第2章3G关键技术

1、移动通信信道移动通信信道 2.1扩频通信系统扩频通信系统 2.2数字调制技术数字调制技术 2.3信源编码技术信源编码技术 2.4 功率控制技术功率控制技术 2.6信道编码技术信道编码技术2.5发送接收技术发送接收技术 2.7 蜂窝组网技术蜂窝组网技术 2.8 随着社会的不断进步、经济的飞速发随着社会的不断进步、经济的飞速发展，对信息传输的需求越来越大，信息传展，对信息传输的需求越来越大，信息传输在工作、生活中的作用也越来越重要，输在工作、生活中的作用也越来越重要，“社会需求就是科学与技术发展的动力社会需求就是科学与技术发展的动力”，现代移动通信在经历了第一代模拟通信系现代移动通信在经历了第一代

2、模拟通信系统和第二代数字通信系统（以统和第二代数字通信系统（以GSM和窄带和窄带CDMA为代表）之后，为适应市场发展的为代表）之后，为适应市场发展的要求，由国际电信联盟（要求，由国际电信联盟（ITU）主导协调，）主导协调，自自1996年开始了第三代（年开始了第三代（3G）宽带数字通）宽带数字通信系统的标准化进程。信系统的标准化进程。 3G系统采用了无线宽带传输技术、复系统采用了无线宽带传输技术、复杂的编译码技术、调制解调技术、快速功杂的编译码技术、调制解调技术、快速功率控制技术、多用户检测技术、智能天线率控制技术、多用户检测技术、智能天线技术、蜂窝组网技术等。技术、蜂窝组网技术等。 本章重点介

3、绍本章重点介绍3G的关键技术，主要包的关键技术，主要包括以下几方面的内容：括以下几方面的内容：移动通信信道移动通信信道扩频通信系统扩频通信系统数字调制技术数字调制技术信源编码技术信源编码技术信道编码技术信道编码技术功率控制技术功率控制技术发送接收技术发送接收技术蜂窝组网技术蜂窝组网技术 信道是信号的传输介质，可分为有线信道是信号的传输介质，可分为有线信道和无线信道两类。信道和无线信道两类。 移动通信中的各种新技术，都是针对移动通信中的各种新技术，都是针对无线信道的特点，优化解决移动通信中的无线信道的特点，优化解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性。有效性、可靠性和安全性。波波 段段波波 长长频

4、频 率率主主 要要 用用 途途长波长波10km10km1km1km30kHz30kHz300kHz300kHz中波中波1km1km100m100m300kHz300kHz3MHz3MHz调幅无线电广播调幅无线电广播短波短波100m100m10m10m3MHz3MHz30MHz30MHz微波微波米波米波（VHFVHF）10m10m1m1m30MHz30MHz300MHz300MHz调频无线电广播调频无线电广播分米波分米波（UHFUHF）1m1m0.1m0.1m300MHz300MHz3GHz3GHz电视、雷达、电视、雷达、导航、移动通导航、移动通信信厘米波厘米波10cm10cm1cm1cm3GH

5、z3GHz30GHz30GHz毫米波毫米波10mm10mm1mm1mm30GHz30GHz300GHz300GHz表表2-12-1无线电波分类无线电波分类 从移动通信信道中的电波传播来看，从移动通信信道中的电波传播来看，可分为以下几种形式：可分为以下几种形式：（1）直射波）直射波（2）反射波）反射波（3）绕射波）绕射波（4）散射波）散射波 移动通信信道有移动通信信道有3个主要特点：信号传个主要特点：信号传播的开放性，接收点地理环境的复杂性和播的开放性，接收点地理环境的复杂性和多样性，以及通信用户的随机移动性。多样性，以及通信用户的随机移动性。 无线电波有无线电波有3种主要传播形式：直射、种主要

6、传播形式：直射、反射、绕射，在它们的共同作用下，接收反射、绕射，在它们的共同作用下，接收信号具有信号具有4种主要效应：阴影效应、远近效种主要效应：阴影效应、远近效应、多径效应和多普勒效应。应、多径效应和多普勒效应。（1）阴影效应）阴影效应 （2）远近效应）远近效应（3）多径效应）多径效应（4）多普勒效应）多普勒效应 图图2-1 2-1 多径效应多径效应图图2-2 2-2 多普勒效应多普勒效应 在移动通信信道的在移动通信信道的3个主要特点和无线个主要特点和无线电波传播的电波传播的3种主要形式的共同作用下，接种主要形式的共同作用下，接收信号又具有收信号又具有3类不同层次的损耗：路径传类不同层次的损

7、耗：路径传播损耗、大尺度衰落损耗和小尺度衰落损播损耗、大尺度衰落损耗和小尺度衰落损耗。耗。（1）路径传播损耗）路径传播损耗（2）大尺度衰落损耗）大尺度衰落损耗（3）小尺度衰落损耗）小尺度衰落损耗图图2-3 2-3 大尺度衰落和小尺度衰落大尺度衰落和小尺度衰落 在移动通信中，严重影响移动通信系在移动通信中，严重影响移动通信系统性能的主要噪声和干扰可分为四类：加统性能的主要噪声和干扰可分为四类：加性白高斯噪声（性白高斯噪声（Additional White Gauss Noise，AWGN）、符号间干扰）、符号间干扰（Intersymbol Interference，ISI）、多址）、多址干扰（干

