第3章--移动通信中的编码和调制技术(3)概要课件.ppt

移动通信原理与系统1/48第三章 移动通信的编码和调制技术 第3章 移动通信中的编码和调制技术实验安排：实验一：4月24（星期三）：1-2节2A小班，3-4节1A小班4月26（星期五）：1-2节1B小班，3-4节2B小班实验二：5月8（星期三）：1-2节2A小班，3-4节1A小班5月10（星期五）：1-2节1B小班，3-4节2B小班2/37第3章 移动通信中的编码和调制技术3/37实验三：6月5（星期三）：1-2节2A小班，3-4节1A小班6月7（星期五）：1-2节1B小班，3-4节2B小班实验四：6月12（星期三）：1-2节2A小班，3-4节1A小班6月14（星期五）：1-2节1B小班，3-4节2B小班第3章 移动通信中的编码和调制技术4/37第2章问题：1、移动通信传播的基本特性？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、什么是多普勒频移？计算公式是什么？在频率上会引起什么现象？第3章 移动通信中的编码和调制技术5/37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？第3章 移动通信中的编码和调制技术6/37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）第3章 移动通信中的编码和调制技术7/37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。安全性：在传输中的安全保密性能，即发端防伪造、篡改、收端防窃听的能力等。频段、时隙和功率第3章 移动通信中的编码和调制技术8/37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。第3章 移动通信中的编码和调制技术9/37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差错后，再用信道编码方法纠错。第3章 移动通信中的编码和调制技术10/37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），但它是目前已知的可实现的好的编码技术之一。第3章 移动通信中的编码和调制技术11/37要掌握的名词解释FSK:Frequency Shift Keying,移频键控GMSK：Gaussian-filtered Minimum Shift Keying,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：Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用第3章 移动通信中的编码和调制技术12/37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扩频技术第3章 移动通信中的编码和调制技术13/373.1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第3章 移动通信中的编码和调制技术14/373.1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第3章 移动通信中的编码和调制技术15/373.1 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发展。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。第3章 移动通信中的编码和调制技术16/37GSM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 第3章 移动通信中的编码和调制技术17/37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帧分离解调放大图3-1 移动通信信号处理流程 模拟信号a)语音发送b)语音接收语音编码数字信号移动台甲基站第3章 移动通信中的编码和调制技术18/373.2.1 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第3章 移动通信中的编码和调制技术19/37移动通信系统的信源编码n 信源编码方式2.5G、3G和4G2G(GSM)第3章 移动通信中的编码和调制技术20/371、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，但最基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转换第3章 移动通信中的编码和调制技术21/37图3-2 脉冲编码调制（PCM）电路组成 PCM编码是采用A律波形编码，分为三步：第3章 移动通信中的编码和调制技术22/37 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/s8kbit/s范围内达到了良好的语音质量。第3章 移动通信中的编码和调制技术23/37 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5kbs），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，全称为规则脉冲长期预测编码（RPE-LTP编码器），见图3-3。GSM系统使用的编码器第3章 移动通信中的编码和调制技术24/37图3-3 GSM语音编码器框图 声码器波形编码器模拟语音的数字编码第3章 移动通信中的编码和调制技术25/37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、图像视频编码第3章 移动通信中的编码和调制技术26/37n 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 信道编码第3章 移动通信中的编码和调制技术27/373.2.2 信道编码（续）使用信道编码的目的 可以降低信道随机的差错。信道编码的实现 信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善信道链路的性能的。分类 分组编码 卷积编码第3章 移动通信中的编码和调制技术28/37一、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：带宽信噪比第3章 移动通信中的编码和调制技术29/37一、信道编码原理（续）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。牺牲有效性提高可靠性第3章 移动通信中的编码和调制技术30/37 信道编码：在发射机的基带部分，信道编码器按照某种确定的约束规则，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。信道译码：接收机可以用信道编码的约束规则来检测或纠正由于在无线信道中传输而引入的一部分或全部的误码。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。