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

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3.3QPSK调制3.4高阶调制3.5正交频分复用三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术33.1信源编码信源编码的目的压缩信源产生的冗余信息降低开销，提高传输链路的有效性信源编码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离散信源编码信息熵、可变长编码模拟信源编码话音编码、图像编码三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术4压缩技术话音编码话音编码的意义提高频谱利用率（低码率编码）提高系统容量（低码率，语音激活技术）移动通信对话音编码的要求编码速率低，语音质量好有较强的抗噪声干扰和抗误码的性能编译码延时小，总延时在65ms以内编译码器复杂度低，便于大规模集成功耗小，便于应用于手持机三月24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波形编码：质量好、效率低参量编码：质量中、效率高混合编码：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:MeanOpinionScore波形编码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。三步骤：抽样、量化、编码。特点高速率话音编码时（16kbps~64kbps），话音质量好（4.0~4.5），占用较高带宽。低速率话音编码时，话音质量显著下降。典型波形编码方式PCM，DPCM，ΔM等。三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术7PCM：Pulse-CodeModulation参量编码又称为“声源编码”

利用人的发声机制，仅传送反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。主要度量指标：可懂度。特点编码速率低：1.2kbps~4.8kbps话音质量中等（2.5~3.5），不满足商用要求。典型参量编码方式线性预测编码LPC及其改进型。8LPC：LinearPredictionCoding混合编码将波形编码（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。特点编码速率较低：4kbps~16kbps语音质量较好（3.5~4.0），适合数字移动通信网。典型混合编码方式多脉冲激励线性预测编码码激励线性预测编码三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术910速率(kbit/s)话音质量波形编码混合编码参量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三月24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全称信源编码技术中文名称GSMRPE-LTP(Regular-PulseExcitationwithLong-TermPrediction)规则脉冲激励长时预测编码（话音混合编码）IS-95CELP(Code-Excitedlinearpredictivecod)码激励线性预测编码（话音混合编码）WCDMAAMR(AdaptiveMultiRate)自适应多速率编码（话音混合编码）CDMA2000SMV(SelectedModeVocoder）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3.2QPSK调制3.3高阶调制3.4正交频分复用三月24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数字调制技术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。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。移动通信系统要求频带利用率高（bit/s/Hz）功率效率高具有恒包络特性易于解调带外辐射少三月24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数字调制技术分类三月24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三月24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推广：数字调制器三月24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三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术18频带利用率也是带宽效率每赫兹可用带宽可以传输的信息速率:R：为信息比特速率W：信号所需带宽奈奎斯特带宽：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。理论：2码元/s/Hz实际：1.4~1.8码元/s/Hz三月24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)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。假定比特速率等于信道容量：Rb=C20香农定理(2)21图3.4W/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=CR>C区域(差错率高)图3.5带宽-效率面R<C区域(实际系统)R/W(bit/s/Hz)1第三章内容3.1信源编码3.2数字调制中的基本概念3.3QPSK调制3.4高阶调制3.5正交频分复用三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术233.3QPSK调制数字调相：以基带数据信号来调制载波的相位BPSKQPSKOQPSK/4QPSK三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术24BPSK信号可记为三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术25BPSK：BinaryPhaseShiftKeyingBPSK图3.6BPSK调制器功能框图图3.7BPSK星座图BPSK调制波形三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术26图3.8BPSK调制波形BPSK信号功率谱图3.9BPSK的功率谱未成形滤波约12dB约50dB经过成形滤波图3.10根升余弦滚降滤波器(=0.5)频响BPSK解调BPSK相干解调图3.11BPSK的相干解调28n(t)：0均值，双边带功率谱密度

为N0/2的高斯白噪声29BPSK相干解调误比特率3031DPSK三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术32图3.12DPSK调制器功能框图差分编码后进行BPSK调制DPSK：DifferentialPhaseShiftKeyingDPSK调制33012345678910001010011011100111011

00

0

DPSK的相干解调(1)三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术34图3.13DPSK的相干解调DPSK的相干解调(2)三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术35DPSK的非相干解调36图3.14DPSK的非相干解调(差分相干解调)请同学们课下证明：BPSK与DPSK的解调性能37图3.15BPSK和DPSK的解调性能图3.16QPSK调制器功能框图QPSK38输入序列d2k

d2k+1符号mk调制映射Ik

Qk信号矢量sk

k00011s0π/4101-11s13π/4112-1-1s2-3π/40131-1s3-π/4QPSK调制器波形39图3.17QPSK调制器各点波形(未经过成形滤波)40QPSK的相干解调QPSK的功率谱QPSK的误比特率与BPSK相同，但频谱利用率提高了一倍，功率谱与BPSK形状相同，带宽少了一半。41未成形滤波图3.18QPSK的功率谱QPSK的包络特性42相位突变

