1、1,2018年4月15日星期日,2,2018年4月15日星期日,多址技术,3.2,编码及交织技术,3.3,3.4,分集技术,3.5,数字调制技术,3.3,蜂窝技术,3,2018年4月15日星期日,3.1 蜂窝技术,3.1.1 蜂窝的概念,3.1.2 切换,3.1.3 频率复用,4,2018年4月15日星期日,3.1.1 蜂窝的概念,蜂窝的概念是20世纪6070年代首先由Bell实验室提出的，1978年Bell实验室研制成功了采用蜂窝进行网络覆盖的AMPS系统，该系统于1983年首先在美国芝加哥商用，随后同属于1G系统的TACS，以及2G、3G系统均采用了蜂窝结构进行网络覆盖，我们将其称为蜂窝移
2、动通信系统。,蜂窝技术的提出对移动通信的发展具有划时代的意义。采用蜂窝结构组网，极大的提高了系统容量，使得移动通信应用于个人领域成为可能。,5,2018年4月15日星期日,3.1.1 蜂窝的概念,1区域覆盖的发展,在蜂窝概念出现之前的移动通信系统的网络覆盖方式采用的是大区制，蜂窝小区就是相对于大区制而言的，大区制移动通信系统通过使用大功率发射机（50200W）、架设很高的天线（30m）而获得一个大面积的覆盖范围。大区制具有覆盖面积大、网络结构简单且无需移动交换机等优点，但也有服务性能较差、频谱利用率低及用户容量有限等缺点。因此，调整移动通信系统结构，以使其既能用有限的频率获得大容量，同时又能覆
3、盖大面积范围，已迫在眉睫。,6,2018年4月15日星期日,3.1.1 蜂窝的概念,解决频谱利用率低和用户容量问题的有效方法是采用小区制。其思想是用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），每个小功率发射机只提供服务范围内的一小部分覆盖。,针对不同的服务区，小区制在覆盖方式上可分为带状服务覆盖区和面状服务覆盖区。带状服务覆盖区主要用于覆盖公路、铁路、海岸等。面状服务覆盖区主要用于覆盖较大区域的平面，在平面区域内划分小区，组成的网络称为蜂窝网。,7,2018年4月15日星期日,3.1.1 蜂窝的概念,2蜂窝小区的形状,一个蜂窝小区就是一个基站所覆盖的有效面积。蜂窝小区就
4、形状而言，由于无线电波传播受地形地物的影响，它的形状是不规则的，如图3-1a。如果不考虑地形地物的影响且采用全向天线，那么蜂窝小区的形状就是一个圆，如图3-1b。为了避免在服务区出现盲区，我们必须用小区进行不留空隙地覆盖，这样一个个圆形小区之间一定含有很多的交叠。不考虑了交叠，实际上每个小区的有效覆盖区域是一个多边形。,8,2018年4月15日星期日,3.1.1 蜂窝的概念,c. 理论化,b. 理想化,a. 实际化,图 3-1 蜂窝小区形状示意图,可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只能是三种，即正三角形、正方形和正六边形。比较三种多边形，正六边形的小区面积最大，
5、交叠面积最小，这就意味着在服务区面积一定的情况下，正六边形的覆盖需要最少的小区数目，即最少基站，费用也是最少，如图3-1c所示。,9,2018年4月15日星期日,3.1.1 蜂窝的概念,当用正六边形作为蜂窝小区的理论模型时，基站如果安装在小区的中心，称之为中心激励，如图3-2所示。基站如果安装在正六边形相同的三个顶点上，称之为顶点激励，如图3-3所示。,图3-2 中心激励方式,图3-3 顶点激励方式,10,2018年4月15日星期日,3蜂窝小区的分类,3.1.1 蜂窝的概念,一般根据蜂窝小区覆盖半径的不同可将其划分为：宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝。,（1）宏蜂窝,传统的蜂窝网络由宏蜂窝小区构成，每
6、小区的覆盖半径大多为1km20km。由于覆盖半径较大，所以基站的发射功率较强，一般在10W以上，天线架设也较高。每个小区分别设有一个基站，它与处于其服务区内的移动台建立无线通信链路。,11,2018年4月15日星期日,3.1.1 蜂窝的概念,（2）微蜂窝,微蜂窝小区是在宏蜂窝小区的基础上发展起来的技术，它的覆盖半径大约为0.1km1km；发射功率较小，一般为12W；基站天线置于相对低的地方，如屋顶下方，高于地面510m，传播主要沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄漏小。因此，微蜂窝最初被用来加大无线电覆盖，消除宏蜂窝中的“盲点”。同时由于低发射功率的微蜂窝基站允许较小的频率复用距离，因此业务密度
