《移动通信技术与系统》课件第4章移动通信的基本技术.pptx

1、目 录ONTENTS目录02 信源编码技术4.1 4.1 信源编码技术04 为了使数据在数字移动通信系统或数字信道中有效传输，要对信源输出的信号进行变换，使之成为合适的数字脉冲串（一般为二进制脉冲），这就是信源编码。如果信源是模拟信源，则应先进行模拟/数字转换（A/D转换），将模拟信号变为数字信号，保证信号在时间上离散，在取值上为有限个状态。在数字移动通信系统中，信源编码的基本目的就是通过压缩信源产生的冗余信息来提高整个传输链路的有效性，即在保证一定的传输质量的前提下，用尽可能少的数字脉冲来表示信源产生的信息。信源编码在发送端将模拟信号转换成二进制数字信号，在接收端再将收到的数字信号还原为模拟

2、信号，这是由模拟网到数字网至关重要的一步。图4-1移动通信系统模型 4.1 信源编码技术05 通信信源中的模拟信号主要是语音信号和图像信号，而移动通信中最多的是语音信号，因而语音编码技术在数字移动通信中具有相当重要的作用，语音编码技术会直接影响到数字移动通信系统的通信质量、频谱利用率和系统容量。语音编码属于信源编码，它利用语音信号和人的听觉特性上的冗余性，在将冗余性进行压缩的同时，将模拟语音信号转变为数字信号。语音编码要求在保证一定的算法复杂度和通信时延的前提下，尽可能少的占用信道，同时尽可能传输高质量的语音信号。常见的信源信号的数字化按编码方法分有三种：波形编码、参量编码和混合编码。1 1波

3、形编码波形编码 波形编码是语音信号数字化的主要方法，是将时域的模拟信号直接进行抽样、量化和编码，从而变换成数字语音信号，称为A/D转换。波形编码技术以尽可能重构语音为原则进行数据压缩，即在编码端以波形逼近为原则对语音信号进行压缩编码，在译码端根据这些编码信息还原出原始语音信号的波形。4.1.1 信源编码基本概念 4.1 信源编码技术06 波形编码的优点是：具有很宽的语音带宽，能够对各种模拟语音信号进行编码；抗干扰能力强，能够还原出较好的语音信号，语音质量较高；相对于参量编码和混合编码方式，波形编码技术相对较成熟，复杂度低。但同时，波形编码由于对编码速率要求较高，占用频带宽度较宽，且所需要的编码

4、速率高，当编码速率低到16kbps以下时，编码质量将迅速下降。对于移动通信系统来说，频率资源相对紧张，不适合这种编码方式。典型的波形编码方式有：脉冲编码调制（PCM）、增量调制（AM），以及其改进型，如差分脉冲编码调制（DPCM）、自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）等。CCITT（国际电报电话咨询委员会）建议了两种语音波形编码方式：一种是30路PCM（欧洲标准），另一种是24路PCM（北美标准）。2 2参量编码参量编码 参量编码又称为声源编码或声码器，是以语音信号产生模型为基础的编码方法。构成声码器的主体是一个滤波器，它的系数和声源参数由语音信号的频谱特性决定。在发送端，先将表征语音信号的特

5、征参量提取出来，对其进行量化、编码，获得相应的数字信号，通过信道发送出去，在接收端，通过声码器变换，还原原有特征参量，重新合成相应的语音信号。参量编码并不着重于反映输入语音信号的原始波形，而更注重人耳的听觉特性，确保解码的可懂性和清晰度，主要用于数字电话通信中。参量编码由于只传送语音的特征参量，因此语音编码速率可以低至24.8kbps，且不影响语音可懂性。LPC（线性预测编码）就是参量编码的典型应用，目前移动通信系统的语音编码技术大都以这种类型的技术为基础。4.1 信源编码技术073 3混合编码混合编码 混合编码就是波形编码和参量编码的有机结合，它是近年来发展起来的一种低速语音编码技术。混合编

6、码将波形编码的高质量和参量编码的低速率结合，基于语音产生模型进行分析和合成，同时，又利用了语音时间波形信息，增强了重建语音的自然度，提高了语音质量。混合编码的比特率一般在416kbps之间，当编码速率在816kbps范围内时，其语音质量可以达到商用语音通信标准的要求。典型的混合编码有规则脉冲激励线性预测编码（RPE-LPC）、多脉冲激励线性预测编码（MPE-LPC）、矢量和激励线性预测编码（VSELPC）、码激励线性预测编码（CELP）、规则脉冲激励并具有长期预测的线性预测编码（RPE-LTP-LPC）等。常用的数字移动通信系统语音编码类型如下：标准服务类型语音编码GSM数字蜂窝网RPE-LT

