移动通信原理课程第四六章ppt课件.ppt

通信系统中的核心问题 指标 有效性可靠性安全性具体到移动通信 有效性 可靠性与安全性是全系统概念 是很复杂的问题 实现这3类指标的环境与条件更加恶劣 因而达到目标也就更加困难 提高效率的问题更加突出 特别是由于移动通信的频率资源是有限的 第4章第4章信源编码与数据压缩 实际实现中的关联性 与移动通信系统中的3个层次 物理层 网络层和网络规划层都有关系 特别是与蜂窝网的拓扑结构密切相关 涉及方面 仅从物理层来探讨 从有效性看 涉及到信源编码与数据压缩 调制与信道编码技术 多址方式 信号分集接收 天线方向性等诸多因素 1 第4本章仅讨论在物理层决定有效性的最主要因素之一 信源编码和数据压缩技术 信源编码作用 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 去掉信源冗余信息 发展过程 第二代 2G 数字式移动通信系统 语音压缩编码 语音业务 第三代 3G 数字式移动通信系统 语音压缩编码 各类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面 包含语音 数据和图像在内的多媒体业务 信源编码的关联 2 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 语音压缩编码分为以下3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 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 评看 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 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 4 1语音压缩编码 3 技术比较 质量 波形编码 混合编码 参量编码压缩倍数 波形编码 混合编码 参量编码应用情况 公用骨干 固定 通信网 波形编码 移动通信网 混合编码 特殊通信系统 如军事与保密通信系统 参量编码3类压缩编码的理论性能估计理论支撑 信息论 方法比较 1 波形编码的性能估计当语音质量达到进入公网要求标准时 压缩比K 3 4倍 若进一步考虑实际语音分布与主观因素的影响 因为正态分布R D 值最大 其压缩倍数可以进一步增大 取K 4 保守值 实际应用 语音速率可以从未压缩的PCM64Kbps降至1 4速率的16Kbps 目前水平 已实用化的DPCM为32Kbps 4 思路 语音可以采用各种不同形式的参量来表达 具体应用 采用最基本的参量 音素 以英语音素为例进行分析 条件 英语中共有音素27 128 28 256 个 按照通常讲话速率 每秒大约平均发送10个音素 汉语音素 ask由信息量计算公式 对等概率事件有 I log2N N为总组合数 则 2 参量编码的性能估计 最后可计算出压缩比K为 5 简介 混合编码的理论压缩比是介于上述两类编码之间 且与语音质量需求有关 若要求混合编码偏重于个性特征 则其压缩比靠近波形编码的压缩比值 若要求混合编码偏重于共性 则其压缩比靠近于参量编码 3 混合编码的性能估计 4 1 2数字通信中的语音编码移动通信的技术要求 移动通信中由于频率资源有限 因此要求语音编码采用低码率 由于移动通信信号可能要进入公共骨干通信网 因此必须基本满足公共骨干网的最低要求 移动通信属于民用通信 还必须满足个性化指标要求 结论 高质量的混合编码是移动通信中的优选方案 低数据比特率 高压缩比 6 低数据比特率 高压缩比的混合编码中技术指标 有4个主要参量数据比特率 语音质量 算法复杂度 处理时延 混合编码的任务或研究内容 力图使上述参量及其关系达到综合最优化 1 数据比特率 bps 简tell 数据比特率 度量语音信源压缩率和通信系统有效性的主要指标 相互关系或关联性问题 数据比特率越低 压缩倍数就越大 可通信的话路数也就越多 移动通信系统也就越有效 数据比特率低 语音质量也随之相应降低 