第 2 章移動(dòng)通信的主要技術(shù)

第2章移動(dòng)通信的主要技術(shù)

數(shù)字調(diào)制技術(shù)2.1

編碼技術(shù)2.2基帶傳輸2.3

多址技術(shù)2.4

跳頻擴(kuò)頻技術(shù)2.5

分集接收技術(shù)2.6【本章內(nèi)容簡(jiǎn)介】

本章主要介紹了移動(dòng)通信的基本原理及其應(yīng)用方面的基本概念，對(duì)移動(dòng)通信的特點(diǎn)、分類、工作方式和網(wǎng)絡(luò)的頻率配置等進(jìn)行了詳盡的說明，概述了移動(dòng)通信的發(fā)展歷程，同時(shí)展望了未來的發(fā)展趨勢(shì)?！緦W(xué)習(xí)重點(diǎn)與要求】

重點(diǎn)掌握移動(dòng)通信的定義、特點(diǎn)、分類和工作方式，了解無線頻譜的規(guī)劃及移動(dòng)通信的工作頻段。2.1數(shù)字調(diào)制技術(shù)第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的是模擬調(diào)頻（FM）技術(shù)，傳輸模擬語音，但其信令系統(tǒng)卻是數(shù)字的，采用2FSK數(shù)字調(diào)制技術(shù)。第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，傳送的語音都是經(jīng)過數(shù)字語音編碼和信道編碼后的數(shù)字信號(hào)。GSM系統(tǒng)采用GMSK調(diào)制，IS-54系統(tǒng)和PDC系統(tǒng)采用/4-DQPSK調(diào)制，CDMA系統(tǒng)（IS-95）的下行信道采用QPSK調(diào)制、上行信道采用OQPSK調(diào)制。第三代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)將采用MQAM調(diào)制、平衡四相（BQM）擴(kuò)頻調(diào)制、復(fù)四相擴(kuò)頻調(diào)制（CQM）和雙四相擴(kuò)頻調(diào)制（DQM）技術(shù)。所謂調(diào)制，是對(duì)信號(hào)源的編碼信息（信源）進(jìn)行處理，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸形式的過程。基帶信號(hào)，叫做已調(diào)信號(hào)，調(diào)制是通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號(hào)的變化而變化；而解調(diào)則是將基帶信號(hào)從載波中提取出來的逆變換過程。現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制。圖2-1頻帶傳輸系統(tǒng)圖2.1.1數(shù)字調(diào)制技術(shù)的分類一般而言，數(shù)字調(diào)制技術(shù)可分為兩種類型：一是利用模擬方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，也就是把數(shù)字基帶信號(hào)當(dāng)做模擬信號(hào)的特殊情況來處理；二是利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)鍵控載波，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。第二種技術(shù)通常稱為鍵控法，例如用基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的振幅、頻率及相位進(jìn)行鍵控，便可獲得振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）及相移鍵控（PSK）調(diào)制方式。也有同時(shí)改變載波振幅和相位的調(diào)制技術(shù)，如正交調(diào)幅（QAM）。鍵控法一般由數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，它具有調(diào)制變換速率快，調(diào)整測(cè)試方便，體積小，設(shè)備可靠性高等特點(diǎn)。在數(shù)字調(diào)制中，所選擇信號(hào)參量的可能變化狀態(tài)數(shù)應(yīng)與信息元數(shù)相對(duì)應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)已調(diào)信號(hào)的結(jié)構(gòu)形式又可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制兩種。在非線性調(diào)制中，其射頻已調(diào)信號(hào)具有恒定包絡(luò)（連續(xù)相位）的特性，即恒定包絡(luò)調(diào)制。在調(diào)制技術(shù)中，還要注意相位路徑或相位軌跡。通常把相位路徑分為兩大類，即連續(xù)相位路徑和非連續(xù)相位路徑。圖2-2數(shù)字調(diào)制的分類2.1.2線性調(diào)制技術(shù)線性調(diào)制主要有相移鍵控（PSK）調(diào)制、正交相移鍵控（QPSK）和/4-DQPSK調(diào)制。1．相移鍵控（PSK）調(diào)制以基帶數(shù)據(jù)控制載波的相位稱為數(shù)字相位調(diào)制，數(shù)字相位調(diào)制又叫相移鍵控（PhaseShiftKeying，PSK）。二進(jìn)制相移鍵控記作2PSK或BPSK，多進(jìn)制相移鍵控記作MPSK，它們是利用載波相位的變化來傳送數(shù)字信息的。通常，把它們分為絕對(duì)相移（PSK）和相對(duì)相移（DPSK）兩種。絕對(duì)碼和相對(duì)碼是相移鍵控的基礎(chǔ)。圖2-3二相調(diào)相波形設(shè)輸入比特率為{an},an=±1，n=?∞～+∞，則PSK的信號(hào)形式為

