CN102412934B - 一种数字编码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字编码传输方法，通过以原始PCM数据的数据率A的K倍为基码时钟进行编码，从2ⁿ个样本码组中选择2^m个样本码组作为基准码组单元，编码后的数据流脉冲宽度不小于原有PCM数据脉宽，且无连“0”连“1”数据，在不增加信号带宽的前提下，增加了信号功率谱密度，提高了信道利用率，信号的收敛类似密勒码，信号能量主要集中在二分之一码速率以下，且较密勒码更为集中，同时对PCM原码直流及低频分量进行抑制，便于数据同步接收，通过高斯滤波后的编码，实现了频谱收敛，降低了码间串扰。

Description

一种数字编码传输方法

技术领域

本发明属于带限数据传输领域，特别是涉及一种数字编码传输方法。

背景技术

数字传输体制，分为基带编码传输与带通调制(载波调制)传输，编码与调制的目的主要为实现将基带信号变换为可以在信道中传输的信号。随着数字信号处理技术的发展，传统的编码与调制技术正在逐步融合，发展成为编码与调制相结合的新型数据传输体制，其实现方法为在基带将原始的PCM码流变换为可传输的信号，经频谱搬仪后实现调制传输。如：扩频通信、OFDM、CPFSK、GMSK/GFSK、基于Turbo交织编解码的信号传输体制、TCM网格编码调制等。上述方式中，OFDM正交调制技术基于频域信号处理方式，一般采用FFT模式实现信号的处理与同步。

在实际的应用中，并非所有的基带数字信号都能在信道中传输。其原因本如下：

(1)基带数字信号含有丰富的直流或低频分量，信道难以满足传输要求。

(2)接收时不便于提取同步信号。

(3)由于限带和定时抖动，易产生码间干扰。

信号码型选择与波形形状直接影响传输的可靠性与信道带宽利用率。将基带信号变换为带通信号时，也应尽量减小载频分量，一方面提高信道的利用率，另一方面易于实现系统同步。基于未编码的数字无线传输体制中，数据流中均有对连“0”或“1”状态下信号同步困难的现象。通过对PCM码流进行编码处理或增加扰码等技术，可克服此类问题。

数字信号的波形有很多种，其中较为典型的是二进制矩形脉冲信号，主要有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码(NRZ)、差分码等。许多数字信号不适宜在信道中传输，需编制适用的适于基带传输的码型，主要有：双相码(Bi-Φ码)、延时调制码(密勒码)、双码等。图1给出了靶场指挥委员会的场际仪器组(IRIG)给出的七种可以使用的PCM数字格式及另外4种重要的数据格式。

对于二进制矩形脉冲，假设随机矩形脉冲序列为平稳、遍历的随机序列。设g₁(t)和g₂(t)分别表示二进制符号的“1”和“0”，T代表码元间隔，其倒数

是每秒所传输的码元数，则可得到二进制单元信号波形的单边功率谱密度表达式为：

$S_x\left(f\right)={2f}_{s}P(1-P){|G_1\left(f\right)-G_2\left(f\right)|}^2$

${+f_s}^2{|{\mathrm{PG}}_1\left(0\right)+(1-P)G_2\left(0\right)|}^2\mathrm{\δ}\left(f\right)$

$+2{f_s}^2\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{|{\mathrm{PG}}_1\left({\mathrm{mf}}_s\right)+(1-P)G_2\left({\mathrm{mf}}_s\right)|}^2\mathrm{\δ}(f-{\mathrm{mf}}_s),f\≥0---\left(1\right)$

式中，G₁(f)、G₂(f)表示二进制单元信号波形多对应的频谱函数；P和(1-P)分别表示序列中出现信号g₁(t)和g₂(t)的概率。从式中可以看出，二进制数字信号的功率谱包括连续谱G(f)和离散谱G(mf_s)。

