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1、第三章第三章 移动通信中的信源编码移动通信中的信源编码和调制解调技术和调制解调技术无线通信系统的基本组成无线通信系统的基本组成图图3.1 无线通信系统的基本组成框图无线通信系统的基本组成框图2模拟源模拟源离散源离散源模拟波模拟波形形信息序信息序列列信源近信源近似还原似还原信息序信息序列重构列重构第三章内容第三章内容3.1 信源信源编码3.2 数字数字调制中的基本概念制中的基本概念3.3 QPSK调制制3.4 高高阶调制制3.5 正交正交频分复用分复用七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术33.1 信源编码信源编码n信源信源编码的目的的目
2、的n压缩信源信源产生的冗余信息生的冗余信息n降低开降低开销，提高，提高传输链路的有效性路的有效性n信源信源编码n将模拟信源或离散信源的输出将模拟信源或离散信源的输出有效有效地变换成二地变换成二进制数字序列的过程进制数字序列的过程n离散信源离散信源编码n信息信息熵、可、可变长编码n话音音编码、图像像编码七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术4压缩技术压缩技术话音编码话音编码n话音音编码的意的意义n提高频谱利用率（低码率编码）提高频谱利用率（低码率编码）n提高系统容量（低码率，语音激活技术）提高系统容量（低码率，语音激活技术）n移移动通信通
3、信对话音音编码的要求的要求n编码速率低，语音质量好编码速率低，语音质量好n有较强的抗噪声干扰和抗误码的性能有较强的抗噪声干扰和抗误码的性能n编译码延时小，总延时在编译码延时小，总延时在65ms以内以内n编译码器复杂度低，便于大规模集成编译码器复杂度低，便于大规模集成n功耗小，便于应用于手持机功耗小，便于应用于手持机七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术5高质量高质量低延时低延时话音编码类型话音编码类型n波形波形编码：质量好、效率低量好、效率低n参量参量编码：质量中、效率高量中、效率高n混合混合编码：质量量较好、效率好、效率较高高6级别级
4、别评定类别评定类别人的印象标准人的印象标准5优几乎无噪声和失真，细节清晰可辨4良有可感觉的轻微噪声和失真3中有令人烦恼的噪声和失真2差有令人非常烦恼的噪声和严重失真1劣语言几乎不可懂表表3.1 话音质量评定（话音质量评定（MOS）4 4分以上入公网分以上入公网3 3分以上入移动分以上入移动通信网通信网MOS: Mean Opinion Score波形编码波形编码n将将时间域波形信号直接域波形信号直接变换成数字代成数字代码，目的是，目的是尽可能精确再尽可能精确再现原始原始语音波形。音波形。n三步三步骤：抽：抽样、量化、量化、编码。n特点特点n高速率话音编码时（高速率话音编码时（ 16kbps 6
5、4kbps ），话音质），话音质量好（量好（4.04.5），占用较高带宽。），占用较高带宽。n低速率话音编码时，话音质量显著下降低速率话音编码时，话音质量显著下降。n典型波形典型波形编码方式方式nPCM，DPCM，M 等。等。七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术7PCM：Pulse-Code Modulation参量编码参量编码n又称又称为“声源声源编码” 利用人的利用人的发声机制，声机制，仅传送送反映反映话音波形音波形产生的生的主要特征参数（模主要特征参数（模拟声声带频谱特性的特性的滤波器参数和若干声源参数）波器参数和若干声源参数）
6、，在接收在接收端根据端根据发声机制，由声机制，由传送来的特征参数人工合成送来的特征参数人工合成话音。音。n主要度量指主要度量指标：可懂度。可懂度。n特点特点n编码速率低：编码速率低：1.2kbps4.8kbpsn话音质量中等（话音质量中等（2.53.5），不满足商用要求。），不满足商用要求。n典型参量典型参量编码方式方式n线性预测编码线性预测编码LPC及其改进型。及其改进型。8LPC：Linear Prediction Coding混合编码混合编码n将波形将波形编码（语音信号的部分波形）音信号的部分波形）和参量和参量编码（部分特征参数）（部分特征参数）结合起来，力合起来，力图保持波形保持波形编
