TDSCDMA基带处理流程.ppt

TD SCDMA 基带处理流程,内容,信号处理技术发送方处理流程接收方处理流程及关键步骤和算法,信号处理技术,信号处理技术 数字通信系统,数字通信系统组成发送设备将信源产生的信息信号变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。还为了达到某些特殊要求进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码等传输媒介包括有线、无线，它必然引入干扰接收设备就是从带有干扰的信号中恢复出原始信息，并完成发送设备的反变换,信号处理技术 移动通信的信道环境,无线传播过程中，遇到的最主要问题有：,干扰,此外还有因传播频率的扩散而引起的多普勒效应等。,时延,0 2 3,+,发送信号,接收信号,抖动,无线传播特性,信号处理技术 移动通信的信道环境,信号处理技术 移动通信的信道环境,无线环境中的信号衰减分成三部分：幅度衰减较大的路径损耗伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分大尺度衰落，也被称为遮蔽。衰减幅度较小的快变化成分小尺度衰落，也被称为多径衰落。两类典型小尺度衰落包络分布的描述方法瑞利（Rayleigh）分布不存在视距传播，衰落很深。莱斯（Rician）分布存在视距主径，衰落较浅。,衰落,信号处理技术需要解决的问题,移动通信系统是工作在存在严重干扰、多径传播和具有多普勒效应的实际环境中。要实现可靠的通信，必须保证接收机能克服这些干扰和衰落，获得可靠的接收信号，这对CDMA系统来说更是至关重要的。提高无线资源利用率，无线资源包括频率、功率、时间、空间和特征码等满足业务环境的要求，提供不同QoS要求、不同速率的多媒体业务方法：差错控制（信道编码），交织编码，扩频，加扰，分集,技术的选用是围绕要克服的问题来进行的,多址接入方式纠错编码技术交织技术复用技术扩频技术分集技术,高速率、大容量无线传播中的干扰深衰落多媒体业务抗干扰提高系统容量,信号处理技术信道编码技术,差错控制方式：检错重发(ARQ),前向纠错（FEC），混合纠错（HEC）信道编码即差错控制编码，在发射端按一定规则引入冗余信息，从而使得即使空中传输引入了误码，也能利用冗余信息将此错误纠正（检测）回来的技术。差错控制编码可分为：检错码、纠错码、纠删码,CRC（循环冗余码）:检测能力强，编码及译码器简单 循环生成多项式，接收码 是否能被 整除，进行检错TD中用于数据块的检错，计算误块率（Bler）TD中CRC校验位长度可为24bit,16bit,12bit,8bit,0bit,生成多项式分别为,信号处理技术信道编码技术（CRC）,后发,信号处理技术信道编码技术（卷积码）,卷积码：在第三代移动通信系统中主要用于话音信道和控制信道，编码速率为1/2和1/3。卷积码特点：译码简单，时延小，一般采用维特比算法，信道误码率在103e，适合实时业务，如话音和视频业务的传送。,信号处理技术信道编码技术（Turbo码）,Turbo码在第三代移动通信系统中主要用于数据业务信道，编码速率为1/3，分组长度最大到5114比特，可以实现大分组，时延长的业务传送。TURBO码的特点：译码复杂，常采用LOGMAP算法，信道误码率可以达到106，非常适合对误码率敏感，而对时延不敏感的非实时分组业务，如WWW，FTP，EMAIL等多媒体业务传送。,信号处理技术交织技术,交织就是打乱原来的数据排列规则，按照一定顺序重新排列在移动通信系统中，为了减少突发干扰对连续数据造成的大面积差错，常采用交织来将突发干扰造成的连续差错化解为随机独立差错，使其适合于译码器的错误纠正。