7、P-LPCUSDC（IS-54）数字蜂窝网VSELPCIS-95（CDMA）数字蜂窝网CELPCT2、DECT、PHS数字无绳电话ADPCMDCS-1800个人通信系统RPE-LTP-LPCPACS个人通信系统ADPCM 4.1 信源编码技术08 移动通信中的信源编码与有线通信不同，它不仅需要对信息传输有效性进行保障，还应与其他一些系统指标密切相关，如容量、覆盖和质量等。如GSM系统，主要采用的是全速率语音编码和半速率语音编码，其速率分别是9.6kbps和4.8kbps，显然，全速率语音编码的通信质量较好，但是由于要求速率高，占用的系统资源也很大，而当对语音质量要求不是那么高时，可以通过降速来

8、换取容量的提升。1 1IS-95IS-95语音编码语音编码 IS-95中采用码激励线性预测编码（CELP），综合使用了线性预测、矢量量化、综合分析法等技术，并采用感觉加权滤波器来衡量语音的失真度，通过四个等级的变速率编码实现语音激活。4.1.2 移动通信中的信源编码 4.1 信源编码技术09图4-2CELP原理框图 CELP采用分帧技术进行编码，帧长一般为1030ms，每一帧又分为25个子帧，采用矢量量化（VQ）码本中的码字作为激励源，码本中每一个存储的码字矢量都可以代替余量信号作为可能的激励信号源，在编码时，对码本中的码字矢量逐个进行搜索，找到与输入语音误差最小的合成语音的码字矢量，将该矢量

9、的标号传送给接收端，在接收端用存储的同样码本根据收到的标号恢复出相应的码字矢量作为激励。CELP在4.816kbps范围内可以获得质量相当高的合成语音，并且具有较强的抗干扰能力，被广泛应用在16kbps的电话频带（约3003400Hz）语音压缩中。图中，每帧所需的激励序列选自某个码本中的一个波形样本矢量，每次编码时都在这个码本中搜索一个最佳的激励矢量，当用这个码字矢量去激励合成滤波器时，产生的合成语音和原始语音之间的感觉加权误差最小。4.1 信源编码技术102 2GPRS/WCDMAGPRS/WCDMA语音编码语音编码 现在很多数字移动通信设备都支持多媒体业务，特别是音频和视频播放功能，同时也

10、支持分组交换和电路交换方式。对于WCDMA来说，移动信道是随机变化的，固定速率的编码不能使系统工作在最佳的信源编码和信道编码速率上，因此，就需要一种能够根据信道要求随时调整编码速率的方法。自适应多速率编码（AMR）是一种增强型语音变频方式，属于语音编码方法。它是一种在较大数据传输速率范围内的编码器，也用在多种蜂窝系统中协调编码器标准。相比原有的GSM语音编码器采用固定的编码速率，AMR可以根据无线信道和传输状况来自适应地选择一种最佳信道模式（全速率或半速率）和信源编码模式进行编码传输，即AMR自适应技术包括两个方面，一个是信道模式自适应，一个是信源编码模式自适应。AMR多种语音速率与目前各种主

11、流移动通信系统使用的编码方式兼容，有利于设计多模终端。可提供8种语音速率：12.2kbps、10.2kbps、7.95kbps、7.40kbps、6.70kbps、5.90kbps、5.15kbps、4.75kbps。其中，12.2kbps的AMR声码器相当于GSM EFR编码器，7.40kbps的AMR声码器相当于US-TDMA（IS-641）声码器。利用AMR声码器，就有可能在网络容量、覆盖及语音质量之间按照需要进行折中。AMR主要用于移动设备的音频压缩，压缩比非常高，但音质较差，因此主要用于语音类的音频压缩，不适合对音质要求较高的音乐类音频压缩。4.1 信源编码技术113 3CDMA20

12、00CDMA2000语音编码语音编码 可选择模式语音编码（SMV）主要应用在CDMA2000通信系统中，取代EVRC声码器，并且提供更佳的语音服务和更大的灵活度。它有四种网络控制操作模式：Mode0（高品质模式）、Mode1（标准模式）、Mode2（经济模式）、Mode3（节省容量模式），不同模式实现了平均码速和语音质量的不同折中。SMV设计特别适合发挥CDMA网络的软容量这一优势，其中可变的模式是很好地解决无线蜂窝不断变化的特性的方案。SMV理论上适合所有的CDMA应用系统（包括2G、2.5G和3G），它非常适合3G宽带CDMA（W-CDMA），也能取代UMTS应用系统中的AMR声码器，能在