8、扰（Multiple Access Interference，MAI）和相邻小区（扇区）干扰（和相邻小区（扇区）干扰（Adjacent Cell (Sector) Interference，AC(S)I），下面分），下面分别予以简要介绍。别予以简要介绍。 （2-1） ( )( )( )v ts tn t图图2-4 AWGN2-4 AWGN信道信道 （3）多址干扰（）多址干扰（MAI ）（4）相邻小区（扇区）干扰）相邻小区（扇区）干扰（AC(S)I） 在实际研究工作中，移动通信信道可在实际研究工作中，移动通信信道可以分为以分为4种常用的信道模型。种常用的信道模型。（1）AWGN信道信道（2）阴影

9、衰落信道）阴影衰落信道（3）平坦瑞利衰落信道）平坦瑞利衰落信道（4）选择性衰落信道）选择性衰落信道 CDMA是在扩频通信技术基础上发展是在扩频通信技术基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。 图图2-5 32-5 3种接入方式示意图种接入方式示意图 频分多址（频分多址（FDMA）是最成熟的多址）是最成熟的多址复用方式之一，它是基于频率划分信道，复用方式之一，它是基于频率划分信道，把可以使用的总频段平均划分为把可以使用的总频段平均划分为N个频道，个频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道。是一个通信信道

10、。 时分多址（时分多址（TDMA）也是非常成熟的）也是非常成熟的通信技术。通信技术。 TDMA是在同一载波上，将时间分成是在同一载波上，将时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干的时隙周期性的帧，每一帧再分割成若干的时隙（每一帧和每个时隙都互不重叠），每个（每一帧和每个时隙都互不重叠），每个时隙是一个通信信道，分配给用户使用。时隙是一个通信信道，分配给用户使用。 码分多址（码分多址（CDMA）采用扩频通信技）采用扩频通信技术，每个用户分配特定的地址码，利用地术，每个用户分配特定的地址码，利用地址码相互之间的正交性（或准正交性）完址码相互之间的正交性（或准正交性）完成信道分离的任务。成信道分离的任

11、务。 CDMA在频率、时间、空间上可以相在频率、时间、空间上可以相互重叠。互重叠。 由于由于CDMA系统采用扩频技术，与系统采用扩频技术，与FDMA和和TDMA相比，相比，CDMA具有如下独具有如下独特的优点：特的优点：（1）系统容量大且有软容量的特性）系统容量大且有软容量的特性（2）可采用语音激活技术）可采用语音激活技术（3）抗干扰能力强）抗干扰能力强（4）软切换）软切换（5）可采用多种分集技术）可采用多种分集技术（6）低信号功率谱）低信号功率谱（7）频率规划简单，可同频组网）频率规划简单，可同频组网（8）保密性好）保密性好1扩频通信和扩频通信系统扩频通信和扩频通信系统 扩频通信，即扩展频谱

12、通信，顾名思扩频通信，即扩展频谱通信，顾名思义是在发送端用某个特定的扩频函数（如义是在发送端用某个特定的扩频函数（如伪随机编码序列）将待传输的信号频谱扩伪随机编码序列）将待传输的信号频谱扩展至很宽的频带，变为宽带信号。展至很宽的频带，变为宽带信号。 送入信道中传输，在接收端再利用相送入信道中传输，在接收端再利用相应的技术或手段将扩展了的频谱进行压缩，应的技术或手段将扩展了的频谱进行压缩，恢复到基带信号的频谱，从而达到传输信恢复到基带信号的频谱，从而达到传输信息、抑制传输过程中噪声和干扰的目的。息、抑制传输过程中噪声和干扰的目的。 扩频通信系统是采用扩频通信技术的扩频通信系统是采用扩频通信技术的

13、系统。系统。 扩频通信系统有以下两个特点：扩频通信系统有以下两个特点：（1）传输信号的带宽远大于被传输的原始）传输信号的带宽远大于被传输的原始信号的带宽；信号的带宽；（2）传输信号的带宽主要由扩频函数决定，）传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常为伪随机（伪噪声）编码此扩频函数通常为伪随机（伪噪声）编码信号。信号。 扩频通信技术起源于第二次世界大战，扩频通信技术起源于第二次世界大战，是基于军事领域的实际需要而产生的，目是基于军事领域的实际需要而产生的，目的是在敌方控制区内提供一种保密通信的的是在敌方控制区内提供一种保密通信的方法。方法。 随着时间的推移和技术的发展，特别随着时间的推移

14、和技术的发展，特别是信号处理技术、大规模集成电路和计算是信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，推动了扩频通信理论、方机技术的发展，推动了扩频通信理论、方法、技术等方面的研究发展和普及应用，法、技术等方面的研究发展和普及应用，使最初只用于军事领域的扩频通信系统越使最初只用于军事领域的扩频通信系统越来越广泛应用于卫星通信、个人移动通信、来越广泛应用于卫星通信、个人移动通信、雷达、导航、测距等领域。雷达、导航、测距等领域。 图图2-6 2-6 典型的扩频通信系统框图典型的扩频通信系统框图（1）信源和信宿）信源和信宿（2）编码和译码）编码和译码（3）扩频和解扩）扩频和解扩（4）调制和解调）调

15、制和解调（5）无线信道）无线信道（1）直接序列扩频通信系统）直接序列扩频通信系统（2）跳频扩频系统）跳频扩频系统（3）跳时扩频系统）跳时扩频系统（4）线性脉冲调频系统）线性脉冲调频系统（5）混合扩频通信系统）混合扩频通信系统 扩频通信系统的主要优点如下。扩频通信系统的主要优点如下。（1）抗干扰能力强）抗干扰能力强（2）多址能力强）多址能力强（3）保密性强，抗截获、抗检测能）保密性强，抗截获、抗检测能力强力强（4）抗衰落能力强）抗衰落能力强（5）抗多径能力强）抗多径能力强（6）高分辨率测距）高分辨率测距1基本概念基本概念（1）基本函数运算）基本函数运算 如果二进制数字信号用如果二进制数字信号用0

