第3章 移动通信中的编码和调制技术(3)概要
移动通信技术与网络优化――第3章 语音编码信道编码和交织PPT课件
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图 GSM手机电路基本组成框图
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图 8210／8850型手机发射信号流程图
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图 8210／8850型手机接收信号流程图
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第3章 语音编码、信道编码和交织技术
• 语音编码及信道编码技术： 语音编码和信道编码 是通信数字化的两个重要技术领域。在移动通信 数字化中，模拟语音信号的数字化，可提高频带 利用率和信道容量。信道编码技术可提高系统的 抗干扰能力，从而保证良好的通话质量。
• 长期研究证明，发不同性质的音，激励的情况是 不同的。大致分为两类。
• 发浊音时，气流通过紧绷的声带，冲击声带产生 振荡，是声门处形成准周期的脉冲列，用它来激 励声道。
（RPE-LTP）、矢量和激励线性预测编码 （VSELP）和码激励线性预测编码（CELP）等。
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3.1.1 概述
表3.1常用数字移动通信系统语音编解码
标准
服务类型
语音编码器（比特率：kbps）
GSM
数字蜂窝网 RPE-LTP 13
USDC（IS-54） 数字蜂窝网
VSELP
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3.1.1 概述
1 信源编码的定义与作用
• 源编码就是信源信号的模数（A∕D）变换，即将 模拟的信源信号转化成适于在信道中传输的数字 信号形式。
• 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。
2 信源编码的分类
(1) 根据信源信号是离散的信号还是连续的信号， 可以将信源编码分为：
移动通信_第三章_移动通信中的信源编码和调制解调技术
第三章
移动通信中的信源编码和调制 解调技术
胡苏 通信抗干扰技术国家级重点实验室
主要内容
3.1概述
3.2信源编码
3.3最小频移键控
3.4高斯最小频移键控 3.5QPSK调制/3.6高阶调制
3.7正交频分复用
2
胡苏@通信抗干扰
3.1 概述
信 源
信 源 编 码 信 道 编 码 调 制 解 信道 调 信 道 解 码 信 源 解 码 信 宿
4
二者比例 趋于平衡
胡苏@通信抗干扰
3.1 概述
语音编码概念：把模拟语音信号变成数
字语音信号，以便在信道中传输 意义
提高通话质量(数字化＋纠错码) 提高频谱利用率(低码率编码) 提高系统容量(低码率＋话音激活技术)
移动通信对语音编码要求？
低功耗、低复杂度、低延时 低码率、高质量
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k ( k ) ak k
2
k
k 0 +(a0 a1 )
2
(a1 a2 )
2 k (ak 1 ak ) 2 2
举例输入：-1,1,1,1，初相为0，h=0.5，求满足相位连 续条件的相位转移图 1 ，k 0, 0 0 (T ) a =-
ak h
Tb
kTb k
ak 1h
Tb
kTb k 1
k k 1 ak 1 ak kh
令h=0.5时，满足相位连续的条件如下
k ak 1 ak k / 2 k 1
k 1 , ak 1 ak k k k 1 , ak 1 ak
可选模式语音声码器：基于输入语音的特征（浊音、
第3章数字调制解调技术
第3章 移动通信中的调制解调技术
3.2 数字频率调制
3.2.1 二进制数字频移键控（2FSK） 设输入到调制器的信号比特流为{an}，an=“1”或
“0” n=-∞~+∞。当输入为传号“1”时，输出频率为f1 的正弦波；当输入为空号“0”时，输出频率为f2的正弦波。 FSK信号分为相位连续的FSK信号和相位跳变的FSK信号。 FSK信号的波形及功率谱如图3-3所示。
电子信息工程系通信技术教研室
第3章 移动通信中的调制解调技术
移动通信中的数字调制技术应具有以下特点： （1）要有窄的功率谱和高的频谱利用率。移动通信是 一种多波道系统，调制信号功率谱带外辐射对邻道产生干 扰，使性能下降。为了保证数字信息传输质量，信号功率 与干扰功率之比应大于20dB，考虑到移动台运动时的衰落 深度可达20～40dB，所以要求已调信号在邻道的总辐射干 扰低于20～40dB。 （2）误码性能好。移动通信环境以衰落、噪声、干扰 为特点，包括多径瑞利衰落、频率选择性衰落、多普勒频 移和障碍物阻挡的联合影响。因此，必须根据抗衰落和干 扰能力来优选调制方案。误码性能的好坏实际上反映了信 号的功率利用率的高低。
MSK调制器的原理框图如图3-6所示。
电子信息工程系通信技术教研室
第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-6 MSK调制器的原理框图
电子信息工程系通信技术教研室
第3章 移动通信中的调制解调技术 4.频谱特点 MSK信号的功率谱如图3-7所示，图中还给出了QPSK
信号的功率谱。从图中可以看出，与QPSK相比，MSK信号 的功率谱具有较宽的主瓣，其第一个零点出现在(f-fc)=0.75 处，而QPSK信号的第一个零点出现在(f-fc)=0.5处。当(ffc)→∞时，MSK的功率谱以［(f-fc)Tb］-4 QPSK的衰减速率［（f-fc)Tb］-2快得多。MSK信号可以采用 鉴频器解调，也可以采用相干解调。
移动通信原理与系统(北京邮电出版社)课后习题答案
第一章概述1．1简述移动通信的特点：答：①移动通信利用无线电波进行信息传输；②移动通信在强干扰环境下工作；③通信容量有限；④通信系统复杂；⑤对移动台的要求高。
1．2移动台主要受哪些干扰影响？哪些干扰是蜂窝系统所特有的？答：①互调干扰；②邻道干扰；③同频干扰（蜂窝系统所特有的）；④多址干扰。
1．3简述蜂窝式移动通信的发展历史，说明各代移动通信系统的特点。
答：第一代（1G）以模拟式蜂窝网为主要特征，是20世纪70年代末80年代初就开始商用的。
其中最有代表性的是北美的AMPS（Advanced Mobile Phone System）、欧洲的TACS（Total Access Communication System）两大系统，另外还有北欧的NMT 及日本的HCMTS系统等。
从技术特色上看，1G以解决两个动态性中最基本的用户这一重动态性为核心并适当考虑到第二重信道动态性。
主要是措施是采用频分多址FDMA 方式实现对用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用方式，达到扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。
在信道动态特性匹配上，适当采用了性能优良的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。
