無線通信基本技術(shù)課件1

3.1信源編碼

3.2信道編碼

3.3調(diào)制技術(shù)

3.4多址技術(shù)

3.5抗衰落技術(shù)第3章無線通信基本技術(shù)13.1信源編碼

3.2信道編碼

3.3調(diào)制技術(shù)

信號在無線信道中傳播的隨參特性主要由以下幾個方面:1）首先無線信道存在各種噪聲（人為噪聲和自然噪聲），這些噪聲對通信質(zhì)量的影響很大；2）其次無線通信容易受到各種干擾的影響，如同頻干擾、多址干擾、人為干擾等；3）無線信道存在多徑效應和衰落現(xiàn)象以及多普勒效應，使得傳輸參數(shù)具有時變性；4）信道傳輸參數(shù)受時間、溫度、濕度、地域、空域等因素影響，也會造成無線信道的多參變特性。2信號在無線信道中傳播的隨參特性主要由以下幾個

無線信道的隨參特性惡化了通信環(huán)境，需要采取一些新的技術(shù)手段來提高系統(tǒng)的有效性和可靠性。

1）采用壓縮編碼技術(shù)，充分利用有限的頻譜資源；

2）采用具有檢錯和糾錯的編碼技術(shù)，克服信道存在各種噪聲與干擾；

3）采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)，提高頻譜利用率；

4）采用均衡技術(shù)，克服數(shù)字傳輸中的碼間串擾；

5）采用分集接收技術(shù)，減小多徑衰落；

6）為了實現(xiàn)多址連接通信，還要研究各種多址技術(shù)等。3無線信道的隨參特性惡化了通信環(huán)境，需要采取一些3.1信源編碼

信源編碼的研究目的：在不失真或允許一定失真的條件下，如何利用盡可能少的信道容量傳送盡可能高質(zhì)量的信息，以便提高信息傳輸效率。

信源編碼實質(zhì)就是將信息的原始符號按一定規(guī)則進行的一種變換。

信源編碼分為有損編碼和無損編碼兩種。

無失真編碼：零失真的信源編碼；

有損編碼：失真較小并且處于可接受范圍內(nèi)的信源編碼。

由于實際上完全無失真地傳輸信息是不可能的，所以實際上使用的都是有損編碼。43.1信源編碼

信源編碼的研究目的：3.1.1語音編碼

在通信系統(tǒng)中，語音編碼是相當重要的。因為在很大程度上，語音編碼決定了接收到的語音的質(zhì)量和系統(tǒng)容量。

在編碼器能夠傳送高質(zhì)量語音的前提下，如果比特率越低，那么在一定的帶寬內(nèi)就可以容納更多的語音通道。

語音編碼方法應滿足以下幾個基本要求：

—編碼速率要低，話音質(zhì)量要高；

—有較強的抗干擾性能；

—編譯碼延時要短，延時應控制在幾十毫秒以內(nèi)；

—編譯碼器設計要簡單，功耗小，便于小型化集成。

為了在有限的帶寬內(nèi)可以容納更多的用戶，需要對語音信號進行壓縮編碼。53.1.1語音編碼

在通信系統(tǒng)中，語音編碼是相當

根據(jù)語音編碼壓縮方式的不同，可以把語音編碼器分成兩類:波形編碼器和聲碼器（參量編碼器）。

波形編碼是將時域的模擬語音信號經(jīng)過采樣、量化、編碼形成數(shù)字的語音信號的過程(將波形直接變換成數(shù)字碼流)。如脈沖編碼調(diào)制(PCM）、增量調(diào)制（ΔM）等都屬于波形編碼。

編碼速率：16～64kb/s。

優(yōu)點：可以獲得很好的語音質(zhì)量；

缺點：比特率較高，需要占據(jù)較大的傳輸帶寬。

波形編碼在傳統(tǒng)的公共交換電話網(wǎng)（PSTN）中廣泛使用。由于編碼速率較高，無線傳輸時需要占用的頻帶較寬，所以適合用于有線通信，不適合于無線通信。6根據(jù)語音編碼壓縮方式的不同，可以把語音編碼器分成兩類:波

