1、第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,程郁凡 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,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 3.3 QPSK调制 3.4 高阶调制 3.5 正交频分复用,2018年10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 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
2、拟信源编码 话音编码、图像编码,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,4,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,2018年10月,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,6,表3.1 话音质量评定（MOS）,4分以上入公网 3分以上入移
3、动通信网,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 高速率话音编码时（ 16kbps 64kbps ），话音质量好（4.04.5），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，M 等。,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,7,PCM：Pulse-Code Modulation,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
4、），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：1.2kbps4.8kbps 话音质量中等（2.53.5），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。,8,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：4kbps16kbps 语音质量较好（3.54.0），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,2018年10
5、月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,9,10,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,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,11,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,2018年10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
6、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,2018年10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,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,15,二进制码与双极性码的映射关系,2018年10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, -1,推广：,数字调制器,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,17,图3.3 数字调制器功能框图,数字通信系统的度量指标,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编
7、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：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 ：1.41.8码元/s/Hz,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,19,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 =C,20,香农定理(2),21,图3.4 W/C关于Eb/N0的关系曲线,实际系统,22,带宽-效率平面,香农极限,容量界限
8、R = C,R C区域 (差错率高),图3.5 带宽-效率面,R C区域 (实际系统),R/W(bit/s/Hz),1,第三章内容,3.1 信源编码 3.2 数字调制中的基本概念 3.3 QPSK调制 3.4 高阶调制 3.5 正交频分复用,2018年10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BPSK QPSK OQPSK /4QPSK,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,24,BPSK信号可记为,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,25,BPSK：Binary P
9、hase Shift Keying,BPSK,图3.6 BPSK调制器功能框图,图3.7 BPSK星座图,BPSK调制波形,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,26,图3.8 BPSK调制波形,BPSK信号功率谱,图3.9 BPSK的功率谱,未成形滤波,约12dB,约50dB,经过成形滤波,图3.10 根升余弦滚降滤波器(=0.5)频响,BPSK解调,BPSK相干解调,图3.11 BPSK的相干解调,28,n(t)：0均值，双边带功率谱密度为N0/2的高斯白噪声,29,BPSK相干解调误比特率,30,31,DPSK,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制
10、解调技术,32,图3.12 DPSK调制器功能框图,差分编码后进行BPSK调制,DPSK：Differential Phase Shift Keying,DPSK调制,33,DPSK的相干解调(1),2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,34,图3.13 DPSK的相干解调,DPSK的相干解调(2),2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,35,DPSK的非相干解调,36,图3.14 DPSK的非相干解调 (差分相干解调),请同学们课下证明：,BPSK与DPSK的解调性能,37,图3.15 BPSK和DPSK的解调性能,图3.16 QPSK调制器功
11、能框图,QPSK,38,QPSK调制器波形,39,图3.17 QPSK调制器各点波形(未经过成形滤波),40,QPSK的相干解调,QPSK的功率谱,QPSK的误比特率与BPSK相同，但频谱利用率提高了一倍，功率谱与BPSK形状相同，带宽少了一半。,41,未成形滤波,图3.18 QPSK的功率谱,QPSK的包络特性,42,相位突变会在成型滤波后引起包络起伏大，且过零点。设法减少相位跳变幅度，以减少信号包络的波动OQPSK,图3.19 QPSK在成形滤波前后的包络变化,理想的QPSK,成形滤波后的QPSK,相位突变,OQPSK(Offset QPSK),43,OQPSK 调制方法与QPSK类似 在
12、一条正交支路上引入了一个比特的延时，以使得两支路的数据不会同时发生变化 降低最大相位跳变 ，相位变化被限制到了90o,图3.20 OQPSK调制器功能框图,OQPSK符号的偏移,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,44,图3.21 OQPSK符号的偏移,最大相位变化/2,OQPSK的包络特性,45,图3.22 OQPSK的包络特性,OQPSK的包络变化的幅度要比QPSK小许多（信号的动态范围较小），且没有包络零点。 非相干检测性能不如QPSK。 需要兼顾频带效率、包络波动幅度、能采用差分检测的调制方式。/4QPSK,/4QPSK,是QPSK和OQPSK的折衷 最大相位