7、码的的高高质量量的的优点和参量点和参量编码的的低速率低速率的的优点。点。n特点特点n编码速率较低：编码速率较低：4kbps16kbpsn语音质量较好（语音质量较好（3.54.0），），适合数字移动通信网适合数字移动通信网。n典型混合典型混合编码方式方式n多脉冲激励线性预测编码多脉冲激励线性预测编码n码激励线性预测编码码激励线性预测编码七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术910速率速率(kbit/s)话音质量话音质量波形编码波形编码混合编码混合编码参量编码参量编码混合编码是优选方向混合编码是优选方向图图3.2 话音编码方式性能比较话音编
8、码方式性能比较话音编码方式性能比较话音编码方式性能比较移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术11标准标准信源编码技术英文全称信源编码技术英文全称信源编码技术中文名称信源编码技术中文名称GSMRPE-LTP (Regular-Pulse Excitation with Long-Term Prediction)规则脉冲激励长时预测编规则脉冲激励长时预测编码码（话音混合编码）（话音混合编码）IS-95CELP(Code-Excited linear predictive cod )码激励线性预
9、测编码码激励线性预测编码（话音混合编码）（话音混合编码）WCDMAAMR(Adaptive Multi Rate )自适应多速率编码自适应多速率编码（话音混合编码）（话音混合编码）CDMA2000SMV (Selected Mode Vocoder）可选模式语音声码器可选模式语音声码器（话音混合编码）（话音混合编码）3GH.264视频信源编码视频信源编码第三章内容第三章内容3.1 信源信源编码3.2 数字数字调制中的基本概念制中的基本概念3.2 QPSK调制制3.3 高高阶调制制3.4 正交正交频分复用分复用七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调
10、制解调技术12数字调制中的基本概念数字调制中的基本概念n数字数字调制技制技术n对信息序列进行处理，使之变为适合于信道传输的对信息序列进行处理，使之变为适合于信道传输的波形的过程。波形的过程。n实现方法方法n通过改变高频载波的通过改变高频载波的幅度幅度、相位相位或者或者频率频率，使其随，使其随基带信号的变化而变化。基带信号的变化而变化。n移移动通信系通信系统要求要求n频带利用率高（频带利用率高（ bit/s/Hz ）n功率效率高功率效率高n具有恒包络特性具有恒包络特性n易于解调易于解调n带外辐射少带外辐射少七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解
11、调技术13各类二进制调制波形各类二进制调制波形14数字调制技术分类数字调制技术分类七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术15数字调制器数字调制器七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术16图图3.3 数字调制器功能框图数字调制器功能框图数字通信系统的数字通信系统的度量指标度量指标七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术17频带利用率频带利用率n也是也是带宽效率效率n每赫兹可用带宽可以传输的信息速率每赫兹可用带宽可以传输的信息速
12、率:nRb：为信息比特速率：为信息比特速率nW：信号所需带宽：信号所需带宽n奈奎斯特奈奎斯特带宽：n理论上无码间串扰的基带系统，若每秒传输理论上无码间串扰的基带系统，若每秒传输Rs个码个码元，需要最小带宽是元，需要最小带宽是 Hz。n理论理论 ：2码元码元/s/Hzn实际实际 ：1.41.8码元码元/s/Hz七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术18香农定理香农定理(1)n在在加性高斯白噪声加性高斯白噪声下，系下，系统容量容量C是平均接收信是平均接收信号功率号功率S、平均噪声功率、平均噪声功率N和和带宽W的函数。的函数。n假定比特速率等
13、于信道容量：假定比特速率等于信道容量：Rb =C19香农定理香农定理(2)20图图3.4 W/C关于关于Eb/N0的关系曲线的关系曲线实际系统实际系统21带宽带宽-效率平面效率平面香农香农极限极限容量界限容量界限Rb = CRb C区域区域(差错率高差错率高)图图3.5 带宽带宽-效率面效率面Rb C区域区域(差错率高差错率高)R C区域区域(实际系统实际系统)R/W(bit/s/Hz)1调制技术在移动通信系统中的应用调制技术在移动通信系统中的应用n2GnGSM：GMSKnIS-95：上行：上行OQPSK，下行，下行QPSKn3GnTD-SCDMA：QPSKnWCDMA：上行：上行BPSK，下
