移動通信中的信源編碼和調(diào)制解調(diào)技術(shù)v

第三章移動通信中的信源編碼和調(diào)制技術(shù)3.1

概述3.2

信源編碼3.3最小移頻鍵控MSK3.4高斯最小移頻鍵控GMSK3.5QPSK調(diào)制3.6高階調(diào)制3.7正交頻分復(fù)用3.1概述

調(diào)制就是對消息源信息進行編碼的過程，其目的就是使攜帶信息的信號與信道特性相匹配以及有效的利用信道。

多徑衰落、多普勒頻率擴展；日益增加的用戶數(shù)目，無線信道頻譜的擁擠這些因素對調(diào)制方式的選擇都有重大的影響。信源編碼將信源中的冗余信息進行壓縮，減少傳遞信息所需的帶寬資源，這對于頻譜有限的移動通信系統(tǒng)而言是至關(guān)重要的。影響調(diào)制方式的選擇的主要因素頻帶利用率：在數(shù)字調(diào)制中，常用帶寬效率ηb

來表示它對頻譜資源的利用效率，它定義為ηb

＝Rb/B,其中Rb為比特速率，B為無線信號的帶寬。功率效率:指保持信息精確度的情況下所需的最小信號功率（或者說最小信噪比）

已調(diào)信號恒包絡(luò)易于解調(diào)帶外輻射：一般要求達到-60到-70dB

在移動通信系統(tǒng)中，采用何種調(diào)制方式，要綜合考慮上述各種因素。

要求信源編碼的原理和應(yīng)用；在蜂窩移動通信中對調(diào)制解調(diào)技術(shù)的要求；頻移鍵控信號的相位連續(xù)性對信號功率譜的影響；MSK和GMSK信號特點和功率譜特性；QPSK、OQPSK和-QPSK信號特點和功率譜特性；傳輸系統(tǒng)的非線性對各種QPSK信號的影響。3.2信源編碼3.2.1信源編碼的基本概念3.2.2移動通信中的信源編碼3.2.3移動通信中的信源編碼舉例3.2.1信源編碼的基本概念在數(shù)字系統(tǒng)中，信源編碼的基本目的就是通過壓縮信源產(chǎn)生的冗余信息來提高整個傳輸鏈路的有效性。信息的冗余來自兩個主要的方面：首先是信源的相關(guān)性和記憶性。這類降低信源相關(guān)性和記憶性編碼的典型例子有預(yù)測編碼、變換編碼等。其次是信宿對信源失真有一定的容忍程度。這類編碼的直接應(yīng)用有很大一部分是在對模擬信源的量化上，或連續(xù)信源的限失真編碼?？梢园研旁淳幋a看成是在有效性和傳遞的信息完整性（質(zhì)量）之間的一種折中手段。3.2.2移動通信中的信源編碼

移動通信中的信源編碼與有線通信不同，它不僅需要對信息傳輸有效性進行保障，還應(yīng)該與其他一些系統(tǒng)指標(biāo)密切相關(guān)，例如容量、覆蓋和質(zhì)量。以GSM為例說明。

以GSM系統(tǒng)中普通的全速率和半速率話音編碼來說，其速率分別為9.6kbps和4.8kbps，前者的話音質(zhì)量好于后者，但占用的系統(tǒng)資源是后者的兩倍左右。當(dāng)系統(tǒng)的覆蓋不是限制因素時，使用半速率編碼可以犧牲質(zhì)量換取倍增的容量，即提高系統(tǒng)的有效性。而當(dāng)系統(tǒng)的容量相對固定時，可以通過使用半速率編碼犧牲質(zhì)量換取覆蓋的增加，因為半速率編碼對于接收信號質(zhì)量的要求降低了。3.2.2移動通信中的信源編碼

除此之外移動通信中的信源編碼的設(shè)計和實現(xiàn)還要考慮其他一些因素。

由于移動終端是由電池供電，其運算處理能力有限，因此信源編譯碼就要在保證質(zhì)量的前提下盡可能地降低復(fù)雜度。另外考慮到信宿處理能力的差異，編碼后的數(shù)據(jù)流應(yīng)該包含不同質(zhì)量等級的信息，以適應(yīng)不同終端的需求?？紤]到移動信道的差錯特性和一些話音、多媒體業(yè)務(wù)的實時性，這類業(yè)務(wù)通常要求移動通信中的信源編碼能夠容忍一定的差錯而無需復(fù)雜的重傳。3.2.3移動通信中的信源編碼舉例2G/3G中的話音信源編碼

