数字集群关键技术

第四讲 数字集群通信系统基本技术

数字集群移动通信系统体现了当前移动通信技术的最新水平，与模拟系统相比 ，具有如下优点： 容量大，频谱利用率高； 通信质量好； 业务种类多； 易于保密； 用户设备小巧轻便； 便于与ISDN、PSTN、PDN等网络互联。 根据CCIR的建议，需要研究的数字技术主要有如下六方面： 数字无线调制与解调； 数字话音编码； 多址技术； 信道编码和数字信号处理； 数字控制信道和数据信道； 保密和鉴权。 从理论上说，数字集群基本技术与数字蜂窝移动通信系统没有本质的区别，但是数字集群通信系统有其自己的特点。典型的数字集群MOTOROLA的iDEN系统采用TDMA技术，在 每载波25kHz的宽度下，可传六路话音。众所周知，现在的GSM系统每载波200kHz，可传八路话音。iDEN系统有如此之高的频谱利用率是基于数字调制技术M－16QAM(Multiple－16Point Quadrative Amplitude Modulation)16点阵正交调幅和话音编码技术VSELP(VectorSum Excited LinearPrediction)向量和激励线性预测编码技术。 在不使用均衡器的情况下，M－16QAM可在25kHz信道中以64kbps的速率传递信号。而VSELP，把话音编码的速率降至4.8kbps，加上2.6kbps的前向纠错，使每路信道的比特率降至了7.4kbps，以实现每25kHz信道传送六路话音。另外，在网同步方面，iDEN系统还引入了GPS(GlobalPosition system)作为全网统一的时间标准，从而省去了昂贵的艳原子钟，这也是iDEN系统的一大特点。 本讲重点地介绍三种技术，并结合集群用户的需要与集群系统的发展趋势，引入加密技术。 4.1 调制技术 在移动通信中，频率利用率一直是一个关键问题。如果不考虑小区分裂，也就是说在不增加基站设备的前提下，为了使每信道能负载更多的用户，就必须从两方面着手： 其一，采用更先进的调制技术，提高频谱利用率； 其二，采用码率更低的语音编码技术，使一定的调制码速率能传输更多路话音。 本节将介绍频率利用率很高的正交振幅调制QAM(QuandratiVe Amplitude Modulation)，用M－16QAM(Multiple—16Point Quan山ative Amplitude Modulation)16点阵正交调幅，可实现在25kHz信道中传64kbit／s，其频谱利用率高达2.56bit／Hz·S。 4.1.1 正交振幅原理 正交振幅调制的一般表达式为： Y(t)＝Amcoswt十Bmsinwt，0＜t＜T ............. (1) 上式由两个相互正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅{Am }、{Bm}所调制，故称这种调制方式为正交振幅调制。 式中，T为码元宽度，m＝1，2…M； M为Am和Bm的电平数。 QAM中的振幅Am和Bm可以表示成 …………(2) 式中A是固定的振幅，(dm，em)由输人数据确定，(dm，em)决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。 QAM的调制和相干解调如图4.1所示。 图4.1 QAM信号调制解调   在调制端，输入数据经串并转换分为两路，分别经过从2电平到L电平的转换，形成Am和Bm, 为了抑制已调信号的带外辐射，Am 和Bm还要经过预调制低通滤波器，才与载波相乘，最后将两路信号相加可得到已调输出信号Y(t)。 在接收端，输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波、多电平判决、L电平到2电平转换，再经过并串变换就得到输出数据。