无线通信基本技术课件1

3.1信源编码

3.2信道编码

3.3调制技术

3.4多址技术

3.5抗衰落技术第3章无线通信基本技术13.1信源编码

3.2信道编码

3.3调制技术

信号在无线信道中传播的随参特性主要由以下几个方面:1）首先无线信道存在各种噪声（人为噪声和自然噪声），这些噪声对通信质量的影响很大；2）其次无线通信容易受到各种干扰的影响，如同频干扰、多址干扰、人为干扰等；3）无线信道存在多径效应和衰落现象以及多普勒效应，使得传输参数具有时变性；4）信道传输参数受时间、温度、湿度、地域、空域等因素影响，也会造成无线信道的多参变特性。2信号在无线信道中传播的随参特性主要由以下几个

无线信道的随参特性恶化了通信环境，需要采取一些新的技术手段来提高系统的有效性和可靠性。

1）采用压缩编码技术，充分利用有限的频谱资源；

2）采用具有检错和纠错的编码技术，克服信道存在各种噪声与干扰；

3）采用调制解调技术，提高频谱利用率；

4）采用均衡技术，克服数字传输中的码间串扰；

5）采用分集接收技术，减小多径衰落；

6）为了实现多址连接通信，还要研究各种多址技术等。3无线信道的随参特性恶化了通信环境，需要采取一些3.1信源编码

信源编码的研究目的：在不失真或允许一定失真的条件下，如何利用尽可能少的信道容量传送尽可能高质量的信息，以便提高信息传输效率。

信源编码实质就是将信息的原始符号按一定规则进行的一种变换。

信源编码分为有损编码和无损编码两种。

无失真编码：零失真的信源编码；

有损编码：失真较小并且处于可接受范围内的信源编码。

由于实际上完全无失真地传输信息是不可能的，所以实际上使用的都是有损编码。43.1信源编码

信源编码的研究目的：3.1.1语音编码

在通信系统中，语音编码是相当重要的。因为在很大程度上，语音编码决定了接收到的语音的质量和系统容量。

在编码器能够传送高质量语音的前提下，如果比特率越低，那么在一定的带宽内就可以容纳更多的语音通道。

语音编码方法应满足以下几个基本要求：

—编码速率要低，话音质量要高；

—有较强的抗干扰性能；

—编译码延时要短，延时应控制在几十毫秒以内；

—编译码器设计要简单，功耗小，便于小型化集成。

为了在有限的带宽内可以容纳更多的用户，需要对语音信号进行压缩编码。53.1.1语音编码

在通信系统中，语音编码是相当

根据语音编码压缩方式的不同，可以把语音编码器分成两类:波形编码器和声码器（参量编码器）。

波形编码是将时域的模拟语音信号经过采样、量化、编码形成数字的语音信号的过程(将波形直接变换成数字码流)。如脉冲编码调制(PCM）、增量调制（ΔM）等都属于波形编码。

编码速率：16～64kb/s。

优点：可以获得很好的语音质量；

缺点：比特率较高，需要占据较大的传输带宽。

波形编码在传统的公共交换电话网（PSTN）中广泛使用。由于编码速率较高，无线传输时需要占用的频带较宽，所以适合用于有线通信，不适合于无线通信。6根据语音编码压缩方式的不同，可以把语音编码器分成两类:波

声码器是一种基于信源模型的参量编码器。

参量编码是基于人类语言发声机理，应用数字信号处理技术，在频域或其他变换域提取表征语音的特征参量，然后对特征参量进行编码的一种方法(即用一组特征参量表示语音信号)。由于只需传输语音的特征参量，是一种低速率的语音编码方法。如线性预测编码（LPC）属于参量编码。

