现代数字通信.pdf

-1-现代数字通信 一.通信系统的基本框图，每个框图写 2 行。1.信源编码：首先，信号一般经过 A/D 变换，将模拟信号采样量化变成数字信号，便于传输；其次，进行数据压缩，去除信源信号中的冗余成分，提高传输的有效性，提高效率。2.信道编码：信道编码通过增加冗余，提高传输的可靠性，具有检错和纠错功能（卷积码主要用于纠错，分组码用于检错）；与交织器共同对抗多径衰落 3交织器与解交织器：本身不具有纠错功能，只是将数据重新排列；交织器主要用于对抗突发错误，将突发错误在时间上打散开，使其变为随机错误；必须与纠错编码技术相结合，才能对抗移动衰落信道的不利影响；交织器采用了缓存技术，会引起时间上的延迟，需要增加延迟和存储空间。4.调制器 经典调制技术（幅度调制和相位调制）的功能主要是信号的频谱搬移，实现有效传输。在现代通信技术中，信号处理和集成电路技术的发展使频谱搬移与其他部分分离。调制器调制出的信号需要有较高的频谱效率、较低的误码率、较低的峰均比、较低的接收机复杂度或者能够对抗非线性带来的频谱扩散，抑制对相邻频带的干扰。经典调制技术延拓为空时编码、扩频调制和 OFDM 等。5.射频发射：对信号进行放大、滤波，经由天线发送出去 6.射频接收：对从天线接收的信号进行滤波、低噪声放大 7.解调器：经典调制技术中，解调器的主要作用是对接收信号进行频谱搬移，从射频搬移到基带。在现代通信技术中，解调器需要完成同步、信道估计、检测的任务，解码器能够工作在软判决状态，对抗信道衰落，提高误码率，以正确接收信号 9.信道解码：检测错误或纠正错误 10.信源解码：恢复出信源编码前的信息 二.移动通信信道的特点、缺陷，以及抵抗这些缺陷的措施（1）多径传输环境 信号到达接收机的传输时间不同，将导致时延扩展。时延差小于时间分辨率时，不可分辨的多径叠加，造成衰落。时延差较大时，会造成码间干扰或多址干扰（CDMA 系统中表现为 Chip间干扰）。（2）时变传输环境 a.终端的移动改变电波传输环境，造成多普勒频偏，反映了信道随时间变化的速率，信道传输函数为时变函数。-2-b.衰落快慢是相对于观察时间而言的，信道在一个码元时间内保持不变，则称为慢衰落，否则称为快衰落。一般均假设信道为慢衰落（把码元时间切得很短），对于 OFDM 系统，通常假设信道在一个 OFDM 符号内不变。（3）用户之间的相互干扰 a.由于每个用户不独占传输媒体和介质，需要动态分配资源，这就产生了同频干扰或多址干扰。b.CDMA 系统中各用户在频率上和时间上是重叠的。对抗措施：（要不要每种措施都具体解释一下？）（1）针对衰落的技术 a.分集接收技术：时间分集、频率分集、空间分集、发送分集以及接收分集，发送分集可以有效对抗单径慢衰落 b.纠错编码+交织技术 c.功率控制技术：克服远近效应，对抗慢衰落有效 d.智能天线技术，时空编码技术（与发送分集配合使用，对抗慢衰落）e.扩频、跳频与 OFDM 调制技术（2）针对时变信道的技术 a.把每个码元切得很短，对应的持续时间很短，就可以把系统近似成线性移不变系统，并且误差在容忍范围内。b.信道估计技术：通过导频信号进行信道估计，其他点上进行插值。从而估计出整个信道的参数，便于解调。（3）针对码间干扰的技术 1.自适应均衡技术，线性均衡器、DFE 均衡器、MLSE 均衡器、MAP 均衡器 2.线性均衡器实际上是逆滤波器，在抑制多径干扰的同时会放大噪声。3.DFE 均衡器（判决反馈均衡器）存在错误传播问题。判决反馈均衡器（DFE）是一种非线性均衡器。由前馈部分(由 FIR 滤波器组成)和反馈部分(由 IIR 滤波器组成)组成，前馈部分可以抵消在时间上超前的码间干扰和在时间上滞后的码间干扰(由中心抽头的位置决定),反馈部分可以抵消在时间上滞后的码间干扰。