（通信与信息系统专业论文）gsmedge基带解调设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着互联网的发展，用户对移动通信中数据业务的要求也逐渐增加，推动着 移动通信业务不断向前发展在g s m 向3 g 发展的过程中，e d g e 作为一种过渡性 的技术，可以在不改变现有g s m 网络的基础上，为用户提供高速数据传输。 本文分析了e d g e 技术的优势，结合某公司研制的一款g s m e d g e 手机芯片， 对g s m e d g e 基带信号处理中的调制信号识别和解调算法进行了分析，实现识别 和解调的a s i c 设计和优化。 本文分析了g s m e d g e 基带部分的协议，在此基础上，对调制方式识别和两 种信号的解调算法进行了研究，建立了基带通信系统仿真模型，通过系统仿真分 析了识别和解调算法的性能，满足g s m e d g e 系统的要求。 本文利用了在基带信号处理中共用的公共运算单元，实现调制方式识别和信 号解调的功能。对各个功能模块，分析了接口和功能实现。最后给出了前端的功 能验证和结果分析。 关键词：g s m 印g eg m s k 解调8 p s k 解调相关识别 a b s t r a c t l i l a b s t r a c t a st l l ed e v e l e p m e mo fi n t e m e t ，d a t as e n ，i c e sb e c o m em o r ea i l dm o r ei m p o r t a n ti n m o b i l ec 0 i n m u n i c a t i o ns y s t e m f m mn l es e c o n dd 酒t a lm o b i l ec o h n u i l i c a t i o ns y s t e m t 0t h et h j r d d i g i t a j m o b i l ec o m 枷c a t i o ns y s t e m ， a 缸觚s i t i o n a i锄df l e x i b i e t e c l l n o l o g y 一e d g e ( e 1 1 l l a l l c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ) w a sp r e s e n t e d e d g e c a np r o y j d e 址g hs p e e dc i a t as e r y i c e s 岔fh s e f sj n 出eg s mn e 阳融呔s y s 姗w 1 1 i c hw e o 、e dn o w 1 k sp a p e ra i l a l y z e dt h ea d v a l l t a 妒o fe d g et e c l l i l o l o 烈陀s e a r c h e st l l ed e t e c t i o n a j l dd e m o d u l a t i o no f 铆om o d u l a t e ds i g 砌si ng s m e d g es y s t e m s ot h ea s i c d e s i 弘a i l do p t i l l l i z a t i o nw a sp r e s e n t e di i lt i l i sp a p 既 t i l i sp a p e rc o n c l u d e d 吐l es p e c i f i c a t i o no fg s m e d g eb a s e b a n dp a n b a s e do nt 1 1 i s ， r e s e a c h e s0 nt h ea l g o n b m so f 吐1 ed e t e c t i o n 锄dd e m o d u l a t i o no ft w os i g r l a l s 证n l e p s y s i c a ll a y e r s as 曲u l a t i o nm o d e lo f t h ew h o l eb 洳dc 0 n 瑚u l t 主c a t i o ns y s 钕nw 髂 m a d eo nm a t l a ba n dm es i i n m 撕o nr e s u l tf h l l f i l l e dt 1 1 es p e c i f i c a t i o n ac 0 锄阻o nu 1 1 i t ew l l i c hu s e di 1 1 廿1 ew h 0 1 eb a s e b a i l dw a sp r e s e m e di n “sp a p e r i t w a su s e qt 0r e 甜i z e 也ed e t e c t i o na i l dd e m o d l l l a t i o nm o d l l l e si nt 1 