第3章移动通信中的编码和调制技术

1/48第三章移动通信的编码

和调制技术2/37第2章问题：1、移动通信传播的根本特性？2、什么是多径衰落？在时间上引起什么现象？3、自由空间传播损耗的分贝公式？4、什么是多谱勒频移？计算公式是什么？在频率上会引起什么现象？3/37移动通信编码技术问题：1、信源编码的原理是什么？GSM系统的信源编码器是什么？编码后的信息速率是多少？2、信道编码的原理是什么？3、移动通信的信号处理流程？4、信道编码的分类？分别处理什么情况？4/37移动通信编码技术补充问题：1、GSM移动通信系统采用什么信道编码方式？2、对于分组码〔80,70〕,它的编码效率是多少？3、请画出对长度为128bit的信息进行交织编码的简略图？〔注：分成8个组〕5/37本章提示有效性：占用尽可能少的信道资源，传送尽可能多的信源信息。可靠性：指在传输的过程中，抵抗各类客观、自然干扰的能力。平安性：在传输中的平安保密性能，即收端防窃听、发端防伪造和篡改的能力等。频段、时隙和功率6/37本章提示——编码技术蜂窝移动通信系统由于频率资源受限，一般信源编码技术如PCM、ADPCM、

M等，因为编码速率高而未被采用。蜂窝移动通信均采用13kbit/s以下低速率语音编码。信道编码是以增加传输码元冗余度，降低有效码元传输速率为代价，以牺牲通信的有效性换取通信的可靠性。7/37本章提示——编码技术突发性干扰是快衰落在衰落深度和持续时间较长的情况下，对信号造成成串的错误，用一般信道编码方法很难纠错；只能用交织技术将成串的错误转换成随机过失后，再用信道编码方法纠错。8/37本章提示——编码技术Turbo码是近年来倍受瞩目的一项新技术。虽然它的复杂性、译码时延对有些应用带来困难〔例如对实时语音〕，但它是目前的可实现的好的编码技术之一。9/37要掌握的名词解释FSK:

FrequencyShiftKeying,移频键控GMSK：Gaussian-filteredMinimumShiftKeying,高斯滤波最小移位键控PSK：PhaseShiftKeying,移相键控QPSK：QuaternaryPhaseShiftKeying,四相相移键控PCM：PulseCodeModulation,脉码调制OFDM：OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交频分复用10/37第3章移动通信中的编码和调制技术3.1概述3.2编码技术3.3调制技术3.4扩频技术11/373.1概述3.2编码技术

3.2.1信源编码

3.2.2信道编码

3.2.3交织编码3.3调制技术3.4扩频技术

第3章移动通信的编码和调制技术12/373.1概述3.2编码技术3.3调制技术3.3.1调制与解调技术3.3.2FSK调制3.3.3高斯最小移频键控〔GMSK〕3.3.4QPSK调制技术3.4扩频技术

第3章移动通信的编码和调制技术13/373.1概述第一代模拟移动通信系统〔1G〕因其容量小，语音质量不高，保密性差，不能提供非话业务，限制了模拟系统的进一步开展。1991年，GSM900MHz数字蜂窝移动通信系统在欧洲问世，从此，移动通信跨入了第二代〔2G〕。本文的主要研究对象为第二代移动通信〔GSM〕，以下内容中移动通信即代表第二代移动通信，即蜂窝移动通信系统。14/37GSM系统传输与处理的信号主要是语音和数据业务，涉及的主要信号流程如图3-1所示。移动通信信号处理流程15/37信道编码信源编码TDMA帧形成调制功率放大信道解码信源解码TDMA帧别离解调接收图3-1移动通信信号处理流程模拟

信号a)语音发送b)语音接收PCM编码数字

信号移动台甲基站16/373.2.1信源编码——别废话，拣主要的说使用信源编码的目的在移动通信系统中，信源编码主要指语音编码。压缩信源产生的冗余信息，降低开销，提高传输的有效性。历数移动通信中的信源编码技术17/37信源编码信源编码方式abc2.5G、3G和4G2G(GSM)18/371、GSM系统的语音编码

