第3章移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)(3)

1、移動(dòng)通信原理與系統(tǒng)移動(dòng)通信原理與系統(tǒng)1/48第三章第三章 移動(dòng)通信的編碼移動(dòng)通信的編碼和調(diào)制技術(shù)和調(diào)制技術(shù) 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)實(shí)驗(yàn)安排：實(shí)驗(yàn)一： 4月24（星期三）：1-2節(jié)2A小班，3-4節(jié)1A小班 4月26（星期五）：1-2節(jié)1B小班，3-4節(jié)2B小班實(shí)驗(yàn)二： 5月8（星期三）：1-2節(jié)2A小班，3-4節(jié)1A小班 5月10（星期五）：1-2節(jié)1B小班，3-4節(jié)2B小班2/37第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)3/37實(shí)驗(yàn)三： 6月5（星期三）：1-2節(jié)2A小班，3-4節(jié)1A小班 6月7（星期五）：1-2節(jié)1B小班，3-4節(jié)2B小班實(shí)驗(yàn)四： 6月12（星期三）：1-2節(jié)2A小

2、班，3-4節(jié)1A小班 6月14（星期五）：1-2節(jié)1B小班，3-4節(jié)2B小班第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)4/37第第2章問題：章問題：1、移動(dòng)通信傳播的基本特性？2、什么是多徑衰落？在時(shí)間上引起什么現(xiàn)象？3、自由空間傳播損耗的分貝公式？4、什么是多普勒頻移？計(jì)算公式是什么？在頻率上會(huì)引起什么現(xiàn)象？第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)5/37移動(dòng)通信編碼技術(shù)問題：移動(dòng)通信編碼技術(shù)問題：1、信源編碼的原理是什么？GSM系統(tǒng)的信源編碼器是什么？編碼后的信息速率是多少？2、信道編碼的原理是什么？3、移動(dòng)通信的信號(hào)處理流程？4、信道編碼的分類？分別處理什么情況？第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)6/

3、37移動(dòng)通信編碼技術(shù)補(bǔ)充問題：移動(dòng)通信編碼技術(shù)補(bǔ)充問題：1、GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)采用什么信道編碼方式？2、對(duì)于分組碼（80,70）,它的編碼效率是多少？3、請(qǐng)畫出對(duì)長度為128bit的信息進(jìn)行交織編碼的簡略圖？（注：分成8個(gè)組）第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)7/37本章提示本章提示l 有效性：占用盡可能少的信道資源，傳送盡可能多的信源信息。l 可靠性：指在傳輸?shù)倪^程中，抵抗各類客觀、自然干擾的能力。l 安全性：在傳輸中的安全保密性能，即發(fā)端防偽造、篡改、收端防竊聽的能力等。頻段、時(shí)隙頻段、時(shí)隙和功率和功率第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)8/37本章提示本章提示編碼技術(shù)編碼技術(shù)l 蜂窩移動(dòng)通

4、信系統(tǒng)由于頻率資源受限，一般信源編碼技術(shù)如PCM、ADPCM、 M等，因?yàn)榫幋a速率高而未被采用。蜂窩移動(dòng)通信均采用13kbit/s以下低速率語音編碼。l 信道編碼是以增加傳輸碼元冗余度，降低有效碼元傳輸速率為代價(jià)，以犧牲通信的有效性換取通信的可靠性。第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)9/37本章提示本章提示編碼技術(shù)編碼技術(shù)l 突發(fā)性干擾是快衰落在衰落深度和持續(xù)時(shí)間較長的情況下，對(duì)信號(hào)造成成串的錯(cuò)誤，用一般信道編碼方法很難糾錯(cuò)；只能用交織技術(shù)將成串的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換成隨機(jī)差錯(cuò)后，再用信道編碼方法糾錯(cuò)。第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)10/37本章提示本章提示編碼技術(shù)編碼技術(shù)l Turbo碼是近年來倍受

5、矚目的一項(xiàng)新技術(shù)。雖然它的復(fù)雜性、譯碼時(shí)延對(duì)有些應(yīng)用帶來困難（例如對(duì)實(shí)時(shí)語音），但它是目前已知的可實(shí)現(xiàn)的好的編碼技術(shù)之一。 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)11/37要掌握的名詞解釋要掌握的名詞解釋 FSK: Frequency Shift Keying,移頻鍵控移頻鍵控 GMSK：Gaussian-filtered Minimum Shift Keying,高斯濾波最小移位鍵控高斯濾波最小移位鍵控 PSK：Phase Shift Keying,移相鍵控 QPSK：Quaternary Phase Shift Keying,四相相移鍵控 PCM：Pulse Code Modulation,脈