13、3GPP和3GPP2语音网络间提供无缝的互通协作。除了直接的网络容量增加以外，SMV的模式切换的灵活度可以实现动态的控制网络负荷，扩大有线网络的软容量。4 43G3G系统语音编码系统语音编码 在3GPP的R6、R7以及3GPP2的高演进版本中，视频通信业务采用了H.264/AVC（高级视频编码）的时频压缩标准。H.264是一种高度压缩数字视频编码器标准，从某种程度上看是MPEG的扩展。H.264最大优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的两倍以上，是MPEG-4的1.52倍。在H.264中，一副图像可编码成一个或若干个片，每个片包含整数个宏块（MB

14、，Macro Block），相当于一个完整图像中的不同区域，各数据片之间具有相关性，能够进一步压缩数据速率。信道编码技术4.2 4.2 信道编码技术13 信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道噪声和干扰，而在传输数据时加入多余的码元（监督码元），用以避免数据传输时出现差错。信道编码的主要作用是进行差错控制，用于检测差错的信道编码称为检错编码，既可检错又可纠错的信道编码称为纠错编码或抗干扰编码。移动通信系统要传输的是信息码，而为了达到检错纠错的目的，在传输信息码时，会额外加入一些码元，即监督码元。监督码元不携带用户信息，因此对于用户来说，监督码元是多余的，为冗余码元。一般来说，信道编码

15、引入的监督码元越多，其检错纠错能力越强，但是信道的传输效率会随之降低。4.2.1 码间距离及检、纠错能力1 1码间距离码间距离d d 码字：信息码元与冗余码元一起构成的消息块称为码字，用C表示。码长：码字中的码元个数称为码长，用n表示。码距：又称为汉明距离，指一个码组中任意两个码字之间对应位上的码元取值不同的个数，用d表示，即：式中表示码距d等于两个码字对应位模2加后“1”的个数。最小码距：码组中各个码字之间距离的最小值称为最小码距，用d0表示，又称为最小重量（码重）。4.2 信道编码技术142 2最小码距与检纠错能力的关系最小码距与检纠错能力的关系 信道编码就是通过插入监督码元的方式增加码距

16、，因此，码距实际上代表了检纠错能力，而最小码距的大小直接关系到信道编码的检纠错能力大小。当码组用于检测错误时，假设检错个数为e，则要求 ；若码组用于纠正t个错码，则要求 ；若码组用于纠正t个错码，同时还能检测e个错码，则 。4.2.2 信道编码的分类 信道编码按照不同的方法，可分成以下几类：1按监督码位的功能不同，可分为检错码和纠错码。检错码仅具有发现差错的能力，在发现差错时，接收端向发送端发出请求，要求重新发送信息；而纠错码不仅能够检出错误，还具备一定的纠错能力。2按码组中监督码元与信息码元之间的关系不同，可分为线性码和非线性码。线性码指监督码元与信息码元之间存在着线性关系，即满足一线性方程

17、；反之，则为非线性码。3按码组中监督码元与信息码元之间的约束方式不同，可分为分组码和卷积码。分组码是把信息序列划分为k个码元的小段，然后由k个码元按一定的规则产生r个监督码元，构成码长的码字，即本码组中的监督码元仅与同一码组的信息码元相关；而卷积码的监督码元不仅与本组信息码元相关，还与前面若干组信息码元有关。4.2 信道编码技术154.2.3 常用的信道编码1 1线性分组码线性分组码 分组码是在发送的信息码元中加上一些监督码元，使在信道中传输的信息形成一定长度的码组，记为（n，k），其中，n为一个码组的长度，k为信息码的长度，为监督码的长度。监督码元与信息码元之间存在某种特定的关系，利用这种关

18、系可以在接收端对接收到的码元进行检错或纠错。线性分组码中的监督码元的形成是按照线性方程生成的，线性码建立在代数学群论基础上，利用代数关系构造的，因而又称数码。线性分组码中，个监督位是由k个信息位的线性组合产生，每个码字中的r个监督码元仅与本组的信息码元有关，而与别组无关。线性分组码的构造如图4-3所示：图4-3线性分组码构造 4.2 信道编码技术16 下面以（7,3）线性分组码为例，说明线性分组码的产生。线性分组码（7,3），表示信息码元每3位为一组进行编码，即输入信息位长度 ，编码器输出组长度 ，因此监督位长度 ，编码效率 。假设输入信息位 ，输出码元记为 ，编码的线性方程如下：c0=m0

19、c1=m1 c2=m2 c3=m0m2 c4=m0m1m2 c5=m0m1 c6=m1m2 4.2 信道编码技术17 可见，在输出码组中，前三位码元就是信息位的简单重复，后四位码元是监督位，是由3个信息码的线性组合构成。由此可得到8个许用码组如下表：信息位监督位信息位监督位c0，c1，c2c3，c4，c5，c6c0，c1，c2c3，c4，c5，c600000001001110001110110100110100111110100101110101110100 因此，输出码组写成对应的矩阵形式为：4.2 信道编码技术18 式中，G称为生成矩阵。将上述编码方程中后四位监督位方程改写为 c3=m0m

