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1、移动通信原理课程移动通信原理课程- -第四、六章第四、六章-(1)-(1)课件课件第第4 4本章仅讨论在物理层决定有效性的最主要因素之一：信源编码本章仅讨论在物理层决定有效性的最主要因素之一：信源编码和数据压缩技术。和数据压缩技术。信源编码信源编码作用：压缩信源输出的信息率，提高系统有效性作用：压缩信源输出的信息率，提高系统有效性实现原理：主要是利用信源的统计特性，解除信源相关性，实现原理：主要是利用信源的统计特性，解除信源相关性，去掉信源冗余信息。去掉信源冗余信息。发展过程：发展过程：第二代第二代(2(2G)G)数字式移动通信系统：语音压缩编码：数字式移动通信系统：语音压缩编码： 语音语音业
2、务业务 。第三代第三代( (3G)3G)数字式移动通信系统：语音压缩编码数字式移动通信系统：语音压缩编码 + + 各类各类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面 包含语音、数据和包含语音、数据和图像在内的多媒体业务图像在内的多媒体业务 信源编码的关联技术要点：压缩语音编码的码率，提高通信系统的有效性。技术要点：压缩语音编码的码率，提高通信系统的有效性。原理：解除语音信源的统计关联。原理：解除语音信源的统计关联。语音压缩编码分为以下语音压缩编码分为以下3 3类类波形编码：波形编码是以精确再现语音波形为目的，并以保真波形编码：波形编码是以精确再现语音波形为目的，并以保
3、真度即自然度为度量标准的编码方法。这类编码是保留语音个性度即自然度为度量标准的编码方法。这类编码是保留语音个性特征为主要目标的方法，其码率较高。特征为主要目标的方法，其码率较高。参量编码：又称为声码器。参量编码是利用人类发声机制，仅参量编码：又称为声码器。参量编码是利用人类发声机制，仅传送反映语音波形变化主要参量的编码方法。在接收端，可根传送反映语音波形变化主要参量的编码方法。在接收端，可根据发声模型，由传送过来的变化参量激励产生人工合成的语音。据发声模型，由传送过来的变化参量激励产生人工合成的语音。参量编码的主要度量标准是可懂度。参量编码的主要度量标准是可懂度。 评看：以提取并传送语音评看：
4、以提取并传送语音的共性特征参量为主要目标的编码方法，其码率较低。的共性特征参量为主要目标的编码方法，其码率较低。 混合编码：又称为软声码器。混合编码是吸取上述两类编码的混合编码：又称为软声码器。混合编码是吸取上述两类编码的优点，以参量编码为基础并附加一定的波形编码特征，以实现优点，以参量编码为基础并附加一定的波形编码特征，以实现在可懂度基础上适当改善自然度目的的编码方法。其码率介于在可懂度基础上适当改善自然度目的的编码方法。其码率介于上述两类编码之间。上述两类编码之间。4.14.1语音压缩编码语音压缩编码技术比较：技术比较：质量：波形编码质量：波形编码 混合编码混合编码 参量编码参量编码压缩倍
5、数压缩倍数: : 波形编码波形编码 混合编码混合编码 = GMSKGMSK是是MSKMSK的进一步优化方案。的进一步优化方案。GMSKGMSK实现：实现：属属于于MSKMSK简简单单的的优优化化方方案案，进进一一步步抑抑制制高高频频分分量量，防防止止过过量量的的瞬瞬时时频频率率偏偏移移及及满满足足相相干干检检测测的的需需求求。它它只只需需在在MSKMSK调调制制前前附附加加一一个个高斯型前置低通滤波器，高斯型前置低通滤波器，MSKMSK调制特点调制特点一般式：一般式： 求求 ， 与与T Tb b关系关系 信号分析过程：信号分析过程：6.3.2 6.3.2 MSKMSK信号形式信号形式一个二进制