16、或或1表示，是表示，是单极性码；如果用单极性码；如果用1表示表示0，1表示表示1，是双，是双极性码。极性码。 单极性码的逻辑运算由模单极性码的逻辑运算由模2加实现，运加实现，运算规则是：算规则是：000;01 1;100;110 双极性码的逻辑运算由逻辑乘实现，双极性码的逻辑运算由逻辑乘实现，运算规则是：运算规则是：( 1)( 1)1;( 1)( 1)1;( 1)( 1)1;( 1)( 1)1 相关函数是任意两个信号之间的相似相关函数是任意两个信号之间的相似性的测度，分为周期相关函数和非周期相性的测度，分为周期相关函数和非周期相关函数两种，下面分别给出它们的定义。关函数两种，下面分别给出它们的

17、定义。 设两个长度为设两个长度为N的序列的序列a和和b，非周期，非周期相关函数相关函数 定义为：定义为：,( )a bC101,0101( )100|NiiiNa biiia bNNCabNNN 1（2-22-2） 周期相关函数周期相关函数 定义为：定义为：,( )a bR1,01( )Na biiiRa bN, Z（2-32-3） 其中其中表示逻辑运算，当表示逻辑运算，当a和和b是单极性是单极性码时，码时，表示模表示模2加；当加；当a和和b是双极性码是双极性码时，时，表示逻辑乘。表示逻辑乘。 当当a b， 和和 分别被称为非周分别被称为非周期互相关函数和周期互相关函数；当期互相关函数和周期互

18、相关函数；当a = b， 和和 分别被称为非周期自相关函数和周分别被称为非周期自相关函数和周期自相关函数。简写为期自相关函数。简写为 和和 。,( )a bC,( )a bR,( )a bC,( )a bR( )aC( )aR 本书中的相关函数，如非特别声明，本书中的相关函数，如非特别声明，均指周期相关函数。均指周期相关函数。 正交函数是具有零相关特性的函数，正交函数是具有零相关特性的函数，则互相关函数为则互相关函数为0的两个序列是正交序列。的两个序列是正交序列。 在扩频通信系统中，决定系统性能的在扩频通信系统中，决定系统性能的主要因素是扩频函数。主要因素是扩频函数。 理想的扩频码和地址码必须

19、具备以下理想的扩频码和地址码必须具备以下特性：特性：（1）良好的自相关和互相关特性，即尖锐）良好的自相关和互相关特性，即尖锐的自相关函数和几乎处处为零的互相关函的自相关函数和几乎处处为零的互相关函数；数；（2）尽可能长的码周期，使干扰者难以通）尽可能长的码周期，使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列，确过扩频码的一小段去重建整个码序列，确保安全与抗干扰的要求；保安全与抗干扰的要求；（3）足够多的码序列，用来作为独立的地）足够多的码序列，用来作为独立的地址，以实现码分多址的要求；址，以实现码分多址的要求；（4）易于产生、复制、控制和实现。）易于产生、复制、控制和实现。 目前常用的、较为理

20、想的扩频码和地目前常用的、较为理想的扩频码和地址码有：址码有：（1）伪随机（）伪随机（PN）码）码（2）沃尔什（）沃尔什（Walsh）码）码（3）正交可变速率扩频增益码）正交可变速率扩频增益码（1）伪随机（）伪随机（PN）码）码 伪随机码又称为伪噪声码，简称伪随机码又称为伪噪声码，简称PN码。码。 伪噪声码是一种具有白噪声性质的码。伪噪声码是一种具有白噪声性质的码。 平衡特性：在每一个周期内，伪随机序平衡特性：在每一个周期内，伪随机序列中列中0和和1的个数接近相等；的个数接近相等； 游程特性：把随机序列中连续出现游程特性：把随机序列中连续出现0或或1的子序列称为游程。的子序列称为游程。 相关特

21、性：随机序列的自相关函数具有相关特性：随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质。类似于白噪声自相关函数的性质。 m序列是一种伪随机序列，是由序列是一种伪随机序列，是由n级移级移位寄存器所能产生的周期最长的序列，又位寄存器所能产生的周期最长的序列，又称最大长度序列。称最大长度序列。 m序列是最长线性移位寄存器序列的序列是最长线性移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位寄存器产简称，它是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。生的周期最长的一种序列。 n级非退化的线性移位寄存器的组成如级非退化的线性移位寄存器的组成如图图2-7所示。所示。图图2-7 2-7 n n级非退化

22、的线性移位寄存器的组成级非退化的线性移位寄存器的组成2012( ),0,1nnif xcc xc xc x c（2-42-4） 1122,0,1niini niac ac ac ac（2-52-5） m序列的特性如下。序列的特性如下。 m序列是一种伪随机序列，它具有如序列是一种伪随机序列，它具有如下下3个特性：个特性：01分布特性分布特性游程特性游程特性位移相加特性位移相加特性图图2-8 m2-8 m序列周期性自相关函数的波形图序列周期性自相关函数的波形图 m码功率谱的几个特点：码功率谱的几个特点：m码的功率谱为离散谱，谱线间隔为码的功率谱为离散谱，谱线间隔为 ；c1NTm码的功率谱密度函数具

