《數(shù)字通信原理》課件 項(xiàng)目八-仿真移動通信系統(tǒng)

數(shù)字通信原理01項(xiàng)目1：認(rèn)識通信系統(tǒng)02項(xiàng)目2：認(rèn)識通信信號CONTENTS03項(xiàng)目3：認(rèn)知數(shù)字基帶傳輸04項(xiàng)目4：理解調(diào)制解調(diào)05項(xiàng)目5：揭秘編碼06項(xiàng)目6：認(rèn)知定時與同步07項(xiàng)目7：仿真數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)08項(xiàng)目8：仿真移動通信系統(tǒng)09項(xiàng)目9：探索通信新技術(shù)項(xiàng)目8仿真移動通信系統(tǒng)仿真移動通信系統(tǒng)項(xiàng)目8項(xiàng)目描述結(jié)合移動通信系統(tǒng)的組成原理，剖析移動通信的信源編碼、信道編碼，進(jìn)一步理解移動通信的擴(kuò)頻和加擾技術(shù)，分析移動通信的調(diào)制技術(shù)，配合同步技術(shù)，建立移動通信仿真系統(tǒng)。項(xiàng)目分析本項(xiàng)目中涉及的編碼、調(diào)制、同步技術(shù)是在傳統(tǒng)原理基礎(chǔ)知識的升級，需要具有持續(xù)的學(xué)習(xí)能力和理論聯(lián)系實(shí)際的職業(yè)素養(yǎng)。仿真移動通信系統(tǒng)項(xiàng)目8學(xué)習(xí)目標(biāo)在已有通信原理知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合移動通信系統(tǒng)的實(shí)際，完成從移動通信系統(tǒng)理論到實(shí)踐仿真的設(shè)計(jì)與實(shí)施。課程思政結(jié)合移動通信技術(shù)發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)的研究，認(rèn)識我國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要性，通過典型事件，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和攻關(guān)精神。認(rèn)知移動通信系統(tǒng)任務(wù)8.1任務(wù)目標(biāo)畫出移動通信系統(tǒng)的信號處理過程。任務(wù)分析理解移動通信信號處理流程，分析從手機(jī)到基站、基站到系統(tǒng)的信號處理過程。從移動通信信號處理角度來看，移動通信系統(tǒng)可抽象為相應(yīng)模型：任務(wù)8.1認(rèn)知移動通信系統(tǒng)8.1.1移動通信特點(diǎn)（1）移動通信必須利用無線電波進(jìn)行信息傳輸（2）無線電波傳播條件復(fù)雜（3）在強(qiáng)干擾條件下工作（4）具有多普勒效應(yīng)（5）移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜（6）頻帶的利用率要求高8.1.2移動通信的多址方式1．FDMA2．TDMA3．CDMA分析移動通信系統(tǒng)的信源編碼任務(wù)8.2任務(wù)目標(biāo)分析學(xué)過的通信系統(tǒng)的信源編碼技術(shù)，理解編碼原理和應(yīng)用場景。結(jié)合5G的發(fā)展，研究移動通信系統(tǒng)信源編碼的關(guān)鍵技術(shù)。利用仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)編碼的仿真。任務(wù)分析移動通信中常用的編碼技術(shù)有信源編碼和信道編碼