编码速率：1.2～4.8kb/s。

优点：编码速率较低，占用带宽较小，适合无线通信。

缺点：话音质量只能达到中等水平，不能满足商用语音通信的要求。7声码器是一种基于信源模型的参量编码器。

参

混合编码方法是目前无线通信系统中广泛使用的语音编码技术。

混合编码是将波形编码和声码器原理结合起来实现的。混合编码信号中既包含部分波形编码信息，又有若干语音特征参量信息，以较低的比特率获得较高的质量。如规则脉冲激励线性预测编码（RPE-LTP）(用于GSM系统)、矢量和激励线性预测编码（VSELP）(用于窄带CDMA系统)等属于混合编码方法。

编码速率：4～16kb/s。

8混合编码方法是目前无线通信系统中广泛使用的语音编码技术。如果编码器的速率越低，算法越复杂，则时延与费用就会越高

需要在以上几个因素中寻求一个平衡点移动通信系统在选择语音编码器时要考虑几个因素：压缩后的语音质量系统的容量系统的开销端到端编码时延编码器算法的复杂性对传输误码的影响

9如果编码器的速率越低，算法越复杂，则时延与费用就会越高

美国USDC系统（IS-54）运用8kb/s的VSELP（矢量和激励线性预测编码)语音编解码器，将模拟系统（AMPS）的容量提高了3倍。

CDMA蜂窝系统（IS-95）中所采用的是CELP（码激励线性预测编码）方式。

由于CDMA系统内部具有抗干扰能力和扩展带宽的能力，所以，可以运用低比特率语音编解码器，而无需考虑对于传输误差的影响。10美国USDC系统（IS-54）运用8kb/s的VSEL表3-1用于各种移动通信系统的语音编码方式11表3-1用于各种移动通信系统的语音编码方式11

例3-1某一个数字移动通信系统，其前向信道频率带宽为810~826MHz，反向信道频率带宽为940~956MHz。假设90%的带宽用于语音业务，用FDMA多址接入方式，至少支持1150个同时呼叫，调制方案的频谱效率为1.68(b/s)/Hz，为避免信道恶化产生的误码率，需要用比率为1/2的FEC前向纠错编码。请求出用于该系统的语音编码器传输比特率的上限。12例3-1某一个数字移动通信系统，其前向信道频率带宽为

解：

系统可用的语音信道的带宽=0.9×（826－810）=

14.4MHz，用户数=1150，

则最大的语音信道带宽=≈12.5kHz

频谱效率=1.68（b/s）/Hz

则最大的信道传输数据速率=1.68×12500b/s=21kb/s

FEC编码比率=0.5

则最大的净数据率=21×0.5kb/s=10.5kb/s

这样，需要的语音编码器的数据速率小于或等于10.5kb/s13解：

系统可用的语音信道的带宽=0.9×（826－83.1.2数据压缩编码

在无线通信系统中除了语音业务之外，还包括如文字、图像、视频、动画等多媒体信息。这些多媒体所包含的数据量相对都比较大，在相同条件下要比语音的数据量大1000倍以上。所以如果要把数据量大的多媒体信息在有限的空间进行存储和传输，就必须采用数据压缩技术。143.1.2数据压缩编码

在无线通信系统中除了语音业务数据压缩的依据：

1、视频图像或音频信号等原始信号存在着很大的冗余度；

2、人耳听觉特性

人耳对不同频段声音的敏感程度不同，通常对低频比对高频更敏感

人耳对语音信号的相位不敏感

3、人眼视觉特性

人的视觉对亮度信息很敏感，而对边缘的急剧变化不敏感（视觉遮盖效应）

所以，人对压缩后恢复的图像或音频信号仍有较满意的主观感觉15数据压缩的依据：

1、视频图像或音频信号等原始信号存在着1.数据冗余

“冗余”一般是指多余或是重复量非常大的数据。我们可以通过减小冗余来减小存储空间。

可利用的冗余有如下几种：

1）空间冗余2）时间冗余

3）结构冗余4）信息熵冗余（编码冗余）

（1）空间冗余

规则物体和规则背景的表面物理特性具有相关性，这些相关性的光成像结果在数字化图像中就表现为数据冗余。如一个颜色均匀的块，其区域中所有点的光强和色彩以及饱和度基本相同，它的数据表达就有很大的冗余。