23、有抽样函数码的功率谱密度函数具有抽样函数 的包络，第一个零点在的包络，第一个零点在k= N处，即处，即 2sin xxc1fT第二个零点在第二个零点在2N处，即处，即，c2fT依此类推，当依此类推，当n为整数时，为整数时， c0nGT，。图图2-9 m2-9 m码的功率谱密度示意图码的功率谱密度示意图m码的功率谱的宽度（通常定义为第一个码的功率谱的宽度（通常定义为第一个零点处的频率）由码元的持续时间零点处的频率）由码元的持续时间Tc决定，决定，带宽带宽 （单边），与码长（单边），与码长N无关。无关。c1BTm码的直流分量与码的直流分量与N2成反比，当成反比，当m序列长序列长度度 时，直流分量时

24、，直流分量 ，谱线间，谱线间隔隔 ，m码的功率谱由离散谱向连码的功率谱由离散谱向连续谱过渡，伪随机码过渡到随机码。续谱过渡，伪随机码过渡到随机码。N 0c1/()0NT m序列的自相关函数具有理想的双值序列的自相关函数具有理想的双值函数，而函数，而m序列的互相关函数是指长度相序列的互相关函数是指长度相同而序列结构不同的两个同而序列结构不同的两个m序列之间的相序列之间的相关函数。关函数。 Gold序列是序列是R.Gold提出的一类伪随机提出的一类伪随机序列，它具有良好的自相关和互相关特性，序列，它具有良好的自相关和互相关特性，可以用作地址码的数量远大于可以用作地址码的数量远大于m序列，而序列，而

25、且易于实现，结构简单，在工程中得到广且易于实现，结构简单，在工程中得到广泛的应用。泛的应用。 R. Gold指出：给定移位寄存器级数指出：给定移位寄存器级数n时，总可以找出一对互相关函数最小的码时，总可以找出一对互相关函数最小的码序列，采用移位相加的方法构成新码组，序列，采用移位相加的方法构成新码组，其互相关旁瓣都很小，而且自相关函数和其互相关旁瓣都很小，而且自相关函数和互相关函数都是有界的，这个新码组被称互相关函数都是有界的，这个新码组被称为为Gold码或码或Gold序列。序列。图图2-10 Gold2-10 Gold序列的移位寄存器乘积型结构图序列的移位寄存器乘积型结构图图图2-11 Go

26、ld2-11 Gold序列的移位寄存器模序列的移位寄存器模2 2和型结构图和型结构图 1221n1221n2221n2221n码长码长NN= 2= 2n n1 1互相关函数值（非互相关函数值（非归一化）归一化）出出 现现 概概 率率n n为奇数为奇数1 1 0.50.5 0.50.5n n为偶数，且不是为偶数，且不是4 4的倍数的倍数1 1 0.750.75 0.250.25表表2-22-2 Gold Gold码序列的三值互相关函数特性码序列的三值互相关函数特性 如果序列间的互相关函数值很小，特如果序列间的互相关函数值很小，特别是正交序列的互相关函数为别是正交序列的互相关函数为0，这类序列，这

27、类序列称为第二类伪随机序列。称为第二类伪随机序列。 Walsh序列是第二类伪随机序列。序列是第二类伪随机序列。 Walsh函数是以数学家函数是以数学家Walsh的名字命的名字命名，他证明了名，他证明了Walsh函数的正交性。函数的正交性。 Walsh函数是有限区间上的一组归一函数是有限区间上的一组归一化正交函数集，可由哈达玛矩阵产生。化正交函数集，可由哈达玛矩阵产生。 哈达玛矩阵哈达玛矩阵H是由是由+1和和1两个元素组两个元素组成的正交方阵。成的正交方阵。 所谓正交方阵是指任意两行（或两列）所谓正交方阵是指任意两行（或两列）都是相互正交的。即都是相互正交的。即 。TNHHI 哈达玛矩阵有如下两

28、个性质：哈达玛矩阵有如下两个性质：哈达玛矩阵是对称矩阵，即哈达玛矩阵是对称矩阵，即 ；哈达玛矩阵的逆矩阵和哈达玛矩阵本身哈达玛矩阵的逆矩阵和哈达玛矩阵本身成比例，比例因子为成比例，比例因子为1/N，即，即 。THH11NHH OVSF码与码与Walsh序列码很相似，不同序列码很相似，不同长度的码字很容易产生。长度的码字很容易产生。 由简单的电路就可以生成各种长度的由简单的电路就可以生成各种长度的码字。码字。 它们可以排成如图它们可以排成如图2-12所示的码树结所示的码树结构。构。图图2-12 OVSF2-12 OVSF码树结构图码树结构图图图2-13 2-13 两个长度为两个长度为8 8，属于

29、不同分支的码字同步时正交，属于不同分支的码字同步时正交图图2-14 2-14 两个长度为两个长度为8 8，属于不同分支的码字不同步时不正交，属于不同分支的码字不同步时不正交 在在3G系统中，扩频码和地址码主要可系统中，扩频码和地址码主要可以划分成如下以划分成如下3类：类：（1）用户地址码）用户地址码（2）信道地址码）信道地址码（3）小区地址码）小区地址码（1）cdma2000系统中信道化码和扰码系统中信道化码和扰码（2）WCDMA系统中信道化码和扰码系统中信道化码和扰码（3）TD-SCDMA系统中信道化码和扰码系统中信道化码和扰码图图2-15 2-15 扩频、信道化码和扰码的关系扩频、信道化码

