第五章-通信原理

1、 本章學習要求： 掌握：信道的定義 掌握：無線信道與有線信道 掌握：復用技術(shù)和多址技術(shù) 掌握：頻分復用FDM和時分復用TDM 了解：分多址FDMA、時分多址TDMA、碼分多址 CDMA和混合多址等幾種方式 51 通信信道概述 信道定義：信道定義： 以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道。以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道。 狹義信道狹義信道: : 信號的傳輸媒質(zhì)信號的傳輸媒質(zhì) 廣義信道廣義信道: :包括有關(guān)的變換裝置包括有關(guān)的變換裝置 調(diào)制信道：調(diào)制信道： 編碼信道：編碼信道： 有線信道：有線信道：明線明線,電纜電纜,光纖光纖,波導管等。波導管等。 無線信道：無線信道： 地波、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼

2、、人造地波、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造 衛(wèi)星中繼等。衛(wèi)星中繼等。 關(guān)心的是調(diào)制器輸出的信號形式、解調(diào)器輸入端信號與噪關(guān)心的是調(diào)制器輸出的信號形式、解調(diào)器輸入端信號與噪 聲的最終特性。聲的最終特性。 編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。 編 碼 器 收 端 轉(zhuǎn) 換 器 解 調(diào) 器 譯 碼 器 媒 質(zhì) 發(fā) 端 轉(zhuǎn) 換 器 調(diào) 制 器 狹義信道狹義信道 調(diào)制信道調(diào)制信道 編碼信道編碼信道 明線 5 雙絞線 568A標準：綠白，綠，橙白，藍，藍白，橙，棕白，棕 568B標準：橙白，橙，綠白，藍，藍白，綠，棕白，棕 n抗干擾能力較差。抗干擾能力較差。 n帶

3、寬和傳輸距離帶寬和傳輸距離：決定于銅線的粗細 同軸電纜同軸電纜(Coaxial Cable) 同軸電纜的分類同軸電纜的分類 基帶同軸電纜：基帶同軸電纜：50歐姆電纜，用于數(shù)字傳歐姆電纜，用于數(shù)字傳 輸。數(shù)據(jù)傳輸速率：輸。數(shù)據(jù)傳輸速率：10Mb/s，信號傳輸距信號傳輸距 離：離：1-1.2km。 寬帶同軸電纜：寬帶同軸電纜：75歐姆電纜，用于模擬傳歐姆電纜，用于模擬傳 輸。輸。CATV中標準傳輸電纜，帶寬可達：中標準傳輸電纜，帶寬可達： 300-450MHz,傳輸距離：傳輸距離：100km。 同軸電纜的優(yōu)缺點同軸電纜的優(yōu)缺點 q抗干擾能力強抗干擾能力強 q帶寬寬，數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸距離遠。帶寬

4、寬，數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸距離遠。 q價格貴，很重，無法結(jié)構(gòu)化布線價格貴，很重，無法結(jié)構(gòu)化布線 應(yīng)用：電視網(wǎng)絡(luò)、近距離計算機網(wǎng)絡(luò)、長途電應(yīng)用：電視網(wǎng)絡(luò)、近距離計算機網(wǎng)絡(luò)、長途電 話傳輸話傳輸 光纖、光纜光纖、光纜 q軸心軸心：玻璃材：玻璃材質(zhì)質(zhì), 用來傳送用來傳送光波光波訊號訊號。 q被覆被覆層層：折射率：折射率極極低的物低的物質(zhì)質(zhì)。 q外皮：不透光的材外皮：不透光的材質(zhì)質(zhì), 用以隔用以隔絕絕外在的干外在的干擾源擾源, 保保護護脆弱的脆弱的軸心軸心。 光纖 結(jié)構(gòu) 纖芯 包層 按折射率分類 階躍型 梯度型 按模式分類 多模光纖 單模光纖 折射率 n1n2 折射率 n1 n2 710 125 折射率

