第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
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
29
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、
(完整版)移动通信原理与系统课后习题答案
第一章概述1・1简述移动通信的特点^tfl①移动通信利用无後电沁行信息传衛②移动也fims干扰I不境下工⑦通信吝呈有用，©逋億癡纷宾杂丿⑤対移动台的要求高。
】・2移动台主夢受坯些干扰彭响？坯总千吒是埠同系统所特有的？答，①互谓干扰，②邻说干拣③同倾干扰■(蛉宵毎艸所特有吊)©多址干执.1.，旬注妊淇式移功連伯旳犬匡万史・说明善代话功週百东统旳柿魚：S.策一代(1G)以横拟式軽窩网为左養待征.是20也SP年代束的坪优初就幵怕商用的。
其中最有代表性的是的AMPS (Advanced Mohle Phone System J 以渭的TACS (lota! Access Communicatoa System)两大系扯・另外述有龙殴的NMT艮日本的HCMTS系统執从技术特色上看・1G以解决两个內态性中瑕基本的用戸这一莖幼态協核"F渲当老虑到姜二至信道动态性。
王要是擋施是乘用炽分多址fDMA方式翊对用户的动态寻址坊违：.并以妹窝丈网络结构和预车规划痢m敢再用方式.达到扩大走需无苓范国和帚足用户数苛烤他京札在信总动态特性匹配上.适当采用了性彼优良的橫猷涸頻方式.并刑用茶站二ixfB)分集方式抿抗之碗杼性袞轧第二代(20)以数字化为主要特征.构翩孚式蛭黑移动谢信系统它干20曲己90年代初正式去向侖用.耳*昂具有代表性的有欧洲的时分多址(TDMA) GSM (GSM Group Special Mobile, 19S9年以gar>3 Global System for Mobile CommuxucidoQ).北姜曲田分多址(CDHA)的IS-9S 两大郭克.男外还有0*05 PDC 系统轨从技木持色上音.它杲以坟字化为荟趾牧全血地誉庭了信型5用户的二生动态特性艮湖应的匹記猎施，主要扌:丄山揑Wg：才匸TDXfA i.GSX：.K CDX<A (IS^5)方氏实观对用户的动态寻址功能.#以數字丈蜂宮闷络结杓和頡率(相位)规划冥奴戲顼(相位〉芳用方就.从麵扩大老盖般务范劇和滙足用P數殳旁上的磅求.在对信追动态特性的匹配上釆取了下面一系列抬施，(1)采甲杭干批性館优良的訣字式调制I GMSK(GSM). QPSKC1S 95).性能优良的拭干扰纠榕编码，肯枳真(GSM. (S-95K矩联码<0SM)i⑵ 彳用功率校制衣TIE抗罢京转和远近效应・这1疔CDMA方求的IS・9$尤为或負(3)采用R适应畑j (GSM)和Rake檢收(IS 95)杭坝李选摄怡衰蒂与多径干状■(4)釆用值2定肘(码如竦用恼间交织方式(GS\D和块交织方罠(1S-9S)曲加性秤罷据三代.(3G)以纟圾U业务为主翌缚征・它于*世圮初和M投人裔业化迄岀有代表性的有北芙的CDMA2000.欧汕和E*的UCDMA及我国握岀的TD SCDMA三尺系疝另外还有欧制的DECT及北美的UMC-B6.从技术上看.3G是住2G系扰适配信追与用户二垂功态約性的基瑞上又引入了业务用动态也即在3G 系统中.用户业务既可以是单一的倍音、细职国悅也可以是多嫖洌1务，且用户适择业务是幢机的，这个是第三运渤态性的引人忡禺貌大大复卒化。
第3章编码和调制(2)
练习:NRZ码101101转换成曼切斯特码 10 1 00
第三十一页，共89页。
曼彻斯特（Manchester）码
（4）软件实现方法 编码：当输出数据1的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码10；当 输出数据0的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码01，结束位的对应 NRZ码为00。
4、差分双相码 5、密勒码 6、变形密勒码
7、差分码
8、脉冲-间隙码：在下一脉冲前的暂停持续时间t表示二进制符号“1”， 而下一脉冲前的暂停持续时间2t表示二进制符号“0”。常在电感耦合 的射频识别系统中用于阅读器到应答器的数据传输。
第十八页，共89页。
练习
画出的7种编码方式的脉冲波形图
第十九页，共89页。
数字基带信号波形
0
0
1
1
0
1
0
（a）NRZ 码
（b）双极性 矩形脉冲
（c）单极性 归零波形
（d）曼彻斯特码
第二十一页，共89页。
第三章 编码与调制
➢ 信号和编码 ➢ RFID中常用的编码器
➢ 脉冲调制
➢ 正弦波调制
➢ 负载调制 ➢ 传输损耗与失真
第二十二页，共89页。
在RFID中，为使阅读器在读取数据时能很好 地解决同步的问题，往往不直接使用数据的NRZ码 对射频进行调制，而是将数据的NRZ码进行编码变 换后再对射频进行调制。所采用的变换编码主要 有曼切斯特码、密勒码和修正密勒码等。
在使用曼切斯特码时，只要编号1，0和结束位的子程序，也可以软件 实现曼切斯特码的编码。
第二十七页，共89页。
曼彻斯特（Manchester）码
2011 LX 移动通信_第三章_移动通信中的信源编码和调制解调技术 ver1.1.ppt
3.5 QPSK调制 调制/3.6高阶调制 高阶调制 调制
PSK
以基带数据信号来调制载波的相位
