第3章移动通信中的编码和调制技术.ppt.ppt

1/48,第三章 移动通信的编码和调制技术,2/37,第2章问题：,1、移动通信传播的基本特性？2、什么是多径衰落？在时间上引起什么现象？3、自由空间传播损耗的分贝公式？4、什么是多谱勒频移？计算公式是什么？在频率上会引起什么现象？,3/37,移动通信编码技术问题：,1、信源编码的原理是什么？GSM系统的信源编码器是什么？编码后的信息速率是多少？2、信道编码的原理是什么？3、移动通信的信号处理流程？4、信道编码的分类？分别处理什么情况？,4/37,移动通信编码技术补充问题：,1、GSM移动通信系统采用什么信道编码方式？2、对于分组码（80,70）,它的编码效率是多少？3、请画出对长度为128bit的信息进行交织编码的简略图？（注：分成8个组）,5/37,本章提示,有效性：占用尽可能少的信道资源，传送尽可能多的信源信息。可靠性：指在传输的过程中，抵抗各类客观、自然干扰的能力。安全性：在传输中的安全保密性能，即收端防窃听、发端防伪造和篡改的能力等。,频段、时隙和功率,6/37,本章提示编码技术,蜂窝移动通信系统由于频率资源受限，一般信源编码技术如PCM、ADPCM、M等，因为编码速率高而未被采用。蜂窝移动通信均采用13kbit/s以下低速率语音编码。信道编码是以增加传输码元冗余度，降低有效码元传输速率为代价，以牺牲通信的有效性换取通信的可靠性。,7/37,本章提示编码技术,突发性干扰是快衰落在衰落深度和持续时间较长的情况下，对信号造成成串的错误，用一般信道编码方法很难纠错；只能用交织技术将成串的错误转换成随机差错后，再用信道编码方法纠错。,8/37,本章提示编码技术,Turbo码是近年来倍受瞩目的一项新技术。虽然它的复杂性、译码时延对有些应用带来困难（例如对实时语音），但它是目前已知的可实现的好的编码技术之一。,9/37,要掌握的名词解释,FSK:Frequency Shift Keying,移频键控GMSK：Gaussian-filtered Minimum Shift Keying,高斯滤波最小移位键控PSK：Phase Shift Keying,移相键控QPSK：Quaternary Phase Shift Keying,四相相移键控PCM：Pulse Code Modulation,脉码调制OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用,10/37,第3章 移动通信中的编码和调制技术,3.1 概述3.2 编码技术3.3 调制技术 3.4 扩频技术,11/37,3.1 概述3.2 编码技术3.2.1 信源编码3.2.2 信道编码3.2.3 交织编码3.3 调制技术 3.4 扩频技术,第3章 移动通信的编码和调制技术,12/37,3.1 概述3.2 编码技术3.3 调制技术 3.3.1 调制与解调技术3.3.2 FSK调制3.3.3 高斯最小移频键控（GMSK）3.3.4 QPSK调制技术3.4 扩频技术,第3章 移动通信的编码和调制技术,13/37,3.1 概述,第一代模拟移动通信系统（1G）因其容量小，语音质量不高，保密性差，不能提供非话业务，限制了模拟系统的进一步发展。1991年，GSM900MHz数字蜂窝移动通信系统在欧洲问世，从此，移动通信跨入了第二代（2G）。本文的主要研究对象为第二代移动通信（GSM），以下内容中移动通信即代表第二代移动通信，即蜂窝移动通信系统。,14/37,GSM系统传输与处理的信号主要是语音和数据业务，涉及的主要信号流程如图3-1所示。,移动通信信号处理流程,15/37,信道编码,信源编码,TDMA帧形成,调制,功率放大,信道解码,信源解码,TDMA帧分离,解调,接收,图3-1 移动通信信号处理流程,模拟信号,a)语音发送,b)语音接收,PCM编码,数字信号,移动台甲,基站,16/37,3.2.1 信源编码别废话，拣主要的说,使用信源编码的目的在移动通信系统中，信源编码主要指 语音编码。