7、得到了巨大的增长，且无线干扰很低，将它安置在宏蜂窝的“热点”上，可满足该微小区域质量与容量两方面的要求。,12,2018年4月15日星期日,3.1.1 蜂窝的概念,（3）微微蜂窝,随着容量需求进一步增长，运营者可按同一规则安装第三或第四层网络，即微微蜂窝小区。微微蜂窝实质微蜂窝的一种，只是它的覆盖半径更小，一般只有几十米；基站发射功率更小，大约在几十到几百毫瓦左右；其天线一般装于建筑物内业务集中地点。微微蜂窝也是作为网络覆盖的一种补充形式而存在的，它主要用来解决商业中心、会议中心等室内覆盖的通信问题。,13,2018年4月15日星期日,3.1.2 切换,1定义,切换也称越区切换，是指将当前正在
8、进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。该过程也称为自动链路转移(ALT, Automatic Link Transfer)。,2.越区切换包括以下三个方面的问题,(1) 越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换；(2) 越区切换如何控制，它包括同一类型小区切换如何控制和不同类型小区之间切换如何控制；(3)越区切换时信道分配。,14,2018年4月15日星期日,3.1.2 切换,3越区切换的准则,在决定何时需要进行越区切换时，通常是根据移动台处接收的平均信号强度来确定，也可以根据移动台处的信噪比(或信号干扰比)、误比特率等参数来确定。 假定移动台从基站1向基站2运动
9、，其信号强度的变化如图3-4所示。判定何时需要越区切换的准则如下。,图3-4 越区切换示意图,15,2018年4月15日星期日,3.1.2 切换,（1）相对信号强度准则（准则1）,在任何时间都选择具有最强接收信号的基站，如图3-4中的A处将要发生越区这种准则的缺点是，在原基站的信号强度仍满足要求的情况下，会引发太多不必要的越区切换。,（2）具有门限规定的相对信号强度准则（准则2）,仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱(低于某一门限)，且新基站的信号强于本基站的信号情况下，才可以进行越区切换。如图3-4中，在门限为Th2时，在B点将会发生越区切换。,16,2018年4月15日星期日,3.1.2
10、切换,（3）具有滞后余量的相对信号强度准则（准则3）,仅允许移动用户在新基站的信号强度比原基站信号强度强很多（即大于滞后余量）的情况下进行越区切换。例如图3-4中的C点。该技术可以防止由于信号波动引起的移动台在两个基站之间的来回重复切换，即“乒乓效应”。,（4）具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则（准则4）,仅允许移动用户在当前基站的信号电子低于规定门限，并且新基站的信号强度高于当前基站一个给定滞后余量时进行越区切换。,17,2018年4月15日星期日,3.1.2 切换,4越区切换的控制策略,越区切换控制包括两个方面:一方面是越区切换的参数控制，另一方面是越区切换的过程控制。参数控制在上面
11、已经提到，这里主要讨论过程控制。在移动通信系统中，过程控制的方式主要有以下三种。,(1) 移动台控制的越区切换,在该方式中，移动台连续监测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量。当满足某种越区切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳候选基站，并发送越区切换请求。,18,2018年4月15日星期日,3.1.2 切换,(2) 网络控制的越区切换,在该方式中，基站监测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限后，网络开始安排向另一个基站的越区切换。网络要求移动台周围的所有基站都监测该移动台的信号，并把测量结果报告给网络。网络从这些基站中选择一个基站作为越区切换的新基站，把结果通过旧基
12、站通知移动台并通知新基站。,(3) 移动台辅助的越区切换,在该方式中，网络要求移动台测量其周围基站的信号质量并把结果报告给旧基站，网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。,19,2018年4月15日星期日,3.1.2 切换,5越区切换时的信道分配,越区切换时的信道分配是解决当呼叫要转换到新小区时，新小区如何分配信道，使得越区失败的概率尽量小。常用的做法是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。这种做法的特点是：因新呼叫使可用信道数减少的，虽增加了呼损率，但减少了通话被中断的概率。,6越区切换的分类,越区切换分为两大类：一类是硬切换，另一类是软切换。硬切换是指在新的连接建立以前