6、碼調(diào)制OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復(fù)用正交頻分復(fù)用第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)12/37第第3 3章章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)3.1 概述3.2 編碼技術(shù)3.3 調(diào)制技術(shù) 3.4 擴(kuò)頻技術(shù)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)13/373.1 概述3.2 編碼技術(shù)3.2.1 信源編碼3.2.2 信道編碼3.2.3 交織編碼3.3 調(diào)制技術(shù) 3.4 擴(kuò)頻技術(shù)第第3章章 移動(dòng)通信的編碼和調(diào)制技術(shù)移動(dòng)通信的編碼和調(diào)制技術(shù)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)14/373.1 概述3.2 編碼技術(shù)3

7、.3 調(diào)制技術(shù) 3.3.1 調(diào)制與解調(diào)技術(shù)3.3.2 FSK調(diào)制3.3.3 高斯最小移頻鍵控（GMSK）3.3.4 QPSK調(diào)制技術(shù)3.4 擴(kuò)頻技術(shù)第第3章章 移動(dòng)通信的編碼和調(diào)制技術(shù)移動(dòng)通信的編碼和調(diào)制技術(shù)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)15/373.1 概述概述 第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G）因其容量小，語音質(zhì)量不高，保密性差，不能提供非話業(yè)務(wù)，限制了模擬系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。1991年，GSM900MHz數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)在歐洲問世，從此，移動(dòng)通信跨入了第二代（2G）。 本文的主要研究對(duì)象為第二代移動(dòng)通信（GSM），以下內(nèi)容中移動(dòng)通信即代表第二代移動(dòng)通信，即蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。第3章 移動(dòng)

8、通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)16/37 GSM系統(tǒng)傳輸與處理的信號(hào)主要是語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，涉及的主要信號(hào)流程如圖3-1所示。移動(dòng)通信信號(hào)處理流程 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)17/37信道編碼信源編碼TDMA幀形成調(diào)制功率放大信道解碼信源解碼TDMA幀分離解調(diào)放大圖3-1 移動(dòng)通信信號(hào)處理流程 模擬模擬信號(hào)信號(hào)a) 語音發(fā)送b) 語音接收語音編碼語音編碼數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)信號(hào)移動(dòng)臺(tái)甲移動(dòng)臺(tái)甲基站基站第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)18/373.2.1 信源編碼信源編碼別廢話，揀主要的說別廢話，揀主要的說 使用信源編碼的目的l 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信源編碼主要指 語音編碼。壓縮信源產(chǎn)生的冗余信息，降低開

9、銷，提高傳輸?shù)挠行?。歷數(shù)移動(dòng)通信中的信源編碼技術(shù)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)19/37移動(dòng)通信系統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)的信源編碼信源編碼n信源編碼方式2.5G、3G和和4G2G(GSM)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)20/371、GSM系統(tǒng)的語音編碼系統(tǒng)的語音編碼 由于GSM系統(tǒng)是一種全數(shù)字系統(tǒng)， 語音或其它信號(hào)都要進(jìn)行數(shù)字化處理， 因而第一步要把語音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（即1和0的組合）。 語音信號(hào)有多種編碼方式， 但最基本的是脈沖編碼調(diào)制PCM。 典型的脈沖編碼調(diào)制電路組成如圖3-2所示。A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)21/37圖3-2 脈沖編碼調(diào)制（PCM）電路

10、組成 PCM編碼是采用A律波形編碼， 分為三步： 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)22/37 語音編碼技術(shù)通常分為三類：波形編碼、聲源編碼（或參量編碼）和混合編碼。 波形編碼波形編碼的目的在于盡可能精確地再現(xiàn)原來的語音波形。 聲源編碼聲源編碼是將語音信息用特定的聲源模型表示。 混合編碼混合編碼把波形編碼的高質(zhì)量和聲碼器的高效壓縮性融為一體，尤其在16bit/s8kbit/s范圍內(nèi)達(dá)到了良好的語音質(zhì)量。第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)23/37l波形編碼器語音質(zhì)量較高， 但要求的比特速率相應(yīng)的較高。 l聲碼器編碼可以是很低的速率（可以低于5 kbs）， 雖然不影響語音的可懂性， 但語音的失真

11、很大， 很難分辨是誰在講話。 l因此GSM系統(tǒng)語音編碼器是采用聲碼器和波形編碼器的混合物混合編碼器， 全稱為規(guī)則脈沖長期預(yù)測(cè)編碼（RPE-LTP編碼器）， 見圖3-3。 GSM系統(tǒng)使用的編碼器系統(tǒng)使用的編碼器第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)24/37圖3-3 GSM語音編碼器框圖 聲碼器聲碼器波形編碼器波形編碼器模擬語音的模擬語音的數(shù)字編碼數(shù)字編碼第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)25/37從GPRS開始，引入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 常用的圖像編碼方案：JPEG、JPEG2000、H.261、H.263等 常用的視頻編碼方案：MPEG-1、 MPEG-2、 MPEG-4、 H.2642、圖像視頻編碼、圖像

