移动通信第三章移动通信中的信源编码与调制解调技术TWB.ppt

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1、第三章,移动通信系统,学习重点和要求,掌握语音编码技术的概念、分类和特点 掌握信源编码和信道编码的概念、特点及区分掌握多种调制方式：QPSK、OQPSK、/4 DQPSK、MSK和GMSK 的特点和功率谱特性了解正交频分复用系统的原理,主要内容,3.1概述3.2信源编码3.3最小频移键控3.4高斯最小频移键控3.5QPSK调制3.6高阶调制3.7正交频分复用,3.1 概述,3.1 概述,通信系统,6,3.1 概述,信源编码：解决信源冗余性问题。压缩信源产生的冗余信息，降低传递这些冗余信息的开销，提高整个链路的有效性。将模拟信源信号转换为二进制数字信号，在接收端再将收到的数字信号还原为模拟信号的

2、方法由模拟网数字网至关重要的一步信源类型 语音 图像,二者比例趋于平衡,3.1 概述,语音编码概念：把模拟语音信号变成数字语音信号，以便在信道中传输意义提高通话质量(数字化)提高频谱利用率(低码率编码)提高系统容量(低码率话音激活技术)移动通信对语音编码要求？低功耗、低复杂度、低延时低码率、高质量,3.1 概述,调制技术作用对信源信息进行处理，使之变为适合于信道传输的信号的过程。提高传输效率实现方法通过改变高频载波的幅度、相位或者频率，使其随基带信号的变化而变化。,3.1 概述,调制过程映射按照信息与表示和承载它的信号之间存在着对应关系，将多个二元比特转换为一个符号经过映射后生成的符号仍是基带

3、数字信号调制经过基带成形滤波后生成的模拟基带信号将其乘以中频载波得到中频调制信号,3.1 概述,移动通信对调制解调技术的要求频带利用率高功率效率高具有恒包络易于解调带外辐射少,3.1 概述,分类办法：按相位连续性分：相位不连续调制和相位连续调制按信号恒定性分：恒包络调制和非恒包络调制按调制方式分：调频、调幅、调相,3.1 概述,具体分类,3.1 概述,各类二进制调制波形,3.1 概述,各种移动通信系统所采取的调制方法,3.1 概述,信道编码信道编码主要解决数字通信的可靠性问题对传输的信息码元按一定的规则加入一些冗余码（监督码），形成新的码字，接收端按照约定好的规律进行检错甚至纠错信道编码又称为

4、差错控制编码、抗干扰编码、纠错编码,3.1 概述,各模块及其功能,3.1概述3.2信源编码3.3最小频移键控3.4高斯最小频移键控3.5QPSK调制3.6高阶调制3.7正交频分复用,主要内容,3.2 信源编码,3.2 信源编码,信源编码作用：实现模拟信号的数字化传输即完成A/D变换提高信号传输的有效性。即在保证一定传输质量的情况下，用竟可能少的数字脉冲来表示信源产生的信息。信源编码也称作频带压缩编码或数据压缩编码。,3.2 信源编码,语音编码类型：波形编码质量高，效率低参量编码质量中，效率高混合编码,3.2 信源编码,两个步骤：抽样定理：采样率大于或等于信号带宽的2倍无失真幅度量化：用有限个幅

5、值表示样值幅度，从而离散化信号幅度的过程,3.2 信源编码,脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）,3.2 信源编码,23,IS-95语音编码方案算法名称CELP:变速率码激励线性预测编码GPRS/WCDMA语音编码方案算法名称自适应多速率编码(AMR)原因WCDMA支持多媒体业务，并支持分组交换与电路交换方式移动信道是随机变化的，固定速率编码不能使系统工作在最佳的信源编码和信道编码速率上,3.2 信源编码,CDMA2000语音编码方案算法名称SMV（Selected Mode Vocoder）可选模式语音声码器：基于输入语音的特征（浊音、清音、背景噪音、平稳语音等