为了补偿质量的下降 往往可以采用提高设备硬件复杂度和算法软件复杂度的办法 但这又带来了成本与处理时延的增大 移动通信的技术要求 7 降低比特速率的其它有效方法 采用可变速率的自适应传输 它可以大大降低语音的平均传送率 思路 进一步采用语音激活技术 充分利用至少3 8的有效空隙 可获得大致约2 67dB的有效增益 与上4个指标的关系 见查ATM研课件技术评估 注 语音激活技术 语音激活技术是建立在通话双方句子间 单词间存在可利用空闲的原理上 对于TDMA系统 首先要检测可利用的空隙 然后再采用插空技术加以利用 对于CDMA系统 由于各路语音同频 同时隙 则可以很方便地利用所有空隙间隔 即各路语音的空隙是随机产生的 从而可以达到互补的效果 移动通信的技术要求 2 8 度量语音质量 一个非常困难的问题 度量有客观与主观两个角度 客观度量可以采用信噪比 误码率 误帧率 相对来说比较简单 可行 主观度量较难 因为接受语音的是人耳 所以语音质量主要是由人耳主观特性来判断 以主观度量为主 度量语音质量 主观评判方法 目前国际上常采用的主观评判方法称为MOS方法 它是原CCITT ITU T前身 建议采用的平均评估得分法 M0S 平均评估得分法 M0S 一般主观质量评分分为5级 5分考试类比 5分 第5级 Excellent表示质量完美 4分 第4级 Good表示高质量 3分 第3级 Fair表示质量尚可 及格 2分 第2级 Poor表示质量差 不及格 1分 第l级 Bad表示质量完全不能接受 注 MOS MeanOpinionScore 2 语音质量 9 进入公共骨干网 达到4级以上 即Good高质量 基本进入移动通信网 达到3 5级以上 即Fair质量尚可 及格 以上 实际应用MOS 3 复杂度与处理时延 简说 语音编码的实现方式 通常可以采用数字信号处理器DSP来实现复杂度有两方面 a 硬件复杂度 取决于DSP的处理能力 b 软件复杂度 主要体现在算法复杂度上 是指完成语音编 译码所需要的加法 乘法的运算次数 一般采用MIPS即每秒完成的百万条指令数来表示 典型值 通常 在取得近似相同语音质量的前提下 语音码率每下降一半 MIPS大约需增大一个数量级 复杂度与处理时延的关系 算法复杂度增大 会带来更长的运算时间和更大的处理时延 与语音质量的关系 在双向语音通信中 处理时延 传输时延再加上未消除的回声是影响语音质量的一个重要指标 10 各系统实际应用情况 GSM 基本原理基于线性预测编码 为满足GSM系统的窄带通信模式 有速率为13k的全速率 FR 编码技术 常用 规则脉冲激励线性预测编码技术 RPE LPT 速率为12 2k的增强型全速率 EFR 编码技术 代数码激励线性预测编码技术 ACELPT 速率为6 5k的半速率 HR 矢量和激励线性预测编码技术编码方式 VSELP 11 GSM系统的RPE LTP声码器原理 RPE LTP声码器采用等间隔 相位与幅度优化的规则脉冲作为激励源 以便使合成后的波形更接近原始信号 该方案结合长期预测以消除信号的冗余度 降低编码速率 同时其算法较简单 计算量适中且易于硬件实现 12 GSM系统的RPE LTP声码器原理选做 按以下五个给出算法的公式和实现框图 给出程序 REP LTP编码器包括五个部分 预处理 线性预测分析 LPC 短时分析滤波 长时预测以及规则脉冲激励编码 RPE 13 预处理 用8kHz采样频率对输入的模拟语音信号进行采样得到离散语音信号S0 n 滤除S0 n 中的直流分量 得到S0f n 采用一阶有限冲激响应 FIR 滤波器进行高频预加重 得到信号S n 加重的目的是加强语音谱中的高频共振峰 使语音短时谱及线性预测LPC分析中余数谱变得更平坦 从而提高谱参数估值的精确性 14 线性预测分析 LPC 一个语音的抽样值可用该样值以前若干个语音抽样值的线性组合来逼近 输入为预处理的语音信号S n 结果为提取LPC参数 语音信号经分帧缓冲器中分成为20ms 160个样点 的语音帧 按帧计算9个相关系数 用Schur递归算法计算8阶反射系数 线性滤波器参数 变换为对数面积系数LAR利用折线进行近似 