2G/3G中的話音信源編碼的基本原理是相同的，都采用了矢量量化和參數(shù)編碼的方式。1.IS-95中的變速率碼激勵線性預(yù)測編碼（CELP）

IS-95中的CELP技術(shù)通過四個等級的變速率編碼實現(xiàn)話音激活，即使用者發(fā)聲時進行全速率（9.6kbps）編碼，而不發(fā)聲時僅僅傳遞八分之一（1.2kbps）的背景噪聲，以降低功耗和對其他用戶的干擾。2.GPRS/WCDMA中的自適應(yīng)多速率編碼（AMR）

AMR的基本原理是根據(jù)環(huán)境或應(yīng)用需求的變化動態(tài)調(diào)整編碼速率，例如在信道條件惡化時，降低編碼速率，通過犧牲話音品質(zhì)以拿出更多的無線資源用于更可靠的信道編碼以保證基本的語音可懂，而在信道條件好的時候則采用較高的編碼速率保證話音品質(zhì)。3.2.3移動通信中的信源編碼舉例3.CDMA2000演進系統(tǒng)中的可選擇模式語聲編碼（SMV）

SMV用于CDMA2000演進系統(tǒng)中，其基本原理與前述兩種基本相同，它也是可變速率的，從速率等級上看與IS-95中的CELP一樣，有9.6kbps、4.8kbps、2.4kbps、1.2kbps四種，不同的是，SMV允許有四種模式供系統(tǒng)側(cè)選擇，即Mode0（高品質(zhì)模式）、Mode1（標(biāo)準(zhǔn)模式）、Mode2（經(jīng)濟模式）、Mode3（容量節(jié)省模式），不同的模式實現(xiàn)不同程度的話音質(zhì)量和平均速率的折中，通過調(diào)整不同等級速率所占的比例實現(xiàn)不同的模式，從而調(diào)整平均數(shù)據(jù)速率。3G系統(tǒng)中的視頻信源編碼H.264

在3GPP的R6、R7以及3GPP2的高演進版本中，視頻通信業(yè)務(wù)采用了H.264/AVC（高級視頻編碼）視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。3.2.3移動通信中的信源編碼舉例3G系統(tǒng)中的視頻信源編碼H.264

H.264從某種程度上看是MPEG的擴展。在H.264中，一幅圖像可編碼成一個或者若干個片（slice，此處與幀的含義相同），每個slice包含整數(shù)個MB（MacroBlock），相當(dāng)于一個完整圖像中的不同區(qū)域，編碼片（slice）共有5中不同的類型，包括I片、B片、P片、SP片、SI片，SP和SI介于I與P之間，但考慮了更多數(shù)據(jù)片之間的相關(guān)性，進一步壓縮了數(shù)據(jù)速率。

NAL的工作模式分為SSM（孤立片模式）和DPM（數(shù)據(jù)分區(qū)模式），如圖3.1所示。在SSM中，屬于同一數(shù)據(jù)片的所有編碼信息在一個RTP數(shù)據(jù)包中通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。在DPM中，每個slice中的MB間彼此聯(lián)系，利用相鄰MB存在空間相關(guān)性來進行幀內(nèi)預(yù)測編碼。將圖像數(shù)據(jù)分成動態(tài)矢量數(shù)據(jù)（即基本層，需要更好的差錯保護）以及剩余的信息。3.2.3移動通信中的信源編碼舉例圖3.1H.264網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)層NAL工作模式示意圖每個數(shù)據(jù)片的編碼視頻信息首先被分割成三部分并分別放到A、B、C數(shù)據(jù)分區(qū)中，每個數(shù)據(jù)分區(qū)中包含的信息被分別封裝到相應(yīng)的RTP數(shù)據(jù)包中通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。其中，PartA中包含最重要的slice頭信息，MB頭信息，以及動態(tài)矢量信息；PartB中包含幀內(nèi)和SI片宏塊的編碼殘差數(shù)據(jù)，能夠阻止誤碼繼續(xù)傳播；PartC中包含幀間宏塊的編碼殘差數(shù)據(jù)，幀間編碼數(shù)據(jù)塊的編碼方式信息和幀間變換系數(shù)。３.3最小移頻鍵控MSK3.3.1相位連續(xù)的FSK

