《移動通信原理》課程_第四、六章 (1)

1、通信系統(tǒng)中的核心問題通信系統(tǒng)中的核心問題:指標(biāo)指標(biāo)= =？ 有效性有效性 可靠性可靠性安全性安全性 具體到移動通信：具體到移動通信：有效性、可靠性與安全性是全系統(tǒng)概念，是很復(fù)雜的問題；有效性、可靠性與安全性是全系統(tǒng)概念，是很復(fù)雜的問題；實現(xiàn)這實現(xiàn)這3 3類指標(biāo)的環(huán)境與條件更加惡劣，因而達到目標(biāo)也就類指標(biāo)的環(huán)境與條件更加惡劣，因而達到目標(biāo)也就更加困難；更加困難；提高效率的問題更加突出。提高效率的問題更加突出。 特別是由于移動通信的頻率資特別是由于移動通信的頻率資源是有限的源是有限的 第4章第4章信源編碼與數(shù)據(jù)壓縮實際實現(xiàn)中的關(guān)聯(lián)性：實際實現(xiàn)中的關(guān)聯(lián)性：與移動通信系統(tǒng)中的與移動通信系統(tǒng)中的3 3個

2、層次個層次物理層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)規(guī)物理層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃層都有關(guān)系，特別是與蜂窩網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。劃層都有關(guān)系，特別是與蜂窩網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。涉及方面：僅從物理層來探討，從有效性看：涉及到信源編涉及方面：僅從物理層來探討，從有效性看：涉及到信源編碼與數(shù)據(jù)壓縮、調(diào)制與信道編碼技術(shù)、多址方式、信號分集接碼與數(shù)據(jù)壓縮、調(diào)制與信道編碼技術(shù)、多址方式、信號分集接收、天線方向性等諸多因素。收、天線方向性等諸多因素。第第4 4本章僅討論在物理層決定有效性的最主要因素之一：信源編碼本章僅討論在物理層決定有效性的最主要因素之一：信源編碼和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。信源編碼信源編碼作用：壓縮信源輸出的

3、信息率，提高系統(tǒng)有效性作用：壓縮信源輸出的信息率，提高系統(tǒng)有效性實現(xiàn)原理：主要是利用信源的統(tǒng)計特性，解除信源相關(guān)性，實現(xiàn)原理：主要是利用信源的統(tǒng)計特性，解除信源相關(guān)性，去掉信源冗余信息。去掉信源冗余信息。發(fā)展過程：發(fā)展過程：第二代第二代(2(2G)G)數(shù)字式移動通信系統(tǒng)：語音壓縮編碼：數(shù)字式移動通信系統(tǒng)：語音壓縮編碼： 語音語音業(yè)務(wù)業(yè)務(wù) 。第三代第三代( (3G)3G)數(shù)字式移動通信系統(tǒng)：語音壓縮編碼數(shù)字式移動通信系統(tǒng)：語音壓縮編碼 + + 各類各類圖像壓縮編碼和多媒體數(shù)據(jù)壓縮等方面圖像壓縮編碼和多媒體數(shù)據(jù)壓縮等方面 包含語音、數(shù)據(jù)和包含語音、數(shù)據(jù)和圖像在內(nèi)的多媒體業(yè)務(wù)圖像在內(nèi)的多媒體業(yè)務(wù) 信

4、源編碼的關(guān)聯(lián)技術(shù)要點：壓縮語音編碼的碼率，提高通信系統(tǒng)的有效性。技術(shù)要點：壓縮語音編碼的碼率，提高通信系統(tǒng)的有效性。原理：解除語音信源的統(tǒng)計關(guān)聯(lián)。原理：解除語音信源的統(tǒng)計關(guān)聯(lián)。語音壓縮編碼分為以下語音壓縮編碼分為以下3 3類類波形編碼：波形編碼是以精確再現(xiàn)語音波形為目的，并以保真波形編碼：波形編碼是以精確再現(xiàn)語音波形為目的，并以保真度即自然度為度量標(biāo)準的編碼方法。這類編碼是保留語音個性度即自然度為度量標(biāo)準的編碼方法。這類編碼是保留語音個性特征為主要目標(biāo)的方法，其碼率較高。特征為主要目標(biāo)的方法，其碼率較高。參量編碼：又稱為聲碼器。參量編碼是利用人類發(fā)聲機制，僅參量編碼：又稱為聲碼器。參量編碼是利

