3.2 数字集群通信的关键技术

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集群通信系统数字化的关键技术主要有：数字话音编码，数字调制技术，多址技术，抗衰落技术等。

 

1．数字话音编码

    在数字通信中，信息的传输是以数字信号形式进行的，因而在通信的发送端和接收端，必须相应地将模拟信息转换为数字信号或将数字信号转换成模拟信号。
    在通信系统中使用的模拟信号主要是话音信号和图像信号，信号的转换过程就是话音编码／话音解码和图像编码／图像解码。

   在集群移动通信中，使用最多的信息是话音信号，所以话音编码的技术在数字集群移动通信中有着极其重要的关键作用。话音编码为信源编码，是将模拟话音信号变成数字信号以便在信道中传输。这是从模拟网到数字网至关重要的一步。高质量、低速率的话音编码技术与高效率数字调制技术同时为数字集群移动通信网提供了优于模拟集群移动通信网的系统容量。话音编码方式可直接影响到数字集群移动通信系统的通信质量、频谱利用率和系统容量。话音编码技术通常分为波形编码、声源编码和混合编码三类。混合编码能得到较低的比特速率。在众多的低速率压缩编码中，比如：子带编码SBC、残余激励线性预测编码RELP、自适应比特分配的自适应预测编码SBC—AB、规则激励长时线性预测编RPE—LTP、多脉冲激励线性预测编码以及码本线性预测编码CELP等。欧洲GSM选择了RPE—LTP编码方案，码率为8kb／s；美国和日本的数字蜂窝业选用了矢量和线性预测(VSELP)作为标准的数字编码方式，VSELP使用4．8kb／s数字信息可提高语音质量。话音编码技术发展多年，日趋成熟，形成的各种实用技术在各类通信网中得到了广泛应用。

(1) 波形编码
    是将时间域信号直接变换成数字代码，其目的是尽可能精确地再现原来的话音波形。其基本原理是在时间轴上对模拟话音信号按照一定的速率来抽样，然后将幅度样本分层量化，并使用代码来表示。解码即将收到的数字序列经过解码和滤波恢复到原模拟信号。脉冲编起调制(PCM)以及增量调制(AM)和它们的各种改进型均属于波形编码技术。对于比特速率较高的编码信号(16kb／S一64kb／S)，波形编码技术能够提供相当好的话音质量，对于低速话音编码信号(16kb／s)，波形编码的话音质量显著下降。因而，波形编码在对信号带宽要求不太严的通信中得到应用，对于频率资源相当紧张的移动通信来说，这种编码方式显然不适合。

(2) 声源编码
    又称为参量编码，它是对信源信号在频率域或其它正交变换域提取特征参量，并把其变换成数字代码进行传输。其反过程为解码，即将收到的数字序列变换后恢复成特征参量，再依据此特征参量重新建立语音信号。这种编码技术可实现低速率语音编码，比特速率可压缩2kb／S—4．8kb／S。线性预测编码LPC及其各种改进型都属参量编码技术。

(3) 混合编码
    是一种近几年提出的新的话音编码技术，它是将波形编码和参量编码相结合而得到的。以达到波形编码的高质量和参量编码的低速率的优点。规则码激励长期预测编码RPE—LPT即为混合编码技术。混合编码数字语音信号中包括若干语音特征参量又包括部分波形编码信息，它可将比特率压缩到4kb／S—16kb／S，其中在8kb／S—16kb／S内能够达到的话音质量良好，这种编码技术最适于数字移动通信的话音编码技术。
    在众多的低速率压缩编码中，除上述规则码激励长期预测编码RPE—LTP外，还有如子带编码SBC、残余激励线性预测编码RELP、自适应比特分配的自适应预测编码SBC—AB、多脉冲激励线性预测编码以及码本激励线性预测编码CELP等。欧洲GSM选择了RPE—LTP编码方案，码率为13kb／S；北美DAMPS和日本拟采用CEIP方案，码率为8kb／S；美国和日本的数字蜂窝业(USDC和JDC)选用了矢量和激励线性预测(VSElP)为标难的数字编码方式，它使用4.8kb／S数字信息可提供高话音质量。
    在数字通信发展的大力推动之下，话音编码技术的研究开发迅速，提出了许多编码方案。无论哪一种方案其研究的目标主要有两点：第一是降低话音编码速率，其二为提高话音质量。前一目的是针对话音质量好但速率高的波形编码，后一目的是针对速率低但话音质量却较差的声源编码。由此可见，目前研制的符合发展目标的编码技术为混合编码方案。

     由于无线移动通信的移动信道频率资源十分有限，又考虑到移动信道的衰落会引起较高信道误比特率，因而编码应要求速率较低并应有较好的抗误码能力。对于用户来说，应要求较好的话音质量和较短的迟延。归纳起来，移动通信对数字语言编码的要求有如下几条：
    ·  速率较低，纯编码速率应低于16kb／S。
    ·  在一定编码速率下话音质量应尽可能高。
    ·  编解码时延应短，应控制在几十毫秒之内。
    ·  在强噪声环境中，应具有较好的抗误码性能，从而保证较好的话音质量。
    ·  算法复杂程度适中，应易于大规模电路集成。

