移动通信第3章.

第3章关键技术语音编解码技术调制与解调技术扩频通信分集接收技术链路自适应技术OFDM技术软件无线电技术智能天线MIMO技术联合检测认知无线电技术（RC）学习目标理解并掌握GSM系统和CDMA系统中的语音编码、调制解调、扩频通信、分集技术这些关键基础技术。了解链路自适应技术，掌握链路自适应技术的基本概念，包括自适应调制、自适应差错控制、反馈信令设计等。理解正交频分复用技术（OFDM）的基本原理，了解其与多输入多输出系统（MIMO）相结合的应用。了解软件无线电的发展历程，理解软件无线电的基本原理，包括宽带/多频段天线与宽带射频模块、模数转换部分、高速并行DSP技术等各个部分模块的作用及功能。理解智能天线的基本原理与应用，包括智能天线的接受准则和自适应算法。掌握多输入多输出系统（MIMO）的基本原理、核心技术与应用。3.1语音编解码技术GSM语音编解码技术简介CDMA中的语音编解码技术简介AMR语音编码技术简介中国移动用的标准是TD-SCDMA，虽然现在用的是3G手机，实际上上网用的是3G网络，而话音用的是2G网络，即GSM网络。目前，降低话音编码速率和提高话音质量是国际上语音编码技术的两个主要研究方向。因为，语音编码速率与传输信号带宽成比例关系。即语音编码速率减半，则传输信号所占用带宽也减半，这样系统容量就增加1倍。（即原来是5个用户，现在可变为10个用户了）。05kHz10kHz010kHz如传输信号所占带宽为10kHz，则只能有1个用户。如传输信号所占带宽为5kHz，则可以有2个用户。注意：带宽=速率05kbps10kbps010kbps如传输信号速率为10kbps，则只能有1个用户。如传输信号速率为5kbps，则可以有2个用户。第2代才真正应用相同的频带，可以提供更多的用户语音编码技术是将语音波形通过采样、量化，然后利用二进制码表示出来。即是将模拟信号转变为数字信号，然后在信道中传输；语音解码技术是上述过程的逆过程。11声音定义：声音是一种连续的模拟信号——声波。声音的数字化媒体的数字化量化采样编码模拟信号数字信号采样采样即对模拟信号，每隔一定间隔，如10ms，抽取波形，抽取后变为不连续的波形。1.4伏2.4伏量化量化：即把电压取整数。如幅度为2.4伏的电压，而量化级数为4个数字电压，则量化为2伏的电压了。编码：如用2位编码，则0伏为00，1伏为01，2伏为10，3伏为11，即为2位二进制编码。0123抽取的第1个点为1.4v，量化为1v，编码为01。抽取的第2个点为2.4v，量化为2v，编码为10。最后得到的数字信号为0110。波形为：0伏为00，1伏为01，2伏为10，3伏为11语音编码主要分为:1波形编码：压缩数据量不大，话音失真小2参数编码：压缩数据量大，话音失真大3混合编码GSM中使用CDMA中使用1．波形编码该技术主要用于有线电话网上，它压缩的数据量少，话音质量高。它基于时域模拟话音的波形，按一定的速率采样、量化，对每个量化点用代码表示。解码是相反过程，将接收的数字信号经解码和滤波后恢复成模拟信号。波形编码能提供很好的话音质量，但编码速率较高，为16kbps-64kbps，适合有线。常见的波形编码技术包括有脉冲编码调制（PCM）、差分脉冲编码调制（DPCM）等。PCM带宽计算：如采样频率为8kHz,量化位数为8bit，则带宽为8kHz*8bit=64kbps。即8000次/秒*8bit/次=64000bit/秒=64kbps因此PCM编码速率较高。注意：带宽=速率音频数据量（B）=采样时间(s)*采样频率(Hz,次数/s)*量化位数(bit/次)/8例如计算3分钟，16位量化位数,44.1kHz采样频率声音的数据量为：音频数据量=180*44100*16/8=15876000B=15.14MB2．参数编码参数编码又称声源编码，该技术考虑了人的发声的机理，并建立数学模型，根据输入语音得出模型参数并传输，在收端恢复。