nTb≤t＜(n+1)Tb圖2-4PSK波形圖2-5PSK調(diào)制框圖圖2-6直接調(diào)相法產(chǎn)生2PSK信號(hào)DPSK是相移鍵控的非相干形式，它不需要以參考載波的相位為基準(zhǔn)，所以稱為差分相移鍵控，或相對(duì)相移鍵控。非相干接收機(jī)比較容易實(shí)現(xiàn)且價(jià)格低廉，因此，在無線通信中已被廣泛使用。DPSK調(diào)制器框圖如圖2-7所示。圖2-7DPSK調(diào)制器框圖圖2-8PSK解調(diào)框圖2．正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制和交錯(cuò)正交相移鍵控（OQPSK）調(diào)制（QPSK）原理框圖。圖2-9(a)所示為正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制原理框圖，圖2-9(b)所示為交錯(cuò)正交相移鍵控（OQPSK）調(diào)制原理框圖。圖2-9所示為典型正交相移鍵控調(diào)制QPSK又稱四相鍵控，可記為4PSK，它有4種相位狀態(tài)，各自對(duì)應(yīng)于四進(jìn)制的4種數(shù)據(jù)（碼元），即00、01、10、11。圖2-10QPSK和OQPSK相位星座圖OQPSK是OffsetQPSK的縮寫，稱為交錯(cuò)QPSK，也稱偏移四相相移鍵控。QPSK和OQPSK信號(hào)的解調(diào)與PSK解調(diào)相同，都可以采用相干解調(diào)。圖2-11QPSK相干解調(diào)框圖3．/4-DQPSK調(diào)制/4-DQPSK調(diào)制是一種正交相移鍵控調(diào)制技術(shù)，是對(duì)QPSK信號(hào)的特性進(jìn)行改進(jìn)的一種調(diào)制方式。圖2-12/4-DQPSK調(diào)制器結(jié)構(gòu)框圖圖2-13/4-DQPSK的相位關(guān)系圖2-14中頻差分檢測(cè)框圖2.1.3恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)移動(dòng)通信系統(tǒng)在許多實(shí)際應(yīng)用時(shí)都采用非線性調(diào)制方法，所謂的恒包絡(luò)調(diào)制（ConstEnvelopeModulation）就是不管調(diào)制信號(hào)如何改變，都保持載波的幅度恒定。恒包絡(luò)調(diào)制具有可以滿足多種應(yīng)用環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)：（1）可使用功率高的C類放大器，不致引起發(fā)射信號(hào)占用頻譜增大；（2）帶外輻射低，可達(dá)?60～?70

dB；（3）可使用限幅器-鑒頻器檢測(cè)，從而簡(jiǎn)化接收機(jī)的設(shè)計(jì)。1．頻移鍵控（FSK）調(diào)制頻移鍵控（FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK）調(diào)制是用載波的頻率來傳送基帶數(shù)據(jù)信號(hào)，也就是用所傳送的基帶數(shù)據(jù)信號(hào)控制載波的頻率。在頻移鍵控調(diào)制中，載波的幅度恒定不變，其載波信號(hào)的頻率隨著兩種可能的狀態(tài)（高頻率和低頻率即二進(jìn)制的“1”和“0”）而切換。FSK信號(hào)有可能呈現(xiàn)連續(xù)相位（恒定包絡(luò)）的波形，也可能呈現(xiàn)不連續(xù)相位的波形，將它們分別記為CPFSK（ContinuousPhaseFSK）及DPFSK（DiscretePhaseFSK）。FSK信號(hào)的帶寬大約為