12、視頻編碼第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)26/37n信道編碼與信源編碼的區(qū)別：圖 信源編碼與信道編碼3.2.2 信道編碼信道編碼第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)27/373.2.2 信道編碼（續(xù)）信道編碼（續(xù)） 使用信道編碼的目的l 可以降低信道隨機(jī)的差錯(cuò)。 信道編碼的實(shí)現(xiàn)l 信道編碼是通過在發(fā)送信息時(shí)加入冗余的數(shù)據(jù)位來改善信道鏈路的性能的。 分類l 分組編碼l 卷積編碼第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)28/37一、一、 信道編碼原理信道編碼原理 對(duì)于加性高斯白噪聲信道，額定帶寬為B(Hz)、接收信號(hào)功率為P(W)及噪聲譜密度為 P(W/Hz)，其信道容量可由下面的香農(nóng)公式給出：C =

13、B220log1log1PBN BNS （5-1） 帶寬帶寬信噪比信噪比第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)29/37一、一、 信道編碼原理（續(xù)）信道編碼原理（續(xù)）l 信道編碼是通過增加相關(guān)的冗余數(shù)據(jù)來提高系統(tǒng)性能，也就是以增加傳輸帶寬為代價(jià)來取得編碼增益的。犧牲有效性犧牲有效性提高可靠性提高可靠性第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)30/37 信道編碼：在發(fā)射機(jī)的基帶部分，信道編碼器按照某種確定的約束規(guī)則，把一段數(shù)字信息映射成另一段包含更多數(shù)字比特的碼序列，然后把已被編碼的碼序列進(jìn)行調(diào)制以便在無線信道中傳送。 信道譯碼：接收機(jī)可以用信道編碼的約束規(guī)則來檢測(cè)或糾正由于在無線信道中傳輸而引入的一部分

14、或全部的誤碼。 用于檢測(cè)錯(cuò)誤的信道編碼稱做檢錯(cuò)編碼；可糾錯(cuò)的信道編碼被稱做糾錯(cuò)編碼。第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)31/37 為了便于理解， 我們舉一個(gè)簡單的例子加以說明。 假定要傳輸?shù)男畔⑹且粋€(gè)“0”或是一個(gè)“1”， 為了提高保護(hù)能力， 各添加3個(gè)比特： 信息 添加比特 發(fā)送比特 例子：例子：0 01 11111110000000000000011111111+ +第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)32/37 對(duì)于每一比特(0或1)， 只有一個(gè)有效的編碼組(0000或1111)。 如果收到的不是0000或1111， 就說明傳輸期間出現(xiàn)了差錯(cuò)。 比例關(guān)系是1 4， 必須發(fā)送的是該信息所需要

15、的4倍的比特。 保護(hù)作用如何? 接收編碼組可能為： 判決結(jié)果： 00000000001000100110011001110111 111111110 00 0X1 11 1第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)33/37移動(dòng)通信系統(tǒng)中，常用到的信道編碼： 奇偶校驗(yàn)碼 重復(fù)碼 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼 分組碼 卷積碼二、信道編碼的分類：二、信道編碼的分類：第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)34/37、奇偶校驗(yàn)碼：、奇偶校驗(yàn)碼：特點(diǎn)：特點(diǎn)：編碼速率較高；只能發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤，不能糾錯(cuò)。編碼過程：編碼過程：把信源編碼后的信息流分成等長碼組；在每一信息組之后加入一位校驗(yàn)碼元。奇校驗(yàn)：奇校驗(yàn)：10110010偶校驗(yàn)：偶

16、校驗(yàn)：10110010101100101101100100第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)35/37、重復(fù)碼：、重復(fù)碼：特點(diǎn)：特點(diǎn)：編碼和解碼速率較高；信道有效利用率低，可檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。編碼過程：編碼過程：將信號(hào)重復(fù)傳幾次。如：如：10110010糾錯(cuò)方法：糾錯(cuò)方法：只要正確傳輸?shù)拇螖?shù)多于傳錯(cuò)次數(shù)，就可少數(shù)服從多數(shù)排除差錯(cuò)。1011001010110010第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)36/37、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）：）：特點(diǎn)：特點(diǎn)：編碼和解碼設(shè)備都中等復(fù)雜；檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力較強(qiáng)。數(shù)據(jù)信息：數(shù)據(jù)信息：M(x)=1101011011生成式：生成式： G(x)=10011R