第二代（2G）以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，它于20世纪90年代初正式走向商用。
其中最具有代表性的有欧洲的时分多址（TDMA）GSM（GSM原意为Group Special Mobile，1989年以后改为Global System for Mobile Communication）、北美的码分多址（CDMA）的IS-95 两大系统，另外还有日本的PDC 系统等。
从技术特色上看，它是以数字化为基础，较全面地考虑了信道与用户的二重动态特性及相应的匹配措施。
主要的实现措施有：采用TDMA（GSM）、CDMA（IS-95）方式实现对用户的动态寻址功能，并以数字式蜂窝网络结构和频率（相位）规划实现载频（相位）再用方式，从而扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。
移动通信入门 第三章 移动通信的调制技术
3.3二进制数字调制技术
3.3二进制数字调制技术
除此之外，2FSK信号还有其他解调方法，比如鉴频法、差分检测法、过零检测法 等。下图给出了过零检测法的原理框图及各点时间波形。
2FSK在数字通信中应用较为广泛。国际电信联盟（ITU）建议在数据传输速率 低于1200b/s时采用2FSK体制。2FSK可以采用非相干接收方式，接收时不必利用信号 的相位信息，因此特别适合应用于衰落信道/随参信道（如短波无线电信道）的场合， 这些信道会引起信号的相位和振幅随机抖动和起伏。
在第一代蜂窝移动通信系统中采用的是模拟调频（FM）传输模拟语音，信令系
统采用二进制频移键控（2FSK）调制技术。第二代数字蜂窝移动通信系统GSM系统采
用高斯最小频移键控（GMSK）调制，IS-54系统和PDC系统采用π/4四相相对相移键控
（π/4-DQPSK）调制，CDMA系统（IS-95）的下行信道采用正交相移键控（QPSK）调
于基带信号而言频率非常高，适合于信道传输。对信号源的编码信息进行处理，使其
变为适合于信道传输形式的过程，就是调制。调制通过改变高频载波的幅度、相位或
频率，使其随着基带信号的变化而变化；而解调则是将基带信号从载波中提取出来的
逆变换过程。调制前的基带信号称为调制信号，经过调制后的基带信号叫作已调信号。
已调信号是带通信号。
3.4 多进制数字调制
移动通信的编码与调制技术
移动通信的编码与调制技术在当今高度互联的时代，移动通信已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
从日常的语音通话、短信交流，到高清视频播放、在线游戏，移动通信技术的不断发展为我们带来了越来越便捷和丰富的体验。
而在这背后，编码与调制技术起着至关重要的作用。
首先，我们来谈谈编码技术。
编码，简单来说，就是将信息转换为特定的代码形式，以便于传输和存储。
在移动通信中，常用的编码技术包括信源编码和信道编码。
信源编码的主要任务是减少信息的冗余度，提高传输效率。
例如，在语音通信中，我们不会传输连续的声音信号，而是对其进行采样和量化，将模拟的声音信号转换为数字形式。
通过合理的编码算法，可以去除那些人耳不太敏感的部分，从而在不影响语音质量的前提下减少数据量。
信道编码则是为了提高通信的可靠性。
由于移动通信环境复杂，信号在传输过程中容易受到各种干扰和衰减。
信道编码通过在原始信息中添加一些冗余信息，使得接收端能够检测和纠正传输过程中产生的错误。
常见的信道编码方式有卷积码、Turbo 码等。
接下来，我们再看看调制技术。
调制就像是给信息穿上不同的“外衣”，以便让它们能够在无线信道中顺利传输。
在移动通信中，常见的调制方式有幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。
幅度调制是根据信息的变化改变载波的幅度；频率调制则是改变载波的频率；相位调制则是改变载波的相位。
而现代移动通信系统中，更广泛采用的是数字调制技术，如二进制相移键控（BPSK）、正交相移键控（QPSK）、正交幅度调制（QAM）等。
以 QPSK 为例，它将信息编码为四个不同的相位状态，每个相位状态代表两个比特的信息。
这样，在相同的带宽下，能够传输更多的信息。
QAM 则更进一步，它同时改变载波的幅度和相位，从而可以在一个符号中传输更多的比特。
例如 16QAM 可以在一个符号中传输 4 比特的信息。
编码与调制技术的选择并非是孤立的，而是需要根据具体的通信需求和系统条件来综合考虑。
电子科技大学《移动通信原理》 第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
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典型波形编码方式
PCM：Pulse-Code Modulation
2014年3月
1 1 1
* a1 a2
1 1 1
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推广： b1 b2
2014年3月
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
数字调制器
exp j 2p f c t
二进制序列 比特变 符号
基带调 制
成形滤 波
si t
图3.3 数字调制器功能框图
2014年3月
各类二进制调制波形
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数字调制技术分类
不恒定包络 ASK(幅移键控) QAM(正交幅度调制) MQAM(星座调制) FSK (频移键控) BFSK(二进制频移键控) MFSK(多进制频移键控) BPSK(二进制相移键控) DPSK(差分二进制相移键控) QPSK OQPSK(偏移QPSK) (正交四相 p/4QPSK 相移键控) DQPSK(差分QPSK) MSK(最小频移键控) GFSK(高斯滤波MSK) TFM(平滑调频)
对于M阶调制信号，有：
E s Eb log 2 M Eb log 2 M N0 N0 N0
2014年3月
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
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频带利用率
也是带宽效率
每赫兹可用带宽可以传输的信息速率: R W b s Hz
R：为信息比特速率 R R log M s 2 W：信号所需带宽
编码和调制
编码和调制目录信道信道的分类信道上传送的信号基带信号宽带信号编码与调制的概念数字数据编码为数字信号非归零编码（NRZ）曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码归零编码（RZ）反向不归零编码（NRZI）4B/5B编码数字数据调制为模拟信号模拟数据编码为数字信号信道信号的传输媒介。
一般用来表示向某一个方向传输信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发射信道和一条接收信道。
信道的分类信道由其传输的信号可以分为模拟信道和数字信道，其中模拟信道用于传输模拟信号，数字信道用于传输数字信号，由传输介质可分为无线信道和有线信道。