B=|f2?f1|+2fsFSK的調(diào)制方法有模擬調(diào)制法和數(shù)字鍵控法，它們分別對(duì)應(yīng)著相位連續(xù)的FSK和相位不連續(xù)的FSK。（1）直接調(diào)頻法（相位連續(xù)FSK信號(hào)的產(chǎn)生）（2）頻率鍵控法（相位不連續(xù)FSK信號(hào)的產(chǎn)生）數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)方法很多，可以分為線性鑒頻法和分離濾波法兩大類。線性鑒頻法有模擬鑒頻法、過零檢測(cè)法、差分檢測(cè)法等；分離濾波法又包括相干檢測(cè)法、非相干檢測(cè)法、動(dòng)態(tài)濾波法等。非相干檢測(cè)的具體解調(diào)電路是包絡(luò)檢測(cè)法，相干檢測(cè)的具體解調(diào)電路是同步檢波法。下面對(duì)過零檢測(cè)法、包絡(luò)檢測(cè)法及同步檢波法加以介紹。圖2-15相位不連續(xù)FSK信號(hào)的產(chǎn)生和各點(diǎn)波形（1）過零檢測(cè)法（2）非相干（包絡(luò)）解調(diào)法圖2-16過零檢測(cè)法框圖及各點(diǎn)波形圖圖2-17FSK信號(hào)包絡(luò)檢波框圖及波形圖（3）相干解調(diào)法圖2-18FSK信號(hào)相干檢測(cè)框圖通過將相干解調(diào)與包絡(luò)（非相干）解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行比較，可以得出以下幾點(diǎn)。（1）兩種解調(diào)方法均可工作在最佳門限電平。（2）在輸入信號(hào)信噪比r一定時(shí)，相干解調(diào)的誤碼率小于非相干解調(diào)的誤碼率；當(dāng)系統(tǒng)的誤碼率一定時(shí)，相干解調(diào)比非相干解調(diào)對(duì)輸入信號(hào)的信噪比要求低。但當(dāng)輸入信號(hào)的信噪比r很大時(shí)，兩者的相對(duì)差別不明顯。（3）相干解調(diào)時(shí)，需要插入兩個(gè)相干載波，因此電路較為復(fù)雜，但包絡(luò)檢測(cè)就無需相干載波，因而電路較為簡(jiǎn)單。2．最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制最小頻移鍵控（MSK）又稱快速頻移鍵控（FFSK），是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控（FSK）調(diào)制。所謂“快速”二字，是指這種調(diào)制方式對(duì)于給定的頻帶，它能比2PSK傳輸更高速的數(shù)據(jù)；而“最小”二字指的是這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)（h=0.5）獲得正交的調(diào)制信號(hào)。圖2-19MSK調(diào)制器方框圖產(chǎn)生MSK信號(hào)的步驟如下：（1）對(duì)輸入數(shù)據(jù)序列進(jìn)行差分編碼；（2）把差分編碼器的輸出數(shù)據(jù)用串/并變換器分成兩路，并相互交錯(cuò)一個(gè)比特寬度Tb；（3）用加權(quán)函數(shù)cos(t/2Tb)和sin(t/2Tb)分別對(duì)兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)；（4）用兩路加權(quán)后的數(shù)據(jù)分別對(duì)正交載波cosct和sinct進(jìn)行調(diào)制；（5）把兩路輸出信號(hào)進(jìn)行疊加。綜合以上分析可知，MSK信號(hào)必須具有以下特性：（1）已調(diào)信號(hào)的振幅是恒定的；（2）信號(hào)的頻率偏移嚴(yán)格地等于±1/(4Tb)，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)h=fTb=(f2?f1)Tb=1/2；（3）以載波相位為基準(zhǔn)的信號(hào)相位在一個(gè)碼元期間內(nèi)準(zhǔn)確地線性變化±/2；（4）在一個(gè)碼元期間內(nèi)，信號(hào)應(yīng)包括1/4載波周期的整數(shù)倍；（5）在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，信號(hào)的相位是連續(xù)的，或者說信號(hào)的波形沒有突跳。圖2-20MSK相干解調(diào)框圖MSK與FSK性能相比，由于各支路的實(shí)際碼元寬度為2Tb，其對(duì)應(yīng)的低通濾波器帶寬減少為原帶寬的1/2，從而使MSK的輸出信噪比為原來的兩倍。3．高斯型最小頻移鍵控（GMSK）調(diào)制GMSK調(diào)制方式能滿足移動(dòng)通信環(huán)境下對(duì)鄰道干擾的嚴(yán)格要求，通常將輸入端接有高斯低通濾波器的MSK調(diào)制器稱為高斯最小頻移鍵控（GMSK）。GMSK是由MSK演變來的一種簡(jiǎn)單的二進(jìn)制調(diào)制方法，是連續(xù)相位的恒包絡(luò)調(diào)制。圖2-21GMSK信號(hào)產(chǎn)生的原理圖圖2-22GMSK信號(hào)的相位軌跡GMSK信號(hào)的解調(diào)可以用同MSK一樣的正交相干解調(diào)。在相干解調(diào)中最為重要的是相干載波的提取，這在移動(dòng)通信的環(huán)境中是比較困難的，因而移動(dòng)通信系統(tǒng)通常采用差分解調(diào)和鑒頻器解調(diào)等非相干解調(diào)的方法。圖2-23所示為1

bit延遲差分檢測(cè)解調(diào)器的原理框圖。圖2-231

bit延遲差分檢測(cè)器的框圖4．高斯濾波的頻移鍵控（GFSK）

高斯濾波的頻移鍵控（GFSK）的原理框圖如圖2-24所示。圖2-24GFSK調(diào)制的原理框圖2.1.4正交振幅調(diào)制技術(shù)一般的復(fù)合調(diào)制稱為幅相鍵控（APK），兩個(gè)正交載波幅相鍵控稱為正交振幅調(diào)制（QAM）。正交振幅調(diào)制是二進(jìn)制的PSK、四進(jìn)制的QPSK調(diào)制的進(jìn)一步推廣，是通過相位和振幅的聯(lián)合控制得到更高頻譜效率的調(diào)制方式，從而可在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式為

y(t)=Amcosct+Bmsinct0≤t＜Tb式中，Tb為碼元寬度；Am和Bm為離散的振幅值；m=1,2,…,M；M為Am和Bm的個(gè)數(shù)。QAM中的振幅Am和Bm可以表示為 式中，A是固定的振幅，(dm,em)由輸入數(shù)據(jù)確定。(dm,em)決定了已調(diào)QAM信號(hào)在信號(hào)空間中的坐標(biāo)點(diǎn)。圖2-25所示為QAM的調(diào)制和相干解調(diào)的原理框圖。圖2-25QAM調(diào)制解調(diào)原理圖為便于分析，圖2-26所示為四電平QAM的調(diào)制解調(diào)原理框圖中各點(diǎn)的基本波形。圖2-264QAM調(diào)制解調(diào)過程中各點(diǎn)的基本波形通常，把信號(hào)矢量端點(diǎn)的分布圖稱為星座圖，如圖2-27所示。圖2-27M進(jìn)制星形QAM的星座圖2.2編碼技術(shù)2.2.1信源編碼信源輸出的信號(hào)都是模擬信號(hào)，信源編碼主要完成兩大任務(wù)：第一是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（也就是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)字化），第二是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮（已超出本書討論范圍）。模擬信號(hào)數(shù)字化的方法有多種，目前采用最多的是信號(hào)波形的A/D變換方法（波形編碼）。實(shí)用的波形編碼方法主要有兩種基本形式：一種是脈沖編碼調(diào)制（PCM），另一種是增量調(diào)制（M）。1．信源信號(hào)的數(shù)字化“數(shù)字化”最基本的技術(shù)叫做脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation，PCM），簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制。圖2-28模擬信號(hào)數(shù)字傳輸框圖2．語音編碼技術(shù)在數(shù)字移動(dòng)通信中，采用的語音編碼技術(shù)有波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼3種。波形編碼技術(shù)通過對(duì)語音波形進(jìn)行采樣、量化，然后用二進(jìn)制碼表現(xiàn)出來，并在解碼端盡可能準(zhǔn)確地恢復(fù)語音信號(hào)的原始波形。參數(shù)編碼技術(shù)以語音信號(hào)產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)輸入語音信號(hào)分析出表征聲門振動(dòng)的激勵(lì)參數(shù)和表征聲道特性的聲道參數(shù)，然后在解碼端根據(jù)這些模型參數(shù)來恢復(fù)語音。混合編碼是基于參量編碼和波形編碼發(fā)展而成的一類新的編碼技術(shù)，廣泛用在數(shù)字蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)中。多脈沖線性預(yù)測(cè)編碼（MP-LPC）、規(guī)則脈沖線性預(yù)測(cè)編碼（RPE-LPC）和碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（CELP）都屬于混合編碼技術(shù)。GSM系統(tǒng)采用的是規(guī)則脈沖線性預(yù)測(cè)編碼（RPE-LPC）方案，IS-95（CDMA）系統(tǒng)采用的是9.6