4.MLSE（最大似然序列估计）均衡器可以抑制错误传播，但不提升噪声，只能得到序列级信息，得不到码元级信息，因此提取码元级信息比较困难。5.MAP 均衡器在码元级判决与 MLSE 等价。（4）针对多址干扰的技术 多用户检测技术：MLSE 的应用 干扰抵消技术：判决反馈的应用，线性均衡器的思想用于解相关多用户检测器和 Chip 级均衡器。三第三代移动通信的特点-3-1.全球普及和全球无缝漫游的无线通信系统（在网络范围内实现无间断可移动，用户拥有唯一的号码，无固定连接，随时随地可作为主叫或被叫，多个用户可同时通信）2.支持多媒体业务和 Internet 业务 3.便于过度、演进 4.高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性 5.无一例外的都采用了 cdma 技术 6增强了对中高速率业务的支持（多媒体，Internet）7针对数据业务进行了优化，无论是传输技术还是控制协议支持分组业务，支持不同 QoS业务。8.使用新技术，如快速寻呼、发送分集、前向闭环功率控制、Turbo 码、新型语音处理器、话音激活 9.容量大、质量高、支持复杂业务 码分多址在正反信道如何实现多址？多址干扰在什么情况下发生？在前向链路（下行，正）通过正交码，反向链路（上行）采用不同相位的 PN 码实现多址。四3.5G 采用哪些技术提高信道容量 1.采用短帧结构和HARQ减少传输延时,提高容量 2.支持高阶调制和 AMC（16QAM 调制，AMC（自适应调制与编码）1.用户根据自身信道条件，选择合适的调制编码；2.需要支持多种解调器，接收机复杂度高；3.需要反向控制信道和精确的信道估计技术）3.前向链路采用速率控制代替功率控制，减少功率波动 4.采用 TDM 技术，用户间多址技术部分采用 TDMA 和 CDMA 相结合 5.正反向采用多码道传输 6.按用户信道特征选择合适的传输方式，以提高系统容量。五.LTE 基带传输用了哪些关键技术？（7 项，暂时只找到 5 个，可能记错了）每个关键技术写 23 行字，说说优缺点 1.OFDM 技术（OFDMA）1.通过并行信道和循环前缀避免色散信道引起的 ISI 2.OFDM 抵抗频率选择性衰落 3.采用 FFT 技术便于实现。4.OFDMA 多址方式 优点：采用正交重叠的子载波，频谱利用率高；方便采用 IFFT/FFT 实现；能有效对抗信道时延扩展造成的码间干扰；有效对抗多径衰落；不同子载波可用不同调制方式，可以逼近信-4-道容量；可有效对抗窄带干扰 缺点：调制信号的峰均比大；对频偏和本振的相位噪声敏感；不适用于上行信道多用户的应用；引入保护间隔降低了有效发射功率，导致容量下降；大多频勒频偏下存在 ICI 使用困难 2.MIMO 1.挖掘空间信道容量 2.有效抵抗单径慢衰落场景 3.提高边缘覆盖区传输速率，支持软切换 4.支持波束形成减少邻区干扰 缺点：发射机和接收机的复杂度加大 MIMO 模式：发送分集、空分复用、闭环波束形成、多用户 MIMO 3.自适应编码调制 AMC 1.支持高达 64QAM 的高阶调制 2.支持多种编码码率和码长 3.在信道条件好的时候提高传输速率或减小发送功率，在信道条件差的时候降低速率或增大功率。（实际系统中，传输速率调整代替发送功率调整）优点：可以增强传输的可靠性并能提高频带利用率。（提高平均吞吐量，降低所需的发射功率或降低平均误码率。）缺点：要求发送端和接收端之间存在反馈通路，这在某些系统中是不大可能的；如果信道变化的速度快于信道估计及反馈的速度，自适应技术的性能将会很差；对接收机和发射机的硬件要求很高 4.多用户分集技术 1.用户间采用 OFDMA 的多用户分集 2.