5、用人類發(fā)聲機制，僅傳送反映語音波形變化主要參量的編碼方法。在接收端，可根傳送反映語音波形變化主要參量的編碼方法。在接收端，可根據(jù)發(fā)聲模型，由傳送過來的變化參量激勵產(chǎn)生人工合成的語音。據(jù)發(fā)聲模型，由傳送過來的變化參量激勵產(chǎn)生人工合成的語音。參量編碼的主要度量標(biāo)準是可懂度。參量編碼的主要度量標(biāo)準是可懂度。 評看：以提取并傳送語音評看：以提取并傳送語音的共性特征參量為主要目標(biāo)的編碼方法，其碼率較低。的共性特征參量為主要目標(biāo)的編碼方法，其碼率較低。 混合編碼：又稱為軟聲碼器。混合編碼是吸取上述兩類編碼的混合編碼：又稱為軟聲碼器。混合編碼是吸取上述兩類編碼的優(yōu)點，以參量編碼為基礎(chǔ)并附加一定的波形編碼特征

6、，以實現(xiàn)優(yōu)點，以參量編碼為基礎(chǔ)并附加一定的波形編碼特征，以實現(xiàn)在可懂度基礎(chǔ)上適當(dāng)改善自然度目的的編碼方法。其碼率介于在可懂度基礎(chǔ)上適當(dāng)改善自然度目的的編碼方法。其碼率介于上述兩類編碼之間。上述兩類編碼之間。4.14.1語音壓縮編碼語音壓縮編碼技術(shù)比較：技術(shù)比較：質(zhì)量：波形編碼質(zhì)量：波形編碼 混合編碼混合編碼 參量編碼參量編碼壓縮倍數(shù)壓縮倍數(shù): : 波形編碼波形編碼 混合編碼混合編碼 = GMSKGMSK是是MSKMSK的進一步優(yōu)化方案。的進一步優(yōu)化方案。GMSKGMSK實現(xiàn)：實現(xiàn)：屬于屬于MSKMSK簡單的優(yōu)化方案，進一步抑制高頻分量，防止過量的瞬時簡單的優(yōu)化方案，進一步抑制高頻分量，防止過量

7、的瞬時頻率偏移及滿足相干檢測的需求。它只需在頻率偏移及滿足相干檢測的需求。它只需在MSKMSK調(diào)制前附加一個調(diào)制前附加一個高斯型前置低通濾波器，高斯型前置低通濾波器，MSKMSK調(diào)制特點調(diào)制特點一般式：一般式： 求求 ， 與與T Tb b關(guān)系關(guān)系 信號分析過程：信號分析過程：6.3.2 6.3.2 MSKMSK信號形式信號形式)(tkd一個二進制頻移鍵控信號中的第一個二進制頻移鍵控信號中的第k k個碼元的波形可以表達為個碼元的波形可以表達為 ) 1 . 3 . 6() 1(),(cos)(0bbkTktkTttAtX式中，附加相位為式中，附加相位為 ，且，且 ( ( 為頻差為頻差) )，而，而

8、)(tkdkkadttd)(d)2 . 3 . 6(1ka瞬時頻率為瞬時頻率為)3 . 3 . 6(00ddka當(dāng)載波頻移量最小時當(dāng)載波頻移量最小時( (即頻差最小即頻差最小) )，頻差，頻差 ，則調(diào)制指數(shù)為，則調(diào)制指數(shù)為12 調(diào)制指數(shù)為頻差調(diào)制指數(shù)為頻差 ，與數(shù)據(jù)碼元速率，與數(shù)據(jù)碼元速率 之比之比 信號形式信號形式-2-2-調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù))4 . 3 . 6(12bh數(shù)據(jù)碼元速率頻差12b而將而將 帶入上式求得帶入上式求得dd0102,)5 . 3 . 6(200bdbddhMSKMSK是是CPFSKCPFSK連續(xù)相位移頻鍵控連續(xù)相位移頻鍵控 h=O.5h=O.5時的特例，將其代入式時的特