聲碼器是一種基于信源模型的參量編碼器。

參量編碼是基于人類語言發(fā)聲機理，應用數(shù)字信號處理技術(shù)，在頻域或其他變換域提取表征語音的特征參量，然后對特征參量進行編碼的一種方法(即用一組特征參量表示語音信號)。由于只需傳輸語音的特征參量，是一種低速率的語音編碼方法。如線性預測編碼（LPC）屬于參量編碼。

編碼速率：1.2～4.8kb/s。

優(yōu)點：編碼速率較低，占用帶寬較小，適合無線通信。

缺點：話音質(zhì)量只能達到中等水平，不能滿足商用語音通信的要求。7聲碼器是一種基于信源模型的參量編碼器。

參

混合編碼方法是目前無線通信系統(tǒng)中廣泛使用的語音編碼技術(shù)。

混合編碼是將波形編碼和聲碼器原理結(jié)合起來實現(xiàn)的?；旌暇幋a信號中既包含部分波形編碼信息，又有若干語音特征參量信息，以較低的比特率獲得較高的質(zhì)量。如規(guī)則脈沖激勵線性預測編碼（RPE-LTP）(用于GSM系統(tǒng))、矢量和激勵線性預測編碼（VSELP）(用于窄帶CDMA系統(tǒng))等屬于混合編碼方法。

編碼速率：4～16kb/s。

8混合編碼方法是目前無線通信系統(tǒng)中廣泛使用的語音編碼技術(shù)。如果編碼器的速率越低，算法越復雜，則時延與費用就會越高

需要在以上幾個因素中尋求一個平衡點移動通信系統(tǒng)在選擇語音編碼器時要考慮幾個因素：壓縮后的語音質(zhì)量系統(tǒng)的容量系統(tǒng)的開銷端到端編碼時延編碼器算法的復雜性對傳輸誤碼的影響

9如果編碼器的速率越低，算法越復雜，則時延與費用就會越高

美國USDC系統(tǒng)（IS-54）運用8kb/s的VSELP（矢量和激勵線性預測編碼)語音編解碼器，將模擬系統(tǒng)（AMPS）的容量提高了3倍。

CDMA蜂窩系統(tǒng)（IS-95）中所采用的是CELP（碼激勵線性預測編碼）方式。

由于CDMA系統(tǒng)內(nèi)部具有抗干擾能力和擴展帶寬的能力，所以，可以運用低比特率語音編解碼器，而無需考慮對于傳輸誤差的影響。10美國USDC系統(tǒng)（IS-54）運用8kb/s的VSEL表3-1用于各種移動通信系統(tǒng)的語音編碼方式11表3-1用于各種移動通信系統(tǒng)的語音編碼方式11

例3-1某一個數(shù)字移動通信系統(tǒng)，其前向信道頻率帶寬為810~826MHz，反向信道頻率帶寬為940~956MHz。假設90%的帶寬用于語音業(yè)務，用FDMA多址接入方式，至少支持1150個同時呼叫，調(diào)制方案的頻譜效率為1.68(b/s)/Hz，為避免信道惡化產(chǎn)生的誤碼率，需要用比率為1/2的FEC前向糾錯編碼。請求出用于該系統(tǒng)的語音編碼器傳輸比特率的上限。12例3-1某一個數(shù)字移動通信系統(tǒng)，其前向信道頻率帶寬為

解：

系統(tǒng)可用的語音信道的帶寬=0.9×（826－810）=

14.4MHz，用戶數(shù)=1150，

則最大的語音信道帶寬=≈12.5kHz

頻譜效率=1.68（b/s）/Hz

則最大的信道傳輸數(shù)據(jù)速率=1.68×12500b/s=21kb/s

FEC編碼比率=0.5

則最大的凈數(shù)據(jù)率=21×0.5kb/s=10.5kb/s

這樣，需要的語音編碼器的數(shù)據(jù)速率小于或等于10.5kb/s13解：

系統(tǒng)可用的語音信道的帶寬=0.9×（826－83.1.2數(shù)據(jù)壓縮編碼

在無線通信系統(tǒng)中除了語音業(yè)務之外，還包括如文字、圖像、視頻、動畫等多媒體信息。這些多媒體所包含的數(shù)據(jù)量相對都比較大，在相同條件下要比語音的數(shù)據(jù)量大1000倍以上。所以如果要把數(shù)據(jù)量大的多媒體信息在有限的空間進行存儲和傳輸，就必須采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。143.1.2數(shù)據(jù)壓縮編碼