20、2=c0c2 c4=m0m1m2=c0c1c2 c5=m0m1=c0c1 c6=m1m2=c1c2 可以得到 c0c2c3=0 c0c1c2c4=0 c0c1c5=0 c1c2c6=0 将上述线性方程写成矩阵形式 简记为：4.2 信道编码技术19 其中，H为线性码的监督矩阵。只要监督矩阵给定，编码时监督位和信息位的关系就可以确定，H的行数是监督关系式的个数，等于监督位的个数r，H的列数是码长n，因此H为 矩阵。通常生成矩阵G用于编码，监督矩阵H用于解码。若假设发送端码字为 ，接收端码字为 a ，当 时，则 ，这种情况下判断为传输正确，没有误码出现。在上式中，若传输中存在干扰，出现误码，设误码错

21、误图样为E=（e0，e1，e2，e3，e4，e5，e6），当ei=1时，认为第i位码元出现错误，ei=0时没有错误，则R=CE，可得到 。式中，S为伴随式，即每一种错误伴随一个S，又称为校正子（校验子）。S是1r的行矢量，由r个元素构成，可算得，S一定等于HT的第i行或者等于监督矩阵H的第i列。对于（7,3）线性分组码来说，四个监督方程式会得到4个校正子S1、S2、S3、S4，假设校正子码组与误码位置的对应关系如下表所示：S1、S2、S3、S4误码位置S1、S2、S3、S4误码位置1110e00100e40111e10010e51101e20001e61000e30000无错 4.2 信道编码

22、技术20 对于线性分组码，可以检测并纠正误码的个数与码长和监督位长度相关。假设要至少纠正t个误码，则所有可能的校验图样的个数至少等于最多t个误码发生的所有可能的情况的个数。即对于（n，k）码，r=n-k，必须满足 例如，要纠正单个误码，即t=1时，若r=3，则n最多不能大于7比特，因此，对于（7,3）线性分组码，当H的所有列都不相同时，可以检测并纠正出1个误码。而要纠正两个误码，则需要采用（10,4）码、（11,5）码等，若要纠正至少3个误码，可用（15,5）码、（23,12）码等。2 2循环码循环码 循环码是一种线性分组码，如果线性分组码中各码字的码元循环左移位（或右移位）所形成的码字仍然是

23、码组中的一个码字（全零码除外），则这种码被称为循环码。循环码有许多特殊的代数性质，检错能力较强，易于实现，能够用带反馈的移位寄存器实现其硬件，且性能较好，不但可以纠正独立的随机差错，还可以用于纠正突发差错。4.2 信道编码技术21 1）循环码的多项式表示因为循环码的循环性，不论循环码右移或左移，移位位数多少，其结果均为循环码组。对任意一个码长为n的循环码，一定可以找到一个唯一的n-1次多项式表示，这个多项式称为码多项式。若许用码组A=（an-1，an-2，a1，a0），则相应的多项式表示为 这里的x为任意的时变量，它的幂次代表移位的次数。当上述许用码组向左循环移一位时，得到的码组记为A（1）=

24、（an-2，an-3，a0，an-1），则其多项式为 左移i位后的码组A（i）=（an-i-1，an-i-2，an-i+1，an-i），则其多项式为 A（i）（x）可用下式由xiA（x）求得 式中，Q（x）是商，A（i）（x）是余式。上式也可以表示为 4.2 信道编码技术22 即可以理解为，若A（x）是码长为n的循环码中的一个码多项式，则xA（x）按模xn+1运算得出的余式，也必定为该循环码中的另一个码多项式。例如，某循环码组为101001，则A（x）=x5+x3+1。若将该码组左移一位，则可得 该式中，余式为A（1）（x）=x4+x+1，其对应的码组为010011，显然，这个结果与将循环码组

25、101001直接左移一位是相同的。由此可知，循环码的每一个码字都是按模xn+1运算的余式。应该注意的是，模2加运算中，需要用加法代替减法。2）生成多项式 在循环码中，一个（n，k）循环码有2k个不同的码组，除了全零码之外，循环码中的码字最多只能有k-1个连“0”，则若用一个多项式g（x）表示其中前（k-1）位皆为“0”的码组，那么这个多项式就必然为一个（n-1）-（k-1）=（n-k）次的多项式，且仅有一个（n-k）次的多项式。这个码多项式就是生成多项式g（x）。确定了g（x），整个（n，k）循环码就被确定了。以（7，k）循环码为例，其中r=7-k，因此，要想找到生成多项式g（x），就必须找到