編碼技術(shù)信源編碼（語音編碼）信道編碼信源編碼簡介8.2.101020403波形編碼參數(shù)編碼混合編碼變換編碼8.2.1信源編碼簡介移動通信中，信源編碼主要是指語音編碼。語音編碼技術(shù)的主要作用是降低語音編碼速率，提高語音質(zhì)量。表8-1常見的語言編碼的原理與應(yīng)用語音編碼編碼原理說明波形編碼波形編碼以再現(xiàn)波形為目的，采用波形相關(guān)性采用線性預(yù)測技術(shù)，盡量真實(shí)地恢復(fù)原始語音波形。波形編碼是最簡單也是應(yīng)用最早的語音編碼方法。波形編碼實(shí)施簡單、語言質(zhì)量較高；不足之處就是，波形編碼帶寬需求較大。PCM編碼就是最基本的波形編碼，如：G.711建議中的A律或μ律。APCM、DPCM和ADPCM都屬于波形編碼，使用這些技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)有G.721、G.726、G.727等。預(yù)測編碼雖然語音信號是非平穩(wěn)信號，但在短時間段內(nèi)（30ms內(nèi)）具有平穩(wěn)信號的特點(diǎn)，所以對語音信號幅度進(jìn)行預(yù)測編碼是一種很好的方法。幾乎所有基于語音信號產(chǎn)生的全極點(diǎn)模型的參數(shù)編碼器都用到LPC（如G.728、G.729、G.723.1建議）。最簡單的預(yù)測是相鄰兩個樣點(diǎn)間求差分，編碼差分信號（如G.721）。但更多應(yīng)用的是語音信號的線性預(yù)測編碼（LPC）。參數(shù)編碼參量編碼是將人類語音信息用特定的聲源模型來表示，通過提取語音參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)參數(shù)量化的過程。該過程應(yīng)盡量減少最后合成的語音與原始語音的差別。發(fā)送端根據(jù)輸入語音提取模型參數(shù)并進(jìn)行編碼，用傳輸模型參數(shù)替代傳送以波形為基礎(chǔ)的語音信息，在接收端則將收到的模型參數(shù)譯碼，并重新混合出語音信號。參數(shù)編碼是建立在人類語音產(chǎn)生的全極點(diǎn)模型理論的基礎(chǔ)之上的，參數(shù)編碼器傳輸?shù)木幋a參數(shù)就是全極點(diǎn)模型的參數(shù)（基頻、線譜對、增益）。參數(shù)編碼的效率很高，帶寬消耗少，但自然度差，語音質(zhì)量難以提高。尤其是在背景噪音較大的環(huán)境下聲碼器不能正常工作。對人類語音來說，參數(shù)編碼器的編碼效率最高，但對音頻信號，參數(shù)編碼器就不太實(shí)用。典型的參數(shù)編碼器有LPC-10、LPC-10E，G.729、G.723.1以及CELP等碼本激勵聲碼器也都離不開參數(shù)編碼。變換編碼變換編碼的主要作業(yè)是音頻壓縮。近年來出現(xiàn)的低速率語音編碼中，正弦變換編碼（STC）、波形插值（WI）、小波變換和Gabor變換都有應(yīng)用。例如：G.722.1建議中采用的MLT變換，MPEG伴音壓縮算法（MP3）用到FFT和MDCT變換，AC-3杜比立體聲用到了MDCT。統(tǒng)計(jì)編碼統(tǒng)計(jì)編碼對存在統(tǒng)計(jì)冗余的信號的編碼效率很高。MPEG伴音和G.722.1建議中采納的哈夫曼變長編碼就是統(tǒng)計(jì)編碼。統(tǒng)計(jì)編碼在圖像編碼中大量應(yīng)用，但在語音編碼中，由于變長編碼容易引起誤碼擴(kuò)散，所以很少使用。8.2.2語音編碼標(biāo)準(zhǔn)表8-2語音編碼算法與標(biāo)準(zhǔn)分類算法算法名稱數(shù)據(jù)率標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場合質(zhì)量評分波形編碼PCM均勻量化

公共網(wǎng)ISDN配音4.0~4.5A（μ）A（μ）律64kbit/sG.711APCM自適應(yīng)量化32kbit/sG.721DPCM差分量化ADPCM自適應(yīng)差分量化32kbit/sG.72116~40kbit/sG.72616~40kbit/sG.727SB-ADPCM子帶－自適應(yīng)差分量化48~64kbit/sG.722參數(shù)編碼LPC10-E線性預(yù)測編碼2.4kbit/sFS-1015保密話音2.5~3.5MELP混合激勵LPC2.4kbit/s

混合編碼CELP碼本激勵LPC4.8kbit/sFS-1016軍事通信3.7~4.0VSELP矢量和激勵LPC8kbit/s

移動通信RPE-LTP長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵LPC13.2kbit/sGSMLD-CELP低時延碼激勵LPC16kbit/sG.728公用網(wǎng)ISDNCS-ACELP共軛結(jié)構(gòu)－代數(shù)碼激勵LPC8kbit/sG.729IP-Voc移動通信MP-MLQ-ACELP多脈沖－極大似然量化－代數(shù)碼激勵5.3/6.3kbit/sG.723.1PSTNH.324變換編碼SQVH標(biāo)量量化矢量哈夫曼編碼24，32kbit/sG.722.1公共網(wǎng)4.2MPEG多子帶感知編碼128kbit/s

