（通信与信息系统专业论文）无线数据传输电台的研制和开发.pdf

摘要 y 3 1 3 6 0 8 无线数摄传输是近几年来才开始邀入我豳通信市场的种数 据通信方式。无线数据传输系统具有镰网灵活、不受时间和地点 陵涮、扩客方侵、应用广泛等滚多饶点，著量畿够送行遮距毫接 入、数据采集和遥测遥控等功能，使得越来越多的数据传输业务 依靠无线传输方式解决。 近年寒，疆藿铁路事业豹飞速发袋，铁路逶信孛越来越多避 要求传递大熬的运输数据消息，就运输管理系统t m i s 而言，现 有的传递方式仅限于有线数据传输，以电缆为主，而一个完整躺 无线数传系绞爨未建立。嚣铁路“丸玉”发鼹计划，又要建d m i s 数传系统。 因此，无线数据传输电台研翻，嚣的卡分的有意义和必要。尹 为了及时、准确、快速地袋用无线通信手段传递相应的数据 信息，首先必须正确把掇数字遇信的具体的理论知识，其次必须 震点考虑一黧关毽瓣技术闯题。镪魏：数摇静传赣速率、信遴缡 机上的通信处理和控制管理部分，此处采用q b a s i c 和v b 语言 编写了分别撼于d o s 和w i n d o w s 的数据潇信处理程穿。第二箭 分是荦片枧逛鼹的设计鞠汇缡潺言豹缡焉：、遍过具 搴的电鼹设计 实现了p c 与单片机间的数据接口电路，m c u ( a t m e l 9 9 c 5 2 ) 点= 外部数据存储器、外部扩展串行口芯片以及调制解调器( f x 5 8 9 ) 等间的数据通信和控制电路。为单片机软件的编写和功能实现提 供了可靠的硬件基础。单片机软件的设计进一步丰富和扩展了硬 件功能。考虑到无线数据传输的特殊性，首先，系统详细研究和 分析了b c h ( 3 1 ，2 1 ) 的编码和解码原理和具体的工作流程以及 交织的原理，以及数据通信中的同步问题，用软件实现了数字信 号的编码和解码，提高了抗干扰能力；用软件实现了数据的收发 和同步问题，完成了与f x 5 8 9 间的数据信息的交换。结合硬件 电路，实现了软件看门狗功能第三部分是单片机和无线电台的 连接，以便实现经单片机调制后的g m s k 信号能够平稳可靠地 调制到射频频率上，由电台发出和正确地将电台解调下的g m s k 信号可靠地传递给单片机电路处理。通过以上三个部分的协调配 合，系统能够实现可靠的无线数据通信。 v b 关键词： 无线数传、纠错编码、g m s k 、协议。 r s 2 3 2 、 、 a b s t r a c t w l r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n1 san e wd a t ac o m m u n i c a t i o ns t y l e w h i c hc o m e si n t oc h i n ai nr e c e n t y e a r s w i r e l e s sd a t ac o m m u n i - c a t i o n s y s t e m h a s m a n ym e r i t s s u c ha s a g i l i t y t oc o n s t r u c t 、r i o c o n f i n e m e n tb yt h es p o t 、c o n v e n i e n c et oe x p a n dc a p a c i t y 、a p p l i c a t i o n w i d ea n ds oo n ，a n di tc a nb eu s e dt or e a l i z ed i s t a n c ea c c e s s 、d a t a c o l l e c t i o n 、r e m o t em e a s u r ea n dr e m o t ec o n t r o la n do t h e rf u n c t i o n s m o r ea n dm o r ed a t at r a n s m i s s i o no p e r a t i o n sa r es o l v e db yw i r e l e s s m e t h o d s r e c e n t l y ，a l o n g w i t ht h e f l y i n gd e v e l o p m e n t o f r a i l w a y u n d e r t a k i n g ，am a s so ft r a n s p o r t a t i o nd a t am e s s a g ei s n e e d e dt ob e