我们将数字通信系统分为三个主要模块:
信源默认为数字信源,但是如果是模拟信源,还需要模数转换(包含采样、量化、编码,未画出)数字信源经过信源编码、信道编码和交织处理,提高了有效性和可靠性然后进行数字调制(即:从数字信号到频带模拟波形),包括比特映射、脉冲成形、上变频三个步骤(其中比特映射是IQ调制带来的,上图未画出)
信源编码
信源编码:也称压缩编码,尽可能用最少的比特来完整描述信源信息
4G VoLTE音频编码使用了宽带AMR编码(AMR-WB)
采样量化编码后的码率为16kHz*16bit=256kbps;
压缩:根据信道条件自适应调制压缩比
压缩后的码率为6.60/8.85/12.65/14.25/15.85/18.25/19.85/23.05/23.85 kbps(注意,它们传输的总信息量是一样的,但是压缩后码率越低,传输所需的总时间就越小)
扩展:视频编码
音频编码和前面介绍的信源编码模型相一致;
视频编码则不同,「模数转换」和「压缩编码」两个步骤都更复杂
采样:视频的采样需要时间离散化(时间上将视频采样为图像) +空间离散化(一帧图像离散化为水平和垂直方向的像素)
时间离散化得到的一幅图像就是一帧,其帧率FPS( Frames / Second)代表每秒采样多少帧图像
由于人眼视觉暂留效应,只要帧率高于 16FPS,就认为视频是连贯的;
另外,我们平时看到高速运动的车辆“倒转”的现象,就是因为人眼“采样率”不够,发生了混叠,“内插”重建后认为是倒转空间离散化得到了一幅图像中的像素点,视频分辨率就是水平像素数 x 垂直像素数
视频分辨率越高,代表清晰度越高(像素点数多),如图,4K视频横向大约有4000列像素
量化和编码:对于每个像素点,有 黑白图像/灰度图像/彩色图像 三种量化编码方式
对于彩色图像,每个像素点由三基色分解为RGB三通道,每个通道对应一个亮度值,从而“合成”彩色图像注意,光传感器并不是真正的感知光的颜色,而是感知光的强弱,并转为电信号
经过采样量化编码后,视频码率=帧率 x 分辨率(像素点数)x 每像素编码比特数
如帧率30FPS的720x480视频,每像素编码比特数24bit(RGB每个通道有256级亮度,则每个颜色需要8bit)
则视频码率:30×720×480×24=248,832,000bps=29.66MB/s30\times 720\times 480\times 24=248,832,000 bps=29.66MB/s30×720×480×24=248,832,000bps=29.66MB/s
压缩编码:
空间上每帧图像的压缩:色彩空间压缩
将RGB转换为亮度Y、蓝色色差Cb、红色色差Cr三个通道;
然后进行二次采样:由于人眼对亮度敏感,对色彩不敏感,对亮度信号Y保持采样率,对色差信号Cb和Cr降低采样频率,每个通道仍然是256级量化,但Cb和Cr通道的采样点数(像素点数)减小,最终平均每个像素的编码比特数减小时间上的压缩:可变帧率压缩VFR(Variable Frame Rate)
对于静态画面采用小帧率,动态画面采用大帧率空间和时间同时考虑:动态图像专家组压缩MPEG
考虑图像之间的相似性,进行差分编码,下一帧图像的静态部分不参与编码,只对变化的部分进行编码
视频中有大量运动物体时,无法显著减少数据量,进一步采用了基于块的运动补偿技术(一个物品对应一个块)
MPEG有三种标值:MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4
网络视频中常用的视频压缩标准为MPEG-4 Part 10,即H.264,或称高级视频编码AVC,1080p视频压缩后码率仅有1.03MB/s
信道编码和交织
解决误码问题有两个思路:
前向纠错算法:FEC,通过数据中的冗余校验,在接收端纠错
信道编码 / 前向纠错码FEC,就是通过额外的校验信息来实现检错和纠错
连续误码可能导致FEC无法纠错,因此FEC常常要结合交织技术,共同降低误码率后向纠错算法:ARQ,接收端发现错误后请求发送端重传
这里只介绍交织和ARQ,信道编码有单独文章
交织
交织是为了使传输中的连续错误分散到数据的各个位置,总体上使得错误“随机化出现”(这就好像十句话中,有一整个句子都是错的,无法听懂;但是如果在十句话中分摊出现错误,则很容易纠正错误)
交织原理很简单,就好像是对“数据矩阵”做一个转置;接收端去交织,再次转置,即可还原数据
自动反馈重传ARQ
ARQ简单来说就是重传出错的信息,也是解决误码问题的一个手段
自动反馈重传ARQ:使用有检错能力的码,若发现出错,通知发送端重传,直到正确接收
混合自动反馈重传HARQ
对比FEC和ARQ:
FEC只需少量附加比特即可纠错,很高效;然而无论信道优劣,其效率都是恒定的,对信道适应性差;另外,也可能存在FEC检错后无法纠错的情况;
ARQ实现方便,可靠性比FEC高( 传错了直接再次传输),然而其致命缺点是,信道误码率增加,其效率迅速降低;
由此还出现了HARQ,它结合了ARQ的高可靠性和FEC的高效率:信道中常出错部分使用FEC纠错,信道中偶尔出错的/FEC无法纠错的信息用ARQ纠错
混合自动反馈重传HARQ:FEC和ARQ结合,使用有检错和纠错能力的码,若发现出错尽力纠错,若无法纠错通知发送端重传,直到正确接收
显然HARQ性能优于ARQ,然而实际的移动通信系统有最大重传次数的限制,必须在最大重传次数之内正确传输
单纯使用HARQ,则在恶劣信道下,要求解调门限非常高,才能在到达最大重传次数前成功传输数据,因此需要HARQ+ARQ结合,降低解调门限
HARQ+ARQ:HARQ重传将误码控制在一定范围,剩余的误码给ARQ处理,从而整体性能最优