移动通信原理与系统3

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1、第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章第三章 移动通信中的信源编码和调制技术3.1 概述 3.2 信源编码3.3 最小移频键控MSK 3.4 高斯最小移频键控GMSK3.5 QPSK调制 3.6 高阶调制3.7 正交频分复用第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.1 概述调制就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带 信息的信号与信道特性相匹配以及有效的利用信道。多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线 信道频谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的影响 。信源编码将信源中的冗余信息进行压缩，减少传递信息所需

2、的带宽资源，这对于频谱有限的移动通信系统而言是至关重 要的。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章影响调制方式的选择的主要因素1. 频带利用率：在数字调制中，常用带宽效率b 来表示它对频 谱资源的利用效率，它定义为b Rb/B,其中Rb为比特速率，B为无 线信号的带宽。 2. 功率效率:指保持信息精确度的情况下所需的最小信号功率（或 者说最小信噪比） 3. 已调信号恒包络 4. 易于解调 5. 带外辐射：一般要求达到-60到-70dB 在移动通信系统中，采用何种调制方式，要综合考虑上述 各种因素。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第

3、八章要求信源编码的原理和应用； 在蜂窝移动通信中对调制解调技术的要求； 频移键控信号的相位连续性对信号功率谱的影 响； MSK和GMSK信号特点和功率谱特性； QPSK、OQPSK和 -QPSK信号特点和功率谱特 性； 传输系统的非线性对各种QPSK信号的影响。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.2 信源编码3.2.1 信源编码的基本概念3.2.2 移动通信中的信源编码3.2.3 移动通信中的信源编码举例第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.2.1 信源编码的基本概念在数字系统中，信源编码的基本目的就是通过压缩信源 产生

4、的冗余信息来提高整个传输链路的有效性。信息的冗余来自两个主要的方面： 首先是信源的相关性和记忆性。这类降低信源相关性和 记忆性编码的典型例子有预测编码、变换编码等。 其次是信宿对信源失真有一定的容忍程度。这类编码的 直接应用有很大一部分是在对模拟信源的量化上，或连 续信源的限失真编码。可以把信源编码看成是在有效性和传递的信息完整性（ 质量）之间的一种折中手段。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.2.2 移动通信中的信源编码移动通信中的信源编码与有线通信不同，它不进需 要对信息传输有效性进行保障，还应该与其他一些系统 指标密切相关，例如容量、覆盖和质量。以G

5、SM为例说 明。以GSM系统中普通的全速率和半速率话音编码来说， 其速率分别为9.6kbps和4.8kbps，前者的话音质量好于 后者，但占用的系统资源是后者的两倍左右。当系统的 覆盖不是限制因素时，使用半速率编码可以牺牲质量换 取倍增的容量，即提高系统的有效性。而当系统的容量 相对固定时，可以通过使用半速率编码牺牲质量换取覆 盖的增加，因为半速率编码对于接收信号质量的要求降 低了。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.2.2 移动通信中的信源编码除此之外移动通信中的信源编码的设计和实现还要考虑其 他一些因素。由于移动终端是由电池供电，其运算处理能力悠闲，因

6、此 信源编译码就要在保证质量的前提下尽可能地降低复杂度。另外考虑到信宿处理能力的差异，编码后的数据流应该包 含不同质量等级的信息，以适应不同终端的需求。考虑到移动信道的差错特性和一些话音、多媒体业务的实 时性，这类业务通常要求移动通信中的信源编码能够容忍一 定的差错而无需复杂的重传。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.2.3 移动通信中的信源编码举例2G/3G中的话音信源编码2G/3G中的话音信源编码的基本原理是相同的，都采用了 矢量量化和参数编码的方式。 1.IS-95中的变速率码激励线性预测编码（CELP）IS-95中的CELP技术通过四个等级的变速率

7、编码实现话音 激活，即使用者发声时进行全速率（9.6kbps）编码，而不发 声时仅仅传递八分之一（1.2kbps）的背景噪声，以降低功耗 和对其他用户的干扰。 2. GPRS/WCDMA中的自适应多速率编码（AMR）AMR的基本原理是根据环境或应用需求的变化动态调整编 码速率，例如在信道条件恶化时，降低编码速率，通过牺牲 话音品质以拿出更多的无线资源用于更可靠的信道编码以保 证基本的语音可懂，而在信道条件好的时候则采用较高的编 码速率保证话音品质。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.2.3 移动通信中的信源编码举例3. CDMA2000演进系统中的可选择模

8、式语声编码（SMV ）SMV用于CDMA2000演进系统中，其基本原理与前述两种基 本相同，它也是可变速率的，从速率等级上看与IS-95中的 CELP一样，有9.6kbps、4.8kbps、2.4kbps、1.2kbps四种， 不同的是，SMV允许有四种模式供系统侧选择，即Mode 0（高 品质模式）、Mode 1（标准模式）、Mode 2（经济模式）、 Mode 3（容量节省模式），不同的模式实现不同程度的话音 质量和平均速率的折中，通过调整不同等级速率所占的比例 实现不同的模式，从而调整平均数据速率。 3G系统中的视频信源编码H.264在3GPP的R6、R7以及3GPP2的高演进版本中，视

