移动通信中的信源编码和调制解调技术v

第三章移动通信中的信源编码和调制技术3.1

概述3.2

信源编码3.3最小移频键控MSK3.4高斯最小移频键控GMSK3.5QPSK调制3.6高阶调制3.7正交频分复用3.1概述

调制就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配以及有效的利用信道。

多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线信道频谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的影响。信源编码将信源中的冗余信息进行压缩，减少传递信息所需的带宽资源，这对于频谱有限的移动通信系统而言是至关重要的。影响调制方式的选择的主要因素频带利用率：在数字调制中，常用带宽效率ηb

来表示它对频谱资源的利用效率，它定义为ηb

＝Rb/B,其中Rb为比特速率，B为无线信号的带宽。功率效率:指保持信息精确度的情况下所需的最小信号功率（或者说最小信噪比）

已调信号恒包络易于解调带外辐射：一般要求达到-60到-70dB

在移动通信系统中，采用何种调制方式，要综合考虑上述各种因素。

要求信源编码的原理和应用；在蜂窝移动通信中对调制解调技术的要求；频移键控信号的相位连续性对信号功率谱的影响；MSK和GMSK信号特点和功率谱特性；QPSK、OQPSK和-QPSK信号特点和功率谱特性；传输系统的非线性对各种QPSK信号的影响。3.2信源编码3.2.1信源编码的基本概念3.2.2移动通信中的信源编码3.2.3移动通信中的信源编码举例3.2.1信源编码的基本概念在数字系统中，信源编码的基本目的就是通过压缩信源产生的冗余信息来提高整个传输链路的有效性。信息的冗余来自两个主要的方面：首先是信源的相关性和记忆性。这类降低信源相关性和记忆性编码的典型例子有预测编码、变换编码等。其次是信宿对信源失真有一定的容忍程度。这类编码的直接应用有很大一部分是在对模拟信源的量化上，或连续信源的限失真编码。可以把信源编码看成是在有效性和传递的信息完整性（质量）之间的一种折中手段。3.2.2移动通信中的信源编码

移动通信中的信源编码与有线通信不同，它不仅需要对信息传输有效性进行保障，还应该与其他一些系统指标密切相关，例如容量、覆盖和质量。以GSM为例说明。

以GSM系统中普通的全速率和半速率话音编码来说，其速率分别为9.6kbps和4.8kbps，前者的话音质量好于后者，但占用的系统资源是后者的两倍左右。当系统的覆盖不是限制因素时，使用半速率编码可以牺牲质量换取倍增的容量，即提高系统的有效性。而当系统的容量相对固定时，可以通过使用半速率编码牺牲质量换取覆盖的增加，因为半速率编码对于接收信号质量的要求降低了。3.2.2移动通信中的信源编码

除此之外移动通信中的信源编码的设计和实现还要考虑其他一些因素。

由于移动终端是由电池供电，其运算处理能力有限，因此信源编译码就要在保证质量的前提下尽可能地降低复杂度。另外考虑到信宿处理能力的差异，编码后的数据流应该包含不同质量等级的信息，以适应不同终端的需求。考虑到移动信道的差错特性和一些话音、多媒体业务的实时性，这类业务通常要求移动通信中的信源编码能够容忍一定的差错而无需复杂的重传。3.2.3移动通信中的信源编码举例2G/3G中的话音信源编码

2G/3G中的话音信源编码的基本原理是相同的，都采用了矢量量化和参数编码的方式。1.IS-95中的变速率码激励线性预测编码（CELP）

IS-95中的CELP技术通过四个等级的变速率编码实现话音激活，即使用者发声时进行全速率（9.6kbps）编码，而不发声时仅仅传递八分之一（1.2kbps）的背景噪声，以降低功耗和对其他用户的干扰。2.GPRS/WCDMA中的自适应多速率编码（AMR）