5、 n1n2 單模階躍折射單模階躍折射 率光纖率光纖 (a) (b) (c) 光電轉(zhuǎn)換器光電轉(zhuǎn)換器 光纖的類型光纖的類型 q單模光纖單模光纖：軸心直徑較細軸心直徑較細, 約約 510 微米微米, 傳輸距離長傳輸距離長, 散射率小散射率小,傳輸傳輸效能效能極佳極佳。 q多模光多模光纖纖：軸心直徑較寬軸心直徑較寬,約約50100 微米微米, 傳輸距離傳輸距離短短, 傳輸傳輸效能效能略差略差。 光纖工作波段光纖工作波段 目前，在試驗室中光纖帶寬超過目前，在試驗室中光纖帶寬超過50Tbps；8 2.5 Gbps，8 10 Gbps ，32 10 Gbps的光纖傳輸已經(jīng)的光纖傳輸已經(jīng) 實用實用 常用的三個

6、波長窗口（光纖波段）常用的三個波長窗口（光纖波段） 0.85um：衰減（衰減（attenuation)大，傳輸速率和距離受大，傳輸速率和距離受 限制，但價格便宜限制，但價格便宜 1.30um：衰減小，無色散（衰減小，無色散（dispersion）補償、功率補償、功率 放大情況下，最大傳放大情況下，最大傳40km（最壞情況）最壞情況） 1.55um：衰減小，無色散補償、功率放大情況下，最衰減小，無色散補償、功率放大情況下，最 大傳大傳80km（最壞情況）最壞情況） 無線信道 無線信道電磁波的頻率 受天線尺寸限制 地球大氣層的結(jié)構(gòu) 對流層：地面上 0 10 km 平流層：約10 60 km 電離層

7、：約60 400 km 地 面 對流層 平流層 電離層 10 km 60 km 0 km 電離層對于傳播的影響 反射 散射 大氣層對于傳播的影響 散射 吸收 電磁波的分類： 地波 頻率 2 MHz 有繞射能力 距離：數(shù)百或數(shù)千千米 天波 頻率：2 30 MHz 特點：被電離層反射 一次反射距離：語音編碼速率，NR bit/s； 發(fā)射信號速率隨N的增大而提高,需要自適應(yīng)均 衡； 不需雙工器； 基站復雜性減小，只需一部收發(fā)信機； 頻率利用率高，容量大 越區(qū)切換簡單 共52頁 67 5.6 CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng) 5 56 61 CDMA1 CDMA系統(tǒng)的基本原理系統(tǒng)的基本原理 5 56 61 1

8、1 CDMA1 CDMA的基本概念的基本概念 頻分多址頻分多址FDMA FDMA 時分多址時分多址TDMA TDMA 碼分多址碼分多址CDMA CDMA 三種基本多址接入方式示意 5612 CDMA移動通信系統(tǒng)分類 根據(jù)系統(tǒng)所采用的擴頻技術(shù)，即獲得寬帶信號所采用的 調(diào)制方式進行劃分，把CDMA移動通信系統(tǒng)分為直接序 列擴頻DS系統(tǒng)、跳頻FH系統(tǒng)、跳時TH以及它們的混合 等幾種。 1. 直擴DS方式直接序列擴頻調(diào)制方式，它將數(shù)字信 號與高速率的擴頻序列碼直接相乘后調(diào)制到載波上進 行發(fā)射，其原理框圖如下圖所示。 2.跳頻FH方式簡稱FH方式，其載頻在同一個時間周 期內(nèi)不變，但在下一個時間周期內(nèi)卻可

9、能跳變到了另 一個許可的頻率上，其跳變的模式由偽隨機擴頻序列 碼決定。一般將所有可用的載波頻率集合稱為跳頻集。 DSDSCDMACDMA收發(fā)框圖收發(fā)框圖 FHCDMA收發(fā)框圖 載波 發(fā)生器 數(shù)據(jù)信息 調(diào)制 向上 轉(zhuǎn)換器 向下 轉(zhuǎn)換器 數(shù)據(jù)信息 解調(diào) 本地PN碼 生成 本地載波 發(fā)生 PN碼 生成 同步追蹤 3. 跳時方式跳時擴頻的信號以快速突發(fā)脈沖的形式在時隙上傳輸，而 使用的時隙則由分配給用戶的編碼決定，簡稱TH方式。 4混合方式指為了綜合利用各多址方式的優(yōu)點并抑制其缺點，同時采 用前述三種多址方式中的兩種或多種的調(diào)制方式。目前常用的混合方式 是DSCDMA方式。 5613 CDMA移動通信

