移动智能系统测试原理与实践.html.pdf

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1、前言 随着信息化系统建设复杂度的提高、网络与数据库的迅速发展及其应用的不断广泛和深入，社会对信息和信息技术的依赖程 度不断增强，移动智能系统开始应用在社会生活的各个方面。移动智能系统在移动网络中引入具有智能功能的实体，是实现移动 通信智能控制的一种网络系统。它是现有的移动网络与智能终端的结合，通过在移动网中引入移动业务交换点，使低层移动网与 高层智能网相连，将移动交换与业务分离，形成移动智能网。移动智能网作为移动网的高层业务网，能够快速、方便、灵活、经 济、有效地为移动网生成和实现各种新的业务，使客户对网络有更强的控制功能，方便、灵活地获取所需的信息。 本书以移动智能系统的基础理论知识、信息安

2、全的基础知识、移动智能系统测试的基础知识为背景，以移动智能系统、移动 智能终端和服务平台端测试知识为支撑，重点介绍功能测试、可靠性测试、可移植性测试、安全测试、性能测试、可维护性测试 以及通信测试，使读者能够系统地了解并掌握移动智能系统测试的理论与方法，达到理论与实践相结合的学习效果。 本书由四个部分构成。第一部分包括第13章，主要介绍移动智能系统的基本概念、信息安全的相关知识、移动智能系统测 试的基础知识，为后面的内容进行必要的准备和铺垫。第二部分包括第48章，系统地介绍移动智能终端测试的测试内容、测试 方法、测试流程、测试工具等相关知识。第三部分包括第911章，详细介绍移动智能系统服务平台

3、端测试的测试内容、测试方 法、测试流程、测试工具等相关知识。第四部分包括第1213章，重点介绍移动智能终端和移动智能系统服务平台端交互测试方 面的内容。另外，附录介绍了国内外移动智能系统测试方面的相关标准。 本书旨在为读者提供移动智能系统测试相关的基础理论，并分别探讨了移动智能终端和智能服务平台端在功能测试、可靠性 测试等方面的测试内容、测试方法和测试工具，最后介绍了双方交互测试方面的相关内容，并介绍国内外移动智能系统测试相关 标准。全书涉及的内容十分广泛，既可供专业测试人员参考，也可供高等院校计算机、软件工程等专业的学生学习。 本书由北京工业大学何泾沙教授和北京软件产品质量检测检验中心周悦担

4、任主编，由北京工业大学张伊璇担任副主编。北京 工业大学周博、杜江浩、白鑫和北京软件产品质量检测检验中心孙陶、王欣鹏参与了第一部分的编写；北京工业大学高梦晨、李 亚萌、方静、肖起、常成月和北京软件产品质量检测检验中心孙陶、郑丽娜、康艳艳参与了第二部分的编写；北京工业大学朱星 烨、陈奕州、张亚君和北京软件产品质量检测检验中心郑丽娜、王坤、黄佳参与了第三部分的编写；北京工业大学郭军、轩兴刚 参与了第四部分的编写；北京工业大学黄娜参与了本书的校稿。另外，北京软件产品质量检测检验中心王威、楼莉、郭澍、宋红 波、任佩和北京市信息资源管理中心高顺尉参与了书中部分内容的编写和校稿工作，中国科学院软件研究所朱娜

5、斐参与了本书的 前期策划讨论、文献收集整理以及部分内容的编写工作。在此向每一位参编和参校人员以及所有为本书的编写做出贡献或提供过 帮助的人表示衷心的感谢。本书的编写还得到以下科技项目或课题的支持：国家高技术研究发展计划（863计划） （2015AA017204）、国家自然科学基金（61272500）、国家科技支撑计划（2015BAK32B00）、北京市自然科学基金 （4142008）。 本书在编写过程中参考了国内外许多相关领域的文献，也从其他同行的工作中得到了启发，在此一并表示衷心的感谢。 由于编者水平及编写时间所限，书中难免存在疏漏与不足之处，敬请广大读者和同行专家批评指正。 编者 2016

