《数字通信原理》课件 项目八-仿真移动通信系统

数字通信原理01项目1：认识通信系统02项目2：认识通信信号CONTENTS03项目3：认知数字基带传输04项目4：理解调制解调05项目5：揭秘编码06项目6：认知定时与同步07项目7：仿真数据通信系统08项目8：仿真移动通信系统09项目9：探索通信新技术项目8仿真移动通信系统仿真移动通信系统项目8项目描述结合移动通信系统的组成原理，剖析移动通信的信源编码、信道编码，进一步理解移动通信的扩频和加扰技术，分析移动通信的调制技术，配合同步技术，建立移动通信仿真系统。项目分析本项目中涉及的编码、调制、同步技术是在传统原理基础知识的升级，需要具有持续的学习能力和理论联系实际的职业素养。仿真移动通信系统项目8学习目标在已有通信原理知识的基础上，结合移动通信系统的实际，完成从移动通信系统理论到实践仿真的设计与实施。课程思政结合移动通信技术发展和关键技术的研究，认识我国芯片产业发展的必要性，通过典型事件，激发学生的爱国热情和攻关精神。认知移动通信系统任务8.1任务目标画出移动通信系统的信号处理过程。任务分析理解移动通信信号处理流程，分析从手机到基站、基站到系统的信号处理过程。从移动通信信号处理角度来看，移动通信系统可抽象为相应模型：任务8.1认知移动通信系统8.1.1移动通信特点（1）移动通信必须利用无线电波进行信息传输（2）无线电波传播条件复杂（3）在强干扰条件下工作（4）具有多普勒效应（5）移动通信系统的网络管理复杂（6）频带的利用率要求高8.1.2移动通信的多址方式1．FDMA2．TDMA3．CDMA分析移动通信系统的信源编码任务8.2任务目标分析学过的通信系统的信源编码技术，理解编码原理和应用场景。结合5G的发展，研究移动通信系统信源编码的关键技术。利用仿真系统实现相关编码的仿真。任务分析移动通信中常用的编码技术有信源编码和信道编码

编码技术信源编码（语音编码）信道编码信源编码简介8.2.101020403波形编码参数编码混合编码变换编码8.2.1信源编码简介移动通信中，信源编码主要是指语音编码。语音编码技术的主要作用是降低语音编码速率，提高语音质量。表8-1常见的语言编码的原理与应用语音编码编码原理说明波形编码波形编码以再现波形为目的，采用波形相关性采用线性预测技术，尽量真实地恢复原始语音波形。波形编码是最简单也是应用最早的语音编码方法。波形编码实施简单、语言质量较高；不足之处就是，波形编码带宽需求较大。PCM编码就是最基本的波形编码，如：G.711建议中的A律或μ律。APCM、DPCM和ADPCM都属于波形编码，使用这些技术的标准有G.721、G.726、G.727等。预测编码虽然语音信号是非平稳信号，但在短时间段内（30ms内）具有平稳信号的特点，所以对语音信号幅度进行预测编码是一种很好的方法。几乎所有基于语音信号产生的全极点模型的参数编码器都用到LPC（如G.728、G.729、G.723.1建议）。最简单的预测是相邻两个样点间求差分，编码差分信号（如G.721）。但更多应用的是语音信号的线性预测编码（LPC）。参数编码参量编码是将人类语音信息用特定的声源模型来表示，通过提取语音参数，并实现参数量化的过程。该过程应尽量减少最后合成的语音与原始语音的差别。发送端根据输入语音提取模型参数并进行编码，用传输模型参数替代传送以波形为基础的语音信息，在接收端则将收到的模型参数译码，并重新混合出语音信号。参数编码是建立在人类语音产生的全极点模型理论的基础之上的，参数编码器传输的编码参数就是全极点模型的参数（基频、线谱对、增益）。参数编码的效率很高，带宽消耗少，但自然度差，语音质量难以提高。尤其是在背景噪音较大的环境下声码器不能正常工作。对人类语音来说，参数编码器的编码效率最高，但对音频信号，参数编码器就不太实用。典型的参数编码器有LPC-10、LPC-10E，G.729、G.723.1以及CELP等码本激励声码器也都离不开参数编码。变换编码变换编码的主要作业是音频压缩。近年来出现的低速率语音编码中，正弦变换编码（STC）、波形插值（WI）、小波变换和Gabor变换都有应用。例如：G.722.1建议中采用的MLT变换，MPEG伴音压缩算法（MP3）用到FFT和MDCT变换，AC-3杜比立体声用到了MDCT。统计编码统计编码对存在统计冗余的信号的编码效率很高。MPEG伴音和G.722.1建议中采纳的哈夫曼变长编码就是统计编码。统计编码在图像编码中大量应用，但在语音编码中，由于变长编码容易引起误码扩散，所以很少使用。8.2.2语音编码标准表8-2语音编码算法与标准分类算法算法名称数据率标准应用场合质量评分波形编码PCM均匀量化