1 es y 或锄f o re a c h s u b m o d u l e s ，廿l i s l e i sa n a l y z e dt l l ei n t e r f a c ea i l dr e a l i z a t i o ns t r u c 打e s i n 此l a s tp a r to f m i st 1 1 e i s ，t h er 1 1t e s to f m ew h o l ed e s i 口w a sp r e s e n t e da n d 也e r e s u l ts h o w 廿1 a ti ti sm a t c h e 廿l ed e m a i l ds p e c i t i c a t i o ni i lt h eg s m e d g es p e c i f i c a t i o n s k e y w o r d s ：g s me d g e g m s k d e m o d u l a t i o n8 p s k d e m o d u l a t i o n c o 玛r - d e t e c l i 如 硅安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文巾做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 日期幽：三些 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学术论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：潞墅毽 导师签名：日期丝颦：型 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 移动通信是指通信双方或至少一方处于移动中进行信息交流的通信。由于它 最终能实现在任何时间、任何地点和任何人进行交流，因而成为当今世界最热门 的通信业务之一。移动通信的发展建立在两个问题上：频谱的利用率和多业务能 力的发展【i j 。正是在对这两个问题不断探讨的过程中，移动通信体制也在不断演变、 进化，经历了第一代模拟通信系统、第二代g s m 通信系统、第二代半e d g e 通信 系统，直至当前正在发展的第三代( 3 g 通信系统) ，这样一个不断改进完善、推陈 出新的发展历程。 g s m 移动通信系统为全球移动通信业的高速发展立下了汗马功劳，促使全球 通信业向全球化、数字化、宽带化和智能化的方向迈出了一大步，使全球移动通 信呈现出一派空前繁荣的喜人景象。对于移动通信运营商，尽管话音通信在相当 长的一段时间内仍将是主要的收入来源，今后一段时期中，他们面临的最大挑战 之一，便是如何经济有效地扩容网络，并适时平滑地过渡到第三代( 3 r dg e n e r 撕o n ， 3 g ) ，以满足日渐增长的用户数量和高速数据服务需求。 从g s m 演化为3 g 实际上就是为了提供更多的功能，为现存的g s m 网络和 商业系统提供更多增值空间。演化的过程首先是更新g s m 网络，通过升级g s m 网络实现。g p r s 在保持g s m 的电路交换方式传输语音的同时，增加了分组方式 传输数据，由于分组交换基于统计复用，大大地提高了无线信道和核心网络的使 用效率。以提高数据通信速率为目标，在g s m 力g p r s 的基础上，e t s i 进一步提出 了e d g e ( e n h a i l c e dd a t am t e sf o rg s me v o l u t i o n ) 标准1 2 j 。为了从g p r s 平滑演进， e d g e 的改进基点定义在g s m g p r s 的物理信道频谱利用率上。在尽可能利用 g s m g p r s 的现有技术和协议的基础上，e d g e 分别在分组交换业务和电路交换 业务方面对g s m g p r s 进行了必要的扩展，形成了e g p r s 饵i l l l a l l c e dg p r s ) 1 3 】和 e c s d ( e n h a l l c e dc s d ) 【4 】。e d g e 具有三倍于g p r s 处理数据的能力，而且能充分 利用现有的g s m 资源。 不管是将来的3 g 还是现在的g s m ，g p r s 甩d g e ，都不可能完全抛弃现在的 g s m 系统，尽管3 g 已经开始商用，但其高昂的费用以及我国的国情等限制使得 在短时间内它很难取代g s m 成为市场的主流，因此深入研究g s m e d g e 系统是 非常有必要的。而研究出功能更强大，功耗更低的手机基带处理芯片也具有很大 的市场需求。 手机的基带部分主要包含两个方面，一是基带处理部分，二是射频部分【5 l 。基 2 g s m _ ，e d g e 基带解调设计与实现 带部分包括数据的传输和处理。市场上的基带处理器大都为砌s c ( 一般a i 洲7 或 a i = l - m 9 ) 斗d s p 的双核结构，相对灵活，实现方便简单，但相对于a s i c 设计功耗较 大，面积大，成本高。