会在成型滤波后引起包络起伏大，且过零点。设法减少相位跳变幅度，以减少信号包络的波动OQPSK图3.19QPSK在成形滤波前后的包络变化理想的QPSK成形滤波后的QPSK相位突变

OQPSK(OffsetQPSK)43OQPSK调制方法与QPSK类似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图3.20OQPSK调制器功能框图OQPSK符号的偏移三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术44图3.21OQPSK符号的偏移最大相位变化

/2OQPSK的包络特性45图3.22OQPSK的包络特性OQPSK的包络变化的幅度要比QPSK小许多（信号的动态范围较小），且没有包络零点。非相干检测性能不如QPSK。需要兼顾频带效率、包络波动幅度、能采用差分检测的调制方式。

/4QPSK

/4QPSK是QPSK和OQPSK的折衷最大相位变化是

135，低于QPSK的1800，但高于OQPSK的900。

/4QPSK的频谱性能低于OQPSK，优于QPSK。能够进行相干解调，也可以非相干解调。三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术4647图3.23/4-DQPSK调制器功能框图

/4-DQPSK调制器原理差分相位,由符号mk决定例：设初相

0为0，输入1,1,0,1,

0,1,1,0,求相位转移图。解：因为初相

0为0，初始信号矢量为s0输入序列d2k

d2k+1符号mk000π/41013π/4112-3π/4013-π/448

/4-DQPSK相位差分编码偶符号奇符号QPSK、OQPSK、π/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900π/4QPSK相位变化不过0点，最大相位变化为135049图3.24QPSK信号星座图比较(a)QPSK(b)OQPSK(c)/4QPSK第三章内容3.1信源编码3.2数字调制中的基本概念3.3QPSK调制3.4高阶调制3.5正交频分复用三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术503.4高阶调制为什么需要采用高阶调制？有限带宽下实现高速数据传输，提高频谱效率。基本原理多进制调制中，每若干个(比如k个)比特构成一个符号，得到2k

＝M进制的符号后，逐个符号对高频载波作多进制的ASK，FSK或PSK调制。M

8时为高阶调制三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术51信号空间已调信号其中g(t)为低通脉冲波形。选择一组基向量构成二维矢量空间52只分析ASK与PSK或它们的相结合QAM简化分析：假设g(t)为矩形波，则有Eg=T调制后的信号

就可以用信号空间中的向量来表示（星座图）：当g(t)为矩形波时，将Eg=T代入，可得信号矢量：53MASK的星座图三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术5455g(t)为矩形波时M越大，星座图越密，相邻向量距离越近，在相同信噪比下，误码性能越差。MPSK的星座图MQAM的星座图信号矢量MQAM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数。增加频谱利用率。性能优于MPSK和MASK。5657带宽-效率平面香农极限容量界限R=CR>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2GGSM：GMSKIS-95：上行OQPSK，下行QPSK3GTD-SCDMA：QPSKWCDMA：上行BPSK，下行QPSKCDMA2000：QPSKB3G,4GHSPA：16QAMHSPA+：最高64QAMLTE：最高64QAM日本DOCOMO公司：最高256QAM三月24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3.3QPSK调制3.4高阶调制3.5正交频分复用三月24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：一次衰落或干扰可导致整个链路失效三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术60图3.25单载波传输系统多载波传输系统61图3.26多载波传输系统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；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早期方案的问题问题复杂度高，与多载波路数成正比要求各路子载波的中心频率之间的间隔有相当的间距对各子载波的滤波器有较高的要求三月24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)正交频分复用是一种无线环境下的高速传输技术正交子载波组的引入OFDM的快速实现（FFT/IFFT）循环前缀的引入三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术64OFDM：OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing正交子载波组的引入65构造正交子载波组{f0

f1…...fN-1}假设f0

为0，当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：PeaktoAveragePowerRatio正交性的作用(1)提高信道的利用率67图3.27OFDM符号频谱结构(经过矩形脉冲成型)正交性的作用(2)68图3.28OFDM通信系统的基带模型保证收端可以无混淆地分离各路信号OFDM的FFT/IFFT快速实现连续信号：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3.29OFDM通信系统的快速实现基带模型引入保护间隔无保护间隔加保护间隔三月24第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术71OFDM1OFDM2OFDM1OFDM2存在ISI、ICIISI:InterSymbolInterferenceICI：InterCarrierInterferenceGIDataGIData消除ISI但存在ICI不发送信号循环前缀的引入三月24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:CyclicPrefix消除ISI但存在ICI克服ISI、ICISC1SC2SC2withdelay循环前缀的引入(2)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……….630156………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