6、频移键控信号中的第一个二进制频移键控信号中的第k k个码元的波形可以表达为个码元的波形可以表达为 式中，附加相位为式中，附加相位为 ，且，且 ( ( 为频差为频差) )，而，而瞬时频率为瞬时频率为当载波频移量最小时当载波频移量最小时( (即频差最小即频差最小) )，频差，频差 ，则调制指数为，则调制指数为 调制指数为频差调制指数为频差 ，与数据码元速率，与数据码元速率 之比之比 信号形式信号形式-2-2-调制指数调制指数而将而将 带入上式求得带入上式求得MSKMSK是是CPFSKCPFSK连连续续相相位位移移频频键键控控 h=O.5h=O.5时时的的特特例例，将将其其代代入入式式(6.3.5)
7、(6.3.5)可得可得式中，式中， 是积分常数。是积分常数。信号形式信号形式-3-3将上式代入式将上式代入式(6.3.1)(6.3.1)中，得到所求结果：中，得到所求结果：MSKMSK信号表达式为：信号表达式为：将其展开后，可得将其展开后，可得式式(6.3.9)(6.3.9)和式和式(6.3.10)(6.3.10)为为MSKMSK的基本表达式。的基本表达式。式式中中， a ak k=输输入入序序列列；x xk k是是为为了了保保证证t=kTt=kTb b时时相相位位连连续续而而加加入入的的相相位常量位常量 本比特内的相位常数本比特内的相位常数 。令令 MSKMSK是是一一种种特特殊殊形形式式的
8、的FSKFSK，其其频频差差是是满满足足两两个个频频率率相相互互正正交交( (即即相相关关函函数数等等于于O)O)的的最最小小频频差差，并并要要求求FSKFSK信信号号的的相相位位连连续续。其其频频差差f=ff=f2 2-f-f1 1=1=12T2Tb b，即调制指数为即调制指数为MSKMSK信号进一步分析其特性及调制方案形成：信号进一步分析其特性及调制方案形成： 补充补充 式中，式中，T Tb b为输入数据流的比特宽度。为输入数据流的比特宽度。 MSKMSK的信号表达式为的信号表达式为 式中，式中，为了保持相位连续，在为了保持相位连续，在t=kTt=kTb b时应有下式成立：时应有下式成立：
9、 （2-2-3535）（2-2-3636）将式将式(2-35)(2-35)代入式代入式(2-36)(2-36)可得可得 MSKMSK的相位轨迹的相位轨迹 相位相位k k 特性特性 分析上式，因为分析上式，因为 所以，所以，x xk k有以下结论：有以下结论：若令若令x x0 0=O=O，则则x xk k=0=0或或(模模2 2)，k=Ok=O，1 1，2 2， 本本比比特特内内的的相相位位常常数数不不仅仅与与本本比比特特区区间间的的输输入入有有关关，还还与与前前一一个比特区间内的输入及相位常数有关。个比特区间内的输入及相位常数有关。 a ak k=1,-1 =1,-1 分析分析MSKMSK的相
10、位轨迹的相位轨迹 相位相位k k 特性特性: :在给定输入序列在给定输入序列 a ak k 的情况下，的情况下，MSKMSK的相位轨迹如图的相位轨迹如图2-52-5所示。所示。各种可能的输入序列所对应的所有可能的路径如图各种可能的输入序列所对应的所有可能的路径如图2-62-6所示所示, , t=kTt=kTb,b, , ,箭头处为箭头处为x xk,k, , ,箭头左侧处为箭头左侧处为a ak k,例如，例如，对对t=2Tt=2Tb b处处, ,k=2,x2=x1+(a1-a2)*2/2=0+(-1-(+1)*2/2=-2k=2,x2=x1+(a1-a2)*2/2=0+(-1-(+1)*2/2=
11、-2对对t=7Tt=7Tb b处处, ,k=7,xk=7,x7 7=x=x6 6+(a+(a6 6-a-a7 7)*2/2=-3+(1-(-1)*7/2)*2/2=-3+(1-(-1)*7/2 =-3+7=4; =-3+7=4;( (起在起在t=2Tbt=2Tb时，时，a2a2为此刻右边码元，因时间，己跳上沿为此刻右边码元，因时间，己跳上沿) )图图2-5 2-5 MSKMSK的的相相位位轨轨迹迹 本本比比特特区区间间的的码码元元值值决决定定斜斜率率，x xk k决决定定起起点点 MSKMSK的相位轨迹的相位轨迹 相位相位k k 特性特性-2-2 本本比比特特区区间间的的可可能能码码元元值值决
