第7章 最佳接收机

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B
B
= 0 3.按照使均方误差最小的原则,则有如下所示判决准则:
(t )
2 2
1 TB
TB
[ s(t ) s 2 (t )]2 dt
2 2 (t ) 2 (t )时,判决输入为 s1 (t ) 当 1 2 2 s 2 (t ) 当 1 (t ) 2 (t )时,判决输入为
积分
输入s(t)
s1(t) s2(t)
积分

TB
0
输出s0(t)
比较判 决

TB
0
7.3 最小错误概率接收
1.所谓最小错误概率接收准则,就是指使得在接收端判 决恢复原始 发送信码时的误判概率达到最小。 2.当输入为零均值的高斯白噪声的最小错误概率判决准 则为:
TB x(t ) s (t )dt TB x(t ) s (t )dt时,判为s 1 2 1 0 0 TB TB x ( t ) s ( t ) dt 2 0 x(t )s1 (t )dt时,判为s2 0
7.1.4 匹配滤波器的输出波形S0(t)
根据线性网络的特性,滤波器输出信号 s0 (t ) 等于输入信号s (t )与冲 激响应 h(t ) 的卷积:
s0 (t ) s(t ) h(t ) s( )h(t )d K Rs (t 0 t )

匹配滤波器可以用图7—3所示的相关运算电路来实现:
若f (s1 / x) f (s2 / x),则判为s1 若f (s1 / x) f (s2 / x),则判为s2
3.通常把按照这一准则进行判决的接收机称为理想接收机, 其框图如下图7—12所示。
计算 输入s(t) 输出s0(t)
比较判决 计算
7.5 GSM蜂窝移动无线通信系统
• 7.5.1 GSM移动通信系统网络结构
• 7.5.2.2.2. GSM语音编码
• 语音编码将模拟语音信号转变为数字信号以便在信道中传 输,编码方式的不同在很大程度上决定了通话的质量和系 统容量。GSM移动通信系统的基本语音编码主要有波形 编码、参量编码和混合编码三种。 • ① 波形编码将模拟语音信号取样、量化、编码形成数字 语音信号,编码速率较高,一般为16~64Kb/s,语音质 量好,但占用的频带较宽。 • ② 参量编码基于人类发声机理,对表征语音的特征参量 进行编码传输,在接收端则根据接收的特征参量信息恢复 原来的语音。它的编码速率较低,一般为1.2~4.8Kb/s, 但语音质量差。 • ③ 混合编码则在此两种方法的基础上,综合其各自的长 处而成,是现有移动通信系统的首选语音编码法。
输入s(t)或n(t) s(t)
积分 分
输出s0(t)或n0(t)
图7—3 匹配滤波器的相关器实现电路框图 图中,当输入信号 s (t )时,则输出信号 s0 (t )为: s0 (t ) = K s(t ) s(t )dt = K R (0) 同理,对输入的噪声信号 n(t ) ,其输出信号为: n0 (t ) K n(t ) s(t )dt = K R (0)
7.5.2 GSM工作原理
• 7.5.2.1.GSM系统的TDMA多址方式
• 时分多址TDMA技术依靠极其微小的时差来区分信道,TDMA系统把 一帧的传输时间划分为若干个不相重叠的时隙,每一个时隙就是一个 通信话路,再把每个时隙分配给一个用户专用,接收端根据各个用户 发送信号的不同时间顺序来分别接收不同用户的信号。其系统工作示 意如图所示。
PSTN ISDN PDN
• 网络交换子系统NSS处于市话网与基站控制器之间,它 主要由移动交换中心MSC(也称为移动电话交换局 MTSO)组成。通过交换功能和数据库功能,实现交换和 用户数据、移动性及安全性管理,建立、协调和管理移动 用户之间、移动用户和其他通信网络用户之间的通信。 • 基站子系统BSS包括基站控制器BSC和基站收发设备BTS, 通过无线接口与移动台相连,完成无线发送、接收以及无 线资源管理,每个基站的有效覆盖范围就是我们通常所说 的一个无线小区。与此同时,BSS又和网络交换子系统 NSS中的MSC以2.048 Mb/s的速率与PCM数字传输链路 相连,使移动用户之间、移动用户和固定用户之间可以随 时随地地进行通信联络。
GSM蜂窝移动通信系统由交换网络子系统NSS、操作支持子系统OSS、 无线基站子系统BSS和移动台MS,
基站子系统BSS
移动台MS
网络子系统NSS
访问位置寄存器VLR
移动台MS 基站收发设备BTS 终端设备TE
基站控制器 BSC
移动交换中心MSC
原籍位置寄存器HLR 操作维护中心OMC 基站收发 设备BTS 基站控制器 BSC 鉴权中心AUC 移动设备识别寄存器EIR
• 基站是一些固定的站点,包括收信机、发信机和接收天线、 发射天线等设备,用于和移动台进行无线通信联络与控制。 移动台是系统的终端设备,在网络中处于移动使用状态, 使用地点不固定,包括收、发信机和天馈线等。移动交换 中心也叫移动交换电话局,用于协调通信过程,将基站和 移动台与公用交换电话网连接起来。 • 一个BSC可以控制多个基站,每个基站又可以控制管理 多部收发信机。BSC通过网络接口分别连接移动交换中 心MSC和BTS,实现移动用户与固定网络用户之间或移 动用户之间的通信连接。 • MS、NSS和BSS构成系统的营运部分,它们由操作子系 统OSS(主要完成对电信设备的网络操作与维护、注册 管理与计费以及移动设备管理)和应运者控制,相互作用 从而构成了整个GSM蜂窝移动通信系统。

