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第二章無線通信中的調(diào)制技術(shù)與語音編碼 無線通信中的調(diào)制技術(shù) 1 無線電波的傳播特性2 各個波段的傳播特點3 無線電信號的衰減4 無線信道5 移動通信中電波的調(diào)制 無線電波的傳播特性 移動通信的一個重要基礎(chǔ)是無線電波的傳播 無線電波通過多種方式從發(fā)射天線傳播到接收天線 我們按照無線電波的波長人為地把電波分為長波 波長1000米以上 中波 波長100 1000米 短波 波長10 100米 超短波和微波 波長為10米以下 等等 無線電波的傳播方式 1 表面波傳播電波沿著地球表面?zhèn)鞑サ那闆r 地面的性質(zhì) 地貌和地物等情況都會影響電波的傳播 長波 中波以及短波的部分波段能繞過地球表面的大部分障礙到達較遠的地方 短波的部分波段 超短波和微波波段 在地面上不繞射 而是按直線傳播 無線電波的傳播方式 續(xù) 2 天波傳播電離層 分布在地球周圍的大氣層中 從60km以上的電離區(qū)域 經(jīng)過電離層反射到地面的電波叫作天波 短波能通過電離層傳至地球上較遠的地方 天波傳播中有一個最低可用頻率 3 空間波傳播 電磁波直接從發(fā)射天線傳播到接收天線 收 發(fā)天線之間的最大距離被限制在視線范圍內(nèi) 50km 要擴大通信距離 就必須增加天線高度 移動通信中電波主要以空間波的形式傳播 類似的還有微波傳播 4 散射傳播 電離層中電子密度的不均勻性 使得天線輻射出去的電波投射到這些不均勻體的時候 發(fā)生類似于光的散射和反射現(xiàn)象 適用于無法建立微波中繼站的地區(qū) 例如用于海島之間和跨越湖泊 沙漠 雪山等地區(qū) 由于散射信號相當(dāng)微弱 所以散射傳播接收點的接收信號也相當(dāng)微弱 即傳播損耗很大 5 外層空間傳播 電磁波由地面發(fā)出 或返回 經(jīng)低空大氣層和電離層而到達外層空間的傳播 如衛(wèi)星傳播 宇宙探測等均屬于這種遠距離傳播電磁波穿過電離層外面的空間的傳播 基本上當(dāng)作自由空間中的傳播 各個波段的傳播特點 1 長波傳播的特點長波的波長很長 傳播比較穩(wěn)定 地面的凹凸與其他參數(shù)的變化對長波傳播的影響可以忽略 長波穿入電離層的深度很淺 受電離層變化的影響很小 電離層對長波的吸收也不大 能以表面波或天波的形式傳播 1 長波傳播的特點 續(xù) 兩個重要的缺點 由于表面波衰減慢 發(fā)射臺發(fā)出的表面波對其他接受臺干擾很強烈 天電干擾對長波的接收的影響嚴重 特別是雷雨較多的夏季 2 中波傳播的特點 中波能以表面波或天波的形式傳播 主要用于廣播 故此分波段又稱廣播波段 3 短波傳播的特點 可以靠表面波和天波傳播短波的表面波傳播的距離只有幾十公里 不適合作遠距離通信和廣播之用利用電離層對天波的一次或多次反射 進行遠距離無線電通信SW波段則主要供您收聽國內(nèi) 國際遠距離廣播 4 超短波和微波傳播的特點 頻率很高 表面波衰減很大 電波穿入電離層很深 甚至不能反射回來 所以超短波 微波一般不用表面波 天波的傳播方式 而只能用空間波 散射波和穿透外層空間的傳播方式 超短波廣泛應(yīng)用于電視 調(diào)頻廣播 雷達等方面 利用微波通信時 可同時傳送幾千路電話或幾套電視節(jié)目而互不干擾 無線電信號的衰減 衰落 移動終端接收到的電波一般是直射波和隨時變化的繞射波 反射波 散射波的疊加 這樣造成的所接收信號的電場強度起伏不定 衰落的分類 1 多徑衰落 Rayleigh衰落 2 慢衰落 由陰影效應(yīng)和氣象原因引起的信號變化 傳播性能的指標(biāo) 傳送的功率靈敏性信號功率最大可能的衰減值 無線電波的勢力范圍 大多數(shù)移動設(shè)備都定義一個使用范圍 指在通常的工作條件下在兩個節(jié)點之間可使用的最大平均距離 不同的典型環(huán)境給出不同的范圍 比如 開放型環(huán)境 無障礙型 半開放型 小隔間型 以及封閉型環(huán)境 密實的墻型 無線信道 無線信道是對無線通信中發(fā)送端和接收端之間的通路的一種形象比喻 無線電波從發(fā)送端傳送到接收端 其間并沒有一個有形的連接 它的傳播路徑也有可能不只一條 無線信道的特性 多徑傳播 