与 ATM 的区别 ATM ：面向连接 10TCP/IP ：面向无连接 ATM ： 支持多种业务服务质量（QoS） TCP/IP： 目前只支持最大努力投递。 ATM ： 使用固定长度的 VPI/VCI 识别信元，选择路径到达目的地。TCP/IP：使用变长的 IP 地址识别分组，选择路由。扩频通信扩频通信的定义所谓扩
17、展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技 术是一种信息 传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。这一定义包含了以下三方面的意思：一、信号的频谱被展宽了。我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。例如人类的语音的信息带宽为300Hz -3400Hz，电视图像信息带宽为数MHz。为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。如用调幅信号来传送语音信息，其带宽为语音信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽也只是其视频信号带宽的一倍多。这些都属于窄带通信。一般的调频信号，或脉冲编码调制
