2015移动通信_第三章_移动通信中的信源编码和调制解调技术.

第三章杨霖通信抗干扰技术国家级重点实验室移动通信移动通信中的信源编码和调制解调技术主要内容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链路3.1概述(1/5)信源信源编码信道编码数字调制信源译码信道译码数字解调输出无线通信系统的基本组成框图模拟源离散源模拟波形信息序列信源近似还原信息序列重构3目的3.1概述(2/5)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调制的目的：使信号更符合信道传输特征42信源3.1概述(3/5)调制分类：按调制信号分：模拟调制和数字调制按相位连续性分：相位不连续调制和相位连续调制按信号恒定性分：恒包络调制和非恒包络调制按调制方式分：调频、调幅、调相52信源3.1概述(4/5)62信源3.1概述(5/5)影响调制因素：频带利用率功率效率已调信号包络特性解调复杂度带外辐射72信源主要内容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8链路语音编码类型(了解)波形编码将时间域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质量高，效率低参量编码将信源信号在频域或其它正交变换域提取特征参量，并转换成数字代码进行传输质量中，效率高混合编码将波形编码和参量编码结合起来速率(Kbps)语音质量波形编码混合编码参量编码9典型3.2信源编码(了解)移动通信中的信源编码举例标准信源编码技术英文全称信源编码技术中文名称GSMRPE-LTP(Regular-PulseExcitationwithLong-TermPrediction)规则脉冲激励长时预测编码（语音压缩编码）IS-95CELP(Code-ExcitedLinearprediction)码激励线性预测编码（语音压缩编码）WCDMAAMR(AdaptiveMultiRate)自适应多速率编码（语音压缩编码）CDMA2000SMV（Selectablemodevocoder）可选模式语音声码器（语音压缩编码）3GH.264视频信源编码103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11FSK3.3.1相位连续的FSK式中2FSK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:,定义载波角频率(虚载波)为：122()/2ccfω1,ω2对ωc的角频偏为：122||/2ddf3.3.1相位连续的FSK定义调制指数h:12||22/bdbdbhffTfTfR根据ak,h,Tb可以重写一个码元内2FSK信号表达式:()cos()coscos()FSKckdkckkbckhsttattatTtt式中()(1)kkkbbbhtakTtkTT称作附加相位。3.3.1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1()()kbkbTT11(1)kbkkbkbbhhakTakTTT即这样就要求满足关系式:11kkkkaahks2FSK(t)b(t)f1f1f1f2f2f2111000(a)相位不连续的FSK波形22cos()t11cos()t(b)相位连续的FSK波形b(t)111000s2FSK(t)c(t)f1f1f1f2f2f2()t（载波）图3.32FSK信号的波形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信号波形如图所示。3.3.1相位连续的FSK从前页图中可以看出，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。下图分别是它们的功率谱特性例子。（a)相位不连续的2FSK的功率谱RbTb=10123-1-20.040.080.120.16ΔfTbh=1.5h=0.8x=(f-fc)Tb0123-1-2x=(f-fc)Tbh=0.8h=1.5h=0.50.20.40.60.81（b)相位连续的2FSK的功率谱图3.42FSK信号的功率谱3.3.1相位连续的FSK最小频移键控MSK2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下：120sin2sin22coscos(2)(2)bTcbdbbcbdbTTttdtTTT通常总是ωcTb=2πfc/fb1,或ωcTb=nπ，因此略去第一项：1212sin2sin2()sin222()2dbbdbbTffThTffThρ∽h关系曲线如下图。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就称作最小频移键控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。MSK信号的相位路径、频率及功率谱1.相位路径由于h=1/2，MSK的相位约束条件就是112kkkkaak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所示，其中初始相位为零。