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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:顏志達
論文名稱:使用分碼多工、編碼、和分集技術以改善衛星接收機之效能
論文名稱(外文):Performance improvement of Satellite Receiver via CDMA, Coding, and Diversity
指導教授:洪 賢 昇
指導教授(外文):Hsien-Sen Hung
學位類別:碩士
校院名稱:國立海洋大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
中文關鍵詞:雙航程無重發性衛星通信鏈路通道編碼分碼多工分集技術非線性失真Jakes行動通道全球定位系統
外文關鍵詞:Two-Hop Non-regenerative Satellite LinkChannel CodingCDMADiversityNonlinear distortionJakes mobile channelGPS
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衛星通訊近幾年來引起了廣泛的注意,由於高效率傳輸的日益需求,如何有效利用頻寬與功率已成為設計衛星數位傳輸系統的主要目的。
在本文中主要是以雙航程無重發性衛星通信鏈路(Two-Hop Non-regenerative Satellite Link)來做為模擬及改善的基礎。
在其中,加入了編碼、分碼多工、及分集技術來消除衛星傳送通道的非線性失真。為了增加真實性,論文中增加了Jakes行動通道模擬,以模擬接收機於多重路徑干擾下的問題。
本論文中的研究目標除了改善雙航程衛星通信鏈路外,因為增加了多重存取的分碼多工技術,亦可以用來探討全球定位系統(GPS)和通信衛星於非線性通道及Jakes行動通道下使用分集及通道編碼技術的效能。藉由電腦模擬可以證明採用方法的正確性與有效性。

Much attention is given to digital transmission over satellite channels in recent years. Owing to the growing demand for high-speed data transmission, how to make the best use of power and bandwidth has become the main objective for the design of satellite digital transmission system.
In the thesis, we mainly use Two-Hop Non-regenerative Satellite Link as the foundation for simulation and improvement. In this research, we use coding、 CDMA, and diversity to eliminate nonlinear distortion in satellite channel. For use in the real situation, we also use Jakes mobile channel to simulate the receiver in the multipath enviroment.
Because CDMA is exploited, research objective of the thesis is not only to improve the Two-Hop Non-regenerative Satellite Link, but also to explore the performance of the Global Position System(GPS) and Communication Satellite in nonlinear channel and Jakes model, when diversity and channel coding are used. Computer simulations show the validity and the effectiveness of the proposed methods.

第一章 緒論………………………………………………………………1
1.1. 簡介…………………………………………………1
1.2. 研究動機……………………………………………2
1.3. 論文架構介紹………………………………………3
第二章 衛星發射衛星發射機系統設……………………………………5
2.1. Reed-Solomon編碼器………………………………5
2.2. 迴旋碼編碼器…迴旋碼編碼器……………………8
2.3. 分碼多工系統之簡介……………………………10
2.3.1. 假隨機碼與最大長度序列碼之產生…10
2.3.2. 最大長度序列碼之特性………………15
2.3.3. 最大長度序列碼之頻譜………………17
2.3.4. 展頻通訊系統之簡介…………………19
2.3.5. 直序式展頻調變………………………20
2.4. OQPSK傳送器………………………………………30