161.数据冗余

“冗余”一般是指多余或是重复量非常大2）时间冗余

序列图像（电视、运动图像）和语音数据中经常含有冗余。例如，图像序列中的两幅相邻图像，后一幅图像与前一幅图像之间有较大的相关，这反映为时间冗余。

3）结构冗余

有些图像从结构上看存在着非常强的纹理结构。例如，草席图像在结构上存在冗余。

4）信息熵冗余

信息熵是指一组数据携带的信息量。实际数据编码的码长按概率对应的数据量往往大于信息熵，这就是信息熵冗余，或称为编码冗余。172）时间冗余

序列图像（电视、运动图像）和语音数

2.数据压缩方法

数据压缩编码是按照特定的编码机制，用较少的数据位元表示信息的过程。根据解码后数据与原始数据是否完全一致，数据压缩方法一般分为以下两类：

(1)无损压缩：解码图像与原始图像严格相同，压缩比在2:1～5:1之间，如Huffman编码、算术编码、行程长度编码等。

(2)有损压缩：还原图像与原始图像存在一定的误差，但视觉效果一般可以接受，压缩比可以从几倍到上百倍，如PCM（脉冲编码调制）、预测编码、以及新一代的数据压缩方法（如矢量量化和子带编码、基于模型的压缩、分形压缩和小波变换压缩等）。182.数据压缩方法

数据压缩编码是按照特定的编码机制根据数据压缩的原理进行划分，压缩编码方法有以下几类：

（1）预测编码。

该法是利用空间中相邻数据的相关性，利用过去和现在出现过的点的数据情况来预测未来点的数据。常用的方法是差分脉冲编码调制(DPCM)和自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)。

（2）变换编码。

该法将时域信号变换到频域空间上进行处理。在时域空间上具有强相关的信号，反映在频域上某些特定的区域内能量常被集中在一起，我们只需将主要注意力放在相对小的区域上，从而实现压缩。一般采用正交变换，如离散余弦变换(DCT)、离散傅里叶变换(DFT)和小波变换(WT)等来实现压缩算法。19根据数据压缩的原理进行划分，压缩编码方法有以下几类：

（1）

（3）量化与向量量化编码。

对模拟信号进行数字化时，要经历一个量化的过程。为了使整体量化失真最小，就必须依照统计的概率分布设计最优的量化器。

我们对像元点进行量化时，除了每次仅量化一个点的做法外，也可以考虑一次量化多个点的做法，这种方法称为向量量化。例如，我们可以每次量化相邻的两个点，将两个点用一个量化码字表示。向量量化的数据压缩能力实际上与预测方法相近。20（3）量化与向量量化编码。

对模拟信号进行数字化时

（4）统计编码（信息熵编码）。

该法是根据信息熵原理，让出现概率大的符号用短的码字表达，反之用长的码字表示。最常见的统计编码方法有Huffman编码、Shannon编码以及算术编码。

（5）子带（subband）编码。

该法是将数据变换到频域后，按频域分带，然后用不同的量化器进行量化，从而达到最优的组合；或者分步渐近编码，在初始时，对某一频带的信号进行解码，然后逐渐扩展到所有频带。随着解码数据的增加，解码数据也逐渐变得清晰。21（4）统计编码（信息熵编码）。

该法是根据信息熵原（6）模型编码。

该法是在图像编码中，编码时首先将图像中的边界、轮廓、纹理等结构特征找出来，然后保存这些参数信息，解码时根据结构和参数信息进行合成，恢复原始图像。具体的模型编码方法有轮廓编码、域分割编码、分析合成编码、识别合成编码、基于知识的编码和分形编码等。22（6）模型编码。

