第3章 数据信号的传输

第3章数据信号的传输主要内容：数字基带信号码型数据信号的基带传输基带数据传输系统的主要技术数据信号的频带传输设计数字基带信号码型时应考虑以下原则（1）码型中应不含直流分量，而且高频分量尽可能少；（2）码型中应含有定时信息，以便于位定时的提取；（3）码型应具有一定检错能力和抗噪声能力；（4）码型在编码时对信息类型不应有任何限制，即能适用于信源变化。这种与信源的统计特性无关的性质称为对信源具有透明性。（5）码型产生与接收应该相对简单；（6）具有较小的或没有误码扩散，即码型不应出现或少出现由于单个误码引起一段译码发生错误，尽可能不使用前后码元的相关性；（7）编码和译码设备尽量简单。常用的数字基带信号码型二元码：幅度只有两种取值（0，1或者+1，-1）单极性不归零码单极性归零码双极性不归零码差分码曼彻斯特码差分曼彻斯特码传号反转码（CMI码）密勒码三元码：幅度有三种取值（+1，0，-1）双极性归零码传号交替反转码（AMI）三阶高密度双极性码（HDB3）基带信号码型三阶高密度双极码HDB3编码过程t1.00-1.001100001000000001t1.00-1.0t1.00-1.0AMI000VVVVB-VB00V-VV1-11-1111-1三阶高密度双极码HDB3解码过程01100001000000001-1.0t1.00找Vt1.00-1.0-V-VV找BB去掉VB-1.0t1.00整流二元码频谱三元码频谱：HDB3vsAMIAMI./HDB3频谱示意图基带数据传输系统组成数据信号的基带传输—传输系统各点波形码间串扰与消除码间串扰是由于前面的码元冲击响应累积到后面码元判决时刻，造成可能出现的误码。码间串扰的消除：主要是使判决时刻nTb前面码元冲击相应值为0。理想的基带传输系统具有理想低通特性，可以消除码间串扰。3-15式与图3-6。111010Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6TbTb2Tb3Tb4Tb扰码与解码原理S+m=G-G+m=S+m+m=San-1an-2an-3a1a0c1c2c3cn-1cn=1c0=1an-1an-2an-3a1a0c1c2c3cn-1输入序列cn=1c0=1S输出序列Gan-1an-2an-3a1a0c1c2c3cn-1cn=1c0=1an-1an-2an-3a1a0c1c2c3cn-1输入序列cn=1c0=1G输出序列Rm序列在dPMR中的应用FS2/CC24bitsCCHDATA41bitsCCHDATA41bitsCRC7bits48bits8bits8bits8bits8bits4bit8bits4bit8bits4bit72bitsafterInterleaveCCHDATA72bitsCCHDATA72bitsFS2/CC24bitsDATA288bitsreadFEC(12.8)ShortendHammingADDCRCdivideDATAxxbitsDATA288bitsDATA288bits384bitsScramble　X^9+X^5+1121216Interleave12x61224364860721132537496121426385062write频带传输系统组成调制器信道解调器噪声带通滤波器抽样判决器CP频带数据传输系统三种基本的数字调制方式幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)相移键控PSK(PhaseShiftKeying)基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。调制后的信号S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率、相位调制就是要使A、或随数字基带信号的变化而变化。ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1；FSK：用载波的两个不同频率表示0和1；PSK：用载波的起始相位的变化表示0和1。00110100010ASKFSKPSK三种常用的二进制调制技术多级调制方法1-单参量多级调制0111000+90º+180º+270º10数据率=信号速率×log2MM：调制级数+900010000+270011+1800104-PSK多级调制方法2–多参量多级调制16-QAM(正交振幅调制):使用振幅和相位的16种组合045º16-QAM的星座图90º180º270º135º315º225º其他常用窄带调制方式应用MSK：一般应用在25K/12.5K无线信道，速率1200/2400bps,例如MPT1327数字信令。GMSK：一般应用在25K无线信道，速率4.8K-64Kbps，用于窄带无线数据传输，典型应用GSM系统。4FSK：一般应用在12.5K/6.25K无线信道，速率4.8K-19.2Kbps，用于窄带无线数据传输，典型应用RD-LAP，DMR标准。π/4-DQPSK：一般应用在25K无线信道，典型用于TETRA数字集群36Kbps。QPSK的调制和解调常用的宽带调制技术直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）：典型应用在802.11b无线局域网协议中。从频率维度提高频谱利用率跳频扩频（FrequencyHoppingSpreadSpectrum，FHSS）:典型应用在蓝牙。从时间维度提高频谱利用率正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）技术：典型应用在802.11g，WiMAX。从多频率同时使用维度提高频谱利用率扩频(SpreadSpectrum)技术基本特征是：将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的伪随机码进行调制，使原有的数据信号的带宽被扩展，接收端进行向反的过程，进行解扩，增强了抗干扰的能力。其特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。在发端以扩频编码进行扩频调制，在收端以相关解调技术收信，这一过程使其具有诸多优良特性。直接序列扩频（DSSS）是在无线局域网Wi-Fi(802.11b)中使用的一种传输技术。