它从模拟话音中提取各个特征参量并进行量化编码，可实现低速率语音编码，即1.2-4.8kbps，但话音质量只能达到中等。常见的参数编码技术包括有线性预测（LPC）声码器和余弦声码器等。80年代中期人们又对LPC声码器进行了改进，提出了混合激励、规则激励等。3．混合编码混合编码是将波形编码和参数编码结合起来，吸收有波形编码的高质量和参数编码的低速率这两者之优点。常见的混合编码技术有基于线性预测技术的分析-合成编码算法，如GSM系统的规则脉冲激励-长期预测编码（RPE-LTP）混合编码方案等。kbpsCDMA2000自适应差分脉冲编码调制手机中听到立体声的音乐信道好则采用高速率传输，信道不好则采用低速率传输不传输信号胸腔的气流冲击声带，并通过声道发出去男子声带长而宽，声音低，女子声带短而窄，声音高纵轴是声音的强度，浊音有规律，其周期为Tp清音无规律，声压低，类似于白噪声。横轴是时间轴纵轴是声音的强度，浊音有规律，其周期为Tp清音无规律，声压低，类似于白噪声。横轴是时间轴fp=1/Tp,浊音是一个一个的尖峰2fp浊音频谱清音频谱横轴是频率轴因此，可以用周期性的波形来模拟浊音，而用白噪声来模拟清音。所有频率具有相同能量密度的随机噪声称为白噪声。即清音和浊音模拟口腔和鼻腔的时变的滤波器基音的周期传输的是模型的参数，非常少,见下一页模拟口腔和鼻腔模拟浊音模拟清音增益，即放大倍数我们说一个字，维持在零点几秒到几秒的时间。这段时间语音变化并不大。这样我们在几十个或几百个毫秒才传输这样一个参数，这样就可以大大降低编码的速率。根据语音以前的信息来预测参数下一阶段的变化，通过不断地修正这个变化，来跟踪声道的特性声道的传递函数，见下一页和估算值G是增益，即信号的放大倍数输出信号输入信号传递函数传递函数输出信号输入信号输出信号频率f频率f频率f低通滤波器不需要掌握误差信号发送端发送过来移位电路实现预测得到的X(n)即建立的模型和原始话音之间的误差用规则脉冲模拟浊音，使激励模型更为准确即用LPC出来的信息与原始信息的差值送到收端不同激励语音合成模型精细结构频谱包络浊音，只传周期清音脉冲的周期和幅度均不同，这样来模拟浊音，GSM用长时延相关滤波器短时延相关滤波器分析参数，合成是引入原始及预测的误差用码本模拟，CDMA用，见下一页短时延相关滤波器CELP是对人的语音进行大量的统计，形成一个码本，就象字典一样。它传输时，不是传输脉冲的周期及幅度，而是传输码本的编号。相当于传字典中那一页中的那一个字。这样减小传输的信息量。这是在IS-95，即CDMA系统中采用的方式。它比GSM传输的信息更少，但能达到更好的语音质量。脉冲的周期及幅度都在变化，GSM中用GSM中用CDMA中用产生脉冲GSM语音编码提取模型参数序列选择S0GSM语音译码根据说话的变化既有大小又有方向的量，码表矢量见下一页见下一页QCELP：QualcommCodeExcitedLinearPrediction:Qualcomm码激励线性预测码表矢量即码本，它是一个表，每次传时只需传这个表的地址，而不需传整个码表本身。整个码表在发端和收端共同保存着。因此传输的信息更少。码表需要大量地统计人们发声的数据，是一个统计出来的表。QCELP的特点只需传码表的地址，而不需传码表的内容，因此传输的信息量降低。通过选择速率，有效地降低发射功率。使系统的干扰减少，自适应多速率语音编码(AMR)第3代移动通信系统中采用采用固定交换和分AMR（AdaptiveMulti-Rate）自适应多速率采用12.2kbps自适应多速率语音编码(AMR)3.2调制与解调技术四相移相键控(QPSK)调制π/4移位QPSK(π/4-QPSK)调制高斯最小频移键控(GMSK)调制多进制正交振幅调制（MQAM）调制解调技术的宗旨是为了使通信系统的抗干扰、抗衰落性能得到提高并使频率资源得到更充分的利用。一般在通信系统的发端进行调制，调制后的信号称为已调信号。