几种典型的信号功率谱如图2所示(P＝1/2)。

信号中离散谱分量的存在，使接收设备能够从序列中直接提取定时时钟信号和相干解调的参考载波等同步信号。最为典型的做法是将基带PCM码流变换为传输码(如双相码、密勒码等)或增加扰码，也可通过增加同步导频信号实现，但是双相码使信号的功率谱带宽增加一倍，在规定带宽下的传输速率降低一倍，无法实现高速传输；而密勒码为连续谱线，频谱主要集中在0.4倍信号带宽上，由于编码交织度差(仅进行2BIT位变换)，PCM数据流经变换后的谱密度较低，信号频谱的利用率偏低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字编码传输方法，通过增加带内信号的频谱密度，提高了信道利用率，在不损失信息量的前提下，一方面克服由传统编码造成的基带数字信号频谱展宽问题，同时对PCM原码直流及低频分量进行抑制，便于数据同步接收。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种数字编码传输方法，包括如下步骤：

(1)接收原始PCM数据，以原始PCM数据的数据率A的K倍为基码时钟进行编码，编码的方法如下：

选择基准译码单元的长度为m，将原始PCM数据进行串/并转换为m位并行数据；编码后的样本码长度为n＝m×K，样本码组数为2ⁿ，从2ⁿ个样本码组中选择2^m个样本码组作为基准码组单元，基准码组单元的选择要求如下：

基准码组单元中连“0”或连“1”的码位≥K位、小于8/A且小于1/1200秒，并且“0”与“1”的分布相差不超过m位；

(2)将编码后的2^m个基准码组进行并/串转换，并将转换后的串行数据进行边带抑制后输出；

(3)接收输入的串行数据流，进行n位串/并转换，产生2ⁿ个样本码组，根据2^m个基准码组对2ⁿ个样本码组进行译码，译码的方法如下：

计算2ⁿ个样本码组与2^m个基准码组的码距，根据码距确定2ⁿ个样本码组的2^m个译码值；

(4)将译码后的2^m个译码值的m位并行数据进行并/串转换，并恢复出原始PCM数据格式输出；

其中K、n、m均为正整数。

在上述数字编码传输方法中，步骤(1)中从2ⁿ个样本码组中选择2^m个样本码组作为基准码组单元的方法如下：

首先从2ⁿ个样本中去除连“0”或“1”小于K位的码组，其后去除组合数据中连“0”或“1”大于8/A及高于1/1200秒的码组，在剩余的码组中，选取将2^m个“0”、“1”分布相差不超过m的码组作为基准码组。

在上述数字编码传输方法中，步骤(3)中通过汉明距法逐一计算2ⁿ个样本码组与2^m个基准码组的码距，以码距最小的基准码组的译码值作为该样本码组的译码值。

在上述数字编码传输方法中，步骤(3)中通过互相关法逐一计算2ⁿ个样本码组与2^m个基准码组的互相关峰值，以互相关峰值最大的基准码组的译码值作为该样本码组的译码值。

在上述数字编码传输方法中，步骤(1)中所述以原始PCM数据的数据率A的K倍为基码时钟进行编码，其中1＜K≤8。

在上述数字编码传输方法中，步骤(1)中所述选择基准译码单元的长度为m，其中m＝4。

在上述数字编码传输方法中，编码方法与译码方法均采用查表方式进行。

在上述数字编码传输方法中，步骤(2)中将2^m个基准码组的串行数据经高斯滤波器、升余弦滤波或小波滤波进行边带抑制后输出。

在上述数字编码传输方法中，在编码过程或译码过程中可以对PCM数据进行加密，传统的各种加密及解密方法均适用于本发明。

在上述数字编码传输方法中，传输方法可以应用于无线及基带带限信息长距离信号传输或数据磁记录。

本发明相比现有技术具有如下优点：

(1)本发明针对基带PCM码流不便传输的问题，通过增加带内信号的频谱密度，在不损失信息量的前提下，一方面克服由传统编码造成的基带数字信号频谱展宽问题，同时对PCM原码直流及低频分量进行抑制，便于数据同步接收。

(2)本发明通过以原始PCM数据的数据率A的K倍为基码时钟进行编码，从2ⁿ个样本码组中选择2^m个样本码组作为基准码组单元，编码后的数据流脉冲宽度不小于原有PCM数据脉宽，且无连0连1数据，在编码方式上由于要求编码后的数据率小于等于A，因此产生的功率谱分量主要集中在原PCM码功率谱包络主瓣内，在不增加信号带宽的前提下，增加了信号功率谱密度，提高了信道利用率，信号的收敛类似密勒码，信号能量主要集中在二分之一码速率以下，且较密勒码更为集中。

