1、9. 2019通訊原理與GSM手機終端系統 目的：目的： 思索到我們日常任務中會遇到一些模糊不清的思索到我們日常任務中會遇到一些模糊不清的概念，如什么是恒包絡調制、概念，如什么是恒包絡調制、GMSK頻偏為什頻偏為什么為么為1/4數據速率等等問題。數據速率等等問題。 本次講座基于我們熟習的本次講座基于我們熟習的GSM挪動終端系統，挪動終端系統，對整個通訊系統的架構進展一個總體引見。對整個通訊系統的架構進展一個總體引見。 對哪些部分有興趣和問題，再以專題方式進對哪些部分有興趣和問題，再以專題方式進展深化討論。展深化討論。 在報告最后，會給出在報告最后，會給出課程的學習課程的學習提綱，便于日后討論。

2、提綱，便于日后討論。下面以GSM手機系統為例對通訊系統的構建進展簡介。 通訊的定義：傳輸信息將信息從發端迅速準確地傳送到收端。通訊原理的研討內容： 怎樣進展變換才干到達迅速準確？如何構建通訊系統根底信號與系統及信息論： 什么是信息，如何用數學方式進展表示、變換？話音信號 挪動終端，主要分為baseband基帶信號處置和RF射頻信號處置兩大部分?？赏瓿稍捯艟幗獯a、信道編解碼、信息的調制解調、信息發射和接納。 除信道譯碼外，接納根本上為發射的反過程。我們下面著重對信號的發射過程進展引見。 挪動終端系統框圖：話音拾取語音編碼信道編碼調制前端處置發射無線傳輸話音復原語音解碼信道譯碼解交錯解調前端處置接

3、納同步話音信號交錯BasebandBasebandRFRF 基帶處置部分(了解 射頻處置部分重點1 原理：此過程可參看PCM編碼的例子：2 實現方法：分為送話器電路與模/數轉換器兩部分1送話器電路： 該電路將模擬的聲音信號轉換為模擬的話音電信號，并經過一個話音頻帶構成電路,取3003400Hz的信號送到模/數轉換器；2模/數轉換器： 話音信號經過模/數轉換器，將模擬的話音電信號轉換為數字語音信號：經過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. 話音拾取：PCM信道編碼突發序列射頻射頻前端前端發射話音信號交錯104Kb

4、ps話音拾取語音編碼基帶信號處置基帶信號處置2. 信源編碼語音緊縮編碼 1原理 為了提高系統的有效性，現代數字通訊系統往往采用話音緊縮編碼技術。它利用語聲編碼器為人體喉嚨所發出的音調和噪聲，以及人的口和舌的聲學濾波效應建立模型，這些經濾波后的緊縮數據將經過TCH業務信道信道進展傳送。2實現方法規那么脈沖鼓勵長期預測編碼(RPE-LTP) 以20ms為為一幀，進展語音緊縮編碼，輸出260bits。比特率降為13Kbit/s。 根據重要性不同，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； 與傳統的PCM線路上語聲的直接編碼

5、傳輸相比，GSM的13Kbps的話音速率要低得多。信道編碼突發序列射頻射頻前端前端發射話音信號3. 信道編碼：交錯104Kbps260bit，13Kbps456bit，22.8Kbps話音拾取語音編碼基帶信號處置基帶信號處置1原理 為了提高系統的可靠性，現代數字通訊系統往往采用信道編譯碼技術過失控制編碼。 在信息序列上附加上一些監視碼元； 使原來不規律的或規律性不強的原始數字信號變為有規律的數字信號； 譯碼利用此規律性來檢錯及糾錯。 過失控制編碼主要分為：分組碼和卷積碼2 實現方法： GSM系統中，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

