通信原理發(fā)射機(jī)原理和射頻指標(biāo)-文檔資料

1、 目的：目的： 考慮到我們?nèi)粘９ぷ髦袝?huì)遇到一些模糊不清的概念，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(dòng)終端系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行一個(gè)總體介紹。 對(duì)哪些部分有興趣和問題，再以專題形式進(jìn)行深入探討。 在報(bào)告最后，會(huì)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(jī)系統(tǒng)為例對(duì)通信系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行簡(jiǎn)介。 通信的定義：傳輸信息將信息從發(fā)端迅速準(zhǔn)確地傳遞到收端。通信原理的研究?jī)?nèi)容： 怎么進(jìn)行變換才能達(dá)到迅速準(zhǔn)確？如何構(gòu)建通信系統(tǒng)基礎(chǔ)信號(hào)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(jìn)行表示、變換？話音信號(hào) 移動(dòng)終端，主要分為base

2、band基帶信號(hào)處理和RF射頻信號(hào)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(duì)信號(hào)的發(fā)射過程進(jìn)行介紹。 移動(dòng)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(hào)交織BasebandBasebandRFRF 基帶處理部分(了解） 射頻處理部分（重點(diǎn)）1） 原理：此過程可參看PCM編碼的例子：2） 實(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的話音電信號(hào)，并通過一個(gè)話音頻帶形成電路,取3003

3、400Hz的信號(hào)送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；（2）模/數(shù)轉(zhuǎn)換器： 話音信號(hào)通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬的話音電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字語音信號(hào)：經(jīng)過8KHz抽樣，量化值為13bit，相當(dāng)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(hào)交織104Kbps話音拾取語音編碼基帶信號(hào)處理基帶信號(hào)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(jìn)行傳送。2）實(shí)現(xiàn)方法規(guī)則脈沖激勵(lì)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)編碼(RPE-LTP) 以20ms為為一幀，進(jìn)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(jìn)一步細(xì)分出50個(gè)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(hào)3. 信道編碼：交織104Kbps260bit，13Kbps456bit，22.8Kbps話音拾取語音編碼基帶信號(hào)處理基帶信號(hào)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(cuò)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(qiáng)的原始數(shù)字信號(hào)變?yōu)橛幸?guī)律的數(shù)字信號(hào)； 譯碼利用此規(guī)律性來檢錯(cuò)及糾錯(cuò)。 差錯(cuò)控制編碼主要分為：分組碼和卷積碼2） 實(shí)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(duì)上述的50個(gè)very important bits加上3個(gè)奇偶檢驗(yàn)比特分組編碼（2）這53個(gè)比特同132個(gè)重要比特與4個(gè)尾比特一起卷積編碼，比率1：2，因而得378個(gè)比特，另外78個(gè)比特不予保護(hù)。 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(cuò)時(shí)，便于校正(利用卷積編碼特性)和檢測(cè)(利用分組編碼特性)。1） 原理： 在陸地移動(dòng)通信這種變參信道上（瑞利衰落），比特差錯(cuò)經(jīng)常是成串發(fā)生的。然而，信道編碼僅在檢測(cè)和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長(zhǎng)的差錯(cuò)串時(shí)才有效隨機(jī)錯(cuò)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(cuò)，恢復(fù)成一條相繼比特串的消息時(shí)，差錯(cuò)也就變成單個(gè)(或長(zhǎng)度很短)，這時(shí)再用信道編碼糾錯(cuò)功能糾正差錯(cuò)，恢復(fù)原消息。將突發(fā)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)化為隨機(jī)錯(cuò)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(hào)處理基帶信號(hào)處理2） 實(shí)現(xiàn)方法：在GSM系統(tǒng)中，信道編碼后進(jìn)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(duì)它進(jìn)行內(nèi)部交織，即將456個(gè)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(jìn)行塊狀交織。 這樣一個(gè)20ms的話音8幀分別插入8個(gè)不同普通突發(fā)脈沖序列中，然后一個(gè)一個(gè)突發(fā)脈沖序列發(fā)送，這樣即使在傳輸中丟失一個(gè)脈沖

8、串，只影響每一話音比特?cái)?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(gè)突發(fā)脈沖串的打擊，但增加了系統(tǒng)時(shí)延。1） 原理： GSM系統(tǒng)采用TDMA與FDMA的方式進(jìn)行多路復(fù)用傳輸。 幀傳輸時(shí)需要等待自身發(fā)送時(shí)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(hào)處理基帶信號(hào)處理話音信號(hào)（1）TDMA和FDMA系統(tǒng)： 相鄰兩頻道間隔為200kHz，每個(gè)頻道采用時(shí)分多址接入（TDMA）方式，分為8個(gè)時(shí)隙，即8