26、x7+1的因式，由因式分解得到 4.2 信道编码技术23 若循环码为（7,4）循环码，则后两个具有x3的因式 和 中的任一个都可以作为g（x）生成多项式使用，就可以得到（7,4）循环码的两种可能码组形式，其中r=3。若为（7,3）循环码，则求解生成多项式时，必须考虑因式中要含有x4，因此，可用 ，采用模2加，得到因式 作为g（x），或者也可以用 ，采用模2加，得到因式 ，也可作为g（x）使用。由上式可以得到（7，k）循环码的生成多项式有 任何（n，k）循环码的生成多项式g（x），乘以（x+1）后得到生成多项式g（x）（x+1），由此而构造的循环码（n，k-1），其最小码距增加1，因此可以认为，

27、（n，k-1）循环码是（n，k）循环码的一个子集。4.2 信道编码技术24 3）生成矩阵和监督矩阵 找出生成多项式g（x）后，可得到相应的生成矩阵G。由于g（x）是n-k次多项式，将与此相对应的码组作为生成矩阵的最后一行，则通过对g（x）移位，得到相应的多项式xg（x）、x2g（x）、xk-1g（x），这些多项式之间必定是线性无关的。把这k个多项式相对应的各个码组作为矩阵的各行，即得到生成矩阵G，从而可以得到2k个可能的码字作为循环码码组。生成多项式G可以表示为：若发送的信息码元为（ck-1，ck-2，c1，c0），则相应的循环码多项式为：表明，所有码多项式必定是g（x）的倍式。4.2 信道编

28、码技术25 在（n，k）循环码中，若已知生成多项式g（x），则可以利用xn+1的因式分解得到相应的监督多项式h（x）为因此可得相应的监督矩阵为可以验证，有 。由生成矩阵得到的循环码并非是系统码，在系统码中，码组最左边k位是信息码元，右边n-k位是监督码元，因此，码多项式可写为：4.2 信道编码技术26 其中，为监督码多项式，其相应的监督码元为（rn-k-1，r0）。由此可知，在循环码编码时，只需将发送的信息码元升n-k次幂（即乘以xn-k），然后除以g（x），所得的余式r（x）即为监督码元。而编码后的循环码组为 。例：例：已知（7,3）循环码的生成多项式为 ，若信息码为111，求编码后的循环码

29、组。解：信息码多项式为 则可得 ，对应码组为1110000 因此，转换成码组为0100 编码后的循环码组为1110100。4.2 信道编码技术27 4）循环编码器 对循环码而言，其编码方式实际上可以看成是将信息码多项式C（x）升n-k次幂后除以生成多项式g（x），再将余式r（x）放在升幂后的信息码多项式后构成的。对于中间涉及到的多项式除法，除了可以用长除直式计算外，还可以利用带反馈的线性移位寄存器来实现。这种除法电路一般有两种：一种是采用“内接”的异或（模2加）电路，另一种是采用“外接”的异或电路。在实际中，通常采用内接异或的除法电路实现。内接异或门除法电路的工作过程与长除直式的过程完全一致，

30、每当一个“1”移出寄存器进入反馈线时，就相当于从被除式中“减去”除式（这里的“减”仍然是模2加）。仍然以（7,3）循环码为例，若信息码为111，生成多项式 ，则使用的循环编码器如图4-4图4-4（7,3）循环码编码器 4.2 信道编码技术28 当信息码输入时，开关K1、K2向下，输入的码元一方面送入除法电路，一方面直接输出。当信息码全部输入除法电路后，开关向上，反馈线断开，这时输出端接到寄存器，将寄存器中存储的余数依次移位取出，构成码字。除法编码过程如下表：输入移位寄存器abcd反馈输出0初始状态：0 0 0 000111 1 0 1 1 0 1 0 1 余数 0 0 1 0100111000

31、00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0无反馈0100 4.2 信道编码技术293 3卷积码卷积码 前面介绍的分组码是在k比特信息码后面加上r位监督码元，构成n位码元长度的码组，每个码组的r个监督码元仅与本码组的k个信息位有关，而与其它码组无关。为了达到一定的纠错检错能力，分组码的码组长度都比较长，编译码时需要用到较大存储量的寄存器，会产生较大的时延。卷积码与分组码相比，它也是将k个信息码元编码成n位码元长度，但由于卷积码编码码组中的监督码元不仅与本码组信息码相关，还与前面（N-1）段的信息码有关，因此，在编码过程中，对k和n的长度要求都不大，可以传输短信息，延时相对较小。卷