对LAR量化编码 得到LARc 15 短时分析滤波 采用8阶FIR滤波器得出余量信号d 对LAPc LAP量化编码 进行译码 对当前及以前的系数在5ms周期内进行线性内插 经插值后的LAR 再变换为反射系数 每20ms重复一次 产生160个预测误差信号样点值d 16 长时预测 进一步消除余量信号d的多余度 比较RPE侧重建的激励信号e 及经Nc和bc译码输出及计算出余量信号d的估计值d 得到恢复出的短时余量d 根据当前子帧余量d及恢复出的短时余量d 进行长时预测 计算出40个样点的d和d 的互相关值 由互相关值最大值确定最佳时延N和增益系数b 互相关值R N 40个抽样值d平方和 N和b经7比特编码和2比特编码 输出为Nc和bc 17 规则脉冲激励编码 RPE 比较短时分析滤波得出的余量信号d与长时预测余量信号d的估计值d 得到余量信号e 将余量信号e进行规则脉冲序列提取及量化编码 按子帧 即40个样点 进行处理 输出为6比特编码后的Xm 处理中选取能量最大的序列为规则脉冲激励序列 得到其网络位置Mc 18 19 20 各系统实际应用情况 2 CDMA2000系统 EVRC声码器 EVRC EnhancedVariableRateCodec 即增强型可变速率语音编码器 是由美国电信工业协会TIA EIA于1996年提出的CDMA2000系统的语音编码方案 1997年通过IS 127标准 其复杂度大约为30MIPS EVRC语音编码的取样率为8kHz 语音帧长为20ms 每帧有160个取样点 EVRC语音速率分为3种 平均速率为8Kbps 全速率9 6Kbps 其对应每帧参数为171bit 半速率4 8Kbps 其对应每帧参数为80bit 1 8速率1 2Kbps 其对应每帧参数为16bit CDMAforIS 95 QCELP声码器 Qualcomm公司提出的用于IS 96系统的语音编码标准 为可变速率的混合编码器 基于线性预测编码的改进型 码激励线性预测 即采用码激励的矢量码表替代简单的浊音的准周期脉冲产生器 QEELP采用可变速率编码 利用语音激活检测 VAD 技术 在语音激活期内 可根据不同的信噪比分别选择4种速率 8Kbps 称为全速率 1 4Kbps 称为半速率 1 2 2Kbps 称为四分之一速率 1 4 1Kbps 称为八分之一速率 1 8 21 4 3图像压缩编码 应用于 2 5G开始就逐步引入数据业务 第三代移动通信推广为含语音 数据与图像的多媒体业务 4 3 1图像编码标准简介图像的信息量远大于语音 文字 传真和一般数据 它所占用频带比其他类型的业务宽 传输 处理 存储图像信息要比语音 文字 传真及一般数据技术更复杂 实现更困难 图像是比较复杂的信息类型 它一般可划分为3大类型 1 静止图片 如照片 医用图片 遥感图片等 这类图像是完全静止的 2 准活动图像 可视电话 话剧 各类型会议电视 这类图像是准活动或准静止的 其特点一般是背景基本上是静止的 活动人物是有限度的 3 活动图像 广播电视 高清晰电视HDFV等 这类图像中的人物与背景均为全活动的 发展时间 四十余年 22 标准 图像编码已形成了7个系列化标准 见下表 选做 查各自手机使用的编码 并简评 23 相关组织 与标准的制定相关和组织 制定视频压缩编译码国际标准的有两大国际组织 一个是ITU T 以前称CCITT 即国际电联的电信标准部 它制定的标准通常称为建议标准 一般用H 26X表示 如H 261 H 262 H 263和H 264 这类标准主要面向通信 即针对实时通信 如可视电话与会议电话等 另一个是ISO IEC 即国际标准化组织和国际电工委员会 它所制定的一般就称为标准 通常采用JPEG和MPEG X表示 如JPEG JPEG2000 MPEG 1 MPEG 2 MPEG 4等 这类标准主要用于视频广播 有线电视 卫星电视 视频存储和视频流媒体等 24 编码分类 视频压缩编码目前分类 大致可以分为两代 第一代视频压缩编码包括JPEG MPEG 1 MPEG 2 H 261 H 263等 第二代视频压缩编码包括JPEG2000 MPEG 