3.3.2MSK信號的相位路徑、頻率及功率譜3.3.1相位連續(xù)的FSK2FSK信號

設(shè)要發(fā)送的數(shù)據(jù)為ak=±1,碼元長度為Tb。在一個碼元時間內(nèi)，它們分別用兩個不同頻率f1,f2的正弦信號表示，例如:式中

,定義載波角頻率(虛載波)為：ω1,ω2對ωc

的角頻偏為：

3.3.1相位連續(xù)的FSK定義調(diào)制指數(shù)h:根據(jù)ak,h,Tb可以重寫一個碼元內(nèi)2FSK信號表達式:式中

稱作附加相位。

3.3.1相位連續(xù)的FSK附加相位是t的線性函數(shù)，其中斜率為,截距為，其特性如圖3.2

產(chǎn)生2FSK信號兩種不同的方法：開關(guān)切換方法（相位不連續(xù)）和調(diào)頻（相位連續(xù)），如圖3.33.3.1相位連續(xù)的FSK

所謂相位連續(xù)是指不僅在一個碼元持續(xù)期間相位連續(xù)，而且在從碼元ak-1到ak轉(zhuǎn)換的時刻kTb，兩個碼元的相位也相等，即即這樣就要求滿足關(guān)系式:

3.3.1相位連續(xù)的FSK

即要求當(dāng)前碼元的初相位由前一碼元的初相位、當(dāng)前碼元ak和前一碼元ak-1來決定。這關(guān)系就是相位約束條件。這兩種相位特性不同的FSK信號波形如圖3.4所示。3.3.1相位連續(xù)的FSK

由圖3.4可以看出，相位不連續(xù)的2FSK信號在碼元交替時刻，波形是不連續(xù)的，而CPFSK信號是連續(xù)的，這使得它們的功率譜特性很不同。圖3.5分別是它們的功率譜特性例子。3.3.1相位連續(xù)的FSK

可以發(fā)現(xiàn)，在相同的調(diào)制指數(shù)h情況下，CPFSK的帶寬要比一般的2FSK帶寬要窄。這意味著前者的頻帶效率要高于后者。隨著調(diào)制指數(shù)h的增加，信號的帶寬也在增加。從頻帶效率考慮，調(diào)制指數(shù)h不宜太大。但過小又因兩個信號頻率過于接近而不利于信號的檢測。所以應(yīng)當(dāng)從它們的相關(guān)系數(shù)以及信號的帶寬綜合考慮。2FSK信號的歸一化互相關(guān)系數(shù)可以求得如下（為方便討論，令它們的初相為零）：通常總是ωcTb

=2πfc/fb

>>1,或ωcTb=nπ，因此略去第一項，得到Ρ-h關(guān)系曲線如圖3.6。3.3.1相位連續(xù)的FSK從圖中可以看出，當(dāng)調(diào)制指數(shù)h=0.5，1，1.5，….時，ρ=0,即兩個信號是正交的。h=0.5的CPFSK就稱作最小移頻鍵控MSK。它是在兩個信號正交的條件下，對給定的Rb有最小的頻差。3.3.1相位連續(xù)的FSK3.3.2MSK信號的相位路徑、頻率及功率譜由于h=1/2，MSK的相位約束條件就是由于|ak-ak-1|總為偶數(shù)，所以初始相位為零時，其后各碼元的初相位為π的整數(shù)倍。相位路徑的例子如圖3.7所示，其中初始相位為零。圖中可以看到的取值為0，-π、-π、-π、3π、...（k=0,1,2….）。

1.相位路徑3.3.2MSK信號的相位路徑、頻率及功率譜在MSK信號中，碼元速率Rb=1/Tb、峰值頻偏fd和兩個頻率f1、f2存在一定的關(guān)系。當(dāng)給定碼元速率Rb時可以確定各個頻率如下：即載波頻率應(yīng)當(dāng)是Rb/4的整數(shù)倍。

2.MSK的頻率關(guān)系3.3.2MSK信號的相位路徑、頻率及功率譜3.MSK的功率譜MSK的功率譜為式中A為信號的幅度。功率譜特性如圖3.8所示。為便于比較，圖中也給出一般2FSK信號的功率譜特性。

由圖可見，MSK信號比一般2FSK信號有更高的帶寬效率。

3.4高斯最小移頻鍵控GMSK

GMSK是一種恒包絡(luò)調(diào)制方式，可以采用功率效率高而便宜的非線性功率放大器，這使用戶單元（手機）的價格比較低，有利于當(dāng)時移動電話的普及。