用户间采用 SDMA(多天线支持的）多用户分集 优点：多用户分集通过利用不同用户的信道特性来增加快衰落信道下的系统总吞吐量，在更高层次上利用信道特性 MU-MIMO 是将多用户技术和多天线技术相结合，充分利用多个用户之间信道相关性小的特点，进一步挖掘多天线的潜力，增加系统总通过率（容量）缺点：需要有足够多的候选用户；需要知道所有用户的信道信息；需要良好的，计算复杂度低的资源管理与调度算法。5.H-ARQ 1.支持独立解码的递增冗余 HARQ 2.采用多进程控制的 HARQ(SW)优点：既可以减少自动重传的平均次数、降低包数据的传输时延，同时也能够减少每次传输过程中信道编码的冗余信息量，提高编码速率。-5-缺点：需要在物理层实现存储、解码和重传调度 六发射机预失真技术（干什么用的？目的？什么情况下使用？）非线性功放通过预失真可以看成线性功放。由于非线性功放实现简单，在信号进入非线性功放之前，人为的加入一个特性与之恰好相反的系统，进行相互补偿矫正，使得系统整体可以看成一个线性功放。这样发射机功放的线性范围就可以做的很大。七HARQ 物理层 HARQ 和 L2 层 HARQ 的区别 -6-物理层 HARQ 采用 stop-waitARQ，发送端每发出一帧数据后，等待接收端的确认，只有收到ACK 时，才继续发送下一帧，如果收到 NACK，则进行重发。采用多进程提高焦虑 两种典型用法：最大比合并，重复发收错的数据，chase combining Code combining 递增冗余 比较短的帧 接收端需要缓存 LTE 中的 HARQ 技术：采用递增冗余的方法，每一次传送带打孔后的编码数据可以独立解码。考虑到 2 次传输的占总传输比例较大，第 2 次重传后已构成低于 1/2 码率接近 1/3 码率的纠错码。后续重传补充1/3 码率所需纠错位，剩余的是重复传输。采用 ARQ 技术的原因：传输过程中，由于干扰和信道不完善导致传输错误 高速数据业务对误码率要求比较高 与 FEC 相比实现简单，可获得很高的系统可靠性 缺点：需要 Back Channel，时延大 HARQ 技术（Hybrid ARQ）HARQ-I 型：直接将 ARQ 与 FEC 技术结合，FEC 纠错能力大大减少了重发的次数。ARQ 在协议层，FEC 在物理层。HARQ-II 型：系统根据信道当前的具体情况，自适应调整码速率；错帧不被丢弃，而是存储在接收端，并与重发的帧合并起来形成更可靠的数据帧。H-ARQ II 型（具体展开）1.纠错位重传，第一次发送检错位，如果传输不成功，则再把剩下的纠错位发送过去，这就变成了 H-ARQ II 型 2.合并技术：分集合并和码字合并（软判决算法）3.递增冗余：通过递增发送码字的冗余度，以增大正确译码的概率，从而增加数据的吞吐量 4.自适应递增冗余：因为移动通信信道是时变信道，比特错误情况随信噪比等因素的变化而变化，所以应采用自适应的编码速率以适配信道条件 5.链路自适应：自适应调制与自适应编码提供一种链路自适应方法，CDMA 系统的快速功率控制就是一种链路自适应方法。H-ARQ III 型 1.基于 CPC（互补的打孔卷积码）的混合 III 型 ARQ-7-2.每个已发分组与重发分组都能进行自解码 （笼统的说）HARQ 技术充分利用前向纠错和自动重传请求的优点，提高数据传输的可靠性和系统吞吐量。HARQ 基于信道条件提供精确的编码速率调节，自动适应瞬时信道变化，且对时延和误差不敏感。采用 HARQ 技术既可以减少自动重传的平均次数、降低包数据的传输时延，同时也能够减少每次传输过程中信道编码的冗余信息量，提高编码速率。LTE 中的 HARQ 支持独立解码的递增冗余 HARQ 采用多进程控制的 HARQ 每一次传送带打孔后的编码数据都可以独立解码（还有一些没来得及记）八同步 位同步、帧同步的特点 同步技术，可分为四类：载波同步、位同步、帧同步、群同步 载波同步 1.