17、4M(x)/ G(x)= 11010110110000/ 10011余數(shù)：余數(shù)：1110待發(fā)送的編碼：待發(fā)送的編碼： T(x)= 1101011011 1110第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)37/373、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）（續(xù)）：）（續(xù)）：接收信息：接收信息：R(x)= 1101011011 1110生成式：生成式： G(x)=10011R4M(x)/ G(x)= 1101011011 1110 / 10011余數(shù)：為余數(shù)：為0，則接收正確，則接收正確恢復(fù)的數(shù)據(jù)信息為：恢復(fù)的數(shù)據(jù)信息為： M(x)= 1101011011第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)38/374

18、、分組編碼、分組編碼 要使信道編碼具有一定的檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力，必須加入一定的多余碼元。 信息碼元先按組進(jìn)行劃分，然后對(duì)各信息組按一定規(guī)則加入多余碼元，這些附加監(jiān)督碼元僅與本組的信息碼元有關(guān)，而與其他碼組的信息無關(guān)，這種編碼方法稱為分組編碼。 實(shí)現(xiàn)框圖如圖3-5所示：第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)39/37圖3-5 分組編碼原理框圖 分組編碼器分組編碼器信息信息信息信息1冗余冗余1消息組消息組編碼組編碼組信息信息2冗余冗余2不相關(guān)不相關(guān)相關(guān)相關(guān)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)40/37、分組碼的基本描述、分組碼的基本描述二進(jìn)制分組碼編碼器的輸入是一個(gè)長度為k的信息矢量a a=(a1,a2,.

19、ak),它通過一個(gè)線性變換，輸出一個(gè)長度等于n的碼字C C。 GCa式中G G為kn的矩陣，稱作生成矩陣。Rc=k/n稱作編碼率。長度等于k的輸入矢量有2k個(gè)，因此編碼得到的碼字也是2k個(gè)。這個(gè)碼字的集合稱作線性分組碼，即(n, k) 分組碼。對(duì)一個(gè)分組碼的生成矩陣G G，也存在一個(gè)(n-k)n矩陣H H滿足 TGHO1 1n1 1k? ? k kn第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)41/37、分組碼的基本描述（續(xù)）、分組碼的基本描述（續(xù)）H稱作校驗(yàn)矩陣，它也滿足 性質(zhì)：1、漢明距離：兩個(gè)等字符串對(duì)應(yīng)位置的不同字符的個(gè)數(shù)。2、碼的最小距離：任意兩個(gè)碼字之間漢明距離的最小值，表示為dmin。dm

20、in是衡量碼的抗干擾能力（檢、糾錯(cuò)能力）的重要參數(shù)，dmin越大，碼的抗干擾能力就越強(qiáng)。HT OC或檢驗(yàn)碼字是檢驗(yàn)碼字是否有錯(cuò)否有錯(cuò)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)42/37、分組碼的基本描述（續(xù)）、分組碼的基本描述（續(xù)）理論分析表明： （n, k）線性分組碼能糾正t個(gè)錯(cuò)誤的充分必要條件是 （n, k）線性分組碼能發(fā)現(xiàn)接收碼字中l(wèi)個(gè)錯(cuò)誤的充分必要條件是 （n, k）線性分組碼能糾正t個(gè)錯(cuò)誤并能發(fā)現(xiàn)l（l t）個(gè)錯(cuò)誤的充分必要條件是 min1dl min1dtl min12dtmin21dt第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)43/372、編碼效率、冗余度、碼重編碼效率、冗余度、碼重l 在分組碼

21、中，數(shù)據(jù)每k個(gè)信息比特分為一組，k個(gè)信息位與增加的（nk）個(gè)比特組成一個(gè)n比特的碼組（或碼字），這種碼叫做(n，k)分組碼。l 分組中(n-k)/k比值稱為碼的冗余度，k/n比值稱為編碼效率。第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)44/372、編碼效率、冗余度、碼重（續(xù)）、編碼效率、冗余度、碼重（續(xù)） 除編碼效率k/n外，碼字的另一個(gè)重要參數(shù)是碼重，即碼字中非零的碼元數(shù)目。不同類型的分組碼具有不同的特性。l 線性分組碼l 系統(tǒng)碼l 循環(huán)碼碼字中碼字中1的個(gè)數(shù)的個(gè)數(shù)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)45/375、卷積編碼、卷積編碼特點(diǎn)：特點(diǎn)：編碼和編碼設(shè)備簡單，性能高；解碼復(fù)雜。編碼過程：編碼過程：