随着微电子工艺水平的进步、移动通信技术的发展和手机 用户的扩大化，采用a s i c 技术设计可以降低功耗节约成本，结合s o c 技术设计 手机芯片已成为一种趋势【3 】。 本文结合某公司研制的g s m e d g e 基带处理芯片，重点研究了手机基带调制 解调部分的系统仿真和解调部分的a s i c 设计及优化。主要包含下面几个方面： l 、如何提高解调模块的解调性能； 2 、采用a s i c 设计基带调制解调子系统时，如何合理的设计硬件结构； 3 、各个功能模块的实现与优化； 4 、优化的电路设计以减少面积和降低功耗。 1 2g s m e d g e 移动通信系统概述 1 2 1g s m 通信系统 g s m ( g l o b a is y s 钯mf o rm o b i i ec o 衄u n i c a t i o n ) 数字移动通信系统是一种双工 通信系统，主要由移动台m s ( m o b i l es t a t i o n ) 、基站子系统b s s ( b a s es t a t i o n s u b s y s t e m ) 和交换网路子系统n s s ( n e 撕o r ks 谢t c l l i n gs u b s y s t i 锄，) 三大部分组成1 6 j 。 移动台是普通用户能从整个系统中看到的唯一设备，基站子系统包含了g s m 无线 蜂窝方面特有的基础设施，b s s 通过无线接口与m s 直接相连，另一方面b s s 又 连接到网络端的交换机，b s s 是m s 和n s s 之间的桥梁。n s s 完成g s m 的主要 交换功能以及管理用户数据和移动性所需的数据库，n s s 的主要作用是管理g s m 网络用户之间或和其他电信网络用户之问的通信。 1 2 2g p r s e d g e 系统概述2 5 g 2 7 5 g g s m 只能提供低速数据业务，其电路交换的固有特点，导致了资源利用率低 等不可避免的问题。为此，g s mp h a s e2 + 阶段引入了g p r s ( g e n e r a lp a c k e t 删i o s e r v i c e ) 。g p r s 是介于2 g 和3 g 之间的一种技术，通常称为2 5 g ，通过升级g s m 网络实现。g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适 用于突发的大数据量传输。e d g e 是一种增强型的g p r s ，也可以说是g p r s 发展 的第二阶段。 e d g e 主要有以下特点【7 】： 1 、速率高，现有g s m 网络主要采用高斯最小移频键控( g m s k ) 调制技术，而e d g e 采用了八进制移相键控( 8 p s k ) 调制，在移动环境中可以稳定达到3 8 4 k b i t s ，在静 止环境下甚至可以达到2 m b i 珧的传输速率，基本上符合第三代移动通信系统要求 第一章绪论 达到的速率标准【6 1 ，能够满足各种无线应用的要求。 2 、可同时支持分组交换和电路交换【8 】两种数据传输方式，e d g e 支持的分组数据 业务可以实现每时隙高达1 1 2 5 9 2 k b i t s 的速率，e d g e 可以用2 8 8 k b i t s 的速率 支持电路交换业务。 3 、支持对称和非对称两种数据传输，这对于移动上网等数据业务是一个非常重要 的特性。 1 3g s m e d g e 手机基带处理关键技术 手机基带处理涉及的方面很多，主要有信源编解码、信道编解码和调制解调 等技术。本节主要对论文研究的调制解调技术加以简单的说明。 1 3 1 调制技术 对一个数字通信系统，从消息传输的角度看，系统有两个重要的变换，即消 息与数字基带信号之间的变换、数字基带信号与信道信号之间的变换。这两次变 换就是调制的过程。首先将我们要传送的数字信号变换成基带信号，数字基带信 号是代码的一种电表示形式，实际上是随机脉冲系列。在实际通信中，不少信道 都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使 载波的这些参量随基带信号变化而变化。大多数数字通信系统会选择形式简单易 于产生和接收的正弦信号作为载波。如果是对载波的幅度进行控制，称为调幅 ( a s k ) ，如果是对载波的频率进行控制，称为调频( f s k ) ，如果是对相位进行控制， 称为调相口s k ) 。 调制在通信系统中有着非常重要的作用，通过调制实现了频谱的搬移，把调 制信号的频谱搬移到所希望的位置，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信 号。g s m e d g e 通信系统中采用了两种调制方式：g m s k 和8 p s k 纠。 1 3 2 解调技术 解调的目的是从接收到的无线信号中恢复出比特序列，再经解密和信道解码 后恢复出原有的信息。 