[信息与通信]3 CDMA信道结构与调制.ppt

三、信道结构与调制,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,主要内容,编码与调制的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,信息流,语音 编码,信道 编码,扰码,扩频,调制,RF 传送,信道 解码,扰码 还原,解扩,解调,RF 接收,信息流,CDMA 通信模型,语音 解码,可变速率和PCM语音编码,声码器在哪里?,模拟信号,可变速率,PCM,数字信号的纠错编码,考察由3位二进制数字构成的8种不同的天气情况，如： 000（晴），001（云），010（阴），011（雨）， 100（雪），101（霜），110（雾），111（雹）。,若上述码组中只准许使用4种来传送消息，如： 000（晴），011（云），101（阴），110（雨）， 虽然只能传送4种不同的天气，但是接收端却有可能发现码组中的一个错码。,数字信号的纠错编码,在现行的各种移动通信系统中，都采用了纠错编码技术。纠 错编码是必不可少的技术基础之一。在CDMA移动通信系统 中，采用卷积编码和交织技术。,信息位,监督位,晴,云,阴,雨,0 0 0,0 1 1,1 0 1,1 1 0,数字信号的纠错编码,数字化移动通信信道中传输过程会产生随机差错，也会 出现成串的突发差错，前面介绍的各种编码主要用来纠正 随机差错。对付突发的差错主要以下两种编码：,卷积码； 交织码；,卷积编码有着极强的纠错能力和一定的纠正突发差错的能力, 这种突发性的差错主要是由快衰落引起的. 而交织编码主要是用来克服突发性差错,通常和其他如卷积 分组码结合使用，交织的机理是把突发性差错变成随机性 差错而得到纠正，它既不增加监督码元，也不改变码速，所 以不影响编码的有效性。,卷积编码和块交织,Interleaving Method,待传比特:,卷积编码,交织:,接收比特:,卷积解码:,维特比解码:,Example:,Encode,Convolutional,Interleaver,De-Interleaver,Decoder,Hello,HHEELLLLOO FFOOLLKKSS,ELSOLHLOFK LEOLSHOLKF,EL SOL HLOFK LEOLSHOLKF,HHEELLL OO FFO LLKK- S,HELLO FOLKS,HELLO FOLKS,数字信号的纠错编码-卷积,D,D,D,约束长度4，码长为3，码率为1/3的卷积编码器：,g0,g1,c0,c1,c2,卷积的译码有多种方法如大数逻辑、序列、维特比等。,数字信号的纠错编码-交织,交织的简单原理： 16位原始码流 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0，按 4x4矩阵 排列，写入发送矩阵：,1 1 0 1,0 0 1 1,0 1 0 0,1 1 1 0,1 x 0 1,0 x 1 1,0 x 0 0,1 x 1 0,按行写入，按列读出,按列写入，按行读出,信道受扰序列：1 0 0 1 x x x x 0 1 0 1 1 1 0 0,接收端矩阵输出：1 x 0 1 0 x 1 1 0 x 0 0 1 x 1 0,数字信号的调制,用数字信号对载频调制就是数字式调制，和模拟信号 类似有： ASK（振幅键控）； FSK（频移键控）； PSK（相移键控）；,GMSK（最小频移键控）,DPSK（相对相移）,QPSK （正交相移）,OQPSK （交叉正交相移）,就性能而言，PSK最好，FSK次之，ASK一般。,数字信号的调制,QPSK调制：,串/并,LPF,LPF,BPF,LC,90,Rb,QPSK,数字信号的调制,BPF,载波恢复 电路,LPF,LPF,判决 电路,判决 电路,复用器,定时信 号恢复,90,恢复 信号,QPSK解调,数字信号的调制,OQPSK是OffsetQPSK的缩写，称为交错QPSK，即在 I、Q支路上错开一个码元的时间进行调制，这样一来 避免了码元的同时转换，减小了相位跳变的幅度，频 特性得到改善，即旁瓣的幅度要小一些，在CDMA中 被用在反向信道的调制。 其他性能和QPSK差不多，解调方法也很相近。,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,IS-95系统前反向物理信道,CDAM手机典型工作流程,搜索Pilot 同步Sync 守候在Paging 准备进入Traffic,CDMA前向信道的码处理,一个前向信道的识别: 频点Frequency PN短码偏移区分扇区PN Offset of the sector 扇区内唯一的Walsh码,CDMA Frequency,CDMA反向信道的码处理,每个移动台可由移动台内部产生的用户长码的偏置唯一地识别 所有移动台在同一1.25Mhz宽的频带内同时传送信息,附近的任一BTS可以向移动台分配一信道部件(或称信元，Channel