用高速率的伪随机码（pseudo-randomcode(PRN)）序列与信息码序列模2加后的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号（通常使用BPSK调制方式），即将原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频率的低功率谱信号，以在无线通信领域获得令人满意的抗噪声干扰性能。DSSS的一些概念伪随机序列一般使用反馈移位寄存器产生，是有周期的，只是很长。选择PRN要考虑长度、相关性、正交性和比特平衡性。常用的PRN码：Barker,m-Sequence,Gold,Hadamard-Walsh。在发射前注入扩频序列，提高码速率的过程叫做扩频。相反的在接收端用去除扩频序列的过程叫做解扩。扩频提高后的速率与原始数据速率之比为扩频增益(处理增益)，通常10dB~60dB。通信双方必须使用相同的序列，就像一把钥匙开一把锁一样。伪随机序列具有良好的自相关特性，用来建立伪随机序列的同步，这个过程称作扩频捕获。DSSS调制频谱((sinx)/x)2DSSS的扩频与解扩DSSS的抗窄带干扰原理OriginalsignalSpreadsignalDecodedsignalDSSS的优点功率谱密度低，隐蔽性好，抗截获的能力强；功率污染小，以利于多种系统共存。直扩伪随机序列的伪随机性和密钥量使信息具有保密性，即系统本身具有加密的能力。利用直扩伪随机序列码型的正交性，可构成直接序列扩展频谱码分多址系统,相比频分体制需要保留保护带提高了频谱利用率。DSSS的优点抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力。较宽的频谱和相关接收，小部分频谱衰落不会使信号频谱产生严重的畸变，具有抗多径衰落的能力。频率固定，有利于较高层（例如MAC层）的设计。解扩过程要求的严格同步可以精确计算发射机、接收机之间信号延时，对应距离（应用在GPS中）。DSSS缺点和局限性由于占用带宽较大，因此在工作频段内信道较少，如果同类型设备在较近范围内工作会影响性能，所以多应用于较短距离高速数据通信。在直接扩展频谱系统的接收机存在明显的远近效应。所谓远近效应是指大功率的信号(近处的电台)抑制小功率信号(远端的电台)的现象。直接扩展频谱系统的处理增益受限于码片(chip)速率和信源的比特率，即码片速率的提高和信源比特率的下降都存在困难。处理增益受限，意味着抗干扰能力受限，多址能力受限。通常要使用高速的DSP、FPGA，进行处理，非常复杂。增益一般10-60dB。跳频扩频（FHSS）使用一系列窄信道，并在全部的系列信道中不断切换或者说跳动。一般信道数量几十个以上（取决于工作频带带宽），跳动频率从几十到上千。跳动根据预先制定好的图谱（hoppingpattern）循环。FHSS中载波在一个很宽的频带上按照伪随机码的定义从一个频率跳变到另一个频率。跳变速率由原始信息的数据速率决定，我们能够识别出快速跳频(FFHSS)和慢速跳频(LFHSS)。后者(最通用)允许几个连续的码元区间调制同一频率。另一方面，FFHSS是在每个码元区间内多次跳频。跳频信号的发射频谱同直接序列扩频有很大差别，包络的波形不是((sinx)/x)2，跳频输出在整个频带上是平坦的(如右图)。跳频信号的带宽是频率间隙的N倍，N是每个跳变信道的带宽。跳频系统的优点跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使跳频系统具有保密性；由于载波频率是跳变的，具有抗单频及部分带宽干扰的能力；利用载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，从而使系统具有抗多径衰落的能力；利用跳频图案的的正交性可构成跳频码分多址系统；跳频系统为瞬时窄带系统，能与现有的窄带系统兼容通信；跳频系统无明显的远近效应；跳频系统缺点和局限信号的隐蔽性差；跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限；快速跳频器的限制。DSSSvsFHSS抗强的定频干扰直扩抗干扰是通过相关解扩取得处理增益来达到抗干扰目的的，但超过了干扰容限的定频干扰将会导致直扩系统的通信中断或性能急剧恶化。而跳频系统是采用躲避的方法抗干扰，强的定频干扰只能干扰跳频系统的一个或几个频率，若跳频系统的频道数很大，则对系统性能的影响是不严重的。因此，在抗强的定频干扰上，跳频系统比直扩系统优越。抗衰落由于直扩系统的射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号频谱产生严重的畸变，而对跳频系统而言，频率选择性衰落将导致若干个频率受到影响，导致系统性能的恶化。抗多径干扰由于直扩系统采用伪随机码的相关解扩，只要多径时延大于一个伪随机码的切普宽度，这种多径就不能对直扩系统形成干扰，直扩系统甚至可以利用这些干扰能量来提高系统的性能。而跳频系统则不然，跳频系统要抗多径干扰，则要求每一跳的驻留时间很短，即要求快跳频，在多径信号没有到来之前接收机已开始接收下一跳信号。例如，多径时延为1μs，则跳，而对直扩系统而言，伪随机码速率大于1Mchip/s即可。从实现上看，实现伪随机码速率大于1Mchip/s的直扩系统比跳频速率1Mhop/s的跳频系统要容易得多。DSSSvsFHSS“远－近”效应“远－近”效应对直扩系统的影响很大，而对跳频系统的影响就小得多组网能力扩频技术本身就具有一种多址能力－SSMA，属于CDMA，直扩系统和跳频系统都具有很强的组网能力。在移动通信中，CDMA系统的频谱利用率是模拟蜂窝传输系统的频谱利用率的二十多倍，是第一代TDMA系统的六倍。直扩系统用不同的伪随机码可组成不同的网，跳频系统用不同的跳频图案组成不同的网。从频谱利用率上来看，直扩系统和跳频系统的频谱利用率比单频单信道系统还要高。就直扩和跳频系统而言，跳频系统的组网能力和频谱利用率略高于直扩系统。与窄带系统的兼容性直扩系统是一个宽带系统，虽然可与窄带系统电磁兼容，但不能与其建立通信。另外，对模拟信源（如话音）需作预先处理（如语音编码后），才可接入直扩系统。而对跳频系统而言，由于它是瞬时窄带系统，它易于与目前的窄带通信系统