t r a n s f e r r e di nt h ef i e l do f r a i l w a yc o m m u n i c a t i o n a sac o n s i d e r a t i o n o ft m i s ，t h ec u r r e n tt r a n s f e r sm e t h o di sc o n f i n e dt ow i r e t r a n s m i s s i o n ，c a b l e t a k e sa ni m p o r t a n tp a r t a ni n t e g r a t ew i r e l e s s d a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sn o tb e e ns e tu p b u ta c c o r d i n gt ot h e d e v e l o p m e n t s c h e d u l eo f “n i n t h f i v e ”，a d m i sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e mm u s t b es e tu p s oi ti sm o r es i g n i f i c a n ta n dn e c e s s a r yt od e v e l o pa nw i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o nr a d i o i no r d e rt ot r a n s p o r tc e r t a i nd a t am e s s a g ed u l y 、c o r r e c t l 3 、f l e e t t 3 b yt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，i ti s a b o v ea l lt om a s t e rt h e c o n c r e t ea c a d e m i c k n o w l e d g e ，s e c o n d l y s o m e p i v o t a l t e c h n i c a l p r o b l e m s m u s tb et o k e ni n t o s p e c i a l c o n s i d e r a t i o n ，s u c ha s ： t r a n s m i s s i o nr a t e 、c h a n n e lc o d e 、r a t i oo ff r e q u e n c yu t i l i z a t i o n 、 a n t i - j a m m i n ga n do t h e ra s p e c t s d u r i n gt h ed e v e l o p i n gc o u r s e ，ih a v er e s e a r c h e da n dm a s t e r e d t h ef l o wa n d p r i n c i p l eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h es y s t e m i sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：t h ef i r s tp a r ti st h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e a n dc o n t r o lb a s e do np c ：v ba n dq b a s i ea r eu s e dt od e v e l o p e da n c o m m u n i c a t i o np r o g r a m t h es e c o n di sr e a l i z e d b ym c uc i r c u i t d e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g t h eh a r d w a r ed e s i g nr e a l i z e st h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w od i f f e r e n tc