個人行動數位通訊簡介 - i-shou...

ISU 1

個人行動數位通訊簡介

義守大學電子系

陳昭宏

ISU 2

個人行動數位通訊之特徵

使用者需求隨時隨地通訊

–即時

–語音與數位資訊通訊資源

通訊鏈結之特性不確定性

–傳輸媒介與通道

–鏈結品質與通訊技術

–通話對象, 如何建立連線

ISU 3

訊息型態之特徵Analogue or Digital

Analogue(類比): 以 fidelity or quality 為訊息之特徵

Digital(數位): 以傳輸之準確率為特徵. 如: Bit ErrorRate (BER, 位元錯誤率) and Symbol Error Rate(SER, 符號錯誤率).

訊號性質

ISU 4

通訊、資訊與資訊量

通訊目標使發送端資訊完整無誤傳送至接收端

資訊訊號源所有可能產生之數據皆稱資訊

資訊量根據訊號源之所有數據產生機率所定義之數值

機率越大之訊息資訊量越少

( )ii

i PpI 21

log∑=

−=

離散資訊源

( )dxxPxpIRx

)(log)( 2∫∈

−=

連續資訊源

訊號性質

ISU 5

訊號之基本分析Fourier series

透過富氏分析可以知道訊號與系統中各種頻率分量之分佈與所佔之頻寬

訊號性質

ISU 6

數據訊號之分析Spectrum of a data pulse

影響數據脈衝頻寬之因素

–脈衝寬度主波瓣寬度

–脈 衝 出 現之週期

頻譜取樣率

–脈 衝 之 形狀

旁波瓣之分佈與大小

訊號性質

ISU 7

影響訊號頻寬之因素

脈衝波形旁波瓣 脈衝寬度等效頻寬

訊號性質

ISU 8

通訊資源

頻寬所使用通訊介質之可用頻帶範圍

容量(C: capacity, bits/sec)

功率發射與接收訊號所使用之電功率

SNR(訊雜比,dB)

,位元功率與雜訊頻譜密度比0N

Eb

通訊資源

ISU 9

影響系統設計之因素

技術上之限制

–可用之硬體或軟體 技術

–功率之消耗

–元件尺寸

政府規範或標準

–電信法規與使用之頻帶

商業考量

通訊資源

ISU 10

電信法規與使用之頻帶

通訊資源

ISU 11

資訊流有多快速? The Shannon limit – 可傳送之最快速率?

無法達到之資訊傳輸系統

位元雜訊比極限

功率有限功率效率

高

頻寬有限頻譜效率高

通訊資源

ISU 12

有/無線無/有限Wire/wireless Unlimited/limited

無線之通訊通道通訊資源有限制!!

–通訊媒介共享頻寬有限

–移動設備電功率有限

有線之通訊通道通訊資訊較無限制

–通訊媒介獨立增加通道纜線增加可用頻寬

–可使用大眾電源電功率幾乎無限

通訊資源

ISU 13

通訊方法Binary signaling

使用單一電纜之二元訊號通訊

使用並列式電纜之二元訊號通訊

– 需增加硬體連線

電欖增加傳輸速率增加

通訊資源

ISU 14

通訊方法Multi-level signaling

• 使用單一電纜之多階訊號通訊• 需較高之訊號雜訊比

• 使用並列式電纜之二元訊號通訊

多階符號可一次傳送多位元增加傳輸速率

通訊資源

ISU 15

如何增加無線通訊資源

容量公有(共享)資源私有化

全國(區)無線通訊公司基地台基地台半徑 10公里,

1公里,100公尺誰的容量大?