AMR的基本原理是根据环境或应用需求的变化动态调整编码速率，例如在信道条件恶化时，降低编码速率，通过牺牲话音品质以拿出更多的无线资源用于更可靠的信道编码以保证基本的语音可懂，而在信道条件好的时候则采用较高的编码速率保证话音品质。3.2.3移动通信中的信源编码举例3.CDMA2000演进系统中的可选择模式语声编码（SMV）

SMV用于CDMA2000演进系统中，其基本原理与前述两种基本相同，它也是可变速率的，从速率等级上看与IS-95中的CELP一样，有9.6kbps、4.8kbps、2.4kbps、1.2kbps四种，不同的是，SMV允许有四种模式供系统侧选择，即Mode0（高品质模式）、Mode1（标准模式）、Mode2（经济模式）、Mode3（容量节省模式），不同的模式实现不同程度的话音质量和平均速率的折中，通过调整不同等级速率所占的比例实现不同的模式，从而调整平均数据速率。3G系统中的视频信源编码H.264

在3GPP的R6、R7以及3GPP2的高演进版本中，视频通信业务采用了H.264/AVC（高级视频编码）视频压缩标准。3.2.3移动通信中的信源编码举例3G系统中的视频信源编码H.264

H.264从某种程度上看是MPEG的扩展。在H.264中，一幅图像可编码成一个或者若干个片（slice，此处与帧的含义相同），每个slice包含整数个MB（MacroBlock），相当于一个完整图像中的不同区域，编码片（slice）共有5中不同的类型，包括I片、B片、P片、SP片、SI片，SP和SI介于I与P之间，但考虑了更多数据片之间的相关性，进一步压缩了数据速率。

NAL的工作模式分为SSM（孤立片模式）和DPM（数据分区模式），如图3.1所示。在SSM中，属于同一数据片的所有编码信息在一个RTP数据包中通过网络进行传输。在DPM中，每个slice中的MB间彼此联系，利用相邻MB存在空间相关性来进行帧内预测编码。将图像数据分成动态矢量数据（即基本层，需要更好的差错保护）以及剩余的信息。3.2.3移动通信中的信源编码举例图3.1H.264网络自适应层NAL工作模式示意图每个数据片的编码视频信息首先被分割成三部分并分别放到A、B、C数据分区中，每个数据分区中包含的信息被分别封装到相应的RTP数据包中通过网络进行传输。其中，PartA中包含最重要的slice头信息，MB头信息，以及动态矢量信息；PartB中包含帧内和SI片宏块的编码残差数据，能够阻止误码继续传播；PartC中包含帧间宏块的编码残差数据，帧间编码数据块的编码方式信息和帧间变换系数。３.3最小移频键控MSK3.3.1相位连续的FSK

3.3.2MSK信号的相位路径、频率及功率谱3.3.1相位连续的FSK2FSK信号

设要发送的数据为ak=±1,码元长度为Tb。在一个码元时间内，它们分别用两个不同频率f1,f2的正弦信号表示，例如:式中

,定义载波角频率(虚载波)为：ω1,ω2对ωc

的角频偏为：

3.3.1相位连续的FSK定义调制指数h:根据ak,h,Tb可以重写一个码元内2FSK信号表达式:式中

称作附加相位。

3.3.1相位连续的FSK附加相位是t的线性函数，其中斜率为,截距为，其特性如图3.2

产生2FSK信号两种不同的方法：开关切换方法（相位不连续）和调频（相位连续），如图3.33.3.1相位连续的FSK

所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续，而且在从码元ak-1到ak转换的时刻kTb，两个码元的相位也相等，即即这样就要求满足关系式:

3.3.1相位连续的FSK

即要求当前码元的初相位由前一码元的初相位、当前码元ak和前一码元ak-1来决定。这关系就是相位约束条件。这两种相位特性不同的FSK信号波形如图3.4所示。3.3.1相位连续的FSK

由图3.4可以看出，相位不连续的2FSK信号在码元交替时刻，波形是不连续的，而CPFSK信号是连续的，这使得它们的功率谱特性很不同。图3.5分别是它们的功率谱特性例子。3.3.1相位连续的FSK