压缩信源产生的冗余信息，降低开销，提高传输的有效性。历数移动通信中的信源编码技术,17/37,信源编码,信源编码方式abc,2.5G、3G和4G,2G(GSM),18/37,1、GSM系统的语音编码,由于GSM系统是一种全数字系统，语音或其它信号都要进行数字化处理，因而第一步要把语音模拟信号转换成数字信号（即1和0的组合）。语音信号有多种编码方式，但最基本的是脉冲编码调制PCM。典型的脉冲编码调制电路组成如图3-2所示。,A/D转换,19/37,图3-2 脉冲编码调制（PCM）电路组成,20/37,PCM编码是采用A律波形编码，分为三步：(1)采样(2)量化(3)编码,21/37,语音编码技术通常分为三类：波形编码、声源编码（或参量编码）和混合编码。波形编码的目的在于尽可能精确地再现原来的语音波形。声源编码是将语音信息用特定的声源模型表示。混合编码把波形编码的高质量和声码器的高效压缩性融为一体，尤其在16bit/s8kbit/s范围内达到了良好的语音质量。,22/37,波形编码器语音质量较高，但要求的比特速率相应的较高。声码器编码可以是很低的速率（可以低于5 kbs），虽然不影响语音的可懂性，但语音的失真很大，很难分辨是谁在讲话。因此GSM系统语音编码器是采用声码器和波形编码器的混合物混合编码器，全称为规则脉冲长期预测编码（RPE-LTP编码器），见图3-3。,GSM系统使用的编码器,23/37,图3-3 GSM语音编码器框图,声码器,波形编码器,模拟语音的数字编码,24/37,从GPRS开始，引入数据业务常用的图像编码方案：JPEG、JPEG2000、H.261、H.263等常用的视频编码方案：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.264,2、图像视频编码,25/37,信道编码与信源编码的区别：,图 信源编码与信道编码,3.2.2 信道编码,26/37,3.2.2 信道编码,使用信道编码的目的可以降低信道随机的差错。信道编码的实现信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善信道链路的性能的。分类分组编码卷积编码,27/37,3.2.2 信道编码原理,对于加性高斯白噪声信道，额定带宽为B(Hz)、接收信号功率为P(W)及噪声谱密度为 P(W/Hz)，其信道容量可由下面的香农公式给出：,带宽,信噪比,28/37,3.2.2 信道编码原理,信道编码是通过增加相关的冗余数据来提高系统性能，也就是以增加传输带宽为代价来取得编码增益的。,29/37,在发射机的基带部分，信道编码器按照某种确定的约束规则，把一段数字信息映射成另一段包含更多数字比特的码序列，然后把已被编码的码序列进行调制以便在无线信道中传送。接收机可以用信道编码的约束规则来检测或纠正由于在无线信道中传输而引入的一部分或全部的误码。这是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特，但这种方法可以有效地减少数据差错。,提高可靠性牺牲有效性,30/37,为了便于理解，我们举一个简单的例子加以说明。假定要传输的信息是一个“0”或是一个“1”，为了提高保护能力，各添加3个比特：信息 添加比特 发送比特,例子：,0,1,111,000,0000,1111,+,31/37,对于每一比特(0或1)，只有一个有效的编码组(0000或1111)。如果收到的不是0000或1111，就说明传输期间出现了差错。比例关系是14，必须发送的是该信息所需要的4倍的比特。保护作用如何?