32、积码一般可以表示为（n，k，m），其中，n为编码输出码元长度，k为编码输入信息码长度，m为编码器中寄存器的个数，也可以理解为输出的当前码组的n位码元与前面m-1个连续时刻的输入信息码元相关。卷积码的编码器结构如图4-5所示图4-5卷积码编码器框图 4.2 信道编码技术30 卷积码编码器中共有m个输入移位寄存器，每个寄存器中都有k位用来放置m个信息码组的码元数据，整个寄存器共有mk位，除此之外，编码器中还包括一组模2相加器，以及一个n位的输出移位寄存器。从图中可以看出，卷积码编码输出n位信息不仅与当前的k个输入信息有关，还和之前的（m-1）k个输入信息有关。通常把m称为卷积码的约束长度，它表示编

33、码过程中相互约束的分支码数。卷积码的编码效率为R=k/n。卷积码的描述可以有两种类型：图形法和解析法。图形法有树状图、网格图和状态图，解析法就是用数学公式直接表达，有离散卷积法、码生成多项式法等。1）树状图 以（2,1,3）卷积码为例，在卷积码编码器中，输出移位寄存器用转换开关代替，每当输入一位信息码元，编码输出两位信息码元。图4-6（2,1,3）卷积码编码器 4.2 信道编码技术31 假设移位寄存器初始状态为0，若第一位输入码元为0，则输出为00；若第一位输入码元为1，则输出为11。从第二位输入码元开始，第一位往右移一位，,为m0，第二位输入码元为m1，此时输出x2,1=m1m0，同时受m1

34、和m0影响；当第三位码元输入时，第一位往右再移一位，而刚才输入的第二位码元也同时往右移一位，此时会输出两个由这三位移位寄存器存储内容共同决定的码元；当第四位码元输入时，之前的第一位码元移出移位寄存器消失，此时输出码元由当前存储于三位移位寄存器中的内容决定。以此类推，可知，移位过程可能产生的各种序列可以用树状图表示。树状图以时序关系为横轴进行展开，展示出编码器的所有输入和输出的可能状态。从节点a开始画，表示移位寄存器初始状态为00。当第一个输入m1=0时，输出x1,1x2,1=00；若m1=1，输出x1,1x2,1=11。所以，从a点出发会有两条支路，m1=0表示选取上面一条支路，m1=1表示选

35、取下面一条支路。当输入第二个信息码元时，移位寄存器往右移一位，上支路移位寄存器状态仍为00，下支路状态则为01，树状图继续分叉，形成4条支路，2条向上，2条向下，上支路对应输入码元为0，下支路对应输入码元为1。以此类推，最终形成二叉树图形。图4-7（2,1,3）卷积码树状图 4.2 信道编码技术32 树状图中，每条树杈上所标注的码元为输出码元，每个节点上标注的a，b，c，d为移位寄存器的状态，树状图有4个基本状态a=00，b=01，c=10，d=11。显然，对于第j个输入信息码元，有2j条支路，从第4条支路开始，树状图上下两部分完全相同。例如，输入信息码元序列为1101，则根据树状图，输出码字

36、为11010100。2）网格图 将树状图用一种更为紧凑的图形表示，即网格图。网格图既有明显的时序关系，又不产生重复图形结构，特别适用于卷积码的译码。网格图中，把树状图里具有相同状态的节点合并在一起，编码器从一种状态转移到另一种状态，状态每变化一次就输出一个分支码元，两个节点的连线表示一个确定的状态转移方向，输入码元为0，表示上支路，用实线表示，输入码元为1，表示下支路，用虚线表示。连线上的数字就是相应的输出码字。例如，输入信息码序列为1011，在网格图中找出编码路径，得到输出码字为11100001。图4-8（2,1,3）卷积码网格图 4.2 信道编码技术33 3）状态图 卷积码还可以用状态图表

37、示，对于（2,1,3）卷积码，由于4个基本状态a=00，b=01，c=10，d=11，对每个输入的信息码元，编码器状态都有两种变化可能，就如同网格图和树状图中所显示的上支路和下支路两个分支，将这两种状态的变化转移用图来表示，就形成了卷积码的状态图。图中两个自闭合圆环分表表示a-a和d-d的状态转移。图4-9（2,1,3）卷积码状态图 调制技术4.3 4.3 调制技术35 调制技术是把基带信号变换成传输信号的过程。移动通信系统中，信源产生的模拟信号通过抽样、量化、编码后成为可在信道中传输的二进制基带信号，要想让信号能适应移动通信系统的信道传输，需要对信号再次进行调制，将基带信号转换成适合信道传输