在無線通信系統(tǒng)中除了語音業(yè)務數(shù)據(jù)壓縮的依據(jù)：

1、視頻圖像或音頻信號等原始信號存在著很大的冗余度；

2、人耳聽覺特性

人耳對不同頻段聲音的敏感程度不同，通常對低頻比對高頻更敏感

人耳對語音信號的相位不敏感

3、人眼視覺特性

人的視覺對亮度信息很敏感，而對邊緣的急劇變化不敏感（視覺遮蓋效應）

所以，人對壓縮后恢復的圖像或音頻信號仍有較滿意的主觀感覺15數(shù)據(jù)壓縮的依據(jù)：

1、視頻圖像或音頻信號等原始信號存在著1.數(shù)據(jù)冗余

“冗余”一般是指多余或是重復量非常大的數(shù)據(jù)。我們可以通過減小冗余來減小存儲空間。

可利用的冗余有如下幾種：

1）空間冗余2）時間冗余

3）結(jié)構(gòu)冗余4）信息熵冗余（編碼冗余）

（1）空間冗余

規(guī)則物體和規(guī)則背景的表面物理特性具有相關性，這些相關性的光成像結(jié)果在數(shù)字化圖像中就表現(xiàn)為數(shù)據(jù)冗余。如一個顏色均勻的塊，其區(qū)域中所有點的光強和色彩以及飽和度基本相同，它的數(shù)據(jù)表達就有很大的冗余。

161.數(shù)據(jù)冗余

“冗余”一般是指多余或是重復量非常大2）時間冗余

序列圖像（電視、運動圖像）和語音數(shù)據(jù)中經(jīng)常含有冗余。例如，圖像序列中的兩幅相鄰圖像，后一幅圖像與前一幅圖像之間有較大的相關，這反映為時間冗余。

3）結(jié)構(gòu)冗余

有些圖像從結(jié)構(gòu)上看存在著非常強的紋理結(jié)構(gòu)。例如，草席圖像在結(jié)構(gòu)上存在冗余。

4）信息熵冗余

信息熵是指一組數(shù)據(jù)攜帶的信息量。實際數(shù)據(jù)編碼的碼長按概率對應的數(shù)據(jù)量往往大于信息熵，這就是信息熵冗余，或稱為編碼冗余。172）時間冗余

序列圖像（電視、運動圖像）和語音數(shù)

2.數(shù)據(jù)壓縮方法

數(shù)據(jù)壓縮編碼是按照特定的編碼機制，用較少的數(shù)據(jù)位元表示信息的過程。根據(jù)解碼后數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)是否完全一致，數(shù)據(jù)壓縮方法一般分為以下兩類：

(1)無損壓縮：解碼圖像與原始圖像嚴格相同，壓縮比在2:1～5:1之間，如Huffman編碼、算術(shù)編碼、行程長度編碼等。

(2)有損壓縮：還原圖像與原始圖像存在一定的誤差，但視覺效果一般可以接受，壓縮比可以從幾倍到上百倍，如PCM（脈沖編碼調(diào)制）、預測編碼、以及新一代的數(shù)據(jù)壓縮方法（如矢量量化和子帶編碼、基于模型的壓縮、分形壓縮和小波變換壓縮等）。182.數(shù)據(jù)壓縮方法

數(shù)據(jù)壓縮編碼是按照特定的編碼機制根據(jù)數(shù)據(jù)壓縮的原理進行劃分，壓縮編碼方法有以下幾類：

（1）預測編碼。

該法是利用空間中相鄰數(shù)據(jù)的相關性，利用過去和現(xiàn)在出現(xiàn)過的點的數(shù)據(jù)情況來預測未來點的數(shù)據(jù)。常用的方法是差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)和自適應差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)。