QAM的另一种解调电路如图4.2所示。 图4.2 另一种QAM解调 在该解调电路中，接收信号与本地恢复的载波相乘后，再经过积分抽样后就可以得到解调信号{Am,Bm}的估值（d,e),然后经过计算(d,e)与所有可能发送的信号点(Am,Bm)之间的距离，与（d, e)距离最小的信号即为判决后得到的最佳输出信号点。由于解调QAM信号时，可以采用计算接收信号与发送点的距离来判决，所以信号点之间的最小距离应该尽可能地大些，以便于判决，但是，信号最小距离的平方与发射信号功率成正比，由于发射功率的限制，也就限制了信号点间距离的增长。 那么选择什么样的信号点分布对移动通信更有利呢？ 现在以M＝16为例，当信号点之间距离为2A的情况下，平均发射功率为： 两种具有代表意义的信号空间分布如图4.3所示。在图4.3(a)中，信号点的分布成方型，称之为方型或标准AQM；在图4.3(b)中，信号点的分布成星型，称之为星型QAM。 图4.3 16QAM信号空间分布 求得这两种形式的信号功率为： 方型 QAM Par = A2/16(4x2 + 8x10 +4x8) = 10A2 星型 QAM Par =A2/16(8x2.612 +8x4.612) = 14.03A2 由此可见，在信号最小空间距离为2A的情况下，两者功率相差1.4dB，似乎方型QAM要优于星型QAM。在实际系统中应用的却是星型QAM。 这是为什么呢？如果不单单从发射功率的角度去看差别，而去观察二者的星座图，就发现二者的星座图结构有明显的差别，这也正是星型QAM优于方型QAM的两个方面，一是星型QAM只有两个振幅值，而方型有三种振幅值；二是星型QAM只有8种相位，而方型QAM有12种相位。 4.1.2 16进制星型QAM(16-level Star QAM) 在移动通信中实际应用的是16进制星型QAM，如图4.4所示。 图4.4 实际应用的星形16QAM信号空间分布 16进制星型QAM的每个码元由四个比特组成，每个码元的第一个比特，通过差分的方式来改变QAM相量的振幅。当输入的该比特为“l”时，则将当前码元的相量振幅，改变到与前一个码元的相量振幅不同的振幅环上；当输入的该比特为0时，则当前码元的相量振幅与前一码元相同，每个码元的其余三比特，通过Gray差分相位编码的方法来改变信号的相位，也就是说，通过Gray编码来改变当前码元信号相量与前一个码元信号相量的相位差。 例如，若输入为“000”，则当前码元的信号相位与前一个码元信号相位相同。当输入为001时，则当前码元的相位，在前一个码元信号相位的基础上增加p/4，输入数据与相位差的关系如表4.1所示。 表4.1 输入数据 当前码元的相位增量 0 0 1 p/4 11 p/2 111 3p/4 101 p 100 5p/4 110 3p/2 10 7p/4 设图4.4中，内环上8个相量的振幅为Al，外环上8个相量的振幅为A2。设在第K－1个码元取样时刻接收信号的振幅样值为ZK-1，相位样值为qK-1，则解调器需根据ZK-1和ZK来判定信号振幅是否发生了很大变化，以便确定当前码元的第一个比特是否为“1”。 4.2 语音编码技术 4.2.1 概述 语音编码为信源编码，其目的是为了把模拟语音转变为数字信号以便在信道中传输，语音编码技术在移动通信系统中与调制技术直接决定了系统的频谱利用率。在移动通信中，节省频谱是至关重要的，移动通信中对语音编码技术的研究目的是在保证一定的话音质量的前提下，尽可能地降低语音码的比特率。 语音编码技术通常分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。 脉冲编码调制PCM和增量调制AM是波形编码的代表，波形编码直接对模拟语音取样、量化，并用代码表示。波形编码的比特率一般在16kbit／s至64kbit／s之间，它有较好的话音质量与成熟的技术实现方法。 