kbit/s碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（CELP）方案。（1）線性預(yù)測(cè)編碼的基本原理線性預(yù)測(cè)分析簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)PC分析，是進(jìn)行語音信號(hào)分析最有效的分析方法之一。線性預(yù)測(cè)方法的特點(diǎn)在于分析和模擬人的發(fā)音器官，不是利用人發(fā)出聲音的波形合成，而是從人的語音信號(hào)中提取與語音模型有關(guān)的特征參數(shù)。（2）GSM系統(tǒng)中語音編碼方式在GSM系統(tǒng)中語音編碼采用“規(guī)則脈沖激勵(lì)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)編碼（RPE-LTP）”方式，其中，語音比特為13

kbit/s，差錯(cuò)保護(hù)比特為9.8

kbit/s，二者總共為22.8

kbit/s。圖2-29GSM通信系統(tǒng)的語音編碼示意圖（3）CDMA系統(tǒng)中的語音編碼技術(shù)高效語音編碼方式為了抑制由于低速率引起語音質(zhì)量的惡化，需要進(jìn)行龐大的運(yùn)算處理，這種運(yùn)算處理甚至超過目前數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的能力，為此，就需要高性能數(shù)字信號(hào)處理器。高效語音編碼是一種注重研究聲音自身的特性，減少其冗余度而進(jìn)行的低速率的編碼技術(shù)。作為抑制冗余度的典型技術(shù)有：①注重聲音波形時(shí)間相關(guān)性（線性預(yù)測(cè)）；②注重聲音功率譜的編碼方法（子帶/多帶編碼）；③將多個(gè)采樣值一起量化的方法（矢量量化法）；④用合成語音分析原聲音波形的頻譜包絡(luò)和聲源模型（包括有聲和無聲等），提取其信息再進(jìn)行編碼的方法，即分析合成法。CDMA系統(tǒng)采用的CELP基本框圖如圖2-30所示。圖2-30CELP的基本構(gòu)成框圖為實(shí)現(xiàn)低速率編碼，采用DSP技術(shù)就解決了高速處理信號(hào)的矛盾，于是在語音編碼中廣泛使用DSP。對(duì)DSP有如下要求：①應(yīng)具有乘法、加法功能和簡(jiǎn)化邏輯式的體系；流水線式控制等適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的結(jié)構(gòu)；②為了能用軟件實(shí)現(xiàn)語音編碼的計(jì)算，應(yīng)具有開發(fā)周期短、修改容易等特點(diǎn)。適合數(shù)字移動(dòng)通信中用于語音編譯碼器的（幾種DSP性能見表2-1）特征如下：①指令周期為50

ns以下，運(yùn)算速度快；②具有16

bit數(shù)據(jù)/40

bit累加運(yùn)算的精度；③片內(nèi)有存儲(chǔ)器與A/D及D/A轉(zhuǎn)換器；④功耗低，體積小。表2-1 用于語音編譯碼器的幾種DSP性能型號(hào)ADSP-21MSP50DSP16C-11DSP56156TMS320C51指令周期（最長(zhǎng)）/ns5025——乘法器16×16→40