i r c u i tu n i t s t h eh a r d w a r e p r o v i d e sa nr e l i a n tb a s e m e n tt o t h es o f t w a r e ，o nt h eo t h e rh a n dt h e m c us o f t w a r eu l t e r i o r t ye n r i c ha n de x p a n dt h eh a r d w a r ef u n c t i o n s s y s t e m t a k e sa nt r a v e r s ea n d a n a l y s i s t ot h ec o d ea n dd e c o d e p r i n c i p l eo f b c h ( 31 ，21 ) a n dt h ep r i n c i p l eo fi n t e r l e a v e a ns o f t w a r e h a sb e e np r o g r a m m e dt or e a l i z et h ec o d ea n dd e c o d eo f d i g i t a ls i g n a l w h i c he n h a n c et h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t yt h es o f t w a r ea l s or e a l i z e s e v e r a lo t h e rf u n c t i o n ss u c ha s i n t e r c h a n g e b e t w e e ns c ma n d f x 5 8 9 、s y n c h r o n i z a t i o na n dw a t c hd o ge t c t h e t h i r d p a r t i st h e c o n n e c t i o nb e t w e e nm c ua n dr a d i o ，w h i c hc a nm o d u l a t et h ec o m i n g s i g n a lg e n e r a t e db yt h ef x 5 8 9 t ot h er fa n dc a nd e m o d u l a t et h er f s i g n a li n t og m s ks i g n a lw h i c hw i l l b ed e a l t b yt h ef x 5 8 9a n d m c uu n d e rt h ec o o p e r a t i o no ft h et h r e ep a r t s ，t h es y s t e mc a nr e a l i z e r e l i a b l ew i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n 关键词： w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n 、e r r o r c o r r e c tc o d e 、 g m s k 、p r o t o c o l 、r s 2 3 2 、v b 前言 无线数数据传输电台的研制主要用于无线数据传输，也可以 用于各种遥测系统：如气象数据的采集、地理数据的采集、水文 数据的采集、环境监测系统、各种报警系统( 如烟火、有毒气体 等) 、o p s 应用系统、过程控制( 如温度、压力、湿度等) 。 本系统采用国外先进的调制解调芯片，借助于良好的信道编 码结构和混合纠错方案，有效地克服了无线信道的误码率较高的 缺点，从而使无线数据传输达到了很高的传送质量。 本人认真研究了信道编码理论和调制解调理论，分析了目前 的一些调制解调芯片和其它一些与通信有关的技术，设计了基于 f x 5 8 9 通信调制解调芯片和以a t 8 9 e 5 2 为管理控制核心的硬件 电路，完成了硬件电路的调试工作；完成了单片机控制软件的编 制工作：编制了主机的传输控制管理软件；能实现点对点间的数 据通信。 第一章简单介绍了系统的主要组成、性能特点、系统研究的 目的和意义、系统特色和系统实现的原理等有关系统整体的概 貌。 第二章为数据传输基本知识，主要介绍了数据通信的基本知 识，讨论了有关数据通信的性能指标、调制解调等方面的知识和 关键技术问题，详细讨论了g m s k 的调制解调技术。