(3)本发明对基带信号的直流及低频分量进行了有效抑制，编码后的数据功率谱密度中存在离散谱，便于系统同步与定时。

(4)本发明具有对数据加密的能力，不易破解，保密安全性强，特别适用于国防领域、航天领域的数据传输；

(5)本发明编码后的数据经过高斯滤波器等的快速滚降滤波后频谱收敛，具有较强的抗码间串扰能力；

(6)本发明采用查表方式进行编译码，基准码组m选择4为半字节操作，软硬件均可实现，实现简单方便，设备可靠。

附图说明

图1为现有技术几种常见的PCM编码格式；

图2为现有技术几种常见的数字编码功率谱(p＝1/2)；

图3为本发明数字编码方法流程图；

图4为本发明各G_i信号功率谱图；

图5为本发明编码功率谱与非归零PCM原码功率谱、密勒功率谱比较图；

图6为本发明实施例中16个基准码组矩形脉冲波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明内容作进一步的详细说明：

假设原PCM码传输数据率为A(bps)，其功率谱为含有直流及低频分量的连续谱，在移动通信中，无线信道无法满足直流及低频分量正确传输的要求(因接收与发送端的频率及相位不同，信号同步及定时提取困难)，因此需对PCM码流进行一定的变换，主要目的为抑制直流及低频分量，同时，产生定时同步信号。

以传输的PCM数据率(A波特率)的K倍为基码时钟(K×A波特率)进行编码。

编码方法为：从K倍码速率所产生的所有位数据样本中，选择具有一定码距，满足A波特率传输信息量，且符合无线信道传输特性的码组单元，作为基准码组进行编译码(决定了编码交织长度)，编码后的码型为不小于系统抗连“0”、连“1”能力及信道传输要求，即数据中连“0”或连“1”的码位大于等于K位，小于8/A且小于1/1200秒；并且“0”与“1”分布相差不超m位；

上述条件确定了编码后的功率谱信号主要能量集中在A波特率的第一零点带宽内，且直流分量较小。

具体实施步骤如下：

(1)选取基码时钟

根据数据传输的速率及码同步性能，一般基码时钟选择时1＜K≤8，K决定了编码交织长度。即用n位基码表示m位原码，n＞m。为便于系统实现，将m选择为4，则n＝4K，选取的基准译码单元为16个，即可形成16个标准样本波形。

(2)选择基准译码单元

按基码时钟编码后的样本码长为n，有2ⁿ个样本码组，从此2ⁿ个样本码组中选择2^m个样本作为基准码组(可用码)。其方法为：首先从2ⁿ个样本中去除连“0”或“1”小于K位的码组，其后去除组合数据中连“0”或“1”大于8/A及高于1/1200秒的码组，在剩余的码组中，选取2^m个“0”与“1”分布相差不超过m位的码组作为可用码。

若m＝4，则可形成16个标准样本波形F₁～F₁₆。其对应的频谱为G₁～G₁₆，此时，可将此16个样本作为基础波形，假设各波形等概率出现，每个样本信号在T_s＝4/A秒间隔内的出现一次，即在T_s＝4/A秒间隔内与前面的信号无关，统计独立信号，其分布概率为P＝1/16，一步转移概率为P_ij＝1/16，则可得信号的双边功率谱为：

$S\left(f\right)=\frac{1}{T_s^2}\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\underset{j=1}{\overset{16}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PG}}_j\left(\frac{n}{T_s}\right)\right|}^2\mathrm{\δ}(f-\frac{n}{T_s})$

$+\frac{1}{T_s}\underset{j=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}P(1-P){\left|{G^{\&prime;}}_j\left(f\right)\right|}^2-\frac{2}{T_s}\underset{j<k}{\overset{16}{\underset{j=1}{\mathrm{\&Sigma;}}}}\underset{k=1}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}^2\mathrm{Re}\left[{G^{\&prime;}}_j\left(f\right)G_k^{\&prime;*}\left(f\right)\right]---\left(2\right)$

式中G_i’为Gi的连续频谱部分，^＊表示其复数共轭。

由于选取的16个样本函数为8位非归零脉冲，且其中脉冲宽度不超过1/A秒，最大脉冲宽度不大于2/A秒或1/1200秒，T_s为4/A，且每个样本的“0”、“1”分布对等，因此各样本的信号功率谱包络具有如下特征。