早期的通信系统要求接收机精确恢复载波频率和相位，以实现相干解调，一般用锁相环实现 2.采用频率合成计技术，产生一个与发送端误差较小的载波（不需要同频同相），该频率合成计由基带的频偏估计器提供的误差信号降低频偏。3.残余频偏和终端移动造成的多普勒频偏由信道估计器估计出后，通过数字方法加以校正。位同步（定时同步）1.早期的通信系统位同步采用锁相环实现 2.移动通信系统的采样时钟同样采用频率合成计技术，与载波发生器锁在同一个参考源上，当载波误差符合系统要求。定时误差已满足系统需求 3.位同步和载波同步不同，不仅采样频率要准确，还寻找最佳采样时刻，单载波移动通信系统，目前大多通过采用过采样信号信道估计，选取最大信干比点实现采样时刻选取的。帧同步 1.早期的有线通信系统采用帧同步字实现帧同步的。2.移动通信系统采用的是较为复杂的多步复合方式实现帧同步的。其中包含了载波能量搜索，载波频率校正，时隙同步，位同步等。3.不同的系统采用的帧同步方式不同，最终都是采用广播信息接收正确来最终确定帧同步是否完成的。4.由于采样时钟存在误差，帧同步随着时间会漂移，所以必须采用跟踪技术确保帧同步。同-8-步跟踪也可以看成是位同步。数字蜂窝移动通信系统的同步 1.移动通信系统的同步分为上行同步和下行同步。2.考虑到通信质量，小区切换及宏分集等因素，移动通信系统是一个以基站为基准的同步（或准同步）通信系统。3.移动终端的载波和定时均锁定在所在小区的基站的载波和定时上。4.下行同步一般通过基站发出的同步信道，导频信号和训练序列来实现。5.上行同步基站只是在一定的时延和频差范围内完成信道估计和信号的接收，不调整基站频率和定时。某些时候通过信令调整移动台发射定时。移动终端的初始同步 1.移动终端的初始同步一般分为三步。（1）系统频点搜索。通过性能良好的训练序列或导频，接收机相关接收判断系统是否工作在此频点。（2）时隙同步或子帧同步（同时开始频率定时校正）（3）帧同步：移动终端建立系统帧定时。帧同步是否建立是以系统广播的同步信道信道信息是否接收正确为依据。不同系统采用不同策略实现同步，但一般导频的设立不仅仅用于同步，还要辅助参数测量和信道估计。实际系统的同步，详见课件 九通信系统的重要指标，用处 为什么在第二代移动通信系统中采用误帧率，而在 LTE 中采用通过率？2G、3G 误帧率为 10-210-3，到 LTE 变成 10-1？（1）信噪（干）比：通常既是评价指标又是参数，在标准中常定义在接受天线的输入端口，最常用的是 Eb/N0。一般在接受滤波器之后做信噪比的统计。（2）通过率：单位时间内系统传输的正确的包包含的 bit 数。LTE 中采用通过率作为指标是因为在使用了 HARQ 技术，降低了误帧率，但由于 HARQ 需要多次重传，耗费更多的时间，因此采用单位时间内正确传输的 bit 数，即通过率更能正确反映系统的传输性能。（3）误帧率 FER：解码后的有误码的帧数占总帧数的比例。误比特率，误码率，误帧率或误块率，BER、SER、FER 之间成一定比例关系，在不同信干比、不同帧长度下有差别，BER与 FER 一般成正比，而 BER 与 SER 不一定成比例。（4）均方误差：通常作为均衡器和信道估计器的评价指标。均方误差通常会作为以个中间指标，与误帧率和误比特率相比，它可以从少量的样本点迅速的看出性能。（4）平稳度指标：如定时精度、频率稳定度等等（5）接入成功率（时隙 ALOHA），捕获概率，虚警概率-9-（6）接受灵敏度，接收机动态范围，最大发射功率，干扰抑制，带外杂散（滤波器带外特性），峰均比。接收灵敏度不仅取决于前段噪声，而且和后端接受技术有关，是整机指标；最大发射功率是指线性功放的最大发射功率。