時延擴展 衰落特性 多普勒效應(yīng) 移動通信中電波的調(diào)制 在無線通信中 需要傳送的由語言 音樂轉(zhuǎn)換來的屬于低頻的電信號 其頻率范圍從幾十赫到數(shù)千赫 不能直接從天線輻射出去 必須借助于高頻振蕩 由它將低頻信號 攜帶 到空間去 這就是所謂的 調(diào)制 方式 為什么低頻信號不能直接從天線上輻射出去呢 電磁波的頻率越高 向外輻射能量的本領(lǐng)就越大 只有電磁波的頻率足夠高 即波長足夠短 短到與天線的尺寸可以相比擬時 例如 通常采用的 半波振子天線 天線的總長度應(yīng)為波長的一半 才會有足夠強的電磁能量輻射出去 低頻信號內(nèi)在的原因 上述的低頻信號 所對應(yīng)的波長從十幾公里到幾千公里 要制造如此龐大的天線 是不可能的 即使有可能把這種低頻信號發(fā)射出去 各個發(fā)射臺所發(fā)送的將是同樣的頻率范圍 互相干擾使接收機無法選擇所需的信號 低頻信號內(nèi)在的原因 續(xù) 由于發(fā)送端和接收端都采用天線調(diào)諧回路 只有當(dāng)天線回路的固有頻率與信號頻率相同 即 諧振 時 才能有效地發(fā)送與接收 上述的低頻信號頻率變化范圍較大 因此 要隨著頻率的變化而不斷地改變天線的長短及振蕩回路的參數(shù) 實際上是不可能的 什么是調(diào)制 調(diào)制就是對信號源的信息進行處理 使其變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男问降倪^程 基帶信號 調(diào)制信號 載波已調(diào)信號 調(diào)制vs 解調(diào) 調(diào)制是通過改變高頻載波的幅度 相位或者頻率 使其隨著發(fā)送者 信源 基帶信號幅度的變化而變化來實現(xiàn)的 而解調(diào)則是將基帶信號從載波中提取出來以便預(yù)定的接收者 信宿 處理和理解的過程 調(diào)制在無線通信的作用 頻譜搬移 將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適合于傳播的已調(diào)信號 調(diào)制方式往往決定一個通信系統(tǒng)的性能 對系統(tǒng)的傳輸有效性和可靠性的影響 調(diào)制方式 1 對于模擬調(diào)制而言 主要有幅度調(diào)制 調(diào)幅 雙邊帶調(diào)制 和角度調(diào)制 調(diào)頻 調(diào)相 兩種 2 對于數(shù)字調(diào)制而言 主要有脈沖調(diào)制 脈幅調(diào)制 脈寬調(diào)制等 以及增量調(diào)制等等 移動通信中調(diào)制方式的選擇 在移動通信環(huán)境中 移動臺的移動使電波傳播條件惡化 特別是快衰落的影響使接收場強急劇變化 在選擇調(diào)制方式時 必須考慮 采取抗干擾能力強的調(diào)制方式 能適用于快衰落信道 占有較小的帶寬以提高頻譜利用率 帶外輻射要小 以減小對鄰近波道的干擾 調(diào)幅方式 使高頻載波信號的振幅隨調(diào)制信號的瞬時變化而變化即通過用調(diào)制信號來改變高頻信號的幅度大小 使得調(diào)制信號的信息包含入高頻信號之中 通過天線把高頻信號發(fā)射出去 然后就把調(diào)制信號也傳播出去了 調(diào)幅方式 續(xù) 在接收端可以把調(diào)制信號解調(diào)出來 也就是把高頻信號的幅度解讀出來就可以得到調(diào)制信號了 調(diào)幅波的調(diào)制過程 調(diào)幅波的形成 調(diào)幅波的形成 續(xù) m t 調(diào)制信號 調(diào)幅波 調(diào)制信號疊加在高頻信號中的波形 從圖中可以看出 高頻信號的幅度隨著調(diào)制信號作相應(yīng)的變化 調(diào)幅波的特點及應(yīng)用 特點 高頻信號幅度很容易被周圍的環(huán)境所影響 所以調(diào)幅信號的傳輸并不十分可靠 在傳輸?shù)倪^程中也很容易被竊聽 不安全 應(yīng)用 現(xiàn)在這種技術(shù)已經(jīng)比較少被采用 但在簡單設(shè)備的通信中還有采用 比如收音機中的AM波段就是調(diào)幅波 大家可以和FM波段的調(diào)頻波相比較 可以看到它的音質(zhì)和FM波段的調(diào)頻波相比會比較差 