6、年4月 第一部分 基础知识 第1章 移动智能系统 第2章 信息安全 第3章 移动智能系统测试 第1章 移动智能系统 本章导读 本章首先介绍移动智能系统相关的基本概念、定义及结构，然后对组成移动智能系统的主要部分企业移动服务平台和个 人移动智能终端进行详细的讲解，最后阐述移动智能系统中各部件之间进行通信时所采用的一些关键技术。 应掌握的知识要点： 移动智能系统的概念 移动智能系统架构 个人移动终端的组成原理 企业服务平台结构体系 相关的移动通信关键技术 移动通信技术的发展历程 1.1 移动智能系统概述 如今，手机等移动通信设备的使用随处可见，人们通过个人数字助理设备和具有无线连接功能的笔记本电脑

7、就能连接网络获 取信息，这种称为移动计算的应用正在全球范围内迅速增加。各大移动手机生产商竞相发布各自产品的最新版本。这对于必须紧 跟信息服务以获得商业优势的移动服务提供商来说是一个巨大的挑战。 1.1.1 移动智能系统的概念 无线技术的快速发展造就了移动计算模式。它引入了随时随地的计算概念，由此诞生的应用具有广阔前景。但是在计算机真 正实现其潜力之前，仍有一些重要的问题需要解决，如存储容量受限、断线频率、带宽窄、安全问题、非对称通信费用和带宽以 及小屏幕尺寸等。计算智能是一种在研究中用于分析各种问题的强大的、不可或缺的方法，它通过学习、自适应或演化计算来构 建方案，在某种意义上可称为智能方案。

8、这种方法已经用于解决各种不同领域的问题，如安全、市场营销、图像质量预测以及风 险评估等。因此，利用它来解决移动计算的问题也颇具潜力。 将计算智能方法应用到移动模式具有广阔的应用前景，二者的结合产生了一个新的概念，即移动智能。移动智能可使许多应 用获益，包括数据库的查询处理、多媒体、网络安全、信息检索、电子商务系统、网络流量与应用以及搜索引擎等。 移动智能系统（mobile intelligence system）由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括服务设备和便携式终端设备；软件 是服务设备与终端设备上运行的程序以及相应的文档，这些程序及文档使硬件设备具有了接收和存储信息、按程序快速计算和判 断

9、并输出处理结果等能力，进而能够使整个系统产生近似人类智能的行为。 对“智能”一词很难给出一个完整确切的定义，但一般可做如下表述：智能是人类大脑的较高级活动的体现，至少应具备自 动地获取和应用知识的能力、思维与推理的能力、问题求解的能力和自动学习的能力。 1.1.2 移动智能系统架构 由于实际情况的不同，现实中遇到的移动智能系统均存在或大或小的差异，但是就本质而言，它们的基本架构体系是十分相 似的。只要掌握了移动智能系统最基本的架构，在遇到实际的问题时就可以有章可循地分析问题并解决问题。一般情况下，移动 智能系统的基本架构如图1-1所示。 图1-1 移动智能系统架构 在移动智能系统架构中，两个最

10、为重要的组成部分为企业移动服务平台和个人移动智能终端。在企业移动服务平台端，设有 认证用户以及管理员身份的统一认证系统以及其他辅助企业移动服务平台正常运行的子系统，主要包括业务系统、企业服务总 线、数据库和文件服务器等。另外，企业移动服务平台和个人移动智能终端之间，设有保护企业移动服务平台免受外部攻击的安 全网关，以及支持个人移动智能终端功能扩展的移动应用产品与增值服务。 目前，移动智能系统凭借其可移动性以及海量用户的优势，正逐渐地改变人们的生活状态以及互联网产业的格局。而移动智 能系统构架也在应用过程中通过用户与市场的反馈不断改变着自身的结构。但无论如何改变，企业移动服务平台和个人移动智能

11、终端都是移动智能系统中不可或缺的两部分，因此，进一步了解这两个部分的组成原理是十分必要的。 接下来的两节将对移动智能系统的两个不可或缺的组成部分移动智能终端和服务平台体系作更加详细的介绍。 1.2 移动智能终端的组成 移动智能终端（mobile intelligent terminal）即为安装有开放式操作系统，可装载相应的程序来实现相应的功能的设备。 其主要代表为智能手机、笔记本电脑、平板电脑、POS机、车载计算机等，但多数情况下是指具有多种应用功能的智能手机和平 板电脑。这些移动智能终端的主要特点为：本身是开放性的OS平台；基本上均具备PDA（Personal Digital Assist