Element)并成功地提取移动台的信号,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,Pilot导频信道,用于移动台初始系统捕获 基站在前向信道上不停地发射 所有基站共享相同的PN序列 通过相位偏置区分每个基站 导频信道提供： 定时参考 相位参考 相位间隔使得一个CDMA信道频率可提供极高的频率复用率 移动台对导频的捕获性能获得增强，因为： 导频PN序列持续时间短 导频信号未编码 实现移动台辅助切换 用于确定切换的候选目标 完成软切换的关键因素,导频信道的生成,导频信道使用沃氏函数0扩频 采用短PN序列偏置，允许每个CDMA载频最多可有512个不同的导频信道 特定导频PN序列的PN偏置指数(0-511)乘以64可确定实际偏置 例: 15(偏置指数) x 64 = 960 PN chip 四相扩频和基带滤波与其它前向和反向码分信道一样。,导频信道的捕获,移动台自身开始产生I和Q PN短码序列，并用其与接收到的复合信号中的每一种可能偏置的信号进行相关运算 在15秒内(典型值2到4秒)， 所有可能的偏置(32,768)均检查一遍 移动台记住具有最佳相关性（Ec/I0最佳）的信号的偏置 移动台锁定最佳导频(具有最佳Ec/I0 的导频偏置），识别短码序列起始标志(一个1后连续15个0) 移动台开始用沃氏码解调信号,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,Sync同步信道,用于提供系统基本参数 系统捕获阶段采用 比特率为1200bps 同步信道帧长为26 2/3ms 与短码周期匹配 一旦捕获导频信道，也就捕获了同步信道 移动台在每次呼叫结束时重新与系统同步,同步信道的生成,一个同步信道帧有1200bps x 0.02666. s = 32bit 1/2速率卷积编码器使该比特率加倍，卷积编码器输出的0和1叫码符号 一个同步信道帧有64个码符号 码重复处理后速率再次加倍， 每个码符号经重复后称为调制符 一个同步信道帧中有128个调制符,为了和16*8的交织矩阵匹配 沃氏码#32用于扩展每个调制符，因而导致速率增加256倍；输出的0和1叫比特片（或码片chip） 一个同步信道帧中有32,768个码片(每初始比特对应1024个码片),1200 bps,Walsh Function 32,1.2288 Mcps,Convolutional Encoder and Repetition,Block Interleaver,R = 1/2,Modulation Symbols,4800 sps,4800 sps,Bits,Chips,同步信道消息参数,最小协议版本级(MIN_P_REV) - 8bit无符号整数标识该系统工作所需最小协议版本。只有协议版本大于或等于该域的移动台才能接入系统。 系统ID(SID) - 标识系统的16bit无符号整数 网络ID(NID) - 标识网络的16bit无符号整数 导频PN序列偏置指数(PILOT_PN) - 基站的导频PN偏置指数，由网络规划者分配。 系统时间(SYS_TIME) - 包含这条消息的任何部分的最后一个超帧结束后320ms的GPS系统时间, 减去导频PN偏置（单位80ms）,动态产生,同步信道消息参数,当地时间偏置(LTM_OFF) -当地时间与系统时间的偏置，单位30分钟, 动态值 夏令时指示(DAYLT) - 由网络规划者决定 1 表示采用夏令时 0 表示否 寻呼信道数据率(PRAT) - 系统寻呼信道的数据率， 由网络规划者决定 00 表示9600bps 01 表示4800bps CDMA频率分配(CDMA_FREQ) - 特定CDMA频段的信道号，对应包含基本寻呼信道的CDMA载频，取决于网络规划者,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,Paging寻呼信道,单个CDMA载频最多可支持七个寻呼信道 信道1(沃氏函数1)为基本寻呼信道 其它附加的寻呼信道用沃氏函数2到7 不用的寻呼信道可用于前向业务信道 支持两种速率：9600和4800bps 单个9600bps的寻呼信道可支持每秒约180次寻呼,寻呼信道,基站用寻呼信道 发送系统开销信息 和与特定移动台相关的消息.,寻呼信道的生成,一个 寻呼信道帧有96004800bps x 0.020 s = 19296个比特 1/2速率卷积编码器使比特率加倍，因此一个寻呼信道帧有384192码符号 如果速率为4800bps，码重复处理会使速率再次加倍，因此，无论速率多少，每寻呼信道帧包含384个调制符，与24*16的交织距阵同步。 每帧384个调制符乘以50帧/秒 = 19.2Ksps 沃氏码#1(或#2, . 或#7)用于扩频， 因此其速率增加64倍，为1.2288 Mcps 就是说，每寻呼信道帧24,576个chips，或者说9600 4800bps时，每个初始比特对应128 256个比特片。