功率功率管理

–最適當性能取代最佳性能,

•連線品質(BER),

•連線速率,

•阻斷率假設各基地台使用相同頻寬資源各細胞之服務用戶數相同單位面積之用戶數增加

通訊資源

ISU 16

多使用者系統之需求容量提昇

系統頻譜之使用效率

細胞間載波頻率再使用frequency re–use :需適當控制功率避免 co-channel干擾

系統頻寬系統容量使用者資料率使用者數目

頻譜效率

: ,:: ,:

: s

BNRN

BNRN

c

bu

c

bu=η

相臨細胞使用不同頻率

不相臨細胞可使用相同

頻率

通訊資源

ISU 17

Co-channel Interference

使用相同頻道基地台間之訊號干擾

通訊資源

ISU 18

訊號如何傳播

常用電訊號傳播媒介

電纜(有線)或電磁波(無線)電訊通道常見之現象

– 操作頻率與傳波模式

– 多重路徑傳輸(Multipath)• 失真: Delay & Group Delay• 衰退: Rayleigh fading, Frequency Flat & Frequency

Selective – co-channel interference– 遠近效應(Near-far effect)

傳播媒介

ISU 19

The Wireless ChannelUnguided Propagation

傳播媒介

ISU 20

不同操作頻率之傳波模式

地波

天波

直射波

電磁波吸收率

傳播媒介

ISU 21

多重路徑失真Multipath distortion 當幾條主要路徑(改變量小)合成,產生訊號加強或抵銷之情形, 且因路徑延遲不同產生訊號之失 真 現 象 ,也稱多重路徑干擾

傳播媒介

ISU 22

Multipath Distortion–the Time Domain Problem (ISI)

當通道有多重路徑失真性質時, 會產生碼際間干擾(ISI)

傳播媒介

ISU 23

多重路徑衰退Multipath fading

常以Rayleigh fading channel model 描述多重路徑之衰退情形

多重路徑衰退,是因為不同

路徑訊號合成後,訊號隨移動狀況

隨機構產生加強或抵銷之情形

傳播媒介

ISU 24

Frequency Flat Vs Frequency Selective Fading

當 訊 號 頻 寬 小 於 通 道 之 同 調 頻 寬( Coherence bandwidth) 稱 frequency flatfading, 反之稱Frequency selection fading

傳播媒介

ISU 25

Rayleigh Fading and Co-channel Interference

如下圖:平均S/I為10dB 隨移動距離不同,因Rayleigh fading所產生之

瞬間S/I, 25dB~-20dB

只有幾個波長距離

傳播媒介

ISU 26

Co-channel and Multipath Fading

傳播媒介

ISU 27

Near-far Effect

傳播媒介

ISU 28

室內多重路徑衰退

發射源

每一個等高線差2.7dB

-47dB

傳播媒介

ISU 29

傳輸媒介通道

通訊媒介之特性: 雜訊, 干擾充斥,訊號衰減與衰退現象, 延遲與失真

透過適當之通訊技術可使各類通訊媒介形成可應用之資訊訊通路

經由交換網路與線路管理形成通訊鏈結(communication link),此鍊結再規劃為符合各種應用目的之資訊通路稱通道(channel)

通道

ISU 30

Sources of Link Degradation

失真(Distortion) : group delay,gain variations, phase variations ,frequency offsets

干擾 ( Interference): ISI, ICI,Co-channel, jamming

雜訊(Noise):

通道

ISU 31

The Telephone Channel

通道

ISU 32

Gain Distortion 理想通道響應

電纜線之集總模型

通道

ISU 33

Phase Distortion and Group Delay

相 位 與 頻 率 之關 係 為 非 線 性phase distortion

相位對頻率之微分Group delay

通道

ISU 34

Group Delay Distortion

原訊號

群延遲失真之訊號

通道

ISU 35

Frequency Errors

Local oscillator error

Doppler shift

接近

遠離

通道

ISU 36

Interference

通道

ISU 37

Intersymbol Interference (ISI)訊 號 因 系統 頻 寬 有限產生ISI

ISI干擾下一取樣點使用raised cosine filter 可有效克服有限頻寬ISI

通道

ISU 38

Dealing With Interference使用方向性天線

– 降低對其他用戶之干擾

使用適應性陣列天線

– 調適陣列方向增益降低干擾

通道

ISU 39

Spectral Spreading 訊號頻譜展開

– 直接序列展頻

– 跳頻展頻

若訊號展開之頻寬遠大於干擾頻寬(窄頻干擾)可降低干擾情形

若多重路徑干擾可正確估測,則應用分集技術,多重路徑干擾反成多重路徑增益 跳頻展頻

直接序列展頻

通道

ISU 40

Sources of Noise Thermal noise: 電子元件因熱所產生之雜訊

Shot noise :電子跨越半導體PN界面所幅射之雜訊. Flicker noise : 半導體材料特性與 1/f成正比之雜訊,又

稱 1/f noise. Atmospheric noise : 大氣中與太陽幅射之各種電磁訊

號, 以般會一一等效之 sky noise temperature ,一般情況下遠小於熱雜訊(除非在微波等級)