CD5.0AC-3感知編碼300kbit/s

音響5.08.2.3用于移動通信的語音編碼表8-3用于移動通信的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)類型語音編碼速率（bps）GSM蜂窩RPE-LTP規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編碼13CD-900蜂窩SBC子帶編碼16IS54蜂窩VSELP矢量和激勵線形預(yù)測編碼器8IS-95蜂窩CELP碼本激勵線形預(yù)測編碼器1.2~9.6PDC蜂窩VSELP矢量和激勵線形預(yù)測編碼器4.5，6.7，11CT2無繩ADPCM32DECT無繩ADPCM32PHS無繩ADPCM32CS-1800蜂窩RPE-LTP規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編碼13PACS個人通信ADPCM32WCDMA蜂窩AMR8.2.4語音編碼發(fā)展趨勢語音編碼算法呈現(xiàn)窄帶話音和寬帶音頻兩種發(fā)展趨勢。寬帶音頻編碼追求的是50~22kHz高質(zhì)量的音頻編碼，對編碼數(shù)據(jù)率要求不嚴(yán)。窄帶話音編碼追求的是低比特率下的通信等級質(zhì)量，以降低速率和降低帶寬需求為主要目的。8.2.5GSM的語音編解碼（RPE-LTP）實(shí)例圖8-4

RPE-LTP語音編碼框圖8.2.5GSM的語音編解碼（RPE-LTP）實(shí)例 圖8-5RPE-LTP編碼過程示意圖8.2.6CDMA中的語音編碼實(shí)例1、CELP（CodeExcitedLinearPrediction）碼激勵線性預(yù)測編碼8.2.6CDMA中的語音編碼實(shí)例2、QCELP受激線性預(yù)測編碼CDMA數(shù)字移動電話的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)中采用了QCELP語言編碼方式。QCELP線性預(yù)測編碼（QualComm

Code

Excited

Linear

Predictive）被認(rèn)為是到目前為止效率最高的一種算法。CDMA系統(tǒng)中的QCELP可變速率聲碼器，主要原理是提取人說話時聲音的一些特征參數(shù)，然后將這些特征參數(shù)傳送到對方，然后對方根據(jù)雙方的約定用這些參數(shù)將聲音還原?？勺兯俾事暣a器的意思是聲碼器可以根據(jù)人說話聲音的大小和快慢改變編碼速率。8.2.7VoLTE語音編碼（AMR-WB語音編碼）自適應(yīng)多速率編碼（Adaptive

Multi-Rate，簡稱AMR）主要用于移動設(shè)備的音頻編碼，壓縮比較大，但相對其他的壓縮格式質(zhì)量較差。8.2.85G語音編碼隨著5G的發(fā)展，基于Voiceover5G（簡稱Vo5G）的語音、視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成熟。5G話音方案包括VoNR、VoeLTE、EPSFB、RATFB等眾多選項(xiàng)，目前用Vo5G統(tǒng)稱上述所有5G話音方案。Vo5G是基于IMS來提供，而VoLTE會成為5G時代的基礎(chǔ)話音網(wǎng)絡(luò)，與Vo5G協(xié)同一起保障話音服務(wù)的連續(xù)性。理解移動通信系統(tǒng)的信道編碼任務(wù)8.3任務(wù)目標(biāo)分析學(xué)過的通信系統(tǒng)的信道編碼技術(shù)，理解信道編碼原理和應(yīng)用場景。結(jié)合5G的發(fā)展研究移動通信系統(tǒng)信源編碼的關(guān)鍵技術(shù)。利用仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)編碼的仿真。任務(wù)分析從2G到5G系統(tǒng)發(fā)展過程中，信道編碼技術(shù)也在不斷的發(fā)展，了解信道編碼技術(shù)的發(fā)展，有助于理解信道編碼技術(shù)的演進(jìn)過程，進(jìn)而深入理解移動通信的信道編碼原理。8.3.1移動通信系統(tǒng)的數(shù)字信號處理實(shí)例GSM移動臺原理8.3.2信道編碼實(shí)例GSM系統(tǒng)的信道編碼A/D變換器對數(shù)線性變換器13kbit/SRPE編碼器20ms存儲160個樣本182個重要的語音比特個3奇儇檢驗(yàn)比特4個尾比特1/2速率信道碼規(guī)則脈沖編碼移動終端模擬語音交換機(jī)數(shù)字64kbit/s語音78個語音比特378比特456比特8.3.3交織編碼1、交織技術(shù)原理

