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1、9.2008,通信原理与GSM手机终端系统,目的：考虑到我们日常工作中会遇到一些模糊不清的概念，如什么是恒包络调制、GMSK频偏为什么为1/4数据速率等等问题。本次讲座基于我们熟悉的GSM移动终端系统，对整个通信系统的架构进行一个总体介绍。对哪些部分有兴趣和问题，再以专题形式进行深入探讨。在报告最后，会给出通信原理课程的学习提纲，便于日后探讨。,下面以GSM手机系统为例对通信系统的构建进行简介。,通信的定义：,传输信息,将信息从发端迅速准确地传递到收端。,通信原理的研究内容：怎么进行变换才能达到迅速准确？如何构建通信系统,基础信号与系统及信息论：什么是信息，如何用数学方式进行表示、变换？,话音
2、信号,移动终端，主要分为baseband基带信号处理和RF射频信号处理两大部分。可完成话音编解码、信道编解码、信息的调制解调、信息发射和接收。除信道译码外，接收基本上为发射的反过程。我们下面着重对信号的发射过程进行介绍。,移动终端系统框图：,话音拾取,语音编码,信道编码,调制,前端处理,发射,无线传输,话音还原,语音解码,信道译码,解交织,解调,前端处理,接收,同步,话音信号,交织,Baseband,Baseband,RF,RF,基带处理部分(了解）射频处理部分（重点）,1）原理：此过程可参看PCM编码的例子：2）实现方法：分为送话器电路与模/数转换器两部分（1）送话器电路：该电路将模拟的声音
3、信号转换为模拟的话音电信号，并通过一个话音频带形成电路,取3003400Hz的信号送到模/数转换器；（2）模/数转换器：话音信号通过模/数转换器，将模拟的话音电信号转换为数字语音信号：经过8KHz抽样，量化值为13bit，相当于每125us输出13bit的码流，比特率为138KHz=104Kbit/s；,1.话音拾取：,信道编码,突发序列,射频前端,发射,话音信号,交织,104Kbps,话音拾取,语音编码,基带信号处理,2.信源编码语音压缩编码 1）原理 为了提高系统的有效性，现代数字通信系统往往采用话音压缩编码技术。它利用语声编码器为人体喉咙所发出的音调和噪声，以及人的口和舌的声学滤波效应建
4、立模型，这些经滤波后的压缩数据将通过TCH（业务信道）信道进行传送。2）实现方法规则脉冲激励长期预测编码(RPE-LTP)以20ms为为一帧，进行语音压缩编码，输出260bits。比特率降为13Kbit/s。根据重要性不同，输出的260比特分成182bits和78bits两类。较重要的182bits又可以进一步细分出50个最重要的比特（如右图）；与传统的PCM线路上语声的直接编码传输相比，GSM的13Kbps的话音速率要低得多。,信道编码,突发序列,射频前端,发射,话音信号,3.信道编码：,交织,104Kbps,260bit，13Kbps,456bit，22.8Kbps,话音拾取,语音编码,基
5、带信号处理,1）原理 为了提高系统的可靠性，现代数字通信系统往往采用信道编译码技术差错控制编码。在信息序列上附加上一些监督码元；使原来不规律的或规律性不强的原始数字信号变为有规律的数字信号；译码利用此规律性来检错及纠错。差错控制编码主要分为：分组码和卷积码,2）实现方法：GSM系统中，既有分组编码也有卷积编码，采用了两次编码：（1）对上述的50个very important bits加上3个奇偶检验比特分组编码（2）这53个比特同132个重要比特与4个尾比特一起卷积编码，比率1：2，因而得378个比特，另外78个比特不予保护。,输入,输出,189bits378bits,k=1/2的卷积编码,（
6、3）由上知，经信道编码每20ms输出456bits，码率变为22.8Kbit/s。采用“两次”编码的好处是：在有差错时，便于校正(利用卷积编码特性)和检测(利用分组编码特性)。,1）原理：在陆地移动通信这种变参信道上（瑞利衰落），比特差错经常是成串发生的。然而，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效随机错误。为了解决这一问题，就要把一条消息中的相继比特分散开，即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。这样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个(或长度很短)，这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。将突发错误转化为随机错误。这种方法
