《移动通信原理》课程_第四、六章 (1)

1、通信系统中的核心问题通信系统中的核心问题:指标指标= =？ 有效性有效性 可靠性可靠性安全性安全性 具体到移动通信：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；有效性、可靠性与安全性是全系统概念，是很复杂的问题；实现这实现这3 3类指标的环境与条件更加恶劣，因而达到目标也就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；更加困难；提高效率的问题更加突出。提高效率的问题更加突出。 特别是由于移动通信的频率资特别是由于移动通信的频率资源是有限的源是有限的 第4章第4章信源编码与数据压缩实际实现中的关联性：实际实现中的关联性：与移动通信系统中的与移动通信系统中的3 3个

2、层次个层次物理层、网络层和网络规物理层、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。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。收、天线方向性等诸多因素。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

3、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

4、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

5、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：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

6、，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：属于属于MSKMSK简单的优化方案，进一步抑制高频分量，防止过量的瞬时简单的优化方案，进一步抑制高频分量，防止过量

7、的瞬时频率偏移及满足相干检测的需求。它只需在频率偏移及满足相干检测的需求。它只需在MSKMSK调制前附加一个调制前附加一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)(tkd一个二进制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 ) 1 . 3 . 6() 1(),(cos)(0bbkTktkTttAtX式中，附加相位为式中，附加相位为 ，且，且 ( ( 为频差为频差) )，而，而

8、)(tkdkkadttd)(d)2 . 3 . 6(1ka瞬时频率为瞬时频率为)3 . 3 . 6(00ddka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12 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)4 . 3 . 6(12bh数据码元速率频差12b而将而将 带入上式求得带入上式求得dd0102,)5 . 3 . 6(200bdbddhMSKMSK是是CPFSKCPFSK连续相位移频键控连续相位移频键控 h=O.5h=O.5时的特例，将其代入式时的特

9、例，将其代入式(6.3.5)(6.3.5)可得可得)6 . 3 . 6(4,215 . 02dbbdh有此时)7.3.6(2424)(bkbkbkdkkTafaaadttd而式中，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：)8.3.6(2)()(kbkkkTtadtdttdtk)9.3.6()2cos()(0kbkTtatAtX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

10、达式。的基本表达式。式中，式中， a ak k=输入序列；输入序列；x xk k是为了保证是为了保证t=kTt=kTb b时相位连续而加入的相时相位连续而加入的相位常量位常量 本比特内的相位常数本比特内的相位常数 。令令 MSKMSK是一种特殊形式的是一种特殊形式的FSKFSK，其频差是满足两个频率相互正交其频差是满足两个频率相互正交( (即即相关函数等于相关函数等于O)O)的最小频差，并要求的最小频差，并要求FSKFSK信号的相位连续。其频信号的相位连续。其频差差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

11、号进一步分析其特性及调制方案形成： 补充补充 )332(5 . 0/1bTfh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 )342()2cos()(kkbcxtaTttS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： （2-352-35）（2-362-36）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

12、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。个比特区间内的输入及相位常数有关。 a ak k=1,-1 =1,-1 )372(2)(11kaaxxkkkk1ka分析分析MSKMSK的相位轨迹的相位轨迹 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

13、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)k=2,x2=x1+(a1-a2)* *2/2=0+(-1-(+1)2/2=0+(-1-(+1)* *2/2=-22/2=-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)2/2=-3+(1-(-1)* *7/27/2 =

14、-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的相位轨迹的相位轨迹 本比特区间的码元值决定斜率，本比特区间的码元值决定斜率，x xk k决定起决定起点点 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，相位取值只能是时，

15、相位取值只能是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，相位取值只能是时，相位取值只能是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 9stst* * * *428428* *)cos()2cos()(0kkkbctxtaTttSMSKMSK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： )382()sin()