S ( t ) = A cos ( ω c t + ϕ k )
BPSK调制 调制
若输入信号为经映射的比特流{a ， 若输入信号为经映射的比特流 n}，an =±1， 则BPSK信 ± ， 信 号可记为 0, an = 1 ϕk = π , an = −1
10
3.2 信源编码
移动通信中的信源编码举例
标准 信源编码技术英文全 称 RPE-LTP (Regular-Pulse Excitation with LongTerm Prediction) CELP(Code-Excited linear predictive cod ) AMR(Adaptive Multi Rate ) SMV （Selected Mode Vocoder） ） H.264 信源编码技术中文名称 规则脉冲激励长时预测编码 语音压缩编码） （语音压缩编码） 码激励线性预测编码 语音压缩编码） （语音压缩编码） 自适应多速率编码 语音压缩编码） （语音压缩编码） 可选模式语音声码器 语音压缩编码） （语音压缩编码） 视频信源编码
相位转移轨迹
MSK
GMSK
3.4 高斯最小频移键控
MSK类调制性能比较 类调制性能比较 频谱特性， BbTb越小 频谱特性， ，频谱滚降得越快， 频谱滚降得越快， 但太小，会引入严重 但太小， 的码间串扰。 的码间串扰。
Bb为高斯滤波 器的3dB带宽 器的 带宽
3.4 高斯最小频移键控
高斯滤波最小频移键控 (GMSK)
φ1 = φ0 +(a0 − a1 ) θ1 (2Tb ) = a1 2 π
北邮《移动通信系统与原理》期末复习
第一章概述1、个人通信的主要特点是：每个用户有一个属于个人的唯一通信号码，取代了以设备为基础的传统通信的号码。
2、目前最具发展潜力的宽带无线移动技术是：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMAX。
3、移动通信的主要特点有：（1）利用无线电波进行信息传输；（2）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。
4、移动通信产生自身产生的干扰：互调干扰，邻道干扰，同频干扰，多址干扰。
第二章移动通信电波传播与传播预测模型1、移动信道的基本特性就是衰落特性。
2、移动信道的衰落一般表现为：（1）随信号传播距离变化而导致的传播损耗和弥散；（2）由于传播环境中的地形起伏，建筑物以及其他障碍物对电磁波的遮蔽所引起的衰落，一般称为阴影衰落；（3）无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地物的作用而产生的反射、绕射和散射，使得其到达接收机时，是从多条路径传来的多个信号的叠加，这种多径传播所引起的信号在接收端幅度、相位和到达时间的随机变化将导致严重的衰落，即所谓多径衰落。
3、大尺度衰落主要是由阴影衰落引起的，小尺度衰落主要是由多径衰落引起的。
4、一般认为，在移动通信系统中一项传播的3种最基本的机制为反射、绕射和散射。
5、移动无线信道的主要特征是多径传播。
6、多径衰落的基本特性表现在信号的幅度衰落和时延扩展。
一般来说，模拟移动通信系统主要考虑多径效应引起的接收信号的幅度变化；数字移动通信系统主要考虑多径效应引起的脉冲信号的时延扩展。
7、描述多径信道的主要参数：（1）时间色散参数和相关带宽；（2）频率色散参数和相关时间；（3）角度色散参数和相关距离。
P288、相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关。
9、相关带宽：频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同的时延，这可使两个信号变得相关，使得这一情况经常发生的频率间隔就是相关带宽。
10、相关时间：一段间隔，在此间隔内，两个到达信号具有很强的相关性，换句话说在相关时间内信道特性没有明显的变化。
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。
2015移动通信_复习提纲(含考题)讲解
期末复习提纲
13
历年部分试题 频分双工FDD和时分双工TDD有何区 别，各有何优缺点？第三代移动通信 系统中三种主要标准WCDMA（FDD ）、cdma2000（FDD）和TDSCDMA（TDD）各采用了哪种双工 方式？
2018年10月
期末复习提纲
14
历年部分试题
试举出三种不同应用类型的移动通信系统： AMPS 、 GSM 、 WCDMA 。 在移动通信系统中，常见的多址方式包括 FDMA 、 TDMA 、 CDMA 和SDMA 。 中国提出的 TD-SCDMA 被国际电信联盟 采纳为第三代移动通信系统的标准之一。 在移动通信中，按通信双方收发能同时工作的方 式可以分为 TDD 和 FDD 。
2018年10月
期末复习提纲
15
历年部分试题
简述第一到第三代蜂窝移动通信系统 的特点及其代表。
2018年10月
期末复习提纲
16
第二章 移动通信电波传播与预测模型
2.1 无线电波传播概述 2.2 自由空间的电波传播 2.3 三种基本电波传播机制 2.4 路径损耗模型 2.5 多径衰落信道及特性参数 2.6 多径衰落信道的统计模型 （按照课件复习）
2018年10月
期末复习提纲
11
11
FDD与TDD的技术特点