由于GSM系统是一种全数字系统，语音或其它信号都要进行数字化处理，因而第一步要把语音模拟信号转换成数字信号〔即1和0的组合〕。语音信号有多种编码方式，但最根本的是脉冲编码调制PCM。典型的脉冲编码调制电路组成如图3-2所示。A/D转换19/37图3-2脉冲编码调制〔PCM〕电路组成20/37PCM编码是采用A律波形编码，分为三步：

(1)采样

(2)量化

(3)编码21/37语音编码技术通常分为三类：波形编码、声源编码〔或参量编码〕和混合编码。波形编码的目的在于尽可能精确地再现原来的语音波形。声源编码是将语音信息用特定的声源模型表示。混合编码把波形编码的高质量和声码器的高效压缩性融为一体，尤其在16bit/s～8kbit/s范围内到达了良好的语音质量。22/37波形编码器语音质量较高，但要求的比特速率相应的较高。声码器编码可以是很低的速率〔可以低于5kb／s〕，虽然不影响语音的可懂性，但语音的失真很大，很难分辨是谁在讲话。因此GSM系统语音编码器是采用声码器和波形编码器的混合物——混合编码器，全称为规那么脉冲长期预测编码〔RPE-LTP编码器〕，见图3-3。GSM系统使用的编码器23/37图3-3GSM语音编码器框图声码器波形编码器模拟语音的数字编码24/37从GPRS开始，引入数据业务常用的图像编码方案：JPEG、JPEG2000、H.261、H.263等常用的视频编码方案：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.2642、图像视频编码

25/37信道编码与信源编码的区别：图

信源编码与信道编码3.2.2信道编码26/373.2.2信道编码使用信道编码的目的可以降低信道随机的过失。信道编码的实现信道编码是通过在发送信息时参加冗余的数据位来改善信道链路的性能的。分类分组编码卷积编码27/373.2.2信道编码原理

对于加性高斯白噪声信道，额定带宽为B(Hz)、接收信号功率为P(W)及噪声谱密度为P(W/Hz)，其信道容量可由下面的香农公式给出：带宽信噪比28/373.2.2信道编码原理信道编码是通过增加相关的冗余数据来提高系统性能，也就是以增加传输带宽为代价来取得编码增益的。29/37在发射机的基带局部，信道编码器按照某种确定的约束规那么，把一段数字信息映射成另一段包含更多数字比特的码序列，然后把已被编码的码序列进行调制以便在无线信道中传送。接收机可以用信道编码的约束规那么来检测或纠正由于在无线信道中传输而引入的一局部或全部的误码。这是因为参加一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特，但这种方法可以有效地减少数据过失。提高可靠性牺牲有效性30/37为了便于理解，我们举一个简单的例子加以说明。假定要传输的信息是一个“0〞或是一个“1〞，为了提高保护能力，各添加3个比特：信息添加比特发送比特例子：0111100000001111+＝31/37对于每一比特(0或1)，只有一个有效的编码组(0000或1111)。如果收到的不是0000或1111，就说明传输期间出现了过失。比例关系是1∶4，必须发送的是该信息所需要的4倍的比特。保护作用如何?

接收编码组可能为：

判决结果：0000001001100111111100X1132/37图3-4表示了数字信号传输的过程，其中信源可以是语音、数据或图像的电信号“s〞，经信源编码构成一个具有确定长度的数字信号序列“m〞，人为地再按一定规那么加进非信息数字序列，以构成一个一个码字“c〞(信道编码)，然后再经调制器变换为适合信道传输的信号。33/37图3-4数字信息传输方框图34/37信道编码的检错和纠错是利用传输数据的冗余量来实现的。用于检测错误的信道编码称做检错编码；可纠错的信道编码被称做纠错编码信道编码通常有两类：分组编码和卷积编码。信道译码：35/37分组编码要使信道编码具有一定的检错或纠错能力，必须参加一定的多余码元。信息码元先按组进行划分，然后对各信息组按一定规那么参加多余码元，这些附加监督码元仅与本组的信息码元有关，而与其他码组的信息无关，这种编码方法称为分组编码。实现框图如图3-5所示：36/37图3-5分组编码原理框图分组编码器信息信息1检验1消息组编码组信息2检验2…不相关相关37/37分组码的根本描述二进制分组码编码器的输入是一个长度为k的信息矢量a=(a1,a2,….ak),它通过一个线性变换，输出一个长度等于n的码字C。式中G为k×n的矩阵，称作生成矩阵。Rc=k/n称作编码率。长度等于k的输入矢量有2k个，因此编码得到的码字也是2k个。这个码字的集合称作线性分组码，即(n,k)分组码。对一个分组码的生成矩阵G，也存在一个(n-k)×n矩阵H满足