bit16×16→32

bit16×16→40

bit16×16→32

bit累加器/比特16364032A/D轉(zhuǎn)換器—內(nèi)藏—無D/A轉(zhuǎn)換器—內(nèi)藏—無串行口I/O2通道1通道2通道2通道片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM/kbit16—3232片內(nèi)指令存儲(chǔ)器/kbit6432RAM/192ROM32RAM/192ROM144ROM（4）語音編譯碼器相關(guān)技術(shù)①誤碼保護(hù)技術(shù)移動(dòng)通信中傳輸信息的差錯(cuò)控制有各種方法，例如，檢測(cè)/糾錯(cuò)、比特交錯(cuò)、譯碼波形插補(bǔ)、誤碼量化等，其中最重要的是檢測(cè)/糾錯(cuò)。圖2-31采用BS-FET的語音信息傳輸系統(tǒng)②語音控制發(fā)送和回波抵消技術(shù)在移動(dòng)通信中與語音信息傳送的相關(guān)技術(shù)有語音控制發(fā)送（VoiceOperetedTransmission，VOX）和回波抵消技術(shù)等。圖2-32數(shù)字移動(dòng)通信中語音信息傳輸系統(tǒng)③語音編譯碼器質(zhì)量評(píng)價(jià)方法對(duì)于移動(dòng)通信中的語音編碼方式要求標(biāo)準(zhǔn)化、快速性，并進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。圖2-33編解碼器評(píng)價(jià)系統(tǒng)框圖2.2.2信道編碼信源碼解決了信息表示的效率問題。在傳輸前必須對(duì)位流進(jìn)行處理，將其碼型變換成適合于信道傳輸?shù)男问?，這種變換就是信道編碼。信道碼包括數(shù)字調(diào)制（簡(jiǎn)稱調(diào)制）和糾錯(cuò)碼。信道編碼的方法有很多種，一般可按下列方式分類。（1）按照信息碼元和監(jiān)督碼元之間的約束方式不同，可分為分組碼和卷積碼。（2）按照信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系又可分為線性碼和非線性碼。（3）按照編碼后每個(gè)碼字的結(jié)構(gòu)可分為系統(tǒng)碼和非系統(tǒng)碼。（4）按照修正錯(cuò)誤的類型不同可以分為糾正隨機(jī)錯(cuò)誤和糾正突發(fā)錯(cuò)誤的碼。（5）按照碼字中每個(gè)碼元的取值不同，還可分為二進(jìn)制碼和多進(jìn)制碼等。1．線性分組碼線性分組碼是信道編碼中最基本的一類碼。在線性分組碼中，監(jiān)督碼元僅與所在碼組中的信息碼元有關(guān)，且兩者之間是通過預(yù)定的線性規(guī)則聯(lián)系起來的。這種信息位長(zhǎng)為k、碼長(zhǎng)為n的線性分組碼記為(n,k)，用=k/n表示碼字中信息位所占的比重，稱為編碼效率，簡(jiǎn)稱碼率。碼率反映了該碼的信道利用率。通常定義碼組中非零碼元的數(shù)目為碼的重量，簡(jiǎn)稱碼重。在(n,k)碼中，對(duì)于k個(gè)信息元，有2k種不同的信息組，則有2k個(gè)碼字分別與之一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)碼字長(zhǎng)n。這些碼組的集合構(gòu)成代數(shù)中的群，因此又稱為群碼或塊碼。它具有以下性質(zhì)：（1）任意兩個(gè)碼字之和（模2和）仍為一個(gè)碼字，即具有封閉性；（2）碼的最小距離等于非零碼的最小重量。2．循環(huán)碼循環(huán)碼是線性分組碼中最重要的一個(gè)子類，這類碼可以用簡(jiǎn)單的反饋移位寄存器來實(shí)現(xiàn)，易于檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，是一種很有效的編譯碼方法。循環(huán)碼除了具有線性分組碼所具有的特點(diǎn)之外，還具有自己獨(dú)特的循環(huán)性，即循環(huán)碼C中任意一個(gè)碼字經(jīng)過循環(huán)移位后仍然是C中的碼字。3．卷積碼這里介紹的卷積碼則是另一類編碼，它也是把k個(gè)信息比特編成n個(gè)比特，但k和n通常很小，特別適宜于以串行形式傳輸信息，延時(shí)小。與分組碼不同，卷積碼中編碼后的n個(gè)碼元不但與當(dāng)前段的k個(gè)信息有關(guān)，而且與前面(n?1)段的信息有關(guān)，編碼過程中相互關(guān)聯(lián)的碼元為nn個(gè)。卷積碼的糾錯(cuò)能力隨著n的增加而增加，而差錯(cuò)率隨著n的增加而按指數(shù)下降。在編碼器復(fù)雜性相同的情況下，卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。另一點(diǎn)不同的是：分組碼有嚴(yán)格的代數(shù)結(jié)構(gòu)，但卷積碼至今尚未找到如此嚴(yán)密的數(shù)學(xué)手段把糾錯(cuò)性能與碼的構(gòu)成十分有規(guī)律地聯(lián)系起來，目前大都采用計(jì)算機(jī)來搜索好碼。4．Turbo編碼技術(shù)C．Berrou等人在1993年首次提出了Turbo碼的概念，Turbo碼使用相對(duì)簡(jiǎn)單的RSC碼和交織器就能得到接近仙農(nóng)極限的糾錯(cuò)性能。CDMA2000同時(shí)采用了卷積碼和Turbo碼兩種糾錯(cuò)編碼。2.2.3糾錯(cuò)編碼的基本原理糾錯(cuò)編碼也叫差錯(cuò)控制編碼，屬于信道編碼的范疇。信道編碼技術(shù)主要研究檢錯(cuò)、糾錯(cuò)碼概念及其基本實(shí)現(xiàn)方法。編碼器是根據(jù)輸入的信息碼元產(chǎn)生相應(yīng)的監(jiān)督碼元來實(shí)現(xiàn)對(duì)差錯(cuò)進(jìn)行控制，譯碼器則主要是進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。通常把在信息碼元序列中加入監(jiān)督碼元的辦法稱為差錯(cuò)控制編碼，也稱為糾錯(cuò)編碼。從上面的例子中可以看出，碼的最小距離D0直接關(guān)系著碼的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力。任一(N,K)分組碼若要在碼字內(nèi)：（1）檢測(cè)e個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，則要求碼的最小距離d0≥e+1；（2）糾正t個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，則要求碼的最小距離d0≥2t+1；（3）糾正t個(gè)同時(shí)檢測(cè)e(≥t)個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，則要求碼的最小距離d0≥t+e+1。用差錯(cuò)控制編碼提高通信系統(tǒng)的可靠性，是以降低有效性為代價(jià)換來的。定義編碼效率R來衡量有效性，即