22、K約束長度：圖例中K4+1=5R編碼效率：圖例中R1/2（1進(jìn)2出）第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)46/37 在GSM系統(tǒng)中， 同時(shí)使用分組編碼和卷積編碼。 首先對(duì)一些信息比特進(jìn)行分組編碼， 構(gòu)成一個(gè)“信息分組+奇偶(校驗(yàn))比特”的形式， 然后對(duì)全部比特做卷積編碼， 從而形成編碼比特。 這兩次編碼適用于語音和數(shù)據(jù)二者， 但它們的編碼方案略有差異。 采用“兩次”編碼的好處是： 在有差錯(cuò)時(shí)，能檢測(cè)的檢測(cè)(利用分組編碼特性)，能校正的校正(利用卷積編碼特性) 。 二次編碼二次編碼第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)47/37 GSM系統(tǒng)首先是把語音分成20 ms的音段， 這20 ms的音段通過語音

23、編碼器被數(shù)字化和語音編碼， 產(chǎn)生260個(gè)比特流， 并被分成： (1) 50個(gè)最重要比特。 （2) 132個(gè)重要比特。 （3) 78個(gè)不重要比特。 如圖3-7所示， 對(duì)上述50個(gè)最重要比特添加3個(gè)檢驗(yàn)比特(分組編碼)， 這53個(gè)比特同132個(gè)重要比特與4個(gè)尾比特一起卷積編碼， 比率比率1 2， 因而得378個(gè)比特， 另外78個(gè)比特不予保護(hù)。378+78=456 信源編碼后的碼速率為13Kb/s二次編碼例子：二次編碼例子：第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)48/37圖3-7 GSM數(shù)字話音的糾錯(cuò)編碼 （53+136）*237813Kb/s13Kb/s* *20ms=260bit20ms=260bi

24、t1:21:2最重要最重要重要重要不重要不重要分組編碼分組編碼分組編碼分組編碼卷積編碼卷積編碼第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)經(jīng)過信道編碼后，20ms語音塊發(fā)送456bit。速率：456*（1s/20ms）=22.8Kbit/s語音編碼（信源編碼）后的速率為13Kbit/s信道編碼后的速率為22.8Kbit/s49/37第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)50/373.2.3 交織技術(shù)交織技術(shù) 信道編碼的作用l 對(duì)信源編碼的數(shù)據(jù)增加一些冗余數(shù)據(jù)，對(duì)信源編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督，以使在接收時(shí)能從接收的數(shù)據(jù)中檢出由于傳送過程中引起的隨機(jī)差錯(cuò)從而進(jìn)行糾錯(cuò)。 交織技術(shù)的作用l 對(duì)付在傳輸過程中產(chǎn)生的連續(xù)突發(fā)

25、的干擾。第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)51/37第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)52/37第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)53/37第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)54/37第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)55/37交織技術(shù)原理交織技術(shù)原理 假定由一些4比特組成的消息分組， 把4個(gè)相繼分組中的第1個(gè)比特取出來， 并讓這4個(gè)第1比特組成一個(gè)新的4比特分組， 稱作第一幀， 4個(gè)消息分組中的比特24， 也作同樣處理， 如圖3-8所示。 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)56/37圖3-8 交織原理 進(jìn)行分組進(jìn)行分組1 1幀幀結(jié)論：打亂正常順序結(jié)論：打亂正常順序進(jìn)行傳輸進(jìn)行傳輸?shù)?章 移動(dòng)

26、通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)57/37GSM系統(tǒng)中交織方式系統(tǒng)中交織方式例子： 話音編碼器和信道編碼器將每一20 ms語音數(shù)字化并編碼， 提供456個(gè)比特。 首先對(duì)它進(jìn)行內(nèi)部交織， 即將456個(gè)比特分成8幀， 每幀57比特， 見圖3-9。 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)58/37圖3-9 GSM 20 ms話音編碼交織 123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 45620ms20ms信息糾錯(cuò)編碼后數(shù)據(jù)信息糾錯(cuò)編碼后數(shù)據(jù)456bit456bit進(jìn)行分組，分為M57組，每組N8位第第1 1幀幀第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)59/

27、37交織技術(shù)特點(diǎn)交織技術(shù)特點(diǎn) 任何長度lM的突發(fā)差錯(cuò)，經(jīng)交織后成為至少被N1位隔開后的一些單個(gè)獨(dú)立差錯(cuò)。 完成交織與去交織變換在不計(jì)信道時(shí)延條件下，將產(chǎn)生2MN個(gè)符號(hào)的時(shí)延，其中發(fā)、收端各占一半。第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)60/37l 什么是調(diào)制？l 將低頻信號(hào)的頻譜搬移到較高的載波頻率上l 為什么要調(diào)制？l 低頻語音信號(hào)無法傳播很遠(yuǎn)距離l 天線尺寸要與信號(hào)波長匹配l 移動(dòng)通信的頻譜資源在高頻上3.3.1 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)61/37l 模擬調(diào)制：用模擬調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的頻率、相位以及幅度等。l FM 、PM 、AMl 數(shù)字調(diào)制：用數(shù)字信號(hào)來調(diào)