1×n1×k?k×n38/37分组码的根本描述H称作校验矩阵，它也满足性质：1、汉明距离：两个等字符串对应位置的不同字符的个数。2、码的最小距离：任意两个码字之间汉明距离的最小值，表示为dmin。dmin是衡量码的抗干扰能力〔检、纠错能力〕的重要参数，dmin越大，码的抗干扰能力就越强。或验证码字是否有错39/37分组码的根本描述理论分析说明：①〔n,k〕线性分组码能纠正t个错误的充分必要条件是②〔n,k〕线性分组码能发现接收码字中l个错误的充分必要条件是③〔n,k〕线性分组码能纠正t个错误并能发现l〔l>t〕个错误的充分必要条件是40/371．编码效率、冗余度、码重与码距在分组码中，数据每k个信息比特分为一组，k个信息位与增加的〔n−k〕个比特组成一个n比特的码组〔或码字〕，这种码叫做(n，k)分组码。分组中(n-k)/k比值称为码的冗余度，k/n比值称为编码效率。编码效率可表示分组中信息比特所占的比例。41/371．编码效率、冗余度、码重与码距

除编码效率k/n外，码字的另一个重要参数是码重，即码字中非零的码元数目。不同类型的分组码具有不同的特性。线性分组码系统码循环码码字中1的个数42/372．BCH码BCH码是循环码的一个重要子类，具有多种码率，可获得很大的编码增益，BCH码有严密的代数理论，是目前研究最透彻的一类码。〔1〕戈雷码〔Golay〕〔2〕扩展BCH码〔3〕截短BCH码43/373．RS码RS码是Reed-Solomon〔里德—索洛蒙〕码的简称，它是一种多进制BCH码。它能够纠突发错误，通常在连续编码系统中采用。44/37图3-6卷积编码原理框图45/37在GSM系统中，上述两种编码方法均在使用。首先对一些信息比特进行分组编码，构成一个“信息分组+奇偶(检验)比特〞的形式，然后对全部比特做卷积编码，从而形成编码比特。这两次编码适用于语音和数据二者，但它们的编码方案略有差异。采用“两次〞编码的好处是：在有过失时，能校正的校正(利用卷积编码特性)，能检测的检测(利用分组编码特性)。二次编码46/37例子：二次编码：分组编码和卷积编码假设：发送端：有效信息为：10110010

分组编码后：接收端：检错纠错：卷积编码奇校验10110010147/37GSM系统首先是把语音分成20ms的音段，这20ms的音段通过语音编码器被数字化和语音编码，产生260个比特流，并被分成：(1)50个最重要比特。〔2)132个重要比特。〔3)78个不重要比特。如图3-7所示，对上述50个最重要比特添加3个检验比特(分组编码)，这53个比特同132个重要比特与4个尾比特一起卷积编码，比率1∶2，因而得378个比特，另外78个比特不予保护。信源编码后的码速率为13Kb/s二次编码例子：48/37图3-7GSM数字话音的纠错编码〔53+136〕*2＝37813Kb/s*20ms=260bit1:2最重要重要不重要分组编码分组编码分组编码中〔n,k〕分别是？分组编码的编码效率是？卷积编码49/373.2.3交织技术信道编码的作用对信源编码的数据增加一些冗余数据，对信源编码的数据进行监督，以使在接收时能从接收的数据中检出由于传送过程中引起的随机过失从而进行纠错。交织技术的作用通过将纠错编码后分散，对付在传输过程中产生的连续突发的干扰。50/37交织技术原理假定由一些4比特组成的消息分组，把4个相继分组中的第1个比特取出来，并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组，称作第一帧，4个消息分组中的比特2～4，也作同样处理，如图3-8所示。