4 MPEG 7 H 264等 两类压缩编码的主要差异 第一代视频编码是以图像信源的客观统计特性为主要依据 以图像的像素 像素块 像素帧为信息处理的基本单元 第二代视频编码是在图像信源客观统计特性的基础上 重点考虑用户对象的主观特性和图像的瞬时特性 第二代视频编码是以主观要求的音频 视频 AV 的分解对象为信息处理的基本单元 如背景 人脸及声 乐 文字组合等 第二代视频编码的另一个突出特点是可根据用户的需求实现不同的功能和提供不同性能的质量要求 具有交互性 可选择性和可编辑性等面向用户的操作特性 25 4 4本章小结 基本概念主要技术指标基本技术及特点 26 6 2调制 解调的基本功能与要求6 2 1调制 解调的基本功能1 载荷信息 搬移频谱 将待传送的基带信号通过载波调制 将其载荷搬移至适应不同信道特性的射频频段上进行传输 有2步 将含有信息的基带信号利用标准的中频载波如70MHz 100KHZ 调制载荷至中频频段 再通过混频 将中频信号搬移至所需射频信道频段 另一种处理方案 上述两步合并为一步 即直接进行射频调制 进入射频信道 2 抗干扰特性 是调制最主要的特性 研究不同调制方式的抗干扰特性与比较 选择在不同条件下的最佳调制方式 调制方式的抗干扰特性的描述 可采用误比特率Pb 一般又称为误码率Pe 公式来表示 在工程上 一般采用归一化信噪比Eb N0与误比特率Pb之间的关系图来表示 复习补归一化信噪比 第6章调制理论 27 3 频谱有效性 调制的主要功能之一 频谱有效性的描述通信系统的有效性 采用单位频带在单位时间内所传送的信息量 即bps Hz来度量 提高频谱有效性 主要依靠高效率的多进制调制 如MPSK MQAM等 来实现 通信系统的数量指标4 调制信号的峰平比 指已调信号的峰值功率与平均功率的比值 特别对于CDMA多个码分信道叠加时 峰平比是将直接影响高功放器件的线性度要求和动态范围要求等工程实现性能 5 其它 工程上还希望实现调制 解调简单可靠 体积小 造价低等 移动通信中对调制方式的选择 有3条可靠性 即抗干扰性能 选择具有低误比特率的调制方式 其功率谱密度集中于主瓣内 有效性 它主要体现在选取频谱有效的调制方式上 特别是多进制调制 工程上易于实现 它主要体现在恒包络与峰平比的性能上 6 2 1调制 解调的基本功能 2 28 1 1986年以前 由于线性高功放未取得突破性的进展 移动通信中调制技术为恒包络调制的MSK和GMSK 如GSM系统采用的就是GMSK调制 但它实现起来较复杂 且频谱效率较低 2 1986年以后 由于实用化的线性高功放已取得了突破性的进展 人们又重新对简单易行的BPSK和QPSK予以重视 并在它们的基础上改善峰平比 提高频谱利用率 如OQPSK 偏移QPSK CQPSK 正交复四相移键控 和HPSK 混合相移键控 实际应用 在CDMA系统中 由于有专门的导频信道或导频符号传送 因此 CDMA体制中不采用相对移相的DPSK和DQPSK等 原因 移动通信中最常用的调制方式 6 3MSK GMSK调制6 3 1为什么采用GMSK调制MSK MinimumShiftKeying应用情况 在1986年线性高功放未取得突破性进展以前 移动通信中的调制是以恒包络调制技术为主体的 29 MSK调制是一种恒包络调制 这是因为MSK属于二进制连续相位移频键控 CPFSK 的一种特殊情况 它不存在相位跃变点 因此在限带系统中 能保持恒包络特性 恒包络调制有以下优点 极低的旁瓣能量 可用高效率的C类高功率放大器 易恢复用于相干解调的载波 已调信号峰平比低 MSK是CPFSK ContinuousPhraseFSK 满足移频系数h 0 5时的特例 当h 0 5时 满足在码元交替点相位连续的条件 是移频键控为保证良好的误码性能所允许的最小调制指数 且此时波形的相关系数为O 待传送的两个信号是正交的 关于GMSK 技术需求或产生原因 在数字移动通信中 当采用较高传输速率时 要寻求更为紧凑的功率谱 更高的频谱利用效率 要求对MSK进一步优化 GMSK是MSK的进一步优化方案 GMSK实现 属于MSK简单的优化方案 