接收编码组可能为：判决结果：,0000,0010,0110,0111,1111,0,0,X,1,1,32/37,图3-4表示了数字信号传输的过程，其中信源可以是语音、数据或图像的电信号“s”，经信源编码构成一个具有确定长度的数字信号序列“m”，人为地再按一定规则加进非信息数字序列，以构成一个一个码字“c”(信道编码)，然后再经调制器变换为适合信道传输的信号。,33/37,图3-4 数字信息传输方框图,34/37,信道编码的检错和纠错是利用传输数据的冗余量来实现的。用于检测错误的信道编码称做检错编码；可纠错的信道编码被称做纠错编码 信道编码通常有两类：分组编码和卷积编码。,信道译码：,35/37,分组编码,要使信道编码具有一定的检错或纠错能力，必须加入一定的多余码元。信息码元先按组进行划分，然后对各信息组按一定规则加入多余码元，这些附加监督码元仅与本组的信息码元有关，而与其他码组的信息无关，这种编码方法称为分组编码。实现框图如图3-5所示：,36/37,图3-5 分组编码原理框图,分组编码器,信息,信息1,检验1,消息组,编码组,信息2,检验2,不相关,相关,37/37,分组码的基本描述,二进制分组码编码器的输入是一个长度为k的信息矢量a=(a1,a2,.ak),它通过一个线性变换，输出一个长度等于n的码字C。,式中G为kn的矩阵，称作生成矩阵。Rc=k/n称作编码率。长度等于k的输入矢量有2k个，因此编码得到的码字也是2k个。这个码字的集合称作线性分组码，即(n,k)分组码。对一个分组码的生成矩阵G，也存在一个(n-k)n矩阵H满足,1n,1k,?,kn,38/37,分组码的基本描述,H称作校验矩阵，它也满足,性质：1、汉明距离：两个等字符串对应位置的不同字符的个数。2、码的最小距离：任意两个码字之间汉明距离的最小值，表示为dmin。dmin是衡量码的抗干扰能力（检、纠错能力）的重要参数，dmin越大，码的抗干扰能力就越强。,或,验证码字是否有错,39/37,分组码的基本描述,理论分析表明：（n,k）线性分组码能纠正t个错误的充分必要条件是（n,k）线性分组码能发现接收码字中l个错误的充分必要条件是,（n,k）线性分组码能纠正t个错误并能发现l（l t）个错误的充分必要条件是,40/37,1编码效率、冗余度、码重与码距,在分组码中，数据每k个信息比特分为一组，k个信息位与增加的（nk）个比特组成一个n比特的码组（或码字），这种码叫做(n，k)分组码。分组中(n-k)/k比值称为码的冗余度，k/n比值称为编码效率。编码效率可表示分组中信息比特所占的比例。,41/37,1编码效率、冗余度、码重与码距,除编码效率k/n外，码字的另一个重要参数是码重，即码字中非零的码元数目。不同类型的分组码具有不同的特性。线性分组码 系统码 循环码,码字中1的个数,42/37,2BCH码,BCH码是循环码的一个重要子类，具有多种码率，可获得很大的编码增益，BCH码有严密的代数理论，是目前研究最透彻的一类码。（1）戈雷码（Golay）（2）扩展BCH码（3）截短BCH码,43/37,3RS码,RS码是Reed-Solomon（里德索洛蒙）码的简称，它是一种多进制BCH码。它能够纠突发错误，通常在连续编码系统中采用。,44/37,图3-6 卷积编码原理框图,45/37,在GSM系统中，上述两种编码方法均在使用。首先对一些信息比特进行分组编码，构成一个“信息分组+奇偶(检验)比特”的形式，然后对全部比特做卷积编码，从而形成编码比特。这两次编码适用于语音和数据二者，但它们的编码方案略有差异。采用“两次”编码的好处是：在有差错时，能校正的校正(利用卷积编码特性)，能检测的检测(利用分组编码特性)。,二次编码,46/37,例子：,二次编码：分组编码和卷积编码假设：发送端：有效信息为：10110010 分组编码后：接收端：检错纠错：卷积编码,奇校验,101100101,47/37,GSM系统首先是把语音分成20 ms的音段，这20 ms的音段通过语音编码器被数字化和语音编码，产生260个比特流，并被分成：(1)50个最重要比特。（2)132个重要比特。