圖8-11

分組交織碼的實(shí)現(xiàn)框圖例如：假設(shè)發(fā)送一組信息流，交織存儲器為一交織存儲矩陣A，它按列寫入，按行讀出。如下所示。

則：交織存儲器輸出到突發(fā)信道的信息為8.3.3交織編碼2、信道編碼后的幀結(jié)構(gòu)圖8-12

GSM中的分級幀結(jié)構(gòu)8.3.3交織編碼3、一次交織

圖8-14GSM的一次交織8.3.3交織編碼4、二次交織重排和交織過程如圖5、交織仿真表8-6

交織編碼模型圖中各圖符參數(shù)設(shè)置表編號圖符塊屬性類型參數(shù)0SourcePNSeqAmp=1V，Offset=0V，Rate=10Hz，Levels=2，Phase=0deg1OperatorSamplerNoN-Interpright，Rate=10Hz，Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec，4CommBlkCoderBCH，Codelength=15，InfoBitsk=7，Correctt=2，Threshhold=500e-3v，Offset=0bit/s5CommInterleaveMode=Interleave，Rows=15sampls，Colums=15smpls6CommInterleaveMode=De-Interleave，Rows=15sampls，Colums=15smpls8、10、12OperatorHoldLastValue，Gain=111FunctionPoly-1+2x13SourceGaussNoiseStdDev=1V，Mean=0V18OperatorSamplerNoN-Interpright，Rate=21.428751Hz，Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec，圖

8-17

交織仿真各點(diǎn)波形圖8.3.4移動通信系統(tǒng)的編碼過程實(shí)例下面以GSM為例，講述移動通信系統(tǒng)的信息編碼過程。GSM中的編碼過程包括：A/D、分段、RPE-LTP、信道編碼、交織。信息經(jīng)交織編碼形成8幀，每幀114bit。將114bit分成兩段，填入普通突發(fā)脈沖序列。8.3.5移動系統(tǒng)的話音編碼和信道編碼在GSM系統(tǒng)中，信道編碼采用了卷積、交織等方式（見圖8-19）。這種方式離編碼極限還有一段距離。到了WCDMA系統(tǒng)，引入了Turbo編碼，實(shí)現(xiàn)了性能的大躍進(jìn)，信道編碼性能已經(jīng)非常接近了編碼極限。因此，在LTE系統(tǒng)中仍然繼續(xù)沿用Turbo編碼。在5G系統(tǒng)，引入了LDPC以及Polar編碼，其編碼性能更接近編碼極限。8.3.6移動系統(tǒng)中不同信道的交織與編碼表8-8

對不同傳輸方式的交織與編碼信道和傳輸方式輸入速率kb/s輸入塊比特編碼輸出塊比特交織TCH/FSla1350奇偶校驗(yàn)碼（3bit），卷積碼1/24568個半突發(fā)lb132卷積碼1/2ll78無TCH/F9.612240卷積碼1/2，每輸出15bit打一個孔456復(fù)雜，22個不相等突發(fā)部分TCH/H4.86240卷積碼1/2，每輸出15bit打一個孔456復(fù)雜，22個不相等突發(fā)部分TCH/F4.86120附加32個空比特，卷積碼1/3456復(fù)雜，22個不相等突發(fā)部分TCH/F2.43.672卷積碼1/64568個半突發(fā)TCH/H2.43.6144卷積碼1/3456復(fù)雜，22個不相等突發(fā)部分SCH