()cos()(1)()2MSKckbbkkkbstttkTtkTtaTMSK信号的相位路径、频率及功率谱MSK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。212122()22()cbcbbdbdbbTfTffTmTfTffTn当给定码元速率Rb时可以确定各个频率如下：21/4(1)/4(1)/4cbbbfmRfmRfmR即载波频率应当是Rb/4的整数倍。2.MSK的频率关系MSK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2222cos[2]1614cbbMSKcbffTATWfffT式中A为信号的幅度。功率谱特性如下图所示。为便于比较，图中也给出一般2FSK信号的功率谱特性。MSK信号的相位路径、频率及功率谱图3.7MSK的功率谱-2-1012-40-200MSK2FSKf/Rb由图可见，MSK信号比一般2FSK信号有更高的带宽效率。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24GMSK3.4高斯最小移频键控GMSK3.4.1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22(/)()faHfe冲激响应为2athtae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:2/ln21.69861.7bbbaBBB令τ=t/Tb，并把a=1.7Bb代入上页公式并设Tb=1,则有设要传输的码元长度为Tb,速率为Rb=1/Tb，以Rb为参考，对f归一化:x=f/Rb=fTb，则归一化3dB带宽为：/bbbbbxBRBT这样，用归一化频率表示的频率特性就为H(x)：22/1.7/1.7bbfBxxHxee2(5.3)()3.01bxbhxe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3.9。方波脉冲通过高斯滤波器设有方波f(t)：1/2()0/2bbtTfttT经过高斯滤波器后，输出为2()()()()()Q2(/2)Q2(/2)ttabbgthftdaeftdatTatT式中2/21Q()2yzzedy截取其中有意义的区间作为实际响应波形的长度，并在时间上作适当的延迟，就可以使它成为与g(t)有足够的近似和可以实现的波形。通常截取的范围是以t=0为中心的±(N+1/2)Tb，即长度为(2N+1)Tb，并延迟(N+1/2)Tb。3.4.2GMSK信号的波形和相位路径设要发送的二进制数据序列{bk}(bk=±1)所用码为NRZ码（不归零码，脉冲为方波），码元起止时刻为Tb的整数倍,此基带信号经过高斯滤波器后输出为()(/2)kbbkqtbgtkTT信号对调频器调频，输出为()cos22()cos2()tcfmcstftkqdftt附加相位为()()()()()()bbkTttfffkTbtkqdkqdkqdkTt在一个码元结束时，相位的增量取决于在该码元期间q(t)曲线下的面积Ak：(1)(1)/2()()bbbbkTkTkNkffbbfknkNkTkTkqtdtkgtkTTdtkA例如图3.12，xb=0.3,截取g(t)的长度为3Tb(N=1)的情况。在bk期间内，q(t)曲线只由bk及其前后一个码元bk-1、bk+1所确定。当这三个码元同符号时，Ak有最大值Amax，设计调频器的参数kfm使maxmax/2fkA。这样调频器输出就是一个GMSK信号。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3.14。3.4.3GMSK信号的调制与解调因为()cos()cos()tGMSKcfcsttkqdttcos()cossin()sincctttt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sin()t和两张表，根据输入数据通过查表读出相应的数值，得到相应得和波形。GMSK正交调制方框图如图3.15所示。1.调制：sin()tcos()tcos()t2.解调GMSK可以用相干方法解调,也可以用非相干方法解调。这里介绍一比特延迟差分解调方法（非相干解调）,其原理如图3.17。设接收到的信号为()()()cos(())GMSKcststAttt则W(t)为()()cos()()/2bcbbWtAtTtTtT和s(t)相乘得x(t)()()()1()()sin()()sin2()()2bbcbccbbxtstWtAtAtTttTTtTttT经过低通滤波同时考虑到，得到y(t)1()()()sin()()21()()sin()2bbcbbytAtAtTttTTAtAtTt式中()()()btttT是一个码元的相位增量。在t=(k+1)Tb时刻对y(t)抽样得到y((k+1)Tb)，它的符号取决于的符号,判决准则为((1))0bykT((1))bkT即＞0判决解调的数据为kb=+1((1))bkT即＜0判决解调的数据为kb((1))0bykT=-1解调过程的各波形如图3.18所示，其中设A(t)为常数。3.4.4GMSK功率谱对GMSK信号功率谱的分析是比较复杂的，图3.19是计算机仿真得到xb=0.5、1和xb=∞（MSK）的功率谱。从图中可见，