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程郁凡[e-mail]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图3.1无线通信系统的基本组成框图2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第三章内容3.1信源编码3.2数字调制中的基本概念3.3QPSK调制3.4高阶调制3.5正交频分复用2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术33.1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信源编码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信息熵、可变长编码模拟信源编码话音编码、图像编码2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术4压缩技术话音编码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）移动通信对话音编码的要求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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2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术5高质量低延时话音编码类型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6级别评定类别人的印象标准5优几乎无噪声和失真，细节清晰可辨4良有可感觉的轻微噪声和失真3中有令人烦恼的噪声和失真2差有令人非常烦恼的噪声和严重失真1劣语言几乎不可懂表3.1话音质量评定（MOS）4分以上入公网3分以上入移动通信网MOS:MeanOpinionScore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。典型波形编码方式PCM，DPCM，ΔM等。2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术7PCM：Pulse-CodeModulation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。典型参量编码方式线性预测编码LPC及其改进型。8LPC：LinearPredictionCoding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。典型混合编码方式多脉冲激励线性预测编码码激励线性预测编码2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术910速率(kbit/s)话音质量波形编码混合编码参量编码混合编码是优选方向图3.2话音编码方式性能比较话音编码方式性能比较移动通信中的信源编码举例2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术11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（话音混合编码）IS-95CELP(Code-Excitedlinearpredictivecod)码激励线性预测编码（话音混合编码）WCDMAAMR(AdaptiveMultiRate)自适应多速率编码（话音混合编码）CDMA2000SMV(SelectedModeVocoder）可选模式语音声码器（话音混合编码）3GH.264视频信源编码第三章内容3.1信源编码3.2数字调制中的基本概念3.2QPSK调制3.3高阶调制3.4正交频分复用2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术12数字调制中的基本概念数字调制技术对信息序列进行处理，使之变为适合于信道传输的波形的过程。实现方法通过改变高频载波的幅度、相位或者频率，使其随基带信号的变化而变化。移动通信系统要求频带利用率高（bit/s/Hz）功率效率高具有恒包络特性易于解调带外辐射少2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术13各类二进制调制波形14数字调制技术分类2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术15ASK(幅移键控)QAM(正交幅度调制)MQAM(星座调制)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)OQPSK(偏移QPSK)p/4QPSKDQPSK(差分QPSK)MSK(最小频移键控)GFSK(高斯滤波MSK)TFM(平滑调频)数字调制不恒定包络恒定包络FSK(频移键控)PSK(相移键控)CPM(连续相位调制)QPSK(正交四相相移键控)二进制码与双极性码的映射关系2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术16二进制码：0,1双极性码：1,-1011100011101111110111111011112bb*12aa推广：数字调制器2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术17ist二进制序列基带调制比特变符号成形滤波exp2cjftp图3.3数字调制器功能框图数字通信系统的度量指标2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术1800,,sbSNRENENsnPSNRP0sbsnnbbbPTPWPWPRWENSNRR22000loglogsbbEEMEMNNNM对于阶调制信号，有：::::snbPPTW信号平均功率噪声平均功率比特周期噪声带宽频带利用率也是带宽效率每赫兹可用带宽可以传输的信息速率:R：为信息比特速率W：信号所需带宽奈奎斯特带宽：理论上无码间串扰的基带系统，若每秒传输Rs个码元，需要最小带宽是Hz。理论：2码元/s/Hz实际：1.4~1.8码元/s/Hz2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术19RWbsHz2sR2logsRRM2logsRRMWWsRWsRWmax22logRWM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。假定比特速率等于信道容量：Rb=C202log1+SCWN222000log1+log1+log1+bbbbETECECCWNWNWNW021+CbWECNW021CbWEWNC0CW当时，0ln20.6921.59bEdBN0lim1lnxxaxa香农定理(2)21021CbWEWNC图3.4W/C关于Eb/N0的关系曲线2log1+SCWN实际系统22带宽-效率平面香农极限容量界限R=CRC区域(差错率高)图3.5带宽-效率面RC区域(实际系统)2logsRRWMW2logsMPSKMQAMWRRMW对于、:2logsMFSKWMRMRWM对于非相干:R/W(bit/s/Hz)1211第三章内容3.1信源编码3.2数字调制中的基本概念3.3QPSK调制3.4高阶调制3.5正交频分复用2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术233.3QPSK调制数字调相：以基带数据信号来调制载波的相位BPSKQPSKOQPSKp/4QPSK2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术24cosckStAtBPSK信号可记为2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术25BPSK：BinaryPhaseShiftKeying0,1,1ikiaapcosiicstaAtcosckistAt二进制序列基带调制映射比特变符号成形滤波exp2cjftp01id或11ia或-BPSKbEbEIQ图3.6BPSK调制器功能框图图3.7BPSK星座图BPSK调制波形2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术26图3.8BPSK调制波形12cos1cos1,2cbbcstAtkTtkTstAtiBPSK信号功率谱图3.9BPSK的功率谱0-50-40-30-20-1002sRsRsR2sR3sR4sR5sR5sR4sR3sR-70-60-50-40-30-20-10002sRsRsR2sR3sR4sR5sR5sR4sR3sR未成形滤波约12dB约50dB-90-80-70-60-50-40-30-20-100Magnitude(dB)0sR2sR3sR4sR5sR12sRB基带带宽：为滚降系数经过成形滤波图3.10根升余弦滚降滤波器(=0.5)频响12sR12sRsbRRBPSK解调BPSK相干解调图3.11BPSK的相干解调28irtstnt参考信号0TzT2H1Hist积分抽样判决≷12coscbttT2cosbickbEsttT0iaTzTnTbTT02cosTcbzTrttdtT22210002221coscos12bbbTTTccbbbbtdttdttdtTTTTn(t)：0均值，双边带功率谱密度为N0/2的高斯白噪声290iaTnT,0,bkibkEaTEp10TzTrttdt022coscosTbckcbbEtnttdtTT200412cos2coscos2TTbckkcbbEtdtnttdtTT0coscos2TcbbknttdtTE02cosTcbrttdtTIQbEbE002nTN零均值、方差为BPSK相干解调误比特率30121212bPPsPHsPsPHs0211=bPPHspzsdz2112bPPHsPHs1212PsPs假设202N其中20001expbzEdzNNp02N：高斯白噪声双边带功率谱密度3120001expbbzEPdzNNp02bzExN令200011exp22bbzEPdzNNp则0220011exp22bENbNPxdxNp211exp22aQaxdxp02bEQN02211exp22bENxdxp200011exp22bzEdzNNpDPSK2021年3月第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术32cosckistAt二进制序列基带调制映射差分编码成形滤波exp2cjftp11ia或-icBPSK调制01id或1ckckdk图3.12DPSK调制器功能框图差分编码后进行BPSK调制DPSK：DifferentialPhaseShiftKeyingDPSK调制3301234567891000101001101