信息传输的过程中，不同外部环境会对传输产生不同的影响，尤其是移动通 信在传输的过程中，由于移动台处于移动的状态，电波传输条件随着移动而发生 剧烈的变化，接收信号的场强起伏很大，可达几十分贝，出现严重的衰落现象， 这是移动通信电波传输的一个特点。 无线传播环境对移动台传播的影响主要有传输损耗、阴影效应和多径效应【l o j 等。解调端在解调时，应考虑到无线信道对信号传输的影响，设法减小这些影响。 4 g s m e d g e 基带解调设计与实现 信道的影响，在实际中等效成一个信道的模型，解调端根据接收到的信号值估计 出合适的信道模型，利用此信道模型对接收信号进行均甜1 。再依据一定的规则 解调得到调制前的信号。 1 4 论文的主要工作和内容安排 本文系统研究了g s m e d g e 基带系统的信道编解码和调制协议：对基带系统 进行m a t l a b 仿真；并结合协议对调制解调的要求设计了优化的解调电路设计并 加以仿真和模拟验证。具体的内容安排如下： 第一章主要阐述了本文的背景、课题来源和课题目标，并给出了本文的结构 安排；第二章给出了g s m e d g e 基带协议的整理，包括对协议的整体理解和信道 编解码以及调制的说明；第三章分析了基带调制解调系统，对e d g e 系统特有的两 种调制信号识别以及解调算法做作出分析；第四章建立了g s m e d g e 基带调制解 调系统的仿真模型，并对仿真结果进行分析，为硬件实现提供了依据：第五章对 调制解调系统的进行了模块化的设计；第六章阐述了g s m e d g e 基带调制解调系 统的模拟验证及逻辑综合方法，表明本文所设计的g s m e d g e 信道编解码模块实 现了设计目标并达到了设计要求的性能指标。第七章总结了本文的工作并对未来 工作进行展望。 第二章g s m e d g e 通信系统基带协议相荚知识 第二章g s m 印g e 通信系统基带协议相关知识 g s m 通信系统是一个发展成熟的庞大的通信系统，本章仅对基带部分的相关 协议和知识进行较为详细的论述。 2 1g s m 数字通信系统协议层次及结构 g s m 数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委 员会e t s i 设计出来的，e t s i 下的“g s m 小组”专门制定有关的标准和建议书。 本文采用e t s i 的最新版本3 g p pv 8 9 0 ，其关于g s m e d g e 的技术规范 共有1 3 个系列。 0 6 系列：关于语音编码和解码的规范； 0 5 0 1 ：g s m e d g e 无线接入网技术规范，无线通路物理层的通用描述； 0 5 0 2 ：无线通路的多路技术以及多元接入； 0 5 0 3 ：信道编解码和交织的规范； 0 5 0 4 ：两种调制方式的规范； 0 5 0 5 ：无线传输和接收的规范； 0 3 0 9 、0 5 0 8 、0 3 2 2 、0 4 1 8 ：无线链路规范( 包括小区切换，功率控制等) ； 0 5 0 9 ：链路调整的规范； 0 5 1 0 ：时间同步的规范； 0 4 0 4 、0 4 0 5 和0 4 0 6 、0 4 0 7 和0 4 0 8 ：分别是协议栈的第一、二、三层规范； 0 3 2 0 和0 3 2 1 ：是关于加密和解密的规范。 2 2g s m 数字通信系统的无线接口与无线传输 2 2 1g s m 频段划分 g s m 蜂窝系统根据所用频段可以分为g s m 9 0 0 m h z 和d c s l 8 0 0 m h z 系统， 载频间隔为2 0 0 z 。其上、下行频率划分见表2 1 【1 2 】： 表2 1g s m 频率划分 系统频段( m 比)带宽( m h z )频道号载频数( 对) g s m 9 0 0 上行8 9 0 9 1 5 2 51 1 2 41 2 4 下行9 3 5 9 6 0 d c s l 8 0 0 上行1 7 1 0 17 8 5 下行1 8 0 5 1 8 8 0 7 55 1 2 8 8 53 7 4 上下行以基站为参照物，基站发一移动台收为下行；移动台发一基站收为上 6 g s m e d g e 基带解调设计与实现 行。 2 2 2t d m - a 帧 g s m 系统在无线路径上传输，涉及的最主要的基本概念是突发脉冲序列 ( b s t ) ，简称突发，它是一串含有1 0 0 多个调制比特的传输单元。突发脉冲序列有 一个限定的持续时间和占有限定的无线频谱【1 3 】。它们在时间和频率窗上输出，而 这个窗被人们称为隙缝( s l o t ) 。确切地说，在系统频段内，每2 0 0 k h z 设置隙缝的 中心频率( 以f d m a 角度观察) ，而隙缝在时间上循环的发生，每次占1 5 2 6 m s 即 近似o 5 7 7 m s ( 以t d m a 角度观察) 。这些隙缝的时间间隔称为时隙( t 协es l o t ) ，而 它的持续时间被用作时间单元，称为突发脉冲序列周期b p ( b w s tp e r i o d ) ，如图2 2 所示。 