12、ant，个 人数字助理）的功能；都可以无线接入互联网；可扩展性强，功能强大。 目前的移动智能终端已具有较好的处理能力、内存、存储介质和操作系统，是一个完整的超小型计算机系统，可以完成较为 复杂的处理任务。不同的移动智能终端完全或部分实现了通话、拍照、听音乐、玩电子游戏、定位、信息处理、指纹扫描、身份 证扫描、条码扫描、IC卡、智能卡扫描和酒精含量检测等功能，因此被广泛地应用于移动办公、移动执法、快递、保险、通信等 领域。 移动智能终端的逻辑结构通常可分为三层：底层硬件、中层操作系统及上层应用。底层硬件主要包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、存储器（memo

13、ry）以及输入/输出设备（Input/Output Device，I/O Device），中层操作系统主 要是指开放智能操作系统以及操作平台，上层应用常见的有Email、Office、GPS以及SNS。由于对上层应用的测试属于应用软 件测试的范畴，而本书的主要目的是介绍移动智能终端基本配置（底层硬件和中层操作系统）的测试方法，所以不再对上层应用 的测试作过多陈述。 1.2.1 硬件 移动智能终端的硬件构成主要有三大核心部件：CPU、存储器以及输入/输出设备。 CPU。CPU是一块集成电路，是一台移动智能终端的运算核心和控制核心，主要包括运算器（Arithmetic Logic Unit，ALU

14、）和高速缓冲存储器（cache）及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线（bus）。目前移动智能终端中的 CPU主要采用ARM架构，主流主频在1GHz以上并已经向多核领域发展。 存储器。存储器是移动智能系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。移动智能终端中的全部信息，包括输入的原始数据、 计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，移动智 能终端才有记忆功能，才能保证正常工作。目前移动智能终端中所使用的存储器分为只读存储器（Red Only Memory，ROM）和随机存储器（Random Access Memory，RAM），相当

15、于计算机的硬盘和内存。 输入/输出设备。输入设备是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数据的程序输入计算机。 它是计算机与用户或其他设备通信的桥梁，也是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘、鼠标、摄像头、扫 描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置等都属于输入设备。输出设备也是人与计算机交互的一种部件，用于数据的输 出。它把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来，常见的有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系 统、语音输出系统、磁记录设备等。 1.2.2 操作系统 移动操作系统（Mobile Operating System，Mob

16、ile OS）是指在移动设备上运作的操作系统，它近似在台式机上运行的 操作系统，但通常较为简单，而且提供了无线通信的功能。 在移动操作系统出现前，移动设备如手提电话一般使用嵌入式系统运作。1993年，IBM推出了首台智能型手机IBM Simon。其后Palm及Microsoft公司先后于1996年推出Palm OS及Windows CE，开启移动操作系统争霸的局面。Nokia、 Black Berry（黑莓）公司在手机上发展了移动操作系统，以争夺市场。2007年，Apple公司推出iPhone，搭载iOS操作系统， 着重于应用触控式面板，改进用户接口与用户体验。9月，Google成立开放手持设

17、备联盟，推出Android操作系统。 由于Apple iOS以及Google Android的推波助澜，智能手机曾呈现爆量的增加，至今各厂商已推出不同的移动操作系统， 包括Google的Android、Apple的iOS、Microsoft的Windows Phone等。市场调研机构Gartner的报告显示，从2015年5月到 2016年4月，iOS的市场份额总体有明显的下滑趋势，2015年7月份为20.41%左右，10月份下跌到17.7%，11月份稍微上升，此 后的表现几乎维持在18.8%不变。而Android操作系统的市场份额由2015年5月的64%一直增长到10月份的67.15%，11月