51/37图3-8交织原理进行分组1帧结论：打乱正常顺序进行传输52/37GSM系统中交织方式例子：

话音编码器和信道编码器将每一20ms语音数字化并编码，提供456个比特。首先对它进行内部交织，即将456个比特分成8帧，每帧57比特，见图3-9。53/37图3-9GSM20ms话音编码交织123456789101112131415161718192021222324…45620ms信息纠错编码后数据456bit进行分组，分为N＝57组，每组M＝8位第1帧54/37交织编码特点①任何长度l≤M的突发过失，经交织后成为至少被N−1位隔开后的一些单个独立过失。②完成交织与去交织变换在不计信道时延条件下，将产生2MN个符号的时延，其中发、收端各占一半。55/37什么是调制？将低频信号的频谱搬移到较高的载波频率上为什么要调制？低频语音信号无法传播很远距离天线尺寸要与信号波长匹配移动通信的频谱资源在高频上3.3.1调制与解调56/37模拟调制：用模拟调制信号去控制高频载波的频率、相位以及幅度等。FM、PM、AM数字调制：用数字信号来调制某一高频率的正弦或脉冲载波，使已调信号能通过带限信道传输。ASK、FSK、PSK、QPSK等3.3.1调制与解调57/373.3.1调制与解调语音调制信号人的耳朵能够听到语音的频率在20～20000Hz的范围内。一般认为只要有300～3400Hz，就足以表达说话的内容了。如果考虑到语音的原始声音和真实度问题，那么需要50～15000Hz的频率范围。声音范围的频率被称作低频或音频。58/37常见的调制—解调调制时必须具备调制信号和载波。调制信号可以分为模拟信号和数字信号。可供使用的载波有正弦波和方波。调制方式可以按照调制信号的形式和载波形式的组合来分类。表3-1示出了调制方式的分类情况，可以依照信息的形式、传送线路的特性和对传送质量的要求来选择调制方式。59/37表3-1调制方式60/37调制在通信系统中占有十分重要的地位。只有经过调制才能将基带信号转换成适合于信道传输的已调信号，而且它对系统的传输有效性和可靠性都有很大的影响。常用的数字调制方式：频移键控，FSK相移键控，BPSK四相键控，QPSK高斯最小频移键控，GMSK 61/373.3.2FSK调制——调制的类型经语音编码后的信号是数字信号，此信号向外发送还需要经过调制。应用于移动通信的数字调制技术，按信号相位是否连续可分为相位连续型调制和相位不连续型调制；按信号包络是否恒定可分为恒包络调制和非恒包络调制。频移键控FSK是数字信号的频率调制，其根本原理如图3-10所示。62/37图3-10FSK根本原理示意图调制信号

0和1载波信号FSK的输入信号是从哪里出来的？即通信信道63/37

传送编码为10001101，其工作波形示意如图3-11所示。从图中可以看出，FSK调制相当于D/A变换，经过调制后的数字信号变成了f1、f2二值频率变化，显然，这个信号具有模拟信号的特点。完成频移键控后，接收端如何解调出这个二进制码呢？FSK解调如图3-12所示。例子：64/37图3-11FSK波形示意图f1f2调制信号已调信号65/37图3-12FSK解调中心频率为f1中心频率为f266/37带通滤波器f1f1f2判决：1接收：11110001101信源信息：带通滤波器f2判决：0000合并：1000110167/373.3.3高斯最小移频键控〔GMSK〕在数字调制技术中，其中应用最多的是最小频移键控MSK、平滑调频TFM、高斯最小频移键控GMSK。GSM系统采用高斯最小频移键控GMSK。GMSK与FSK不同之处是：〔1〕在调制时，使高、低电平所调制的两个频率f1、f2尽可能接近，即频移最小，这样可节省频带。68/37〔2〕GMSK调制可以控制相位的连续性，在每个码元持续期Ts内，频移恰好引起π/2的相位变化。〔3〕在MSK之前参加了高斯滤波器，因其滤波特性与高斯曲线相似，故以此相称。GMSK信号产生原理如图3-13所示，电路框图如图3-14所示。69/37图3-13GMSK信号产生原理单极性码70/373.3.4QPSK调制技术一、二相调制BPSK二、四相调制QPSK三、偏移QPSK—OQPSK71/37一、二相调制BPSK1.二相调制信号SBPSK(t)