6、）和编码模式来确定编码码率，选择最佳编码速率，保证语音质量4种可选模式Mode0：高品质模式Mode1：标准模式Mode2：经济模式Mode3：容量节省模式,3.2 信源编码,3G系统中的视频编码方案算法名称H.264ITU及ISO共同标准4大优点低码流高质量图像容错力强网络适应力强,3.1概述3.2信源编码3.3最小频移键控3.4高斯最小频移键控3.5QPSK调制3.6高阶调制3.7正交频分复用,主要内容,3.3 最小频移键控,3.3 最小频移键控,调制在通信系统的位置 分类模拟调制数字调制,3.3 最小频移键控,调幅（模拟）定义：使高频信号的振幅随调制信号瞬时变化而变化,调制消息信号,载波

7、信号,3.3 最小频移键控,回顾信号与系统的知识,3.3 最小频移键控,3.3 最小频移键控,调频（模拟）使高频信号的频率随调制信号的瞬时变化而变化,频偏常数,3.3 最小频移键控,优点：抗干扰、抗衰落能力优于调幅由于已调信号包络恒定，可以采用效率很高的非线性放大器缺点：与单边带调幅相比，占用较宽的信道带宽，同时存在“门限效应”。,3.3 最小频移键控,恒定包络调制定义：载波信号的幅度保持恒定，不随调制信号变化，是非线性调制。特点：可以使用功率效率很高的C类放大器很低的带外辐射，可以达到-60-70dB接收机结构简单比线性调制占用更大的带宽,3.3 最小频移键控,频移键控（2FSK）最小频移键

8、控（MSK）高斯频移键控（GMSK）比较,3.3 最小频移键控,频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)基本原理：用基带数字信号控制载波的频率，也称为数字调频。2FSK用二进制基带数据流控制载波频率假设输入比特流为 an，an=1，则输出信号为S(t)=cos(1t+1)当 an=+1S(t)=cos(2t+2)当 an=-1,定义定义调制指数重写一个码元内信号表达式,3.3 最小频移键控,3.3 最小频移键控,相位连续的2FSK（CPFSK）满足则有,3.3 最小频移键控,相位不连续FSK,相位连续FSK,频率转换处相位不连续，功率谱会产生很强的旁瓣分量，通过带限信道

9、，会波形失真。,3.3 最小频移键控,最小频移键控(minimum shift keying,MSK)定义：是一种相位连续、包络恒定的2FSK（continuous phase-frequency shift keying,CPFSK）基本原理对于输入比特流 ak，ak=1码元持续时间为Tb,3.3 最小频移键控,用信号归一化相关系数推导MSK信号为简化推导，令初始相位为0,3.3 最小频移键控,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。最小频移键控(MSK)：

10、为调制指数为0.5的FSKh=0.5时，满足在码元交替点相位连续的条件h=0.5是移频键控为保证良好误码性能所允许的最小调制指数h=0.5时，波形相关系数为0，信号是正交的,3.3 最小频移键控,最小频移键控(MSK)的相位路径、功率及功率谱一个码元开始到结束的相位变化满足连续相位约束条件由于初始相位为0，各码元的相位都为的整数倍,3.3 最小频移键控,相位变化,3.3 最小频移键控,最小频移键控(MSK)：功率谱,3.3 最小频移键控,MSK信号的特点调制信号振幅恒定调制指数为0.5信号相位在一个码元周期内变化1/2 码元转换时刻，已调信号相位连续无突变相位变化是折线，在码元转换时产生尖角，

11、频谱的旁瓣滚降不快，带外辐射相对较大,3.1概述3.2信源编码3.3最小频移键控3.4高斯最小频移键控3.5QPSK调制3.6高阶调制3.7正交频分复用,主要内容,3.4 高斯最小频移键控,3.4 高斯最小频移键控,高斯滤波最小频移键控(GMSK)是一种相位连续、包络恒定的调制方法基本原理：将数字基带信号先经过一个高斯低通滤波器整形（预滤波），再进行MSK调制,调制指数0.5,为了有效地抑制MSK信号的带外功率辐射，预调制滤波器应具有以下特性：（1）带宽窄并且具有陡峭的截止特性；（2）脉冲响应的过冲较小；（3）滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于/2的相移。其中条件(1)是为了抑制高频分量；条

