第三章 移动通信中的信源 编码和调制技术

2. GPRS/WCDMA中的自适应多速率编码（AMR）
AMR的基本原理是根据环境或应用需求的变化动态调整编码速率， 例如在信道条件恶化时，降低编码速率，通过牺牲话音品质以拿出更 多的无线资源用于更可靠的信道编码以保证基本的语音可懂，而在信 道条件好的时候则采用较高的编码速率保证话音品质。
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产生2FSK信号两种不同的方法：开关切换方法（相位不连续）和调 频（相位连续），如图3.3
cos 2 t 2 cos 1t 1
S2 FSK (t ) ak(t ) FM S2 FSK (t )
ak
(a) 开关切换 (b) 调频方式
图 3.3 2FSK信号的产生
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式中 1 2 f1 , 2 2 f 2 ,定义载波角频率(虚载波) 为： c 2 fc (1 2 ) / 2
ω1, ω2对ωc 的角频偏为：
d 2 fd | 1 2 | / 2
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3.3.1 相位连续的FSK
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3.2.2 移动通信中的信源编码
除此之外移动通信中的信源编码的设计和实现还要考虑其 他一些因素。 由于移动终端是由电池供电，其运算处理能力悠闲，因此 信源编译码就要在保证质量的前提下尽可能地降低复杂度。 另外考虑到信宿处理能力的差异，编码后的数据流应该包 含不同质量等级的信息，以适应不同终端的需求。 考虑到移动信道的差错特性和一些话音、多媒体业务的实 时性，这类业务通常要求移动通信中的信源编码能够容忍一 定的差错而无需复杂的重传。
b(t) 1 0 1 1 0 0 b (t) 1 0 1 1 0 0
cos(2t 2 ) cos(1t 1)
(t )
c(t)
（载波 ）
s 2FSK(t)
f1 f2 f1 f1 f2 f2
s2 FSK(t)
f1 f2 f1 f1 f2 f2
( a ) 相位不连续的FSK 波形
( b ) 相位连 续的FSK 波形
cos c t k (t ) Tb
式中
k (t ) ak
h
Tb
k
kTb t (k 1)Tb
称作附加相位。
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3.3.1 相位连续的FSK
附加相位是t的线性函数， 其中斜率为 ak h / Tb ,截距为 k ，其特性如图3.2
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3.2.3 移动通信中的信源编码举例
3. CDMA2000演进系统中的可选择模式语声编码（SMV）
SMV用于CDMA2000演进系统中，其基本原理与前述两种基本相同，它
也是可变速率的，从速率等级上看与IS-95中的CELP一样，有9.6kbps、 4.8kbps、2.4kbps、1.2kbps四种，不同的是，SMV允许有四种模式供系 统侧选择，即Mode 0（高品质模式）、Mode 1（标准模式）、Mode 2 （经济模式）、Mode 3（容量节省模式），不同的模式实现不同程度的 话音质量和平均速率的折中，通过调整不同等级速率所占的比例实现不 同的模式，从而调整平均数据速率。
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3.2.1 信源编码的基本概念
在数字系统中，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。 信息的冗余来自两个主要的方面： 首先是信源的相关性和记忆性。这类降低信源相关性和 记忆性编码的典型例子有预测编码、变换编码等。 其次是信宿对信源失真有一定的容忍程度。这类编码的 直接应用有很大一部分是在对模拟信源的量化上，或连 续信源的限失真编码。 可以把信源编码看成是在有效性和传递的信息完整性 （质量）之间的一种折中手段。
3G系统中的视频信源编码H.264
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）视频压缩标准。
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3.2.3 移动通信中的信源编码举例
3G系统中的视频信源编码H.264
H.264 从某种程度上看是 MPEG 的扩展。在 H.264 中，一幅图像可编 码成一个或者若干个片（slice ，此处与帧的含义相同），每个 slice 包含整数个MB（Macro Block），相当于一个完整图像中的不同区域， 编码片（slice）共有5中不同的类型，包括I片、B片、P片、SP片、SI 片，SP和SI介于 I与P之间，但考虑了更多数据片之间的相关性，进一 步压缩了数据速率。 NAL的工作模式分为 SSM（孤立片模式）和 DPM（数据分区模式）， 如图3.1所示。在SSM中，属于同一数据片的所有编码信息在一个 RTP数 据包中通过网络进行传输。在 DPM中，每个slice中的MB间彼此联系， 利用相邻MB存在空间相关性来进行帧内预测编码。将图像数据分成动 态矢量数据（即基本层，需要更好的差错保护）以及剩余的信息。
k ak 1 ak h k k 1
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3.3.1 相位连续的FSK
即要求当前码元的初相位由前一码元的初相位、当前 码元ak和前一码元ak-1来决定。 这关系就是相位约束条件。 这两种相位特性不同的FSK信号波形如图3.4所示。
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3.3.1 相位连续的FSK
所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续， 而且在从码元ak-1到ak转换的时刻kTb，两个码元的相位 也相等，即
k (Tb ) k 1 (Tb )
即
ak
h
Tb
kTb k ak 1
h
Tb
(k 1)Tb k 1
这样就要求满足关系式:
图 3.4 2FSK信号的波形
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3.3.1 相位连续的FSK