信道上传送的信号基带信号将数字0、1用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。
宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，再送模拟信道上传输（宽带传输）。
编码与调制的概念将数据转化为数字信号的过程称为编码。
将数据转化为模拟信号的过程称为调制。
数字数据编码为数字信号非归零编码（NRZ）编码方式：高1低0编码特点：编码容易实现，但没有检错功能，且无法判别一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。
曼彻斯特编码编码方式：将一个码元分成两个相等的间隔，前低后高表示1，前高后低表示0，也可以采用相反的规定。
编码特点：能实现时钟自同步，数据的传输速率只有调制速率的1/2。
差分曼彻斯特编码编码方式：常用于局域网传输，其规则是：若码元为一则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为零，则相反。
0不变1变。
编码特点：抗干扰能力强于曼彻斯特编码，可实现自同步。
归零编码（RZ）编码方式：信号电平在一个码元之内都要恢复到零。
编码特点：处于低电平的状态较多。
反向不归零编码（NRZI）编码方式：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。
编码特点：全1时难以同步。
4B/5B编码编码方式：用5bit的数据编码表示4bit的数据，只采用16种对应16种不同的4位编码，其余16种作为控制码或保留。
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
第3章 移动通信中的编码和调制技术
3.1 3.2 3.3 3.4 概述 编码技术 调制技术 扩频技术
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
第3章 移动通信的编码和调制技术
3.1 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
移动通信原理与系统
第三章 移动通信的编码 和调制技术
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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
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
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）
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
本章提示
3.3 调制技术 3.4 扩频技术
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
第3章 移动通信的编码和调制技术
3.1 概述 3.2 编码技术 3.3 调制技术
3.3.1 调制与解调技术 3.3.2 FSK调制 3.3.3 高斯最小移频键控（GMSK） 3.3.4 QPSK调制技术 3.4 扩频技术
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
实验三：
6月5（星期三）：1-2节2A小班，3-4节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
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
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？
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
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？
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。
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
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：Phase Shift Keying,移相键控 QPSK：Quaternary Phase Shift Keying,四相 相移键控 PCM：Pulse Code Modulation,脉码调制 OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
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。
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
本章提示——编码技术
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
移动通信系统的信源编码
信源编码方式
2G (GSM)
2.5G、3G和4G
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
1、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）。 A/D
频段、时隙 和功率
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。
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
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。
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
3.1 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。
转换
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。
基站
信源解码 信道解码 TDMA帧 分离 b) 语音接收 解调 放大
图3-1 移动通信信号处理流程
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
3.2.1 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
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
移动通信信号处理流程
GSM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。
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第3章 移动通信中的编码和调制技术
移动台甲 语音编码 模拟 信号 数字 信源编码 信号 信道编码
TDMA帧 形成
调制 功率放大
a) 语音发送