（3)78个不重要比特。如图3-7所示，对上述50个最重要比特添加3个检验比特(分组编码)，这53个比特同132个重要比特与4个尾比特一起卷积编码，比率12，因而得378个比特，另外78个比特不予保护。,信源编码后的码速率为13Kb/s,二次编码例子：,48/37,图3-7 GSM数字话音的纠错编码,（53+136）*2378,13Kb/s*20ms=260bit,1:2,最重要,重要,不重要,分组编码,分组编码,分组编码中（n,k）分别是？,分组编码的编码效率是？,卷积编码,49/37,3.2.3 交织技术,信道编码的作用对信源编码的数据增加一些冗余数据，对信源编码的数据进行监督，以使在接收时能从接收的数据中检出由于传送过程中引起的随机差错从而进行纠错。交织技术的作用通过将纠错编码后分散，对付在传输过程中产生的连续突发的干扰。,50/37,交织技术原理,假定由一些4比特组成的消息分组，把4个相继分组中的第1个比特取出来，并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组，称作第一帧，4个消息分组中的比特24，也作同样处理，如图3-8所示。,51/37,图3-8 交织原理,进行分组,1帧,结论：打乱正常顺序进行传输,52/37,GSM系统中交织方式,例子：话音编码器和信道编码器将每一20 ms语音数字化并编码，提供456个比特。首先对它进行内部交织，即将456个比特分成8帧，每帧57比特，见图3-9。,53/37,图3-9 GSM 20 ms话音编码交织,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,456,20ms信息纠错编码后数据456bit,进行分组，分为N57组，每组M8位,第1帧,54/37,交织编码特点,任何长度lM的突发差错，经交织后成为至少被N1位隔开后的一些单个独立差错。完成交织与去交织变换在不计信道时延条件下，将产生2MN个符号的时延，其中发、收端各占一半。,55/37,什么是调制？将低频信号的频谱搬移到较高的载波频率上为什么要调制？低频语音信号无法传播很远距离天线尺寸要与信号波长匹配移动通信的频谱资源在高频上,3.3.1 调制与解调,56/37,模拟调制：用模拟调制信号去控制高频载波的频率、相位以及幅度等。FM、PM、AM数字调制：用数字信号来调制某一高频率的正弦或脉冲载波，使已调信号能通过带限信道传输。ASK、FSK、PSK、QPSK等,3.3.1 调制与解调,57/37,3.3.1 调制与解调,语音调制信号 人的耳朵能够听到语音的频率在2020 000 Hz的范围内。一般认为只要有3003400 Hz，就足以表达说话的内容了。如果考虑到语音的原始声音和真实度问题，则需要5015 000 Hz的频率范围。声音范围的频率被称作低频或音频。,58/37,常见的调制解调 调制时必须具备调制信号和载波。调制信号可以分为模拟信号和数字信号。可供使用的载波有正弦波和方波。调制方式可以按照调制信号的形式和载波形式的组合来分类。表3-1示出了调制方式的分类情况，可以依照信息的形式、传送线路的特性和对传送质量的要求来选择调制方式。,59/37,表3-1 调 制 方 式,60/37,调制在通信系统中占有十分重要的地位。只有经过调制才能将基带信号转换成适合于信道传输的已调信号，而且它对系统的传输有效性和可靠性都有很大的影响。常用的数字调制方式：频移键控，FSK相移键控，BPSK四相键控，QPSK高斯最小频移键控，GMSK,61/37,3.3.2 FSK调制调制的类型,经语音编码后的信号是数字信号，此信号向外发送还需要经过调制。应用于移动通信的数字调制技术，按信号相位是否连续可分为相位连续型调制和相位不连续型调制；按信号包络是否恒定可分为恒包络调制和非恒包络调制。频移键控FSK是数字信号的频率调制，其基本原理如图3-10所示。