13、变化是135，低于QPSK的1800，但高于OQPSK的900。 /4 QPSK的频谱性能低于OQPSK，优于QPSK。 能够进行相干解调，也可以非相干解调。,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,46,47,图3.23 /4-DQPSK调制器功能框图,/4-DQPSK调制器原理,差分相位,由符号m k决定,例：设初相0为0，输入1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 求相位转移图。 解：因为初相0为0，初始信号矢量为s0,48,/4-DQPSK相位差分编码,偶符号,奇符号,QPSK、OQPSK、/4QPSK比较：星座图,QPSK相位转换通过0点，最大相位变化为
14、1800 OQPSK相位转换不通过0点，最大相位变化为900 /4QPSK相位变化不过0点，最大相位变化为1350,49,图3.24 QPSK信号星座图比较,(a) QPSK,(b) OQPSK,(c) /4QPSK,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,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,50,3.4 高阶调制,为什么需要采用高阶调制？ 有限带宽下实现高速数据传输，提高频谱效率。 基本原理 多进制调制中，每若干个(比如k个)比特构成一个符号，得到2k M进制的符号后，逐个符号对高频载
15、波作多进制的ASK，FSK或PSK调制。 M8时为高阶调制,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,51,信号空间,已调信号其中g(t)为低通脉冲波形。选择一组基向量 构成二维矢量空间,52,只分析ASK与PSK或它们的相结合QAM,简化分析：假设g(t)为矩形波，则有E g =T调制后的信号 就可以用信号空间中的向量来表示（星座图）：当g(t)为矩形波时，将E g =T代入，可得信号矢量：,53,MASK的星座图,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,54,55,g(t)为矩形波时M越大，星座图越密，相邻向量距离越近，在相同信噪比下，误码性能越差
16、。,MPSK的星座图,MQAM的星座图,信号矢量MQAM 幅度和相位同时被调制。 充分利用二维矢量空间的平面，在不减少欧式距离的情况下增加星座点数。 增加频谱利用率。 性能优于MPSK和MASK。,56,57,带宽-效率平面,香农极限,容量界限R = C,R C区域 (差错率高),R C区域 (实际系统),R/W(bit/s/Hz),1,调制技术在移动通信系统中的应用,2G GSM：GMSK IS-95：上行OQPSK，下行QPSK 3G TD-SCDMA：QPSK WCDMA：上行BPSK，下行QPSK CDMA2000：QPSK B3G, 4G HSPA：16QAM HSPA+：最高64Q
17、AM LTE：最高64QAM 日本DOCOMO公司：最高256QAM,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,58,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,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,59,单载波传输系统,一个用户的数据只采用一个载波信号来进行传输，其简单结构如图所示：一次衰落或干扰可导致整个链路失效,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,60,图3.25 单载波传输系统,多载波传输系统,61,图3.26 多载波传输系统,多载波系统把
18、高速数据流通过串并转换，分解为若干低速率的子数据流； 用多个低速率的子数据流去调制相应的子载波，从而构成多个低速率信号并行发送。,早期方案,多载波传输的优势,串并变换将高速信号变为多路的低速信号，抗频率选择性衰落,62,早期方案的问题,问题 复杂度高，与多载波路数成正比 要求各路子载波的中心频率之间的间隔有相当的间距 对各子载波的滤波器有较高的要求,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,63,构造正交子载波组,正交频分复用(OFDM),正交频分复用是一种无线环境下的高速传输技术 正交子载波组的引入 OFDM的快速实现（FFT/IFFT） 循环前缀的引入,2018年10月
19、,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,64,OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交子载波组的引入,65,构造正交子载波组 f0 f1 . fN-1 假设 f0 为0，当为一组相互正交的子载波组,正交子载波组时域波形,66,幅度,合成信号,PAPR大,PAPR：Peak to Average Power Ratio,正交性的作用(1),提高信道的利用率,67,图3.27 OFDM符号频谱结构 (经过矩形脉冲成型),正交性的作用(2),68,图3.28 OFDM通信系统的基带模型,保证收端可以无混淆地分离各路信号,OFDM的FF
20、T/IFFT快速实现,连续信号：对信号s(t)以T/N的速率进行采样，则,IFFT变换实现更加容易,OFDM的FFT/IFFT快速实现,70,图3.29 OFDM通信系统的快速实现基带模型,引入保护间隔,无保护间隔加保护间隔,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,71,OFDM1,OFDM2,存在ISI、ICI ISI: Inter Symbol Interference ICI：Inter Carrier Interference,消除ISI 但存在ICI,不发送信号,循环前缀的引入,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,72,图3.30 保护
21、间隔不发送信号,图3.31 保护间隔发送信号循环前缀,CP: Cyclic Prefix,消除ISI 但存在ICI,克服ISI、ICI,SC1,SC2,SC2 with delay,循环前缀的引入(2),引入循环前缀可以有效克服符号间干扰，抵抗频率选择性衰落，同时克服多径效应带来的子载波间干扰。,73,令插入CP对应Ng个码元，则发送符号帧S可表示为,.,56,.,63,0,1,56,63,传输效率： T/(T+Tg),循环前缀的引入(3),74,有效数据时间段,此部分数据相同，因此构成圆周移位,当多径时延大于CP的长度，不能构成 圆周移位，产生ICI、ISI,1,Tg,2,3,循环前缀的引入
22、(4),假设： 设序列x经过m个采样间隔移位之后的序列为因此时域内经过圆周移位的多个符号相加之后对应的DFT结果是有效数据符号与一个复常量（多个复常量相加仍然是一个复常量）的乘积。,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,75,时延扩展对OFDM系统性能的影响,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,76,图3.32 三种不同保护间隔长度的16QAM星座图,(a) 时延扩展保护间隔,时延扩展超过保护间隔 的长度为FFT积分时间的3%,(c )时延扩展超过保护间隔的 长度为FFT积分时间的10%,OFDM系统原理框图,2018年10月,第三章 移动通信
23、中的信源编码和调制解调技术,77,图3.33 OFDM系统原理框图,OFDM系统优缺点,优点 将高速数据流通过串并变换形成低速数据流，减少ISI，无需做均衡，通过加循环前缀对抗ISI 各子载波正交，子信道频谱相互重叠，频谱利用率高 OFDM调制和解调可以通过IDFT和DFT实现，通过快速傅里叶变换FFT可大大减小复杂度 支持非对称业务，通过使用不同数量的子信道实现上下行的非对称传输 动态子信道分配及比特分配，充分利用信噪比高的子信道提高性能,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,78,OFDM系统优缺点,缺点 易受频偏影响：OFDM系统对正交性要求严格，频偏使得正交性遭到破坏 存在较高的峰值平均功率比：多个子信道相位叠加，相位一致时瞬时功率大，对非线性功放敏感。,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,79,小结,信源编码 数字调制中的基本概念 QPSK调制 高阶调制 正交频分复用,2018年10月,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,80,第三章 移动通信中的信源编码和调制解调技术,谢 谢！,2018年10月,81,
