假定在一个CDMA系统中，两个发送方发送的信号进行叠加，发送方1和接收方1共享的码片序..

2022年下半年上午试卷综合知识

第 34 题


知识点	编码信道编解码技术 CDMA DM 信号
章/节	广域网与接入

假定在一个CDMA系统中，两个发送方发送的信号进行叠加，发送方1和接收方1共享的码片序列为：(1,1,1,-1,1,-1,-1,-1)，发送方2和接收方2共享的码片序列为：(-1,1,1,1,-1,1,1)。假设发送方1和发送方2发送的两个连续bit经过编码后的序列为： (2,0,2,0,2,-2,0,0) 、(0,-2,0,2,0,0,2,2)则接收方1接收到的两个连续bit应为（）。

A. （1,-1）

B. （1,0）

C. （-1,1）

D. （0,1)

知识点讲解

· 编码

· 信道编解码技术

· CDMA

· DM

· 信号

编码

编码就是将量化后的样本值变成相应的二进制代码。

每个模拟样本表示为二进制编码时，如果每个相邻编码表示的量化值差相等，就是线性编码，线性编码的主要问题是在原始数据振幅较低时，编码后失真严重。如果采用非线性编码，在原始数据振幅较低时使用更多的量化值，在同样的二进制位数的情况下，信号还原后的整体失真大为降低。

一种比PCM更为简单的方式是使用增量调制（Delta Modulation，DM），这种方式的基本思路是：在每个采样周期，如果当前值比上一次的值增加了，则生成1，否则生成0。这种简单方式主要在信号变化很慢和变化很快时，增量调制无法产生正确的波形，在性噪比上比PCM方式要差些。下图所示为增量调制产生的噪声，可以直观看出在数据变化过快时会产生噪声。

增量调制在数据源变化很快或很慢时产生的噪声

信道编解码技术

信道编解码主要是降低信号传播功率和解决信号在无线传播环境中不可避免的衰落问题。编解码技术结合交织技术的使用可以提高误码率性能，与无编码情况相比，传统的卷积码可以将误码率提高两个数量级，达到10^-3～10^-4，而Turbo码可以将误码率进一步提高到10^-6。WCDMA候选的信道编解码技术中原来包括Reed-Solomon和Turbo码，Turbo码因为编解码性能能够逼近Shannon极限而最后被采用作为3G的数据编解码技术。卷积码主要是用于低数据速率的语音和信令。Turbo编码由两个或以上的基本编码器通过一个或以上交织器并行级联构成，如下图所示。

Turbo编码器

Turbo码的原理基于对传统级联码的算法和结构上的修正，内交织器的引入使得迭代解码的正反馈得到了很好的消除。Turbo的迭代解码算法包括SOVA（软输出Viterbi算法）、MAP（最大后验概率算法）等。由于MAP算法的每一次迭代性能的提高都优于Viterbi算法，因此MAP算法的迭代译码器可以获得更大的编码增益。实际实现的MAP算法是Log-MAP算法，它将MAP算法置于对数域中进行计算，减少了计算量。

Turbo解码算法实现的难点在于传输高速数据时的解码速率和相应的迭代次数。现有的DSP都内置了解码器所需的基本算法，使得Turbo解码可以依赖DSP芯片直接实现而无须采用ASIC。

CDMA

多路复用是指两个或多个用户共享公用信道的一种机制。通过多路复用技术，多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源的目的。多路复用有频分多路复用（FDMA）、时分多路复用（TDMA）和码分多路复用（CDMA）等。

频分多路复用

频分制是将传输频带分成N部分，每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。这样在一对传输线路上可有N对话路信息传送，而每一对话路所占用的只是其中的一个频段。频分制通信又称载波通信，它是模拟通信的主要手段。

时分多路复用

时分制是把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息。把N个话路设备接到一条公共的通道上后，再按一定的次序轮流地给各个设备分配一段使用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，并执行操作。与此同时，其他设备与通道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到，则通过时分多路转换开关把通道连接到下一个要连接的设备上去。时分制通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法，因而PCM通信常称为时分多路通信。

码分多路复用

CDMA技术不是一项新技术，作为一种多址方案，它已经成功地应用于卫星通信和蜂窝电话领域，并且显示出许多优于其他技术的特点。但是，由于卫星通信和移动通信中带宽的限制，CDMA技术尚未充分发挥出优点。光纤通信具有丰富的带宽，能够很好地弥补这个缺陷。CDMA系统中使用的多路复用技术是码分多路复用CDMA。近年来，OCDMA已经成为一项备受瞩目的热点技术。OCDMA技术在原理上与码分复用技术相似。OCDMA通信系统给每个用户分配一个唯一的光正交码的码字作为该用户的地址码。在发送端，对要传输的数据用该地址码进行光正交编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发送端相同的地址码进行光正交解码。

TD-SCDMA是由中国大陆独自制定的3G标准，该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持的灵活性、频率灵活性及成本等方面具有独特优势。

DM（Delta Modulation）即增量调制，又称ΔM调制，是最简单的有损预测编码方法，早期在数字电话中被采用，是一种最简单的差值脉冲编码。实际的采样信号与预测的采样信号的差的极性若为正，则用1表示，反之则用0表示。由于DM编码只用1位对声音信号进行编码，所以DM系统又称1位系统。