,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,CDMA前向业务信道,在呼叫期间，业务信道用于向某一特定移动台发送用户信息和信令信息 业务信道的最大数目：64减去一个导频信道、一个同步信道、 一到七个寻呼信道 这样， 每个CDMA载频最少可以有55个业务信道 不用的寻呼信道可以额外提供6个信道 典型的空中实际负荷是:当采用8kb声码器时大约20个用户,Walsh function,Power Control Bit,I PN,9600 bps 4800 bps 2400 bps 1200 bps (声码器),Convolutional Encoding and Repetition,1.2288 Mcps,Long PN Code Generation,800 Hz,R = 1/2, K=9,Q PN,Decimator,Decimator,User Address Mask (ESN-based),19.2 ksps,1.2288 Mcps,Scrambling,bits,symbols,chips,19.2 ksps,CHANNEL ELEMENT,M U X,Block Interleaving,前向业务信道的生成 采用8kb语音编码,卷积率1/2, k=9卷积编码,通过编码器生成的信息位叫码符号，这些符号与当前寄存器中所有比特相关。 每个信息比特与多个符号的产生有关。 这种内部互关联性有助于检测和纠正差错。 移位寄存器的长度称为约束长度(K=9) 移位寄存器越长，编码结果纠正突发差错的性能就越好 这样，可以以较小的功率获得同等的准确度。 这里，输入每一个比特，输出两个码符号（卷积率为1/2）。,符号重复,码符号重复为块交织器提供一恒定速率的数据输入。,低速率码符号降低功率发送,当信号集成时，不同速率的每比特能量是相同的。,全体信号总的功率要求降低了，因此降低了噪声。,数据率 (bps),每调制符能量,9600,4800,2400,1200,E =E /2,s,b,E =E /4,s,b,E =E /8,s,b,E =E /16,s,b,Full Energy,1/2 Energy,1/4 Energy,1/8 Energy,9600bps块交织器(输入阵列),9600bps块交织器(输出阵列),现在，9600bps的数据不再相关 相邻码符号从时间上隔离开了 突发差错的影响减少了 低速重复的码符号被隔离开了。 增强了码符号抗单比特差错的能力。,R E A D,1.2288,Mcps User Mask,19.2,Ksps,800 Hz Mux Timing,Power,Control,Bit (800 bps),M U X,Decimator,Decimator,Scrambled Modulation Symbol or Power Control Bit,数据扰码,合成I和Q,每张信道卡中有一个合成器， 以串行阵列方式工作，将一个扇区或一个基站的所有前向信道的I和Q信号结合到一起。 数模转换器将每扇区或基站的数字的I和Q信号转换为模拟I和Q信号(基带) 所有信道卡（三扇区）的基带I和Q 信号在背板被合成 这样可确保移动台不会错误地解码来自其它基站的具有相同沃氏码的信道的信号。,Pilot Channel,Sync Channel,Paging Channel(s),Forward Traffic Channel(s),+,+,+,+,Walsh code,Walsh code,Walsh code,Walsh code,+,+,Q PN Code,I PN Code,Composite I,Composite Q,RAKE接收机,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,接入信道的生成,请求消息被随机化以降低冲突的可能性 两类消息: 响应消息 (响应基站的消息) 请求消息 (移动台自动发送),28.8 ksps,Convolutional Encoder & Repetition,R = 1/3,1.2288 Mcps,Access Channel Long Code Mask,Long PN Code Generator,28.8 ksps,Orthogonal Modulation,307.2 kcps,1.2288 Mcps,Q PN (No Offset),I PN (No Offset),D,1/2 PN Chip Delay,Block Interleaver,Access Channel Information (88 bits/Frame),4.8 kpbs,Direct Sequence Spreading,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,CDMA反向业务信道,用于在呼叫期间发送： 用户的话音业务 用户对来自基站的命令和查询的响应 用户对基站请求 支持可变速率操作 8Kbps声码器 速率集1 - 9600, 4800, 2400和1200bps 13Kbps声码器 速率集2 - 14400, 7200, 3600, 1800bps,反向业务信道,反向业务信道：64阶正交调制,每输入六个符号，输出64个沃氏比特片 六个符号被转换为一个0-63的十进制数 