第3章 移动通信中的编码和调制技术31/37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：01 111000 00001111+第3章 移动通信中的编码和调制技术32/37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差错。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：0000 0010 0110 0111 11110 0X1 1第3章 移动通信中的编码和调制技术33/37移动通信系统中，常用到的信道编码：奇偶校验码 重复码 循环冗余校验码 分组码 卷积码二、信道编码的分类：第3章 移动通信中的编码和调制技术34/37、奇偶校验码：特点：编码速率较高；只能发现奇数个错误，不能纠错。编码过程：把信源编码后的信息流分成等长码组；在每一信息组之后加入一位校验码元。奇校验：10110010偶校验：10110010101100101101100100第3章 移动通信中的编码和调制技术35/37、重复码：特点：编码和解码速率较高；信道有效利用率低，可检错和纠错。编码过程：将信号重复传几次。如：10110010纠错方法：只要正确传输的次数多于传错次数，就可少数服从多数排除差错。1011001010110010第3章 移动通信中的编码和调制技术36/37、循环冗余校验码（CRC）：特点：编码和解码设备都中等复杂；检错和纠错能力较强。数据信息：M(x)=1101011011 生成式：G(x)=10011 R4 M(x)/G(x)=11010110110000/10011 余数：1110 待发送的编码：T(x)=11010110111110第3章 移动通信中的编码和调制技术37/373、循环冗余校验码（CRC）（续）：接收信息：R(x)=11010110111110 生成式：G(x)=10011 R4 M(x)/G(x)=11010110111110/10011 余数：为0，则接收正确 恢复的数据信息为：M(x)=1101011011第3章 移动通信中的编码和调制技术38/374、分组编码 要使信道编码具有一定的检错或纠错能力，必须加入一定的多余码元。信息码元先按组进行划分，然后对各信息组按一定规则加入多余码元，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：第3章 移动通信中的编码和调制技术39/37图3-5 分组编码原理框图 分组编码器信息信息1 冗余1消息组编码组信息2 冗余2不相关相关第3章 移动通信中的编码和调制技术40/37、分组码的基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kn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 1n1k?kn第3章 移动通信中的编码和调制技术41/37、分组码的基本描述（续）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。或检验码字是否有错第3章 移动通信中的编码和调制技术42/37、分组码的基本描述（续）理论分析表明：（n,k）线性分组码能纠正t个错误的充分必要条件是（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（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 第3章 移动通信中的编码和调制技术43/372、编码效率、冗余度、码重 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。第3章 移动通信中的编码和调制技术44/372、编码效率、冗余度、码重（续）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的个数第3章 移动通信中的编码和调制技术45/375、卷积编码特点：编码和编码设备简单，性能高；解码复杂。编码过程：K约束长度：图例中K4+1=5R编码效率：图例中R1/2（1进2出）第3章 移动通信中的编码和调制技术46/37在GSM系统中，同时使用分组编码和卷积编码。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(校验)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：在有差错时，能检测的检测(利用分组编码特性)，能校正的校正(利用卷积编码特性)。二次编码第3章 移动通信中的编码和调制技术47/37GSM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。378+78=456信源编码后的码速率为13Kb/s二次编码例子：第3章 移动通信中的编码和调制技术48/37图3-7 GSM数字话音的纠错编码（53+136）*237813Kb/s*20ms=260bit1:2最重要 重要不重要分组编码 分组编码卷积编码第3章 移动通信中的编码和调制技术经过信道编码后，20ms语音块发送456bit。速率：456*（1s/20ms）=22.8Kbit/s语音编码（信源编码）后的速率为13Kbit/s信道编码后的速率为22.8Kbit/s49/37第3章 移动通信中的编码和调制技术50/373.2.3 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差错从而进行纠错。交织技术的作用 对付在传输过程中产生的连续突发的干扰。第3章 移动通信中的编码和调制技术51/37第3章 移动通信中的编码和调制技术52/37第3章 移动通信中的编码和调制技术53/37第3章 移动通信中的编码和调制技术54/37第3章 移动通信中的编码和调制技术55/37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24，也作同样处理，如图3-8所示。第3章 移动通信中的编码和调制技术56/37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第3章 移动通信中的编码和调制技术57/37GSM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。第3章 移动通信中的编码和调制技术58/37图3-9 GSM 20 ms话音编码交织 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 45620ms信息纠错编码后数据456bit进行分组，分为M57组，每组N8位第1帧第3章 移动通信中的编码和调制技术59/37交织技术特点任何长度lM的突发差错，经交织后成为至少被N1位隔开后的一些单个独立差错。完成交织与去交织变换在不计信道时延条件下，将产生2 MN个符号的时延，其中发、收端各占一半。第3章 移动通信中的编码和调制技术60/37 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 调制与解调第3章 移动通信中的编码和调制技术61/37 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（续）第3章 移动通信中的编码和调制技术62/37 语音调制信号人的耳朵能够听到语音的频率在2020000Hz的范围内。一般认为只要有3003400 Hz，就足以表达说话的内容了。声音范围的频率被称作低频或音频。