缺点：带来了附加的额外延时在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错,信号处理技术交织技术,交织器根据采用的技术不同，又可分为多种，如分组交织器、随机交织器、循环移位交织器、半随机交织器、奇偶交织器、非均匀交织器等。WCDMA与TD-SCDMA系统中采用了分组交织器（又称矩形交织器）和均匀交织器两种技术。分组交织器在第一次交织（帧间交织）和第二次交织（帧内交织）中用到，特点是方式简单、对短序列交织效果较好，但交织后码元的去相关不彻底。非均匀交织器在Turbo编码中用到，其特点是交织算法复杂，但去相关较彻底。,信号处理技术复用技术,复用技术是指将具有相同或不同QoS要求的业务复用到一个物理信道中进行传输的技术。由于业务种类及其QoS要求千变万化，但物理信道的能力只是有限的几个等级。如何在保证各种业务QoS要求的前提下高效地复用到一个物理信道中传输是复用算法首要考虑的问题。这就牵涉到速率匹配的问题，它是复用技术的核心之所在，同时还牵涉到信道编码方案等其它技术的选用问题。,信号处理技术扩频技术,扩频就是将信号的频谱展宽后进行传输的技术。其理论解释为Shannon定理：C=Wlog2(1+S/N),信号处理技术扩频技术,扩频通信示意图,信号处理技术扩频技术,扩频通信特点抗多径干扰（ISI）能力强抗窄带干扰保密性高低发射功率对其他通信系统和人体的影响较小易于实现大容量多址通信占用频带宽实现复杂在时变信道中实现同步较为困难,信号处理技术扩频技术,扩频方式直接扩频（DSSS）通过将伪噪声序列与基带脉冲数据相乘来扩展基带数据，其伪噪声序列由伪噪声生成器产生误码率受限于多址干扰和远近效应的影响用功率控制来克服远近效应，受限于功率检测的精度第三代移动通信系统中采用的是直接扩频方式跳频扩频（FHSS)数据以发射机的载波频率跳变的方式发送到表面上随机的信道中每个信道上，在发射机再次调频之前，数据用传统的窄带调制方式发送一些小的突发无远近效应的影响，因为多个用户不会同时使用同一频率,信号处理技术扩频技术,扩频序列作用 扩频，香农定理（即用频带换取信噪比）实现多址（地址码）特性 有尖锐的自相关特性（便于同步）尽可能小的互相关值（降低干扰）足够多的序列数（实现多址）扩频码CN（t）要求C1（t）,C2（t）,Ci（t）CN（t）,N越大越好，以容纳更多用户,信号处理技术扩频技术,它们之间的互相关函数 0（越小越好）（实际上0，因而形成用户间的干扰(MAI)）发送端容易产生接收端容易捕捉与同步产生，此为CDMA研究的一个重要方面,Walsh码,互相关性好，完全正交,0,最大长度线性反馈移位寄存器序列,m序列的产生,生成多项式为本原多项式,伪随机序列（一）：m序列,最大长度线性反馈移位寄存器序列,m序列的产生,生成多项式为本原多项式,自相关性好 互相关性不太好 频谱白 数量多,伪随机序列（二）：Gold序列,Gold序列的特性 自相关特性不如m序列 具有与m序列优选对一样的 互相关特性 序列长度为 N=2n-1 序列数为 N+2,Gold序列的产生 由m序列优选对构成,自相关性好 互相关性好 频谱白 数量多,信号处理技术加扰技术,加扰技术：将二进制数字信息先做“随机化”处理，变为伪随机序列减少连“0”（或连“1”）以保证定时恢复质量使数字传输系统对各种数字信息具有透明性使信号频谱弥散而保持稳恒，能改善自适应时域均衡等子系统的性能。,发送方处理流程,物理层基带信号发送方处理流程,首先为一个TTI内的每个传输块添加CRC校验以提高数据的检错性能。然后将这些传输块进行级连形成数据块。