9、例，將其代入式(6.3.5)(6.3.5)可得可得)6 . 3 . 6(4,215 . 02dbbdh有此時)7.3.6(2424)(bkbkbkdkkTafaaadttd而式中，式中， 是積分常數(shù)。是積分常數(shù)。信號形式信號形式-3-3將上式代入式將上式代入式(6.3.1)(6.3.1)中，得到所求結(jié)果：中，得到所求結(jié)果：MSKMSK信號表達式為：信號表達式為：)8.3.6(2)()(kbkkkTtadtdttdtk)9.3.6()2cos()(0kbkTtatAtX將其展開后，可得將其展開后，可得式式(6.3.9)(6.3.9)和式和式(6.3.10)(6.3.10)為為MSKMSK的基本表

10、達式。的基本表達式。式中，式中， a ak k=輸入序列；輸入序列；x xk k是為了保證是為了保證t=kTt=kTb b時相位連續(xù)而加入的相時相位連續(xù)而加入的相位常量位常量 本比特內(nèi)的相位常數(shù)本比特內(nèi)的相位常數(shù) 。令令 MSKMSK是一種特殊形式的是一種特殊形式的FSKFSK，其頻差是滿足兩個頻率相互正交其頻差是滿足兩個頻率相互正交( (即即相關(guān)函數(shù)等于相關(guān)函數(shù)等于O)O)的最小頻差，并要求的最小頻差，并要求FSKFSK信號的相位連續(xù)。其頻信號的相位連續(xù)。其頻差差f=ff=f2 2-f-f1 1=1=12T2Tb b，即調(diào)制指數(shù)為即調(diào)制指數(shù)為MSKMSK信號進一步分析其特性及調(diào)制方案形成：信

11、號進一步分析其特性及調(diào)制方案形成： 補充補充 )332(5 . 0/1bTfh式中，式中，T Tb b為輸入數(shù)據(jù)流的比特寬度。為輸入數(shù)據(jù)流的比特寬度。 MSKMSK的信號表達式為的信號表達式為 )342()2cos()(kkbcxtaTttS式中，式中，為了保持相位連續(xù)，在為了保持相位連續(xù)，在t=kTt=kTb b時應(yīng)有下式成立：時應(yīng)有下式成立： （2-352-35）（2-362-36）將式將式(2-35)(2-35)代入式代入式(2-36)(2-36)可得可得 MSKMSK的相位軌跡的相位軌跡 相位相位k k 特性特性 分析上式，因為分析上式，因為 所以，所以，x xk k有以下結(jié)論：有以下

12、結(jié)論：若令若令x x0 0=O=O，則則x xk k=0=0或或(模模2 2)，k=Ok=O，1 1，2 2， 本比特內(nèi)的相位常數(shù)不僅與本比特區(qū)間的輸入有關(guān)，還與前一本比特內(nèi)的相位常數(shù)不僅與本比特區(qū)間的輸入有關(guān)，還與前一個比特區(qū)間內(nèi)的輸入及相位常數(shù)有關(guān)。個比特區(qū)間內(nèi)的輸入及相位常數(shù)有關(guān)。 a ak k=1,-1 =1,-1 )372(2)(11kaaxxkkkk1ka分析分析MSKMSK的相位軌跡的相位軌跡 相位相位k k 特性特性: :在給定輸入序列在給定輸入序列 a ak k 的情況下，的情況下，MSKMSK的相位軌跡如圖的相位軌跡如圖2-52-5所示。所示。各種可能的輸入序列所對應(yīng)的所有

13、可能的路徑如圖各種可能的輸入序列所對應(yīng)的所有可能的路徑如圖2-62-6所示所示, , t=kTt=kTb,b, , ,箭頭處為箭頭處為x xk,k, , ,箭頭左側(cè)處為箭頭左側(cè)處為a ak k,例如，例如，對對t=2Tt=2Tb b處處, ,k=2,x2=x1+(a1-a2)k=2,x2=x1+(a1-a2)* *2/2=0+(-1-(+1)2/2=0+(-1-(+1)* *2/2=-22/2=-2對對t=7Tt=7Tb b處處, ,k=7,xk=7,x7 7=x=x6 6+(a+(a6 6-a-a7 7) )* *2/2=-3+(1-(-1)2/2=-3+(1-(-1)* *7/27/2 =