公共网ISDN配音4.0~4.5A（μ）A（μ）律64kbit/sG.711APCM自适应量化32kbit/sG.721DPCM差分量化ADPCM自适应差分量化32kbit/sG.72116~40kbit/sG.72616~40kbit/sG.727SB-ADPCM子带－自适应差分量化48~64kbit/sG.722参数编码LPC10-E线性预测编码2.4kbit/sFS-1015保密话音2.5~3.5MELP混合激励LPC2.4kbit/s

混合编码CELP码本激励LPC4.8kbit/sFS-1016军事通信3.7~4.0VSELP矢量和激励LPC8kbit/s

移动通信RPE-LTP长时预测规则脉冲激励LPC13.2kbit/sGSMLD-CELP低时延码激励LPC16kbit/sG.728公用网ISDNCS-ACELP共轭结构－代数码激励LPC8kbit/sG.729IP-Voc移动通信MP-MLQ-ACELP多脉冲－极大似然量化－代数码激励5.3/6.3kbit/sG.723.1PSTNH.324变换编码SQVH标量量化矢量哈夫曼编码24，32kbit/sG.722.1公共网4.2MPEG多子带感知编码128kbit/s

CD5.0AC-3感知编码300kbit/s

音响5.08.2.3用于移动通信的语音编码表8-3用于移动通信的语音编码标准服务类型语音编码速率（bps）GSM蜂窝RPE-LTP规则脉冲激励长期预测编码13CD-900蜂窝SBC子带编码16IS54蜂窝VSELP矢量和激励线形预测编码器8IS-95蜂窝CELP码本激励线形预测编码器1.2~9.6PDC蜂窝VSELP矢量和激励线形预测编码器4.5，6.7，11CT2无绳ADPCM32DECT无绳ADPCM32PHS无绳ADPCM32CS-1800蜂窝RPE-LTP规则脉冲激励长期预测编码13PACS个人通信ADPCM32WCDMA蜂窝AMR8.2.4语音编码发展趋势语音编码算法呈现窄带话音和宽带音频两种发展趋势。宽带音频编码追求的是50~22kHz高质量的音频编码，对编码数据率要求不严。窄带话音编码追求的是低比特率下的通信等级质量，以降低速率和降低带宽需求为主要目的。8.2.5GSM的语音编解码（RPE-LTP）实例图8-4

RPE-LTP语音编码框图8.2.5GSM的语音编解码（RPE-LTP）实例 图8-5RPE-LTP编码过程示意图8.2.6CDMA中的语音编码实例1、CELP（CodeExcitedLinearPrediction）码激励线性预测编码8.2.6CDMA中的语音编码实例2、QCELP受激线性预测编码CDMA数字移动电话的语音编码标准中采用了QCELP语言编码方式。QCELP线性预测编码（QualComm

Code

Excited

Linear

Predictive）被认为是到目前为止效率最高的一种算法。CDMA系统中的QCELP可变速率声码器，主要原理是提取人说话时声音的一些特征参数，然后将这些特征参数传送到对方，然后对方根据双方的约定用这些参数将声音还原。可变速率声码器的意思是声码器可以根据人说话声音的大小和快慢改变编码速率。8.2.7VoLTE语音编码（AMR-WB语音编码）自适应多速率编码（Adaptive

Multi-Rate，简称AMR）主要用于移动设备的音频编码，压缩比较大，但相对其他的压缩格式质量较差。8.2.85G语音编码随着5G的发展，基于Voiceover5G（简称Vo5G）的语音、视频编码标准已经成熟。5G话音方案包括VoNR、VoeLTE、EPSFB、RATFB等众多选项，目前用Vo5G统称上述所有5G话音方案。Vo5G是基于IMS来提供，而VoLTE会成为5G时代的基础话音网络，与Vo5G协同一起保障话音服务的连续性。理解移动通信系统的信道编码任务8.3任务目标分析学过的通信系统的信道编码技术，理解信道编码原理和应用场景。结合5G的发展研究移动通信系统信源编码的关键技术。利用仿真系统实现相关编码的仿真。任务分析从2G到5G系统发展过程中，信道编码技术也在不断的发展，了解信道编码技术的发展，有助于理解信道编码技术的演进过程，进而深入理解移动通信的信道编码原理。8.3.1移动通信系统的数字信号处理实例GSM移动台原理8.3.2信道编码实例GSM系统的信道编码A/D变换器对数线性变换器13kbit/SRPE编码器20ms存储160个样本182个重要的语音比特个3奇儇检验比特4个尾比特1/2速率信道码规则脉冲编码移动终端模拟语音交换机数字64kbit/s语音78个语音比特378比特456比特8.3.3交织编码1、交织技术原理