该法是在图像编码中，编码时首先将3.2信道编码

3.2.1信道编码的基本概念

信道编码的目的是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰而专门设计的一类抗干扰技术和方法。

信道编码的定义

根据一定的规律，在待发送的信息码元中人为的加入一些必要的（监督）码元。在接收端根据规律，发现和纠正差错，以提高码元传输的可靠性。

233.2信道编码

3.2.1信道编码的基信道编码的分类

按照功能和结构分类，最常用的信道编码可以分为以下三类。

（1）仅具有发现差错功能的检错编码，如循环冗余校验CRC码、自动请求重传ARQ等。

（2）具有自动纠正差错功能的纠错编码，如循环码中BCH码、RS码、卷积码、级联码、Turbo码等。

（3）既有检错又有纠错功能的信道编码，最典型的是混合ARQ，又称为HARQ。24信道编码的分类

按照功能和结构分类，最常用的信道编码3.2.2线性分组码

线性分组码通常是按照代数规律构造的，故又称为代数编码；在分组码中，校验位被加到信息位之后，以形成新的码字(或码组)。一般记为(n,k)码。其中，k为信息码长度，n为码组长度，n-k为监督码元长度。在分组编码时，k个信息位被编为n个比特，而n-k个校验位的作用就是检错和纠错。编码效率是原始信息速率与信道信息速率的比值：

分组码一种前向纠错(FEC)编码。它是一种不需重复发送就可以检出并纠正有限个错误的编码。253.2.2线性分组码

线性分组码通常是按照代数规律构

（1）(7，3)线性分组码编码方程。

设输入信息为u=（u0

u1

u2）（3-2-1）

输出码元为c=（c0

c1

c2

c3

c4

c5

c6）（3-2-2）则编码的线性方程如下：(3-2-3)(3-2-4)

可见，输出码组中，前三位码元就是信息位的简单重复，后四位是监督位，由前3个信息值的线性组合构成。26（1）(7，3)线性分组码编码方程。

设输入信息为将线性方程写成对应矩阵形式为(3-2-5)=uG若G=(IQ)(3-2-6)

其中，G为生成矩阵，I为单位矩阵，相当于信息码。c为系统码。可见，已知信息码组u与生成矩阵G，即可生成系统码。生成矩阵G主要用于编码器产生码组。27将线性方程写成对应矩阵形式为(3-2-5)=uG若(2)监督方程组。

若将上述编码方程中后四位监督方程改写如下：(3-2-7)28(2)监督方程组。

若将上述编码方程中后四位监督方上述线性方程可改写成下列矩阵形式：(3-2-8)即H·cT=0T或H=(PI)

称H为监督矩阵(校验矩阵)。

它决定了信息码元与监督码元之间的校验关系。

监督矩阵H一般用于译码。29上述线性方程可改写成下列矩阵形式：(3-2-8)即3.2.3循环码

循环码是线性分组码中最重要的一个子类，绝大多数实用的线性分组码都是循环码。

循环码特点：

1、是在严密的代数学理论基础上建立起来的

2、编码解码设备相对简单

3、检错纠错能力较强

4、理论上有成熟的代数结构，可采用码多项式描述，能够用移位寄存器来实现。303.2.3循环码

循环码是线性分组码中最重要的一个循环码具有循环推移不变性，若c=(c0

c1

c2…cn－1)为循环码，则将c左移、右移若干位后仍为循环码，且循环周期为n。对任意一个n维循环码，均可找到一个n-1阶的码多项式唯一确定，即

c(x)=(c0+c1x+…+cn－1xn－1)(3-2-11)