25奇偶校驗(yàn)碼（10bit），卷積碼1/2781個突發(fā)RACH（+切換接入）8奇偶校驗(yàn)碼（6bit），卷積碼1/2361個接入突發(fā)在TCH/F和/H上的快速輔助信令184費(fèi)爾碼224/184，卷積碼1/24568個半突發(fā)TCH/8、SACCH、BCCH、PAGCH184費(fèi)爾碼224/184，卷積碼1/24564個全突發(fā)探秘擴(kuò)頻及與加擾任務(wù)8.4任務(wù)目標(biāo)理解移動通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻與加擾的原理與功能。任務(wù)分析結(jié)合具體的移動通信系統(tǒng)，分析擴(kuò)頻信號的處理流程，掌握加擾的過程與原理。理解擴(kuò)頻的處理過程，借助SystemView的工具對擴(kuò)頻的信號處理過程進(jìn)行分析與認(rèn)知。8.4.1擴(kuò)頻技術(shù)1、擴(kuò)頻通信的原理擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展了信號頻譜，在接收端解擴(kuò)還原了信息，這樣的系統(tǒng)帶來的好處是大大提高了抗干擾容限。理論分析表明，各種擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能與信息頻譜擴(kuò)展后的擴(kuò)頻信號帶寬比例有關(guān)。抗干擾容限與擴(kuò)頻處理增益成正比，擴(kuò)頻處理增益提高后，抗干擾容限大大提高，甚至信號在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴(kuò)頻設(shè)備總是將用戶信息的帶寬擴(kuò)展到數(shù)十倍、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益8.4.1擴(kuò)頻技術(shù)2、頻譜的擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)和直接序列擴(kuò)頻擴(kuò)頻通信原理8.4.1擴(kuò)頻技術(shù)所謂直接序列擴(kuò)頻（DS-DirectScquency），是用高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端直接去擴(kuò)展信號的頻譜，在接收端直接使用相同的擴(kuò)頻碼序列對擴(kuò)展的信號頻譜進(jìn)行解調(diào)，還原出原始的信息。8.4.2加擾加擾就是用一個偽隨機(jī)碼序列對擴(kuò)頻碼進(jìn)行相乘，對信號進(jìn)行加密。上行鏈路物理信道加擾的作用是區(qū)分用戶，下行鏈路加擾可以區(qū)分小區(qū)和信道。掌握移動通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)任務(wù)8.5任務(wù)目標(biāo)理解移動通信系統(tǒng)中主要的調(diào)制技術(shù)（BPSK、QPSK、QAM、OFDM、FBMC）的原理。任務(wù)分析通過對不同移動通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理的分析與仿真實(shí)踐，理解調(diào)制技術(shù)的發(fā)展歷程與不同調(diào)制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。8.5.1從2G到5G調(diào)制技術(shù)的發(fā)展在移動通信系統(tǒng)中，將低頻的模擬基帶信號搬移到適于信道傳輸?shù)母哳l段去發(fā)送。這種頻譜搬移過程就稱為調(diào)制，經(jīng)調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號通過信道傳輸?shù)浇邮斩撕?，則需要將收到的已調(diào)信號再搬移到低頻的原始基帶頻譜上，以恢復(fù)原始信號，這一搬移過程稱為解調(diào)。目前常用的數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)有正交幅度調(diào)制（QAM）、相位調(diào)制（BPSK、QPSK）、正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）等。在CDMA中采用的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)包括BPSK、QPSK、OQPSK、MPSK等。在前向信道中，主要采用QPSK調(diào)制技術(shù)；反向信道中，采用OQPSK/HPSK等調(diào)制技術(shù)。在4G中采用的是OFDM調(diào)制，在5G系統(tǒng)中采用了OFDM的改良版FBMC調(diào)制。8.5.2相位調(diào)制（BPSK、QPSK）BPSK信號的典型波形如圖8-24所示。8.5.3正交幅度調(diào)制（QAM）8.5.4OFDMOFDM信號頻譜示意圖8-27OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖掌握移動通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)任務(wù)8.5任務(wù)目標(biāo)理解移動通信系統(tǒng)中主要的調(diào)制技術(shù)（BPSK、QPSK、QAM、OFDM、FBMC）的原理。任務(wù)分析通過對不同移動通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理的分析與仿真實(shí)踐，理解