38、的调制信号。移动通信系统中广泛使用载波频率的调制或变换来使信息在需要的载波频率上传输或进行特定的操作，通信系统在工作时，信号会在大气层中进行传输，低频信号会急剧衰减，而较高频率范围的信号可以传播到很远的距离，因此信号往往要求发送在射频段，如我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段，即905915MHz为移动台发、基站收频段，950960MHz为基站发、移动台收频段。在此频段中传输信号，即要求信号要从基带跃迁到频带，必须通过调制完成基带信号的频谱搬移，将低频信号调制到高频段，达到匹配无线信道的目的。移动通信时，会要求将多路信号互不干扰地在同一物理信道中传输，高频段的信号易

39、于实现信道复用，同时，将信号调制到更高的频率，可以减小发射和接收天线的尺寸。调制技术根据传输信号的种类可分为模拟调制和数字调制两大类，其中模拟调制包括调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）等，数字调制包括幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。对数字移动通信系统来说，调制就是用数字信号对载波信号的参数进行处理，将载波信号变换成为能够携带数字信息序列的适应于数字移动通信信道传输的信号。它对载波的调制与模拟信号对载波的调制类似，同样是去控制正弦振荡的振幅、频率或相位的变化。但由于数字信号的特点时间和幅度上的离散性，使受控参数离散化而出现“开关控制”，因此称为“键控法”。4.3

40、 调制技术36 数字信号可以是二进制的，也可以是多进制的，若用二进制数字信号去调制载波信号，则调制方法为2ASK、2FSK、2PSK。在高速数字调制中，一般更常用多进制数字信号对载波进行调制，采用多幅调制（MASK）和多相调制（MPSK）。4.3.1 二进制数字调制 当调制信号为二进制数字信号时，调制就称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。1 1二进制幅移键控（二进制幅移键控（2ASK2ASK）顾名思义，2ASK指载波幅度随调制信号而变化的，调制信号只针对载波的幅度进行处理，调制后的信号其频率和相位仍然与原载波相同。2ASK可以用开关电路来实现，载波在

41、二进制调制信号1或0的控制下通或断，这种键控方式又称为通-断键控（OOK）。图4-102ASK模型框图 4.3 调制技术37 设数字信号为SD（t），载波为 ，输出信号为SASK（t）则可得2ASK信号时域表达式为 因为SD（t）是二进制数字信号，故 由此，可得到2ASK信号。图4-11 2ASK信号波形，其中，TS是信号间隔。4.3 调制技术382 2二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK2FSK）2FSK是用不同频率的载波来传送数字信号的，可用“1”表示频率为1的载波，用“0”表示频率为2的载波，1和2之间的改变可瞬时完成。如图所示为2FSK信号产生电路及已调信号波形。采用键控法，用数字

42、矩形脉冲控制电子开关，使开关在两个不同频率的振荡器之间切换，当数字信号为“1”时，开关切换到载波f1，当数字信号为“0”时，开关切换到载波f2，输出为交替出现的两个载波信号。需要注意的是，根据调制方式的不同，频移键控调制时有可能出现相位不连续的FSK信号，也有可能出现相位连续的FSK信号，若两个频率转接处相位不连续，调制信号功率谱就会产生很强的旁瓣分量，若此时通过带限信道，就会波形失真。图4-122FSK模型框图图4-132FSK信号的产生及波形 4.3 调制技术393 3二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK2PSK）2PSK一般用同一个载波进行调制，取载波的不同相位代表数字信号。PSK系

43、统抗噪性能优于ASK和FSK，且频带利用率较高，在中、高速数字移动通信中应用较多。PSK有两种形式，一种是绝对调相（PSK），另一种是相对调相（DPSK）。绝对调相就是用载波的不同相位对数字信号进行传输，2PSK一般是用0和表示载波的两个相位；相对调相则是利用载波的相对相位变化表示数字信号的相移方式，也称差分调相。例如，现有数字信息序列1011001，首先，求得相应的绝对码和相对码如下：SD（t）：1 0 1 1 0 0 1 绝对码：1 0 1 1 0 0 1 相对码：1 1 0 1 1 1 0 可得2PSK及2DPSK波形如图4-14所示：图4-142PSK及2DPSK波形 4.3 调制技术

44、40 可以看出，2DPSK的调制信号波形与它前一位码元相位有关，若当前信息码元为0，则波形相位与前一码元波形相位相同，若当前信息码元为1，则波形相位与前一码元波形相位相反。用数字信息序列表示2DPSK信号的码元相位关系如下：数字序列：1 0 1 1 0 0 1 2DPSK相位：0 0 0 参考相位为0时 或 0 0 0 0 0 参考相位为时4.3.2 多进制数字调制 数字移动通信系统中，若传输的信息码元状态数目大于2，则传输的数字信号为多进制信号，M进制的信号有 个二进制符号。由此可见，多进制系统传输速率是二进制系统传输速率的n倍，在相同的系统传信率下，多进制的信道数码率低于二进制的信道数码率