14、-3+7=4; =-3+7=4;( (起在起在t=2Tbt=2Tb時，時，a2a2為此刻右邊碼元，因時間，己跳上沿為此刻右邊碼元，因時間，己跳上沿) )圖圖2-5 2-5 MSKMSK的相位軌跡的相位軌跡 本比特區(qū)間的碼元值決定斜率，本比特區(qū)間的碼元值決定斜率，x xk k決定起決定起點點 MSKMSK的相位軌跡的相位軌跡 相位相位k k 特性特性-2-2 本比特區(qū)間的可能碼元值決定斜率或走向，連續(xù)相位決定可能軌本比特區(qū)間的可能碼元值決定斜率或走向，連續(xù)相位決定可能軌跡跡 MSKMSK的可能相位軌跡的可能相位軌跡當(dāng)當(dāng)t=2lTbt=2lTb，l=Ol=O，1 1，2 2，時，相位取值只能是時，

15、相位取值只能是0 0或或(模模2 2)；當(dāng)當(dāng)t=(2l+1)Tbt=(2l+1)Tb，l=Ol=O，1 1，2 2，時，相位取值只能是時，相位取值只能是2(2(模模2 2)；在一個比特區(qū)間內(nèi)，相位線性地增加或減少在一個比特區(qū)間內(nèi)，相位線性地增加或減少2 2。據(jù)此，分析據(jù)此，分析MSKMSK信號信號 MSKMSK信號表達式為信號表達式為相位相位k k特性特性 圖上規(guī)律或結(jié)論圖上規(guī)律或結(jié)論 * * * * *9 9stst* * * *428428* *)cos()2cos()(0kkkbctxtaTttSMSKMSK信號表達式可正交展開為下式：信號表達式可正交展開為下式： )382()sin()

16、2sin(cos)cos()2cos(cos)2cos()(ttTxattTxxtaTttScbkkcbkkkbc分析分析MSKMSK信號信號由式由式(2-37)(2-37)得得 因為因為 所以，上式可寫為所以，上式可寫為 ( (令令k=2lk=2l，l=0l=0，1 1，2 2，) )： 分析分析MSKMSK信號信號-2-2由此式可以看出：由此式可以看出：I I支路數(shù)據(jù)支路數(shù)據(jù)( (CosxCosxk k) )和和Q Q支路數(shù)據(jù)支路數(shù)據(jù)( (a ak kCosxCosxk k) )并不是并不是每隔每隔T Tb b秒就可能改變符號，而是每隔秒就可能改變符號，而是每隔2 2T Tb b秒才有可能

17、改變符秒才有可能改變符號號？。I I支路與支路與Q Q支路的碼元在時間上錯開支路的碼元在時間上錯開T Tb b秒，如圖秒，如圖2-72-7所示。所示。若輸入數(shù)據(jù)若輸入數(shù)據(jù)d dk k經(jīng)過差分編碼經(jīng)過差分編碼( (即即a ak k =d =dk kd dk-1k-1) )后，再進行后，再進行MSKMSK調(diào)制，調(diào)制，則只要對則只要對CosxCosxk k和和a ak kCosxCosxk k交替取樣就可以恢復(fù)輸入數(shù)據(jù)交替取樣就可以恢復(fù)輸入數(shù)據(jù)d dk k。 )sin()2sin()cos()2cos()sin()2sin(cos)cos()2cos(cos)(ttTQttTIttTxattTxtS

18、cbkcbkcbkkcbkMSKMSK的輸入數(shù)據(jù)與各支路數(shù)據(jù)及基帶波形的關(guān)系的輸入數(shù)據(jù)與各支路數(shù)據(jù)及基帶波形的關(guān)系 圖圖2-72-7根據(jù)式根據(jù)式(2-38)(2-38)、式、式(2-39)(2-39)及式及式(2-37)(2-37)，可得，可得MSKMSK信號的產(chǎn)生框圖信號的產(chǎn)生框圖如圖如圖2-82-8所示。所示。 MSKMSK信號也可以將非歸零的二進制序列直接送入信號也可以將非歸零的二進制序列直接送入FMFM調(diào)制器中來產(chǎn)調(diào)制器中來產(chǎn)生，這里要求生，這里要求FMFM調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)為調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)為0.50.5。MSKMSK調(diào)制器框圖調(diào)制器框圖 圖圖2-82-8根據(jù)式根據(jù)式(2-38)(2-

