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文檔簡介
1、 目的:目的: 考慮到我們?nèi)粘9ぷ髦袝龅揭恍┠:磺宓母拍?,如什么是恒包絡(luò)調(diào)制、GMSK頻偏為什么為1/4數(shù)據(jù)速率等等問題。 本次講座基于我們熟悉的GSM移動終端系統(tǒng),對整個通信系統(tǒng)的架構(gòu)進行一個總體介紹。 對哪些部分有興趣和問題,再以專題形式進行深入探討。 在報告最后,會給出通信原理課程的學(xué)習(xí)提綱,便于日后探討。下面以GSM手機系統(tǒng)為例對通信系統(tǒng)的構(gòu)建進行簡介。 通信的定義:傳輸信息將信息從發(fā)端迅速準確地傳遞到收端。通信原理的研究內(nèi)容: 怎么進行變換才能達到迅速準確?如何構(gòu)建通信系統(tǒng)基礎(chǔ)信號與系統(tǒng)及信息論: 什么是信息信息,如何用數(shù)學(xué)方式進行表示、變換?話音信號 移動終端,主要分為base
2、band基帶信號處理和RF射頻信號處理兩大部分??赏瓿稍捯艟幗獯a、信道編解碼、信息的調(diào)制解調(diào)、信息發(fā)射和接收。 除信道譯碼外,接收基本上為發(fā)射的反過程。我們下面著重對信號的發(fā)射過程進行介紹。 移動終端系統(tǒng)框圖:話音拾取語音編碼信道編碼調(diào)制前端處理發(fā)射無線傳輸話音還原語音解碼信道譯碼解交織解調(diào)前端處理接收同步話音信號交織BasebandBasebandRFRF 基帶處理部分(了解) 射頻處理部分(重點)1) 原理:此過程可參看PCM編碼的例子:2) 實現(xiàn)方法:分為送話器電路與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器兩部分(1)送話器電路: 該電路將模擬的聲音信號轉(zhuǎn)換為模擬的話音電信號,并通過一個話音頻帶形成電路,取3003
3、400Hz的信號送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;(2)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器: 話音信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,將模擬的話音電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字語音信號:經(jīng)過8KHz抽樣,量化值為13bit,相當于每125us輸出13bit的碼流,比特率為138KHz=104Kbit/s;1. 話音拾?。篜CM信道編碼突發(fā)序列射頻射頻前端前端發(fā)射話音信號交織104Kbps話音拾取語音編碼基帶信號處理基帶信號處理2. 信源編碼語音壓縮編碼 1)原理 為了提高系統(tǒng)的有效性,現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)往往采用話音壓縮編碼技術(shù)。它利用語聲編碼器為人體喉嚨所發(fā)出的音調(diào)和噪聲,以及人的口和舌的聲學(xué)濾波效應(yīng)建立模型,這些經(jīng)濾波后的壓縮數(shù)據(jù)將通過TCH(業(yè)務(wù)信道)信道
4、進行傳送。2)實現(xiàn)方法規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編碼(RPE-LTP) 以20ms為為一幀,進行語音壓縮編碼,輸出260bits。比特率降為13Kbit/s。 根據(jù)重要性不同,輸出的260比特分成182bits和78bits兩類。較重要的182bits又可以進一步細分出50個最重要的比特(如右圖); 與傳統(tǒng)的PCM線路上語聲的直接編碼傳輸相比,GSM的13Kbps的話音速率要低得多。信道編碼突發(fā)序列射頻射頻前端前端發(fā)射話音信號3. 信道編碼:交織104Kbps260bit,13Kbps456bit,22.8Kbps話音拾取語音編碼基帶信號處理基帶信號處理1)原理 為了提高系統(tǒng)的可靠性,現(xiàn)代數(shù)字通信系
5、統(tǒng)往往采用信道編譯碼技術(shù)差錯控制編碼。 在信息序列上附加上一些監(jiān)督碼元; 使原來不規(guī)律的或規(guī)律性不強的原始數(shù)字信號變?yōu)橛幸?guī)律的數(shù)字信號; 譯碼利用此規(guī)律性來檢錯及糾錯。 差錯控制編碼主要分為:分組碼和卷積碼2) 實現(xiàn)方法: GSM系統(tǒng)中,既有分組編碼也有卷積編碼,采用了兩次編碼:(1)對上述的50個very important bits加上3個奇偶檢驗比特分組編碼(2)這53個比特同132個重要比特與4個尾比特一起卷積編碼,比率1:2,因而得378個比特,另外78個比特不予保護。 輸入輸出189bits378bits,k=1/2的卷積編碼(3)由上知,經(jīng)信道編碼每20ms輸出456bits,碼