s

ns
7.1.5 最大输出信噪比接收
通常利用匹配滤波器构成最大输出信噪比接收机。M元 (M≥2)数字信号的最大信噪比接收机的方框图如图 7—6所示。
s1(t)匹配滤波器

输入s(t)
S2(t)匹配滤波器 判决 较
输出s0(t)
SM(t)匹配滤波器
图7—6 M元数字信号匹配滤波器法接收机框图
• GSM系统的主要接口有A接口、Abis接口和Um接口。 • A接口指网络子系统NSS和基站子系统BSS之间的通信接 口,即MSC和BSC之间的互连接口。它传送对移动台和 基站管理、移动性以及呼叫接续管理等,采用标准的 2.408Mb/s PCM数字传输链路实现。 • Abis接口是基站控制器BSC和基站收发信机BTS之间的通 信接口,支持所有用户服务及BTS控制和频率分配,采用 标准的2.408Mb/s或64Kb/sPCM数字传输链路实现。 • Um接口为移动台MS与BTS之间的通信接口,用于MS与 系统固定部分之间的互通,主要传送有关无线资源管理、 移动性管理和接续管理等方面的信息。 • 在网络子系统NSS内的接口包括有B、C、D、E、F、G 接口,分别用于MSC与VLR之间、MSC与HLR之间、 HLR与VLR之间、MSC与另一个MSC之间、MSC与EIR 之间、两个VLR之间接口,传递通信过程中所需的各类信 息。
下列关于匹配滤波器冲激响应的说法正确的是若某滤波器的冲激响应是波形在时间上对于固定时刻t象则该滤波器一定是的匹配滤波器若某滤波器的冲激响应是波形在时间上对于固定时刻t反转则该滤波器一定是的匹配滤波器173
现代通信原理
(第4版)
第7章 最佳接收机
本章学习要求: • 掌握数字通信系统中接收机实现各个特定准则下最佳接 收方式; • 掌握最大输出信噪比准则; • 掌握最小均方误差准则; • 掌握最小错误概率准则; • 掌握最大后验概率准则; • 了解上述相应的最佳接收机模型。
x(t)=s(t)+n(t)
H(f)
y(t)= s0(t)+n0(t)
图7—1 匹配滤波器框图 设 n(t ) 为高斯白噪声,其功率谱密度为 Pn ( f ) = S ( f )是信号的振幅谱。 波器的传递函数,
n0 2
H ( f )是匹配滤 ,
关于匹配滤波器的几点结论: • 匹配滤波器的传递函数完全由信号波形来确定; • 信号通过匹配滤波器后的输出信号波形将出现失真,一 般不用于模拟信号的接收滤波;
7.5.2.2.GSM系统的语音 信号处理
• 7.5.2.2.1. GSM的语音传输
• ① 用户首先把语音送入移动台的受话器,将模拟的语音信号经过A/D 转换、编码、交织、加密后转换成13Kb/s的数字信息; • ② 经过载波调制,以高频模拟信号的形式从移动台天线发射出去; • ③ 基站收发信机BTS通过天线检测并接收该信号; • ④ 通过解调、译码,恢复成代表语音的16Kb/s数字信息,其中多余 的3Kb/s是传输过程中加上的用于同步的相关信息; • ⑤ BTS通过同轴电缆将该16Kb/s数字信息传到语音编码变换器 TRAU,由它将信息流转换成标准64Kb/s数字信息流; • ⑥ 用户的语音信号可通过MSC与外部网络和交换机连接,实现GSM 用户之间、GSM用户与PSTN用户之间的语音联系了。
• GSM系统采用规则脉冲激 励长期预测编解码器RPELTP方案,其编解码器比 CDMA系统相对复杂,每 话音信道的净编码速率为 13Kb/s。表7.2列出了目 前主要的数字移动通信系 统语音编解码器类型。
系 统 标 准
GSM USDC(IS54) IS-95 (CDMA) CT2、 DECT、 PHS DCS-1800
• 为减小误码,GSM系统在语音编码信号发送前进 行信道编码,在传输的信息中加入冗余比特,有 效地减少差错。GSM系统中编码时既使用分组码 又使用卷积码,它首先将一些信息进行分组编码, 构成“分组信息+奇偶检验码”的形式,再对全 部信息做卷积编码。这样,当传输过程出现差错 时,首先可利用卷积编码的特性将能校正的部分 代码进行校正,再利用分组编码特性将不能校正 的错误部分一一检测出来。 • 事实上,GSM系统中不但语音信息进行了两次编 码,其传输的数据信息也同样如此,只是两者之 间具体的编码方案略有差异。
• GSM通信系统的移动台在每帧时间内只能按预先指定的时隙向基站 发射信号,满足定时和同步条件,使基站在各时隙内接收到的各移动 台信号互不干扰。同时,基站发向各个移动台的信号也按相应顺序在 预定时隙中传输,各移动台只要在指定的时隙内接收,就能从多路信 号形成的合路信号中把发给它的信号分离出来。一个GSM系统典型 的TDMA频道划分如图所示。
7.2 最小均方误差接收机
1.所谓最小均方误差原则,就是指在输出信号与各个可能发送信 号的均方差值中,与实际发送信号的均方差值最小。 2.二元数字通信系统中,设发送端发送0、1信号的脉冲函数分别 s 2 (t ) 为 s1 (t ) 、 ,经过信道传输,接收机收到含噪声干扰的信号 2 2 s ( t ) 为 s (t ) ,则 s1 (t ) 、 与接收信号 的均方误差 和 2 (t ) s 2 (t ) 1 (t ) 分别为: 12 (t ) = 1 0T [s(t ) s1 (t )]2 dt T
4.满足该最小均方误差判决准则的接收机就是最小均方误差 接收机,其相应的框图如下图7—8所示。
平方 -s1(t) s1(t) 比较判决 s2(t) 平方 积分 积分