18、份虽 出现了小幅下滑，但很快又恢复了增长的势头。 Android。Android是一个基于开放源代码的Linux平台的操作系统，受Google及参与开放手持设备联盟的主要硬件和软件 开发商（如Intel、HTC、ARM公司、Samsung、Motorola等）的支持。Android至今最新为6.0版本，其中一个特色是每一个 发布版本的开发代号均与甜点有关，如1.6版本的甜甜圈（Donut）和2.2版本的霜冻优格（Froyo）等。大多数主要移动服务供 应商均有支持Android设备使用的网络。自推出首台设备HTC Dream后，使用Android的设备数量一直大幅度增长。Android系 统的主

19、要优缺点如表1-1所示。 表1-1 Android系统的主要优缺点 iOS。iOS是由Apple公司所开发的封闭源代码和专有系统。iPhone、iPod Touch、iPad和Apple TV都是以源自OS X的iOS 作为操作系统，至今最新为9版本。在2008年7月11日发布2.0版本前，iOS不支持第三方应用程序。在此之前，一般会通过越狱 的方式容许安装第三方应用程序，而此途径至今已然有效。目前所有的iOS设备都是由Apple公司开发的，并由富士康或其他 Apple的合作伙伴制造。iOS系统的主要优缺点如表1-2所示。 表1-2 iOS系统的主要优缺点 Windows Phone。Wind

20、ows Phone是由Microsoft公司开发的封闭源代码和专有系统。它是继Android和iOS后的第三大 移动操作系统。2010年2月15日，Microsoft公布了其下一代移动操作系统Windows Phone。其新的移动操作系统包含一个来 自于Microsoft“Metro UI”的全新接口。Windows Phone设备主要合作厂商包含Nokia、HTC、Samsung。截至2014年9 月，Windows Phone的市场份额为3%。Windows Phone系统的主要优缺点如表1-3所示。 表1-3 Windows Phone系统的主要优缺点 1.2.3 行业标准 由于移动智能

21、终端涉及硬件、操作系统、无线接入、应用服务等多方面技术，并且全球各大组织、运营商和终端厂商出于自 身利益，很难形成统一的标准。目前主流标准主要有以下4个： 1）ITU确定的全球四大3G标准（WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX）。 2）3GPP、3GPP2和OMA等国际标准化组织都对各类无线多媒体业务制定了一系列完善的业务规范。 3）Java组织JCP制定了Java终端框架规范。 4）我国在字符库与中文输入等方面制定了一些国家标准。 移动智能终端的不断普及，必将推动移动互联网和物联网的进一步发展，而网络的进一步发展也将使得移动终端的功能变得 更加强大。未来各个移动智能终端

22、厂商的竞争将会是平台的竞争，而这些竞争也终将催生出标准化的移动智能终端。 1.2.4 测试指标 功能性。功能测试的关注点在于移动智能终端产品及其应用产品能够做什么，测试依据通常来自产品的规格说明文档、特定 领域的专业知识或者对于移动智能终端的其他隐性的要求。 可靠性。移动智能终端可靠性测试是指在特定时间内、特定环境中能够正确提供用户所希望服务的可能性，该测试也是在移 动智能终端测试过程中十分重要的一个环节。 可移植性。移动智能终端可移植性测试是用来衡量智能终端软部件（“软部件”一般指应用程序或系统）从一种环境转移到 另一种环境中时能够正常工作的难易程度。良好的可移植性不仅可以延长智能终端软部件

23、的生命周期，还可以拓展其应用环境。 所以，可移植性测试对移动智能终端来说必不可少。 安全性。移动终端作为移动业务对用户的唯一体现形式以及存储用户个人信息的载体，应配合移动网络保证移动业务的安 全，实现移动网络与移动终端之间通信通道的安全可靠，同时保证用户个人信息的机密性、完整性。为了达到以上安全目的，移 动终端应提供措施保证系统参数、系统数据、用户数据、密钥信息、证书、应用程序等的完整性、机密性，还要保证终端关键器 件的完整性、可靠性以及用户身份的真实性。 除了以上四种主要测试指标之外，移动智能终端的测试指标还包括性能、易用性以及可维护性。具体的测试方法与流程以及 常用的测试工具将在本书第二部