（7）算法复杂度，计算资源与存储资源占用（性价比），硬件实现的可并行度。（8）收敛速度（自适应算法），鲁棒性，系统容量、Qos（误帧率，延时，抖动，掉话率等）十.谈谈通信系统仿真中的注意事项、注意问题结合自己的经验（45 句）注意事项：（1）过采样和噪声滤波器。过采样时，噪声谱不再是平的，所以不能直接加白噪声，而应让白噪声通过接收端的升余弦滤波器（2）仿真时不仅要有荧光屏输出结果，还要有 file 文件每隔一段时间输出一次，保存中间结果。（3）要有良好的测试向量与测试序列，编程的时候，要把测试口、测试的量都保留。（4）仿真矫正：与理论计算曲线比，与文献中他人的结果、曲线比，从 AWGN 信道过渡到多径信道，从已知信道过渡到估计的信道，借助于通信仿真软件和辅助工具进行校正。（5）定点化时，对某一个中间量进行饱和截取时，可以把 FER 的中间结果输出，先通过比较前 30 个 FER 的中间结果来大致确定饱和截取的位数范围，然后再跑足够多的帧来完全确定具体的位数。=下面是以前的题目吧，就不删了=四.纠错编码，LDPC 码的优缺，与其他编码如 Turbo 码等对比，LDPC 码的解码算法的优缺点 LDPC 码的优点：（1）纠错性能优越，无 Turbo 码在高信噪比、低误码率（-6-71010）时的“盆底效应”（error floor）（2）高码率时性能优越（编码效率高、冗余少）（3）利于并行实现编解码器，利于高速数据传输，且便于 ASIC 设计 要设计卷积码和 Turbo 码的高速并行解码结构，需采用串/并转换+overlap（4）即便采用硬判决算法也能取得不错的纠错性能（5）通过校验式可知解码是否成功，或是否存在不可纠的错误，有些应用中不必另外加入CRC，对解码动态终止或误帧统计十分方便。（6）可望用于光通信、卫星通信系统等很多领域，目前已经在数字电视、深空通信等通信系统有应用（7）在知识产权上和专利上不再有麻烦 缺点：（1）硬件资源需求比较大，全并行的译码结构对计算单元和存储单元的需求都很大-10-（2）编码比较复杂，更好的编码算法还有待研究。同时，由于需要在码长比较长的情况下才能充分体现性能上的优势，所以编码时延比较大（3）相对而言出现比较晚，工业界支持还不够（4）Turbo 码在误码率为-2-61010区间接近香农限，正好适合移动通信，且打孔后误帧率呈连续变化，而 LDPC 码对不同的速率有不同的最优生成矩阵，误帧率不能做到连续变化。因此，在移动通信中，Turbo 码更有优势。LDPC 码的主要解码方法（1）BF（比特翻转）算法硬件实现简单，适合列重较重的 LDPC 码。但是性能较差（2）WBF（加权比特翻转）BF 算法的改进，性能接近软判决算法。但是复杂度高（3）BP 当 Tanner 图满足渐进无圈，BP 算法等效 MAP 译码 迭代译码算法，可以实现并行高速译码 自检错能力能力较强，error floor 较低 缺点是复杂度高（4）MS BP 算法的简化 Tanner 图上的短圈对其性能影响较小 性能略差于 BP，但是复杂度低，硬件可实现（5）OSD+BP 性能最好，复杂度最高 八.评判调制方式的各项指标以及给定调制方式说明其优缺点。最重要的 2 个指标：（1）有效性：频带利用率。比如高阶调制频带利用率高（2）可靠性：误码率。同样的 SNR，高阶调制的误码率要比低阶调制高得多 其他一些指标：复杂度 抗功放非线性（比如 PAPR 大小；恒包络调制的优点，主瓣能量集中）调制方式是否与信道匹配：这样方便接收机的设计 64-QAM：传输效率高，抗噪声性能一般，峰均比较高，接收机复杂度较高。GMSK：对抗功放非线性带来的频谱扩散，抑制对相邻频带的干扰，具有很好的抗功率非线性和较高的误码性能.忽略此处.