6、率變?yōu)?2.8Kbit/s。 采用“兩次”編碼的好處是: 在有差錯時,便于校正(利用卷積編碼特性)和檢測(利用分組編碼特性)。1) 原理: 在陸地移動通信這種變參信道上(瑞利衰落),比特差錯經(jīng)常是成串發(fā)生的。然而,信道編碼僅在檢測和校正單個差錯和不太長的差錯串時才有效隨機錯誤。 為了解決這一問題,就要把一條消息中的相繼比特分散開,即一條消息中的相繼比特以非相繼方式被發(fā)送。這樣,在傳輸過程中即使發(fā)生了成串差錯,恢復(fù)成一條相繼比特串的消息時,差錯也就變成單個(或長度很短),這時再用信道編碼糾錯功能糾正差錯,恢復(fù)原消息。將突發(fā)錯誤轉(zhuǎn)化為隨機錯誤。 這種方法就是交織技術(shù)。4. 交織:信道編碼突發(fā)序列射
7、頻射頻前端前端發(fā)射交織104Kbps260bit,13Kbps456bit,22.8Kbps話音拾取語音編碼基帶信號處理基帶信號處理2) 實現(xiàn)方法:在GSM系統(tǒng)中,信道編碼后進行交織,交織分為兩次,第一次交織為內(nèi)部交織,第二次交織為塊間交織。 (1)首先對它進行內(nèi)部交織,即將456個比特分成8幀,每幀57比特;(3)將數(shù)據(jù)話音比特組成突發(fā)幀,以業(yè)務(wù)信道(TCH)傳輸中所用的普通突發(fā)幀為例156.25比特:(2)然后將一組57比特與下20ms的一組57比特,兩兩進行塊狀交織。 這樣一個20ms的話音8幀分別插入8個不同普通突發(fā)脈沖序列中,然后一個一個突發(fā)脈沖序列發(fā)送,這樣即使在傳輸中丟失一個脈沖
8、串,只影響每一話音比特數(shù)的12.5,而這能通過信道編碼加以校正。 二次交織經(jīng)得住喪失一整個突發(fā)脈沖串的打擊,但增加了系統(tǒng)時延。1) 原理: GSM系統(tǒng)采用TDMA與FDMA的方式進行多路復(fù)用傳輸。 幀傳輸時需要等待自身發(fā)送時隙(TIME SLOT)的到來。5. 突發(fā)序列的建立:信道編碼突發(fā)序列射頻射頻前端前端發(fā)射交織104Kbps260bit,13Kbps456bit,22.8Kbps156.25bit,270.833Kbps話音拾取語音編碼基帶信號處理基帶信號處理話音信號(1)TDMA和FDMA系統(tǒng): 相鄰兩頻道間隔為200kHz,每個頻道采用時分多址接入(TDMA)方式,分為8個時隙,即8
9、個信道(全速率); 基波為突發(fā)幀形式,每突發(fā)幀的周期為4.615ms,頻率即為217hz; 每幀持續(xù)時間為4.615/8=577us,即一個time slot。則數(shù)據(jù)的比特率為: 每幀所含bit數(shù)/每幀時間156.25bits / 576.9us 270.833 kbit/sFDMATDMA(2)TIME SLOT波形:一個突發(fā)幀的時域及頻域波形如下圖所示:(1)“57個加密比特”是客戶數(shù)據(jù)或話音,再加“1”個比特用作借用標志。借用標志表示所傳為話音數(shù)據(jù)還是信令消息。(2)“TB”尾比特總是000幫助均衡器判斷起始位和中止位。(3) “26個訓(xùn)練比特”是一串已知比特,在突發(fā)脈沖串的中部,加有已
10、知方式的且自相關(guān)性強的訓(xùn)練序列,利用這一訓(xùn)練序列(training段)在接收端進行同步。 (4)“GP”保護間隔,8.25個比特(相當于大約30us),是一個空白空間。由于每載頻最多8個客戶,因此必須保證各自時隙發(fā)射時不相互重迭。盡管使用了時間調(diào)整方案,但來自不同移動臺的突發(fā)脈沖序列彼此間仍會有小的滑動,因此8.25個比特的保護可使發(fā)射機在GSM建議許可范圍內(nèi)上下波動。 2) 實現(xiàn)方法幀結(jié)構(gòu)以業(yè)務(wù)信道中采用的普通突發(fā)幀(NB)結(jié)構(gòu)為例:上面以最常用的普通突發(fā)幀為例進行了介紹,GSM系統(tǒng)還含有其他的一些突發(fā)幀,來實現(xiàn)不同功能,幀結(jié)構(gòu)也相應(yīng)有所不同,但長度一致。如下:用于移動臺的頻率同步用于移動臺
11、的時間同步用于隨機接入由BTS發(fā)出,不攜帶任何信息 基帶處理部分(了解) 射頻處理部分(重點結(jié)合 CDMA)數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理前端前端處理處理發(fā)射話音信號 數(shù)字信號處理單元輸出270.833Kbps的數(shù)字比特流,進入GMSK調(diào)制單元及射頻前端處理單元:(1) GMSK調(diào)制單元: 數(shù)字調(diào)制:將數(shù)字比特流調(diào)制為I/Q兩路波形 載波調(diào)制:再通過混頻器上變頻到900M/1800M頻段上,轉(zhuǎn)化為便于無線傳輸?shù)纳漕l信號。(2)前端處理 經(jīng)調(diào)制后的射頻信號,通過PA放大及射頻開關(guān),由天線發(fā)射出去。因前端處理較簡單,下面主要對GMSK調(diào)制過程進行介紹。發(fā)射鏈路:載波調(diào)制數(shù)字信號RF 射頻信號處理射頻信號