可以发现，在相同的调制指数h情况下，CPFSK的带宽要比一般的2FSK带宽要窄。这意味着前者的频带效率要高于后者。随着调制指数h的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数h不宜太大。但过小又因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。所以应当从它们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便讨论，令它们的初相为零）：通常总是ωcTb

=2πfc/fb

>>1,或ωcTb=nπ，因此略去第一项，得到Ρ-h关系曲线如图3.6。3.3.1相位连续的FSK从图中可以看出，当调制指数h=0.5，1，1.5，….时，ρ=0,即两个信号是正交的。h=0.5的CPFSK就称作最小移频键控MSK。它是在两个信号正交的条件下，对给定的Rb有最小的频差。3.3.1相位连续的FSK3.3.2MSK信号的相位路径、频率及功率谱由于h=1/2，MSK的相位约束条件就是由于|ak-ak-1|总为偶数，所以初始相位为零时，其后各码元的初相位为π的整数倍。相位路径的例子如图3.7所示，其中初始相位为零。图中可以看到的取值为0，-π、-π、-π、3π、...（k=0,1,2….）。

1.相位路径3.3.2MSK信号的相位路径、频率及功率谱在MSK信号中，码元速率Rb=1/Tb、峰值频偏fd和两个频率f1、f2存在一定的关系。当给定码元速率Rb时可以确定各个频率如下：即载波频率应当是Rb/4的整数倍。

2.MSK的频率关系3.3.2MSK信号的相位路径、频率及功率谱3.MSK的功率谱MSK的功率谱为式中A为信号的幅度。功率谱特性如图3.8所示。为便于比较，图中也给出一般2FSK信号的功率谱特性。

由图可见，MSK信号比一般2FSK信号有更高的带宽效率。

3.4高斯最小移频键控GMSK

GMSK是一种恒包络调制方式，可以采用功率效率高而便宜的非线性功率放大器，这使用户单元（手机）的价格比较低，有利于当时移动电话的普及。

3.4.1高斯滤波器的传输特性3.4.2GMSK信号的波形和相位路径3.4.3GMSK信号的调制与解调3.4.4GMSK功率谱

3.4.1高斯滤波器的传输特性GMSK就是基带信号经过高斯低通滤波器的MSK，如图3.93.4.1高斯滤波器的传输特性频率特性H(f)和冲激响应h(t)高斯滤波器具有指数形式的响应特性，其中幅度特性为

冲激响应为令Bb为H(f)的3dB带宽，因为H(0)=1，则有H(f)|f=Bb=H(Bb)=0.707,可以求得a:给定xb,就可以计算出H(x)、h(τ)并画出它们的特性曲线如图3.10。3.4.1高斯滤波器的传输特性3.4.2GMSK信号的波形和相位路径

经过预滤波后的基带信号q(t),相位函数θ(t)和GMSK信号的例子如图3.15。

3.4.3GMSK信号的调制与解调因为因此常常采用正交调制方法。在实际的应用中可以事先

制作和两张表，根据输入数据通过查表读出相应的数值，得到相应的

和波形。GMSK

正交调制方框图如图3.16所示。1.调制3.4.4GMSK功率谱对GMSK信号功率谱的分析是比较复杂的，图3.20是计算机仿真得到xb=0.5、1和xb=∞（MSK）的功率谱。

从图中可见，随着xb

的减小频谱效率越高，但xb过小会使码间干扰（ISI）增加。

GMSK最吸引人的地方是具有恒包络特性，功率效率高，可用非线性功率放大器和非相干检测。GMSK的缺点是频谱效率还不够高。在北美，频率资源紧缺，系统采用具有更高频谱效率的调制方式，这就是π/4-QPSK。3.5QPSK调制3.5.1二相调制BPSK3.5.2四相调制QPSK3.5.3偏移QPSK—OQPSK3.5.4π/4-QPSK3.5.1二相调制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