 

2．数字调制技术

    数字调制解调技术是集群移动通信系统中接口的重要组成部分，在不同的小区半径和应用环境下，移动信道将呈现不同的衰落特性。数字调制技术应用于集群移动通信需要考虑的因素有：
    ·  在瑞利衰落条件下误码率应尽量低；
    ·  占用频带尽量地窄；
    ·  尽量用高效率的解调技术，以降低移动台的功耗和体积；
    ·  使用的C类放大器失真要小；
    ·  提供高传输速率。
    在给定信道条件下，寻找性能优越的高效调制方式一直是重要的研究课题。数字移动通信系统有两类调制技术，一是线性调制技术，另一类是恒定包络数字调制技术，前者如PSK、16QAM，后者如MSK、GMSK等(也称连续相位调制技术)。
    目前国际上选用的数字蜂房系统中的调制解调技术有正交振幅调制(QAM)、正交相移键控(QPSK)、高斯最小频移键控(QMSK)、四电平频率调制(4L—FM)、锁相环相移键控(PLL—QPSK)、相关相移键控(COR—PSK)、通用软化频率调制(GTFM)等。西欧GSM采用GMSK调制技术，北美和日本采用较先进的π／4—QPSK。APCD(联合公安通信官方机构)和NASTD(国家电信局国防联合会)选择正交相移键控兼容(QPSK—C)作为项目25数字通信标准的调制技术。QPSK—C频谱效率高并且具有灵活性，它使用调制技术在12．5kHz带宽的无线信道上发送9．6bps信息，同时提供与未来线性技术的正向兼容性，这将使系统达到更高的频谱效率。
    美国MOTOROLA新研制生产的800M数字集群移动通信系统，在16QAM调制技术基础上，自己研发的M16QAM技术。

 

3．多址方式

   在蜂窝式移动通信系统中，有许多移动用户要同时通过一个基站和其它移动用户进行通信，因而必须对不同移动用户和基站发出的信号赋予不同的特征，使基站能从众多移动用户的信号中区分出是哪一个移动用户发来的信号，同时各个移动用户又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的信号，解决上述问题的办法就称为多址技术。
    数字通信系统中采用的多址方式有：

    . 频分多址(FDMA)

    . 时分多址(TDMA有窄带TDMA和宽带TDMA)

    . 码分多址(CDMA)以及

    .  它们组合而成的混合多址(时分多址／频分多址TDMA／FDMA、码分多址／频分多址CDMA／FDMA)等。

    在以往的模拟通信系统一律采用FDMA。TDMA避免了使用价格昂贵的多信道腔体合并器，便于利用现代大规模集成技术实现低成本的硬件设计，便于实现信道容量动态分配，提高信道利用率。TDMA的缺点是可实现的载波信道数有限。西欧GSM和美国较成熟的用户都采用FDMA／TDMA相结合的窄带体制。CDMA因具有更多的优点而被各国注意。CDMA用于移动信道，可获取分离多经隐分集增益，具有抗信道色散和抗干扰性能，美国已建立了几个CDMA的试验系统。FCC已验收批准Qualcomm公司生产的CDMA数字式电话系统的第一批电话机CD—3000。Pactel和Bell公司将提供这项CDMA数字通信服务。
     频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道(也称信道)分配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路数字话音信息，而在相邻频道之间无明显的串扰。图3.1为FDMA通信系统工作示意图。

 

　

图3.1 FDMA系统的工作示意图

　

    时分多址是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的)，再根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动台的信号都按顺序安排。在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。图3.2为TDMA通信系统工作示意图。

图3.2 TDMA通信系统的工作示意图

TDMA与FDMA比较：
·   TDMA系统的基站只用一部发射机，可以避免象FDMA系统那样因多部不同频率的发射和同时工作而产生的互调干扰。
·   TDMA系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配简单而经济。所以，TDMA系统更容易进行时隙的动态分配。如果采用话音检测技术，实现有话音时分配时隙，无话音时不分配时隙，这样还有利于提高系统容量。因移动台只在指定的时隙中才接收基站发给的信息，因而在一帧的其它时隙中，可以测量其它基站发送的信号强度，或检测网络系统发送的广播信息和控制信息，这对于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换都有利。
·  TDMA系统必须有精确的定时和同步，保证各移动台发送信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。同步技术是TDMA系 统正常工作的重要保证，它也是非常复杂的技术问题。
    码分多址系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，也可以说是靠信号的不同波形来区分。CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。这种信道属于逻辑信 道，逻辑信道无论从频域或者时域来看都是相互重叠的，也可以说它们均占用相同的频段和时间。