12、處理156.25bit,270.833Kbps射頻信號數(shù)字調(diào)制I(t)/Q(t)Baseband 基帶信號處理基帶信號處理話音話音拾取拾取GMSK調(diào)制調(diào)制 1. 調(diào)制:1)調(diào)制的必要性1. 便于電磁波輻射接收 天線長度至少為電磁波波長的1/10。那么如聲音信號的低頻信號就不能直接作為電波在空中發(fā)射,為了把需要傳送的信號發(fā)送出去,就需使用某種方法將聲音信號搬移到頻率比聲音信號高、適合在空中發(fā)射的信號上去。2. 便于多路頻分復(fù)用 進行頻譜搬移,把調(diào)制信號的頻譜搬移到不同的位置上,從而提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)男诺廊萘俊?調(diào)制方式往往決定了一個系統(tǒng)的性能。2)實現(xiàn)方法:GMSK=高斯濾波器 + MSK (1
13、)高斯濾波器 :高斯濾波器G( f ) 的沖擊響應(yīng)g(t) 仍是高斯函數(shù),如下: = 通過前端高斯預(yù)調(diào)制濾波器的加入,可以進一步壓縮調(diào)制頻譜。高斯濾波器降低了頻率變化的速度,防止信號能量擴散到鄰近信道頻譜。fc為頻偏,fs為比特速率,若:fc1/4*fs則有: (t)=w*t=2fc*t=(/2)fs*t =(/2Ts)t即:在每一個比特周期Ts,相位將變化90.一個1 將由90的相位增長表示,一個0將由90的相位減少表示,如左圖所示 。(2)MSK : GMSK是通過在載波頻率上增加或者減少67.708KHz,來表示0或1,為FSK的一種。 GSM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)比特率為270.833 kbit/
14、s,正好是頻偏67.708kHz的4倍,這可以減小頻譜的擴散,比特率為頻偏4倍的FSK,稱為MSK最小頻移鍵控。cos c tsin c t最后,基帶信號與載頻進行混頻,射頻信號輸出。C點高斯濾波輸出:對C點數(shù)字碼元波形進行積分,得D點附加相位信號(t)輸出:對D點附加相位信號(t)求其cos與sin函數(shù),得到E點I路與Q路基帶信號輸出:手機發(fā)射系統(tǒng)說明: 手機架構(gòu)如下,在生成I/Q調(diào)制波形之前,都是Baseband內(nèi)的處理。 Baseband通過4條I/Q信號線(兩對差分線)把調(diào)制信號送入射頻transceiver。 Baseband對射頻部分的控制: AFC:控制transceiver的頻
15、率合成 RAMP: 控制PA發(fā)射功率 transceiver控制switch進行頻段切換。 頻率合成器為transceiver的核心部分。Basebandswitch發(fā)射話音信號調(diào)制/跳頻PAtransceiver功率放大切換開關(guān)IRX_TX_P/NAFCRAMP26MFESW1/2QRX_TX_P/N頻率合成器: 在現(xiàn)代的移動通信中,常要求系統(tǒng)能夠提供足夠的信道,移動臺也需能根據(jù)系統(tǒng)的控制變換自己的工作頻率,這就需提供多個信道的頻率信號。然而使用多個振蕩器是不現(xiàn)實的,在工程中,通常使用頻率合成器來提供有足夠精度、穩(wěn)定性好的工作頻率。 由于GSM手機采用時分多址(TDMA)技術(shù),以不同的時間段
16、(Slot,時隙)來區(qū)分用戶,故手機與系統(tǒng)保持時間同步就顯得非常重要。 在GSM系統(tǒng)中,有一個公共的廣播控制信道(BCCH),它包含頻率校正信息與同步信息等。手機一開機,就會在邏輯電路的控制下掃描這個信道,從中獲取同步與頻率校正信息。 如手機系統(tǒng)檢測到手機的時鐘與系統(tǒng)不同步,手機邏輯電路就會輸出AFC信號。AFC信號改變26MHz電路的輸出頻率,進而保證手機與系統(tǒng)同步。 AFCWCDMA射頻架構(gòu):RF TRANSCEIVER 可靠性與有效性的權(quán)衡貫穿通信系統(tǒng)的設(shè)計; 同步是通信系統(tǒng)的生命線; 調(diào)制方式往往決定一個系統(tǒng)的性能。話音信號話音拾取語音編碼信道編碼調(diào)制前端處理發(fā)射無線傳輸話音還原語音解碼信道譯碼解交織解調(diào)前端處理接收同步話音信號交織BasebandBasebandRFRF系統(tǒng)框圖回顧:信道編碼調(diào)制前端處理發(fā)射無線傳輸信道譯碼解交織解調(diào)前端處理接收話音信號話音信號HELLO FOLKSHELLOFOL
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