16、2sin(cos)cos()2cos(cos)2cos()(ttTxattTxxtaTttScbkkcbkkkbc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由此式可以看出：由此式可以看出：I I支路数据支路数据( (CosxCosxk k) )和和Q Q支路数据支路数据( (a ak kCosxCosxk k) )并不是并不是每隔每隔T Tb b秒就可能改变符号，而是每隔秒就可能改变符号，而是每隔2 2T Tb b秒才有可能

17、改变符秒才有可能改变符号号？。I I支路与支路与Q Q支路的码元在时间上错开支路的码元在时间上错开T Tb b秒，如图秒，如图2-72-7所示。所示。若输入数据若输入数据d dk k经过差分编码经过差分编码( (即即a ak k =d =dk kd dk-1k-1) )后，再进行后，再进行MSKMSK调制，调制，则只要对则只要对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。 )sin()2sin()cos()2cos()sin()2sin(cos)cos()2cos(cos)(ttTQttTIttTxattTxtS

18、cbkcbkcbkkcbkMSKMSK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根据式根据式(2-38)(2-38)、式、式(2-39)(2-39)及式及式(2-37)(2-37)，可得，可得MSKMSK信号的产生框图信号的产生框图如图如图2-82-8所示。所示。 MSKMSK信号也可以将非归零的二进制序列直接送入信号也可以将非归零的二进制序列直接送入FMFM调制器中来产调制器中来产生，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根据式根据式(2-38)(2-

19、38)、式、式(2-39)(2-39)及式及式(2-37)(2-37)，可得，可得MSKMSK信号的产生框图信号的产生框图如图如图2-82-8所示。所示。 MSKMSK信号也可以将非归零的二进制序列直接送入信号也可以将非归零的二进制序列直接送入FMFM调制器中来产调制器中来产生，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于关于MSKMSK信号的功率谱：如下图所示。图中还给出了信号的功率谱：如下图所示。图中还给出了QPSKQPSK信号的功信号的功率谱。率谱

20、。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宽的主瓣：较宽的主瓣：MSKMSK的功率谱具有较宽的主瓣的功率谱具有较宽的主瓣 与与QPSKQPSK相比相比 ，其，其第一个零点出现在第一个零点出现在( (f-fc)Tf-fc)Tb b=O.75=O.75处，而处，而QPSKQPSK的第一个零点出现的第一个零点出现在在( (f-fc)Tf-fc)Tb b=O.5=O.5处。处。旁瓣较小：当旁瓣较小：当( (f-fc)Tf-fc)Tb b-时，时，MSKMSK的功率谱以的功率谱以(f-fc)Tf-fc)Tb b -4-4的的速率衰减，比速率衰减，比QPSKQ

21、PSK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：可以采用鉴频器解调，也可以采用相干解调。相干解调的框图如可以采用鉴频器解调，也可以采用相干解调。相干解调的框图如图图2-102-10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页图中采用平方环来提取相干载波。从图中可以看出经过低通上页图中采用平方环来提取相干载波。从图中可以看出经过低通滤波后，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： 通过对通过对I I支路和支路和Q Q支路交替采样就可以

22、恢复支路交替采样就可以恢复b bk k，再经差分译码后就再经差分译码后就可以恢复可以恢复a ak k。 参照参照FSKFSK的误码率分析，在输入为窄带高斯噪声的误码率分析，在输入为窄带高斯噪声( (均值为均值为0 0，方，方差为差为2 2) )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，222/narMSKMSK信号性能分析信号性能分析与与FSKFSK性能相比，由于各支路的实际码元宽度为性能相比，由于各支路的实际码元宽度为2 2T Tb b，其对应的低其对应的低通滤波器带宽减少为原带宽的通滤波器带宽减少为原带宽的1/21/2，从而使，从而使MSKMSK的输出信噪比提高的输出信噪比提高了一倍。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 )432()1 (2ssePPP3G3G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调制技术。调制技术。 数据调制后，再进行扩频调制。扩频后的码片速率为数据调制后，再进行扩频调制。扩频后的码片速率为1.281.28Mc/s,Mc/s,扩频因子为扩频因子为