（2）變換編碼。

該法將時域信號變換到頻域空間上進行處理。在時域空間上具有強相關的信號，反映在頻域上某些特定的區(qū)域內(nèi)能量常被集中在一起，我們只需將主要注意力放在相對小的區(qū)域上，從而實現(xiàn)壓縮。一般采用正交變換，如離散余弦變換(DCT)、離散傅里葉變換(DFT)和小波變換(WT)等來實現(xiàn)壓縮算法。19根據(jù)數(shù)據(jù)壓縮的原理進行劃分，壓縮編碼方法有以下幾類：

（1）

（3）量化與向量量化編碼。

對模擬信號進行數(shù)字化時，要經(jīng)歷一個量化的過程。為了使整體量化失真最小，就必須依照統(tǒng)計的概率分布設計最優(yōu)的量化器。

我們對像元點進行量化時，除了每次僅量化一個點的做法外，也可以考慮一次量化多個點的做法，這種方法稱為向量量化。例如，我們可以每次量化相鄰的兩個點，將兩個點用一個量化碼字表示。向量量化的數(shù)據(jù)壓縮能力實際上與預測方法相近。20（3）量化與向量量化編碼。

對模擬信號進行數(shù)字化時

（4）統(tǒng)計編碼（信息熵編碼）。

該法是根據(jù)信息熵原理，讓出現(xiàn)概率大的符號用短的碼字表達，反之用長的碼字表示。最常見的統(tǒng)計編碼方法有Huffman編碼、Shannon編碼以及算術(shù)編碼。

（5）子帶（subband）編碼。

該法是將數(shù)據(jù)變換到頻域后，按頻域分帶，然后用不同的量化器進行量化，從而達到最優(yōu)的組合；或者分步漸近編碼，在初始時，對某一頻帶的信號進行解碼，然后逐漸擴展到所有頻帶。隨著解碼數(shù)據(jù)的增加，解碼數(shù)據(jù)也逐漸變得清晰。21（4）統(tǒng)計編碼（信息熵編碼）。

該法是根據(jù)信息熵原（6）模型編碼。

該法是在圖像編碼中，編碼時首先將圖像中的邊界、輪廓、紋理等結(jié)構(gòu)特征找出來，然后保存這些參數(shù)信息，解碼時根據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)信息進行合成，恢復原始圖像。具體的模型編碼方法有輪廓編碼、域分割編碼、分析合成編碼、識別合成編碼、基于知識的編碼和分形編碼等。22（6）模型編碼。

該法是在圖像編碼中，編碼時首先將3.2信道編碼

3.2.1信道編碼的基本概念

信道編碼的目的是為了保證通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，克服信道中的噪聲和干擾而專門設計的一類抗干擾技術(shù)和方法。

信道編碼的定義

根據(jù)一定的規(guī)律，在待發(fā)送的信息碼元中人為的加入一些必要的（監(jiān)督）碼元。在接收端根據(jù)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)和糾正差錯，以提高碼元傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

233.2信道編碼

3.2.1信道編碼的基信道編碼的分類

按照功能和結(jié)構(gòu)分類，最常用的信道編碼可以分為以下三類。

（1）僅具有發(fā)現(xiàn)差錯功能的檢錯編碼，如循環(huán)冗余校驗CRC碼、自動請求重傳ARQ等。

（2）具有自動糾正差錯功能的糾錯編碼，如循環(huán)碼中BCH碼、RS碼、卷積碼、級聯(lián)碼、Turbo碼等。

（3）既有檢錯又有糾錯功能的信道編碼，最典型的是混合ARQ，又稱為HARQ。24信道編碼的分類

按照功能和結(jié)構(gòu)分類，最常用的信道編碼3.2.2線性分組碼

線性分組碼通常是按照代數(shù)規(guī)律構(gòu)造的，故又稱為代數(shù)編碼；在分組碼中，校驗位被加到信息位之后，以形成新的碼字(或碼組)。一般記為(n,k)碼。其中，k為信息碼長度，n為碼組長度，n-k為監(jiān)督碼元長度。在分組編碼時，k個信息位被編為n個比特，而n-k個校驗位的作用就是檢錯和糾錯。編碼效率是原始信息速率與信道信息速率的比值：

分組碼一種前向糾錯(FEC)編碼。它是一種不需重復發(fā)送就可以檢出并糾正有限個錯誤的編碼。253.2.2線性分組碼

線性分組碼通常是按照代數(shù)規(guī)律構(gòu)

