无线通信基本技术
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无线通信基本技术
3.1 信源编码
在无线通信系统中，信源发出的消息（符号）要通过无 线信道来传输。要高速率、高质量、可靠地将信源信息通过 无线信道传送给信宿，则需要解决两方面的问题：一是在不 失真或允许一定失真的条件下，如何用尽可能少的符号传送 信源信息，以便提高信息传输效率；二是在信道受干扰（有 噪）的情况下，如何增加信号的抗干扰能力，同时又使得信 息的传输速率最大。这两个方面的问题分别是信源编码与信 道编码的研究任务。
数据压缩的可行性在于两个方面：一方面是视频图像或 音频信号等原始信号源存在着很大的冗余度；另一方面是由 于人的视觉对亮度信息很敏感，而对边缘的急剧变化不敏感 （视觉遮盖效应），同时人的听觉也对部分频率的音频信号 不敏感。因此视频或音频数据压缩后，再作解压处理，人对 恢复后的图像或音频信号仍有满意的主观感觉，这也说明人 的感觉能接受这种数据压缩。
3.1.1 语音编码
无线通信中应用的语音编码方法应满足下列一些基本要 求：编码速率要低，话音质量要高；有较强的抗干扰性能； 编译码延时要短，延时应控制在几十毫秒以内；编译码器设
常用的语音编码器有波形编码器、声码器、混合编码器 等。
波形编码是将时域的模拟话音波形信号经过采样、量化、 编码形成数字的话音信号的过程。波形编码需要较高的编码 速率，一般为16～64 kb/s。脉冲编码调制（PCM）、增量 调制（ΔM）等都属于波形编码。波形编码的优点是可以获 得很好的语音质量，缺点是需要占据较大的传输带宽。波形 编码在传统的公共电话交换网（PSTN）中广泛使用。由于 波形编码的编码速率较高，无线传输时需要占用的频带较宽， 所以不适合用于无线通信系统。
Biblioteka Baidu
表3-1 用于各种移动通信系统的语音编码方式
例3-1 某一个数字移动通信系统，其前向信道频率带宽 为810~826 MHz，反向信道频率带宽为940~956 MHz。假设 90%的带宽用于语音业务，用FDMA多址接入方式，至少支 持1150个同时呼叫，调制方案的频谱效率为1.68 （b/s）/Hz， 为避免信道恶化产生的误码率，需要用比率为1/2的FEC前 向纠错编码。请求出用于该系统的语音编码器传输比特率的 上限。
信源编码的基础是1959年香农提出的非理想信道下的信 道编码理论和信号压缩率失真理论。信源编码分为有损编码 和无损编码两种。零失真的信源编码称为无失真编码，失真 较小并且处于可接受范围内的信源编码称为有损编码。由于 实际上完全无失真地传输信源信息是不可能的，而且实际生 活中人们一般也不要求完全无失真地恢复信息，允许一定的 误差存在，所以实际上使用的都是有损编码。
混合编码方法是目前无线通信系统中广泛使用的语音编 码技术。混合编码信号中既包含部分波形编码信息，又有若 干语音特征参量信息，编码速率一般为4～16 kb/s。因此混 合编码技术综合了波形编码高语音质量和参量编码低编码速 率的优点，从而使得混合编码既有较低的编码速率，又能使 传输质量满足商用语音通信的要求。规则脉冲激励线性预测 编码（RPE-LTP）、矢量和激励线性预测编码（VSELP）等 属于混合编码方法。 GSM系统采用了RPE-LTP编码器，。
解： 系统可用的语音信道的带宽=0.9×（826－810）= 14.4 MHz，用户数=1150
14.4 M Hz 最大的语音信道带宽= 1150 ≈12.5 kHz
频谱效率=1.68 （b/s）/Hz
最大的信道数据率=1.68×12 500 b/s=21 kb/s FEC编码比率=0.5
最大的净数据率=21×0.5 kb/s=10.5 kb/s 这样，需要的语音编码器的数据速率等于或小于10.5 kb/s
1. “冗余”一般是指多余或是重复量非常大的数据。比如 数据库的“冗余”就是指没用的数据太多，如一副图像中有 很多绿色像素，那么重复存储的绿色像素就是冗余。 存储图像可以通过利用冗余来减小存储空间。可利用的 冗余有如下几种。 (1 ) 空间冗余 规则物体和规则背景的表面物理特性具有相关性，这些 相关性的光成像结果在数字化图像中就表现为数据冗余。一 个颜色均匀的块，其区域中所有点的光强和色彩以及饱和度 基本相同，它的数据表达就有很大的冗余。