FDD（使用不同的频率收发信号， TDD（使用不同的时隙收发信号， 收发频带具有保护频带间隔） 收发之间具有保护时间）
需要成对的频率，使用频带宽， 不需要成对的频率，所需频带窄， 适合对称业务，在不对称业务下， 支持不对称业务，便于频谱分配， 频谱利用率低 频谱利用率高 收发同一频段，上下行信道特性一 致，便于采用智能天线技术 设备成本降低 需要更复杂的网络规划和优化技术 通过收发保护时间隔离，容易形成 同频干扰 覆盖范围小
移动通信原理与系统(北京邮电出版社)课后答案
2[lg( f c 28)]2 5.4
L p3 69.55 26.16 lg f c 13.82 lg hte 3.2(lg 1.75hre ) 2 4.97 (44.9 6.55 lg f te ) lg d 2 4.78 （lgf c） 18.33 lg f c 40.98
符号周期（带宽的倒数）远大于△，则为窄带系统（所有回波都会落在同一个符号周期内） 使用带宽很大的信道并不一定是带宽通信 相关带宽 在相关带宽之内，信道是一个频率非选择性信道，信号可以顺利传输，无大的失真 信号带宽超过相关带宽，信道是一个频率选择性信道 从频域角度定义窄带系统和宽带系统 多普勒扩展 多普勒扩展定义为多普勒功率谱密度标准差 当信号带宽远远大于多普勒扩展—慢衰落 否则快衰落信道 相关时间 数据符号周期远远小于相关时间—慢衰落 否则为快衰落信道
ak 1到ak
所谓相位连续是指不仅在一个元码持续时间连续而且在从元码 等满足关系式 转换的时刻
kTb
两个元码相位也相
k (ak-1 ak ) * k k -1 即要求当前元码的初相位 k 由前一元码的初相位 k 1 来决定。
3．8GMSK 系统空中接口传输速率为 270.83333kbit/s，求发送信号的两个频率差。若载波频率 是 f 900MHz ，这两个频率又等于多少？
解：城市：
L p1 69.55 26.16 lg f c 13.82 lg hte 3.2(lg 1.75hre ) 2 4.97 (44.9 6.55 lg f te ) lg d
L p2 69.55 26.16 lg f c 13.82 lg hte 3.2(lg 1.75hre ) 2 4.97 (44.9 6.55 lg f te ) lg d
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Rs 1 2
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图3.9 BPSK的功率谱
图3.10 根升余弦滚降滤波器(=0.5)频响
BPSK解调
BPSK相干解调
参考信号 2 1 t cos c t Tb
lim a x 1 x ln a
x 0
20
香农定理(2)
S C W log 2 1+ N
实际系统
C Eb W W 2 1 N0 C
图3.4 W/C关于Eb/N0的关系曲线
21
R/W(bit/s/Hz) 容量界限R = C R > C区域 (差错率高) R< C区域 (实际系统)
信源编码
信息熵、可变长编码 话音编码、图像编码
模拟信源编码
压缩技术
4
2013年3月
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
话音编码
话音编码的意义
提高频谱利用率（低码率编码）
提高系统容量（低码率，语音激活技术） 编码速率低，语音质量好 有较强的抗噪声干扰和抗误码的性能
移动通信对话音编码的要求
24
BPSK
二进制 序列 d i 0或1 比特变 符号
exp j 2p f c t
ai 1或-1
基带调 制映射 成形滤 波
si t A cos c t k
图3.6 BPSK调制器功能框图
BPSK信号可记为
0, ai 1 k p , ai 1
2013年3月
标准
信源编码技术中文名称 规则脉冲激励长时预测编 码 （话音混合编码） 码激励线性预测编码 （话音混合编码） 自适应多速率编码 （话音混合编码） 可选模式语音声码器 （话音混合编码） 视频信源编码
11
H.264
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
第三章内容
3.1 信源编码 3.2 数字调制中的基本概念 3.2 QPSK调制 3.3 高阶调制 3.4 正交频分复用
参量编码
又称为“声源编码” 利用人的发声机制，仅传送 反映话音波形产生的主要特征参数（模拟声带频 谱特性的滤波器参数和若干声源参数），在接收 端根据发声机制，由传送来的特征参数人工合成 话音。 主要度量指标：可懂度。 特点
编码速率低：1.2kbps~4.8kbps 话音质量中等（2.5~3.5），不满足商用要求。 线性预测编码LPC及其改进型。
* a1 a2
1 1 1
推广： b1 b2
2013年3月
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
16
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
2013年3月
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
8
典型参量编码方式
LPC：Linear Prediction Coding
混合编码