3.5.1二相调制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。

3.5.1二相调制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。

为了减小信号带宽，可考虑用M进制代替二进制。3.5.2四相调制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。

3.5.2四相调制QPSKQPSK信号产生

QPSK信号可以用正交调制方式产生。

把串行输入的（ak，bk）分开进入两个并联的支路—I支路（同相支路）和Q支路（正交支路），分别对一对正交载波进行调制，然后相加便得到QPSK信号。

3.5.2四相调制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则提高为1。已调信号功率谱的副瓣仍然很大，在两个支路加入升余弦特性低通滤波器(如图3.29)，以减小已调信号的副瓣。3.5.2四相调制QPSKQPSK信号的包络特性和相位跳变

当基带信号为方波脉冲（NRZ）时，QPSK信号具有恒包络特性。由升余弦滤波器形成的基带信号是连续的波形,但QPSK信号的包络也不再恒定。

QPSK是一种相位不连续的信号,在码元转换的时刻，信号的相位发生跳变。通过星座图可以看出跳变的幅度为±180°和±90°。3.5.3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：

3.5.4π/4-QPSK

π/4-QPSK兼顾频带效率、包络波动幅度小和能采用差分检测.它的相位跳变最大幅度大于OQPSK而小于QPSK，只有±45°和±135°，因此信号包络波动幅度大于OQPSK而小于QPSK。采用差分编码的,π/4-QPSK就称作π/4-DQPSK。3.5.4π/4-QPSKπ/4-DQPSK信号产生

π/4-DQPSK可采用正交调制方式产生。其原理图如图3.37所示

相位差分编码就是输入的双比特SI和SQ的4个状态用4个值来表示。其相位逻辑如表3.2所示。所传输的信息包含在两个相邻的载波相位差之中。

3.5.4π/4-QPSKπ/4-DQPSK信号的相位跳变

可能的取值有４个：，，由两个彼此偏移的两个QPSK星座图构成，相位的跳变总是在这两个星座图之间交替进行，跳变的路径如图3.39的虚线所示。

3.6高阶调制3.6.1数字调制的信号空间原理3.6.2

M进制数字调制以及高阶调制3.6.3高阶调制在3G,4G中的应用3.6.1数字调制的信号空间原理

信号波形的表示式和多维矢量空间的表示式存在一定程度的相似性，如果把信号的波形映射到矢量空间就可以很直观地表示欧氏距离了。

对于一个确定的实信号

，它具有有限能量

。在一组完备的归一化正交函数集 中，实信号

可以由这些函数的加权线性组合来近似表示，由此

在

维矢量空间中就可以表示为，3.6.1数字调制的信号空间原理

如果把M个能量有限的信号映射到N维的矢量空间上，空间中的M个映射点称作星座点，矢量空间称作信号空间。在矢量空间中可以很容易地描述衡量误码性能的两个指标，信号之间的互相关系数和欧氏距离。

符号之间相关性越大，欧式距离就越小，那么误码性能就越差。一般来说，调制阶数越高欧氏距离就越小。但是由于频率资源的限制，使得调制方式必须要采用比较高的阶数。为了保证高频谱效率下链路的性能，可以相应的采用强有力的差错控制技术，提升功率等措施来弥补误码性能的缺陷。3.6.2M进制数字调制以及高阶调制M进制的数字调制，一般可以分为MASK，MPSK，MQAM和MFSK，它们属于无记忆的线性调制。如果结合到信号的矢量空间表示，可以理解为这些不同的调制方式是因为采用了不同的正交函数集。一般认为在阶数

时为高阶调制。MASK，MQAM，MPSK这三种调制方式在信息速率和M值相同的情况下，频谱利用率是相同的。由于MPSK的抗噪声性能优于MASK，所以2PSK、QPSK获得了广泛的应用。并且ASK信号是对载波的幅度进行调制，所以不适合衰落信道。在时MQAM的抗噪声性能优于MPSK的，所以阶数更高的调制一般采用的是QAM的形式。

所以