3.1.2
在无线通信系统中除了语音业务之外，还包括多媒体信 息的传输，如文字、图像、视频、动画等。这些多媒体所包 含的数据量相对都比较大，如何把这些数据量大的信息进行 存储和传输就成为基本问题。像彩色图像、文件图像，特别 是视频信息（电视、电影等）的数据量，在相同条件下要比 语音的数据量大1000倍以上。要想把数据量大的多媒体信息 在有限的空间进行存储和传输，就必须采用数据压缩技术。
选择合适的语音编码器是设计一个数字移动通信系统的 重要一步。因为可利用的带宽是有限的，因此需要压缩语音， 使系统容纳更多的用户，并且必须在压缩后的语音质量与整 个系统的花费和容量之间寻找一个平衡点。此外，还必须考 虑其他要求，如端到端编码时延、编码器的算法复杂性、所 需的直流功率、与已存在的其他标准的兼容性，以及语音编
声码器是一类基于信源模型的参量编码器。声码器依赖 于明确的信源模型。参量编码是基于人类语言发声机理，应 用数字信号处理技术在频域或其他正交变换域提取表征语音 的特征参量，然后对特征参量进行编码并在数字信道上传输 的一种方法。在接收端，根据所接收的语音特征参量信息恢 复原来的语音。参量编码只需要对语音的特征参量进行编码 传输，是一种低速率的语音编码方法，编码速率一般为 1.2～4.8 kb/s。参量编码的优点是编码速率较低，因此占用 带宽较小，比较适合在无线通信系统中使用。参量编码的缺 点是话音质量只能达到中等水平，不能满足商用语音通信的 要求。
美国TDMA蜂窝系统（IS-54）运用8 kb/s的VSELP语音 编解码器，将模拟系统（AMPS）的容量提高了3倍。 CDMA蜂窝系统（IS-95）中所采用的是CELP（码激励线性 预测编码）方式。由于CDMA系统内部具有抗干扰能力和扩 展带宽的能力，所以可以运用低比特率语音编解码器，而无 需考虑对于传输误差的影响。表3-1给出的是部分移动通信 系统中所采用的语音编码类型和它所输出的数据比特率。
3.1 信源编码
在无线通信系统中，信源发出的消息（符号）要通过无 线信道来传输。要高速率、高质量、可靠地将信源信息通过 无线信道传送给信宿，则需要解决两方面的问题：一是在不 失真或允许一定失真的条件下，如何用尽可能少的符号传送 信源信息，以便提高信息传输效率；二是在信道受干扰（有 噪）的情况下，如何增加信号的抗干扰能力，同时又使得信 息的传输速率最大。这两个方面的问题分别是信源编码与信 道编码的研究任务。
数据压缩的可行性在于两个方面：一方面是视频图像或 音频信号等原始信号源存在着很大的冗余度；另一方面是由 于人的视觉对亮度信息很敏感，而对边缘的急剧变化不敏感 （视觉遮盖效应），同时人的听觉也对部分频率的音频信号 不敏感。因此视频或音频数据压缩后，再作解压处理，人对 恢复后的图像或音频信号仍有满意的主观感觉，这也说明人 的感觉能接受这种数据压缩。
3.1.1 语音编码
无线通信中应用的语音编码方法应满足下列一些基本要 求：编码速率要低，话音质量要高；有较强的抗干扰性能； 编译码延时要短，延时应控制在几十毫秒以内；编译码器设
常用的语音编码器有波形编码器、声码器、混合编码器 等。
波形编码是将时域的模拟话音波形信号经过采样、量化、 编码形成数字的话音信号的过程。波形编码需要较高的编码 速率，一般为16～64 kb/s。脉冲编码调制（PCM）、增量 调制（ΔM）等都属于波形编码。波形编码的优点是可以获 得很好的语音质量，缺点是需要占据较大的传输带宽。波形 编码在传统的公共电话交换网（PSTN）中广泛使用。由于 波形编码的编码速率较高，无线传输时需要占用的频带较宽， 所以不适合用于无线通信系统。
Biblioteka Baidu
表3-1 用于各种移动通信系统的语音编码方式
例3-1 某一个数字移动通信系统，其前向信道频率带宽 为810~826 MHz，反向信道频率带宽为940~956 MHz。假设 90%的带宽用于语音业务，用FDMA多址接入方式，至少支 持1150个同时呼叫，调制方案的频谱效率为1.68 （b/s）/Hz， 为避免信道恶化产生的误码率，需要用比率为1/2的FEC前 向纠错编码。请求出用于该系统的语音编码器传输比特率的 上限。