由于每种编码策略对编码块最大长度的限制不同，所以级连后的数据块应根据编码策略分割成多个编码块，这时可能需要在数据块前添加填充比特。如：一个TTI内有三个传输块，大小为245，采用8位CRC校验，则级连后数据块长度为（245+8）*3=759，后续采用1/2卷积编码，卷积编码块的最大长度为504，所以需要对此数据块进行分割，应分割成两个编码块，但759无法平分，所以需要在数据块的头部填充1个0比特。,为了提高信息在无线信道传输的可靠性，针对不同的传输业务对编码块进行不同策略的信道编码。一个TTI内所有经过编码后的编码块级连后作为一个数据包，将在后面同来自其它传输信道的数据包进行复用传输，而传输信道复用以10ms为周期，所以需要进行长度均衡，对数据包进行适当的填补（填补在后），以保证数据包能够分成具有相同长度的Fi（TTI/10）个数据段（Fi可为1，2，4，8 是10ms的倍数）。,物理层基带信号发送方处理流程,为了进一步提高数据在信道上的抗干扰能力，抵抗突发性误码，需对无线帧均衡后的数据包进行第一次交织。当TTI大于10ms时，经过第一次交织后的数据包将被分割成连续的的Fi个无线帧。为确保在传输信道复用后的总的比特率与所配置的物理信道承载能力一致，对各无线帧进行速率匹配。以10ms为周期，将来自不同传输信道的无线帧复用为一条或多条CCTrCH，然后进行bit扰码和第二次交织，再把CCTrCH进行子帧分割后映射到各时隙的各个物理信道上。对各物理信道上的数据进行调制，扩频、和加扰，然后形成Burst，再把Burst和DwPTS及UpPTS组成子帧，经脉冲成形滤波后发送给信道。,物理层基带信号发送方处理流程,传输块,码块编码前的编码块,编码后的编码块,数据块（一个TTI内的所有数据）,无线帧,每子帧上的各时隙数据,码道数据,复用成一个CCTrCH上的数据,接收方处理流程,物理层基带信号接收方处理流程,根据发送方的流程，接收方完全相反成形滤波，解扩解扰，解调，解物理信道映射信道译码接收方问题：接收的数据受到信道、器件和其它用户的干扰，需要从被污染的数据中提取出正确数据。同步，频率跟踪，信道估计，接收恢复，解调，译码,信道估计,TD-SCDMA系统的帧结构如图所示，可以看出，一个突发内包含2个数据段，一个midamble码和一个保护间隔，而midamble码的作用就是做信道估计。第k个用户的信道响应由下面的离散时间 脉冲冲击响应表征，并在一个突发内假定他是时不变的，W是用户信道响应窗长,第k个用户的midamble码由右式表示,其中L是用来做信道估计的惟一由midamble码确定的接收矢量长度在TD-SCDMA中，midamble码不经扩频，而是直接插入数据块中间经脉冲成形后由RF发送至接收端，所以第k个用户的midamble码通过信道后的接收矢量方程式如右,接收技术RAKE接收,RAKE接收：其接收原理就是使用相关接收机，对每个路径使用一个相关接收机，各相关接收机与同一期望（被接收的）信号的一个延迟形式（即期望信号的多径分量之一）相关，然后这些相关接收机的输出（称为齿耙状输出）根据它们的相对强度进行加权，并把加权后的各路输出相加，合成一个输出。加权系数的选择原则是使输出信噪比为最大。,优点：对抗衰落缺点：对多径引起ISI和MAI无法识别，只能将它们当作噪声处理，从而无法加以消除,接收技术CDMA系统的离散基带模型,K个用户的复数数据为：K=1K,n=1N扩频码为：,信道冲激响应为：所以用户k的合并信道冲激响应为:,由向量 b(k)所决定的系统矩阵A为:A=接收矩阵为：,矩阵A(k)的结构如图:,接收技术白化匹配滤波器(WMF),传统检测器假定加性噪声n就是AGWN,它仅包含一组匹配滤波器(MF)WMF实际就是在传统检测器之前加一个预白化滤波器,构成所谓的白化匹配滤波器.