12、件(2)是为了防止过大的瞬时频偏；条件(3)是为了使调制指数为0.5。一种满足上述特性的预调制滤波器是高斯低通滤波器，其单位冲击响应为,3.4 高斯最小频移键控,3.4 高斯最小频移键控,式中是与高斯滤波器的3dB 带宽Bb 有关的参数，它们之间的关系为,高斯滤波器冲激相应,高斯滤波器频率特性,3.4 高斯最小频移键控,高斯滤波器频率和时间特性,3.4 高斯最小频移键控,高斯滤波器对方波的响应,3.4 高斯最小频移键控,高斯滤波器对方波的时域冲击响应,3.4 高斯最小频移键控,高斯滤波最小频移键控(GMSK)特点实现简单，在MSK调制器前端置高斯滤波器改善已调波的相位路径，消除相位尖角，以抑制

13、高频分量，使功率谱高频分量滚降变快是GSM的优选方案,3.4 高斯最小频移键控,MSK类调制性能比较相位转移轨迹,3.4 高斯最小频移键控,MSK类调制性能比较频谱特性，BbTb越小，频谱滚降得越快，但太小，会引入严重的码间串扰。,Bb为高斯滤波器的3dB带宽,3.4.3 GMSK信号的调制与解调,1.调制,3.4 GMSK信号的调制与解调,3.4 GMSK信号的调制与解调,GMSK可以用相干方法解调,也可以用非相干方法解调。这里介绍一比特延迟差分解调方法（非相干解调）,其原理如图3.18。,2.解调,设接收到的信号为,则W(t)为,3.4 GMSK信号的调制与解调,3.4 GMSK信号的调制

14、与解调,3.4 GMSK信号的调制与解调,3.4 高斯最小频移键控,MSK类调制性能比较误码率,3.1概述3.2信源编码3.3最小频移键控3.4高斯最小频移键控3.5QPSK调制3.6高阶调制3.7正交频分复用,主要内容,3.5 QPSK调制,3.5 QPSK调制,数字调相BPSKQPSKOQPSK/4 QPSK,3.5 QPSK调制,PSK以基带数据信号来调制载波的相位BPSK二进制信号 1,-1去调制载波相位：当输入为“+1”时，对应的信号附加相位为“0”；当输入为“-1”时，对应的信号附加相位为“”。,3.5 QPSK调制,BPSK调制若输入信号为经映射的比特流an，an=1，则BPSK

15、信号可记为 S(t)=an cosct,3.5 QPSK调制,信号波形,3.5 QPSK调制,BPSK解调方式频谱效率低副瓣大带外辐射严重,3.5 QPSK调制,QPSK假设输入二进制序列为an，an=1，经串并转换后两支路信号分别记为Ik,Qk,则QPSK信号可记为 S(t)=Ik cosct-Qk sinct Ik=an cosk Qk=an sink,3.5 QPSK调制,串/并变换,-/2,+,I(t),Q(t),输入,输出,QPSK调制原理图,LPF,LPF,并/串,a,b,-/2,QPSK的限带传输,I(t),Q(t),输出,输入,QPSK相位转移图,相位突变,3.5 QPSK调制

16、,相位的非连续变化会在成型滤波后引起包络的起伏。,3.5 QPSK调制,设法减少想跳变以减少信号包络的波动,OQPSK,限带QPSK,3.5 QPSK调制,OQPSKOQPSK的调制方法与QPSK类似，仅在一条正交支路上引入了一个比特的延时，以使得两支路的数据不会同时发生变化，降低最大相位跳变，相位变化被限制到了90o,OQPSK相位转移图,11,1-1,-1-1,-11,a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,避免了相位突变 PI,3.5 QPSK调制,3.5 QPSK调制,OQPSK与QPSK的区别QPSK最大相位跳变，而OQPSK的