（1）(7，3)線性分組碼編碼方程。

設輸入信息為u=（u0

u1

u2）（3-2-1）

輸出碼元為c=（c0

c1

c2

c3

c4

c5

c6）（3-2-2）則編碼的線性方程如下：(3-2-3)(3-2-4)

可見，輸出碼組中，前三位碼元就是信息位的簡單重復，后四位是監(jiān)督位，由前3個信息值的線性組合構(gòu)成。26（1）(7，3)線性分組碼編碼方程。

設輸入信息為將線性方程寫成對應矩陣形式為(3-2-5)=uG若G=(IQ)(3-2-6)

其中，G為生成矩陣，I為單位矩陣，相當于信息碼。c為系統(tǒng)碼。可見，已知信息碼組u與生成矩陣G，即可生成系統(tǒng)碼。生成矩陣G主要用于編碼器產(chǎn)生碼組。27將線性方程寫成對應矩陣形式為(3-2-5)=uG若(2)監(jiān)督方程組。

若將上述編碼方程中后四位監(jiān)督方程改寫如下：(3-2-7)28(2)監(jiān)督方程組。

若將上述編碼方程中后四位監(jiān)督方上述線性方程可改寫成下列矩陣形式：(3-2-8)即H·cT=0T或H=(PI)

稱H為監(jiān)督矩陣(校驗矩陣)。

它決定了信息碼元與監(jiān)督碼元之間的校驗關系。

監(jiān)督矩陣H一般用于譯碼。29上述線性方程可改寫成下列矩陣形式：(3-2-8)即3.2.3循環(huán)碼

循環(huán)碼是線性分組碼中最重要的一個子類，絕大多數(shù)實用的線性分組碼都是循環(huán)碼。

循環(huán)碼特點：

1、是在嚴密的代數(shù)學理論基礎上建立起來的

2、編碼解碼設備相對簡單

3、檢錯糾錯能力較強

4、理論上有成熟的代數(shù)結(jié)構(gòu)，可采用碼多項式描述，能夠用移位寄存器來實現(xiàn)。303.2.3循環(huán)碼

循環(huán)碼是線性分組碼中最重要的一個循環(huán)碼具有循環(huán)推移不變性，若c=(c0

c1

c2…cn－1)為循環(huán)碼，則將c左移、右移若干位后仍為循環(huán)碼，且循環(huán)周期為n。對任意一個n維循環(huán)碼，均可找到一個n-1階的碼多項式唯一確定，即

c(x)=(c0+c1x+…+cn－1xn－1)(3-2-11)

利用循環(huán)特性，可將上面線性碼的生成矩陣G進一步簡化為生成多項式g(x)。同理,監(jiān)督矩陣H也可以進一步簡化為監(jiān)督多項式h(x)。

循環(huán)碼有很強的檢錯能力，同時實現(xiàn)起來也比較簡單。循環(huán)冗余監(jiān)督(CRC)碼就是常見的檢錯碼，目前得到了廣泛應用。31循環(huán)碼具有循環(huán)推移不變性，若c=(c0c1c23.2.4卷積碼線性分組碼是把k個信息比特編成n個比特的碼組，而每個碼組的n-k個監(jiān)督位僅與本碼組的k個信息位有關，與其他碼組無關。因此，為了達到一定的糾錯能力和編碼效率，分組碼的碼組長度一般都要求比較大，且編譯碼時必須把整個信息碼組存儲起來。由此產(chǎn)生的問題：譯碼時延隨n的增加而增加，這顯然不利于碼的串行傳輸。于是人們提出了另外一種編碼方法——卷積碼，它有效地解決了這個問題。323.2.4卷積碼線性分組碼是把k個卷積碼與分組碼相比，主要區(qū)別如下：