24、分做详细的介绍。 1.3 服务平台体系结构 如果把移动智能终端看作个人用户手中的便携式“前端”，那么为其提供各种服务支持的强大“后台”就是各大移动服务提 供商所构架的服务平台。根据服务群体的差异，各服务平台之间也存在着差异，但总体而言，所有的服务平台均包括两个不可或 缺的体系：移动运维服务体系和移动应用开发体系。 1.3.1 移动运维服务体系 移动运维服务体系主要由3个部件构成，它们分别是统计分析功能组件、基础服务功能组件和运维管理平台。 统计分析功能组件。统计分析功能组件用于统计分析。运用统计方法、定量与定性的结合是统计分析的重要特征。随着统计 方法的普及，不仅统计工作者可以进行统计分析，各

25、行各业的工作者都可以运用统计方法进行统计分析。只将统计工作者参与的 分析活动称为统计分析的说法严格说来是不正确的。提供高质量、准确而又及时的统计数据和高层次、有一定深度和广度的统计 分析报告是统计分析的产品。从一定意义上讲，提供高水平的统计分析报告是统计数据经过深加工的最终产品。 基础服务功能组件。基础服务功能组件包含移动运营商能为移动产品用户提供的最基本的服务。通常情况下，这些基础服务 主要包括语音通话、短信、上网以及业务办理与查询等，另外，根据统计分析功能组件所取得的分析结果的不同，移动运营商也 会根据用户的使用行为推出各种不同的特色服务。 运维管理平台。运维管理平台主要是为企业服务器管理

26、员而开发的，以帮助服务器管理员实现服务器的正常运行并在服务器 出现问题时及时给予维护建议。运维管理平台是运维服务体系中最基础的模块，因为如果服务器无法正常运行，那么整个服务平 台的运行都将陷入瘫痪。 1.3.2 移动应用开发体系 移动应用开发体系主要由3个部件构成，它们分别是业务系统移动开发框架、移动终端开发框架和企业级安全组件。 业务系统移动开发框架。业务系统移动开发框架是软件开发人员为了在开发移动运营商的业务系统时有章可循而设计的。这 个框架不仅可以帮助开发人员了解以往开发人员已经开发出的业务软件的结构和功能，而且可以在开发人员开发新的移动业务时 提供必要的帮助。因此，业务系统移动开发框架

27、是保障整个业务系统不断丰富、结构一致的重要组件。 移动终端开发框架。移动终端开发框架是软件开发人员为了在开发移动用户所使用的应用软件时有章可循而设计的。这个框 架可以保障不同移动终端软件开发人员开发出来的软件都可以同移动服务平台端开发出的服务软件正常通信，很好地实现了软件 的跨平台性和结构的一致性，使得用户在拥有海量应用的情况下也不会遇到服务盲区。 企业级安全组件。企业级安全组件是整个服务平台的防护网，比普通系统级别的安全组件或防火墙拥有更为强大的监控与防 御功能。该组件不仅保护移动运维服务体系中各个功能组件免受外部的各种恶意攻击，而且保证移动运行在服务器端的各种移动 应用的安全。 1.3.3

28、 硬件支持 企业移动服务平台主要布置在企业内部的服务器上，因此其硬件支持从物理层面上讲就是一些存储文件与运行程序的服务器 集群。而服务平台的功能是否齐全、强大以至于智能化，主要取决于配置在服务器上的软件系统，主要包括前面所讲到的移动运 维服务体系和移动应用开发体系，而服务平台的性能与安却主要决定于支持服务平台运行的服务器的安全。下面主要讲解服务器 的相关知识。 作为硬件来说，服务器通常是指那些具有较高计算能力，能够提供给多个用户使用的计算机。服务器与PC的不同点很多， 例如，PC在一个时刻通常只为一个用户服务。服务器与主机不同，主机是通过终端给用户使用的，服务器是通过网络给客户端 用户使用的。

29、和普通的PC相比，服务器需要连续地工作在724小时环境中，这就意味着服务器需要更多的稳定性技术RAS，如 支持使用ECC内存。 根据不同的计算能力，服务器又分为工作组级服务器、部门级服务器和企业级服务器。服务器操作系统是指运行在服务器硬 件上的操作系统。服务器操作系统需要管理和充分利用服务器硬件的计算能力并提供给服务器硬件上的软件使用。 现在，市场上有很多为服务器作平台的操作系统。例如，类UNIX操作系统，由于是UNIX的后代，大多都有较好的作服务器 平台的功能。常见的类UNIX服务器操作系统有AIX、HP-UX、IRIX、Linux、FreeBSD、Solaris、Mac OS X Serv