3.4.1高斯濾波器的傳輸特性3.4.2GMSK信號的波形和相位路徑3.4.3GMSK信號的調(diào)制與解調(diào)3.4.4GMSK功率譜

3.4.1高斯濾波器的傳輸特性GMSK就是基帶信號經(jīng)過高斯低通濾波器的MSK，如圖3.93.4.1高斯濾波器的傳輸特性頻率特性H(f)和沖激響應(yīng)h(t)高斯濾波器具有指數(shù)形式的響應(yīng)特性，其中幅度特性為

沖激響應(yīng)為令Bb為H(f)的3dB帶寬，因為H(0)=1，則有H(f)|f=Bb=H(Bb)=0.707,可以求得a:給定xb,就可以計算出H(x)、h(τ)并畫出它們的特性曲線如圖3.10。3.4.1高斯濾波器的傳輸特性3.4.2GMSK信號的波形和相位路徑

經(jīng)過預(yù)濾波后的基帶信號q(t),相位函數(shù)θ(t)和GMSK信號的例子如圖3.15。

3.4.3GMSK信號的調(diào)制與解調(diào)因為因此常常采用正交調(diào)制方法。在實際的應(yīng)用中可以事先

制作和兩張表，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)通過查表讀出相應(yīng)的數(shù)值，得到相應(yīng)的

和波形。GMSK

正交調(diào)制方框圖如圖3.16所示。1.調(diào)制3.4.4GMSK功率譜對GMSK信號功率譜的分析是比較復(fù)雜的，圖3.20是計算機仿真得到xb=0.5、1和xb=∞（MSK）的功率譜。

從圖中可見，隨著xb

的減小頻譜效率越高，但xb過小會使碼間干擾（ISI）增加。

GMSK最吸引人的地方是具有恒包絡(luò)特性，功率效率高，可用非線性功率放大器和非相干檢測。GMSK的缺點是頻譜效率還不夠高。在北美，頻率資源緊缺，系統(tǒng)采用具有更高頻譜效率的調(diào)制方式，這就是π/4-QPSK。3.5QPSK調(diào)制3.5.1二相調(diào)制BPSK3.5.2四相調(diào)制QPSK3.5.3偏移QPSK—OQPSK3.5.4π/4-QPSK3.5.1二相調(diào)制BPSK1.二相調(diào)制信號SBPSK(t)

在二進制相位調(diào)制中，二進制的數(shù)據(jù)bk=±1可以用相位不同取值表示，例如其中由于，所以BPSK信號一般也可以表示為

3.5.1二相調(diào)制BPSK

設(shè)二進制的基帶信號b(t)的波形為雙極性NRZ碼,BPSK信號的波形如圖3.22所示。

3.5.1二相調(diào)制BPSK功率譜

BPSK信號是一種線性調(diào)制，當(dāng)基帶波形為NRZ碼時，其功率譜如圖3.23所示。

如圖，基帶波形為NRZ碼時BPSK信號有較大的副瓣，副瓣的總功率約占信號的總功率10%，帶外輻射嚴(yán)重。

為了減小信號帶寬，可考慮用M進制代替二進制。3.5.2四相調(diào)制QPSKQPSK信號

在QPSK調(diào)制中，在要發(fā)送的比特序列中,每兩個相連的比特分為一組構(gòu)成一個4進制的碼元，即雙比特碼元。雙比特碼元的4種狀態(tài)用載波的四個不同相位(k=1,2,3,4)表示。這種對應(yīng)關(guān)系叫做相位邏輯。例如

QPSK信號可以表示為：其中A為信號的幅度，為載波頻率。

3.5.2四相調(diào)制QPSKQPSK信號產(chǎn)生

QPSK信號可以用正交調(diào)制方式產(chǎn)生。

把串行輸入的（ak，bk）分開進入兩個并聯(lián)的支路—I支路（同相支路）和Q支路（正交支路），分別對一對正交載波進行調(diào)制，然后相加便得到QPSK信號。

3.5.2四相調(diào)制QPSKQPSK信號的功率譜和帶寬正交調(diào)制產(chǎn)生QPSK信號實際上是把兩個BPSK信號相加。它們有相同的功率譜

，帶寬也為B=Rb。頻帶效率B/Rb則提高為1。已調(diào)信號功率譜的副瓣仍然很大，在兩個支路加入升余弦特性低通濾波器(如圖3.29)，以減小已調(diào)信號的副瓣。3.5.2四相調(diào)制QPSKQPSK信號的包絡(luò)特性和相位跳變