30、和扰码的关系1扩频通信理论基础扩频通信理论基础（1）香农公式。香农定理指出：在高斯白）香农公式。香农定理指出：在高斯白噪声信道中，通信系统的最大传信率（或噪声信道中，通信系统的最大传信率（或称信道容量）为称信道容量）为2log1bit/sSCBN（2-122-12） 式中，式中，B为信号带宽，为信号带宽，S为信号的平均为信号的平均功率，功率，N为噪声平均功率。为噪声平均功率。 若白噪声的单边功率谱密度为若白噪声的单边功率谱密度为No，噪，噪声功率为声功率为N= NoB，则信道容量，则信道容量C表示为表示为2olog1bit/sSCBN B（2-132-13） 由香农公式可以看出：由香农公式可以

31、看出： 要增加系统的信息传输速率，则要求增要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。加信道容量。 信道容量信道容量C为常数时，带宽为常数时，带宽B与信噪比与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽可以互换，即可以通过增加带宽B来降来降低系统对信噪比低系统对信噪比S/N的要求，也可通过增加的要求，也可通过增加信号功率，降低信号的带宽，这就为那些信号功率，降低信号的带宽，这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减小带宽或降低求严格的系统找到了一个减小带宽或降低功率的有效途径。功率的有效途径。 当当B增加到一定程度后，信道容量增加到

32、一定程度后，信道容量C不可不可能无限地增加。考虑极限情况，令，考查能无限地增加。考虑极限情况，令，考查C的极限值为的极限值为2oe2olimlimlog11limlog1log21.44lim1.44BBxBSCBN BxxSCN（2-142-14） （2）差错概率公式。信息传输差错概率公）差错概率公式。信息传输差错概率公式可表示为式可表示为Eb/N0的函数，即：的函数，即：Pe = f(Eb/N0)（2-17） 式中，式中，Pe为差错概率，为差错概率，Eb为二进制数为二进制数字信息比特能量（字信息比特能量（W/Hz），），N0是噪声单边是噪声单边功率谱密度（功率谱密度（W/Hz），），f为一

33、个函数。为一个函数。 设二进制数字信息码元宽度为设二进制数字信息码元宽度为T，则，则信息带宽信息带宽B为为B= 1/T(Hz)。 传输信号功率（二进制数字信息功率）传输信号功率（二进制数字信息功率）S为为S= E/T(W)。 已扩频信号的带宽为已扩频信号的带宽为W(Hz)，则噪声，则噪声功率功率N为为N= N0W(W)。 由上式可得信息传输差错概率公式为由上式可得信息传输差错概率公式为Pe = f(Eb/N0) = f(STW/N) = f(S/N W/B) （2-18） 上面公式指出，差错概率上面公式指出，差错概率Pe是传输信是传输信号功率与噪声功率之比（号功率与噪声功率之比（S/N）和传输

34、信号）和传输信号带宽与信息带宽之比（带宽与信息带宽之比（W/B）二者乘积的）二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的，同样函数，信噪比与带宽是可以互换的，同样增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处。增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处。（1）扩频处理增益）扩频处理增益 处理增益处理增益G定义为频谱扩展后的信号定义为频谱扩展后的信号带宽带宽B2与频谱扩展前的信号带宽与频谱扩展前的信号带宽B1之比，之比，即：即：221112BRTGBRT（2-192-19） 其中，其中，T1为信息数据脉冲宽度，为信息数据脉冲宽度，T2为为PN码的码元宽度，码的码元宽度，R1为信息速率，为信息速率，R1 = 1/T1

35、，R2为为PN码的码片速率，码的码片速率，R2 = 1/T2。处理增益也可表示为处理增益也可表示为outin( /)( /)S NGS N（2-202-20） 式中，式中，(S/N)out为扩频解扩后的信噪比，为扩频解扩后的信噪比，(S/N)in为扩频解扩前的信噪比。为扩频解扩前的信噪比。 在工程中，一般用对数形式表示即：在工程中，一般用对数形式表示即：outin( /)10lgdB( /)S NGS N（2-212-21） 所谓干扰容限，是指在保证系统正常所谓干扰容限，是指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受的干扰信工作的条件下，接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的号比有用信号高出

36、的dB数，用数，用Mj表示，有：表示，有：j0dBsSMGLN（2-222-22） 其中，其中，Ls为系统内部损耗，为系统内部损耗，(S/N)0为系为系统正常工作时要求的最小输出信噪比，即统正常工作时要求的最小输出信噪比，即相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪比，比，G为系统的处理增益。为系统的处理增益。 数据传信速率，简称传信率或比特率数据传信速率，简称传信率或比特率Rb，是指每秒传输二进制码元的个数，单，是指每秒传输二进制码元的个数，单位为比特位为比特/秒（秒（bit/s）。）。 频带利用率是反映数据传输系统对频频带利用率是反映数据传输系统对频带资源利用

37、的水平和有效程度，定义为单带资源利用的水平和有效程度，定义为单位频带内的传信速率，常用位频带内的传信速率，常用 表示。表示。bRbit/(s.Hz)B系统的传信率系统的频带宽度（2-232-23） 直接序列扩频（直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DS-SS）通信系统是用）通信系统是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制载波信号的某个参形相乘后，去直接控制载波信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。量，来扩展传输信号的带宽。 用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。码