参量编码又称声源编码，它是以发音机制的模型作为基础，用一套模拟声带频谱特性的滤波器系数和若干声源参数来描述这个模型，在发送端从模拟语音信号中提取各个特征参量并进行量化编码。这种编码的特点是语音编码速率较低，基本上在2kbit／s---4.8kbit／s之间，语音的可懂度较好，但有明显的失真。 混合编码是近年来提出的一类新的语音编码技术，它将波形编码和参量编码结合起来，力 图保持波形编码话音的高质量与参量编码话码的低速率。混合编码数字语音信号中既包括若 干语音特征参量又包括部分波形编码信息。其比特率一般在4kbit/s---16kbit/s。 那么，什么样的语音编码技术适用于无线移动通信呢? 这主要取决于无线移动信道的条件。由于频率资源十分有限，所以要求编码信号的速率较低，由于移动信道的传播条件恶劣，因而编码算法应有较好的抗误码能力。另外，从用户的角度出发，还应有较好的语音质量和较短的时延。归纳起来，移动通信对数字语音编码的要求如下： 速率较低，纯编码速率应低于16kbit／S； 在一定编码速率下音质应尽可能高； 编码时延应较短，控制在几十毫秒以内； 在强噪声环境中，算法应具有较好的抗误码性能，以保持较好的话音质量； 算法复杂程度适中，易于大规模集成。 GSM所用的语音编码是(RPE—LTP)，规则码激励长期预测编码就是一种混合编码技术，其纯码速率为13kbit／S，语音质量MOS得分可达4.0。 本节将介绍一种更新的语音编码技术一向量和激励线性预测编码VSELP(Vector Sum Excited Linear Prediction)，它是美国数字蜂窝所使用的语音编码技术，其纯码速率为4.8kbit／S，语音质量MOS得分可达3.5。 4.2.2 矢量和激励线性预测编码 矢量和激励线性预测编码(VSELP)属于通称为码激励线性预测(CELP)的编码类型(也 称为矢量激励或随机激励)。VSELP语音编码器可以利用合理的计算复杂性达到最高的可能的语音质量，同时提供给信道误差韧性，这些目标对于远程通信应用中的公认的低数据率(4.8 --- 8kpbs)语音编码至关重要。 VSELP语音编码器通过有效利用构造的激励码本达到上述目标，这种结构的激励码本降低了计算的复杂性并提高了对信道误差的韧性，两个VSELP激励码本便可以达到上述性能，同时也使用了可以达到高编码效率的新型增益量化器，并且具有对信道误差的韧性。新型的适应前／后置滤波器的设计提高了重建的语音质量。 本节针对8kbps和4.8kbps两个VSELP编码器的实例展开。 图4.5是VSELP语音的解码器的方框图。VSELP codec总共利用三个激励源，其一来自长项(节距)预测状态或适应性码本；其余的源来自VSELP激励码本之一或之二。 对于8kbps编码器采用两个VSELP码本，每个码本包含的信息量相当于128个矢量；而4.8kbps的编码器仅利用一个VSELP码本，包含相当于2048个矢量的信息量。这两个或三个激励源与它们相应的增益相乘，并求和以出组合的激励序列ex(n)，处理完每一子帧后，ex(n)用于更新长项滤波器状态，合成滤波器是直接十阶全极点滤波器，LPC系数每20ms帧编码一次，通过内插(对8kbps系统)每5ms子帧更新一次，激励参数每子帧内也更新。 4.8kbps系统利用帧长为30ms，子帧长为7.5ms，子帧内一采样数分别为：8kpbs为40，4.8kpbs为60，采样率为8kHz。节距(pitch)前置滤波器和频谱后置滤波器用于提高重建的语音质量。 图4.5 VSELP语音解码器 表4.2和表4.3表示8kbps和4.8kbps的VSEIP编码器的字段分配。十个LPC系数利用反射系数的标量量化编码；表示每帧平均语音能量的Sq也每帧编码一次；激励增益作矢量量化，对于8kbps系统为每子帧8bit(GS-P0-Pl代码)，而对于4.8kbps系数为7位(Gs-P。