7、就是交织技术。,4.交织：,信道编码,突发序列,射频前端,发射,交织,104Kbps,260bit，13Kbps,456bit，22.8Kbps,话音拾取,语音编码,基带信号处理,2）实现方法：在GSM系统中，信道编码后进行交织，交织分为两次，第一次交织为内部交织，第二次交织为块间交织。（1）首先对它进行内部交织，即将456个比特分成8帧，每帧57比特；,（3）将数据话音比特组成突发帧，以业务信道(TCH)传输中所用的普通突发帧为例156.25比特：,（2）然后将一组57比特与下20ms的一组57比特，两两进行块状交织。,这样一个20ms的话音8帧分别插入8个不同普通突发脉冲序列中，然后一个一
8、个突发脉冲序列发送，这样即使在传输中丢失一个脉冲串，只影响每一话音比特数的12.5，而这能通过信道编码加以校正。二次交织经得住丧失一整个突发脉冲串的打击，但增加了系统时延。,1）原理：GSM系统采用TDMA与FDMA的方式进行多路复用传输。帧传输时需要等待自身发送时隙（TIME SLOT）的到来。,5.突发序列的建立：,信道编码,突发序列,射频前端,发射,交织,104Kbps,260bit，13Kbps,456bit，22.8Kbps,156.25bit，270.833Kbps,话音拾取,语音编码,基带信号处理,话音信号,（1）TDMA和FDMA系统：,相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采
9、用时分多址接入（TDMA）方式，分为8个时隙，即8个信道（全速率）；基波为突发帧形式，每突发帧的周期为4.615ms，频率即为217hz；每帧持续时间为4.615/8=577us，即一个time slot。则数据的比特率为：每帧所含bit数/每帧时间156.25bits/576.9us 270.833 kbit/s,（2）TIME SLOT波形：一个突发帧的时域及频域波形如下图所示：,（1）“57个加密比特”是客户数据或话音，再加“1”个比特用作借用标志。借用标志表示所传为话音数据还是信令消息。（2）“TB”尾比特总是000帮助均衡器判断起始位和中止位。（3）“26个训练比特”是一串已知比特，
10、在突发脉冲串的中部，加有已知方式的且自相关性强的训练序列，利用这一训练序列（training段）在接收端进行同步。（4）“GP”保护间隔，8.25个比特（相当于大约30us），是一个空白空间。由于每载频最多8个客户，因此必须保证各自时隙发射时不相互重迭。尽管使用了时间调整方案，但来自不同移动台的突发脉冲序列彼此间仍会有小的滑动，因此8.25个比特的保护可使发射机在GSM建议许可范围内上下波动。,2）实现方法帧结构以业务信道中采用的普通突发帧（NB）结构为例：,上面以最常用的普通突发帧为例进行了介绍，GSM系统还含有其他的一些突发帧，来实现不同功能，帧结构也相应有所不同，但长度一致。如下：,用于
11、移动台的频率同步,用于移动台的时间同步,用于随机接入,由BTS发出，不携带任何信息,基带处理部分（了解）射频处理部分（重点结合 CDMA）,数字信号处理,前端处理,发射,话音信号,数字信号处理单元输出270.833Kbps的数字比特流，进入GMSK调制单元及射频前端处理单元：（1）GMSK调制单元：数字调制：将数字比特流调制为I/Q两路波形 载波调制：再通过混频器上变频到900M/1800M频段上，转化为便于无线传输的射频信号。（2）前端处理 经调制后的射频信号，通过PA放大及射频开关，由天线发射出去。因前端处理较简单，下面主要对GMSK调制过程进行介绍。,发射链路：,载波调制,数字信号,RF