信号

任务间同步的另一种方式是异步信号。在两个任务之间，可以通过相互发送信号的方式，来协调它们之间的运行步调。

所谓的信号，指的是系统给任务的一个指示，表明某个异步事件已经发生了。该事件可能来自于外部（如其他的任务、硬件或定时器），也可能来自于内部（如执行指令出错）。异步信号管理允许任务定义一个异步信号服务例程ASR（Asynchronous Signal Routine），与中断服务程序不同的是，ASR是与特定的任务相对应的。当一个任务正在运行的时候，如果它收到了一个信号，将暂停执行当前的指令，转而切换到相应的信号服务例程去运行。不过这种切换不是任务之间的切换，因为信号服务例程通常还是在当前任务的上下文环境中运行的。

信号机制与中断处理机制非常相似，但又各有不同。它们的相同点是：

.都具有中断性：在处理中断和异步信号时，都要暂时地中断当前任务的运行；

.都有相应的服务程序；

.都可以屏蔽响应：外部硬件中断可以通过相应的寄存器操作来屏蔽，任务也能够选择不对异步信号进行响应。

信号机制与中断机制的不同点是：

.中断是由硬件或特定的指令产生，而信号是由系统调用产生；

.中断触发后，硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行；而信号则通过发送信号的系统调用来触发，但系统不一定马上对它进行处理；

.中断处理程序是在系统内核的上下文中运行，是全局的；而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行，是任务的一个组成部分。

实时系统中不同的任务经常需要互斥地访问共享资源。当任务试图访问资源时被正使用该资源的其他任务阻塞，可能出现优先级反转的现象，即当高优先级任务企图访问已被某低优先级任务占有的共享资源时，高优先级任务必须等待直到低优先级任务释放它占有的资源。如果该低优先级任务又被一个或多个中等优先级任务阻塞，问题就更加严重。由于低优先级任务得不到执行就不能访问资源、释放资源。于是低优先级任务就以一个不确定的时间阻塞高优先级的任务，导致系统的实时性没有保障。下图为是一个优先级反转的示例。

一个优先级反转的示例

如上图所示，系统存在任务1、任务2、任务3（优先级从高到低排列）和资源R。某时，任务1和任务2都被阻塞，任务3运行且占用资源R。一段时间后，任务1和任务2相继就绪，任务1抢占任务3运行，由于申请资源R失败任务1被挂起。由于任务2的优先级高于任务3，任务2运行。由于任务3不能运行和释放资源R，因此任务1一直被阻塞。极端情况下，任务1永远无法运行，处于饿死状态。

解决优先级反转问题的常用算法有优先级继承和优先级天花板。

优先级继承协议

L. Sha、R. Rajkumar和J. P. Lehoczky针对资源访问控制提出了优先级继承协议（Priority Inheritance Protocol，PIP）。

PIP协议能与任何优先级驱动的抢占式调度算法配合使用，而且不需要有关任务访问资源情况的先验知识。优先级继承协议的执行方式是：当低优先级任务正在使用资源，高优先级任务抢占执行后也要访问该资源时，低优先级任务将提升自身的优先级到高优先级任务的级别，保证低优先级任务继续使用当前资源，以尽快完成访问，尽快释放占用的资源。这样就使高优先级任务得以执行，从而减少高优先级任务被多个低优先级任务阻塞的时间。低优先级任务在运行中，继承了高优先级任务的优先级，所以该协议被称作优先级继承协议。

由于只有高优先级任务访问正被低优先级任务使用的资源时，优先级继承才会发生，在此之前，高优先级任务能够抢占低优先级任务并执行，所以优先级继承协议不能防止死锁，而且阻塞是可以传递的，会形成链式阻塞。另外，优先级继承协议不能将任务所经历的阻塞时间减少到尽可能小的某个范围内。最坏情况下，一个需要μ个资源，并且与v个低优先级任务冲突的任务可能被阻塞min（μ，v）次。

优先级冲顶协议

J. B. Goodenough和L. Sha针对资源访问控制提出了优先级冲顶协议（Priority Ceiling Protocol，PCP）。

PCP协议扩展了PIP协议，能防止死锁和减少高优先级任务经历的阻塞时间。该协议假设所有任务分配的优先级都是固定的，每个任务需要的资源在执行前就已确定。每个资源都具有优先级冲顶值，等于所有访问该资源的任务中具有的最高优先级。任一时刻，当前系统冲顶值（current priority ceiling）等于所有正被使用资源具有的最高冲顶值。如果当前没有资源被访问，则当前系统冲顶值等于一个不存在的最小优先级。当任务试图访问一个资源时，只有其优先级高于当前系统冲顶值，或其未释放资源的冲顶值等于当前系统冲顶值才能获得资源，否则会被阻塞。而造成阻塞的低优先级任务将继承该高优先级任务的优先级。

已经证明，PCP协议的执行规则能防止死锁，但其代价是高优先级任务可能会经历优先级冲顶阻塞（Priority ceiling blocking）。即高优先级任务可能被一个正使用某资源的低优先级任务阻塞，而该资源并不是高优先级任务请求的。这种阻塞又被称作回避阻塞（avoidance blocking），意思是因为回避死锁而引起的阻塞。即使如此，在PCP协议下，每个高优先级任务至多被低优先级任务阻塞一次。使用PCP协议后，能静态分析和确定任务之间的资源竞争，计算出任务可能经历的最大阻塞时间，从而能分析任务集合的可调度性。在PCP协议下，高优先级任务被阻塞时会放弃处理器，因此，访问共享资源的任务可能会产生4次现场切换。

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