30、er、 OpenBSD、NetBSD和SCO OpenServer。Microsoft也推出了Microsoft Windows服务器版本，如早期的Windows NT Server以及后来的Windows 2000 Server、Windows Server 2003和Windows Server 2008，乃至现在的Windows Server 2012。 1.3.4 测试指标 性能。服务器性能用来表明服务器软件系统或者构件对于其及时性要求的符合程度，可以用时间或者空间进行度量。服务器 性能好坏体现在：当服务器系统在一定的负载压力下工作时，能否及时响应终端的服务请求。影响服务器软件性能的因

31、素很多， 主要有硬件设施、网络、操作系统、并发用户数、系统积累的数据量、中间件等。服务器性能测试则是要通过一定的专业测试方 法确保服务器各项性能达标。 安全性。服务器平台的安全性主要包括物理安全、网络安全、主机安全、应用安全、数据安全以及人员的管理安全六个方 面。其中，每个方面又包括不同的安全要求等级，对应不同的安全要求等级则需要提供相应的保护力度。服务器平台安全性测试 即借助专业的测试工具来验证服务器平台应对各种安全威胁以及恶意攻击的能力。 功能性。服务平台端功能测试是指测试产品在服务平台端能否实现其所设计的功能，通过对一个系统所有的特性和功能进行 测试以确保其符合需求和规范。服务平台端功能

32、测试的主要目的是测试产品在服务平台端能否正确运行、功能上有无错误、是否 满足用户的需求，以及文件服务器、数据库服务器、应用程序服务器能否正常运行、满足调用。 服务器平台的测试指标主要包括以上三种，具体测试方法与流程以及常用的测试工具将在本书第三部分中详细介绍。 1.4 相关通信技术 以上对移动智能系统的定义、架构以及移动智能系统架构中最重要的组成部分进行了基本的介绍，这些内容属于移动智能系 统组成中那些相对独立静态的部分。下面将主要介绍移动智能系统各个组成部件之间进行通信时所用到的关键技术，这些内容属 于移动智能系统中那些相互交流动态的部分。 1.4.1 语音编解码技术 数字移动网可提供高于模

33、拟移动网的系统容量，这需要高质量、低速率的语音编码技术与高效率数字调制技术相结合。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。这是因为，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，传输信号所占用带宽也减半，而系统容量增加一倍，频率利用率可有效提高。同时，为了抑制 误码对语音质量的影响，要研究抗误码能力强的编码方式，即采取高效纠错/检测编码的方案。 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。语音编、解码技术要尽可能地使语音信号的原始波形在接收方

34、无失真地恢复，主要分为 波形编码、参数编码和混合编码这三大类。 波形编码。该技术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。解码是相反的过程，将 接收的数字信号序列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，但编码速率较髙，一般应用在对信号带 宽要求不高的通信中。常见的波形编码技术包括脉冲编码调制（PCM）、增量调制（DM）、差分脉冲编码调制（DPCM）、 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）、自适应增量调制（ADM）、自适应传输编码（ATC）等。 参数编码。参数编码又称声源编码，该技术基于发音模型，从模拟话音中提取各个特征参量并进行量化编码，可实现

35、低速率 语音编码，但话音质量只能达到中等。常见的参数编码技术包括线性预测编码（LPC）声码器和余弦声码器等。20世纪80年代 中期人们又对LCP声码器进行了改进，提出了混合激励、规则激励等。 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的优点。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，如泛欧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。 1.4.2 调制与解调技术 调制就是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程。一般来说，信号源的编码信息（信源）含 有直流分量和频率较低的频率分

36、量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带 频率而言频率非常高的带通信号以适合于信道传输。这个带通信号叫作已调信号，而基带信号叫作调制信号。调制是通过改变高 频载波的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号的变化而变化来实现的；而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的 接收者（信宿）处理和理解的过程。 调制可分为两类：线性调制和非线性调制。线性调制包括调幅（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB-SC）、单边带调幅 （SSB）、残留边带调幅（VSB）等。非线性调幅的抗干扰性能较强，包括调频（FM）、移频键控（FSK）、移相键控 （PSK）、差分移相键控（