相同之處：卷積碼也是將k個信息比特編成n個比特，但k和n通常很小，特別適合以串行的形式進行傳輸，時延小。

不同之處：卷積碼不在是把信息序列分組后再進行單獨編碼，而是由連續(xù)輸入的信息序列得到連續(xù)輸出的已編碼序列。卷積碼編碼后的n個碼元不僅與當前段的k個信息有關，還與前面的M段信息有關，編碼過程中互相關聯(lián)的碼元個數(shù)為nM。在同樣復雜度的條件下，卷積碼可以比分組碼獲得更大的編碼效率。33卷積碼與分組碼相比，主要區(qū)別如下：

相同之處：卷積碼也是將k把卷積碼記為(n，k，m)，其中k表示輸入信息的路數(shù)，n表示碼元輸出路數(shù)，m表示編碼器中寄存器的節(jié)數(shù)。卷積碼的典型結(jié)構(gòu)可看做由k個輸入端、n個輸出端、m節(jié)寄存器構(gòu)成的一個有限狀態(tài)。圖3-1卷積碼的典型編碼器結(jié)構(gòu)34把卷積碼記為(n，k，m)，其中k表示輸入信息的路數(shù)卷積碼的描述方法

一般有兩種：圖解法和解析表示。著重于圖解法，即樹圖法和網(wǎng)格圖法。

1)樹圖法

以帶有分支的樹的形式表示編碼器的結(jié)構(gòu)。樹的分支表示編碼器的各種狀態(tài)和輸出。

2)網(wǎng)格圖法

由于樹狀圖中有節(jié)點狀態(tài)的重復，人們將重復狀態(tài)節(jié)點進行合并，得到一種更為緊湊的表示法——網(wǎng)格圖法。但是不如樹圖那樣能顯示編碼路線。35卷積碼的描述方法

一般有兩種：圖解法和解析表示。著重于圖解法

卷積碼的譯碼主要分為代數(shù)譯碼和概率譯碼。

代數(shù)譯碼是糾錯譯碼的經(jīng)典方法。常用的代數(shù)譯碼為大數(shù)譯碼邏輯，其特點是電路簡單，編碼增益低。

概率譯碼是糾錯譯碼的新方法，該法考慮了信道的統(tǒng)計特性。常用概率譯碼的有序列譯碼、維特比譯碼、堆棧譯碼，特點是電路復雜，編碼增益高。

就其性能來說，維特比譯碼最好，堆棧譯碼最差；但從實現(xiàn)復雜度來看，維特比譯碼最復雜，堆棧譯碼最簡單。36卷積碼的譯碼主要分為代數(shù)譯碼和概率譯碼。

代數(shù)補充：交織編碼

移動通信的特點是傳輸?shù)男盘柍３Ｊ沁B續(xù)的一段被干擾，但是卷積碼或循環(huán)碼的糾錯能力也只限定在糾正不連續(xù)的誤碼，如果出現(xiàn)了連續(xù)誤碼，則無法解決。

交織編碼技術(shù)可解決該問題，即把一個消息塊原來連續(xù)的比特按一定規(guī)則分開發(fā)送傳輸，使突發(fā)差錯信道變?yōu)殡x散信道。37補充：交織編碼

移動通信的特點是傳輸?shù)男盘柍３Ｊ墙豢椌幋a的目的：把一個較長的突發(fā)性差錯離散成隨機差錯。

交織編碼的分類：塊交織，幀交織，卷積交織，分組交織等。

塊交織特點：

交織按列寫入，逐行讀出；

反交織按行寫入，按列讀出采用交織技術(shù)后，如果傳送過程中某塊消息丟失，在恢復后實際上只丟失每個信息塊的一部分，而不至于全部丟失，這樣就很容易恢復那些被丟失的消息。38交織編碼的目的：把一個較長的突發(fā)性差錯離散成隨機差錯。

交交織碼的優(yōu)點：在不增加新的監(jiān)督碼元的前提下，提高了抗突發(fā)錯誤的能力。由于不會增加監(jiān)督碼元，從而不會降低編碼效率。

理論上講，交織深度越大，抗突發(fā)錯誤的能力就越強，但是要求譯碼器的暫存區(qū)也越大，而且譯碼延時也會相應加大。因此，實際工程中會根據(jù)設計成本和系統(tǒng)的延時要求選取合適的交織深度。

39交織碼的優(yōu)點：在不增加新的監(jiān)督碼元的前提下，提3.2.5Turbo編碼

Turbo碼原理：把信