14、行，下行QPSKnCDMA2000：QPSKnB3G, 4GnHSPA：16QAMnHSPA+：最高：最高64QAMnLTE：最高：最高64QAMn日本日本DOCOMO公司：最高公司：最高256QAM七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术57第三章内容第三章内容3.1 信源信源编码3.2 数字数字调制中的基本概念制中的基本概念3.3 QPSK调制制3.4 高高阶调制制3.5 正交正交频分复用分复用七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术58单载波传输系统单载波传输系统n一个用户的数
15、据只采用一个载波信号来进行传输，一个用户的数据只采用一个载波信号来进行传输，其简单结构如图所示：其简单结构如图所示：n一次衰落或干扰可导致整个链路失效一次衰落或干扰可导致整个链路失效七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术59图图3.25 单载波传输系统单载波传输系统多载波传输系统多载波传输系统60图图3.26 多载波传输系统多载波传输系统n多载波系统把高速数据流通过串并转多载波系统把高速数据流通过串并转换，分解为若干低速率的子数据流；换，分解为若干低速率的子数据流；n用多个低速率的子数据流去调制相应用多个低速率的子数据流去调制相应的子载
16、波，从而构成多个低速率信号的子载波，从而构成多个低速率信号并行发送。并行发送。 早期方案早期方案多载波传输的优势多载波传输的优势n串并变换将高速信号变为多路的低速信号，抗串并变换将高速信号变为多路的低速信号，抗频率选择性衰落频率选择性衰落61早期方案的问题早期方案的问题n问题n复杂度高，与多载波路数成正比复杂度高，与多载波路数成正比n要求各路子载波的中心频率之间的间隔有相当的要求各路子载波的中心频率之间的间隔有相当的间距间距n对各子载波的滤波器有较高的要求对各子载波的滤波器有较高的要求七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术62构造正交子
17、载波组构造正交子载波组正交频分复用正交频分复用(OFDM)n正交正交频分复用是一种无分复用是一种无线环境下的高速境下的高速传输技技术n正交子载波组的引入正交子载波组的引入nOFDM的快速实现（的快速实现（FFT/IFFT）n循环前缀的引入循环前缀的引入七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术63OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交子载波组的引入正交子载波组的引入64n构造正交构造正交子子载波波组 f0 f1 . fN-1n假设假设 f0 为为0，当，当n为一组相互正交的子载波组
18、为一组相互正交的子载波组正交子载波组时域波形正交子载波组时域波形65幅度幅度合成信号合成信号PAPR大大PAPR：Peak to Average Power Ratio正交性的作用正交性的作用(1)n提高信道的利用率提高信道的利用率66图图3.27 OFDM符号频谱结构符号频谱结构 (经过矩形脉冲成型经过矩形脉冲成型)正交性的作用正交性的作用(2)67图图3.28 OFDM通信系统的基带模型通信系统的基带模型 n保证收端可以无混淆地分离各路信号保证收端可以无混淆地分离各路信号OFDM的的FFT/IFFT快速实现快速实现n连续信号：信号：n对信号对信号s(t)以以T/N的速率进行采样，则的速率进
19、行采样，则IFFT变换变换实现更加实现更加容易容易OFDM的的FFT/IFFT快速实现快速实现69图图3.29 OFDM通信系统的快速实现基带模型通信系统的快速实现基带模型 引入保护间隔引入保护间隔n无保护间隔无保护间隔n加保护间隔加保护间隔七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术70OFDM1OFDM2OFDM1OFDM2存在存在ISI、ICIISI: Inter Symbol InterferenceICI：Inter Carrier InterferenceGIDataGIData消除消除ISI但存在但存在ICI不发送信号不发送信号