R=K/N其中，K是信息元的個(gè)數(shù)，N為碼長(zhǎng)。

對(duì)糾錯(cuò)碼的基本要求是：檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力盡量強(qiáng)，編碼效率盡量高，編碼規(guī)律盡量簡(jiǎn)單。實(shí)際中要根據(jù)具體指標(biāo)要求保證有一定糾、檢錯(cuò)能力和編碼效率，并且易于實(shí)現(xiàn)。常用的差錯(cuò)控制方式有3種：檢錯(cuò)重發(fā)（ARQ）、前向糾錯(cuò)（FEC）和混合糾錯(cuò)（HEC），它們的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2-34所示。圖2-34差錯(cuò)控制方式1．檢錯(cuò)重發(fā)方式2．前向糾錯(cuò)方式3．混合糾錯(cuò)方式2.2.4交織技術(shù)交織是用來抗瑞利衰落影響的。交織（Interleaving）技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常與其他糾錯(cuò)碼結(jié)合使用，交織技術(shù)主要是將突發(fā)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換為隨機(jī)錯(cuò)誤，以便充分發(fā)揮糾錯(cuò)碼的作用。將交織技術(shù)和糾錯(cuò)編碼技術(shù)結(jié)合起來，可以把突發(fā)錯(cuò)誤分散成隨機(jī)的獨(dú)立錯(cuò)誤而得到糾正。這種用交織構(gòu)造出來的編碼方法稱為交織編碼。交織編碼實(shí)質(zhì)上是一種時(shí)間擴(kuò)散技術(shù)，它把信道錯(cuò)誤的相關(guān)性減小。當(dāng)交織度足夠大時(shí)，把突發(fā)錯(cuò)誤離散成隨機(jī)錯(cuò)誤，從而可以被分組碼所糾正。首先把信息編成糾錯(cuò)能力為t（或糾突發(fā)錯(cuò)誤的能力為b）的(n,k)分組碼，再將它們排列成如下所示的陣列其中每行是(n,k)碼的一個(gè)碼字，設(shè)共有m行，這樣構(gòu)成的碼陣就是(mn，mk)交織碼的一個(gè)碼字，每行稱為它的一個(gè)行碼，m稱為交織度。輸出時(shí)，規(guī)定按列的順序自左至右讀出，這時(shí)的序列就變?yōu)?/p>

C11C21…Cm1C12C22…Cm2…C1nC2n…Cmn在接收端，將上述過程逆向重復(fù)，即把收到的序列按列寫入存儲(chǔ)器，再按行讀出，就恢復(fù)成原來的(n,k)分組碼。2.2.5網(wǎng)格編碼調(diào)制1982年，G.Ungerboeok提出格形編碼調(diào)制（TrellisCodeModulation，TCM），其優(yōu)點(diǎn)是不必付出額外的頻帶和功率即可獲得編碼增益。TCM的基本思想是將卷積編碼與調(diào)制作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，使用軟判決進(jìn)行維特比解碼，在碼字與傳輸?shù)恼{(diào)制符號(hào)之間進(jìn)行最佳映射，使編碼器的以歐幾里德距離度量的自由距離（歐氏自由距離）大于未經(jīng)編碼的調(diào)制器星座圖的最小歐氏距離，使收端更容易對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的判決，從而獲得編碼增益。增加編碼器歐氏距離的辦法是使調(diào)制器的星座數(shù)量加倍，即擴(kuò)展所傳輸?shù)姆?hào)集。圖2-35TCM編碼調(diào)制器框圖2.3基帶傳輸利用PCM方式或M方式所得到的信號(hào)稱為數(shù)字基帶信號(hào)，它的特點(diǎn)是頻譜基本上是從零開始一直擴(kuò)展到很寬。將這種信號(hào)不經(jīng)過頻譜搬移，只經(jīng)過簡(jiǎn)單的頻譜變換進(jìn)行傳輸，稱為數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸。2.3.1數(shù)字基帶信號(hào)的常用碼型數(shù)字基帶信號(hào)是數(shù)字信息序列的一種電信號(hào)表示形式，它包括代表不同數(shù)字信息的碼元格式（碼型）以及體現(xiàn)單個(gè)碼元的電脈沖形狀（波形）。它的主要特點(diǎn)是功率譜集中在零頻率附近。數(shù)字基帶信號(hào)的形式很多，較為典型的有：（1）單極性非歸零碼（2）雙極性非歸零碼（3）單極性歸零碼（4）雙極性歸零碼（5）差分碼（6）交替極性碼圖2-36數(shù)字基帶信號(hào)碼型2.3.2碼型變換的基本方法碼型變換的目的是要把簡(jiǎn)單的二進(jìn)制代碼變換成所需碼型，接收端的譯碼實(shí)施碼型變換反過程。根據(jù)不同的線路碼，在編譯碼時(shí)既要考慮碼型本身的變換，同時(shí)還必須考慮時(shí)鐘頻率的變換，還要加上組（幀）同步。碼型變換有多種編碼方法，譯碼通常采用一種方法。對(duì)編/譯碼電路的要求是電路簡(jiǎn)單、工作可靠、適應(yīng)碼速高等。下面介紹4種常用編/譯碼方法。1．碼表存儲(chǔ)法