45、，所需信道带宽相对二进制较小，提高了频带利用率。多进制数字调制技术种类较多，常见的有多进制键控（MASK、MFSK、MPSK），最小频移键控（MSK），正交幅度调制（QAM）等。4.3 调制技术411 1多进制幅移键控（多进制幅移键控（MASKMASK）MASK又称为多电平调幅，其调制信号表达式为：式中，g(t)为基带信号波形，0是载波角频率，T0是信号间隔，an是幅度值。an取不同的电平值：MASK的调制方法与2ASK相同，只是基带信号由二电平变为多电平，为此，可以将二进制信息序列分成n个为一组，变换成M电平基带信号，再送入调制器。MASK调制波形是多种幅度的同频载波键控信号的叠加，在某一个

46、码元位置上只可能出现一种幅度，因此，MASK信号的带宽与2ASK相同，而信息传输速率是二进制的 倍。MASK调制时采用的调制器为线性调制器，即已调信号幅度应与输入基带信号幅度成正比，调制时，可采用双边带调制、单边带调制、残留边带调制等方法，调制原理与模拟调制完全相同。4.3 调制技术422 2多进制相移键控（多进制相移键控（MPSKMPSK）MPSK是多进制键控的主要方式，又称多相制。通常采用的MPSK有4相制、8相制等，可用2的次方来表示。M进制相移键控中，载波相位有M种取值，所对应的多相键控信号sMPSK（t）可以表示为：式中，是载波在 时刻的相位，它的出现概率 其取值通常为等间隔。将 因

47、式分解，可得 4.3 调制技术43 令 ，则多相键控信号sMPSK（t）可写为 多相制信号可以用矢量图来表示，以2PSK、4PSK和8PSK为例，其相位状态各有两种方式，分别表示如下：4.3 调制技术44 用矢量图表示即为图4-15MPSK矢量图 4.3 调制技术453 3正交幅度调制（正交幅度调制（QAMQAM）在MPSK调制中，传输信号幅度一定，因此幅度点组合起来形成一个圆周，我们称之为星座图。对于MPSK调制来说，星座图中显示出来的幅度矢量点因为都集中分布在一个圆周上，因此，M的数值越大，各矢量点之间的距离就越小。若允许传输信号的幅度可随着相位的变化而改变，则星座图不再是一个圆周，而变得

48、层次分明，能够充分利用信号平面，同时，也能尽可能不减小幅度的矢量点之间的最小距离。这种调制方法就是幅度与相位相结合的多进制调制方法，称为正交幅度调制（QAM），又可称为幅相键控（APK）。QAM信号可用下式表示：式中，g（t）是宽度为T的单个矩形脉冲。an的取值为 ，的取值为 。显然，QAM信号的可能状态数为mn。若m=n=4，则可以合成16QAM信号。4.3 调制技术46图4-1616PSK和16QAM星座图 16PSK的星座图和16QAM的星座图如下图所示。QAM的星座图应用非常广泛，其图形常为矩形或十字形，其中，M=4、16、64、256时，星座图为矩形，而M=32、128时星座图则为十

49、字形。设调制信号的最大幅度为1，则MPSK时，星座图上幅度矢量点之间的最小距离为 而QAM时，若星座图为矩形，则最小距离为 当M=4时，即4PSK的星座图与4QAM的星座图相同，而M4时，QAM的最小距离就要比MPSK的最小距离大，因此可知，QAM的抗干扰能力要优于MPSK。4.3 调制技术474 4最小频移键控（最小频移键控（MSKMSK）最小频移键控MSK是频移键控FSK的一种改进形式，是相位连续、包络恒定的2FSK。在FSK调制时，从一个码元到另一个码元时，两码元之间频率跳变，相位可能会不连续，而MSK具有正交信号的最小频差，能保持相位连续，解决了包络起伏的问题。MSK信号可表示为 式中

50、，fc为载波频率，A为已调信号幅度，是随着时间变化而发生连续变化的相位。设要发送的数据信号 ，码元长度为Tb，则在一个码元时间内，分别用两个不同频率f1、f2的正弦信号表示2FSK信号，可得 其中，1=2f1，2=2f2，定义载波角频率为 1和2相对于c的角频偏为 4.3 调制技术48 定义调制指数为：，f1和f2分别为对应于2FSK信号的两种符号频率。根据以上公式，可以重写MSK信号为 显然，MSK调制中，h=0.5，由于一般频移键控信号的调制指数都大于0.5，而当h=0.5时，满足在码元交替点相位连续的条件，是频移键控为保证良好误码性能所允许的最小调制指数，此时，FSK调制信号波形相关系数