,62/37,图3-10 FSK基本原理示意图,调制信号0和1,载波信号,FSK的输入信号是从哪里出来的？,即通信信道,63/37,传送编码为10001101，其工作波形示意如图3-11所示。从图中可以看出，FSK调制相当于D/A变换，经过调制后的数字信号变成了f1、f2二值频率变化，显然，这个信号具有模拟信号的特点。完成频移键控后，接收端如何解调出这个二进制码呢？FSK解调如图3-12所示。,例子：,64/37,图3-11 FSK波形示意图,f1,f2,调制信号,已调信号,65/37,图3-12 FSK解调,中心频率为f1,中心频率为f2,66/37,带通滤波器f1,f1,f2,判决：,1,接收：,1 1,1,1 0 0 0 1 1 0 1,信源信息：,带通滤波器f2,判决：,0 0 0,0,合并：,1 0 0 0 1 1 0 1,67/37,3.3.3 高斯最小移频键控（GMSK）,在数字调制技术中，其中应用最多的是最小频移键控MSK、平滑调频TFM、高斯最小频移键控GMSK。GSM系统采用高斯最小频移键控GMSK。GMSK与FSK不同之处是：（1）在调制时，使高、低电平所调制的两个频率f1、f2尽可能接近，即频移最小，这样可节省频带。,68/37,（2）GMSK调制可以控制相位的连续性，在每个码元持续期Ts内，频移恰好引起/2的相位变化。（3）在MSK之前加入了高斯滤波器，因其滤波特性与高斯曲线相似，故以此相称。GMSK信号产生原理如图3-13所示，电路框图如图3-14所示。,69/37,图3-13 GMSK信号产生原理,单极性码,70/37,3.3.4 QPSK调制技术,一、二相调制BPSK 二、四相调制QPSK 三、偏移QPSKOQPSK,71/37,一、二相调制BPSK,72/37,一、二相调制BPSK,设二进制的基带信号b(t)的波形为双极性NRZ码,BPSK信号的波形如图3.22所示。,调制信号,载波信号,已调信号,73/37,一、二相调制BPSK,功率谱,BPSK 信号是一种线性调制，当基带波形为NRZ码时，其功率谱如图3.23所示。,如图，基带波形为NRZ码时 BPSK信号有较大的副瓣，副瓣的总功率约占信号的总功率10%，带外辐射严重。为了减小带外辐射，可考虑用M进制代替二进制。,74/37,1、QPSK调制原理 QPSK又叫四相绝对相移调制，它是一种正交相移键控。QPSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，将每两个比特编为一组，然后用四种不同的载波相位来表征，原理框图如图3-15所示：,二、四相调制QPSK,75/37,图3-15 QPSK调制器原理框图,同相支路I,正交支路Q,76/37,QPSK的调制器可以看作是由两个BPSK调制器构成，输入的串行二进制信息序列经过串行变换，变成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性的二电平信号I（t）和Q（t），然后对Acost和Asint进行调制，相加后即可得到QPSK信号。经过串并变换后形成的两个支路如图3-16所示，一路为单数码元，另外一路为偶数码元，这两个支路互为正交，一个称为同相支路，即I支路；另外一路称为正交支路，即Q支路。,77/37,图3-16 二进制码经串并变换后的码型,调制信号,串并转换,78/37,二、四相调制QPSK,QPSK信号,在QPSK调制中，在要发送的比特序列中,每两个相连的比特分为一组构成一个4进制的码元，即双比特码元。双比特码元的4种状态用载波的四个不同相位(k=1,2,3,4)表示。这种对应关系叫做相位逻辑。例如,79/37,二、四相调制QPSK,QPSK信号产生,80/37,二、四相调制QPSK,QPSK信号的功率谱和带宽,正交调制产生QPSK信号实际上是把两个BPSK信号相加。它们有相同的功率谱，带宽也为B=Rb。频带效率B/Rb则提高为1。