(a)直流分量较小，主要是由于“0”、“1”的分布概率近似相等。

(b)各G_i信号功率谱如图4所示，其中Fi为最大为A，最小值不大于A/2。

(c)在选择基准码组的过程中，首先选择8组基准码组，此8组码组的汉明码距小于8(任意基准码与另一基准码不能互为反码)，其后将此8组基准码的反码作为另8组基准码组。则此16个码组中的8个功率谱完全相同，相位谱反相。

(d)观察式(2)的第一项，若传输符号等概率出现，则合成信号中不包含离散谱。若传输码组非等概率出现时，必出现离散谱，且离散谱的频率为A/4的整数倍，即在A频带内出现3个离散谱线。

(e)观察式(2)的后的两项，则在A频带内出现多个功率谱顶点，且为A的有理分频点。

(3)编写译码表

将2ⁿ个样本码与选择的2^m个基准译码码组逐一进行“汉明距”计算，计算码距，确定译码值，即以码距最小的基准码组的译码值作为样本码组的译码值。也可以计算2ⁿ个样本码组与2^m个基准码组的互相关峰值，根据得到的互相关峰值，以互相关峰值最小的基准码组的译码值作为样本码组的译码值。

本发明对原PCM码流进行编码处理后，在编码方式上，由于要求编码后的数据率小于等于A，因此产生的功率谱分量主要集中在原PCM码功率谱包络主瓣内，且使功率谱密度增加。同时，为便于信号传输与同步，编码后的码型功率包络对直流分量进行有效抑制。编码后的数字信号经高斯滤波器，实现GFSK调制，使信号的频谱进一步收敛，减少了码间串扰。

下面列举一个具体的实施例：

某数传电台，点频为450MHz，传输带宽为25KHz，传输数据率A＝9600bps。采用本发明技术方案对原始PCM数据进行处理，取K＝2，m＝4，则n＝8(m×K)，数据时钟为A×K＝19200，根据本发明技术方案，得到如下表1所示的数据编解码表，其中样本数据2ⁿ＝256，为表1中第一行的数据与第一列的数据逐一求和得到的数据(表1中未给出，通过求和可以得到)，表1中线条加粗的16个码组数据为根据本发明编码方法得到的2^m＝16个基准码组的译码值，表1中所有交叉数据(除第1行数据、第1列数据外)为256个样本数据译码后的译码值，即加粗的16个基准码组的译码值中的任意一个。

表1：

上述编码表产生的16个基准码组矩形脉冲波形如图6所示。

由图6可知其矩形脉冲的宽度大于1/A，小于等于1.5/A。其中0X02H、0X04H、0X07H的功率谱一致；0X01H、0X06H功率谱一致，因此共有4种功率谱进行组合，且4种功率谱的最大值均在A内，因此信号功率谱能量主要集中在A的频谱范围内。

如图3所示为本发明实施例数字编码方法流程图。

在译码过程中通过汉明距法计算码距，方法如下：

设C_i，C_j为样本码组及基准码组的对应位，则两码组的汉明距为：

$d=d(C_i,C_j)=\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(C_i\&CirclePlus;C_j)---\left(3\right)$

本编码最大码距为8。

例如表1中第1行第4列0X40H与第17行第1列0X0FH求和得到的样本码组(即第17行第4列位置的样本码组)为0X40H+0X0FH＝0X4FH，其与16个基准码组的码距如下表2，表2中同时给出了16个基本码组的译码值。

表2：

译码值(4BIT)	基准码组(8BIT)	码距
			0X00H	0X33H	5
0X01H	0X3CH	5
			0X02H	0X38H	6
0X03H	0X18H	5
			0X04H	0X1CH	4
0X05H	0X1FH	2
			0X06H	0X0FH	1
0X07H	0X07H	2
			0X08H	0XCCH	3
0X09H	0XC3H	3
			0X0AH	0XC7H	2
0X0BH	0XE7H	3
			0X0CH	0XE3H	4
0X0DH	0XE0H	6
			0X0EH	0XF0H	7
0X0FH	0XF8H	6