2.5. 高功率放大器………………………………………32
第三章 非線性通道通道…………………………………………………36
3.1. 簡介…………………………………………………36
3.2. 行波管(traveling wave tube;TWT)……………37
3.2.1. 伏特拉模型(Volterra Madel)………38
3.2.2. 非線性通道與伏特拉模型的關係……39
3.3. 伏特拉模型應用在衛星通道的特性………………41
3.4. 非線性PSK衛星通道的伏特拉模型………………43
3.5. 上鏈和下送雜訊……………………………………45
3.6. 都卜勒頻移(Doppler shift)……………………47
3.7. Jakes通道模型.……………………………………50
第四章 衛星接收機系統設計…………………………………………54
4.1. 分集合成技術及其在衰落環境之應用……………54
4.1.1 分集技術的原理及種類………………55
4.1.2 合成技術的原理及種類………………58
4.1.3 選擇性合成……………………………59
4.1.4 合成技術效益分析……………………61
4.1.5 選擇性合成效益………………………63
4.2. 帶通濾波器…………………………………………65
4.3. OQPSK接收器…………………………………………65
4.4. 匹配濾波器…………………………………………66
4.5. 訊號擷取與追蹤……………………………………70
4.5.1. 載波追蹤…………………………………73
4.5.2. 電碼追蹤…………………………………83
4.6. 威特比演算法迴旋碼解碼器………………………88
4.7 Reed Solomon解碼器………………………………93
4.7.1. RS code解碼的介紹……………………93
4.7.2. Inverse-Free Berlekamp-Massey                  algorithm………………………………97
第五章 衛星收發機的測試與討論……………………………………106
5.1. 雙航程衛星鏈路的分析與探討…………………113
5.2. 只加入分集技術時的模擬與探討………………118
5.3. 只加入分碼多工技術時的模擬與探討…………120
5.4. 使用分碼多工和分集技術時的模擬與探討……123
第六章 結論與未來展望………………………………………………134
參考文獻…………………………………………………………………136
圖表目錄
圖 2.1 衛星軟體發射機架構圖…………………………………………5
圖 2.2 迴旋碼編碼器……………………………………………………9
圖 2.3 線性迴授移位暫存器……………………………………………22
圖 2.4 非線性移位迴授暫存器…………………………………………22
圖 2.5 單一迴授移位暫存產生器………………………………………23
圖 2.6 多重返回移位暫存器……………………………………………23
圖 2.7 (a)非最大長度序列碼之移位暫存產生器……………………24
圖 2.7 (b)不同初始值情況下,移位暫存器的狀態圖………………24
圖 2.8 最大長度序列碼自相關函數關係圖……………………………25
圖 2.9 最大長度序列碼之功率頻譜……………………………………25
圖 2.10 Gold Code產生器………………………………………………26
圖 2.11 直序式之展頻架構………………………………………………27
圖 2.12 OQPSK傳送器……………………………………………………31
圖 3.1 衛星數位傳輸通道………………………………………………36
圖 3.2 實數伏特拉模型…………………………………………………39
圖 3.3 非線性衛星通道模型……………………………………………41
圖 3.4 白色雜訊之特色(a)功率譜密度………………………………46
圖 3.4 白色雜訊之特色(b)自相關函數………………………………47
圖 3.5 聲波進行式意圖…………………………………………………49
圖 3.6 Jakes model的數學模型………………………………………51
圖 3.7 Jakes model的振幅分布………………………………………53
圖 3.8 Jakes model的相位分布………………………………………53
圖 4.1 衛星軟體接收機架構圖…………………………………………54
圖 4.2 選擇性合成方塊圖………………………………………………60
圖 4.3 同調QPSK接收器的方塊圖………………………………………66
圖 4.4 線性接收器………………………………………………………67
圖 4.5 (a)矩形脈波 (b)匹配濾波器輸出 (c)積分器輸出……69
圖 4.6 積分-取出線路…………………………………………………70
圖 4.7 數位式電碼與載波追蹤迴路……………………………………72
圖 4.8 鎖相迴路方塊圖…………………………………………………74
圖 4.9 科斯塔迴路方塊圖………………………………………………76
圖 4.10 載波追蹤迴路……………………………………………………77
圖 4.11 結合鎖相與鎖頻之濾波器………………………………………82
圖 4.12 時延鎖定迴路……………………………………………………85