13、，先中断旧的连接。而软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新、旧链路的分集合并来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。在CDMA系统中还有一种发生在同一基站不同扇区之间的软切换，称为更软切换。,20,2018年4月15日星期日,3.1.3 频率复用,1频率复用的概念,频率复用就是相同频率的重新使用。相邻小区不能使用相同的频率，但由于每个小区基站发射的功率较小，两个相距一定距离的小区是可以使用相同的频率的。频率复用技术很好的解决了频率资源和系统容量之间的矛盾。,2区群,为了便于讨论频率复用技术我们首先给出区群的概念，若干个彼此邻接的小区按一定方式排列便构成了区群。,
14、21,2018年4月15日星期日,3.1.3 频率复用,（1）区群的结构,区群是由若干小区构成的，而且各小区要求邻接，因此同一区群内各小区均要求使用不同的频率组，而任一小区所使用的频率组，在其它区群相应的小区中还可以再次使用，这就是频率复用，区群是频率复用的基本单位。图3-5给出来A、B、C、D四个小区构成的区群结构。,图3-5 区群结构示意图,22,2018年4月15日星期日,3.1.3 频率复用,（2）区群中小区的数目,区群应彼此相邻接；相邻区群内任意两个同频复用小区中心距离应该相等。,区群的构成应满足以下两个条件：,满足以上两个条件的情况下，构成区群的小区个数N为,式中i、j是不同时为零
15、的正整数。根据关系式，可以求出N可等于3、4、7、9、12等。,23,2018年4月15日星期日,3.1.3 频率复用,寻求同频小区的方法,同频小区之间的距离公式,可见区群内小区数N越大，同频小区的距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。定义同频干扰抑制因子为,沿着任何一条六边形边垂直移动i个小区；逆（顺）时针旋转60度再移动j个小区。,（3）同频小区之间的距离,24,2018年4月15日星期日,3.2 多址技术,3.2.1 多址方式的概念,3.2.2 三种多址方式的特点,3.2.3 三种多址方式的比较,25,2018年4月15日星期日,3.2.1 多址方式的概念,多址技术所要解决的问题是多个用
16、户如何共享公共通信资源，蜂窝系统向用户提供的通信资源包括时间、频率、空间和编码方式（码序列），它们分别属于时域、频域、空域和码域。为了高效地利用通信资源，需要对一部分资源进行共享，而将另一部分资源进行分割，共享可以提高系统的容量，而通过分割可以区分出不同的信道，提供给不同的用户使用，这便形成多址。,通过对通信资源的不同分割方式，也就形成了不同的多址方式，理想的分割应使信道上传输的用户信号满足正交的要求。,26,2018年4月15日星期日,3.2.1 多址方式的概念,设用户i的信号波形为xi(t)，i=1，2，; xi(t)的傅立叶变换为Xi(f)； xi(t)的伪随机码波形为ci(t)。那么，
17、如果满足,正交的数学机理如下：,则用户之间是正交的。满足以上正交化过程的多址方式分别是TDMA、FDMA和CDMA。,或,或,27,2018年4月15日星期日,3.2.1 多址方式的概念,一般很难达到数学上如此理想的实现方式， 在实际应用中，三种多址方式有着各自的实现方法。,对于FDMA方式，一种简单的物理实现方法是将频率带宽划分为一系列不重叠的子频带（频道），让不同的用户信号使用不同的子频带，在接收端采用带通滤波器将不同的用户信号区分开来。如图3-8a所示。,1. 频分多址（FDMA）,图3-8a FDMA示意图,28,2018年4月15日星期日,3.2.1 多址方式的概念,对于TDMA方式
18、，一种简单的物理实现方法是将该时间段划分为一系列不重叠的时间片（时隙），通过定时的采样门即可将不同的用户信号区分开来，如图3-8b所示。,2. 时分多址（TDMA）,3. 码分多址（CDMA）,对于CDMA方式，系统中的所有用户信号可以占用相同的时间和频率，区分不同用户信号则是通过正交或准正交的扩频码来实现，如图3-8c所示。,图3-8 b TDMA方式示意图,图3-8 c CDMA方式示意图,29,2018年4月15日星期日,3.2.2 三种多址方式的特点,1. FDMA的特点,FDMA信道每次只能传送一个电话。每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。符号时间与平均延