根据汉明距计算，0X4FH与0X0FH的码距最近，为1，0X0FH的译码值为0X06H，因此0X4FH的译码值为0X06H。

也可以通过互相关计算计算样本码组与基准码组的互相关函数，方法如下：

假设样本码组为Cx(n)，基准码组为C y_j(n)。

j＝1～16，则二者的互相关函数为：

${\mathrm{Rxy}}_j\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{n-\left|m\right|-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Cx}\left(n\right){\mathrm{Cy}}_j(n+m),0\&le;m\&le;N-1---\left(4\right)$

根据上式可计算出各样本波形与基准码组的互相关峰值，，以互相关峰值最大的基准码组的译码值作为该样本码组的译码值。

也可以在根据汉明距法计算样本码组与基准码组的码距时，当码距相等时，可通过互相关峰值大小确定该样本的译码值。

图5为本发明编码功率谱与非归零PCM原码功率谱、密勒功率谱比较图，其中K＝2，m＝4，由图可知，本发明编码功率谱与密勒码功率谱类似，但本发明编码功率谱中出现3个频率峰值，且为波特率的分频值，系统容易同步，同时，信号的能量更加集中在原始PCM码的带内。

上述实施例方法可以应用于其它无线及基带带限信息长距离信号传输或数据磁记录。

由于本例中采用字节或字操作，因此采用软件可通过查表模式实现数据的编码与译码。

本发明技术方案已经在某“无人机测控数据链，中成功应用。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种数字编码传输方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)接收原始PCM数据，以原始PCM数据的数据率A的K倍为基码时钟进行编码，编码的方法如下：

选择基准译码单元的长度为m，将原始PCM数据进行串／并转换为m位并行数据；编码后的样本码长度为n=m×K，样本码组数为2ⁿ，从2ⁿ个样本码组中选择2^m个样本码组作为基准码组单元，基准码组单元的选择要求如下：

基准码组单元中连“0”或连“1”的码位大于等于K位、小于8／A且小于1/1200秒，并且“0”与“1”的分布相差不超过m位；

(2)将编码后的2^m个基准码组进行并／串转换，并将转换后的串行数据进行边带抑制后输出；

(3)接收输入的串行数据流，进行n位串／并转换，产生2ⁿ个样本码组，根据2^m个基准码组对2ⁿ个样本码组进行译码，译码的方法如下：

计算2ⁿ个样本码组与2^m个基准码组的码距，根据码距确定2ⁿ个样本码组的2^m个译码值；

(4)将译码后的2^m个译码值的m位并行数据进行并/串转换，并恢复出原始PCM数据格式输出；

其中K、n、m均为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种数字编码传输方法，其特征在于：所述步骤(1)中从2ⁿ个样本码组中选择2^m个样本码组作为基准码组单元的方法如下：

首先从2ⁿ个样本中去除连“0”或连“1”的码位小于K位的码组，其后去除数据中连“0”或连“1”大于8／A及高于1/1200秒的码组，在剩余的码组中，选取将2m个“0”与“1”分布相差不超过m位的码组作为基准码组。

3.根据权利要求1所述的一种数字编码传输方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过汉明距法逐一计算2ⁿ个样本码组与2^m个基准码组的码距，以码距最小的基准码组的译码值作为该样本码组的译码值。

4.根据权利要求1所述的一种数字编码传输方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过互相关法逐一计算2ⁿ个样本码组与2^m个基准码组的互相关峰值，以互相关峰值最大的基准码组的译码值作为该样本码组的译码值。

5.根根据权利要求1所述的一种数字编码传输方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述以原始PCM数据的数据率A的K倍为基码时钟进行编码，其中1<K≤8。

6.根据权利要求1所述的一种数字编码传输方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述选择基准译码单元的长度为m＝4。

7.根据权利要求1所述的一种数字编码传输方法，其特征在于：所述步骤(2)中将2^m个基准码组的串行数据经高斯滤波器、升余弦滤波或小波滤波进行边带抑制后输出。

8.根据权利要求1所述的一种数字编码传输方法，其特征在于：在编码过程或译码过程中对PCM数据进行加密。

9.根据权利要求1～8任一权利要求所述的一种数字编码传输方法，其特征在于：所述传输方法应用于无线及基带带限信息长距离信号传输或数据磁记录。

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