圖 4.13 時延鎖定迴路波形………………………………………………86
圖 4.14 電碼追蹤迴路……………………………………………………87
圖 4.15 (2,1,2)迴旋碼編碼器的格子表示…………………………89
圖 4.16 威特比演算法(VA)的程式架構流程圖………………………91
圖 4.17 RS codes 代數解碼法步驟……………………………………104
圖 4.18 Inverse-Free Berlekamp-Massey演算法流程圖……………105
圖 5.1 衛星收發機模擬架構圖………………………………………108
以下為雙航程衛星鏈路的模擬圖:
圖 5.2 OQPSK發射訊號的連續I/Q圖…………………………………112
圖 5.3 經過回音消除器之連續I/Q圖…………………………………112
圖 5.4 經過衛星高功率放大器之連續I/Q圖…………………………113
圖 5.5 經過帶通濾波器之連續I/Q圖…………………………………113
圖 5.6 OQPSK接收機之散佈圖…………………………………………114
圖 5.7 OQPSK接收機之眼圖……………………………………………114
圖 5.8 發射端OQPSK調變信號之功率頻譜……………………………115
圖 5.9 經非線性元件、Jakes model、上下鏈雜訊,最後經過帶通濾
波器之功率頻譜.………………………………………………115
圖 5.10 只使用通道編碼的BER v.s SNR之關係圖……………………116
以下為只加入分集技術時的模擬圖:
圖 5.11 經過帶通濾波器之連續I/Q圖…………………………………117
圖 5.12 OQPSK接收機之散佈圖…………………………………………117
圖 5.13 OQPSK接收機之眼圖……………………………………………118
圖 5.14 加入了分集技術時的BER v.s SNR之關係圖…………………118
以下為只加入分碼多工時的模擬圖:
圖 5.15 經過帶通濾波器之連續I/Q圖…………………………………119
圖 5.16 CDMA接收機之散佈圖.…………………………………………120
圖 5.17 CDMA接收機之眼圖.……………………………………………120
圖 5.18 加入了分碼多工時的BER v.s SNR之關係圖…………………121
以下為整合分集技術與分碼多工時的模擬圖:
圖 5.19 欲編碼資料位元與經過數據編碼和展頻編碼後的編碼字…122
圖 5.20 接收到的編碼位元與經過解展頻碼和數據解碼還原後的資…123
圖 5.21 CDMA發射訊號的連續I/Q圖……………………………………125
圖 5.22 經過回音消除器之連續I/Q圖…………………………………125
圖 5.23 經過衛星高功率放大器之連續I/Q圖…………………………126
圖 5.24 經過帶通濾波器之連續I/Q圖…………………………………126
圖 5.25 CDMA接收機之散佈圖.…………………………………………127
圖 5.26 CDMA接收機之眼圖.……………………………………………127
圖 5.27 發射端CDMA發射機之功率頻譜.………………………………128
圖 5.28 經非線性元件、Jakes model、上下鏈雜訊,最後經過帶通濾
波器之功率頻譜.………………………………………………128
圖 5.29 BER v.s SNR之關係圖…………………………………………129
圖 5.30 只使用分集技術時BER v.s SNR之關係圖(S_to_D_Ratio_in_dB=0.001)……………………………………………130
圖 5.31 只使用分碼多工時BER v.s SNR之關係圖(S_to_D_Ratio_in_dB=0.001)……………………………………………130
圖 5.32 整合分集技術和分碼多工時BER v.s SNR之關係圖(S_to_D_Ratio_in_dB=0.001)……………………………………………131
表 2.1 相同週期之最大長度序列的不同連結方式……………………28
表 2.2 不同位移暫存器數目所能產生最大列的多項式數目與不可約分
多項式的數目…………………………………………………29
表 4.1 相位偵測器之法則與輸出………………………………………79
表 4.2 頻率偵測器之法則與輸出………………………………………80
表 4.3 電碼偵測法則……………………………………………………85
表 4.4 (2,1,2)迴旋碼解碼對照表………………………………93
表 5.1 使用技術解決問題對照表……………………………………109
表 5.2 第五章各節模擬技術使用表…………………………………109
表 5.3 位元錯誤率圖模擬說明表……………………………………110
表 5.4 整體網路參數…...……………………………………………110
表 5.5 編碼長度及方式...……………………………………………111
表 5.6 分碼多工參數(Gold Code)……………………………………111
表 5.7 Jakes Model 參數……………………………………………112
表 5.8 在訊雜比為9dB時,不同參數S_to_D_in_dB,所對應的位元錯
誤率值……………………………………… 133

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