19、迟扩展相比较是很大的。由码间干扰引起的误码极小，因此在窄带FDMA系统中无需自适应均衡。移动台较简单，和模拟的较接近。基站复杂庞大。 FDMA系统每载波单个信道的设计，使得在接收设备中必须使用带通滤波器允许指定信道里的信号通过，滤除其它频率的信号，从而限制临近信道间的相互干扰。越区切换较为复杂和困难。,30,2018年4月15日星期日,3.2.2 三种多址方式的特点,2. TDMA的特点,突发传输的速率高，远大于语音编码速率。发射信号速率随N的增大而提高；如果达到100kbit/s以上，码间干扰就将加大，必须采用自适应均衡，用以补偿传输失真。TDMA用不同的时隙来发射和接收,因此不需双工器。即
20、使使用FDD技术，在用户单元内部的切换器，就能满足TDMA在接收机和发射机间的切换，因而不需使用双工器。基站复杂性减小。N个时分信道共用一个载波，占据相同带宽，只需一部收发信机。互调干扰小。抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。越区切换简单。,31,2018年4月15日星期日,3.2.2 三种多址方式的特点,3. CDMA的特点, CDMA系统的许多用户共享同一频率，不管使用的是TDD还是FDD技术。 通信容量大。 容量的软特性。 由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落。如果频谱带宽比信道的相关带宽大，那么固有的频率分集将具有减少小尺度衰落的作用。 在CDMA系统中，信道数据速率很高
21、。 平滑的软切换和有效的宏分集。 低信号功率谱密度。,32,2018年4月15日星期日,3.2.3 三种多址方式的比较,这里我们对FDMA、TDMA和CDMA三种多址方式作一分析比较。,1. 业务支持的灵活性,完全采用FDMA方式的系统主要是早期的模拟系统，主要用来支持语音业务。由于模拟系统很难支持具有可变速率的数据业务，因而纯的FDMA方式在现代通信网络中很少单独使用，新的系统逐渐向TDMA方式演进。考虑到FDMA所需的技术复杂度较低，实际上多数的系统采用了FDMA/TDMA结合的方式。,33,2018年4月15日星期日,3.2.3 三种多址方式的比较,TDMA是一种数字接入和传输方式，能够
22、单独支持语音和数据业务，也能为综合的语音和数据业务提供更为灵活和方便的支持。TDMA网络中采用同步时隙传输的方式可以支持固定速率的业务，如语音等，也可以提供对数据业务的支持，即为语音传输设计的时隙也可以单独或者通过组合的方式提供不同速率的数据业务传输。只是对于具有突发性质的数据业务传输而言，其支持效率可能有所降低。,CDMA也是一种数字接入和传输方式，能够单独支持语音和数据业务，也能灵活方便地支持综合的业务。相对于TDMA，CDMA的主要优点在于其时间占用和传输质量具有很大的灵活性。,34,2018年4月15日星期日,3.2.3 三种多址方式的比较,2. 传输性能,独立采用FDMA方式的系统一
23、般是模拟系统，其传输性能受到传输环境的影响较大，而改进其传输性能的技术手段却不多。 TDMA系统通常采用了数字收发技术，可以使传输性能得到很大改进，比如，采用信道编解码、交织、各种均衡技术以及分集手段，可以有效地提高其传输性能。 CDMA系统也是数字传输系统，也采用了许多先进的数字信号处理技术，除了TDMA所使用的技术之外，还有一些专用的技术，比如RAKE接收技术等。另外，与一般的TDMA系统相比，CDMA通常是宽带传输系统，因而CDMA系统在抗干扰、抗多径衰落方面具有优势。,35,2018年4月15日星期日,3.2.3 三种多址方式的比较,3. 系统容量,从理论上看，给定的通信资源无论采用何
24、种分配方式，其系统容量应该是相同的，但不同的多址方式将给定通信资源转化为系统可用资源的过程中，转化效率是不同的，这导致了实际系统中， CDMA 容量TDMA 容量 FDMA 容量。,36,2018年4月15日星期日,3.2.3 三种多址方式的比较,实际系统容量计算,蜂窝系统的无线容量可定义为,信道/小区,式中，m是无线容量大小；Bt是分配给系统的总的频谱；Bc是信道带宽；N是频率复用的小区数。,FDMA蜂窝系统的容量,对于模拟FDMA系统来说，如果采用频率重用的小区数为N，根据对同频干扰和系统容量的讨论可知，对于小区制蜂窝网,37,2018年4月15日星期日,3.2.3 三种多址方式的比较,即