代码)。 表4.3 8kbps编码器的字段分配 参数 bit/5ms子帧 bit/20ms帧 LPC参数 38 能量－Sq 5 激励代码－I、H 7＋7 56 滞后－L 7 28 Gs-P0-P1代码 8 32 保留 1 总和 29 160 表4.4 4.8kbps编码器的字段分配 参数 bit/7.5ms子帧 bit/30ms帧 LPC参数 38 能量－Sq 5 激励代码－I 11 44 滞后－L 7 28 Gs-P0代码 7 28 保留 1 总和 25 144 4.3 同步技术 同步和定时是TDMA移动通信系统正常工作的前提。因为通信双方只允许在规定的时隙 中发送信号和接收信号，因而必须在严格的帧同步、时隙同步和比特位同步的条件下进行工作。 位同步是接收机正确解调的基础。在移动通信系统中，用于传输位同步信息的方法有两种： 一种是用专门的信道传输; 另一种是插入话务信道中传输。 比如在每一个时隙的前面发送一段0、1交替的信号作为位同步信息。此外，在有些通信系统中，位同步信息是从其数字信号中提取的，用这种方法可以不再发送专门的位同步信息，但考虑到TDMA通信系统是按时隙以猝发方式传输信号的，为了迅速、准确而可靠地获得位同步信息，不宜采用这种方法。 由于信号在移动环境中传输时，经常受到干犹，噪声和多径衰落的影响，因而接收机在提取同步信息时，必须采取措施以减少由于干扰、噪声、衰落或误码引起的相位抖动，同时还要通过保护电路进行保护，防止因为偶然的原因使接收机失步，引起通信中断。 帧同步和时隙同步所采用的方法一样，如果需要，可以在每帧和每时隙的前面分别设置一个同步码作为同步信息。 同步码的选择是在帧长度确定之后，根据信道条件和对同步的要求而确定的。对帧同步和时隙同步的要求是建立时间短、误捕获概率小、同步保持时间长和失步概率小。从提高传输效率出发，希望同步码短一些，从同步的可靠性和抗干扰能力考虑，希望同步码长一些。对同步码的码型选择，应使之具有良好的相关特性，不易被信息流中的随机比特所混淆而出现假同步。 网同步(或称系统定时)是TDMA移动通信系统中的关键问题。只有全网有统一的时间基准，才能保证整个系统有条不紊地进行信息的传输、处理和交换，协调一致地对全网设备进行管理、控制和操作。 就同步而言，可以保证各基站和移动台迅速地进入同步状态，也不会因为定时误差随对积累引起失步。系统定时可以采用不向的方法。在移动通信系统中常用的是主从同步法，即系统所有设备的时钟均直接或间接地从属于某一个主时钟的信息。主时钟通常有很高的精度，其信息以方播的方式送给全网的许多设备，或者以分层的方式逐层地送给全网的许多设备，各设备从接收到的时钟信号中提取定时信息，或者说锁定到主时钟上在移动通信系统中也用到独立时钟同步法，其办法是在网中各设备内均设置高精度的时钟，只要根据某一标准时钟进行一次时差校正后，在很长的时间内，时钟不发生明显的漂移，从而得到准确定时，这种办法通常要求各设备采用稳定度很高的石英振荡器来产生定时信号。这对于移动台尤其是小型手持机而言，无论从价格方面或者从体积、重量方面考虑都不合适。而通信网中的基站和其它大型设施采用这种方法还是可以的。 4.3.1 帧同步 帧同步的概念比较简单，但又十分重要，在一般的移动通信系统中采用集中插入同步法，集中插入方式的帧同步码，要求在接收端进行同步识别时出现伪同步的可能性尽量小，并要求此码组具有尖锐的自相关函数，以便识别。另外，识别器也要尽量简单，目前用得最广泛的是性能良好的“巴克码”(Barker)。 巴克码是一种具有特殊规律的二进制码组。它是一个非周期序列，一个n位的巴克码{X1，X2，X3，···Xn。)