37、DPSK）等线性调制特点。线性调制不改变信号的原始频谱结构，而非线性调制改变了信号的原始频 谱结构。根据调制的方式，调制可划分为连续调制和脉冲调制。按调制技术分，调制可分为模拟调制技术与数字调制技术，其主 要区别是：模拟调制是对载波信号的某些参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续估值；而数字调制是用载波信 号的某些离散状态来表征所传送信息，在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。 （1）正交振幅调制 在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中

38、、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传 输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，信道传输特性发生了很大变化。因 此，在传统蜂窝系统中不能应用的QAM也引起人们的重视。QAM是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行 抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。 QAM信号调制原理如图1-2所示。为了抑制已调信号的带外辐射，该L电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器 （LPF）。 图1-2 QAM信号调制原理图（正交相干解调方法） QAM信号同样可以采用正交相干解调方法，其解调器原理如

39、图1-3所示。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检 测。 （2）最小移频键控 数字频率调制和数字相位调制由于已调信号包络恒定，因此有利于在非线性特性的信道中传输。由于一般FSK信号相位不连 续、频偏较大等原因，其频谱利用率较低。最小移频键控（Minimum Frequency Shift Keying，MSK）是二进制连续相位FSK 的一种特殊形式，它能有效改善上述不足。MSK有时也称为快速移频键控（FFSK），所谓“最小”是指这种调制方式能以最小 的调制指数（0.5）获得正交信号；而“快速”是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱 分量要比2PSK衰减

40、得快。MSK信号具有以下特点： MSK信号是恒定包络信号。 在码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内/2线性地变化。 在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍，信号的频率偏移等于1/（4TS），相应的调制指数h=0.5。 图1-3 QAM信号调制原理图 （3）DQPSK/4调制 DQPSK/4调制是一种正交相移键控调制方式，综合了QPSK和OQPSK两种调制方式的优点。DQPSK有比QPSK更小的包 络波动，在多径扩展和衰落的情况下，DQPSK比OQPSK的性能更好。DQPSK能够采用非相干解调，从而使得接收机实现大大 简化。DQPSK已被用于

41、北美和日本的数字蜂窝移动通信系统。调制器原理如图1-4所示。 图1-4 调制器原理图 为了抑制已调信号的带外功率辐射，在进行正交调制前先使同相支路信号和正交支路信号Ik和Qk通过具有线性相位特性和平 方根升余弦幅频特性的低通滤波器。 解调器原理如图1-5所示。 图1-5 解调器原理图 还可采用FM鉴频器检测，流程如图1-6所示。 图1-6 FM鉴频器检测流程图（正交相干解调方法） （4）正交频分复用技术 上述所讨论的数字调制解调方式均属于串行体制，和串行体制相对应的一种体制是并行体制。它是将高速率的信息数据流经 串/并变换，分割为若干路低速率并行数据流，然后每路低速率数据采用一个独立的载波调制

42、并叠加在一起构成发送信号，这种 系统也称为多载波传输系统。在并行体制中，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）方式 是一种高效调制技术，具有较强的抗多径传播、频率选择性衰落的能力以及较高的频谱利用率。OFDM系统已成功地应用于接 入网中的高速数字环路HDSL、非对称数字环路ADSL、高清晰度电视HDTV的地面广播系统。在移动通信领域，OFDM是第三 代、第四代移动通信系统准备采用的技术之一。多载波传输系统原理如图1-7所示。 图1-7 多载波传输系统原理图 OFDM是一种高效调制技术，其基本原理是将发送的数据流分散到许多个

43、子载波上，使各子载波的信号速率大为降低，从 而能够提高抗多径和抗衰落的能力。为了提高频谱利用率，OFDM方式中各子载波频谱保持相互正交，在接收端通过相关解调 技术分离出各子载波，同时消除码间干扰的影响。 1.4.3 扩频通信技术 传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。例如，语音信息的带宽为2020000Hz，普通电视图像信息的带宽大约为 6MHz。为了充分利用频率资源，通常都是尽量压缩传输带宽。例如，电话是基带传输，通常把带宽限制在3400Hz左右。如使 用调幅信号传输，因为调制过程中将产生上下两个边带，信号带宽需要达到信息带宽的两倍，而在实际传输中，采用压缩限幅技 术，把广播语音的带宽