利用循环特性，可将上面线性码的生成矩阵G进一步简化为生成多项式g(x)。同理,监督矩阵H也可以进一步简化为监督多项式h(x)。

循环码有很强的检错能力，同时实现起来也比较简单。循环冗余监督(CRC)码就是常见的检错码，目前得到了广泛应用。31循环码具有循环推移不变性，若c=(c0c1c23.2.4卷积码线性分组码是把k个信息比特编成n个比特的码组，而每个码组的n-k个监督位仅与本码组的k个信息位有关，与其他码组无关。因此，为了达到一定的纠错能力和编码效率，分组码的码组长度一般都要求比较大，且编译码时必须把整个信息码组存储起来。由此产生的问题：译码时延随n的增加而增加，这显然不利于码的串行传输。于是人们提出了另外一种编码方法——卷积码，它有效地解决了这个问题。323.2.4卷积码线性分组码是把k个卷积码与分组码相比，主要区别如下：

相同之处：卷积码也是将k个信息比特编成n个比特，但k和n通常很小，特别适合以串行的形式进行传输，时延小。

不同之处：卷积码不在是把信息序列分组后再进行单独编码，而是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列。卷积码编码后的n个码元不仅与当前段的k个信息有关，还与前面的M段信息有关，编码过程中互相关联的码元个数为nM。在同样复杂度的条件下，卷积码可以比分组码获得更大的编码效率。33卷积码与分组码相比，主要区别如下：

相同之处：卷积码也是将k把卷积码记为(n，k，m)，其中k表示输入信息的路数，n表示码元输出路数，m表示编码器中寄存器的节数。卷积码的典型结构可看做由k个输入端、n个输出端、m节寄存器构成的一个有限状态。图3-1卷积码的典型编码器结构34把卷积码记为(n，k，m)，其中k表示输入信息的路数卷积码的描述方法

一般有两种：图解法和解析表示。着重于图解法，即树图法和网格图法。

1)树图法

以带有分支的树的形式表示编码器的结构。树的分支表示编码器的各种状态和输出。

2)网格图法

由于树状图中有节点状态的重复，人们将重复状态节点进行合并，得到一种更为紧凑的表示法——网格图法。但是不如树图那样能显示编码路线。35卷积码的描述方法

一般有两种：图解法和解析表示。着重于图解法

卷积码的译码主要分为代数译码和概率译码。

代数译码是纠错译码的经典方法。常用的代数译码为大数译码逻辑，其特点是电路简单，编码增益低。

概率译码是纠错译码的新方法，该法考虑了信道的统计特性。常用概率译码的有序列译码、维特比译码、堆栈译码，特点是电路复杂，编码增益高。

就其性能来说，维特比译码最好，堆栈译码最差；但从实现复杂度来看，维特比译码最复杂，堆栈译码最简单。36卷积码的译码主要分为代数译码和概率译码。

代数补充：交织编码

移动通信的特点是传输的信号常常是连续的一段被干扰，但是卷积码或循环码的纠错能力也只限定在纠正不连续的误码，如果出现了连续误码，则无法解决。

交织编码技术可解决该问题，即把一个消息块原来连续的比特按一定规则分开发送传输，使突发差错信道变为离散信道。37补充：交织编码

移动通信的特点是传输的信号常常是交织编码的目的：把一个较长的突发性差错离散成随机差错。

交织编码的分类：块交织，帧交织，卷积交织，分组交织等。

块交织特点：

交织按列写入，逐行读出；

反交织按行写入，按列读出采用交织技术后，如果传送过程中某块消息丢失，在恢复后实际上只丢失每个信息块的一部分，而不至于全部丢失，这样就很容易恢复那些被丢失的消息。38交织编码的目的：把一个较长的突发性差错离散成随机差错。

交交织码的优点：在不增加新的监督码元的前提下，提高了抗突发错误的能力。由于不会增加监督码元，从而不会降低编码效率。

理论上讲，交织深度越大，抗突发错误的能力就越强，但是要求译码器的暂存区也越大，而且译码延时也会相应加大。因此，实际工程中会根据设计成本和系统的延时要求选取合适的交织深度。

39交织码的优点：在不增加新的监督码元的前提下，提3.2.5Turbo编码

Turbo码原理：把信