圖2-37碼表存儲(chǔ)方法2．布線邏輯法圖2-38布線邏輯法原理框圖T1圖2-39CMI編/譯碼器及各點(diǎn)波形3．單片HDB3編解碼器圖2-40CD22103引腳圖圖2-41實(shí)用的HDB3編解碼電路4．緩存插入法圖2-42緩存插入法框圖2.3.3數(shù)字基帶系統(tǒng)的組成數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本框圖如圖2-43所示，它通常由脈沖形成器、發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器、抽樣判決器與碼元再生器組成。圖2-43數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)框圖

圖2-44基帶傳輸系統(tǒng)各點(diǎn)的波形圖2-45碼間串?dāng)_示意圖這種脈沖拖尾的重疊，并在接收端造成判決困難的現(xiàn)象叫做碼間串?dāng)_（或碼間干擾）。2.4多址技術(shù)多址傳輸是指在一個(gè)信息傳輸網(wǎng)中不同地址的各用戶之間通過一個(gè)共用的信道進(jìn)行傳輸，其理論基礎(chǔ)是信號(hào)分割理論。多址的原理是利用信號(hào)參量的正交性來區(qū)分無線電信號(hào)地址，依據(jù)頻率參量正交性來區(qū)分無線電信號(hào)的稱為頻分多址，依據(jù)時(shí)間參量正交性來區(qū)分無線電信號(hào)地址的稱為時(shí)分多址，依據(jù)碼型函數(shù)正交性來區(qū)分無線電信號(hào)地址的稱為碼分多址。圖2-463種多址方式示意圖2.4.1頻分多址頻分多址（FDMA）是將給定的頻譜資源劃分為若干個(gè)等間隔的頻道（又稱信道）供不同的用戶使用，按照傳輸信號(hào)的載波頻率的不同劃分來建立多址接入的。在FDMA系統(tǒng)中，每一個(gè)移動(dòng)用戶分配有一個(gè)地址，即在一個(gè)射頻頻帶內(nèi)，每個(gè)移動(dòng)用戶分配有一個(gè)頻道，且這些頻道在頻域上互不重疊。為了便于移動(dòng)用戶實(shí)現(xiàn)多信道共用（即動(dòng)態(tài)分配信道）以提高信道利用率，在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，其信道的頻率劃分與頻道構(gòu)成是采用一個(gè)頻道只傳送一路語音信號(hào)的方式，即屬于頻分多址中單路單載波的工作方式。FDMA蜂窩通信系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）是以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)的蜂窩結(jié)構(gòu)；（2）是以每一頻道為一個(gè)話路的模擬或數(shù)字傳輸；（3）以頻帶或頻道的劃分來構(gòu)成宏小區(qū)、微小區(qū)、微微小區(qū)；（4）由于FDMA蜂窩系統(tǒng)是以頻道來分離用戶地址的，所以它是頻道受限和干擾受限的系統(tǒng)；（5）FDMA系統(tǒng)需要周密的頻率計(jì)劃；（6）對(duì)發(fā)射信號(hào)功率控制的要求不嚴(yán)格；（7）基站的硬件設(shè)備取決于頻率計(jì)劃和頻道的本置；（8）基站是多部不同載波頻率發(fā)射機(jī)同時(shí)工作的。2.4.2時(shí)分多址TDMA類似于頻分制，利用時(shí)間分割原理既可進(jìn)行時(shí)分多路傳輸（TDM），也可進(jìn)行時(shí)分多址傳輸（TDMA）。它們之間的區(qū)別僅在于：TDM是利用時(shí)分原理在兩個(gè)通信站間利用一個(gè)高頻信道傳輸多個(gè)信息信號(hào)；而TDMA是利用射頻信道的時(shí)間分割，實(shí)現(xiàn)一個(gè)通信網(wǎng)內(nèi)的多個(gè)臺(tái)站之間的通信，而每個(gè)臺(tái)站本身往往又包含了多路傳輸?shù)膬?nèi)容。圖2-47TDMA示意圖前向傳輸和反向傳輸可以采用頻分的方法，也可以采用時(shí)分的方法。圖2-48頻分前向/反向信道圖2-49時(shí)分前向/反向信道利用時(shí)隙和移動(dòng)用戶的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要知道用戶地址（幀號(hào)和時(shí)隙號(hào)），就可以實(shí)現(xiàn)選址通信。TDMA蜂窩通信系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：（1）窄帶TDMA系統(tǒng)是以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)的蜂窩結(jié)構(gòu)；（2）小區(qū)內(nèi)以TDMA方式建立信道；（3）以每一時(shí)隙為一個(gè)話路的數(shù)字信號(hào)傳輸；（4）由于TDMA蜂窩系統(tǒng)是以時(shí)隙來分離用戶地址的，所以它是時(shí)隙受限和干擾受限的系統(tǒng)；（5）TDMA系統(tǒng)需要嚴(yán)格的系統(tǒng)定時(shí)同步；（6）對(duì)發(fā)射信號(hào)功率控制的要求不嚴(yán)格；（7）基站發(fā)送設(shè)備在單一載波上工作，時(shí)隙（信道）的動(dòng)態(tài)配置只取決于系統(tǒng)軟件；（8）由于移動(dòng)臺(tái)只在指配的時(shí)隙接收來自基站的信號(hào)，可在其他時(shí)隙中接收網(wǎng)絡(luò)信息或接收來自相鄰基站的信號(hào)，有利于網(wǎng)絡(luò)管理和越區(qū)切換。2.4.3碼分多址CDMA是以擴(kuò)頻信號(hào)為基礎(chǔ)，利用不同波形或碼型的副載波作為分址信號(hào)，以便在同一通信網(wǎng)中使多個(gè)臺(tái)站同時(shí)進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N技術(shù)。常用的擴(kuò)頻信號(hào)有兩類：跳頻信號(hào)與直接序列擴(kuò)頻信號(hào)（簡(jiǎn)稱直擴(kuò)信號(hào)）。