在二进制相位调制中，二进制的数据bk=±1可以用相位不同取值表示，例如其中由于，所以BPSK信号一般也可以表示为

72/37一、二相调制BPSK

设二进制的基带信号b(t)的波形为双极性NRZ码,BPSK信号的波形如图3.22所示。

调制信号载波信号已调信号73/37一、二相调制BPSK功率谱

BPSK信号是一种线性调制，当基带波形为NRZ码时，其功率谱如图3.23所示。

如图，基带波形为NRZ码时BPSK信号有较大的副瓣，副瓣的总功率约占信号的总功率10%，带外辐射严重。为了减小带外辐射，可考虑用M进制代替二进制。74/371、QPSK调制原理

QPSK又叫四相绝对相移调制，它是一种正交相移键控。QPSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，将每两个比特编为一组，然后用四种不同的载波相位来表征，原理框图如图3-15所示：二、四相调制QPSK75/37图3-15QPSK调制器原理框图同相支路I正交支路Q76/37QPSK的调制器可以看作是由两个BPSK调制器构成，输入的串行二进制信息序列经过串行变换，变成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性的二电平信号I〔t〕和Q〔t〕，然后对Acosωt和Asinωt进行调制，相加后即可得到QPSK信号。经过串并变换后形成的两个支路如图3-16所示，一路为单数码元，另外一路为偶数码元，这两个支路互为正交，一个称为同相支路，即I支路；另外一路称为正交支路，即Q支路。77/37图3-16二进制码经串并变换后的码型调制信号串并转换78/37二、四相调制QPSKQPSK信号

在QPSK调制中，在要发送的比特序列中,每两个相连的比特分为一组构成一个4进制的码元，即双比特码元。双比特码元的4种状态用载波的四个不同相位(k=1,2,3,4)表示。这种对应关系叫做相位逻辑。例如

QPSK信号可以表示为：

其中A为信号的幅度，

为载波频率。

79/37二、四相调制QPSKQPSK信号产生

80/37二、四相调制QPSKQPSK信号的功率谱和带宽正交调制产生QPSK信号实际上是把两个BPSK信号相加。它们有相同的功率谱，带宽也为B=Rb。频带效率B/Rb那么提高为1。已调信号功率谱的副瓣仍然很大，在两个支路参加升余弦特性低通滤波器(如图3.29)，以减小已调信号的副瓣。81/37QPSK解调原理

由于QPSK可以看作是两个正交2PSK信号的合成，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图3-17所示。二、四相调制QPSK82/37图QPSK解调器原理框图sin(wt)cos(wt)83/37三、偏移QPSK〔OQPSK〕

把QPSK两个正交支路的码元时间上错开Ts/2=Tb，这样每经过Tb时间，只有一个支路的符号发生变化，因此相位的跳变就被限制在±90°，减小了信号包络的波动幅度。功率谱和带宽效率不变。调制原理图和相位跳变路径为：

84/373.3.5扩频技术根本原理 定义：扩频通信方式是将数字基带信号扩展到一个很宽的频带进行传输的一种调制方式。实现在发送端，使用比信息速率高很多倍的伪随机码来扩展数字基带信号的频谱，形成低功率谱密度、宽带的信号来发送；在接收端，使用同步后的伪随机码进行解扩，恢复出窄带的有用信号，从而减少噪声对信号的影响。85/37优点 该调制方式具有多种优点：抗干扰、抗衰落以及通信的隐蔽性等，最初用于军事通信。移动通信的码分多址方式〔CDMA〕就是建立在扩频通信的根底上。86/373.4扩频通信3.4.1伪随机(PN)序列13.4.2扩频通信原理287/373.4.1伪随机〔PN〕序列m序列的功率谱m序列的随机性质序列的产生伪噪声序列88/37序列的产生伪随机序列〔PN序列〕—具有类似随机噪声的一些统计特性，但和真正的随机信号不同，它可以重复产生和处理，故称作伪随机噪声序列。PN序列有多种，最常用的一种是最长线性反响移位存放器序列，也称作m序列。由m级存放器构成的线性移位存放器如以下图：初值！初值不为089/37m序列的随机性质〔1〕m序列的随机特性：①平衡特性在m序列的一个完整