12、决定定斜斜率率或或走走向向，连连续续相相位位决决定定可可能能轨轨迹迹 MSKMSK的可能相位轨迹的可能相位轨迹当当t=2lTbt=2lTb，l=Ol=O，1 1，2 2，时时，相相位位取取值值只只能能是是0 0或或(模模2 2)；当当t=(2l+1)Tbt=(2l+1)Tb，l=Ol=O，1 1，2 2，时时，相相位位取取值值只只能能是是2(2(模模2 2)；在一个比特区间内，相位线性地增加或减少在一个比特区间内，相位线性地增加或减少2 2。据此，分析据此，分析MSKMSK信号信号 MSKMSK信号表达式为信号表达式为相位相位k k特性特性 图上规律或结论图上规律或结论 *9*9st*428*
13、st*428*MSKMSK信号表达式可正交展开为下式：信号表达式可正交展开为下式： 分析分析MSKMSK信号信号由式由式(2-37)(2-37)得得 因为因为 所以，上式可写为所以，上式可写为 ( (令令k=2lk=2l，l=0l=0，1 1，2 2，) )： 分析分析MSKMSK信号信号-2-2由由此此式式可可以以看看出出：I I支支路路数数据据( (CosxCosxk k) )和和Q Q支支路路数数据据( (a ak kCosxCosxk k) )并并不不是是每每隔隔T Tb b秒秒就就可可能能改改变变符符号号，而而是是每每隔隔2 2T Tb b秒秒才才有有可可能能改改变变符符号号？。I
14、I支支路路与与Q Q支支路路的的码码元元在在时时间间上上错错开开T Tb b秒秒，如如图图2-72-7所所示示。若若输输入入数数据据d dk k经经过过差差分分编编码码( (即即a ak k =d=dk kd dk-1k-1) )后后，再再进进行行MSKMSK调调制制，则则只只要对要对CosxCosxk k和和a ak kCosxCosxk k交替取样就可以恢复输入数据交替取样就可以恢复输入数据d dk k。 MSKMSK的输入数据与各支路数据及基带波形的关系的输入数据与各支路数据及基带波形的关系 图图2-72-7根根据据式式(2-38)(2-38)、式式(2-39)(2-39)及及式式(2-
15、37)(2-37)，可可得得MSKMSK信信号号的的产产生生框框图图如如图图2-82-8所示。所示。 MSKMSK信信号号也也可可以以将将非非归归零零的的二二进进制制序序列列直直接接送送入入FMFM调调制制器器中中来来产产生，这里要求生，这里要求FMFM调制器的调制指数为调制器的调制指数为0.50.5。MSKMSK调制器框图调制器框图 图图2-82-8根根据据式式(2-38)(2-38)、式式(2-39)(2-39)及及式式(2-37)(2-37)，可可得得MSKMSK信信号号的的产产生生框框图图如如图图2-82-8所示。所示。 MSKMSK信信号号也也可可以以将将非非归归零零的的二二进进制制
16、序序列列直直接接送送入入FMFM调调制制器器中中来来产产生，这里要求生，这里要求FMFM调制器的调制指数为调制器的调制指数为0.50.5。关于关于MSKMSK信号的功率谱信号的功率谱MSKMSK信号的单边功率谱表达式为信号的单边功率谱表达式为关关于于MSKMSK信信号号的的功功率率谱谱：如如下下图图所所示示。图图中中还还给给出出了了QPSKQPSK信信号号的的功功率谱。率谱。图中规律或结论：图中规律或结论：= =？MSKMSK信号的功率谱特点信号的功率谱特点较较宽宽的的主主瓣瓣：MSKMSK的的功功率率谱谱具具有有较较宽宽的的主主瓣瓣 与与QPSKQPSK相相比比 ，其其第第一一个个零零点点出