圖2-50CDMA示意圖圖2-51CDMA碼分信道2.4.4空分多址空分多址（SDMA）是通過控制用戶的空間輻射能量來提供多址接入能力的。扇形天線可被看成是SDMA的一個(gè)基本方式。將來有可能使用自適應(yīng)天線，它迅速地引導(dǎo)能量沿用戶方向發(fā)送，這種天線最適合于TDMA和CDMA系統(tǒng)。在無線通信系統(tǒng)中，SDMA可以提高系統(tǒng)容量。2.5跳頻擴(kuò)頻技術(shù)目前，最基本的展寬頻譜的方法有兩種：（1）直接序列調(diào)制，簡(jiǎn)稱直接擴(kuò)頻（DS）；（2）頻率跳變調(diào)制，簡(jiǎn)稱跳頻（FH）。

跳頻通信是指用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控，其載波頻率受一組快速變化的偽隨機(jī)碼控制而隨機(jī)地進(jìn)行跳變。這種載波的變化規(guī)律常被叫做跳頻圖案（序列）。圖2-52GSM系統(tǒng)的跳頻示意圖跳頻系統(tǒng)的抗干擾原理與直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)是不同的。擴(kuò)展頻譜通信簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻通信。碼分多址是以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的。適用于碼分多址蜂窩通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻技術(shù)是直接序列擴(kuò)頻（DS），簡(jiǎn)稱直擴(kuò)。2.5.1偽隨機(jī)序列在擴(kuò)頻通信中，擴(kuò)頻碼常采用偽隨機(jī)序列。偽隨機(jī)序列又稱為偽噪聲（PN）碼或偽隨機(jī)碼。1．m序列

m序列是由帶線性反饋的多級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的一種二進(jìn)制序列。圖2-533級(jí)m序列發(fā)生器m序列是一種典型的偽隨機(jī)序列，具有偽隨機(jī)序列的3個(gè)特性。（1）對(duì)于任何周期的m序列，1個(gè)周期內(nèi)所含的1與0位數(shù)的比例是一定的，若采用的移位寄存器為n級(jí)，1的位數(shù)為2n?1，0的位數(shù)為(2n?1)?1，1和0位數(shù)僅相差1位，即可粗略地認(rèn)為1與0的位數(shù)接近相等。（2）把序列中取值（0或1）相同的一段稱為一個(gè)游程，各游程中的位數(shù)稱為游程長(zhǎng)度。（3）序列的自相關(guān)函數(shù)為二值函數(shù)。m序列的自相關(guān)函數(shù)由下式計(jì)算

R()=(A?D)/(A+D)式中，A為0的位數(shù)，D為1的位數(shù)。圖2-54隨機(jī)信號(hào)自相關(guān)性圖2-55自相關(guān)函數(shù)與互相關(guān)函數(shù)的比較圖2-56m序列的自相關(guān)函數(shù)2．Gold序列m序列，尤其是m序列優(yōu)選對(duì)，特性很好，但數(shù)目很少，不便于在CDMA系統(tǒng)中應(yīng)用。為了解決地址碼的數(shù)量問題，R.Gold提出了一種基于m序列優(yōu)選對(duì)的碼序列，稱為Gold序列。Gold序列是m序列的復(fù)合碼，它是由兩個(gè)碼長(zhǎng)相等、碼片時(shí)鐘速率相同的m序列優(yōu)選對(duì)移位模2加構(gòu)成，當(dāng)改變其中一個(gè)m序列的相位時(shí)，可得到一個(gè)新的Gold序列。Gold序列的生成原理如圖2-57所示。圖2-57Gold序列生成原理示意圖Gold序列具有與m序列優(yōu)選對(duì)類似的相關(guān)性，而且構(gòu)造簡(jiǎn)單、數(shù)量大，在碼分多址系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，人們關(guān)心的Gold序列的特性主要有以下3點(diǎn)。（1）Gold序列的數(shù)量（2）平衡的Gold序列（3）Gold序列的相關(guān)特性2.5.2直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻（DS-SS）通信系統(tǒng)是以直接擴(kuò)頻方式構(gòu)成的擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，通常簡(jiǎn)稱直擴(kuò)（DS）統(tǒng)，又稱偽噪聲擴(kuò)頻系統(tǒng)。圖2-58直擴(kuò)通信系統(tǒng)框圖和擴(kuò)頻信號(hào)傳輸圖設(shè)信息速率為Rb(bit/s)，偽隨機(jī)序列的速率為Rp(子碼/s)，定義擴(kuò)頻因子為

L=Rp/Rb2.5.3跳變頻率擴(kuò)頻跳頻（FH-SS）也是一種擴(kuò)頻技術(shù)，跳頻系統(tǒng)的載波頻率在很寬頻率范圍內(nèi)按預(yù)定的圖案（序