物理信道( p h y s i c a lc h 趾n e l ) 采用频分和时分复用的组合，它由用于基站( b s ) 和 移动台( m s ) 之间连接的时隙流构成。这些时隙在) m a 帧中的位置，从帧到帧是 不变的。t d m a 是在无线链路上重复的“物理 帧。 妞搴 龇h z 个 ， 0 ) 弋 f ，即， 、 lj i ： 嘲k 严 5 2 6 m 第二章g s m e d g e 通信系统基带协议相关知识 即3 1 1 2 8 m i n 5 3 s 7 6 0 m s 。用于加密的话音和数据，超高帧每一周期包含2 7 1 5 6 4 8 个 t d m a 帧，这些t d m a 帧按序编号，依次从o 至2 7 l5 6 4 7 ，帧号在同步信道中传 送。g s m 帧结构如图2 3 所示。 ! 塑壹堕三兰q ! 璺塑堕三! ! ! 曼鱼兰璺! ! 坠堕! ! 垒! 墅i 璺曼! 兰! 鱼q 竺兰! ， 2 2 4 突发脉冲 图2 3t d m a 帧结构 ) m a 帧中，一个时隙发送的数据序列格式就是一个突发脉冲形式，也就是 说每个用户以突发脉冲的形式在分配给他的时隙上发送数据，根据发送数据的内 容不同，决定了不同的突发脉冲形式。g s m e d g e 主要有以下五种突发脉冲形式： l 、普通突发脉冲序列( n o 衄a lb u r s d ：其组成见图2 4 。用于携带t c h 、f a c c h 、 s a c c h 、s d c c h 、b c c h 、p c h 和a g c h 信道的消息。 2 、接入突发脉冲序列( a c c e s sb u r s t ) ：其组成见图2 5 。用于携带r a c h 信道 的消息。 3 、频率校正突发脉冲序列( f r e q u e n c yc o l l 吧c t i o nb u r s t ) ：其组成见图2 6 。 用 于携带f c c h 信道的消息。 4 、同步突发脉冲序列( s y n c h r o i l i z a t i o nb u r s t ) ：其组成见图2 7 。用携带s c h 信道的消息。 5 、空闲突发脉冲序列( d l 鞠m yb u r s t ) ：其组成见图2 8 。当系统没有任何具体 的消息要发送时就传送这种突发脉冲序列。 虽然每种突发脉冲形式不一样，但它们的组成却有一些共同点，即都包含以 下的部分，只是不同的突发各部分的长度不一样。 g s m e d g e 基带解调设计与实现 l 、尾比特( 碱lb i t s ) ：它总是o ，以帮助均衡器来判断起始位和终止位以避免 失步。 2 、消息比特( i n f o 咖a t i o nb i t s ) ：用于描述业务消息和信令消息，空闲突发脉冲 序列和频率校正突发脉冲序列除外。 3 、训练序列( t r a i l l i n gs e q u e n c e ) ：它是一串已知序列，用于供均衡器产生信道 模型。值得注意的是，它在普通突发脉冲序列可分为8 种，但在接入突发脉冲和 同步突发脉冲序列是固定的而并不随着小区的不同而不同。 4 、保护间隔( g u a r dp 甜o d ) ：它是一个空白空间，由于每个载频最多同时承载 8 个用户，因此必须保证各自的时隙发射时不相互重叠，尽管使用了定时提前技术， 但来自不同移动台的突发脉冲序列仍会有小的滑动，因而就采用了保护间隔让发 射机在g s m 规范许可的范围内上下波动。从另一角度来讲，g s m 规范要求m s 在一个突发脉冲的有用比特( 不包括保护比特的其它比特) 应保持恒定的传输幅度， 并要求m s 在两个突发脉冲之间传输幅度适当衰减，因此需要保护比特。相邻两 个突发脉冲之间的幅度衰减并应用适当的调制比特流，将会减小对其它r f 信道的 干扰。 3 b i t5 8 b i t 2 6 b i t 训练比特5 8 b i t 加密 3 b i t8 2 5b i t 尾比特加密尾比特保护比特 图2 4 n b 结构( g m s k ) 9 b i t1 7 4 b i t 7 8 b i t 训练比特1 7 4 b i t 加密 9 b i t2 4 7 5 b i t 尾比特 加密 尾比特保护比特 图2 5n b 结构( 8 p s k 3 b i t l1 4 2 全0 比特 尾比特i 3 b “尾比 特 8 2 5 b i t 保护比特 图2 6f b 结构( g m s k ) 图2 7a b 结构( g m s k ) 3 b i t l 5 8 b i t l 2 6 b i t i 5 8 b i t i 3 b i t i 8 2 5b i t 保 尾比特l混合比特i 训练比特 i 混合比特 i 尾比特i护比特 图2 8d b 结构( g m s k ) 2 3g s m 厄d g e 信道模型 g s m 中的信道分为物理信道和逻辑信道【1 4 j ，以2 0 0 k h z 为宽度将现有频谱资 源分为多个信道。物理信道由时隙、频隙和特定的t d m a 帧组成。而逻辑信道是 根据基站收发台b t s 与m s 之间传递的信息种类的不同而定义，这些逻辑信道映 射到物理信道上进行传送。从b t s 到m s 的方向称为下行链路，相反的方向称为 上行链路。 