17、出现现在在( (f-fc)Tf-fc)Tb b=O.75=O.75处处，而而QPSKQPSK的的第第一一个个零零点点出出现现在在( (f-fc)Tf-fc)Tb b=O.5=O.5处。处。旁旁瓣瓣较较小小：当当( (f-fc)Tf-fc)Tb b-时时，MSKMSK的的功功率率谱谱以以(f-fc)Tf-fc)Tb b -4-4的的速率衰减，比速率衰减，比QPSKQPSK的衰落速率的衰落速率(f-fc)Tf-fc)Tb b -2-2快得多。快得多。 MSKMSK信号解调：信号解调：可可以以采采用用鉴鉴频频器器解解调调，也也可可以以采采用用相相干干解解调调。相相干干解解调调的的框框图图如如图图2-
18、102-10所示。图中采用平方环来提取相干载波。所示。图中采用平方环来提取相干载波。 MSKMSK信号的解调信号的解调上上页页图图中中采采用用平平方方环环来来提提取取相相干干载载波波。从从图图中中可可以以看看出出经经过过低低通通滤波后，滤波后，I I支路和支路和Q Q支路的输出分别为：支路的输出分别为： 通通过过对对I I支支路路和和Q Q支支路路交交替替采采样样就就可可以以恢恢复复b bk k，再再经经差差分分译译码码后后就就可以恢复可以恢复a ak k。 参参照照FSKFSK的的误误码码率率分分析析，在在输输入入为为窄窄带带高高斯斯噪噪声声( (均均值值为为0 0，方方差为差为2 2) )
19、的情况，各支路的误码率为的情况，各支路的误码率为 式中，式中，MSKMSK信号性能分析信号性能分析与与FSKFSK性性能能相相比比，由由于于各各支支路路的的实实际际码码元元宽宽度度为为2 2T Tb b，其其对对应应的的低低通通滤滤波波器器带带宽宽减减少少为为原原带带宽宽的的1/21/2，从从而而使使MSKMSK的的输输出出信信噪噪比比提提高高了一倍。了一倍。 经过差分译码后的误比特率为经过差分译码后的误比特率为 3G3G调制调制1 1、TD-SCDMATD-SCDMA： 采用采用QPSKQPSK调制技术，对于调制技术，对于2 2Mbit/sMbit/s业务，采用业务，采用8 8PSKPSK调
20、制技术。调制技术。 数数据据调调制制后后，再再进进行行扩扩频频调调制制。扩扩频频后后的的码码片片速速率率为为1.281.28Mc/s,Mc/s,扩频因子为扩频因子为1 11616。2 2、在在CDMA2000CDMA2000以以及及WCDMAWCDMA的的扩扩频频调调制制中中，广广泛泛采采用用CQPSKCQPSK及及其其进进一一步步组组合合改改进进的的混混合合相相移移键键控控HPSK(Hybrid HPSK(Hybrid Phase Phase Shift Shift Keying) Keying) 。3G3G调制调制混合相移键控混合相移键控HPSK(Hybrid Phase Shift Ke
21、ying)HPSK(Hybrid Phase Shift Keying)结构如下所示。结构如下所示。复四相复四相CQPSKCQPSK： 属属于于正正交交四四相相调调制制。实实现现时时，发发送送端端首首先先将将信信源源输输出出的的基基带带信信号号分分为为I I、Q Q正正交交的的两两路路，然然后后在在分分别别对对每每路路进进行行复复四四相相调调制制。这这就就是是说说CQPSKCQPSK相相当当于于I I、Q Q两两路路独独立立的的四四相相调调制制，其其中中每每路路都都具具有有一一般般QPSKQPSK的性能，因此频谱效率比的性能，因此频谱效率比QPSKQPSK高一倍高一倍本章小结本章小结介绍无线通信系统中基本的调制方式。包括介绍无线通信系统中基本的调制方式。包括1)1)GSMGSMGPRS/EDGEGPRS/EDGE系统中采用的系统中采用的MSKMSKGMSKGMSK及分析。及分析。2)2)3G3G中的调制方式。中的调制方式。习题：习题：1. 1. P155,6.3P155,6.32. 2. 设设 a ak k=+1 =+1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 1 1 1 1 1,1,画画出出MSKMSK的的相相位位轨轨迹迹图图结束结束