进一步抑制高频分量 防止过量的瞬时频率偏移及满足相干检测的需求 它只需在MSK调制前附加一个高斯型前置低通滤波器 MSK调制特点 30 一般式 求 与Tb关系 信号分析过程 6 3 2MSK信号形式 一个二进制频移键控信号中的第k个码元的波形可以表达为 式中 附加相位为 且 为频差 而 瞬时频率为 当载波频移量最小时 即频差最小 频差 则调制指数为 31 调制指数为频差 与数据码元速率之比 信号形式 2 调制指数 而将带入上式求得 MSK是CPFSK 连续相位移频键控 h O 5时的特例 将其代入式 6 3 5 可得 32 式中 是积分常数 信号形式 3 将上式代入式 6 3 1 中 得到所求结果 MSK信号表达式为 将其展开后 可得 式 6 3 9 和式 6 3 10 为MSK的基本表达式 33 式中 ak 输入序列 xk是为了保证t kTb时相位连续而加入的相位常量 本比特内的相位常数 令 MSK是一种特殊形式的FSK 其频差是满足两个频率相互正交 即相关函数等于O 的最小频差 并要求FSK信号的相位连续 其频差 f f2 f1 1 2Tb 即调制指数为 MSK信号进一步分析其特性及调制方案形成 补充 式中 Tb为输入数据流的比特宽度 MSK的信号表达式为 式中 为了保持相位连续 在t kTb时应有下式成立 2 35 2 36 34 将式 2 35 代入式 2 36 可得 MSK的相位轨迹 相位 k 特性 分析上式 因为 所以 xk有以下结论 若令x0 O 则xk 0或 模2 k O 1 2 本比特内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关 还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关 ak 1 1 分析MSK的相位轨迹 相位 k 特性 在给定输入序列 ak 的情况下 MSK的相位轨迹如图2 5所示 各种可能的输入序列所对应的所有可能的路径如图2 6所示 t kTb 箭头处为xk 箭头左侧处为ak 例如 对t 2Tb处 k 2 x2 x1 a1 a2 2 2 0 1 1 2 2 2 对t 7Tb处 k 7 x7 x6 a6 a7 2 2 3 1 1 7 2 3 7 4 起在t 2Tb时 a2为此刻右边码元 因时间 己跳上沿 35 图2 5MSK的相位轨迹 本比特区间的码元值决定斜率 xk决定起点 MSK的相位轨迹 相位 k 特性 2 36 本比特区间的可能码元值决定斜率或走向 连续相位决定可能轨迹 MSK的可能相位轨迹 37 当t 2lTb l O 1 2 时 相位取值只能是0或 模2 当t 2l 1 Tb l O 1 2 时 相位取值只能是 2 模2 在一个比特区间内 相位线性地增加或减少 2 据此 分析MSK信号 MSK信号表达式为 相位 k特性 图上规律或结论 9st 428 MSK信号表达式可正交展开为下式 38 分析MSK信号 由式 2 37 得 因为 所以 上式可写为 令k 2l l 0 1 2 39 分析MSK信号 2 由此式可以看出 I支路数据 Cosxk 和Q支路数据 akCosxk 并不是每隔Tb秒就可能改变符号 而是每隔2Tb秒才有可能改变符号 I支路与Q支路的码元在时间上错开Tb秒 如图2 7所示 若输入数据dk经过差分编码 即ak dk dk 1 后 再进行MSK调制 则只要对Cosxk和akCosxk交替取样就可以恢复输入数据dk 40 MSK的输入数据与各支路数据及基带波形的关系 图2 7 根据式 2 38 式 2 39 及式 2 37 可得MSK信号的产生框图如图2 8所示 MSK信号也可以将非归零的二进制序列直接送入FM调制器中来产生 这里要求FM调制器的调制指数为0 5 41 MSK调制器框图 图2 8 根据式 2 38 式 2 39 及式 2 37 可得MSK信号的产生框图如图2 8所示 MSK信号也可以将非归零的二进制序列直接送入FM调制器中来产生 这里要求FM调制器的调制指数为0 5 42 关于MSK信号的功率谱 MSK信号的单边功率谱表达式为 关于M