25、频率重用的小区数N由所需的载干比来决定。可求得FDMA的无线容量如下,信道/小区,TDMA蜂窝系统的容量,对于数字TDMA系统来说，由于数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小45dB ，因而频率复用距离可以再近一些。如N=3的图案。可求得TDMA的无线容量如下,其中，设载波间隔为Bc，每载波共有K个时隙。,38,2018年4月15日星期日,3.2.3 三种多址方式的比较,CDMA蜂窝系统的容量,CDMA系统的容量是干扰受限的，而FDMA和TDMA系统的容量是带宽受限的。决定CDMA数字蜂窝系统容量的主要参数是：处理增益、Eb/N0 、 语音负载周期、频率再用效率以及基站天线扇区数。 只考虑一般
26、扩频通信系统，接收信号的载干比可以写成,如果m个用户共用一个无线信道，显然每一用户的信号都受到其他m1个用户信号的干扰。假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则载干比为,39,2018年4月15日星期日,3.2.3 三种多址方式的比较,于是,信道/小区,如果考虑扩频带宽中的背景热噪声则公式修正为,采用话音激活技术，则须引入d（占空比）来修正,40,2018年4月15日星期日,3.2.3 三种多址方式的比较,采用扇区化后，还须引入因子G（扇区分区系数）,考虑到频率复用，再引入因子F（信道复用效率）,41,2018年4月15日星期日,3.3.1 语音编码,1. 语音编码的分类,通信系统中
27、的语音编码的目的是解除语音信源的统计相关性，语音编码大致分为三类。,(1) 波形编码,波形编码是以精确再现语音波形为目的，并以保真度即自然度为度量标准的编码方法。这类编码是保留语音个性特征为主要目标的方法，其码速较高。 常用的波形编码：PCM、DPCM、ADPCM 应用：适用于骨干（固定）通信网。,42,2018年4月15日星期日,3.3.1 语音编码,(2) 参量编码,利用人类的发声机制，仅传送反映语音波形变化主要参量的编码方法。在接收端，可根据发声模型，由传送过来的变化参量激励产生人工合成的语音。参量编码的主要标准是可懂度。显然，这类编码是以提取并传送语音的共性特征参量为目的的编码方式，其
28、码速较低。（声码器）常用的参量编码：LPC应用：主要用于军事保密通信。,43,2018年4月15日星期日,3.3.1 语音编码,(3) 混合编码,混合编码是吸取上述两类编码的优点，以参量编码为基础，并附加一定的波形编码特征，以实现在可懂度基础上适当改善自然度目的的编码方式。其码速介于上述两类编码之间。（软声码器）常用的参量编码：MPLPC(多脉冲激励LPC)；CELPC。应用：主要应用于移动通信。,移动通信中一方面由于频率资源有限,因此要求语音编码采用低码速,而另一方面由于移动通信信号可能要进入公共骨干通信网,因此必须基本满足公共骨干网的最低要求,再者移动通信属于民用通信,还必须满足个性化指标
29、要求,鉴于以上理由,高质量的混合编码是移动通信中的优选方案。,44,2018年4月15日星期日,3.3.1 语音编码,2混合编码的性能参数,(1)数据比特率（bps）,数据比特率是度量语音信源压缩率和通信系统有效性的主要指标。数据比特速率越低，压缩倍数就越大，可通信的话路数也就越大，移动通信系统也就越有效。但数据比特率低，话音质量也就随之相应降低。为了补偿质量的下降，措施主要包括：（1）提高设备硬件复杂度和算法软件复杂度；（2）采用可变速率的自适应传输；（3）还可以进一步采用语音激活技术。,45,2018年4月15日星期日,3.3.1 语音编码,(2)语音质量,对语音质量的评价通常有两类方法：
30、客观评定方法和主观评价方法。,信噪比加权信噪比平均分段信噪比、误码率误帧率等。,相对来说简单可行，但不能完全反映人对语音质量的感觉。这个问题对于速率为16Kbit/s以下的中、低速率语音编码尤为突出,因此主要适用于速率较高的波形编码类型,客观评定方法,46,2018年4月15日星期日,3.3.1 语音编码,目前国际上常采用的主观评定方法称为MOS（Mean Opinion Score：平均评价得分），由原CCITT（ITU-T前身）建议采用。MOS得分采用五级评分标准。,主观评定方法,47,2018年4月15日星期日,3.3.1 语音编码,(3)复杂度与处理时延,通常算法复杂度增大，会带来更长
31、的运算时间和更大的处理时延，在双向语音通信中，处理时延、传输时延再加上未消除的回声是影响语音质量的一个重要指标。,硬件复杂度：取决于DSP的处理能力；软件复杂度：主要体现在算法复杂度。,上述四个参数是彼此制约的，混合编码的任务就是力图使上述参数及其关系达到综合最优化。,复杂度,处理时延,48,2018年4月15日星期日,3.3.1 语音编码,3数字蜂窝移动通信中的语音编码技术,（1）GSM系统的语音编码,语音编码方案：RPELTP（规则脉冲激励长期预测）,GSM语音编码方案是经过3个阶段从6种方案中仔细挑选出来的，它代表了当时语音混合编码的国际水平。它是RPELPC的改进型。,编码速率：13k