，每个码元只可能取值十1或一1，它的局部自相关函数为: 目前已找到的只有7个： n 巴克码组 2 ＋＋ 3 ＋＋－ 4 ＋＋＋－，＋＋－＋ n 巴克码组 5 ＋＋＋－＋ 7 ＋＋＋－－＋－ 11 ＋＋＋－－－＋－－＋－ 13 ＋＋＋＋＋－－＋＋－＋－＋ 表中“＋”表示Xi取值为十l，“－”表示Xi取值为－l，以七位巴克码组{+++--+-} 为例，求出它的自相关函数如下： 同样可以求出j＝2，3，4，5，6，7时R(j)的值分别为－l，0，－l，0，－l，O。另外，再求出j为负值的自相关函数，两者一起画出的七位巴克码的R(j)与j的关系曲线如图4.6所示。由图可见，自相关函数在j＝0时具有尖锐的峰值。 图4.6 巴克码的自相关函数 产生巴克码的方法常用移位寄存器，七位巴克码产生器如图4.7。 图4.7 巴克码产生器 图4.7(a)是串行式产生器，移位寄存器的长度等于巴克码组的长度。七位巴克码由七级移位寄存器单元组成，各寄存器单元的初始状态由预置线预置成巴克码组相应的数字。七位巴克码的二进制数为lll00lO，移位寄存器的输出端反馈至输入端的第一级，因此，七位巴克码输出后，寄存器各单元均保持原预置状态。移位寄存器的级数等于巴克码的位数。 另一种是采用反馈式产生器，同样也可以产生七位巴克码，如图4.7(b)所示，这种方法也叫逻辑综合法，此结构节省部件。 巴克码的识别仍以七位巴克码为例，用七级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一个巴克码识别器，如图4.8所示，各移位寄存器输出端的接法和巴克码的规律一致，即与巴克码产生器的预置状态相同。 图4.8 巴克码判决 当输入数据中的1进入移位寄存器时，输出电平为＋l，而0进入移位寄存器时，输出电平为－l，识别器实际是对输入的巴克码进行相关运算。 当七位巴克码在图4.9(a)中的tl时刻已全部进入了七级移位寄存器时，七个移位寄存 器输出端都输出+l，相加后得最大输出+7、若判决器的判决电平定为+6，那么，就在七位巴克码的最后一位“0”进入识别器后，识别器输出一个帧同步脉冲表示一帧数字信号的开头，如图4.9所示。 图4.9 巴克码用于帧同步 4.3.2 网同步 当通信是在点对点之间进行时，完成了载波同步、位同步和帧同步之后，就可以进行可靠的通信了。 但是移动通信系统要在许多用户之间实现相互连接，而构成一个庞大的网络。显然， 为了保证网络中各点之间能可靠地通信，必须在网内建立一个统一的时间标准，称为网同步。 在使用主从同步法的移动通信系统中，主站备有一个高稳定度的时钟源，一般是一台铂原子钟，主站将主时钟源产生的时钟逐站传送至网内的各站去，如图4.10所示。 图4.10 主从同步法 各个基站的定时脉冲频率都直接或间接来自主时钟源，所以网内各站的时钟频率相同，各基站的时钟频率通过各自的锁相环来保持和主站的时钟频率一致。由于主时钟到各站的传输线路长度不等，会使各站引入不同的时延，因此各站都设置时延调整电路，以补偿不同的时延，使各站的时钟不仅频率相同，且相位也一致。 主从同步法的主要缺点是当主时钟发生故障时会使全网无法工作。当某一中间站发生故障时，不仅该站不能工作，其后的各站都因失步而无法工作；而且铯原子钟的造价十分昂贵。有没有办法克服这些缺点呢? 移动网络的提供者引入了全球定位系统GPS(GlobalPosition System)，GPS精确的定时信号用在通讯网络中，可使网络完全同步。 利用GPS同步的移动通信系统如图4.11所示。 图4.11 利用GPS同步 对比图4.10与图4.11可以明显地看出，利用GPS系统同步有明显的优点： 第一、除非GPS系统产生故障，否则主时钟源不会出现问题； 第二、无论是主站还是基站，对于同步信号的接收具有同等的地位，一个单点故障不会影响其它基站； 第三、GPS的算法本身消除了由于各个基站的位置不同引起的相位偏差，不再需要另加延时。 而且，运用GPS信号作为同步，其成本也要比主从同步法低，这也是制造商在同步技术中引入GPS的主要原因。