第2讲物理层过程及其相关技术

检测（同步） 噪声中确知信号的检测 噪声中具有未知参数的信号检测 噪声中随机信号检测 参数估计（AGC、AFC、信道测量、SNR估计） 噪声中确知信号的（参数）估计 噪声中具有未知参数的信号（参数）估计 噪声中随机信号的（参数）估计 调制／解调 噪声中确知信号的（参数）估计 噪声中具有未知参数的信号（参数）估计 噪声中随机信号的（参数）估计
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通信系统中的例子
检测 参数估计 调制
同步数字通信 噪声中的 （有衰减无畸 已知信号 变） 噪声中的 慢衰落信道上 未知参数 的数字通信 信号 噪声中的 多径衰落信道 随机信号
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调幅、调频和具有 调幅、调频和调 相位同步的调相系 相系统、最佳滤 统 波 具有未知振幅或未 无相位同步的通 知相位 信 多径衰落信道的参 多径衰落信道下 数估计（双扩展） 的通信
Performance with different frequncy error
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
Pb
0.3
0.2
No frequency error Frequency error 100Hz Frequency error 200Hz Frequency error 400Hz Frequency error 800Hz Frequency error 1200Hz -23 -22 -21 -20 -19 -18

需要的物理信道



方法



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优点：快速，相对较短负荷时间 缺点：更复杂的方法
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反向接入

前缀捕获基于NP准则（在一定误捕概率的 前提下，提高正确检测概率）
Preamble Preamble Message part 10 ms (one radio frame) Preamble Preamble Message part 20 ms (two radio frames)
CQM（复四相调制） 与BPSK相比，误码性能相同；频谱效率高一倍
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扩频和调制（上行）
Complex Multiplier
QPSK
+ _
×
信息比特
×
OVSF_i
×
βd
Iin
●
∑
I
Baseband Filter
cos(2πfc t)
×
+ +
×
●
×
●
脉冲成形
+ +
∑
控制比特
×
OVSF_q
×
βc
Qin
Preamble 4096 chips
Preamble 4096 chips
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PRACH前缀和定时

Csig,s(i) = Ps(i modulo 16), i = 0, 1, …, 4095.
Sr-pre,n(i) = clong,1,n(i), i = 0, 1, …, 4095; Cpre,n,s(k) = Sr-pre,n(k) Csig,s(k)
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简单二元检测
r(t) 积分器 s(t) 相关接收机 门限比较
r(t)
滤波器 h(t)＝s(T-t)
门限比较
匹配滤波器
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一般二元和M元检测器
r(t) 积分器 s1(t) 选择最大
积分器 sM(t)
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反向接入

用途：

传输信令，如开机注册、位置更新、对呼叫初始化 传送低速率分组业务 上行PRACH 下行AICH 前导接入基于时隙ALOHA，采用相关、FHT等处理方 式；采用开环功控 消息部分采用RAKE接收机，无功控
I branch 0.4472 0.4472 1.3416 1.3416 0.4472 0.4472 1.3416 1.3416 -0.4472 -0.4472 -1.3416 -1.3416 -0.4472 -0.4472
Q branch 0.4472 1.3416 0.4472 1.3416 -0.4472 -1.3416 -0.4472 -1.3416 0.4472 1.3416 0.4472 1.3416 -0.4472 -1.3416



ˆ ( R)] [a a ˆ ( R)]2 1.C[a, a ˆ ( R)] a a ˆ ( R) 2.C[a, a ˆ 0, a a ( R ) 2 ˆ ( R)] 3.C[a, a 1, a a ˆ ( R) 2
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上、下行链路调制方式的异同点（1）

上行链路I/Q支路采用不同的OVSF码

在检测出DPCCH进行信道估计之前区分I/Q支路 上行链路也不存在OVSF码资源限制问题

下行链路I/Q支路采用相同的OVSF码，原因在于

节约了OVSF码资源 可以用一直存在的连续导频进行信道估计
(.)*
Z 1
(.)*

M 1 N 0
arg(.)

c
signc
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象限判决
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AFC（2）
阶距计算单元 RF信号 sign c
__
Z-1 Z-1 X K () X
下变频 解调
频率偏差 估计器
m
X
c
VCO LPF D/A 累加滤波器
_
+
Z-1
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为确保来自终端传输的听觉干扰最小，上行链路 调制采用I-Q支路/码复用方式 下行链路中持续存在公共信道，不存在音频干扰 问题
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上、下行链路调制方式的异同点（2）



由于采用了I-Q支路/码复用方式，上行链路I/Q支路 的功率不同，为减小包络起伏（与QPSK相同）采用 了复扰码扩频； 而下行链路I/Q支路功率相等，所以扰码操作不会 造成信号包络起伏 基站对通话时间不敏感不必考虑单码传输PAR的优 化问题； 复扰码扩频保证了一个符号周期内的两个连续码片 的旋转量限制在±90°之内；只有在两个连续符号 之间才会出现完全的180°旋转，从而进一步减少了 普通QPSK传输时的发送信号PAR ，终端放大器效 率得到提高，从而保证了通话时间
-20 -19 -18 -17 -16 -15 -14
Ec/N0(db)
Ec/N0(db)
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有频偏时性能