38、序列。 直接序列扩频通信系统的简化框图如直接序列扩频通信系统的简化框图如图图2-16所示。所示。图图2-16 2-16 直接序列扩频通信系统的简化框图直接序列扩频通信系统的简化框图 在直接序列扩频通信系统中，通常对在直接序列扩频通信系统中，通常对载波进行相移键控（载波进行相移键控（Phase Shift Keying，PSK）调制。）调制。图图2-17 2-17 发送端的扩频过程发送端的扩频过程图图2-18 2-18 接收端的解扩过程接收端的解扩过程 移动通信系统的指标有移动通信系统的指标有3个：有效性、个：有效性、可靠性和安全性；前者属于数量指标，后可靠性和安全性；前者属于数量指标，后两者属

39、于质量指标。两者属于质量指标。（1）每个小区可用信道数（）每个小区可用信道数（ch/cell）：它）：它表征每个小区允许同时工作的用户数；表征每个小区允许同时工作的用户数；（2）每个小区每兆赫可用信道数）每个小区每兆赫可用信道数（ch/cell/MHz）：它表征每个小区单位带）：它表征每个小区单位带宽允许同时工作的用户数；宽允许同时工作的用户数；（3）每小区爱尔兰数（）每小区爱尔兰数（Erl/cell）：它表）：它表征每小区允许的话务量。征每小区允许的话务量。 对于对于FDMA系统来说，系统容量的计系统来说，系统容量的计算比较简单。算比较简单。 FDMA方式是把通信系统的总频段划方式是把通信系

40、统的总频段划分为若干个等间隔、互不交叠的频道分配分为若干个等间隔、互不交叠的频道分配给不同的用户使用，在相邻频道间无明显给不同的用户使用，在相邻频道间无明显的串扰。的串扰。 因此因此FDMA系统容量系统容量m的计算公式为的计算公式为WmBN（2-242-24） 式中，式中，W为无线系统总带宽，为无线系统总带宽，N为区为区群小区数，群小区数，B为信道带宽。为信道带宽。 每个载波信道又被分成每个载波信道又被分成M个时隙（时个时隙（时分信道），所以信道带宽分信道），所以信道带宽B为载波间隔为载波间隔Bc/M。 TDMA方式是把时间分割成周期性不方式是把时间分割成周期性不交叠的帧，每一帧再分割成若干个

41、不交叠交叠的帧，每一帧再分割成若干个不交叠的时隙，再根据一定的时隙分配原则，使的时隙，再根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内按指定的时隙发送信各个移动台在每帧内按指定的时隙发送信号；在接收端按不同时隙来区分出不同用号；在接收端按不同时隙来区分出不同用户的信息，从而实现多址通信。户的信息，从而实现多址通信。 对于对于TDMA系统来说，系统容量的计系统来说，系统容量的计算也比较简单。算也比较简单。 TDAM系统容量系统容量m的计算公式为的计算公式为WmBN 式中，式中，W为无线系统总带宽，为无线系统总带宽，N为区为区群小区数，群小区数，B为信道带宽。为信道带宽。 每个载波信道又被分成每个载

42、波信道又被分成M个时隙（时个时隙（时分信道），所以信道带宽分信道），所以信道带宽B为载波间隔为载波间隔Bc/M。 CDMA多址方式用不同码型的地址码多址方式用不同码型的地址码来划分信道，每一地址码对应一个信道，来划分信道，每一地址码对应一个信道，每一信道对时间及频率都是共享的，而每一信道对时间及频率都是共享的，而FDMA、TDMA系统信道的数量要受到频系统信道的数量要受到频率或时隙的限制。率或时隙的限制。 因此因此CDMA系统是干扰受限系统，现系统是干扰受限系统，现考虑一般考虑一般CDMA系统的通信容量。系统的通信容量。m个用户共用一个无线信道同时通信，个用户共用一个无线信道同时通信，每一个用

43、户的信号受到其他每一个用户的信号受到其他m1个用户信个用户信号的干扰。号的干扰。 假定系统的功率控制理想，即到达接假定系统的功率控制理想，即到达接收端的所有用户信号功率强度一样，则信收端的所有用户信号功率强度一样，则信干比（干比（SIR）为）为11SIRm（2-252-25） 同时，一般扩频系统的信干比（同时，一般扩频系统的信干比（SIR）为为bbb00/bR EENSIRN WW R（2-262-26） 式中，式中，Rb为信息速率，为信息速率，Eb为比特能量，为比特能量，N0为干扰的功率谱密度，为干扰的功率谱密度，W为为CDMA系统系统占据的有效频带宽度，占据的有效频带宽度，W/Rb为为CD

44、MA系统系统的扩频增益，的扩频增益，Eb/N0是归一化信噪比，取决是归一化信噪比，取决于对误码率和话音质量的要求，并与系统于对误码率和话音质量的要求，并与系统的调制方式有关。的调制方式有关。 由上面两个公式可得由上面两个公式可得CDMA系统的容系统的容量量m为为 （信道（信道/小区）小区） bb0/1/W RmEN （2-272-27） 2.3.1 数字调制的概念数字调制的概念 调制的最基本功能是将基带信号通过调制的最基本功能是将基带信号通过载波调制，使其频谱搬移至适应不同信道载波调制，使其频谱搬移至适应不同信道特性的射频频带上进行传输。特性的射频频带上进行传输。 这种用基带数字信号控制高频载