28、制某一高頻率的正弦或脈沖載波，使已調(diào)信號(hào)能通過帶限信道傳輸。l ASK、FSK、PSK、QPSK等3.3.1 調(diào)制與解調(diào)（續(xù)）調(diào)制與解調(diào)（續(xù)）第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)62/37 語音調(diào)制信號(hào) 人的耳朵能夠聽到語音的頻率在2020 000 Hz的范圍內(nèi)。 一般認(rèn)為只要有3003400 Hz， 就足以表達(dá)說話的內(nèi)容了。 聲音范圍的頻率被稱作低頻或音頻。第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)63/37 常用的數(shù)字調(diào)制方式：l 頻移鍵控，F(xiàn)SKl 相移鍵控，BPSKl 四相鍵控，QPSKl 高斯最小頻移鍵控，GMSK第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)64/37圖3-10 FSK基本原理示意圖 調(diào)

29、制信號(hào)調(diào)制信號(hào)0 0和和1 1載波信號(hào)載波信號(hào)FSK的輸入信號(hào)是從哪里出來的？頻移鍵控FSK的基本原理如下圖所示。 3.3.2 FSK調(diào)制調(diào)制第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)65/37 傳送編碼為10001101， 其工作波形示意如圖3-11所示。 從圖中可以看出， FSK調(diào)制相當(dāng)于D/A變換， 經(jīng)過調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)變成了f1、 f2二值頻率變化， 顯然， 這個(gè)信號(hào)具有模擬信號(hào)的特點(diǎn)。 完成頻移鍵控后， 接收端如何解調(diào)出這個(gè)二進(jìn)制碼呢？FSK解調(diào)如圖3-12所示。 例子：例子：第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)66/37圖3-11 FSK波形示意圖 f1f1f2f2調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)已調(diào)信號(hào)已

30、調(diào)信號(hào)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)67/37圖3-12 FSK解調(diào) 中心頻率為中心頻率為f1f1中心頻率為中心頻率為f2f2第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)68/37帶通濾波器帶通濾波器f1f1f1f1f2f2判決：判決：1 1接收：接收：1 11 11 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1信源信息：信源信息：帶通濾波器帶通濾波器f2f2判決：判決：0 0 0 0 0 00 0合并：合并： 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)69/373.3.3 高斯最小移頻鍵控（高斯最小移頻鍵控（GMSK）

31、在數(shù)字調(diào)制技術(shù)中，其中應(yīng)用最多的是最小頻移鍵控MSK、 平滑調(diào)頻TFM、 高斯最小頻移鍵控GMSK。 GSM系統(tǒng)采用高斯最小頻移鍵控GMSK。 GMSK與FSK不同之處是： （1） 在調(diào)制時(shí)， 使高、 低電平所調(diào)制的兩個(gè)頻率f1、 f2盡可能接近， 即頻移最小， 這樣可節(jié)省頻帶。 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)70/37 （2） GMSK調(diào)制可以控制相位的連續(xù)性， 在每個(gè)碼元持續(xù)期Ts內(nèi)， 頻移恰好引起/2的相位變化。 （3） 在MSK之前加入了高斯濾波器， 因其濾波特性與高斯曲線相似， 故以此相稱。 GMSK信號(hào)產(chǎn)生原理如圖3-13所示。 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)71/37圖3

32、-13 GMSK信號(hào)產(chǎn)生原理 單極性碼單極性碼第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)72/373.3.4 QPSK調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)一、二相調(diào)制一、二相調(diào)制BPSK BPSK 二、四相調(diào)制二、四相調(diào)制QPSK QPSK 三、偏移三、偏移QPSKQPSKOQPSKOQPSK第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)73/37一、一、 二相調(diào)制二相調(diào)制BPSKBPSK1.1.二相調(diào)制信號(hào)二相調(diào)制信號(hào)S SBPSKBPSK( (t t) ) 在二進(jìn)制相位調(diào)制中，二進(jìn)制的數(shù)據(jù)bk=1可以用相位不同取值表示，例如 ( )cos(1)BPSKckbbsttkTtkT 其中011kkkbb 由于cos()coscctt