19、38)、式、式(2-39)(2-39)及式及式(2-37)(2-37)，可得，可得MSKMSK信號的產(chǎn)生框圖信號的產(chǎn)生框圖如圖如圖2-82-8所示。所示。 MSKMSK信號也可以將非歸零的二進制序列直接送入信號也可以將非歸零的二進制序列直接送入FMFM調(diào)制器中來產(chǎn)調(diào)制器中來產(chǎn)生，這里要求生，這里要求FMFM調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)為調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)為0.50.5。關(guān)于關(guān)于MSKMSK信號的功率譜信號的功率譜MSKMSK信號的單邊功率譜表達式為信號的單邊功率譜表達式為關(guān)于關(guān)于MSKMSK信號的功率譜：如下圖所示。圖中還給出了信號的功率譜：如下圖所示。圖中還給出了QPSKQPSK信號的功信號的功率譜。率譜

20、。圖中規(guī)律或結(jié)論：圖中規(guī)律或結(jié)論：= =？MSKMSK信號的功率譜特點信號的功率譜特點較寬的主瓣：較寬的主瓣：MSKMSK的功率譜具有較寬的主瓣的功率譜具有較寬的主瓣 與與QPSKQPSK相比相比 ，其，其第一個零點出現(xiàn)在第一個零點出現(xiàn)在( (f-fc)Tf-fc)Tb b=O.75=O.75處，而處，而QPSKQPSK的第一個零點出現(xiàn)的第一個零點出現(xiàn)在在( (f-fc)Tf-fc)Tb b=O.5=O.5處。處。旁瓣較?。寒?dāng)旁瓣較?。寒?dāng)( (f-fc)Tf-fc)Tb b-時，時，MSKMSK的功率譜以的功率譜以(f-fc)Tf-fc)Tb b -4-4的的速率衰減，比速率衰減，比QPSKQ

21、PSK的衰落速率的衰落速率(f-fc)Tf-fc)Tb b -2-2快得多?？斓枚唷?MSKMSK信號解調(diào)：信號解調(diào)：可以采用鑒頻器解調(diào)，也可以采用相干解調(diào)。相干解調(diào)的框圖如可以采用鑒頻器解調(diào)，也可以采用相干解調(diào)。相干解調(diào)的框圖如圖圖2-102-10所示。圖中采用平方環(huán)來提取相干載波。所示。圖中采用平方環(huán)來提取相干載波。 MSKMSK信號的解調(diào)信號的解調(diào)上頁圖中采用平方環(huán)來提取相干載波。從圖中可以看出經(jīng)過低通上頁圖中采用平方環(huán)來提取相干載波。從圖中可以看出經(jīng)過低通濾波后，濾波后，I I支路和支路和Q Q支路的輸出分別為：支路的輸出分別為： 通過對通過對I I支路和支路和Q Q支路交替采樣就可以

22、恢復(fù)支路交替采樣就可以恢復(fù)b bk k，再經(jīng)差分譯碼后就再經(jīng)差分譯碼后就可以恢復(fù)可以恢復(fù)a ak k。 參照參照FSKFSK的誤碼率分析，在輸入為窄帶高斯噪聲的誤碼率分析，在輸入為窄帶高斯噪聲( (均值為均值為0 0，方，方差為差為2 2) )的情況，各支路的誤碼率為的情況，各支路的誤碼率為 式中，式中，222/narMSKMSK信號性能分析信號性能分析與與FSKFSK性能相比，由于各支路的實際碼元寬度為性能相比，由于各支路的實際碼元寬度為2 2T Tb b，其對應(yīng)的低其對應(yīng)的低通濾波器帶寬減少為原帶寬的通濾波器帶寬減少為原帶寬的1/21/2，從而使，從而使MSKMSK的輸出信噪比提高的輸出信噪比提高了一倍。了一倍。 經(jīng)過差分譯碼后的誤比特率為經(jīng)過差分譯碼后的誤比特率為 )432()1 (2ssePPP3G3G調(diào)制調(diào)制1 1、TD-SCDMATD-SCDMA： 采用采用QPSKQPSK調(diào)制技術(shù)，對于調(diào)制技術(shù)，對于2 2Mbit/sMbit/s業(yè)務(wù)，采用業(yè)務(wù)，采用8 8PSKPSK調(diào)制技術(shù)。調(diào)制技術(shù)。 數(shù)據(jù)調(diào)制后，再進行擴頻調(diào)制。擴頻后的碼片速率為數(shù)據(jù)調(diào)制后，再進行擴頻調(diào)制。擴頻后的碼片速率為1.281.28Mc/s,Mc/s,擴頻因子為擴頻因子為