6、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個尾比特一同卷積編碼，比率1：2，因此得378個比特，另外78個比特不予維護。 輸入輸出189bits378bits,k=1/2的卷積編碼3由上知，經信道編碼每20ms輸出456bits，碼率變為22.8Kbit/s。 采用“兩次編碼的益處是： 在有過失時，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： 在陸地挪動通訊這種變參信道上瑞利衰落，比特過失經常是成串發生的。然而，信道編碼僅在檢測和校正單個過失和不太長的過失串時才有效隨機錯誤。 為理處理這一問題，就要把一條音訊中的相繼比特分散開，即一條音訊中的相繼比特

7、以非相繼方式被發送。這樣，在傳輸過程中即使發生了成串過失，恢復成一條相繼比特串的音訊時，過失也就變成單個(或長度很短)，這時再用信道編碼糾錯功能糾正過失，恢復原音訊。將突發錯誤轉化為隨機錯誤。 這種方法就是交錯技術。4. 交錯：信道編碼突發序列射頻射頻前端前端發射交錯104Kbps260bit，13Kbps456bit，22.8Kbps話音拾取語音編碼基帶信號處置基帶信號處置2 實現方法：在GSM系統中，信道編碼后進展交錯，交錯分為兩次，第一次交錯為內部交錯，第二次交錯為塊間交錯。 1首先對它進展內部交錯，即將456個比特分成8幀，每幀57比特；3將數據話音比特組成突發幀，以業務信道(TCH)

8、傳輸中所用的普通突發幀為例156.25比特：2然后將一組57比特與下20ms的一組57比特，兩兩進展塊狀交錯。 這樣一個20ms的話音8幀分別插入8個不同普通突發脈沖序列中，然后一個一個突發脈沖序列發送，這樣即使在傳輸中喪失一個脈沖串，只影響每一話音比特數的12.5，而這能經過信道編碼加以校正。 二次交錯經得住喪失一整個突發脈沖串的打擊，但添加了系統時延。1 原理： GSM系統采用TDMA與FDMA的方式進展多路復用傳輸。 幀傳輸時需求等待本身發送時隙TIME SLOT的到來。5. 突發序列的建立：信道編碼突發序列射頻射頻前端前端發射交錯104Kbps260bit，13Kbps456bit，2

9、2.8Kbps156.25bit，270.833Kbps話音拾取語音編碼基帶信號處置基帶信號處置話音信號1TDMA和FDMA系統： 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個信道全速率； 基波為突發幀方式，每突發幀的周期為4.615ms，頻率即為217hz； 每幀繼續時間為4.615/8=577us，即一個time slot。那么數據的比特率為： 每幀所含bit數/每幀時間156.25bits / 576.9us 270.833 kbit/sFDMATDMA2TIME SLOT波形：一個突發幀的時域及頻域波形如以下圖所示：1“57個加密比特是客戶數

10、據或話音，再加“1個比特用作借用標志。借用標志表示所傳為話音數據還是信令音訊。2“TB尾比特總是000協助平衡器判別起始位和中止位。3 “26個訓練比特是一串知比特，在突發脈沖串的中部，加有知方式的且自相關性強的訓練序列，利用這一訓練序列training段在接納端進展同步。 4“GP維護間隔，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，因此必需保證各自時隙發射時不相互重迭。雖然運用了時間調整方案，但來自不同挪動臺的突發脈沖序列彼此間仍會有小的滑動，因此8.25個比特的維護可使發射機在GSM建議答應范圍內上下動搖。 2 實現方法幀構造以業務信道中采用的普通突發幀NB

11、構造為例：上面以最常用的普通突發幀為例進展了引見，GSM系統還含有其他的一些突發幀，來實現不同功能，幀構造也相應有所不同，但長度一致。如下：用于挪動臺的頻率同步用于挪動臺的時間同步用于隨機接入由BTS發出，不攜帶任何信息 基帶處置部分了解 射頻處置部分重點結合 CDMA數字信號處置數字信號處置前端前端處置處置發射話音信號 數字信號處置單元輸出270.833Kbps的數字比特流，進入GMSK調制單元及射頻前端處置單元：1 GMSK調制單元： 數字調制：將數字比特流調制為I/Q兩路波形 載波調制：再經過混頻器上變頻到900M/1800M頻段上，轉化為便于無線傳輸的射頻信號。2前端處置 經調制后的射