33、，所以BPSK信號(hào)一般也可以表示為 ( )( )cosBPSKcstb tt第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)74/37一、一、 二相調(diào)制二相調(diào)制BPSKBPSK（續(xù)）（續(xù)） 設(shè)二進(jìn)制的基帶信號(hào)b(t)的波形為雙極性NRZ碼,BPSK信號(hào)的波形如圖3.22所示。 00Tb0ttt-1+A-A+A-A+1b(t)s2PSK(t)cosAt10110圖 3.22 BPSK波形調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)載波信號(hào)載波信號(hào)已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)75/37一、一、 二相調(diào)制二相調(diào)制BPSKBPSK（續(xù)）（續(xù)）功率譜功率譜 BPSK 信號(hào)是一種線性調(diào)制，當(dāng)基帶波形為NRZ碼時(shí)，其功率譜如圖

34、3.23所示。 如圖，基帶波形為如圖，基帶波形為NRZNRZ碼時(shí)碼時(shí) BPSKBPSK信號(hào)有較大的副瓣，副瓣的總功率信號(hào)有較大的副瓣，副瓣的總功率約占信號(hào)的總功率約占信號(hào)的總功率10%10%，帶外輻射嚴(yán)重。，帶外輻射嚴(yán)重。 為了減小帶外輻射，可考慮用為了減小帶外輻射，可考慮用M M進(jìn)制代替二進(jìn)制。進(jìn)制代替二進(jìn)制。圖 3.23 NRZ基帶信號(hào)的BPSK信號(hào)功率譜 -40-30-20-100fcfc+Rbfc+2Rbfc-2Rbfc-RbdB第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)76/371、QPSK調(diào)制原理調(diào)制原理 QPSK又叫四相絕對(duì)相移調(diào)制，它是一種正交相移鍵控。QPSK利用載波的四種不同相位來

35、表征數(shù)字信息。由于每一種載波相位代表兩個(gè)比特信息，因此，對(duì)于輸入的二進(jìn)制數(shù)字序列應(yīng)該先進(jìn)行分組，將每兩個(gè)比特編為一組，然后用四種不同的載波相位來表征，原理框圖如圖3-15所示：二、二、 四相相移鍵控四相相移鍵控QPSKQPSK第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)77/37圖3-15 QPSK調(diào)制器原理框圖同相支路同相支路I I正交支路正交支路Q Q第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)78/37QPSK的調(diào)制器可以看作是由兩個(gè)BPSK調(diào)制器構(gòu)成，輸入的串行二進(jìn)制信息序列經(jīng)過串行變換，變成兩路速率減半的序列，電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性的二電平信號(hào)I（t）和Q（t），然后對(duì)Acost和Asint進(jìn)行調(diào)制，

36、相加后即可得到QPSK信號(hào)。第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)79/37圖3-16 二進(jìn)制碼經(jīng)串并變換后的碼型調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)串并轉(zhuǎn)換串并轉(zhuǎn)換第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)80/37二、二、 四相調(diào)制四相調(diào)制QPSKQPSKQPSKQPSK信號(hào)的功率譜和帶寬信號(hào)的功率譜和帶寬正交調(diào)制產(chǎn)生QPSK信號(hào)實(shí)際上是把兩個(gè)BPSK信號(hào)相加。它們有相同的功率相同的功率譜譜 ，帶寬也為B=Rb。頻帶效率B/Rb則提高為1。已調(diào)信號(hào)功率譜的副瓣仍然很大 ，在兩個(gè)支路加入升余弦特性低通濾波器(如圖3.29)，以減小已調(diào)信號(hào)的副瓣。 圖 3-28 QPSK的限帶傳輸I(t)ak,bksQPSK(t)S/Pco

37、sctSQ(t)-+SI(t)LPFsinctLPFQ(t)圖 3-29 升余弦濾波特性0sT21sT2112sTsT2)1 (sT2)1 (sT21Tsf)(fHrcTs/2第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)81/37QPSK解調(diào)原理解調(diào)原理 由于QPSK可以看作是兩個(gè)正交2PSK信號(hào)的合成，故它可以采用與2PSK信號(hào)類似的解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)，即由兩個(gè)2PSK信號(hào)相干解調(diào)器構(gòu)成，其原理框圖如圖3-17所示。二、二、 四相相移鍵控四相相移鍵控QPSKQPSK（續(xù)）（續(xù)）第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)82/37圖 QPSK解調(diào)器原理框圖Asin(wt)Asin(wt)Acos(wt)Acos(

38、wt)第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)83/37三、三、 偏移偏移QPSKQPSK（OQPSKOQPSK）把QPSK兩個(gè)正交支路的碼元時(shí)間上錯(cuò)開Ts/2=Tb，這樣每經(jīng)過Tb時(shí)間，只有一個(gè)支路的符號(hào)發(fā)生變化，因此相位的跳變就被限制在90，減小了信號(hào)包絡(luò)的波動(dòng)幅度。功率譜和帶寬效率不變。調(diào)制原理圖和相位跳變路徑為： 圖 3-34 OQPSK信號(hào)相位跳變路徑IQ+1+1-1-1S/PTbLPFLPFcosctsinct+- -SOQPSK(t)輸入數(shù)據(jù)圖 3-35 OQPSK調(diào)制器原理圖第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)84/373.3.5 擴(kuò)頻技術(shù)（擴(kuò)頻技術(shù)（P150） 基本原理定義：擴(kuò)頻通信