解调，即在接收机端要将已调信号还原成要传输的原始信号。例：幅度调制，即调幅波当信号波幅度为正时，频率增加当信号波幅度为负时，频率减少频率调制，即调频波相位调制，即调相波数字调制技术概述（一）手机一般用恒包络调制如语音编码经天线发射出去非恒定包络调制恒定包络调制符号间干扰在相同的带宽条件下传输更多的比特对邻频道干扰小发端和收端都已知的信号数字调制技术概述（二）宽效率对邻道的干扰很小在邻频道上有很小的能量表示定向天线功率辐射方向上的能量每赫兹能传输多少bit/s，见第62张PPT见下一页调制解调的主要功能基带信号调制即把比特流调制成IQ两路的符号，调制成星座上的一个相位点。IQ信号：一路相位是0°，另一路相位是90°，叫做I路和Q路，它们就是两路正交的信号。相位为0度相位为90度I路信号Q路信号正交分量就是两个信号矢量正交（相位差90°）；如sin(t)和cos(t)。第2个是把IQ两路的信号经过一个上变频，搬到相应的射频上去，这是射频的调制。对于GSM来说，即把基带信号搬到900MHz上去。0()()0Tfxgx正交信号：如下所述：那么f(x)和g(x)在(0,T)内为正交信号返回频带利用率如BPSK，即在一个调制符号上，就只能传一个bit。QPSK，即在一个调制符号上，能传两个bit。IS-95中采用GSM中采用数字调制方法的分类见下一页BFSK：当传输0时，用f1这个频率发出去。当传输1时，用f2这个频率发出去。BPSK：频率是一样的。当传输0时，频率是f，相位是0；当传输1时，频率是f，相位是π；通过相位的变化，来体现发送的是什么信息。各类二进制调制波形图2FSK：当传输1时，用一个频率f1；当传输0时，用另外一个频率f2，f2=f1/2,f2的频率比f1低一倍。2PSK：当传输1时，初始相位为0；当传输0时，初始相位为π。移动通信中的调制技术高斯成形最小移频键控QPSK模拟调制系统5.1幅度调制（线性调制）的原理一般原理：幅度调制如下页图。设正弦型载波为：式中，A—载波幅度；c—载波角频率；0—载波初始相位（以后假定0＝0）。则根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示成式中，m(t)—基带调制信号。0()coscctAt()()cosmcstAmtt例：幅度调制，即调幅波模拟调制系统()())2mccASMM频谱设调制信号m(t)的频谱为M()，则已调信号的频谱为由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律而正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。模拟调制系统调幅（AM）时域表示式式中m(t)－调制信号，均值为0；A0－常数，表示叠加的直流分量。00()[()]coscos()cosAMcccstAmttAtmtt频谱：若m(t)为确定信号，则AM信号的频谱为若m(t)为随机信号，则已调信号的频域表示式必须用功率谱描述。调制器模型mtmstcosct0A01()[()()][()()]2AMccccSAMM已调信号冲激函数见下页δ(t)单位冲激函数t(1)δ(t)=0t≠0∞t=0矩形脉冲宽度为τ高度为1/τ则矩形的面积为τ*1/τ=1，将τ0则变为冲激函数模拟调制系统ttttmt0Amt载波AMstHHMAMScc0载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带频谱图由频谱可以看出，AM信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。调制信号m(t)的频谱为M()下面讲调制的实质脉冲成形使用的场合脉冲成形技术BPSK,QPSK中使用，在CDMA系统中广泛采用使用它可以保证抽样点无失真GSM中采用见