晶振频偏在400Hz以下时，性能减少的很小，在0.3dB以内，仍然达到 标准上的性能要求 随着晶振频偏的增大，性能损失也越来越大， 当晶振频偏为1200Hz时，性能损失达到了1.5dB左右
1
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本讲内容
无线通信系统中的通信建立过程 建立和维持通信链路所需的相关技术 3G系统的有关物理信道

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CDMA RF载波选择
调谐到CDMA载波 系统初始化状态
移动台获取导 频信道和同步信道
系统空闲状态 移动台获取寻呼 信道并且对消息进行监控 系统接入状态 移动台通过反向接入信道发送信息； 基站通过寻呼信道发送信息 业务信道状态 在下行和上行专用信道上 进行语音和数据通信。 相关的控制信息： — 传输格式 — 功控比特
一个接入时隙
AICH. 信道


e
j( k) 4 2

, k = 0, 1, …, 4095;
在 UE 接收端的 AICH 接收时隙
p-a
在 UE 发送端的 PRACH 接入时 隙 前 缀 前 缀 消息部分
p-pห้องสมุดไป่ตู้
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p-m
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前缀捕获方案（串行或并行）

接收信号
匹配滤波或相关 捕获及确认
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0.1 -24
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Ec/No(db)
估计理论
映射到观测 空间的概率 观测空间R
估计规则
ˆ ( R) a
参数空间
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参数估计

随机参数估计
贝叶斯估计 最小均方误差估计 MAP

ˆ ( R )]} dA C[a, a ˆ ( R )] pa ,r ( A, R )dR R E{C[a, a
上讲内容

FDMA、TDMA、CDMA容量 由于FDMA和TDMA是尺度受限系统，所以新技术 （信道编码）很难用于提高容量 CDMA是一个干扰受限系统，抑制干扰即提高容量

M FDMA M TDMA M CDMA
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Wall Wsub T Tslot 1 Gv Eb I 0 H0 Gp
1
1
Performance when Case3 Channel
0.95
0.95
0.9
0.85
0.9
Pb
0.8
0.85
0.75
0.7 -23 -22 -21 -20
Cor Length 1024 Cor Length 512
-19 -18
0.8 -21
Cor Length 1024 Cor Length 512
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1100 1101
16QAM的解调（3）

见“16QAM软输出.doc”
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3G系统物理层过程
小区搜索
反向接入
寻呼
测量
开环/闭环功控
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3G系统物理信道

上行/反向链路信道

反向接入 反向数据 同步 连续导频 广播 寻呼/前向接入 数据信道／语音信道
∑
Q
Baseband Filter
-sin(2πfc t)
×
●
×
Gold_i Gold_q
CQM（复四相调制）
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扩频和调制（上行）星座图
c ＝0.5 d
c ＝1 d
复扰码之前的I-Q/ 码复用信号星座图
c ＝0.5 d
c ＝1 d
复扰码I-Q/码复用 信号星座图
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16QAM的解调（1）
加CRC
BIT加扰
Turbo编码
交织
调制
扩频
QAM映射
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16QAM的解调（2）
i1q1i2q2 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011
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非随机参数估计
最小均方误差估计 极大似然估计


克拉美－罗界
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AFC（1）
r (nTc / )
Z 1
* s0 (nT c / )
Z 1
Z 1

t 0
P 1

t 0
P 1

t 0
P 1
ci ( N )
Z 1
cn ( N )
c j (N )
(.)*
Z 1
信道波形 滤波器
j ( k) 4 2
抽样
X
Y
隔位累加
FHT

Z 选峰值，判决
2
e
本地码 发生器
第一次捕获
X
Y
隔位累加
FHT

Z 选峰值，判决
选择两次 捕获中的 最大相关 值并确定 特征码
结果输出
2
本地码 发生器 +64
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第二次捕获
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标准的性能要求

在虚警概率恒定为0.001的前提下，接收机需要 达到的检测概率性能如表
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信号检测
H1 源 H0 概率转移 机构 观测空间 判决规则 判决
+1 源 -1 n
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r
二元检测



判决准则 贝叶斯准则（最小风险） 似然比 充分统计量 Neyman－Pearson准则（恒虚警） 接收机工作特性（ROC） 简单二元检测和一般二元检测
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下行／前向链路信道

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例子：WCDMA物理信道

上行链路（uplink）信道

PRACH DPCH（DPDCH/DPCCH码分复用）

下行链路（downlink）信道




SCH CPICH P-CCCPH S-CCPCH AICH DPCH（DPDCH、DPCCH时分复用）
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在CDMA系统中获取业务信道
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主要接收技术

模数／数模转换
AGC（自动增益控制）
无符号间干扰的传输／滤波器设计
信号（序列）检测 AFC（自动频率控制）


信道估计／信道均衡
（基带）调制解调


其它（交织／信道编、解码／多天线等）
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有关的检测与估计理论
为达到 Pd 0.99时 为达到 Pd 0.999时 需要的Ec/N0 需要的Ec/N0 静止信道 -20.5dB -20.1 dB
Case3信道
-15.5 dB
-13.4 dB
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不同积分长度的捕获器检测性能
Performance when Static Channel
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扩频和调制（下行）
Complex Multiplier
QPSK
+ _
× ×
信息/控制 比特
串并转换 OVSF
● ●
∑
I
Baseband Filter cos(2πfc t)
×
+ +
×
×
●
脉冲成形
+
∑
×
●
+
∑
Q
Baseband Filter
×
×
-sin(2πfc t)
Gold_i Gold_q
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