对应该数的64位沃氏码被输出,反向业务信道:数据突发随机化,造成可变速率传输 一些重复的符号被删除 交织器的输出受一个时间滤波器的控制进行选通 传输门控的周期随传输数据率变化 用一个伪随机屏蔽模式屏蔽掉码由符号重复所产生的冗余数据,反向业务信道:直接序列扩频,随机器的输出用长码进行直序扩频 移动台可以使用基于ESN的长码掩码来区别彼此,反向信道解调,IS-95A/J-STD-008移动台调制过程的反过程 多径分量有益于CDMA处理 来自多个接收单元的信号可以被矢量合并以改善总的接收信号质量,U/D Command,De-Interleaver,Speech Output,Combiner,BTS Receiver,BSC,Power Control Decision,Viterbi Decoder,声码器,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,Cdma2000 1xRTT系统前反向物理信道,前向快速寻呼信道F-QPCH 前向补充信道F-SCH 反向导频信道R-PICH 反向补充信道R-SCH,目前商用的1X系统增加的码道,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,前向公共物理信道 快速寻呼信道（F-QPCH）,BS用它来通知覆盖范围内、工作于时隙模式的、且处于空闲状态的MS，是否应该在下一F-PCH的时隙上接收F-PCH。 F-QPCH信号特点：是未编码的、直接进行OOK调制的信号。 使用QPCH的目的，是使MS不必长时间地监听F-PCH，从而达到延长MS待机时间的目的。,前向公共物理信道 快速寻呼信道（F-QPCH）,1.28 s,80 ms,20 ms,20 ms,20 ms,20 ms,Paging channel slot,20 ms,20 ms,20 ms,20 ms,QPCH slot,QPCH slot,80 ms,A,B,A,A,B,B,A,B,80 ms,BS用它来通知覆盖范围内、工作于时隙模式的、且处于空闲状态的MS，是否应该在下一F-PCH的时隙上接收F-PCH。 F-QPCH信号特点：是未编码的、直接进行OOK调制的信号。 使用QPCH的目的，是使MS不必长时间地监听F-PCH，从而达到延长MS待机时间的目的,MS只需监视QPCH中自己对应的比特位即可.,Quick Paging Channel,100 ms delay,Paging Channel slots,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,前向补充业务信道F-SCH,前向补充信道F-SCH是用来在通话过程中，向特定的MS传送高速数据信息,用完立即释放.,使用4阶Walsh码,153.6kbps,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,反向导频信道R-PICH,BS利用它来帮助检测MS的发射，进行相干解调；当MS的RL业务信道工作在RC3RC6时，在R-PICH中还插入一个反向功率控制子信道，MS用该功控子信道支持对FL业务信道的功率控制。,主要内容,调制与编码的相关概念 IS-95前向反向各个码信道的作用、 生成及调制 -导频 -接入 -同步 -反向业务 -寻呼 -前向业务 1X中新增加的码信道, 新的调制技术 -快速寻呼 -反向导频 -前向补充业务 -反向补充业务,反向补充业务信道R-SCH,用来在通话中向移动台发送用户信息，以数据业务为主，反向业务信道中最多可包括2个补充信道.,CDMA2000主要设计改进,前向链路 快速功率控制 IS-95，50Hz;IS-2000，800Hz； 发射分集 Release A OTD（orthogonal trasmit diversity）; 支持多信道（一个用户可用多个信道，IS-95只能用一个），Turbo 码 反向连路 基于相干导频，接收机采用相干解调。 Walsh码用来区别码信道,不是做正交调制 支持多信道，Turbo 码。,1x中可变长Walsh码的使用,在CDMA2000-1X中，数据率越高，则WALSH的长度越短，用了较短的WALSH码之后，则相应的由其生成的长WALSH码不可以再使用. 如在RC3模式下，如果达到153.6KBPS的速率，则使用WC4的一个码，则相应的有16个WC64不能再使用，为什么会是这样？ 如果一个短码是01,那么相应的以01开头的其他walsh码就不能用，不然系统就不能区分。 以WC4开头的WC64有16个，所以它们不能使用。,为何数据速率越高,使用的Walsh码就必须越短?,CDMA2000-1X 特点,支持高速数据传速； 电池寿命更长； 后向兼容 IS-95； IS-95系统2倍的话音容量。,PN、Walsh码应用小结,信息流,语音 编码,信道 编码,扰码,扩频,调制,RF 传送,信道 解码,扰码 还原,解扩,解调,RF 接收,信息流,CDMA 通信模型,语音 解码,前向信道调制总图,Forward Logic C