图8-11

分组交织码的实现框图例如：假设发送一组信息流，交织存储器为一交织存储矩阵A，它按列写入，按行读出。如下所示。

则：交织存储器输出到突发信道的信息为8.3.3交织编码2、信道编码后的帧结构图8-12

GSM中的分级帧结构8.3.3交织编码3、一次交织

图8-14GSM的一次交织8.3.3交织编码4、二次交织重排和交织过程如图5、交织仿真表8-6

交织编码模型图中各图符参数设置表编号图符块属性类型参数0SourcePNSeqAmp=1V，Offset=0V，Rate=10Hz，Levels=2，Phase=0deg1OperatorSamplerNoN-Interpright，Rate=10Hz，Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec，4CommBlkCoderBCH，Codelength=15，InfoBitsk=7，Correctt=2，Threshhold=500e-3v，Offset=0bit/s5CommInterleaveMode=Interleave，Rows=15sampls，Colums=15smpls6CommInterleaveMode=De-Interleave，Rows=15sampls，Colums=15smpls8、10、12OperatorHoldLastValue，Gain=111FunctionPoly-1+2x13SourceGaussNoiseStdDev=1V，Mean=0V18OperatorSamplerNoN-Interpright，Rate=21.428751Hz，Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec，图

8-17

交织仿真各点波形图8.3.4移动通信系统的编码过程实例下面以GSM为例，讲述移动通信系统的信息编码过程。GSM中的编码过程包括：A/D、分段、RPE-LTP、信道编码、交织。信息经交织编码形成8帧，每帧114bit。将114bit分成两段，填入普通突发脉冲序列。8.3.5移动系统的话音编码和信道编码在GSM系统中，信道编码采用了卷积、交织等方式（见图8-19）。这种方式离编码极限还有一段距离。到了WCDMA系统，引入了Turbo编码，实现了性能的大跃进，信道编码性能已经非常接近了编码极限。因此，在LTE系统中仍然继续沿用Turbo编码。在5G系统，引入了LDPC以及Polar编码，其编码性能更接近编码极限。8.3.6移动系统中不同信道的交织与编码表8-8

对不同传输方式的交织与编码信道和传输方式输入速率kb/s输入块比特编码输出块比特交织TCH/FSla1350奇偶校验码（3bit），卷积码1/24568个半突发lb132卷积码1/2ll78无TCH/F9.612240卷积码1/2，每输出15bit打一个孔456复杂，22个不相等突发部分TCH/H4.86240卷积码1/2，每输出15bit打一个孔456复杂，22个不相等突发部分TCH/F4.86120附加32个空比特，卷积码1/3456复杂，22个不相等突发部分TCH/F2.43.672卷积码1/64568个半突发TCH/H2.43.6144卷积码1/3456复杂，22个不相等突发部分SCH

25奇偶校验码（10bit），卷积码1/2781个突发RACH（+切换接入）8奇偶校验码（6bit），卷积码1/2361个接入突发在TCH/F和/H上的快速辅助信令184费尔码224/184，卷积码1/24568个半突发TCH/8、SACCH、BCCH、PAGCH184费尔码224/184，卷积码1/24564个全突发探秘扩频及与加扰任务8.4任务目标理解移动通信系统中，扩频与加扰的原理与功能。任务分析结合具体的移动通信系统，分析扩频信号的处理流程，掌握加扰的过程与原理。理解扩频的处理过程，借助SystemView的工具对扩频的信号处理过程进行分析与认知。8.4.1扩频技术1、扩频通信的原理扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。抗干扰容限与扩频处理增益成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益8.4.1扩频技术2、频谱的扩展的实现和直接序列扩频扩频通信原理8.4.1扩频技术所谓直接序列扩频（DS-DirectScquency），是用高码率的扩频码序列在发送端直接去扩展信号的频谱，在接收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。8.4.2加扰加扰就是用一个伪随机码序列对扩频码进行相乘，对信号进行加密。上行链路物理信道加扰的作用是区分用户，下行链路加扰可以区分小区和信道。掌握移动通信系统的调制技术任务8.5任务目标理解移动通信系统中主要的调制技术（BPSK、QPSK、QAM、OFDM、FBMC）的原理。任务分析通过对不同移动通信系统调制技术实现原理的分析与仿真实践，理解调制技术的发展历程与不同调制技术的优缺点。8.5.1从2G到5G调制技术的发展在移动通信系统中，将低频的模拟基带信号搬移到适于信道传输的高频段去发送。这种频谱搬移过程就称为调制，经调制后的信号称为已调信号。已调信号通过信道传输到接收端后，则需要将收到的已调信号再搬移到低频的原始基带频谱上，以恢复原始信号，这一搬移过程称为解调。目前常用的数据调制技术有正交幅度调制（QAM）、相位调制（BPSK、QPSK）、正交频分复用技术（OFDM）等。在CDMA中采用的调制/解调技术包括BPSK、QPSK、OQPSK、MPSK等。在前向信道中，主要采用QPSK调制技术；反向信道中，采用OQPSK/HPSK等调制技术。在4G中采用的是OFDM调制，在5G系统中采用了OFDM的改良版FBMC调制。8.5.2相位调制（BPSK、QPSK）BPSK信号的典型波形如图8-24所示。8.5.3正交幅度调制（QAM）8.5.4OFDMOFDM信号频谱示意图8-27OFDM系统结构框图掌握移动通信系统的调制技术任务8.5任务目标理解移动通信系统中主要的调制技术（BPSK、QPSK、QAM、OFDM、FBMC）的原理。任务分析通过对不同移动通信系统调制技术实现原理的分析与仿真实践，理解