其连续值的估计为:,用WMF法进行数据检测,无法完全消除ISI和MAI.减弱了噪声功率（）,接收技术迫零线性块均衡器（ZF-BLE）,准则：其连续值的无偏估计为：当噪声n为AWGN时，其协方差矩阵满足:,显然,ZF-BLE算法可以完全消除ISI和MAI 相比于传统的匹配滤波器输出噪声功率，ZF-BLE将使噪声功率增强。但是当噪声功率很低（趋于零），MAI和ISI占主导地位时，ZF-BLE仍是最优的线性无偏检测器。,接收技术迫零线性块均衡器（ZF-BLE）,规则其连续值的估计为：当满足,的条件时,MMSE-BLE算法所得估计值为:,MMSE-BLE的性能依赖于干扰用户的功率，这降低了消除MAI（或抗远近效应）的能力。当噪声功率趋于零（高信噪比）时，MMSE-BLE等价于ZF-BLE，对于抗MAI及ISI是最优的.当噪声功率远高于信号功率（低信噪比），MMSE-BLE相当于传统的匹配滤波检测器，对抗噪声是最优的。,接收技术串行干扰消除（SIC）,采用串行的匹配滤波或相关检测,是个多级结构模型。第一级的所有用户,根据信号功率的大小进行排列。第一级的功能包括:由传统检测器输出功率最强的信号;对其进行硬判决;根据判决结果、该信号的扩频码、估计用户的幅度和相位信息得到该信号的时域估计值;从接收到的信号中减去该估计值,得到下一级的输入信号。后续各级重复以上步骤,在每级判决中消除当前最强的用户。SIC在性能上比传统的检测器有很大的提高,且电路实现也较容易。但是每次抵消都引入一定的处理时延,用户较多时通信质量显著下降。所以,在串行多用户检测(SIC)方案中,每个分组用户不能太多,一般取4 个用户。当接收信号的功率发生变化时,要对它们重新排序,使得系统不稳定。另外初始数据判决不可靠,则整个SIC 性能大为降低。,接收技术并行干扰消除（PIC）,为了克服SIC 检测器时延与重排序的问题,它与串行多用户检测在设计思路和结构上基本相似,也具有多级结构,同一级中各用户采用并行匹配滤波器或相关器检测,利用接收信号的初始值(或前级判决值)构造所有用户的干扰信号,然后再同时并行从接收信号中抵消掉所有用户的干扰。它在电路实现上比较复杂。,解调,解调即将接收到的调制信号恢复成bit数据（硬，软信息），为了同后续的信道译码配合，更好的发挥译码器的作用，解调后的数据通常是软信息。对数似然比（LLR）作为解调器的软信息输出。在时刻k，调制信号（QPSK，8PSK，16QAM，64QAM）用复平面上的实数对来表示，它是由n个比特映射得到的。解调器接收数据的同相支路和正交支路 和 可以表示为：（1）（2）其中 在瑞利衰落信道下是一个瑞利随机变量，在高斯白噪声信道下为1。和 是均值为0，方差为 的高斯噪声，且它们是相互独立的。,比特，的对数似然比LLR（Logarithm of Likelihood Ratio）定义为：使用贝叶斯准则，并且由于，上式得到：假设 为在星座图上 所映射点的集合，为在星座图上 所映射点的集合。将（1）（2）式代入得到：,对于特定的，和 是两个互不相关的高斯噪声，分别具有均值 和，方差。因此由上式可以得到：这里，在AWGN信道下，。,是接受信号 和星座图上的点 之间的欧式距离的平方 近似计算式,信道译码,卷积码译码：代数译码、概率译码概率译码：最大似然，在二维调制和软判决情况下，最小距离一般是指最小欧式距离，viterbi译码实质就是卷积码的最大似然译码。Turbo码译码：MAP，log-MAP,max-log-MAP,SOVA,