第二章g s m e d g e 通信系统基带协议相关知识 9 逻辑信道又分为两大类：业务信道和控制信道f 15 1 。其中业务信道主要用来携 带语音编码和用户数据，控制信道主要用来携带控制数据。 2 3 1 业务信道 业务信道t c h ( 枷cc h a i u l e l ) 用于传送编码后的话音或客户数据，在上行链 路和下行链路上，以点对点( b t s 对一个m s ，或反之) 方式传播。业务信道分语音 业务信道( t c h s ，1 r a 伍cc h 锄1 c lf o rs p e e c h ) 、电路交换型数据业务信道，以及包 交换数据业务信道( p d t c h ，p a c k e td a t a1 r a m cc h 锄c l s ) 。 2 3 2 控制信道 用于传输各种控制信息、系统消息等。主要有： 1 、广播信道b c h ( b r o a d c a s tc l l a r u l e l ) 包含：频率校正信道伊c c 均、同步信道( s c 均、广播控制信道 b c c h ( b r o a d c a s tc o n n d lc b a n n e l ) 。 2 、公共控制信道c c c h ( c o r 砌o nc o n 臼o lc i l a i m e l ) 包含：寻呼信道p c h ( p a g i l l gc b a n n e l ) 、随机接入信道( r a c h ) 、允许接入信 道a g c h ( a c c e s s ( 油呲c h a i l n e l ) 。 3 、专用控制信道d c c h ( d e d i c a t e dc 伽由r o lc b a n n e l ) 包含：独立专用控制信道( s d c c h ) 、慢速随路控制信道s a c c h ( s l o w 舡s o c i a t e dc o n 拄o lc 妇1 ) 、快速随路控制信道f a c c h ( f a s ta s s o c i a t e dc o 锄o l c h a m l e l ) 。 2 3 3 逻辑信道到物理信道的映射 m s 与b t s 之间要传送大量的数据和控制信息，不同的数据由不同的逻辑信 道传送，逻辑信道映射到物理信道上。逻辑信道以帧的形式组合，这些帧根据系 统给出的参数映射到相应的频率和时间，也就是某个时隙上。例如根据射频信道 的小区分配参数和帧号，将逻辑信道映射到相应的射频信道上，另外不同的逻辑 信道也可以组合成复帧结构映射到同一个物理信道上。 g s m 愿d g e 常用的信道组合类型主要有： l 、t c h f + f a c c h f + s a c c h 厂1 限 业务信道( 含语音业务信道和电路交换型数据业务信道) 与慢速随路控制信道、 快速随路控制信道的组合方式，是4 x 2 6 的复帧结构。 2 、f c c h + s c h + b c c h + c c c h 这种信道组合类型仅仅在下行链路出现，即由b t s 向m s 发送。 l o g s m e d g e 基带解调设计与实现 3 、f 。c c h + s c h + b c c h + c c c h + s d c c h 4 ( 0 3 ) + s a c c h c 4 ( o 一3 ) 这种信道组合类型，仅仅使用在无其它c c c h 信道分配时，且上下行链路是 不对称的传输模式。 4 、b c c h + c c c h 这种信道组合仅出现在上行链路，用来传送a b 类型的请求信息。 5 、s d c c h 8 ( 0 7 ) + s a c c h c 8 ( 0 7 ) 这种信道组合常用来传送系统消息和时间提前量等控制消息。 6 、应用在g p r s 或e d g e 的包数据业务中的信道组合主要有以下几种： ( 1 )p b c c h + p c c c h + p d t c h f i + p a c c h 伊+ p t c c h f ( 2 ) p c c c h + p d t c h 原+ p a c c h 佰+ p t c c h f ( 3 )p d t c h f + p a c c 肼+ p t c c h f 其中c c c h = p c h + r a c h + a g c h + n c h p c c c h p p c h + p r a c h + p ! a g c h + p n c h 这些逻辑信道的组合，对应不同的业务和控制的信息流。在数据传输的角度 上，是连续的比特流所组成的帧，经过信道编码，选择相应的调制方式调制后，将在 物理信道上以突发的形式传输。 在g s m e d g e 通信系统中，对突发有两种调制方式：g m s k 和8 p s k ，其中 8 p s k 只用来传送数据信息，控制信息和语音都是用g m s k 的调制方式，下文将 根据3 9 p p 协议0 5 0 4 对两种调制方式进行具体的分析。 