探讨了系 统设计的理论依据并对实际工程设计作了研究。 第三章较为详细地介缁了对信道编码理论的研究和分析，步 步深入地介绍了有关纠锘方面的知识和其体硝字的实现，论述了 b c h ( 3 】。2 1 ) 煽玛的璎论依据。详细探讨了b c h ( 3 】，2 1 ) 生成多项 式的求解以及在系统软件编码中的实现技术；详细论述了系统的 鲥锫编码静麟鹞思怒。阐述了其体静数据逶僚擦式。 第姻章介绍了系统的硬件设计，陈述了系统的设计方案和技 术要求；介绍了系统硬件簸本组成和工作流穗：详细介绍了各主 黉舔分瓣窀鼹梅或帮功麓。 第五章介绍了系统的通信协议和通信控制器控制软件以及主 机传输控制软件设计，详细论述了软件设计中的思想和方法。 第六章是些鱼邑在设计中豹一些俸会朝取彳导黔测试结论。 第一章系统溉述 第一章系统概述 本系统将无线数传技术应用于两个绒多个终蛹间以实 现数据交换，这种以无线数据通信方式代替有线数据通信方 式具有方便、快捷、经济的特点。建立个主、从分布式自 动无线数传系统，主机( p c ) 与数传电台采用r s 一2 3 2 阴 传输数据，其它数传电台既可与控制单片机联合使用也可单 独使用。 整个系统缎构框图如下： 妇 i 忑k k 赦传授制器 ( 图1 。1 ) 主枫只与数传电台发生联系，通过r s 2 3 2 审行端口传输 数据。主机的系统软件w 以肖文件管理软件和传竣控制软俘。主 要用于文件綮理_ j 珏邋售参数设宠。对予来囟主枫的数撰，数传电 台将识别具体豹通臻格式犊，识别是控制蠛还是数据犊。若为数 据棱，数传恕台将它们进行b c h 编码靼交织，然惩通过无线信 第一帮系统概斌 道发送出去；若为控制帧，单片机将修改相应的工作参数并存入 e e p r o m 中。数传电台接收到来自无线信道的信息后，将解调 痿的数攒经过译羁霸传给主枧或对应教铃设单片孝晁，由其做相应 的处理。 系统文件管理和控制软件全部采用w i n d o w s 支持的v i s u a l b a s i c 语言设计，可实现多任务撩 乍。调测软件由q b a s i c 语言 编写，系统资源要求少，便于调测。 系统工伟鲶无线颓点氍蒂宽依据繇选霜豹不两懿无绞电台稀 有所不同： 本章将主要论述此项研究的目的和意义，系统实现的功能， 王 睾方式以及系绞懿特色。 1 1 研究的目的和意义 目前，许多机构都在从事着无线数传电台的研制和开发，无 论从数传速率，可靠性还蹙系统的体载，抗环境干扰等方面都褥 到了缀大懿掇褰窝改善。 目前国外的技术水平较国内矮高。以p a c i f i cc r e s t 公司 为代表，其传输速率高达9 6 0 0 b i t s ；采角交拣编码可阻抗突发干 拢；采用g m s k 熬基繁调制方式：信递带宽2 5 k h z 、1 2 5 k h z 、 6 2 5 k h z 以所选工作模式而有所不同；接受袋敏度高；抗外界自 然环境麓力强。僵造价禳离，一般一台在一万多元以上。 国内主要以t e l e t o n e 为代表，其在接受灵敏度、信逆骺宽、 纠错编码等技术指标方面逊于国外，但它的数传电台可以既能传 话音又能倍数据，谗轻够满足数据传输器语蠢传输装一黢需要， 第一辇系统擞述 而且价格很便宜。 翳裁，在国内月于8 0 0 躐9 0 0 m h z 且数转速率在4 8 0 0 或 9 6 0 0 b i t s 的数传电台还属于空白。虽然，蜡前扩频数传电台己褥 到了部分应用，但就其价格，设备复杂程度以及用户浠求等方面 来豢，本开发研铡项目仍具裔缀大的社会缀济价值。 1 2 系统实现功能 无线数传电台将实现数攒鹣b c h ( 2 1 ，3 1 ) 编码和译码，数据交 织静编码和译礤；实现编码露数据的g m s k 调毹帮通过g m s k 解调将被调数据信号还原为数据信号并送单片机处理；实现射频 信号豹调制和解调。 设计和实瑷了系统硬件动能后，鲡收发控裁功能，疆抗匹醚 功能，编解码功能，数据传输接口电路等，还将用v b 语言设计 针对此硬件系统的管理。如设蹙： t ，浚发频率 2 继电器开获关键字 3 本机地址鸱 等菇绕工 乍参数。 同时设计相戍的d e m o 演示软件，实现诸如：简单字符串 传输、继电器的开合、文本文件的传输等功能。 1 ，3 系统特色 l ，本系统设计繁戏度毫、绥稳繁凑、埂予产品纯；庞蠲灵滠， 功能性强，价格鞍低，实用能强；并且系统的大部分硬件部分可 第一章系统概述 以移植到其它频段无线电台，只要改动部分的收发电路就可以实 现在其它频段上的无线数据传输。 2 软件编解码。 这样，在不改动具体硬件电路的情况下，通过改变和更替软 件中具体的编解码软件，使其根据不同的用户需要而可能具备不 同的检纠错能力。 