已调信号功率谱的副瓣仍然很大，在两个支路加入升余弦特性低通滤波器(如图3.29)，以减小已调信号的副瓣。,81/37,QPSK解调原理 由于QPSK可以看作是两个正交2PSK信号的合成，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图3-17所示。,二、四相调制QPSK,82/37,图 QPSK解调器原理框图,sin(wt),cos(wt),83/37,三、偏移QPSK（OQPSK）,把QPSK两个正交支路的码元时间上错开Ts/2=Tb，这样每经过Tb时间，只有一个支路的符号发生变化，因此相位的跳变就被限制在90，减小了信号包络的波动幅度。功率谱和带宽效率不变。调制原理图和相位跳变路径为：,84/37,3.3.5 扩频技术,基本原理定义：扩频通信方式是将数字基带信号扩展到一个很宽的频带进行传输的一种调制方式。实现 在发送端，使用比信息速率高很多倍的伪随机码来扩展数字基带信号的频谱，形成低功率谱密度、宽带的信号来发送；在接收端，使用同步后的伪随机码进行解扩，恢复出窄带的有用信号，从而减少噪声对信号的影响。,85/37,优点 该调制方式具有多种优点：抗干扰、抗衰落以及通信的隐蔽性等，最初用于军事通信。移动通信的码分多址方式（CDMA）就是建立在扩频通信的基础上。,86/37,3.4 扩 频 通 信,87/37,3.4.1 伪随机（PN）序列,m序列的功率谱,m序列的随机性质,序列的产生,伪噪声序列,88/37,序列的产生,伪随机序列（PN序列）具有类似随机噪声的一些统计特性，但和真正的随机信号不同，它可以重复产生和处理，故称作伪随机噪声序列。PN序列有多种，最常用的一种是最长线性反馈移位寄存器序列，也称作m序列。由m级寄存器构成的线性移位寄存器如下图：,初值,！初值不为0,89/37,m序列的随机性质（1）,m序列的随机特性：平衡特性在m序列的一个完整周期N=2m-1内，0的个数和1的个数总是相差为1。相关特性 m序列的自相关函数是周期的二值函数。可以证明，对长度为N的m序列都有结果。,90/37,m序列的随机性质（2）,n和Ra,a(n)都是取离散值,下图是N=7的自相关函数曲线,91/37,m序列的功率谱（1）,m序列的信号是一个周期信号，所以其功率谱是一个离散谱，,图4.45(a)给出了N=7的m(t)的功率谱特性。图4.45(b)给出了一些功率谱包络随N变化的情况。可以看出在序列周期T保持不变的情况下，随着N的增加，m(t)的码片Tc=T/N变短，脉冲变窄，频谱变宽，谱线变短。,包络,谱线,92/37,m序列的功率谱（2）,93/37,3.4.2 扩频通信原理,扩频和解扩,直扩系统抗窄带干扰的能力,94/37,扩频（1）,扩频,调制,解扩,解调,恢复信号,基带信号,PN码,同步后的PN码,95/37,扩频（2）,扩频,96/37,解扩,不考虑信道噪声及各种干扰信号，接收机接收到的信号r(t)=s(t)，收到的信号首先和本地产生的PN码c(t)相乘。由于 c2(t)=（1）2=1,所以,相乘所得信号显然是一个窄带的2PSK信号，这样信号恢复为一个窄带信号，这一操作过程就是解扩。为了实现信号的解扩,要求本地的PN码序列和发射机的PN码序列严格同步，否则所接收到的就是一片噪声。,97/37,直扩系统抗窄带干扰的能力,扩频信号的一个重要特点就是抗窄带干扰的能力。分析抗窄带干扰的模型如图4.50。,设i(t)为一窄带干扰信号,其频率接近信号的载波频率。解扩后最终扩频系统的输出干扰功率是输入干扰功率的1/N,98/37,直扩系统抗窄带干扰的能力,即扩频系统的处理增益为Gp,通过下图来说明扩频系统抗窄带干扰的能力,s(t),带通滤波,解调,扩频,99/37,作业,信源编码的目的是什么？信道编码的目的是什么？请画出对长度为150bit的信息进行交织编码的简略图？（注：分成10个组）扩频技术的原理？,