32、bps,49,2018年4月15日星期日,3.3.1 语音编码,（2）IS-95 CDMA系统的语音编码,语音编码方案：QCELP（Qualcomm 码激励线性预测）,该方案是可变速率的混合编码器，是基于线性预测编码的改进型。即码激励的矢量码表代替简单的浊音的准周期脉冲产生器。,编码速率：QCELP采用可变速率编码，利用语音激活检测（VAD）技术。在语音激活期内，可根据不同的信噪比分别选择4种速率：,全速率（1）9.6kbps半速率（1/2）4.8kbps四分之一速率（1/4）2.4kbps八分之一速率（1/8）12kbps。,50,2018年4月15日星期日,3.3.1 语音编码,（3）cd
33、ma2000系统中的语音编码,cdma2000系统采用增强型可变速率语音编码器（EVRC），该方案采用基音内插方法减少基音参数传送速率，使其在每个语音帧仅传两次，而将节省下的信息位（比特数）用于提高激励信号质量。EVRC编码器是基于码激励线性预测，与传统CELP算法的主要区别是：它能基于语音能量、背景噪声和其他语音特性动态调整编码速率。,51,2018年4月15日星期日,EVRC语音编码的取样率为8kHz，语音帧长为20ms，每帧有160个取样点。EVRC语音编码速率分为三种：全速率9.6Kbps，其对应每帧参数为171比特；半速率4.8Kbps，其对应每帧参数为80比特；八分之一速率12Kb
34、ps，其对应每帧参数为16比特，平均速率为8Kbps。,3.3.1 语音编码,（4）WCDMA（及TD-SCDMA）系统的语音编码,WCDMA和TD-SCDMA系统均采用自适应多速率编码（AMR）方案。该方案以自适应码激励线性预测（ACELP）编码技术为基础，其基本思路是联合自适应调整信源和信道编码模式来适应当前信道条件与业务量大小。,52,2018年4月15日星期日,AMR语音编码的取样率为8kHz，语音帧长为20ms，每帧有160个取样点，其自适应有两个方面：信源和信道。对于信道存在两类选择：全速率22.8kb/s和半速率11.4kb/s，对于两种不同信道模式分别有8种和6种信源编码速率，
35、如表3-3所示。每种编码可提供不同的容错度，应采用哪种编码速率主要是根据实测信道与传输环境的自适应变化。,3.3.1 语音编码,表3-3 AMR信道与信源编码模式,53,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,信道编码的目的是为了克服信道中的噪声和干扰，提高通信系统的可靠性。其基本原理是：在发送端给被传输的信息码元中（人为的）加入一些必要的监督码元，这些监督码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联（约束），这个过程被称为信道编码。经过编码后的信息进入信道，由于信道特性的不理想，一般会在传输中发生差错。在接收端，按既定的规则检验信息码元与监督码元之间的关系，当发现原来的信息码元与监督
36、码元之间的关系被破坏，就会发现错误乃至纠正错误，这个过程被称为信道解码或信道译码。,1信道编码的定义,54,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,2信道编码的分类,可以从不同的角度对信道编码进行分类，这里从其功能和结构规律加以分类。,（1）从功能上可以分为三类, 仅具有发现差错功能的检错码，如奇偶校验、循环冗余校验（CRC）、自动请求重传（ARQ）等。 具有自动纠正差错功能的纠错码，如循环码中BCH码、RS码、卷积码、级联码、Turbo码等。 具有既能检错又能纠错的信道编码，最典型的是混合ARQ。,55,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,（2）从结构和规律上可分两大
37、类,线性码：监督关系方程是线性方程的信道编码，称为线性码，目前大部分实用化的信道编码均属于线性码，如线性分组码、线性卷积码。 非线性码：一切监督关系方程不满足线性规律的信道编码均称为非线性码。,56,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,3几种典型的信道编码,（1）CRC校验,CRC（循环冗余校验）根据输入比特序列（SK-1, SK-2, , S1, S0）通过CRC算法产生L位的校验比特序列（CL-1, CL-2, , C1, C0）。,CRC算法如下：将输入比特序列表示为下列多项式的系数：,式中D可以看作一个时延因子，Di对应比特 Si所处的位置。,57,2018年4月15日星