45、波，这种用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带信号的过程称把基带数字信号变换为频带信号的过程称为数字调制。为数字调制。 在接收端通过解调器把频带信号还原在接收端通过解调器把频带信号还原成基带数字信号，这种数字信号的逆变换成基带数字信号，这种数字信号的逆变换过程称为解调。过程称为解调。 通常将数字调制和解调合起来称为数通常将数字调制和解调合起来称为数字调制，把包括调制和解调过程的传输系字调制，把包括调制和解调过程的传输系统称为数字信号的频带传输系统。统称为数字信号的频带传输系统。 通常正弦波可用下式表示：通常正弦波可用下式表示： 其中，变量其中，变量t代表时间，代表时间，a(t)是

46、正弦波是正弦波的振幅，的振幅，w(t)是角频率，是角频率， (t)是相位。是相位。( )( )cos( )( )s ta tw tt 数字调制主要有数字调制主要有3种形式：幅移键控种形式：幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移）、频移键控（键控（Frequency Shift Keying，FSK）和）和相移键控（相移键控（Phase Shift Keying，PSK），），它们分别是正弦波的幅度、频率、相位随它们分别是正弦波的幅度、频率、相位随着数字基带信号而变化。着数字基带信号而变化。 数字调制主要有数字调制主要有3种形式：幅移键控种形式：幅移键控（ASK）

47、、频移键控（）、频移键控（FSK）和相移键控）和相移键控（PSK）。）。 若将由若将由0和和1组成的基带二进制信号进组成的基带二进制信号进一步推广到多进制信号，将产生相应的一步推广到多进制信号，将产生相应的MASK，MFSK，MPSK调制。调制。 在实际的相移键控（在实际的相移键控（PSK）方式中，）方式中，为了克服在接收端产生的相位模糊问题，为了克服在接收端产生的相位模糊问题，通常采用相对相移通常采用相对相移DPSK及及DQPSK（Differential Quadrature Phase Shift Keying）代替绝对相移）代替绝对相移PSK。 不恒定包络 ASK（幅移健控） QAM（

48、正交幅度调制） MQAM（星座调制） 恒定包络 FSK（频移键控） BFSK（二进制频移键控） MFSK（多进制频移键控） PSK（相移键控） BPSK（二进制相移键控） DBPSK（差分二相相移键控） QPSK（正交（四相）相移键控） MPSK（多进制相移键控） OQPSK（偏移 QPSK） DQPSK（差分 QPSK） /4QPSK CPM（连续相位 调制） MSK（最小频移键控） TFM（平滑调频） GMSK（高斯滤波 MSK） 数字式调制 表表2-32-3数字调制分类数字调制分类 2ASK，2FSK，2PSK和和2DPSK调制原调制原理如图理如图2-19所示。所示。 数字信号在传输过程

49、中由于干扰、噪数字信号在传输过程中由于干扰、噪声和波形畸变的影响，可能产生误码。二声和波形畸变的影响，可能产生误码。二进制数字信号在进制数字信号在AWGN信道上通过载波键信道上通过载波键控方式传输时，如果接收端采用理想的相控方式传输时，如果接收端采用理想的相干解调方式并消除码间干扰，则平均误比干解调方式并消除码间干扰，则平均误比特率特率 和归一化信噪比和归一化信噪比 / 关系可以表关系可以表示为示为 bPbE0N（1）2ASK： （2）2FSK： （3）2PSK： bbb001242EEPerfcQNNbbb00122EEPerfcQNNbbb00212EEPerfcQNN （2-282-28

50、）（2-292-29）（2-302-30）图图2-19 2ASK2-19 2ASK，2FSK2FSK，2PSK2PSK和和2DPSK2DPSK调制原理图调制原理图图图2-20 32-20 3种调制方式的误比特率性能比较种调制方式的误比特率性能比较 在移动通信系统中采用的调制技术如在移动通信系统中采用的调制技术如表表2-4所示。所示。移动通信系统移动通信系统调调 制制 技技 术术第一代蜂窝模拟移动通信系统（第一代蜂窝模拟移动通信系统（1G1G）语音：语音：FMFM（Frequency ModulationFrequency Modulation）信令：信令：2FSK2FSK第二代蜂窝数字移第二代

51、蜂窝数字移动通信系统（动通信系统（2G2G）GSMGSM系统系统GMSKGMSK日本日本PDCPDC /4-DQPSK/4-DQPSK美国美国IS-136IS-136 /4-DQPSK/4-DQPSKIS-95AIS-95A、IS-IS-95B95B下行：下行：QPSKQPSK，上行：，上行：OQPSKOQPSK2.5G2.5GGSM/GPRSGSM/GPRSGMSKGMSK2.75G2.75GE-GPRSE-GPRS8PSK8PSK第三代移动通信系第三代移动通信系统（统（3G3G）cdma2000cdma2000下行：下行：QPSKQPSK，上行：，上行：HPSKHPSKWCDMAWCDMA

52、下行：下行：QPSKQPSK，上行：，上行：HPSKHPSKTD-SCDMATD-SCDMAQPSKQPSK，8PSK8PSK，16QAM16QAM（仅适用于（仅适用于HS-PDSCHHS-PDSCH信道）信道）表表2-42-4 移动通信系统中的调制技术移动通信系统中的调制技术 图图2-21 BPSK2-21 BPSK调制器原理图调制器原理图 图图2-22 BPSK2-22 BPSK相干解调器原理图相干解调器原理图 图图2-23 BPSK2-23 BPSK信号的单边功率谱密度信号的单边功率谱密度 图图2-24 QPSK2-24 QPSK的相位的相位 k k示意图示意图图图2-25 QPSK2-