20、循环前缀的引入循环前缀的引入七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术71图图3.30 保护间隔不发送信号保护间隔不发送信号图图3.31 保护间隔发送信号循环前缀保护间隔发送信号循环前缀CP: Cyclic Prefix消除消除ISI但存在但存在ICI克服克服ISI、ICISC1SC2SC2 with delay循环前缀的引入循环前缀的引入(2)n引入引入循循环前前缀可以有效克服符号可以有效克服符号间干干扰，抵抗，抵抗频率率选择性衰落，同性衰落，同时克服多径效克服多径效应带来的子来的子载波波间干干扰。72令插入令插入CP对应对应Ng个码元，
21、则发送符号帧个码元，则发送符号帧S可表示为可表示为 .56 .63 0156 63传输效率：传输效率：T/(T+Tg)循环前缀的引入循环前缀的引入(3)73有效数据时间段有效数据时间段此部分数据相同，因此构成圆周移位此部分数据相同，因此构成圆周移位当多径时延大于当多径时延大于CP的长度，不能构成的长度，不能构成圆周移位，产生圆周移位，产生ICI、ISI 1Tg 2 3循环前缀的引入循环前缀的引入(4)n假设：假设：n设序列设序列x经过经过m个采样间隔移位之后的序列为个采样间隔移位之后的序列为n因此时域内经过圆周移位的多个符号相加之后对应因此时域内经过圆周移位的多个符号相加之后对应的的DFT结果
22、是结果是有效数据符号与一个复常量有效数据符号与一个复常量（多个复（多个复常量相加仍然是一个复常量）常量相加仍然是一个复常量）的乘积的乘积。 七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术74时延扩展对时延扩展对OFDM系统性能的影响系统性能的影响七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术75图图3.32 三种不同保护间隔长度的三种不同保护间隔长度的16QAM星座图星座图(a) 时延扩展时延扩展保护间隔保护间隔(b)时延扩展超过保护间隔时延扩展超过保护间隔的长度为的长度为FFT积分时间的积分时
23、间的3%(c )时延扩展超过保护间隔的时延扩展超过保护间隔的长度为长度为FFT积分时间的积分时间的10%OFDM系统原理框图系统原理框图七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术76图图3.33 OFDM系统原理框图系统原理框图OFDM系统优缺点系统优缺点n优点点n将高速数据流通过串并变换形成低速数据流，减少将高速数据流通过串并变换形成低速数据流，减少ISI，无需做均衡，通过加循环前缀对抗，无需做均衡，通过加循环前缀对抗ISIn各子载波正交，子信道频谱相互重叠，频谱利用率各子载波正交，子信道频谱相互重叠，频谱利用率高高nOFDM调制和解调可
24、以通过调制和解调可以通过IDFT和和DFT实现，通实现，通过快速傅里叶变换过快速傅里叶变换FFT可大大减小复杂度可大大减小复杂度n支持非对称业务，通过使用不同数量的子信道实现支持非对称业务，通过使用不同数量的子信道实现上下行的非对称传输上下行的非对称传输n动态子信道分配及比特分配，充分利用信噪比高的动态子信道分配及比特分配，充分利用信噪比高的子信道提高性能子信道提高性能七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术77OFDM系统优缺点系统优缺点n缺点缺点n易受频偏影响：易受频偏影响：OFDM系统对正交性要求严格，频系统对正交性要求严格，频偏使
25、得正交性遭到破坏偏使得正交性遭到破坏n存在较高的峰值平均功率比：多个子信道相位叠加，存在较高的峰值平均功率比：多个子信道相位叠加，相位一致时瞬时功率大，对非线性功放敏感。相位一致时瞬时功率大，对非线性功放敏感。七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术78小结小结n信源信源编码n数字数字调制中的基本概念制中的基本概念nQPSK调制制n高高阶调制制n正交正交频分复用分复用七月七月 24第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术79第三章第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术移动通信中的信源编码和调制解调技术谢谢 谢！谢！七月七月 2480
