电子科技大学《移动通信原理》 第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术讲解

1、第三章 移动通信中的信源编码 和调制解调技术 程郁凡 chengyf 通信抗干扰技术国家级重点实验室 无线通信系统的基本组成 图3.1 无线通信系统的基本组成框图 2 模拟源 离散源 模拟波 形 信息序 列 信源近 似还原 信息序 列重构 第三章内容 3.1 信源编码 3.2 数字调制中的基本概念 3.3 QPSK调制 3.4 高阶调制 3.5 正交频分复用 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术3 3.1 信源编码 n信源编码的目的 n压缩压缩 信源产产生的冗余信息 n降低开销销，提高传输链传输链 路的有效性 n信源编码 n将模拟信源或离散信源的输出有效地变换成二 进制数字序列的过程 n离散信源编码编码 n信息熵熵、可变长编码变长编码 n模拟拟信源编码编码 n话话音编码编码 、图图像编码编码 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术4 压缩技术 话音编码 n话音编码的意义 n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） n移动通信对话音编码的要求 n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 n编译码延时小，总延时在65ms以内 n编

2、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 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术5 高质量 低延时 话音编码类型 n波形编码：质量好、效率低 n参量编码：质量中、效率高 n混合编码：质量较好、效率较高 6 级别评定类别人的印象标准 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3.1 话音质量评定（MOS） 4分以上入公网 3分以上入移动 通信网 MOS: Mean Opinion Score 波形编码 n将时间域波形信号直接变换成数字代码，目的是 尽可能精确再现原始语音波形。 n三步骤：抽样、量化、编码。 n特点 n高速率话音编码时（ 16kbps 64kbps ），话音质 量好（4.04.5），占用较高带宽。 n低速率话音编码时，话音质量显著下降。 n典型波形编码方式 nPCM，DPCM，M 等。 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术7 PCM：Pulse-Code Modulation 参量编码 n又称为“声源编码” 利用人的发声机制，仅传送反

3、 映话音波形产生的主要特征参数（模拟声带频谱 特性的滤波器参数和若干声源参数），在接收端 根据发声机制，由传送来的特征参数人工合成话 音。 n主要度量指标：可懂度。 n特点 n编码速率低：1.2kbps4.8kbps n话音质量中等（2.53.5），不满足商用要求。 n典型参量编码方式 n线性预测编码LPC及其改进型。 8 LPC：Linear Prediction Coding 混合编码 n将波形编码（语音信号的部分波形）和参量编码 （部分特征参数）结合起来，力图保持波形编码 的高质量的优点和参量编码的低速率的优点。 n特点 n编码速率较低：4kbps16kbps n语音质量较好（3.54.0），适合数字移动通信网。 n典型混合编码方式 n多脉冲激励线性预测编码 n码激励线性预测编码 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术9 10 速率 (kbit/s) 话话音质质量 波形编码编码 混合编码编码 参量编码编码 混合编码是优选方向 图3.2 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 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术11 标准信源编码技术英文

4、全称信源编码技术中文名称 GSM RPE-LTP (Regular-Pulse Excitation with Long- Term Prediction) 规则脉冲激励长时预测编 码 （话音混合编码） IS-95 CELP(Code-Excited linear predictive cod ) 码激励线性预测编码 （话音混合编码） WCDMA AMR(Adaptive Multi Rate ) 自适应多速率编码 （话音混合编码） CDMA2000 SMV (Selected Mode Vocoder） 可选模式语音声码器 （话音混合编码） 3GH.264视频信源编码 第三章内容 3.1 信源编码 3.2 数字调制中的基本概念 3.2 QPSK调制 3.3 高阶调制 3.4 正交频分复用 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术12 数字调制中的基本概念 n数字调制技术 n对信息序列进行处理，使之变为适合于信道传输的 波形的过程。 n实现方法 n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。 n移动通信系统要求 n频带利用率高（ bit/s/Hz ） n功率

5、效率高 n具有恒包络特性 n易于解调 n带外辐射少 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术13 各类二进制调制波形 14 数字调制技术分类 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术15 二进制码与双极性码的映射关系 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术16 二进制码：0, 1双极性码：1, -1 n推广： 数字调制器 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术17 图3.3 数字调制器功能框图 数字通信系统的 度量指标 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术18 频带利用率 n也是带宽效率 n每赫兹可用带宽可以传输的信息速率: nR：为信息比特速率 nW：信号所需带宽 n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Rs个码 元，需要最小带宽是 Hz。 n理论 ：2码元/s/Hz n实际 ：1.41.8码元/s/Hz *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术19 香农定理(1) n在加性高斯白噪声下，系统容量C是平均接收信 号功率S、平均噪声功率N和带宽W的函数。 n假定比特速率等于信道容量：Rb =C 20 香农定理(2) 21 图3.4 W/