TB
0
输入s(t)
180° 180°
输出s0(t)
-s2(t)

TB
0
图7—8 最小均方误差接收机框图 5.按照最小均方误差准则建立起来的最佳接收机实质上就是 一个相关接收机,其框图如图7—9所示。
• 提高信号幅度和延长信号作用时间都能提高信号的能量, 从而提高输出信噪比。
7.1.3 匹配滤波器的冲激响应h(t)
1、若一个滤波器的冲激响应 h(t ) 是某特定波形 s (t ) 在时间 上对于某固定时刻t0的反转或镜象,则该滤波器就一定 是信号s (t ) 的匹配滤波器。 2、t0一般都选在信号的结束时刻 3、实际分析中,常常根据匹配滤波的冲激响应是输入信 号的镜像信号右移t0这一特性,首先求得h(t ),然后再根 据 h(t ) 的波形,通过傅里叶变换求出 H ( f ) 。
7.1 最大输出信噪比准则和匹配滤波接收机
Hale Waihona Puke 7.1.1 最大输出信噪比准则 1、最大输出信噪比是数字通信系统接收解调中最重要的参数指 标。 2、当干扰信号是高斯白噪声时,匹配滤波器可以使输出信噪比 达到最大。 7.1.2 匹配滤波器的传递函数H(f) 1、设匹配滤波器输入输出信号与噪声如图7—1所示。其中,s (t ) n(t ) 为噪声干扰信号。 是输入信号,
服 务 类 型
数字蜂 窝网 数字蜂 窝网 数字蜂 窝网 数字无 绳电话
语音编 解码器
RPE-LTP
比特率 (Kb/s)
13
VSELP
16 1.2,2.4, 4.8,9.6 32
CELP
ADPCM
个人通 信系统
个人通 信系统
RPE-LTP
13
PACS
ADPCM
32
7.5.2.3.GSM系统的接口 与无线传输特性
s1(t) 积分 输入x(t)
3.最小错误概率准则下的最佳接收机模型如图7—11所示。

TB 0
比较判决 积分 s2(t)
输出y(t)

TB
0
7.4 最大后验概率接收
1.大后验概率准则就是指根据各个后验概率的大小,判决 其中最大概率所对应的发送码元为发端的发送信码。 2.在二元传输系统中,设收到信息为 x ,发送端发出的 码元是 s1 s2 其相应的后验概率就是 f (s1 / x)和f (s2 / x) , 则最大后验概率准则为下式所示:
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