2 4 调制规范 2 4 1 高斯最小移频键控g m s k g m s k 是恒定包络调制技术【1 6 1 ，是从m s k ( 最小移频键控) 发展起来的一种技 术。m s k 调制具有包络恒定、占用相对较窄的带宽和能进行相干解调的优点。但 是m s k 的带外辐射较高，影响了频谱效率。 g m s k 的基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波，使基带信号形成高 斯脉冲，之后进行m s k 调制。由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无 拐点，所以经调制后的已调波相位路径在m s k 的基础上进一步得到平滑，它把 m s k 信号的相位路径的尖角平滑掉了，因此频谱特性优于m s k 。g m s k 已确定 为欧洲新一代移动通信的标准调制方式。其调制过程如下图2 1 所示： 数j l 厂 广 ( j m s k 价5 j 叫1 4 蛳滤波器卜- m s k 潲制嚣卜o 1 一1 。，一 图2 ig m s k 调制过程 g m s k 是角度调制信号，已调信号为： 第二章g s m e d g e 通信系统基带协议相关知识 1 1 s ( f ) = 彳c o s ( 2 矾z + 缈( i l ) ) 式中： 烈f ) = 2 残l 【办( f ) 木口( r ) m 因此频率函数厂( f ) = 无+ 七。矗( f ) 木口( f ) 其中为调制灵敏度，由下式决定： m a x l 厅( _ ) 宰口( f ) i l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 二：= 一 ，o 4 2 4 2 八进制相位调制8 p s k ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 q p s k 是数字调相，即用基带信号对载波相位进行调制。在实际的传输系统中 多采用多进制数字相位调制以提高传输效率，多相调制具有较高的频谱利用率和 较强的抗干扰性。 8 p s k 即八相制【1 7 1 ，用8 种不同的相位来携带信息，3 比特调成一个符号，因 此与g m s k 相比，一个符号携带的信息从一个变成了三个，从而提高了比特率和 频谱利用率。8 p s k 调制的特点是8 个矢量端点均匀地分布在圆周上，其调制信 号表达式为： e ( f ) = j ( f ) 事c o s 鳞f 一9 ( f ) 宰s i n q ， = 、7 2 ( f ) + q 2 ( f ) 宰c o s ( 吐f + 皖)( 2 5 ) 式中： 幺：留一，争，扩丽：1 ( 2 - 6 ) 如果相邻相位间隔是p 讲时，星座图如图2 2 所示： 厂 、j 14 z 6 4 7 c 图2 28 p s k 调制星座图 2 5 本章小结 本章整理了g s m e d g e 通信系统基带部分的协议，分析了逻辑信道到物理信 道的映射以及e d g e 系统中用到的两种调制的过程。为下文的分析和实现打好理 论基础。 第三章g s m e d g e 基带解调算法设计 第三章g s m 印g e 基带解调算法设计 数字通信系统的调制是一个二次调制的过程，同样，对无线信号的解调，也 分为将数字频带信号转变成数字基带信号，再还原为数据比特流两个过程。本文 中，前者是由射频设备完成的，射频设备将去掉载波和经过低通滤波后的基带信 号输入解调器，这些信号受到了各种干扰和污染，选用合适的方法估计出传输信 道的模型，减小传输的影响，尽可能的恢复出原始信号，就是解调的过程。 3 1 1 信道估计与均衡 3 1g m s k 解调设计 广义的来说，均衡指任何用来削弱码间干扰技术的信号处理操作【1 羽。g s m 协 议并没有规定接收机中均衡器应采用哪种结构来实现，只要求能均衡的时延为 1 6 筇【1 9 1 ，在g s m e d g e 的通信系统中，语音和控制信号采用的都是g m s k 的调 制方式，因此选择合适的均衡和译码方式有着很实际的意义。 本文中g m s k 的解调选用维特比的译码和线性均衡技术相结合的方法。由于 维特比的译码属于一种概率译码方法，不仅考虑了码的结构，还考虑了信道特性， 具有很好的译码性能，因此选择线形的均衡技术可以满足性能的要求。 1 、信道估计 训练序列是发送端和接收端共知的序列，接收端在收到突发时，利用已知的 训练序列和接收端收到的训练序列的相关性估计出信道影响的近似值。 将本地已知的训练序列先调制，与接收到的序列中的训练序列进行相关运算， 利用该运算的结果估计出信道的影响。例如：去载波和低通滤波之后，给解调端 的是符号序列y ，选取其中训练比特所在的部分：y s t = y ( s 切r ts u b ：e n t s u b ) ，而 接收端存有的训练序列的调制数据为t s cg m s k ( 1 n 1 ) ，两者进行相关运算， c h a i le s tg m s k ( 1 1 ) = ye s t ( n ：n + n 1 ) 幸( t s cg m s k ) 。得到的结果如下图所示。