12、頻信號，經過PA放大及射頻開關，由天線發射出去。因前端處置較簡單，下面主要對GMSK調制過程進展引見。發射鏈路：載波調制數字信號RF 射頻信號處置射頻信號處置156.25bit，270.833Kbps射頻信號數字調制I(t)/Q(t)Baseband 基帶信號處置基帶信號處置話音話音拾取拾取GMSK調制調制 1. 調制：1調制的必要性1. 便于電磁波輻射接納 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射,為了把需求傳送的信號發送出去,就需運用某種方法將聲音信號搬移到頻率比聲音信號高、適宜在空中發射的信號上去。2. 便于多路頻分復用 進展頻譜搬移，把調

13、制信號的頻譜搬移到不同的位置上，從而提高系統信息傳輸的信道容量。 調制方式往往決議了一個系統的性能。2實現方法：GMSK=高斯濾波器 + MSK 1高斯濾波器 ：高斯濾波器G( f ) 的沖擊呼應g(t) 仍是高斯函數，如下： = 經過前端高斯預調制濾波器的參與，可以進一步緊縮調制頻譜。高斯濾波器降低了頻率變化的速度，防止信號能量分散到臨近信道頻譜。fc為頻偏,fs為比特速率，假設：fc1/4*fs那么有： (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 。2MSK

14、 ： GMSK是經過在載波頻率上添加或者減少67.708KHz，來表示0或1，為FSK的一種。 GSM系統的數據比特率為270.833 kbit/s，正好是頻偏67.708kHz的4倍，這可以減小頻譜的分散，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，基帶信號與載頻進展混頻，射頻信號輸出。C點高斯濾波輸出：對C點數字碼元波形進展積分，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，得到E點I路與Q路基帶信號輸出：手機發射系統闡明： 手機架構如下，在生成I/Q調制波形之前，都是Baseband內的處置。 Baseband經過4

15、條I/Q信號線兩對差分線把調制信號送入射頻transceiver。 Baseband對射頻部分的控制： AFC：控制transceiver的頻率合成 RAMP: 控制PA發射功率 transceiver控制switch進展頻段切換。 頻率合成器為transceiver的中心部分。Basebandswitch發射話音信號調制/跳頻PAtransceiver功率放大切換開關IRX_TX_P/NAFCRAMP26MFESW1/2QRX_TX_P/N頻率合成器： 在現代的挪動通訊中,常要求系統可以提供足夠的信道,挪動臺也需能根據系統的控制變換本人的任務頻率，這就需提供多個信道的頻率信號。然而運用多個振

16、蕩器是不現實的，在工程中,通常運用頻率合成器來提供有足夠精度、穩定性好的任務頻率。 由于GSM手機采用時分多址(TDMA)技術,以不同的時間段(Slot,時隙)來區分用戶,故手機與系統堅持時間同步就顯得非常重要。 在GSM系統中,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。 如手機系統檢測到手機的時鐘與系統不同步,手機邏輯電路就會輸出AFC信號。AFC信號改動26MHz電路的輸出頻率,進而保證手機與系統同步。 AFCWCDMA射頻架構：RF TRANSCEIVER 可靠性與有效性的權衡貫穿通訊系統的設計； 同步是通訊系統的生命線； 調制方式往往決議一個系統的性能。話音信號話音拾取語音編碼信道編碼調制前端處置發射無線傳輸話音復原語音解碼信道譯碼解交錯解調前端處置接納同步話音信號交錯BasebandBasebandRFRF系統框圖回想：信道編碼調制前端處置發射無線傳輸信道譯碼解交錯解調前端處置接納話音信號話音信號HELLO FOLKSHELLO