44、限制在24500Hz=9kHz左右；采用边带压缩技术，把普通电视信号包括语音信号一起限制在 1.26.5MHz8MHz。即使在普通的调频通信上，最大也只把信号带宽放宽到信息带宽的十几倍左右，这些都是采用了窄带通 信技术。扩频通信技术属于宽带通信技术，通常的扩频信号带宽与信息带宽之比高达几百甚至几千倍。 （1）扩频通信的定义 扩频通信，即扩展频谱通信（spread spectrum communication）技术，它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大 于信息本身的带宽。除此以外，扩频通信还具有如下特征： 它是一种数字传输方式。 带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数（扩频函数）对被传信息进

45、行调制实现的。 在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。 （2）扩频通信的理论基础 香农（C.E.Shannon）在信息论研究中总结出的信道容量公式（即香农公式）如下： C=Wlog2（1+S/N） 式中：C为信息的传输速率；S为有用信号功率；W为频带宽度；N为噪声功率。 由香农公式可以看出：为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，即加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说，当 信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一 定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下

46、也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来 换取信噪比上的好处，这是扩频通信的基本思想和理论依据。 扩频通信的主要优点： 抗干扰性强，误码率低。 易于同频使用，提高了无线频谱的利用率。 扩频通信是数字通信，特别适合数字话音和数据同时传输。 扩频通信自身具有加密功能，保密性强，便于开展各种通信业务。 扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术，更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传输。 扩频通信绝大部分是数字电路，设备高度集成，安装简便，易于维护，也十分小巧可靠，便于安装，便于扩展，平均无故 障率时间也很长。另外，扩频设备一般采用积木式结构，组网方式灵活，方便统一规划、分期实施，利于

47、扩容，有效地保护前期 投资。 1.4.4 分集接收技术 衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一。其中的快衰落深度可达3040dB，利用加大发射功率、增加天线尺寸和高 度等方法来克服这种深衰落不仅不现实，而且会造成对其他电台的干扰。而采用分集方法可以降低衰落效应，分集方法即在若干 个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上 大大降低深衰落的概率。相应地，还需要采用分集技术减轻衰落的影响，以获得分集增益，提高接收灵敏度，这种技术已广泛应 用于包括移动通信、短波通信等随参信道中。在第二和第三代移动通信系统中，这些分集接收技术都已

48、得到了广泛应用。 分集接收技术是一项主要的抗衰落技术，可以大大提高多径衰落信道传输下的可靠性。在实际的移动通信系统中，移动台常 常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中，而且移动的速度和方向是任意的。发送的信号经过反射、散射等传播路径后，到 达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落。不同路 径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰 落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变， 甚至造成通信系统

49、解调器的输出出现大量差错，以至完全不能通信。此外，如果发射机或接收机处于移动状态，或者信道环境发 生变化，会引起信道特性随时间随机变化，接收到的信号由于多普勒效应会产生更为严重的失真。在实际的移动通信中，除了多 径衰落外还有阴影衰落。当信号受到高大建筑物（如移动台移动到背离基站的大楼面前）或地形起伏等的阻挡，接收到的信号幅 度将降低。另外，气象条件等的变化也都会影响信号的传播，使接收到的信号幅度和相位发生变化。这些都是移动信道独有的特 性，给移动通信带来了不利的影响。 为了提高移动通信系统的性能，可以采用分集、均衡和信道编码这3种技术来改善接收信号的质量，它们既可以单独使用， 也可以组合使用。 1.分集技术的基本原理 根据信号论原理，若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机，则有助于接收信号的正确判决。这种通过提供传送信 号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法称为分集。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，通常利用无线传播环境中同一信 号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，以抵抗衰落引起的不良影响。空间分集手段可以克服 空间选择性衰落，但是分集接收机之间的距离要满足大于3倍波长的基本条件。 分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多