Nav = kTBk:Boltzmann's constant

k= 1.38 x 10–23 watts/Hz/oK, T :絕對溫度 oKB :測量之頻寬

通道

ISU 41

雜訊之頻譜特性

一般熱雜訊因雜訊源皆互為獨立, 因此可假設為白色雜訊

反 之 稱 colornoise

若雜訊在操作之頻帶內大小相 等 , , 則 稱bandlimitedwhite noise

通道

ISU 42

影響通訊鏈結品質因素

傳輸功率: Eb

通道品質: – 衰減訊號功率隨距離(2~5次方)衰減

– 衰退時變訊號品質不預期衰退

– 多路徑符號間干擾

– 雜訊(N0)影響最小可通訊訊號之靈敏度

通訊技術:同步, 偵測與估測, 調變, 編碼,, 分集, 多工, 多重進接等技術

通道

ISU 43

Mobile channel terminology

5分集 4多工1調變

2偵測

3估測

6通道編碼

7加密

*同步*

通訊技術

ISU 44

The Shannon–Hartley Theorem:系統技術之考量

通訊技術

ISU 45

符號偵測 累計一整個符號時間(T)之能量

–訊號能量增加T倍

–雜訊能量因(電壓+-)有隨機特相變小

*必需有良好Symbol timing

Eb/N0小

Eb/N0大

通訊技術-符號偵測

ISU 46

偵測技術

同步: symbol timing recovery– 使符號積分之累計功率最大

匹配濾波器: matched filter– 可將最像之符號累計積分並輸出

通道等化器: channel equalizer– 在偵測前要先將通道效應補償

– 目前常使用偵測與等化同時演算之技術

decision feedback channel equalize

通訊技術-符號偵測

ISU 47

Symbol Timing Recovery

何時為最佳之取樣偵測點?如何取樣symbol?

Symbol Timing Recovery

通訊技術-符號偵測

ISU 48

Symbol Timing Circuits

穩定時正負相消

通訊技術-符號偵測

ISU 49

Symbol Timing Circuits(平方電路)

通訊技術-符號偵測

ISU 50

Matched Filtering Recovery of Symbols From Noise

Matched filter 一般使用數位技術設計

)(

)(

tTP(t)h

tP

m −=respond filter Matched

脈衝波形

通訊技術-符號偵測

T=nT取樣

ISU 51

通道等化器

應用通道等化器(Channel equalizers)可克服一般通道失真

通道等化器要有訓練過程與 data, 以 GSM其training data放在每一時槽message data

通訊技術-符號偵測

ISU 52

Equalization for ISIin Frequency–selective Channels

通訊技術-符號偵測

ISU 53

調變之目的

在可使用之頻帶傳訊

降低被干擾其情形

縮小天線尺寸

– 天線尺寸與波長成正比

有效使用通訊資源

– 應用多工調變技術可使多使用者同時使用

通訊技術-調變

ISU 54

The Basic Mixing Process

)2cos()(

)2cos( )(

tftxoutputmodulation

tfcarriertxdata

c

c

π

π

→⇓

→→

載波fc

通訊技術-調變

ISU 55

複數混波I/Q modulation

通訊技術-調變

ISU 56

常見之數位調變技術

PSK : ASK: FSK: IQ調變: QAM (調變符號=(xi,xq))

( )θπ += ftAtY 2cos)( 載波

( )( )