當(dāng)基帶信號為方波脈沖（NRZ）時，QPSK信號具有恒包絡(luò)特性。由升余弦濾波器形成的基帶信號是連續(xù)的波形,但QPSK信號的包絡(luò)也不再恒定。

QPSK是一種相位不連續(xù)的信號,在碼元轉(zhuǎn)換的時刻，信號的相位發(fā)生跳變。通過星座圖可以看出跳變的幅度為±180°和±90°。3.5.3偏移QPSK（OQPSK）

把QPSK兩個正交支路的碼元時間上錯開Ts/2=Tb，這樣每經(jīng)過Tb時間，只有一個支路的符號發(fā)生變化，因此相位的跳變就被限制在±90°，減小了信號包絡(luò)的波動幅度。功率譜和帶寬效率不變。調(diào)制原理圖和相位跳變路徑為：

3.5.4π/4-QPSK

π/4-QPSK兼顧頻帶效率、包絡(luò)波動幅度小和能采用差分檢測.它的相位跳變最大幅度大于OQPSK而小于QPSK，只有±45°和±135°，因此信號包絡(luò)波動幅度大于OQPSK而小于QPSK。采用差分編碼的,π/4-QPSK就稱作π/4-DQPSK。3.5.4π/4-QPSKπ/4-DQPSK信號產(chǎn)生

π/4-DQPSK可采用正交調(diào)制方式產(chǎn)生。其原理圖如圖3.37所示

相位差分編碼就是輸入的雙比特SI和SQ的4個狀態(tài)用4個值來表示。其相位邏輯如表3.2所示。所傳輸?shù)男畔趦蓚€相鄰的載波相位差之中。

3.5.4π/4-QPSKπ/4-DQPSK信號的相位跳變

可能的取值有４個：，，由兩個彼此偏移的兩個QPSK星座圖構(gòu)成，相位的跳變總是在這兩個星座圖之間交替進行，跳變的路徑如圖3.39的虛線所示。

3.6高階調(diào)制3.6.1數(shù)字調(diào)制的信號空間原理3.6.2

M進制數(shù)字調(diào)制以及高階調(diào)制3.6.3高階調(diào)制在3G,4G中的應(yīng)用3.6.1數(shù)字調(diào)制的信號空間原理

信號波形的表示式和多維矢量空間的表示式存在一定程度的相似性，如果把信號的波形映射到矢量空間就可以很直觀地表示歐氏距離了。

對于一個確定的實信號

，它具有有限能量

。在一組完備的歸一化正交函數(shù)集 中，實信號

可以由這些函數(shù)的加權(quán)線性組合來近似表示，由此

在

維矢量空間中就可以表示為，3.6.1數(shù)字調(diào)制的信號空間原理

如果把M個能量有限的信號映射到N維的矢量空間上，空間中的M個映射點稱作星座點，矢量空間稱作信號空間。在矢量空間中可以很容易地描述衡量誤碼性能的兩個指標(biāo)，信號之間的互相關(guān)系數(shù)和歐氏距離。

符號之間相關(guān)性越大，歐式距離就越小，那么誤碼性能就越差。一般來說，調(diào)制階數(shù)越高歐氏距離就越小。但是由于頻率資源的限制，使得調(diào)制方式必須要采用比較高的階數(shù)。為了保證高頻譜效率下鏈路的性能，可以相應(yīng)的采用強有力的差錯控制技術(shù)，提升功率等措施來彌補誤碼性能的缺陷。3.6.2M進制數(shù)字調(diào)制以及高階調(diào)制M進制的數(shù)字調(diào)制，一般可以分為MASK，MPSK，MQAM和MFSK，它們屬于無記憶的線性調(diào)制。如果結(jié)合到信號的矢量空間表示，可以理解為這些不同的調(diào)制方式是因為采用了不同的正交函數(shù)集。一般認(rèn)為在階數(shù)

時為高階調(diào)制。MASK，MQAM，MPSK這三種調(diào)制方式在信息速率和M值相同的情況下，頻譜利用率是相同的。由于MPSK的抗噪聲性能優(yōu)于MASK，所以2PSK、QPSK獲得了廣泛的應(yīng)用。并且ASK信號是對載波的幅度進行調(diào)制，所以不適合衰落信道。在時MQAM的抗噪聲性能優(yōu)于MPSK的，所以階數(shù)更高的調(diào)制一般采用的是QAM的形式。

所以