由图3.4可以看出，相位不连续的2FSK信号在码元交 替时刻，波形是不连续的，而CPFSK信号是连续的， 这使得它们的功率谱特性很不同。图3.5分别是它们的 功率谱特性例子。
Δ f Tb 0.16 h=0.8 0.12 0.08 x =( f - f c)Tb 0.04 -2 -1 0 1 2 3 RbTb=1 h=1.5 1 0.8 0.6 0.4 0.2 -2
移动通信
第三章 移动通信中的信源 编码和调制技术
目录
3.1
概述
信源编码 最小移频键控MSK 高斯最小移频键控GMSK QPSK调制 高阶调制 正交频分复用
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3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
学习重点与要求
信源编码的目的；
信源编码的原理和应用；
宽要比一般的2FSK带宽要窄。这意味着前者的频带效率
（b)
h=0.8 h=0.5
h= 1.5 x =( f - fc )Tb -1 0 1 2 3
（a) 相位不连续的2FSK的功率谱
相位连续的2FSK的功率谱
图 3.5 2FSK信号的功率谱
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3.3.1 相位连续的FSK
可以发现，在相同的调制指数h情况下，CPFSK的带
在蜂窝移动通信中对调制解调技术的要求； 频移键控信号的相位连续性对信号功率谱的影响；
MSK和GMSK信号特点和功率谱特性；
QPSK、OQPSK和 4 -QPSK信号特点和功率谱特性； 高阶调制原理及其在3G、4G中的应用； 正交频分复用的原理与应用。
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3.2.3 移动通信中的信源编码举例
每个数据片的编码视频信息 首先被分割成三部分并分别 放到 A 、 B 、 C 数据分区中， 每个数据分区中包含的信息 被分别封装到相应的 RTP 数 据包中通过网络进行传输。 其中， Part A 中包含最重要 的 slice 头信息， MB 头信息， 以及动态矢量信息； Part B 中包含帧内和 SI 片宏块的编 码残差数据，能够阻止误码 继续传播； Part C 中包含帧 间宏块的编码残差数据，帧 间编码数据块的编码方式信 息和帧间变换系数。
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3.2.2 移动通信中的信源编码
移动通信中的信源编码与有线通信不同，它不进需 要对信息传输有效性进行保障，还应该与其他一些系统 指标密切相关，例如容量、覆盖和质量。以 GSM 为例说 明。 以GSM系统中普通的全速率和半速率话音编码来说， 其速率分别为 13kbps 和 6.5kbps ，前者的话音质量好于 后者，但占用的系统资源是后者的两倍左右。当系统的 覆盖不是限制因素时，使用半速率编码可以牺牲质量换 取倍增的容量，即提高系统的有效性。而当系统的容量 相对固定时，可以通过使用半速率编码牺牲质量换取覆 盖的增加，因为半速率编码对于接收信号质量的要求降 低了。
定义调制指数h:
h | f1 f 2 | Tb 2 f d Tb 2 f d / Rb
根据ak ,h ,Tb可以重写一个码元内 2FSK信号表达式: h sFSK (t ) cos(ct ak d t k ) cos c t ak t k
差错保护
图像 （slice） SSM（Single Slice Mode） 差错保护 （等级A） 差错保护 （等级B） 差错保护 （等级C）
Part A
分割
Part B
图像 （slice）
Part C DPM（Data Partition Mode）
图 3.1 H.264网络自适应层NAL工作模式示意图
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３.3 最小移频键控MSK
3.3.1 相位连续的FSK
3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱
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3.3.1 相位连续的FSK
2FSK信号 设要发送的数据为ak=±1，码元长度为Tb。在一个码元时 间内，它们分别用两个不同频率f1 ， f2的正弦信号表示， 例如:
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3.2.3 移动通信中的信源编码举例
2G/3G中的话音信源编码
2G/3G中的话音信源编码的基本原理是相同的，都采用了矢量量化 和参数编码的方式。
1.IS-95中的变速率码激励线性预测编码（CELP）
IS-95中的CELP技术通过四个等级的变速率编码实现话音激活，即 使用者发声时进行全速率（9.6kbps）编码，而不发声时仅仅传递八分 之一（1.2kbps）的背景噪声，以降低功耗和对其他用户的干扰。
3
3.1 概述
信源编码将信源中的冗余信息进行压缩，减少传递信息所 需的带宽资源，这对于频谱有限的移动通信系统而言是至 关重要的。
调制就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携 带信息的信号与信道特性相匹配以及有效的利用信道。
多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线 信道频谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的影响。
3. 已调信号恒包络 4. 易于解调 5. 带外辐射：一般要求达到-60到-70dB 在移动通信系统中，采用何种调制方式，要综合考虑上述 各种因素。
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3.2
信源编码
3.2.1 信源编码的基本概念 3.2.2 移动通信中的信源编码
3.2.3 移动通信中的信源编码举例
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影响调制方式的选择的主要因素
1. 频带利用率：在数字调制中，常用带宽效率ηb 来表示它对频谱
资源的利用效率，它定义为ηb ＝Rb/B,其中Rb为比特速率，B为无线 信号的带宽。 2. 功率效率:指保持信息精确度的情况下所需的最小信号功率（或者 说最小信噪比）