原因就是它更容易被干擾 角度調(diào)制 頻率調(diào)制和相位調(diào)制的總稱 角度調(diào)制是使正弦載波信號的角度隨著基帶調(diào)制信號的幅度變化而改變 角度變化的多少 快慢 調(diào)相 調(diào)頻 載波的幅度保持不變 恒包絡(luò) 調(diào)頻 載波信號的頻率隨著調(diào)制信號的幅度變化而改變 調(diào)制信號幅度變大時 載波信號的頻率也變大 或變小 調(diào)制信號幅度變小時 載波信號的頻率也變小 或變大 調(diào)相 載波信號的相位隨著調(diào)制信號的幅度變化而改變 調(diào)制信號幅度變大時 載波信號的相位也變大 或變小 調(diào)制信號幅度變小時 載波信號的相位也變小 或變大 調(diào)頻與調(diào)相的關(guān)系 調(diào)頻信號可以被看作調(diào)制信號在調(diào)制前先積分的調(diào)相信號 先對m t 積分 再將結(jié)果作為調(diào)相器的輸入即可得到調(diào)頻信號 先微分m t 再將結(jié)果作為調(diào)頻器的輸入也可得到調(diào)相信號 調(diào)頻信號的產(chǎn)生 直接法 載波的頻率直接隨著輸入的調(diào)制信號的變化而改變 間接法先用平衡調(diào)制器產(chǎn)生一個窄帶調(diào)頻信號 然后通過倍頻的方式把載波頻率提高到需要的水平 FMvs AM 在模擬蜂窩移動通信中 調(diào)頻是更為普遍應(yīng)用的角度調(diào)制 這是因為FM不管信號的幅度如何 抗干擾能力都很強 而在調(diào)幅中 正如前面所說的那樣 抗干擾能力要弱得多 FMvs AM 續(xù) 調(diào)頻也有自己的缺點 所以在后來的移動通信技術(shù)中 我們更多地采用了數(shù)字調(diào)制方式來改善信號的傳播 數(shù)字調(diào)制技術(shù) 現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù) 數(shù)字調(diào)制就是用數(shù)字信號調(diào)制載波的不同參量 模擬調(diào)制就是用模擬信號調(diào)制載波 數(shù)字信號的優(yōu)點 處理速度的提高 適合機器處理 靈活性高 能適應(yīng)各種業(yè)務(wù)要求 抗干擾性能得到加強 無噪聲積累 容易加密 保密性強 設(shè)備便于集成化 微型化 移動通信的數(shù)字調(diào)制和解調(diào)器技術(shù)的要求 1 在信道衰落條件下 誤碼率要盡可能低 2 發(fā)射頻譜窄 對相鄰信道干擾小 3 高效率的解調(diào) 以降低移動臺功耗 進一步縮小體積和成本 5 能提供較高的傳輸速率 6 易于集成 調(diào)制技術(shù)的最終目的 使得調(diào)制以后的信號對干擾有較強的抵抗作用 對相鄰的信道信號干擾較小 解調(diào)方便且易于集成 三種常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù) 1 幅移鍵控ASK AmplitudeShiftKeying 調(diào)幅2 頻移鍵控FSK FrequencyShiftKeying 調(diào)頻3 相移鍵控PSK PhaseShiftKeying 調(diào)相 三種常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù) 續(xù) 載波S t Acos t S t 的參量包括 幅度A 頻率 相位 調(diào)制就是要使這三個參量隨數(shù)字基帶信號的變化而變化 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 ASK調(diào)幅 FSK調(diào)頻 PSK調(diào)相 ASK 用載波的兩個不同振幅表示0 0v 和1 5v FSK 用載波的兩個不同頻率表示0 1 2KHz 和1 2 4KHz PSK 用載波的起始相位的變化表示0 同相 和1 反相 編碼技術(shù) 為什么要采用編碼技術(shù)減小信源信息的冗余 信源編碼 無損編碼 有損編碼 增強信息傳輸中的抗干擾性 信道編碼 糾錯碼 保證信息傳輸中的保密性 