17、相位跳变仅为/2；OQPSK可以避免QPSK中的1800相移，减少随机相位影响，降低对射频放大器的线性要求。,3.5 QPSK调制,/4 QPSK从相位变化角度来看，其最大相位变化为1350，低于QPSK的1800，但高于OQPSK的900/4 QPSK的性能优于OQPSK,3.5 QPSK调制,/4QPSK调制原理S(t)=cos(ct+k)其中k=k-1+k S(t)=Ukcosc t-Vksin c tUk=cosk=cos(k-1+k)=cosk-1 cosk-sink-1 sink Vk=sink=sin(k-1+k)=sink-1 cosk+cosk-1 sink 由递推关系可得U

18、k=cosk=Uk-1 cosk-Vk-1 sin k Vk=sink=Vk-1 sin k-Uk-1 cos k,3.5 QPSK调制,3.5 QPSK调制,/4QPSK调制相位星座图,3.5 QPSK调制,/4QPSK解调方式基带差分检波IF差分检波FM鉴频器检波,3.5 QPSK调制,/4QPSK的性能频谱特性从相位变化特性来看，其频谱特性优于QPSK，次于OQPSK传输误码率具有较优的传输性能,3.5 QPSK调制,QPSK、OQPSK、/4QPSK比较：星座图QPSK相位转换通过0点，最大相位变化为1800OQPSK相位转换不通过0点，最大相位变化为900/4QPSK相位变化均不过0

19、点，最大相位变化为1350,3.1概述3.2信源编码3.3最小频移键控3.4高斯最小频移键控3.5QPSK调制3.6高阶调制3.7正交频分复用,主要内容,3.6 高阶调制,为什么使用有限带宽下实现高速数据传输，提高频谱效率误码率用欧式距离来衡量多进制调制中，每若干个(比如k个)比特构成一个符号，得到2k M进制的符号而后逐个符号对高频载波作多进制的ASK，FSK或PSK调制。,3.6 高阶调制,3.6 高阶调制,欧式距离把M个信号映射到N维的矢量空间，两个波形信号sm与sn之间的相关系数为符号相关性越大，欧式距离越小高阶调制阶数越高，欧式距离越小为了保证高阶调制下的性能，可采用差错控制技术，自

20、适应调制等先进技术,3.6 高阶调制,M8时为高阶调制MASKMPSKMQAMMFSKM8时MASK、MPSK和MQAM的频谱效率相同，MFSK频谱效率最低M 8时MQAM抗噪声性能最优，通常采用MQAM的高阶调制,3.6 高阶调制,MASK：M制幅移键控MASK表示多电平(M个电平)的ASK，比如将串行数据流经并行变换后形成k路的并行比特数据流，再进行D/A转换和ASK，则成为2k M电平的ASK。,3.6 高阶调制,调制信号最小欧式距离,3.6 高阶调制,符号si的似然函数8ASK中符号的错判概率为,3.6 高阶调制,MPSK：M制相移键控MPSK信号为相位有M种不同取值多相调制的波形可以

21、看作是对两个正交载波进行多电平双边带调制所得信号之和,多相调制信号的带宽与多电平双边带调制时的相同.多相制中使用最广泛的是四相制和八相制,四相制记为4PSK或QPSK,3.6 高阶调制,MPSK的星座图,3.6 高阶调制,QAM调制：正交幅度调制幅度和相位同时被调制充分利用二维矢量空间的平面，在不减少欧式距离的情况下增加星座点点数增加频谱利用率,3.6 高阶调制,QAM信号ai,bi 是两组相互独立的离散电平序列由同相和正交的两路ASK信号叠加而成MQAM信号的已调载波矢量可充分利用整个调制平面，在相同的平均载波功率下对于相同的M值可使MQAM的抗干扰能力强于MASK和MPSK,3.6 高阶调