9、频通信业 务采用了H.264/AVC（高级视频编码）视频压缩标准。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.2.3 移动通信中的信源编码举例 3G系统中的视频信源编码H.264H.264从某种程度上看是MPEG的扩展。在H.264中，一幅 图像可编码成一个或者若干个片（slice，此处与帧的含义 相同），每个slice包含整数个MB（Macro Block），相当于 一个完整图像中的不同区域，编码片（slice）共有5中不同 的类型，包括I片、B片、P片、SP片、SI片，SP和SI介于I与 P之间，但考虑了更多数据片之间的相关性，进一步压缩了 数据速率。NAL的

10、工作模式分为SSM（孤立片模式）和DPM（数据分区 模式），如图3.1所示。在SSM中，属于同一数据片的所有编 码信息在一个RTP数据包中通过网络进行传输。在DPM中，每 个slice中的MB间彼此联系，利用相邻MB存在空间相关性来 进行帧内预测编码。将图像数据分成动态矢量数据（即基本 层，需要更好的差错保护）以及剩余的信息。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.2.3 移动通信中的信源编码举例图 3.1 H.264网络自适应层NAL工作模式示意图每个数据片的编码视频信息 首先被分割成三部分并分别 放到A、B、C数据分区中， 每个数据分区中包含的信息 被分别

11、封装到相应的RTP数 据包中通过网络进行传输。 其中，Part A中包含最重要 的slice头信息，MB头信息 ，以及动态矢量信息；Part B中包含帧内和SI片宏块的 编码残差数据，能够阻止误 码继续传播；Part C中包含 帧间宏块的编码残差数据， 帧间编码数据块的编码方式 信息和帧间变换系数。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章.3 最小移频键控MSK 3.3.1 相位连续的FSK 3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.3.1 相位连续的FSK 2FSK信号设要发送的数据为

12、ak=1,码元长度为Tb。在一个码元时间 内，它们分别用两个不同频率f1, f2的正弦信号表示，例如 :式中 ,定义载波角频率(虚载波) 为：1, 2对c 的角频偏为： 第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.3.1 相位连续的FSK定义调制指数h:根据ak ,h ,Tb可以重写一个码元内 2FSK信号表达式 :式中 称作附加相位。 第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.3.1 相位连续的FSK附加相位是t的线性函数， 其中斜率为 ,截距为，其特性如图3.2 产生2FSK信号两种不同的方法：开关切换方法（相位不连续）和调 频

13、（相位连续），如图3.3第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.3.1 相位连续的FSK所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续 ，而且在从码元ak-1到ak转换的时刻kTb，两个码元的相 位也相等，即即这样就要求满足关系式: 第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.3.1 相位连续的FSK即要求当前码元的初相位由前一码元的初相位、当前 码元ak和前一码元ak-1来决定。 这关系就是相位约束条件 。这两种相位特性不同的FSK信号波形如图3.4所示。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.

14、3.1 相位连续的FSK由图3.4可以看出，相位不连续的2FSK信号在码元交 替时刻，波形是不连续的，而CPFSK信号是连续的， 这使得它们的功率谱特性很不同。图3.5分别是它们的 功率谱特性例子。第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.3.1 相位连续的FSK可以发现，在相同的调制指数h情况下，CPFSK 的带宽要比一般的2FSK带宽要窄。这意味着前者的 频带效率要高于后者。随着调制指数h的增加，信号的带宽也在增加 。从频带效率考虑，调制指数h不宜太大。但过小 又因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。 所以应当从它们的相关系数以及信号的带宽综合考 虑。第

15、一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便讨论 ，令它们的初相为零）： 通常总是cTb =2fc/fb 1,或cTb=n，因此略去第一 项，得到 -h关系曲线如图3.6。 3.3.1 相位连续的FSK第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章从图中可以看出，当调制指数h=0.5，1，1.5，.时， =0, 即两个信号是正交的。h=0.5的CPFSK就称作最小移频键控MSK。它是在两个信号 正交的条件下，对给定的Rb有最小的频差。3.3.1 相位连续的FSK第一章第二章第三章第四章第五章第六章

16、移动通信原理与系统课件第七章第八章3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱由于h=1/2，MSK的相位约束条件就是由于|ak-ak-1|总为偶数，所以初始相 位为零时，其后各码元的初相位为 的整数倍。相位路径的例子如图3.7 所示，其中初始相位为零。图中可以 看到的取值为0，-、-、-、 3、.（k=0,1,2.）。 1.相位路径第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱在MSK信号中，码元速率Rb=1/ Tb、峰值频偏fd和两个频 率f1、f2存在一定的关系。 当给定码元速率Rb时可以确定各个频率如下：即载波频率应当是Rb/4的整数倍。 2.MSK的频率关系第一章第二章第三章第四章第五章第六章移动通信原理与系统课件第七章第八章3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱 3.MSK的功率谱MSK的功率谱为 式中A为信号的幅度。