加密編碼 語音編碼與語音識別 移動通信中的信源編碼技術(shù) 在數(shù)字通信中 通信質(zhì)量比模擬通信時有了很大提高 但在移動通信中 由于信道環(huán)境等因素的影響 必須采用其它方法來提高傳輸質(zhì)量 所以要采用編碼技術(shù) 移動通信中的語音編碼技術(shù) 壓縮編碼 1 編碼的速率要適合在移動信道內(nèi)傳輸 純編碼速率應(yīng)低于16kbit s 2 在一定編碼速率下語音質(zhì)量應(yīng)盡可能高 即解碼后的復(fù)原語音的保真度要高 MOS應(yīng)不低于3 5分 按長途話音質(zhì)量要求 3 編解碼時延要短 總時延不得超過65毫秒 4 要能適應(yīng)衰落信道的傳輸 即抗誤碼性能要好 以保持較好的語音質(zhì)量 5 算法的復(fù)雜程度要適中 應(yīng)易于大規(guī)模電路集成 最佳的編碼方案 以上要求之間往往是矛盾的 例如 要求高質(zhì)量話音 編碼速率就應(yīng)高一些 而這往往又與信道帶寬有矛盾 總之 綜合考慮對比 選擇最佳的編碼方案 最佳的編碼方案 續(xù) 高速的語音編碼 語音質(zhì)量高 但占用的帶寬大 適用于寬帶信道上 中速的編碼 語音質(zhì)量略低 占用的帶寬也小一些 低速編碼的語音質(zhì)量較差 但占用的帶寬較小 可用于對語音質(zhì)量要求不高的窄帶信道中 語音編碼技術(shù)的分類 波形編碼 將時間域信號直接變換為數(shù)字代碼 力圖使重建語音波形保持原語音信號的波形形狀 如如PCM和ADPCM等 參數(shù)編碼 聲碼器 將信源信號在頻率域或其它正交變換域提取特征參量 并將其變換成數(shù)字代碼進行傳輸 如線性預(yù)測編碼 LPC 及其各種改進等 混合編碼 將波形編碼和參數(shù)編碼組合起來 克服了原有波形編碼和參數(shù)編碼的弱點 結(jié)合各自的長處 力圖保持波形編碼的高質(zhì)量和參數(shù)編碼的低速率 如能重構(gòu)高質(zhì)量的語音 如矢量和激勵線性預(yù)測和碼激勵線性預(yù)測 CELP 等 語音編碼質(zhì)量的評定 在語音編碼技術(shù)中 如何評價語音編碼質(zhì)量是語音編碼領(lǐng)域所研究的一個重要課題 客觀評定方法主觀評定方法 客觀評定方法 用客觀測量的手段來評價語音編碼的質(zhì)量 適用于速率較高的波形編碼類型 常用的方法有信噪比 加權(quán)信噪比 平均分段信噪比等 特點 建立在度量均方誤差的基礎(chǔ)上 計算簡單 不能完全反映人對語音質(zhì)量的感覺 主觀評定方法 符合人類聽話時對語音質(zhì)量的感覺 目前得到廣泛應(yīng)用最主要的主觀評定方法是主觀評定等級 SubjectiveOpinionScale 或稱平均評定得分 MeanOpinionScore 縮寫MOS MOS 采用五級評分標(biāo)準(zhǔn) 其方法是 由數(shù)十名試聽者在相同信道環(huán)境中試聽并給予評分 然后對評分進行統(tǒng)計處理 求出平均得分 主觀評定等級表 MOS 續(xù) 從用戶角度看 通常認為 MOS分4 0 4 5分為高質(zhì)量語音編碼 達到長途電話網(wǎng)的質(zhì)量要求 MOS分3 5分左右稱作通信質(zhì)量 這時聽者能感覺到語音質(zhì)量有所下降 但不影響正常的通話 可以滿足多數(shù)通信系統(tǒng)使用要求 MOS分3 0分以下常稱為合成語音質(zhì)量 這種語音一般只有足夠高的可懂度 但是自然度較差 不容易識別講話者 語音編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 對數(shù)字語音技術(shù)的實用化和發(fā)展起到了推動作用 語音壓縮算法的標(biāo)準(zhǔn) 編碼vs 調(diào)制 用數(shù)字信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù) 編碼用模擬信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù) 調(diào)制 模擬調(diào)制 數(shù)字調(diào)制 編碼vs 調(diào)制 續(xù) 語音識別 語音識別就是研究讓機器最終能聽懂人類口述的自然語言的一門學(xué)科 