3用v b 语言实现文件管理和系统控制。 首先，v i s u a lb a s i c 是迄今为止最受青睐的w i n d o w s 应用开 发软件，它包括一系列的图形工具和高级语言指令，可以十分方 便容易地进行程序开发。 在v b 程序中对象与程序的往来是利用事件，即针对每个对 象，可能会有多个事件产生，每个事件都能驱动一段程序运行， 完成对象响应事件的工作，这样就特别便于程序编写、调试、维 护和日后功能的添加。 其次，利用v b 语言可以方便地调用w i n d o w s 的a p i 。 第一章数据传输基本原理 第二章数据传输蒸本甄理 本奄通过介绍数据传输系统的基本组成及性能指标，论述了 在系统设计方案中对有效性和可靠性等方面的具体考虑。并着羹 奔绍了g m s k 塌铡解谓方法和缀理，透过与其它调到鳞调方 式的比较，说明了选用g m s k 调制解调方式的原因。 2 1 数播传输系统的基本组成 数字通信在璎论上，从本世纪3 0 年代开始，祷掰是5 0 年代蜃，先爱形成了“调铡理论”、“仙农信息论”、“纠错编 码理论”、“信号和噪声理论”、“信号控制”等，这些理论， 不仅俊模孝鼙遴信得到高遥发展，也为数字遵信静发展葵定了 基础，尔后，又进一步彤成“数字信号处瑕理论“，使数字通 信更加完善。 本设计系统谨韵数字逶僖酶转输理论、锶麓方式等方 飚知识，实现两个或多个终端间的数据通信和传输。 现代通信借助电和光来传输信患，因此，数据通信就 筵爝曦( 光) 偿号蛰上述数据歪璃建终辕给接收卷，要达到这 目的，需翼信邋来传输数据信号，本系统通过无线信道来 传输数据信息，德道存在不域想性( 传输失真和嗓声干扰) ， 可毙搜数据发生蓉镑，魍蠢，要对差错避彳亍控制。嗣时，为 第二章数据传辅基本原蠖 了使整个数据通信过程能按一定的规则有顺序地进行，通信 双方必须建立一定的协议或约定，并且鼷有执行协议的功 憝，这榉才能实现煮意义懿数搓逶信。本系统熬设计和实现 就是依据数据通信的上述理论从调制方式、编码纠错方式、 通信协议、系统复杂度、系统住价比等诸彩方舔来考虑的。 严格地洪，数据通信的定义是：依撼通信协议，利用 数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息，它可实现 计算梳与诗雾辊、诗算梳与终端以及终端与终端之阉懿数据 傣息传递。邋俗而言，数据通信是计算机与通信相结合而产 生的一种通信方式和通信业务。可见，数据通倍是一种把计 冀橇蓉术和邋售技术褶缀合斡瑟型懑信方式。 本系统数据传输系统的基本组成如图2 1 所示。 图( 2 1 )数字通信系统模烈 在数字遂信系统中，在笈送端有信源处鬻帮信道编礴 器，偿源处理的作用是将要发送的数字信号进行一些诸如加 字头、分组、合并等的处理：信道编码是通过将数字信号加 入一定的冗余量来实巍数字僖号与馕道闼豹廷配，班提高传 第= 章数撼传输基奉壕理 输的可靠性和有效性。数字调制器的作用是将数字基带信号 变换为适台于信道绩簸豹已调信号；数字解调器将已调信号 还舔成数字基带信号，再由信道译码器釉信源处理祷基带信 号还原成发端的数字信息，最后在将它们送到用户设备。 随着技术鹘发震靼人们对通信质爨躺通信信息的要求， 数字通信获褥飞速发震，荠越来越占攒整要逢位。粒摸瓠逶 信相比，它有许多突出的优点：1 抗干扰能力强。这可从两 方蕊若，首先数字信号在传输过程中可以多次再生，以消除 赉嗓声和信遘遮藏渡形失囊懿积黍。箕次是叁信：j 莲缡解码鑫 动梭纠错：2 有良好的灵溜性和通用性。由于数字技术的发 展，计算机广泛采用，数据业务不断增加。各种信号都可以 数字纯。无论存德、处瑾、馋辕帮交揆郡冒强统一送行。便 于缎成综合数字通信网络。大大提高了信息交换的灵活性和 通用性；3 数字通信设备易于大规模集成。这样，既减轻了 重爨，又壤，j 、了髂鞭，瑟决了设备擞黧讫。 2 。2 数字通信系统的性能指标 通信系统的性能指标是衡量一个通信系统的质量标准，也是 逶傣系统设计豹依据。主要憋能霆稼涉及多方瑟、诸鲡遗气l 堡能、 工芑性能、操作性能、经济憾能指标等。数据通信系统，它的基 本指标是围绕传输的有效性鞠可靠性来制定的。 在数字透臻系统中，有效瞧往往瘸镄浚速率表表示。传竣速 率可分为码元传输速率和信患传输速率。所谓码元传输速率是单 第二章数据传输基本原理 位时间f 每秒钟) 能传输的码元数，单位为波特( b a u d ) ，每个码元 所占的时间t 。叫作码长，若码元传输速率为r 。，则r 。= 1 t 。 值得注意的是，定义码无传输速率为r b 并没有限定是什么进制， 如果采用二进制则用r 。：表示，m 进制用r 。