9、個(gè)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(shí)間為4.615/8=577us，即一個(gè)time slot。則數(shù)據(jù)的比特率為： 每幀所含bit數(shù)/每幀時(shí)間156.25bits / 576.9us 270.833 kbit/sFDMATDMA（2）TIME SLOT波形：一個(gè)突發(fā)幀的時(shí)域及頻域波形如下圖所示：（1）“57個(gè)加密比特”是客戶數(shù)據(jù)或話音，再加“1”個(gè)比特用作借用標(biāo)志。借用標(biāo)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(gè)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(qiáng)的訓(xùn)練序列，利用這一訓(xùn)練序列（training段）在接收端進(jìn)行同步。 （4）“GP”保護(hù)間隔，8.25個(gè)比特（相當(dāng)于大約30us），是一個(gè)空白空間。由于每載頻最多8個(gè)客戶，因此必須保證各自時(shí)隙發(fā)射時(shí)不相互重迭。盡管使用了時(shí)間調(diào)整方案，但來自不同移動(dòng)臺(tái)的突發(fā)脈沖序列彼此間仍會(huì)有小的滑動(dòng)，因此8.25個(gè)比特的保護(hù)可使發(fā)射機(jī)在GSM建議許可范圍內(nèi)上下波動(dòng)。 2） 實(shí)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(jìn)行了介紹，GSM系統(tǒng)還含有其他的一些突發(fā)幀，來實(shí)現(xiàn)不同功能，幀結(jié)構(gòu)也相應(yīng)有所不同，但長(zhǎng)度一致。如下：用于移動(dòng)臺(tái)的頻率同步用于移動(dòng)臺(tái)

11、的時(shí)間同步用于隨機(jī)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(diǎn)結(jié)合 CDMA）數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理前端前端處理處理發(fā)射話音信號(hào) 數(shù)字信號(hào)處理單元輸出270.833Kbps的數(shù)字比特流，進(jìn)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(hào)。（2）前端處理 經(jīng)調(diào)制后的射頻信號(hào)，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(jiǎn)單，下面主要對(duì)GMSK調(diào)制過程進(jìn)行介紹。發(fā)射鏈路：載波調(diào)制數(shù)字信號(hào)RF 射頻信號(hào)處理射頻信號(hào)

12、處理156.25bit，270.833Kbps射頻信號(hào)數(shù)字調(diào)制I(t)/Q(t)Baseband 基帶信號(hào)處理基帶信號(hào)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(zhǎng)度至少為電磁波波長(zhǎng)的1/10。那么如聲音信號(hào)的低頻信號(hào)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(hào)發(fā)送出去,就需使用某種方法將聲音信號(hào)搬移到頻率比聲音信號(hào)高、適合在空中發(fā)射的信號(hào)上去。2. 便于多路頻分復(fù)用 進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)制信號(hào)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(gè)系統(tǒng)的性能。2）實(shí)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(jìn)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(hào)能量擴(kuò)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(gè)比特周期Ts，相位將變化90.一個(gè)1 將由90的相位增長(zhǎng)表示，一個(gè)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(kuò)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(hào)與載頻進(jìn)行混頻，射頻信號(hào)輸出。C點(diǎn)高斯濾波輸出：對(duì)C點(diǎn)數(shù)字碼元波形進(jìn)行積分，得D點(diǎn)附加相位信號(hào)(t)輸出：對(duì)D點(diǎn)附加相位信號(hào)(t)求其cos與sin函數(shù)，得到E點(diǎn)I路與Q路基帶信號(hào)輸出：手機(jī)發(fā)射系統(tǒng)說明： 手機(jī)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(hào)線（兩對(duì)差分線）把調(diào)制信號(hào)送入射頻transceiver。 Baseband對(duì)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(jìn)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(hào)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(dòng)通信中,常要求系統(tǒng)能夠提供足夠的信道,移動(dòng)臺(tái)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(gè)信道的頻率信號(hào)。然而使用多個(gè)振蕩器是不現(xiàn)實(shí)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(jī)采用時(shí)分多址(TDMA)技術(shù),以不同的時(shí)間段

16、(Slot,時(shí)隙)來區(qū)分用戶,故手機(jī)與系統(tǒng)保持時(shí)間同步就顯得非常重要。 在GSM系統(tǒng)中,有一個(gè)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(jī)一開機(jī),就會(huì)在邏輯電路的控制下掃描這個(gè)信道,從中獲取同步與頻率校正信息。 如手機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)到手機(jī)的時(shí)鐘與系統(tǒng)不同步,手機(jī)邏輯電路就會(huì)輸出AFC信號(hào)。AFC信號(hào)改變26MHz電路的輸出頻率,進(jìn)而保證手機(jī)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(jì)； 同步是通信系統(tǒng)的生命線； 調(diào)制方式往往決定一個(gè)系統(tǒng)的性能。話音信號(hào)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(hào)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(hào)話音信號(hào)HELLO FOLKSHELLOFOL