22、制,MPSK和MQAM星座图,3.6 高阶调制,MQAM软解调MQAM可以同Turbo码结合采用软解调，从而改善误码率计算比特的对数似然比LLR，作为Turbo码的输入可变速率QAM（自适应调制）,3.6 高阶调制,MFSK：M制频移键控误码率性能好，但是频谱利用率低，在高阶调制中一般不用,高阶调制在3G、4G中的应用TDSCDMA：QPSKWCDMA:上行BPSK，下行QPSKHSPA（FDD和TDD）：16QAMLTE：64QAM,3.6 高阶调制,3.1概述3.2信源编码3.3最小频移键控3.4高斯最小频移键控3.5QPSK调制3.6高阶调制3.7正交频分复用,主要内容,3.7 正交频分

23、复用,单载波传输系统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g(t)为匹配滤波器一次衰落或干扰可导致整个链路失效,3.7 正交频分复用,多载波系统多载波系统把数据流分解为具有较低比特速率的若干子数据流，用之形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号进行并行发送。,3.7 正交频分复用,多载波系统框图,3.7 正交频分复用,3.7 正交频分复用,多载波系统子载波间存在3种方案 频分复用:将整个频带划分成个不重叠的子带，在接收端用滤波器组进行分离采用偏置QAM技术:在3dB处载波频谱重叠，其复合频谱平坦 OFDM:各子载波有1/2的重叠且相互正交的，每个

24、载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠,3.7 正交频分复用,3.7 正交频分复用,多载波系统频率复用,传统的频分复用,3dB频分复用,OFDM,传统多载波系统优缺点：将频带分为若干个不相交的子频带，简单直接子带间需要保护频带，频率利用率低在子载波数较大时多个滤波器的实现使系统复杂化需要时域均衡对抗ISI,3.7 正交频分复用,传统频分复用利用时域均衡对抗ISI,3.7 正交频分复用,OFDM优点无需做时域均衡，通过加循环前缀对抗ISI各子载波正交，子信道频谱相互重叠，频谱利用率高OFDM调制和解调可以通过IDFT和DFT实现，通过快速傅里叶变换FFT可大大减小复杂度。支持非对称业务，通过使用不同

25、数量的子信道实现上下行的非对称传输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易于与多种接入方式结合：MC-CDMA，OFDM-TDMA等对窄带干扰不敏感,3.7 正交频分复用,OFDM缺点易受频偏影响：OFDM系统对正交性要求严格，频偏使得正交性遭到破坏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，对器件要求高,3.7 正交频分复用,OFDM系统基本模型框图,3.7 正交频分复用,3.7 正交频分复用,OFDM发送符号符号OFDM接收符号对第j个子载波进行解调,对N比较大的系统来说，OFDM复等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换IDFT实现,3.7 正交频

26、分复用,IFFT,FFT,OFDM原理框图,3.7 正交频分复用,加入循环前缀CP对抗ISI原理,3.7 正交频分复用,令插入CP对应Ng个码元，则发送符号帧S可表示为,通过信道冲激响应后的信号在有效的时间段内相当于原始数据序列以及相应序列的多个不同圆周移位序列的叠加,3.7 正交频分复用,设序列x经过m个采样间隔移位之后的序列为fm，根据DFT的性质，经过圆周移位之后的序列的DFT结果Fm与原来DFT结果X的关系如下 因此多个时域内经过圆周移位的符号相加之后对应的DFT结果是有效数据符号与一个复常量（多个复常量相加仍然是一个复常量）的乘积,3.7 正交频分复用,画出QPSK、OQPSK、pi/4QPSK的相位转移图OQPSK、/4QPSK 与 QPSK相比，优越性何在？试比较几者的优劣与MSK相比，为何GMSK的频谱特性有所改善？简述OFDM系统的优缺点,作业,谢谢,