m 进制和二进制 可以相互表示，当m = 2 k ( k = l ，2 ，3 ，) 时，r b m 与r b 2 有如下 关系4 1 r b 2 = r m 2 l o g ?波特( 2 1 ) 在本系统中，系统是二进制的，二元调频信号的码元速率 4 8 0 0 b 或9 6 0 0 b ，因此，本系统的传输速率为4 8 0 0 ，9 6 0 0 b i t s s 。 数字通信系统的可靠性用错误概率来衡量。显然，错误概率 愈小，可靠性愈好。 数字通信系统的可靠性用误码率或误波特率表示。其定义为 误碎p c = 装勰 ( 2 ：) 误比特率b = 曩矍吾麓c ： 显然，在二进制中b e = 忍。 2 3 数字信号的高斯滤波的最小频移键控 在无线数据通信中，数字信息是不可能直接通过传输基 带信号实现的。必须经过数字调制。数字调制就是用数字信 第二章数据传输基本原理 号对射频信号进行调制。它和模拟调制一样，可以调制射频 载波的振幅、相位、频率或其组合。但由于信号不是连续的， 所以分别称为振幅键控( a s k ) 、移相键控( p s k ) 和移频 键控( f s k ) 等。 在数字移动通信系统中，数字调制是关键的问题之一。 选择合适的数字调制方案，可以使无线电信号在允许的带宽 内传输较高的速率。能适应瑞利衰落信道传输，在解调时误 码率低。 数字信号调制所使用的载波也为连续的正弦信号，而 调制信号则为数字基带信号。了解数字信号的调制解调的机 理，对于无线数传设备的设计和选取适当的m o d e m 芯片 及分析系统的通信质量的好坏将是很有益处的。于此我将重 点分析一下系统所采用的调制方式：高斯滤波罨小频移键控 ( g m s k ) 。 为了对g m s k 有个清晰的认识，首先应简要介绍一下移 频键控f s k ，最小频移键控m s k 。 f s k 是二进制频移键控，它是一种恒幅的相位连续的调频 波。即它在传送信号“1 ”时，输出的传号频率c o m 为c o o + c o d ， 传送信号0 时，输出的传号频率c o m 为c o o c o d ，式中c o o 为载频，c o d 为调制的角频偏。 实际上f s k 信号可以看成是两个振幅键控的和，它们 是： j l o ) = a ( t ) c o s 山，f ：出。= 0 9 0 一d ( 空号频率) s 2 0 ) = a ( t ) c o s0 9 。，。，= o + d ( 传号频率) 式中a ( t ) 由数据信号决定，a ( i ) = o 或1 。 第二鼙数据传输基本原理 因此f s k 信号的频谱可以认为是两个振幅键控a s k 频 谱的复数和。因而起频谱和频移有很大的关系。当频移小 时，频谱兹焱太壤发生予载波频率妁处，磊颧移增大翻， 则频谱最大值逐渐分成两个，向两边偏移，而载波频率的懈 度减小。 当频谱黎用率为0 5 时，楚一季巾特殊德提，氍 掣= 。5 ( 2 4 ) 衍 b 或 ( 出。一0 9 。) t b = 硝 ( 2 5 ) 这表鞠，这怒这两个频率在一个码元t 。时闯寒，萁裰 位正好相差为n 。即相麓半个周期的正弦波。产生最大的相 位差。同时在码元交替点保持相位的连续。因而频偏的旁瓣 壤，l 、。这静特殊攮援( h = o + 5 懿f s k ，称之失最，j 、频移键 控( m s k ) 。它意味着m s k 在一个码元的时间内，能用煨小的 信号频羞f 。产生最大的相位麓( n ) 。 双m s k 绩号懿频谱爵懿番出，其主瓣要毙2 p s k 的在( 繁 个零点在0 7 5 t 。处) ，且旁瓣也簧比2 p s k 低2 0 d b 左右。 实际上，m s k 是频移键控的特辣情况，在遮种条件下， 它也可善戒是媚移键控。可认为它怒按以下翅簿进行移捆键 控的，既信号“1 ”时载波相位增加“2 ，当信号为“0 ”时 载波稻位减小“2 。它酾相位变化夜一个码元髑期肉为直线 ( 相位变化，0 = d t 因频率为常数，故。和t 是直线 关系) ，并在码元交替时刻保持相位连续，没有跳变。 在一个鹞元两袈内，m s i 豹转号波形稻空号波形是正交 第二章数据传幸| | 0 基本原理 的，它们的互相关系数为0 ，这是m s k 的个特点。 将m s k 和q p s k 的频谱比较，可以看出m s 4 的主瓣比q p s k 变5 0 ，但它靛旁瓣比q p s k 列低款缀多。爱姥，在麓要恒 定包络，且不滤波( 或只很小的滤波) 的场合应用，m s k 熙 缀合适的。 很在邻道间隔很小的场合，移动通信要求邻道干扰小予 6 0 7 0 d b 。因此简单的m s k 还不能满足要求，就必须采用 g m s 琵。 