53、25 QPSK调制器的原理图调制器的原理图图图2-26 QPSK2-26 QPSK信号相位形成图信号相位形成图图图2-27 QPSK2-27 QPSK相干解调原理图相干解调原理图图图2-28 2-28 /4-DQPSK/4-DQPSK的调制器原理图的调制器原理图图图2-29 2-29 /4-DQPSK/4-DQPSK的差分解调器原理图的差分解调器原理图图图2-30 OQPSK2-30 OQPSK信号产生信号产生图图2-32 HPSK2-32 HPSK原理框图原理框图2.4.1 信源编码概述信源编码概述 信源编码是信源研究中的一个核心问信源编码是信源研究中的一个核心问题，也是信息论所讨论的编码中

54、最重要的题，也是信息论所讨论的编码中最重要的编码之一。编码之一。 信源编码的目的是压缩数据率，去除信源编码的目的是压缩数据率，去除信号中的冗余度，提高传输的有效性。信号中的冗余度，提高传输的有效性。 其评价标准是在一定失真条件下要求其评价标准是在一定失真条件下要求数据速率越低越好。数据速率越低越好。 信源编码按对信息处理有无失真可分信源编码按对信息处理有无失真可分为无失真编码和限失真编码，限失真编码为无失真编码和限失真编码，限失真编码符合大多数实际情况；按信号性质分，有符合大多数实际情况；按信号性质分，有语言编码、图像编码、传真编码等；按信语言编码、图像编码、传真编码等；按信号处理域分，有波形

55、编码（或时域编码）号处理域分，有波形编码（或时域编码）和参量编码（或变换域编码）。和参量编码（或变换域编码）。 常见的脉冲编码调制（常见的脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）和增量调制（）和增量调制（Delta Modulation，DM）等属于波形编码，各）等属于波形编码，各种类型的声码器属于参量编码。种类型的声码器属于参量编码。 信源编码要完成两大任务：信源编码要完成两大任务：（1）将信源输出的模拟信号转换成数字信）将信源输出的模拟信号转换成数字信号（模数转换，即号（模数转换，即A/D变换）；变换）；（2）实现数据压缩。）实现数据压缩。 通信系统中引入语音编码

56、的目的是解通信系统中引入语音编码的目的是解除语音信源的统计相关性，压缩语音编码除语音信源的统计相关性，压缩语音编码的码率，提高通信系统的有效性。的码率，提高通信系统的有效性。 语音编码大致分成以下语音编码大致分成以下3类。类。（1）波形编码）波形编码（2）参量编码）参量编码（3）混合编码）混合编码（1）数据比特率）数据比特率（2）语音质量）语音质量（3）复杂度和处理时延）复杂度和处理时延 MOSMOS质质 量量 等等 级级收听注意力等级收听注意力等级应应 用用5 5质量完美：质量完美：ExcellentExcellent可以完全放松，不需要注意力可以完全放松，不需要注意力公共骨干网公共骨干网4

57、 4高质量：高质量：GoodGood需要注意力，但不需要明显集需要注意力，但不需要明显集中注意力中注意力公共骨干网公共骨干网3 3质量尚可（及格）：质量尚可（及格）：FairFair中等程度的注意力中等程度的注意力移动通信网移动通信网2 2质量差（不及格）：质量差（不及格）：PoorPoor需要集中注意力需要集中注意力合成语音合成语音1 1质量完全不能接受：质量完全不能接受：BadBad即使努力听，也很难听懂即使努力听，也很难听懂表表2-72-7语音主观评判方法语音主观评判方法编码器类型编码器类型 指标指标 参参数数数据比特率数据比特率（kbit/skbit/s）复杂度复杂度（MIPSMIPS

58、）时延时延（msms）质量质量（MOSMOS）脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）64640.010.010 04.34.3自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制（ADPCMADPCM）32320.10.10 04.14.1自适应子带编码自适应子带编码16161 125254 4多脉冲线性预测编码多脉冲线性预测编码8 8101035353.53.5随机激励线性预测编码随机激励线性预测编码4 410010035353.53.5线性预测声码器线性预测声码器2 21 135353.13.1表表2-8 2-8 几种低数据比特率语音编码参数与性能比较几种低数据比特率语音编码参数与性能比较（1

59、）波形编码原理）波形编码原理 脉冲编码调制（脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）是实现模拟信号到数字信号的通用方）是实现模拟信号到数字信号的通用方法，具体步骤是抽样、量化和编码，法，具体步骤是抽样、量化和编码，PCM系系统原理图如图统原理图如图2-33所示，抽样量化和编码示意所示，抽样量化和编码示意图如图图如图2-34所示。所示。图图2-33 PCM2-33 PCM系统原理图系统原理图图图2-34 PCM2-34 PCM抽样、量化和编码示意图抽样、量化和编码示意图图图2-35 2-35 语音产生的物理模型语音产生的物理模型 混合编码是介于波形编码和参量编码混合编码

60、是介于波形编码和参量编码之间的一种编码方法，兼有参量编码低速之间的一种编码方法，兼有参量编码低速率和波形编码的高质量的优点。率和波形编码的高质量的优点。 波形编码的速率下限是波形编码的速率下限是16kbit/s，质量，质量在在4.1到到4.5之间；参量编码的速率上限是之间；参量编码的速率上限是4kbit/s，质量在，质量在3.5以下；混合编码的速率以下；混合编码的速率的范围在的范围在416kbit/s之间，质量维持在之间，质量维持在4左左右。右。（1）cdma2000系统中的系统中的EVRC声码器声码器（2）WCDMA系统中的系统中的AMR声码器声码器 信信 道道 模模 式式编码模式（信源速率