12、 射频信号处理,156.25bit，270.833Kbps,射频信号,数字调制,I(t)/Q(t),Baseband 基带信号处理,话音拾取,GMSK调制,1.调制：1）调制的必要性,1.便于电磁波辐射接收 天线长度至少为电磁波波长的1/10。那么如声音信号的低频信号就不能直接作为电波在空中发射,为了把需要传送的信号发送出去,就需使用某种方法将声音信号搬移到频率比声音信号高、适合在空中发射的信号上去。,2.便于多路频分复用 进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到不同的位置上，从而提高系统信息传输的信道容量。调制方式往往决定了一个系统的性能。,2）实现方法：,GMSK=高斯滤波器+MSK（1）高斯
13、滤波器：高斯滤波器G(f)的冲击响应g(t)仍是高斯函数，如下：=通过前端高斯预调制滤波器的加入，可以进一步压缩调制频谱。高斯滤波器降低了频率变化的速度，防止信号能量扩散到邻近信道频谱。,fc为频偏,fs为比特速率，若：fc1/4*fs则有：(t)=w*t=2fc*t=(/2)fs*t=(/2Ts)t即：在每一个比特周期Ts，相位将变化90.一个1 将由90的相位增长表示，一个0将由90的相位减少表示，如左图所示。,（2）MSK：GMSK是通过在载波频率上增加或者减少67.708KHz，来表示0或1，为FSK的一种。GSM系统的数据比特率为270.833 kbit/s，正好是频偏67.708k
14、Hz的4倍，这可以减小频谱的扩散，比特率为频偏4倍的FSK，称为MSK最小频移键控。,cos c t,sin c t,最后，基带信号与载频进行混频，射频信号输出。,C点高斯滤波输出：,对C点数字码元波形进行积分，得D点附加相位信号(t)输出：,对D点附加相位信号(t)求其cos与sin函数，得到E点I路与Q路基带信号输出：,手机发射系统说明：手机架构如下，在生成I/Q调制波形之前，都是Baseband内的处理。Baseband通过4条I/Q信号线（两对差分线）把调制信号送入射频transceiver。Baseband对射频部分的控制：AFC：控制transceiver的频率合成 RAMP:控制
15、PA发射功率 transceiver控制switch进行频段切换。频率合成器为transceiver的核心部分。,Baseband,switch,发射,话音信号,调制/跳频,PA,transceiver,功率放大,切换开关,IRX_TX_P/N,AFC,RAMP,26M,FESW1/2,QRX_TX_P/N,频率合成器：,在现代的移动通信中,常要求系统能够提供足够的信道,移动台也需能根据系统的控制变换自己的工作频率，这就需提供多个信道的频率信号。然而使用多个振荡器是不现实的，在工程中,通常使用频率合成器来提供有足够精度、稳定性好的工作频率。由于GSM手机采用时分多址(TDMA)技术,以不同的时
16、间段(Slot,时隙)来区分用户,故手机与系统保持时间同步就显得非常重要。在GSM系统中,有一个公共的广播控制信道(BCCH),它包含频率校正信息与同步信息等。手机一开机,就会在逻辑电路的控制下扫描这个信道,从中获取同步与频率校正信息。如手机系统检测到手机的时钟与系统不同步,手机逻辑电路就会输出AFC信号。AFC信号改变26MHz电路的输出频率,进而保证手机与系统同步。,AFC,WCDMA射频架构：,可靠性与有效性的权衡贯穿通信系统的设计；同步是通信系统的生命线；调制方式往往决定一个系统的性能。,话音信号,话音拾取,语音编码,信道编码,调制,前端处理,发射,无线传输,话音还原,语音解码,信道译
17、码,解交织,解调,前端处理,接收,同步,话音信号,交织,Baseband,Baseband,RF,RF,系统框图回顾：,信道编码,调制,前端处理,发射,无线传输,信道译码,解交织,解调,前端处理,接收,话音信号,话音信号,HELLO FOLKS,HELLOFOLKS,HHEELLLLOO FFOOLLKKSS,ELSOLHLOFK LEOLSHOLKF,ELSOLHLOFK LEOLSHOLKF,ELSOLHLOFK LEOLSHOLKF,ELSOLHLOFK LEOLSHOLKF,HELLO FOLKS,HELLOFOLKS,HHEELLLLOO FFOOLLKKSS,ELSOLHLOFK LEOLSHOLKF,ELSOLHLOFK LEOLSHOLKF,ELSOLHLOFK LEOLSHOLKF,ELSOLHLOFK LEOLSHOLKF,同步,交织,话音拾取,话音还原,语音编码,语音译码,传输例子：,Thanks！,