一般 来说，不需要全部的2 6 比特的训练序列都参与到相关的运算中来，根据实际的情 况选取合适的n ，减少运算的系数并且满足性能的要求。由图3 1 中最高点开始左 右各取三个点，根据n 的大小对运算的结果作一个简单的平均运算，即可得到一 个七阶的近似的信道模型参数。 利用此信道模型对接收到的整个序列进行均衡，计算出v i t e r b i 译码所需要的 参数。 1 4 g s m e d g e 基带解调设计与实现 1 h c o 盯憎晤u o r a m s knbt m i n j n 口 | | _f | f z i ， f 。 图3 1 信道估计模型图 2 、信道均衡 利用估计出的信道模型对接收序列进行信道均衡。该均衡器相当于一个横 向滤波器，由一个带抽头的延时线构成，抽头的间隔为码元周期，每个抽头的延 时信号加权后输入到一个相加电路汇合后输出，形势与原理与一个f i r 滤波器相 同，如图3 2 所示。每个抽头的加权系数为信道估计出来的值，设输入序列为( ) ， 输出序列为( y n ) ，则有： = 彬以，胛= 2 ，2 ( 3 1 ) 3 1 2 t e r b i 译码 图3 2 信道均衡结构图 v i t e r b i 算法可视为在无记忆噪声中，使有限状态离散时间m a r k o v 过程的状态 序列后验概率最大化的一种求解方法，它是一种最大似然译码方法【2 0 1 。如前一节 所述，g s m 采用每帧中发射已知的训练序列来使信道的辨识变得可靠。然后用 v i t e r b i 均衡估计发射序列，也就是说，用于t e r b i 算法的与转移概率对应的距离 系数，由信道估计与均衡过程提供。 第三章g s m ，e d g e 基带解调算法设计 1 5 当传输序列为 i n ) ，观察区间m 很长时，最大似然函数讲y ( f ) ，f 肘| l 】的 对数与下式中的( 厶 ) 成正比： i1 2 - ，( ，。 ) = 一1 y ( ，) 一，。厅( f 一刀丁) i d ， 一一 i 西 2 = 一灿( f ) + 2r e 【：p ( ，) 厅( f - 力丁灿】 一 一 一 2 = 一抄酬d ，+ 2r e 【，：j 夕( f ) i i l + ( f 一刀2 1 渺】 ( 3 - 2 ) 一 一 其中莎9 ) 1 2 的积分与 厶 无关，可以省略，并将纯) 和 矗 代入上式有 五( 厶) ) = 2 r e ( e ，：1 ) 一e 厶毛一。 ( 3 3 ) n 一 历 以) 为信道均衡的输出， 矗 为信道自相关函数，可以通过信道估计值求得。 可见序列 ，；，) 包含了所有有关 l ) 的相关信息，因此是 厶) 的充分统计【2 l 】，遍历所 有可能的亿 输入组合，使度量最大的序列就是出现可能最大的序列，因此通过对 ，；，) 的线性处理就可以完成对发送符号 厶 的估计。 但是通常发送序列很长，计算所有可能的发送序列组合的以( 厶) ) ，选出最大 值所对应的序列的计算量是很大的，从实现上来讲是不可能的，因此需要找到一 种动态递归的方法来实现，用解卷积的v i t e r b i 算法来完成对亿) 的搜索。 这一搜索过程可以看作是离散时间有限状态系统的状态估计问题，这里信道 等效的看成具有l + 1 个抽头的线性滤波器，信道弥散长度为l ，即信道在任一时刻 的输出由当前及之前l 个最新的输入符号所决定。 在时刻k ，状态矢量为： = ( k 小k 彩，厶一工) ( 3 4 ) 如果符号集维数为m ，则系统共有膨个状态。因此该信道可以等效地用有 m l 个状态的网格图来描述。由于序列 厶) 和瓴) 是一一映射，最大似然序列估计 也可定义为搜寻序列瓴 ，使得以( 厶) ) 最大每个时刻的每个状态可能由前一时刻 的m 状态中的某一个转移而来，同样也可能转移到下一时刻m 状态中的某一个。 在网格图中，相邻时刻的状态称为分支( b r a n c h ) ，分支首尾相接构成转移路径 ( p a m ) 。每个分支都有自己的度量( m 嘶c ) ，路径的度量为组成路径的各分支的度量 和，量度越大，分支路径出现的可能性更大。具有最大量度的路径即是序列的最 佳估计。 式( 3 3 ) 的算法可以按照下式实现： ，( & ) = 以一( 瓯一1 ) + r d e ( 2 咯一而厶一2 l 以一。) 】 ( 3 - 5 ) 肿量一l 因为对于例 厶五= o ，所以上式可以表示为： 以( s t ) = 雩a x 以一i ( s t i ) + r e ，：( 2 一而厶一2 x 。，t 一，) 】 ( 3 6 ) 1 6 g s m e d g e 基带解调设计与实现 = 碑a x 以( 瓯) + 反( 瓯；& 一。) ， 恤一i 对于一个突发，只做一次信道估计，因此是固定的。把含有的项 ( r e 而厶】正好等于而) 从色( 瓯；& 一。) 中去除，则每一步的分支度量可以写为： 上 最( 瓯；叉一1 ) = 2 r e ( 儿一厶一，) 】 ( 3 - 7 ) 肘= l 这样就完成了维特比算法中分支度量的推导。在具体计算时，还可以省略系 数2 ，这样可以减少每个分支度量的乘法运算。 下面讨论t e r b i 译码的具体实现。 为了符合g