)()()(

2sin)(2cos)(

tYtYtYftxtYftxtY

qi

qq

ii

+=

==

ππ

)()( tXt αθθ ==)()( tXtAA β==)()( tXtff γ==

)(tX訊號

通訊技術-調變

ISU 57

ASK, FSK,PSK ASK FSK

PSK DPSK

通訊技術-調變

ISU 58

載波同步The Costas loop

Loop filter控制迴路穩定

Mixerphase error detector

解調偵測訊號

通訊技術-調變

ISU 59

Orthogonal Signalling, MFSK

當兩訊號相乘在一特定時間長之積分為零稱正交

≠=

== ∫ jijia

dttxtxtxtxT

jiji ,0,

)()()()(0

通訊技術-調變

ISU 60

Orthogonal FSK Detection

因 正 交 若頻率不為fN輸出為0

通訊技術-調變

ISU 61

QPSK – Modulator

通訊技術-調變

ISU 62

QPSK – Demodulator

通訊技術-調變

ISU 63

QAM Generation

通訊技術-調變

ISU 64

QAM Detector

通訊技術-調變

ISU 65

調變波型與星座符號

使用IQ調變, 如右圖之星座符號 ( xi,xq) 對應之調變波形為

(xi,xq)

( )( )

)()()(

2sin)(2cos)(

tYtYtYftxtYftxtY

qi

qq

ii

+=

==

ππ

通訊技術-調變

ISU 66

眼型圖(Eye Diagrams)

將解調出之訊號以符號時間整數倍, 重複顯示於螢幕眼型圖

常用於分析符號之偵測性能

– 分析符號之同步

– Timing Jitter– Noise

通訊技術-分析

ISU 67

Diagnosis Using the Eye Diagram

雜訊容忍度

符號同步

時脈誤差

通訊技術-分析

ISU 68

位元與符號

在M-ary數位通訊系統一個調變符號可對應多個位元, M=2B

如何對又應位原與符號?– Gray code– TCM

通訊技術-分析

ISU 69

Bit Error Rate Vs Symbol Error Rate

一個symbol錯誤可能產生多個bit錯誤

以Gray coding:一個symbol錯誤最可能產生1個bit錯誤

通訊技術-分析

ISU 70

Channel coding

ARQ: 自動錯誤重送技術,以CRC偵測錯誤, 有錯誤之資訊重送

FEC : 錯誤更錯技術, 使用Block code或convolution code 與interleaving

通訊技術-通道編碼

ISU 71

通道編碼技術

Block coding: 每一碼字皆有相同維度

Convolution coding: 使用二元迴旋運算編碼,碼字常度不固定, 但有一定之編碼率R, 如R=1/2,n個bit輸入輸出 2n個bit

通訊技術-通道編碼

ISU 72

Interleaving

使用交錯技術(位元交錯重新排列)可使連續之錯誤分散開 ,易於偵錯與更錯

通訊技術-通道編碼

ISU 73

Hard or Soft Decision Decoding

通訊技術-通道編碼

ISU 74

分集技術

運用不同接收來源加強接收訊號強度

頻率分集(Frequency diversity): 使用不同載波傳送相同資訊, – 如: MC-CDMA, OFDM

天線分集:– Transmit diversity – Receive diversity

時間分集(time diversity): 常見有多重路徑分集, 不同路徑訊號合成效果更好之訊號

通訊技術-分集技術

ISU 75

Parallel TransmissionOrthogonal Frequency Division Multiplexing

(OFDM)

使用OFDM可有效降低多重路徑環境所產生之各類干擾, 如:ISI , ICI, fading

窄頻通道, 此頻帶遠小於Coherence Bandwidth

可視為flat fading

通訊技術-分集技術

ISU 76

Antenna Diversityfor Flat–fading Channels

通訊技術-分集技術

ISU 77

Time Diversity (Rake Receiver)for Frequency–selective Channels

通訊技術-分集技術

ISU 78

多使用者數位調變技術FDMA/TDMA/CDMA

通訊技術-多工調變

ISU 79

Frequency Division Multiple Access分頻多工(FDMA)

通訊技術-多工調變

ISU 80

FDMA系統之操作環境

保護頻帶(guard band)