38、期日,3.3.2 信道编码,设CRC校验比特的生成多项式（即用于产生CRC比特的多项式）为,则校验比特对应下列多项式的系数：,式中， 表示取余数。式中的除法与普通的多项式长除相同，其差别是系数是二进制，其运算以模2为基础。,58,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,生成多项式的选择不是任意的， 它必须使得生成的校验序列有很强的检错能力。已成为国际标准的常用CRC码有以下4种。,CRC-12：,CRC-16：,CRC-CCITT：,CRC-32：,59,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,（2）卷积码,卷积编码器的一般结构如图3-9所示，它包括：一个由N段组成的输入移
39、位寄存器，每段有k级，共Nk位寄存器；一组n个模2加器；一个由n级组成的输出移位寄存器。对应于每段k个比特的输入序列，输出n个比特。由图可知，n个输出比特不但与当前k个输入比特有关，而且与以前的(N-1)k个输入信息比特有关。通常把N称为约束长度。通常用（n, k, N）表示卷积码。其编码效率为R=k/n。,图3-9 卷积编码器的通用结构图,60,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,描述卷积码的方法有图解法和解析法，解析法可以采用生成矩阵和生成多项式这两种方法，图解法可以采用树状图、网格图、状态图和逻辑表等方法。,生成矩阵：因为其输入序列的长度是半无限的，卷积码的输入信息序列和输
40、出序列都可以用半无限矩阵表示。它是用来描述卷积码的一种解析表示。 生成多项式：它也是用来描述卷积码的一种解析表示。n个模2加法器中每一个都对应有一个向量，每个向量表示编码器与模2加法器之间的连接关系：向量的第i个元素为1，表示连接到了对应的移位寄存器，而为0表示未连接。这n个向量就是卷积码的生成多项式。,61,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,树图：树图是以树形的分支结构标示出编码器所有可能经历的状态。树的分支表示编码器的各种状态和输出值。 网格图：树图结构的级数一旦超过了约束长度，图的结构将会出现重复。从观察中会发现，具有相同状态的两个节点所发出的所有分支在其输出序列方面是相
41、同的。这意味着具有相同标号的节点可以被合并。网格图就是通过对整个树图中作节点合并，所得的比树图更紧凑的表示图。,状态图：由于编码器的输出是由输入信号和编码器的当前状态所决定的，因此可以用状态图来表示编码过程。状态图中标有编码器的所有可能状态，以及状态间可能存在的转换路径。,62,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,逻辑表：逻辑表显示的是当前输入序列、相对应的编码输出和编码器的状态。 卷积码的解码思想是：信息序列和码序列之间有一一对应的关系；而且，任何信息序列和码序列将与网格图中的惟一的一条路径相联系。因而卷积译码器的工作就是找到网格图中的这一条路径。,解卷积码的技术有许多种，而常
42、用的是Viterbi算法、序贯译码，,63,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,（3）Turbo码,Turbo码的编码器可以有多种形式，如采用并行级联卷积码（PCCC）和串行级联卷积码(SCCC)等。采用并行级联卷积码（PCCC）的Turbo码编码原理框图如图3-10所示。,图3-10 Turbo码编码器原理图,64,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,图中编码器由下列三部分组成：直接输入部分；经过编码器1，再经过删余矩阵后送入复接器部分；经过交织器、编码器2，再经删余矩阵送入复接器部分。图中两个编码器分别称为Turbo码二维分量码，它可以很自然地推广到多维分量码。
43、分量码既可以是卷积码，也可以是分组码，还可以是级联码；两个分量码既可以相同，也可以不同。 原则上讲，分量码既可以是系统码，也可以是非系统码，但为了在接收端进行有效的迭代，一般选择递归系统卷积码（RSC）。,65,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,Turbo码的译码器原理结构图如图3-11所示。译码算法采用软输入/软输出（SISO）的最大后验概率的BCJR迭代算法。该算法的最大特色是采用递推、迭代方法来实现最大后验概率，且每个符号的运算量不随总码长而变化，运算速度快，因而受到重视。将这一算法引入反馈迭代和软输入/软输出及交织、去交织，实现了级联长码的伪随机化迭代译码，使其性能非常