兩個含義 一是將口述語言逐詞 字 逐句地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的文字 例如對口授文章作聽寫 二是對口述語言中所包含的要求或詢問作出正確的相應(yīng) 而不拘泥于所有詞正確轉(zhuǎn)換為書面文字 語音識別方法 1 基于統(tǒng)計的方法在聲學(xué)模型方面 以Markov鏈為基礎(chǔ)的語音序列建模方法構(gòu)造成連續(xù)語音的句子模型 達到了比較高的建模精度和建模靈活性 在語言層面上 通過統(tǒng)計真實大規(guī)模語料的詞之間同現(xiàn)概率 即N元統(tǒng)計模型 來區(qū)分識別帶來的模糊音和同音詞 2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法3 基于文法規(guī)則的語言處理機制 語音識別的困難性 人類完善的語言聽覺功能是在復(fù)雜的社會環(huán)境中逐步建立起來的 要讓計算機具有同人類相當(dāng)?shù)穆犛X智能具有相當(dāng)?shù)睦щy 語音的可變性和語言的不規(guī)范性使建模困難 在聲學(xué)層面上 語音信號隨著說話人個人的生理因素 社會因素 語音的上下文環(huán)境 背景和輸入通道的差異而會產(chǎn)生很大的變化 在語言層面上 語言的的歧義性和語言結(jié)構(gòu)的隨意性在日常語言中隨處可見 自然口語發(fā)音中的次序顛倒 重復(fù) 修正 非語言信號的插入等不規(guī)范現(xiàn)象給語言處理帶來很大的困難 語音識別技術(shù)的進展 目前世界上先進的實驗室系統(tǒng)對大多數(shù)說話人的詞識別錯誤率已降低到5 10 的水平 如有自適應(yīng)的話 可降至5 以下 我國語音識別技術(shù)的研究水平已經(jīng)基本上與國外同步 在漢語語音識別技術(shù)上還有自己的特點與優(yōu)勢 并達到國際先進水平 目前語音識別的研究重點正轉(zhuǎn)向特定應(yīng)用領(lǐng)域的口語識別和理解上 基于口語識別 機器翻譯和語音合成的多語種口語互譯系統(tǒng)的研究也受到了各方面的重視 語音識別技術(shù)的應(yīng)用 可應(yīng)用于任何需要人進行操作的機器上 具有快捷 高效 易用的特點 是最大眾化的一種人機接口 語音識別技術(shù)的應(yīng)用 續(xù) 1 命令控制和識別 在各種平臺 PC 非PC 各種場合 消費類數(shù)字產(chǎn)品如HPC 家用電器控制 電信網(wǎng)絡(luò)等 和各種方式 如獨立 組合 的應(yīng)用 可以是獨立的產(chǎn)品 也可以融合在目標(biāo)產(chǎn)品中 語音識別技術(shù)的應(yīng)用 續(xù) 2 文字語音錄入系統(tǒng) 聽寫機 采用先進的語音識別和語言理解技術(shù)能把你連續(xù)發(fā)音的口述語言轉(zhuǎn)化為文字 進一步地 利用該技術(shù)能開發(fā)一些獨立應(yīng)用的錄入系統(tǒng) 例如專用數(shù)字錄入 專用術(shù)語錄入 專用領(lǐng)域文章錄入 表格填充等 語音識別技術(shù)的應(yīng)用 續(xù) 3 無人值守電話服務(wù) 人機口語對話是語音識別未來應(yīng)用的趨勢 也是人類高度信息化的必然趨勢 隨著近幾年語音識別技術(shù)的巨大進展 語音信號處理的研究已從識別轉(zhuǎn)向理解 其中最重要的研究方向就是面向問題求解的人機口語對話系統(tǒng) 具有廣闊的應(yīng)用前景 語音識別技術(shù)的應(yīng)用 續(xù) 4 專用語音直接翻譯機 隨著各國經(jīng)濟 社會和文化的日益全球化 不同母語人類之間的全球自由通訊變得越來越迫切 手持專用語音直接翻譯機就可以使一個普通旅游者走遍天下而無語言障礙 例如你只需要對著該機說漢語 它就可以把它轉(zhuǎn)化為英語并朗讀出來 語音識別技術(shù)的應(yīng)用 續(xù) 移動應(yīng)用 移動語音門戶 美國 車載移動語音 第二章總結(jié) 1 無線電波傳播特性各個波段的傳播特點無線電信號的衰減無線信道2 移動通信中電波的調(diào)制3 移動通信中的編碼4 語音識別