g m s k 是在m s k 之前，加用一高期滤波器，以抑制旁 瓣输出，当然其它性能也会受影响。图( 2 2 ) 是g m s k 的 逛路器疆銎。 图( 2 2 ) 在镶鞠器之懿，有一个蘩鲞滤波器，它将数据先避行滤 波，由于经滤波质输出的数据脉冲就没有陡峭的边沿，经解 调后，它的相位路径在m s k 的基础上进一步得到平滑。原 m s k 媚短路径熬尖是被乎潺捧了。瑟以它熬频谱特性载会 被改瞽。它的电路就是在前拦高新滤波器后加上一个调制 器，最简单的就怒压控掇荡器，不过它的频移和数据速率庞 操持m s k 骺要求粒条馋。爨是这秘方法如果要求v c o 弱 频率稳定度很高，频偏的准确性很好，这是难以做到的。为 克程上述这垫缺点，g m s k 僚号的产生可精蟊鬻( 2 3 ) 所 示的方法 蒸 匿母 竺 第二章数据传输基本原理 输入 敲斑 g m s k 僖号 图( 2 3 ) 它由7 t 2 相移的二确相移键控( b p s k ) 谲涮器和锁稆环 ( p l l ) 组成。7 t 2 楣移的b p s k 保证每个码元期间的相位 变化为兀2 ，而锁相环路对b p s k 在码元转换时刻的相位 突交避行平涝楚理，最终v c o 输毒信号躲稳健鄄傈持连续 又平滑。由于v c o 的频率被锁定衣b p s k 调制器参考振荡 源的频率上，输出信号的频率稳定度是可以保诞的。这里最 鬟要懿是要糕心竣诗p l l 懿参数，搜它戆传簸遗数瀵是囊 斯滤波的要求，才能获得良好的信号频谱特性。 g m s k 的性能和滤波器性能裔关。前置滤波器的3 分 贝謦宽竣为b ，剽我们援b 秘码速率角的比馕作为低通滤 波器的参数。 阂导：善：b 瓦，冀值可大于1 ，也可小予1 ，警b t 。 “ ，l l 时，表示滤波器的带宽大予数据信号的基带，b t 。值愈大 时，表示滤滚俸搿篷弱，当b t 。一蠢，等予寒鸯霹滤波嚣， 因此它趵性能也就是原采的m s k 。当b y 。( 1 时，滤波的作 用愈明显，也就最旁瓣被滤除掉的愈多，但这燕带内的信号 也受裂彩稿，主瓣翡频逶也受到了垫损害。 g m s k 酌占髑豢宽举，可以在2 5 k h z 频道闺踽上黄羧 第二章数据传输基本原璎 1 6 k b s 的数字信号，这是一个方面。另一方面，由于g m s k 的频谱在带外的滚降快，因而邻道干扰小。 f s k ，m s k ；g m s k 均为秘凝蓼键控，不潮懿频率对 应于不问的数字信号，所以它可用相干解调，也可用非相干 解调。在相干解调中最为重要的是稻干载波的掇取，在移动 邋售的环境中是比较困娥的，阂瑟慕用差分解调和鉴频器嬲 谰等非相干解调。非相干解调电路简单，只用两个带通滤波 器，分涮滤蹈，窝。，邵誓嗣毯络检波褥蓟原诵弼的“l ”帮 “0 ”数字序列。如图( 2 4 ) 所示： 1 或o n 出 萤( 2 。4 ) 现在通过对二进制数字调制系统的比较，来具体阐述在设计 时，对调制方式、频带等方面的考虑。 在数字逶售系绞中，餐量一个系绞懿牲黢挠劣蹩它豹可靠。| 生 和有效性。衡量有效性的技术指标是佟输带宽；影响传输质量的 阂数主簧是谈鹳率，现将各种数字调制系统程各种接收情况下的 诶码搴p 。和传簸萤宽w 列子下袭。比较的条件是：码元速率fb = i t 。、信号的平均功率j 2 和噪声功率2 一! 栩同，为了清楚起见 以表静形式列出，如下9 l | 制 式|传辕謦霓|误鹚率p 。| j 干一 芎屋臣勘爵 一笋| 一 蛩 第二嚣数据传输基本原避 i菲榍于a s k 2 f b l 2 e 4 4 i相干a s k2 f bl 2 e r f c ( 4 ；2 ) 、 ， 非相干f 8 k2 a f + 2 f b 1 2 e 。7 2 相干f s k2 a f + 2 f b 172 e r f c ( 石2 ) 相干p s k2 f b 1t2 e r f c ( - f e l ， 踅逡蚤p s k2 f b l ，2 e 。 超于d p s k2 f b 妇( 石涟l 一1 2 e r f c ( - , 石 、露 汪：8 驴 躐察上表，可以得餮鼯下赣论： l ，在fb 稿霜条 孛下，p s k 移a s k 畜糖曩懿祷输繁 宽，b = 2fb ，而f s k 要求比较宽的带宽，即b = 2 a f + 2 f b 。 2 在讨论静二迸铡数字调铡系统中，使数字传输产 生误码的主要因素是信道高斯噪声，一般谫，误码率p 。 窿 随2 嘉增加两隧低。在相嗣条件下，制式不同，p 。不 周，国比较知如果p 。相间，p s k 所要求的信嗓比比f s k 所要求的信噪比小3 d b ，f s k 眈a s k 小于3 d b 。 