通訊技術-多工調變

ISU 81

FDMA之優點

使用之訊號脈衝寬較大(與資訊頻寬成反比), 較不受多重路徑干擾

通訊技術-多工調變

ISU 82

FDMA之缺點

若使用之頻道為嚴重衰退, 性能將大幅度下降

通訊技術-多工調變

ISU 83

FDMA系統之功率控制

通訊技術-多工調變

ISU 84

Time Division Multiple Access 分時多工(TDMA)

通訊技術-多工調變

ISU 85

TDMA 系統之操作環境

通訊技術-多工調變

ISU 86

Frame of a TDMA system

通訊技術-多工調變

ISU 87

TDMA 之優點

通訊技術-多工調變

ISU 88

TDMA 之缺點

因使用之數位脈衝寬度, 遠小於訊號, 與多重路徑延遲相當, 易受多重路徑干擾

通訊技術-多工調變

ISU 89

Code Division Multiple Access分碼多工(CDMA)

通訊技術-多工調變

ISU 90

Frequency hopped CDMA

通訊技術-多工調變

ISU 91

Example of frequency hopped

GSM也有跳頻系統, 但該系統之跳頻為因應頻率再使用而產生, 跳頻速度以用戶連線為單位, 如下圖. 故不稱展頻跳頻

通訊技術-多工調變

ISU 92

Direct sequence CDMA

通訊技術-多工調變

ISU 93

Direct sequence CDMA(cont.)

通訊技術-多工調變

ISU 94

CDMA行動系統IS-95

Long code 為上傳通道之用戶展頻碼(128bit),

通訊技術-多工調變

ISU 95

IS-95 Carrier Modulation IQ PN-sequence 為CDMA通道之短碼(64bit),週期

216-1

通訊技術-多工調變

ISU 96

CDMA之優點

通訊技術-多工調變

ISU 97

CDMA 之缺點

需寬頻訊號處理

展頻碼相關性計算 需嚴格之功率控制

但若能順利克服上述問題則可穫得展頻增益(coding gain, 展開頻寬除訊號頻寬)

通訊技術-多工調變

ISU 98

Combined multiple access systems (FDMA &TDMA)

目前2G系統皆為此作法

基地台(FDMA) 用戶(TDMA)

通訊技術-多工調變

ISU 99

FDMATDMACDMA

頻譜時槽使用情況

通訊技術-多工調變

ISU 100

行動用戶與系統

如何找到通話對象?

用戶 ? 用戶

用戶 系統, 系統 用戶

註冊:行動用戶一開機需立刻向系統登錄

認證:任何行動用戶與系統之通訊,皆需通過認證程序

定位:待機中之行動用戶要隨時向系統回報位置

通訊技術-網路系統

ISU 101

電信網路(1)

通訊技術-網路系統

ISU 102

電信網路(2)

通訊技術-網路系統

ISU 103

典型行動通訊網路

通訊技術-網路系統

ISU 104

網路通訊協定

The seven-layer OSI model

通訊技術-網路系統

ISU 105

建立連線: circuit and packet switched network operation

通訊技術-網路系統

ISU 106

第二代行動電話2G

IS-95(CDMA), GSM(TDMA)訊號頻寬小

主要應用為語音

以GSM系統為主 , 數據傳輸則有GPRS

由於使用之普及率高, 基地台基礎建設完整

系統與應用

ISU 107

第三代行動電話3G

WCDMA & CDMA2000 : 皆使用CDMA為主

用戶頻寬可調, 且頻寬大, 適合影音傳輸– 如: 視訊會議, 遠距即時監控, 救護車即時醫療資訊…..

目3G系統不普及– 由於系統業者基地台基礎建設不完整, 手機與費率價格高使用不普及

– 大量之即時數位影音內容尚位建構

– 2G用戶如何處理

系統與應用

ISU 108

2G&3G&4G 相容?共存?取代?

相容: 目前系統規格2G與3G無法相容

共存: 透過雙模式手機同時可接收2G與3G訊號

取代: – GSM之基地台基礎建設完整,– 3G基地台受到抗爭

第四代行動系統規格逐漸成形???經濟與商業行為影響力大於技術

系統與應用