44、优异，并逐步逼近了理想Shannon随机编译、码限。在Turbo码的应用研究中，Turbo码已被美国空间数据系统顾问委员会作为深空通信的标准，在第三代移动通信系统的标准cdma2000和WCDMA中也均采用了Turbo码。,66,2018年4月15日星期日,3.3.2 信道编码,图3-11 Turbo码译码器原理图,67,2018年4月15日星期日,3.3.3 交织,1交织的作用,信道编码的基本思路是适应信道，即什么类型信道就采用相应的适合于该类信道，并与该类信道特性相匹配的编码类型。且信道编码一般只能纠正随机独立差错或少量的突发差错，而对于持续较长的突发差错，实现会太复杂，从而失去其应用价值
45、。与信道编码不同，交织技术的基本思路是改造信道，它利用发送端的交织器和接收端的去交织器的信息处理手段，将一个有记忆的突发信道改造成为一个随机独立差错信道。,68,2018年4月15日星期日,3.3.3 交织,2交织的基本原理,交织是将一条信息的相继比特以非相继的方式发送，使突发差错信道变为随机独立差错信道。交织技术的实现可以通过存储器来完成，在信道的输入端将信息按列写入交织存储器，按行读出；在信道的输入端，按行写入去交织存储器，按列读出。如图3-12所示。,图3-12 交织码的实现框图,69,2018年4月15日星期日,3.3.3 交织,3交织的特点,将上述例子推广至一般情况：设分组长度L=M
46、N，即由M列N行的矩阵构成，其中交织矩阵存储器是按列写入按行读出，然后送入突发信道，进入去交织矩阵存储器，它则是按行写入按列读出。利用这种行、列倒换，可将突发信道变换为等效的随机独立信道。这类分组周期性交织器具有如下性质：,1. 任何长度l M的突发差错，经交织后成为至少被N1位隔开后的一些单个独立差错。,70,2018年4月15日星期日,3.3.3 交织,2. 任何长度l M的突发差错，经去交织后，可将长突发差错变换成长度l 1l /M为的短突发差错。,3. 完成交织与去交织变换在不计信道时延条件下,将产生2MN个符号的时延，其中发、收端各占一半。,4. 在很特殊的情况下，周期为M的k个单个
47、随机独立差错序列，经交织、去交织后会产生长度为l的突发差错。,由以上分组交织器的性质可见，它是克服深衰落的有效方法，并已在移动通信中得到广泛的应用。但是它的主要缺点是带来附加的2MN个符号的时延，这对实时业务比如话音通信将带来不利的影响，同时增大了实现的设备的复杂性。,71,2018年4月15日星期日,3.4 数字调制技术,3.4.1 概述,3.4.2 恒包络调制,3.4.3 线性调制,72,2018年4月15日星期日,3.4.1 概述,调制是将待传送的基带信号加到高频载波上进行传输的过程，其目的是使信号与信道特性相匹配。第一代蜂窝移动通信系统（如，AMPS、TACS等）是模拟系统，其话音采用
48、模拟FM方式（信令采用2FSK），第二代蜂窝移动通信系统（如，GSM、IS-95 CDMA等）和第三代蜂窝移动通信系统（如cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA）均为数字系统，其话音、信令均采用数字调制方式。与模拟调制相比，数字调制具有高频谱效率、强纠错能力、抗信道失真、高效的多址接入以及更好的安全保密性等。因此未来的移动通信系统都将采用数字调制方式。,73,2018年4月15日星期日,3.4.1 概述,移动信道具有带宽受限、受干扰和噪声影响大、存在着多径衰落和多普勒扩展等特点，这就对调制技术提出了更高的要求。通常移动通信系统在选择具体的调制方式时，主要考虑以下几点：高传输速率 （满足
49、多种业务需求）；高频带利用率（最小带宽占用）；高功率效率（最小发送功率）；对信道影响具有强抵抗力（最小误比特率）；低功耗和低成本（工程上易于实现）。 这些要求经常是相互矛盾的，因此调制方式的选择取决于多种因素的最佳权衡,74,2018年4月15日星期日,3.4.2 恒包络调制,恒包络调制主要有MSK、TFM(平滑调频)、GMSK等，其中以GMSK为典型代表， GMSK也是GSM系统所采用的调制方式。恒包络调制主要特点是已调信号的包络幅度保持不变，其发射功率放大器可以在非线性状态而不引起严重的频谱扩散，此外，这一类调制方式可用于非同步检测。其缺点是频带利用率较低，一般不超过1(bit/s)/Hz。,75,2018年4月15日星期日,3.4.2 恒包络调制,用二进制数字基带信号去控制正弦载波的频率，称为2FSK。二进制符号的状态有两种：“1”和“0”，其对应的载波频率可分别设为f1和f2。则2FSK的时域表达式为 。,