39、方式是將數(shù)字基帶信號(hào)擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶進(jìn)行傳輸?shù)囊环N調(diào)制方式。 實(shí)現(xiàn) 在發(fā)送端，使用比信息速率高很多倍的偽隨機(jī)碼來擴(kuò)展數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜，形成低功率譜密度、寬帶的信號(hào)來發(fā)送； 在接收端，使用同步后的偽隨機(jī)碼進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)出窄帶的有用信號(hào)，從而減少噪聲對(duì)信號(hào)的影響。第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)85/37 優(yōu)點(diǎn) 該調(diào)制方式具有多種優(yōu)點(diǎn)：抗干擾、抗衰落以及通信的隱蔽性等，最初用于軍事通信。 移動(dòng)通信的碼分多址方式（CDMA）就是建立在擴(kuò)頻通信的基礎(chǔ)上。 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)86/373.4 擴(kuò)擴(kuò) 頻頻 通通 信信3.4.1 偽噪聲偽噪聲(PN)序列序列13.4.2 擴(kuò)頻通信原理

40、擴(kuò)頻通信原理 2第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)87/373.4.1 偽噪聲（偽噪聲（PN）序列）序列m m序列的功率譜序列的功率譜m m序列的隨機(jī)性質(zhì)序列的隨機(jī)性質(zhì)序列的產(chǎn)生序列的產(chǎn)生偽噪聲序列第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)88/37序列的產(chǎn)生序列的產(chǎn)生偽噪聲序列（PN序列）具有類似隨機(jī)噪聲的一些統(tǒng)計(jì)特性，但和真正的隨機(jī)信號(hào)不同，它可以重復(fù)產(chǎn)生和處理，故稱作偽隨機(jī)噪聲序列。PN序列有多種，最常用的一種是最長線性反饋移位寄存器序列，也稱作m序列。由m級(jí)寄存器構(gòu)成的線性移位寄存器如下圖： 初值初值！初值！初值不為不為0 0第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)89/37m序列的隨機(jī)性質(zhì)序列的隨

41、機(jī)性質(zhì)（1）m序列的隨機(jī)特性： 平衡特性在m序列的一個(gè)完整周期N=2m-1內(nèi)，0的個(gè)數(shù)和1的個(gè)數(shù)總是相差為1。 相關(guān)特性 m序列的自相關(guān)函數(shù)是周期的二值函數(shù)。可以證明，對(duì)長度為N的m序列都有結(jié)果。 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)90/37m序列的隨機(jī)性質(zhì)序列的隨機(jī)性質(zhì)（2）,10,1,2, .( )1a anl NlRnnN 其余n和Ra,a(n)都是取離散值, 下圖是N=7的自相關(guān)函數(shù)曲線 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)91/37m序列的功率譜序列的功率譜（1）m序列的信號(hào)是一個(gè)周期信號(hào)，所以其功率譜是一個(gè)離散譜， 222011( )=( )sincncnNnnP fffNNTNN圖

42、4.45(a)給出了N=7的m(t)的功率譜特性。圖4.45(b)給出了一些功率譜包絡(luò)隨N變化的情況。可以看出在序列周期T保持不變的情況下，隨著N的增加，m(t)的碼片Tc=T/N變短，脈沖變窄，頻譜變寬，譜線變短。包絡(luò)包絡(luò)譜線譜線第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)92/37m序列的功率譜序列的功率譜（2）第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)93/373.4.2 擴(kuò)頻通信原理擴(kuò)頻通信原理擴(kuò)頻和解擴(kuò)直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾的能力 第3章 移動(dòng)通信中的編碼和調(diào)制技術(shù)94/37一、擴(kuò)頻與解擴(kuò)一、擴(kuò)頻與解擴(kuò)采用2PSK系調(diào)制的直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)如圖4.46所示。 b(t)和c(t)相乘的結(jié)果使攜帶信息的基帶信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展到近似為c(t)的帶寬Bc。擴(kuò)展的倍數(shù)就等于基帶周期的碼片數(shù)： cbbcBTNBT擴(kuò)頻擴(kuò)頻調(diào)制調(diào)制解擴(kuò)解擴(kuò)解調(diào)解調(diào)恢復(fù)恢復(fù)信號(hào)信號(hào)基帶基帶信號(hào)信號(hào)PN