将波形编码（语音信号的部分波形）和参量编码 （部分特征参数）结合起来，力图保持波形编码 的高质量的优点和参量编码的低速率的优点。 特点
编码速率较低：4kbps~16kbps 语音质量较好（3.5~4.0），适合数字移动通信网。 多脉冲激励线性预测编码 码激励线性预测编码
4分以上入公网 3分以上入移动 通信网
级别
5 4 3 2 1
评定类别 优 良 中 差 劣
人的印象标准 几乎无噪声和失真，细节清晰可辨 有可感觉的轻微噪声和失真 有令人烦恼的噪声和失真 有令人非常烦恼的噪声和严重失真 语言几乎不可懂
6
MOS: Mean Opinion Score
波形编码
将时间域波形信号直接变换成数字代码，目的是 尽可能精确再现原始语音波形。 三步骤：抽样、量化、编码。 特点
高质量 低延时
2013年3月
编译码延时小，总延时在65ms以内
编译码器复杂度低，便于大规模集成 功耗小，便于应用于手持机
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
5
话音编码类型
波形编码：质量好、效率低 参量编码：质量中、效率高 混合编码：质量较好、效率较高
表3.1 话音质量评定（MOS）
第三章 移动通信中的信源编码 和调制解调技术
程郁凡 chengyf@ 通信抗干扰技术国家级重点实验室
无线通信系统的基本组成
模拟源 离散源
信源 信源 编码
信息序 列
信道 编码 数字 调制
模拟波 形
信源近 似还原
输出 信源 译码
信息序 列重构
信道 译码
图3.1 无线通信系统的基本组成框图
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
13
实现方法
移动通信系统要求
2013年3月
各类二进制调制波形
14
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) 恒定包络 PSK (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)
2013年3月
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
23
3.3 QPSK调制
数字调相：以基带数据信号来调制载波的相位 S t A cos c t k
BPSK QPSK OQPSK p/4QPSK
2013年3月
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
Eb
Q
I
Eb
si t ai A cos c t
BPSK：Binary Phase Shift Keying
2013年3月 图3.7 BPSK星座图 25
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
BPSK调制波形
s1 t A cos c t s2 t A cos c t
图3.11 BPSK的相干解调
z T r t
T 0
2 cos c tdt Tb
2 2 cos c t dt Tb Tb
2
TbΒιβλιοθήκη 01 t dt 0
2
Tb
Tb
0
cos2 c tdt
Rmax 2W log 2 M
19
R Rs log 2 M W W
2013年3月
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
香农定理(1)
在加性高斯白噪声下，系统容量C是平均接收信 号功率S、平均噪声功率N和带宽W的函数。
S C W log 2 1+ N
假定比特速率等于信道容量：Rb =C
高速率话音编码时（ 16kbps ~ 64kbps ），话音质 量好（4.0~4.5），占用较高带宽。 低速率话音编码时，话音质量显著下降。 PCM，DPCM，ΔM 等。
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
7
典型波形编码方式
PCM：Pulse-Code Modulation
2013年3月
Eb Tb Eb C Eb C C log 2 1+ log 2 1+ log2 1+ W N 0W N 0W N0 W C C Eb W W Eb C W 2 1 2 1+ W N0 C N0 Eb C ln 2 0.692 1.59dB 当 0时， N0 W
数字 解调
2
第三章内容
3.1 信源编码 3.2 数字调制中的基本概念 3.3 QPSK调制 3.4 高阶调制 3.5 正交频分复用
2013年3月
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
3
3.1 信源编码
信源编码的目的
压缩信源产生的冗余信息 降低开销，提高传输链路的有效性
将模拟信源或离散信源的输出有效地变换成二 进制数字序列的过程 离散信源编码
z T ai T n0 T
r t si t n t
si t
2 Eb cos c t k Tb
T 0
z T
H1
≷
i t s
H2
积分 T Tb
抽样判决
n(t)：0均值，双边带功率谱密度 为N0/2的高斯白噪声
2013年3月
第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术
18
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