6、C关于Eb/N0的关系曲线 实际系统 22 带宽-效率平面 香农 极限 容量界限R = C R C区域 (差错率高) 图3.5 带宽-效率面 R C区域 (差错率高) R C区域 (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 n2G nGSM：GMSK nIS-95：上行OQPSK，下行QPSK n3G nTD-SCDMA：QPSK nWCDMA：上行BPSK，下行QPSK nCDMA2000：QPSK nB3G, 4G nHSPA：16QAM nHSPA+：最高64QAM nLTE：最高64QAM n日本DOCOMO公司：最高256QAM *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术58 第三章内容 3.1 信源编码 3.2 数字调制中的基本概念 3.3 QPSK调制 3.4 高阶调制 3.5 正交频分复用 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术59 单载波传输系统 n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： n一次衰落或干扰可导致整个链路失效 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术60 图3.25 单载波传输系统

7、 多载波传输系统 61 图3.26 多载波传输系统 n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； n用多个低速率的子数据流去调制相应 的子载波，从而构成多个低速率信号 并行发送。 早期方案 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 频率选择性衰落 62 早期方案的问题 n问题 n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 间距 n对各子载波的滤波器有较高的要求 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术63 构造正交子载波组 正交频分复用(OFDM) n正交频分复用是一种无线环境下的高速传输技 术 n正交子载波组的引入 nOFDM的快速实现（FFT/IFFT） n循环前缀的引入 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术64 OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交子载波组的引入 65 n构造正交子载波组 f0 f1 . fN-1 n假设 f0 为0，当 n为一组相互正交的子载波组 正交子载波组时域波形 66 幅度 合成信号 PAPR大 PAPR：

8、Peak to Average Power Ratio 正交性的作用(1) n提高信道的利用率 67图3.27 OFDM符号频谱结构 (经过矩形脉冲成型) 正交性的作用(2) 68 图3.28 OFDM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 OFDM的FFT/IFFT快速实现 n连续信号： n对信号s(t)以T/N的速率进行采样，则 IFFT变换 实现更加 容易 OFDM的FFT/IFFT快速实现 70 图3.29 OFDM通信系统的快速实现基带模型 引入保护间隔 n无保护间隔 n加保护间隔 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术71 OFDM1OFDM2 OFDM1OFDM2 存在ISI、ICI ISI: Inter Symbol Interference ICI：Inter Carrier Interference GIData GIData 消除ISI 但存在ICI 不发送信号 循环前缀的引入 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术72 图3.30 保护间隔不发送信号图3.31 保护间隔发送信号循环前缀 CP: Cyclic Prefix 消除ISI

9、但存在ICI 克服ISI、ICI SC1 SC2 SC2 with delay 循环前缀的引入(2) n引入循环前缀可以有效克服符号间干扰，抵抗频 率选择性衰落，同时克服多径效应带来的子载波 间干扰。 73 令插入CP对应Ng个码元，则发送符号帧S可表示为 .56 .63 0156 63 传输效率： T/(T+Tg) 循环前缀的引入(3) 74 有效数据时间段 此部分数据相同，因此构成圆周移位 当多径时延大于CP的长度，不能构成 圆周移位，产生ICI、ISI 1 Tg 2 3 循环前缀的引入(4) n假设： n设序列x经过m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 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。 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术75 时延扩展对OFDM系统性能的影响 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术76 图3.32 三种不同保护间隔长度的16QAM星座图 (a) 时延扩展保护间隔 (b) 时延扩展超过保护间隔 的长度为FFT积分时间的3% (c )时延扩展超过保护间隔的 长度为FFT积分时间的10% OFDM系统原理框图 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术77 图3.33 OFDM系统原理框图 OFDM系统优缺点 n优点 n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ISI n各子载波正交，子信道频谱相互重叠，频谱利用率 高 nOFDM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 n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 n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 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术78 OFDM系统优缺点 n缺点 n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 n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。 *第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术79 小结 n信源编码 n数字调制中的基本概念 nQPSK调制 n高阶调制 n正交频分复用 *第三章

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