信源编码的基础是1959年香农提出的非理想信道下的信 道编码理论和信号压缩率失真理论。信源编码分为有损编码 和无损编码两种。零失真的信源编码称为无失真编码，失真 较小并且处于可接受范围内的信源编码称为有损编码。由于 实际上完全无失真地传输信源信息是不可能的，而且实际生 活中人们一般也不要求完全无失真地恢复信息，允许一定的 误差存在，所以实际上使用的都是有损编码。
混合编码方法是目前无线通信系统中广泛使用的语音编 码技术。混合编码信号中既包含部分波形编码信息，又有若 干语音特征参量信息，编码速率一般为4～16 kb/s。因此混 合编码技术综合了波形编码高语音质量和参量编码低编码速 率的优点，从而使得混合编码既有较低的编码速率，又能使 传输质量满足商用语音通信的要求。规则脉冲激励线性预测 编码（RPE-LTP）、矢量和激励线性预测编码（VSELP）等 属于混合编码方法。 GSM系统采用了RPE-LTP编码器，。
解： 系统可用的语音信道的带宽=0.9×（826－810）= 14.4 MHz，用户数=1150
14.4 M Hz 最大的语音信道带宽= 1150 ≈12.5 kHz
频谱效率=1.68 （b/s）/Hz
最大的信道数据率=1.68×12 500 b/s=21 kb/s FEC编码比率=0.5
最大的净数据率=21×0.5 kb/s=10.5 kb/s 这样，需要的语音编码器的数据速率等于或小于10.5 kb/s
1. “冗余”一般是指多余或是重复量非常大的数据。比如 数据库的“冗余”就是指没用的数据太多，如一副图像中有 很多绿色像素，那么重复存储的绿色像素就是冗余。 存储图像可以通过利用冗余来减小存储空间。可利用的 冗余有如下几种。 (1 ) 空间冗余 规则物体和规则背景的表面物理特性具有相关性，这些 相关性的光成像结果在数字化图像中就表现为数据冗余。一 个颜色均匀的块，其区域中所有点的光强和色彩以及饱和度 基本相同，它的数据表达就有很大的冗余。
3.1.2
在无线通信系统中除了语音业务之外，还包括多媒体信 息的传输，如文字、图像、视频、动画等。这些多媒体所包 含的数据量相对都比较大，如何把这些数据量大的信息进行 存储和传输就成为基本问题。像彩色图像、文件图像，特别 是视频信息（电视、电影等）的数据量，在相同条件下要比 语音的数据量大1000倍以上。要想把数据量大的多媒体信息 在有限的空间进行存储和传输，就必须采用数据压缩技术。
选择合适的语音编码器是设计一个数字移动通信系统的 重要一步。因为可利用的带宽是有限的，因此需要压缩语音， 使系统容纳更多的用户，并且必须在压缩后的语音质量与整 个系统的花费和容量之间寻找一个平衡点。此外，还必须考 虑其他要求，如端到端编码时延、编码器的算法复杂性、所 需的直流功率、与已存在的其他标准的兼容性，以及语音编
声码器是一类基于信源模型的参量编码器。声码器依赖 于明确的信源模型。参量编码是基于人类语言发声机理，应 用数字信号处理技术在频域或其他正交变换域提取表征语音 的特征参量，然后对特征参量进行编码并在数字信道上传输 的一种方法。在接收端，根据所接收的语音特征参量信息恢 复原来的语音。参量编码只需要对语音的特征参量进行编码 传输，是一种低速率的语音编码方法，编码速率一般为 1.2～4.8 kb/s。参量编码的优点是编码速率较低，因此占用 带宽较小，比较适合在无线通信系统中使用。参量编码的缺 点是话音质量只能达到中等水平，不能满足商用语音通信的 要求。
美国TDMA蜂窝系统（IS-54）运用8 kb/s的VSELP语音 编解码器，将模拟系统（AMPS）的容量提高了3倍。 CDMA蜂窝系统（IS-95）中所采用的是CELP（码激励线性 预测编码）方式。由于CDMA系统内部具有抗干扰能力和扩 展带宽的能力，所以可以运用低比特率语音编解码器，而无 需考虑对于传输误差的影响。表3-1给出的是部分移动通信 系统中所采用的语音编码类型和它所输出的数据比特率。