3 在潮一利式中，相于簸调秘l # 楣予鼹调豹误码率 d ： p 。粒关系，蔚者是互 误差函数曩一。2 一兹关系。瑟盾 者是指数函数同的关系。所以，相干解调要优于非相于 第一童数掇偿赣基本器理 解调。 4 ，从电路结稳鞠技零条件比较，掴于勰调比 # 相予 解调要复辩些，困为它要求提取礁确的载波，载波提取电 路无论从实现电路还艇技术要求都有相当的难度。无疑造 价会援对麓些。 概括起来，簸性能指标麓，无疑p s k 系统是最好昭，但技 术爱求高。不过由于锁相技术的发展和应有，载波提取的技术难 度已大大的降低，在要求比较嵩静数字通信和计算机遇信中，获 褥了广泛懿应髑。f s k 系统的误礴率艮a s k 系统磐，僵要鸢乏传 输带宽比较大，一般用于低德数据传输中，在移动通信信令系统 中也有采用，a s k 系统由于谈码率指标最差，实际中较少使用。 在上述表格分毒斤中，没霄判出g m s k 豹数据，这是鞫为g m s k 的性能和滤波器性能有关。前置滤波器的3 分贝带宽设为b ，则 b 和码率f ( 1 7 ；) 的比值作为低通滤波嚣的参数。因此对g m s k 熬羧能分毒斤必矮爨髂连同b t 联系莛来讨论。 g m s k 调制系统在理想情况下的误比特率为b 1 吱= 三e d 蔫j 6 ， 淇中d m m 是猩t j 和t 2 之间溅察所得的h i l b e a t 空间中，传号信 号与空号信号的最小距离。d 可定义为 【2 2 d 2 = ：16 u m ( t ) 一u 。( t l d t ( 2 7 ) 上 b t 健愈大时，寝明滤波作用越弱，当b t 衅时，等于未加滤波 嚣，国此它的j 陵麓也就是蘸来自；m s k ，就时d m m = 2 、鼍b 。当b t k ) 的码字，这样就增加了n k = r 位多余码元。r ；k ，n 称为 传信率竣编秘效率，筵髂速率裁玛零。它撵量羁戆有效性。 倍道编码的实质是以降低信息的传输速率为代价来增 加码字的抗干挠能力。设计一稀编硝，当然希熬在抗干扰一 是的条件下，编码效率趟大且缡、译码设惫越德单越好。 如果对k 位组的信息硝进行编码，得到r l 位码元的 礴字，在发送一个玛字磁，在传输过程孛有t 个位警静礴 元或分量出错，两接收端收到码字聪，通过检验收到的码字 是否满足预先约定的约荣关系而可以判断出这种错误，告诉 发方重发毂灞认为有错豹羁字疆达到正确倦辕信急豹鋈豹， 则c 叫码长为i 3 的可检测出t 个差错的检错码，这种编码叫 检错编码： 懿接收辩还可以歪确泽文缀发送豹残字，刘e 秣为羁 长为r l 的可纠正t 个错误的纠错码，这种编码叫纠错编码。 枪错编码和纠错编码有时统称为纠锩编码。 3 1 2f e c ( 黼向纠锗) 利用检、纠错码进行差错控制的基本方式大致分为四 炎。魏f e c 、a r q 等。叁动纠镨方式又零豢为蘩自纠错。发 第三三章纠错编码得理论与实现 端的信道编码器将输入的信息序列变换成有纠错能力的码 字，通过信道传输到信邋译码器。译码器掇据确的规律性自 动纠正售莲予撬引起的镄误。它故优点是麓单问传竣，不嚣 要反馈信道，纠错迅速及时，能进行一个用户对多个用户的 同时通信，酶嗣适用于移动通信。键若要纠正大量的错误， 则需要增加较多的监督弼元，鹦的构造复杂，缡码效攀较低。 所选用的码必须是与信邋干扰情况棚匹配的纠铹码，因而对 僚道交他的邋应性较差。译璃逸路较复杂，设务藏本较高。 在本系统中，考虑到通信协议的简单起见，本系统采用这种 麓错控制方式。 发端收端 敝厂 竺里，厂 l jl _ j f e c 的差错控制方式可用圈3 1 表示： 图3 1 差错控制的基本方法 本系绞采雳煞绸爨缡强楚b c h ( 3 1 2 1 ) 编玛。下瑟憋具体 的介绍这种编码。 3 , 2 。1 缡薅定壤 3 2b c h 编码 关于裔噪声信遂中信息传输豹重要瑾论是豢农( s h a n n o n ) 提出的著名的编码定理。称为信道编码定理( 鼓香农编码定 理) 。该定理指出：每个信道都具有确定的信道容量c n ，只 要基道传赣述搴r s 编码方法。在采用最大似然译码时，箕 第三章鲥镑缩鸸得理论与葵瑗 译码错误概率( 即误确率) 对于任何给迮速率r s - 2 t + l 总结以以上的讨论，如果已知本原b c h 码的i i i 及t 值，就可 得到该码的其他参数如下： 鹤组长疫为n = 2 ”一l 监督位数为r l k m t 码的最小距离为d 2 t + l 码麴纠错熊力至少为t 鹅的生成多颈式如式( 3 9 ) 所示。 如下具体验算求取系统采用的b c t t ( 3 1 ，2 1 ) 的生成多项式