10、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) CDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 562 CDMA移動通信系統(tǒng)的特點 1.強抗干擾能力 ; 2.系統(tǒng)容量大，接通率高; 3.系統(tǒng)容量的配置靈活 ; 4.語音質(zhì)量更佳 ; 5.不易掉話 ; 6.延長手機電池壽命 ; 7.低攔截概率LPI . 563 CDMA移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 通信系統(tǒng)的性能衡量從有效性、可靠性和安全性三個方面著。 CDMA移動通信系統(tǒng)采取的措施主要包括： 用于抗慢衰落的功率控制技術(shù)用于抗慢衰落的功率控制技術(shù); 抗頻率選擇性衰落的抗頻率選擇性衰落的Rake接收接收; 抗空間選擇性衰落的分集接收和發(fā)送技術(shù)抗空間選擇性衰落的分集接收和發(fā)送技術(shù); 抗掉話現(xiàn)象的軟切換技術(shù)抗掉話現(xiàn)象

11、的軟切換技術(shù); 提高通話質(zhì)量的線性預(yù)測話音編碼技術(shù)。提高通話質(zhì)量的線性預(yù)測話音編碼技術(shù)。 5631 功率控制技術(shù) “遠近效應(yīng)”現(xiàn)象如果所有的移動臺都以同樣的發(fā)射功率工作，則離基站遠的移 動臺的信號在到達基站時將受到離基站近的移動臺信號的影響甚至被淹沒，出 現(xiàn)強信號壓制弱信號的情況。解決上述現(xiàn)象的有效技術(shù)是功率控制。 反向開環(huán)功率控制用于控制小區(qū)內(nèi)所有移動臺發(fā)射信號在到達基站時都達 到標稱功率，以補償陰影、拐彎等效應(yīng)及平均路徑衰落。 反向閉環(huán)功率控制根據(jù)接收信號估算出移動臺的開環(huán)功率并立即進行調(diào)整 或補償，使移動臺保持最適當?shù)陌l(fā)射功率。 前向功率控制基站根據(jù)測量結(jié)果自行調(diào)整每個移動臺的發(fā)射功率，

12、對路徑 衰落小的移動臺分派較小的前向鏈路功率，而對那些遠離基站的和誤碼率較高 的移動臺分派較大的前向鏈路功率。 5632 PN地址碼的選擇與實現(xiàn) CDMA系統(tǒng)中的信號都占用同樣的頻段同時發(fā)送，它們對信道的區(qū)分完 全依賴于用收端的再生地址碼對信號的相關(guān)解調(diào)來完成。 地址碼選擇的好壞必將影響系統(tǒng)的容量、抗干擾力、接入及切換速率等 性能。 所選用的地址碼應(yīng)該具有足夠多的地址碼碼組序列、各地址碼組間彼此 獨立（互相關(guān)函數(shù)值為零或很?。⒉煌拇a元數(shù)應(yīng)平衡相等等幾個特 點。 通常用偽噪聲 序列模擬符合上述要求的高斯噪聲信號，常用的有 序 列、 序列和 碼。 PN mGoldWalsh 5633 軟切換技

13、術(shù) “硬切換”方式，即當一個正在通話中的移動用戶從一個基站覆蓋區(qū)進入 另一個基站覆蓋區(qū)時，因為原基站與新基站的載波頻率不同，移動臺必 須在接收新基站的信號之前，切斷與原基站的聯(lián)系，然后再尋找新進入 的覆蓋區(qū)的基站頻率進而與之進行聯(lián)系，此即通常所說的“先斷開后連接”。 “軟切換”技術(shù)，即先連接、再斷開。在通信用戶進行越區(qū)切換時，手機并 不斷掉與原基站的聯(lián)系而是同時與新基站進行聯(lián)系，只有當手機確認已 經(jīng)和新基站聯(lián)系上已后，它才將與原基站的聯(lián)系斷開，使掉話的發(fā)生率 大為降低。 5634 CDMA的話音編碼技術(shù) CDMA通信系統(tǒng)的話音編碼主要采用碼激勵線性預(yù)測QCELP語音編碼技 術(shù)。 QCELP技術(shù)

14、將脈沖位置和幅度用一個矢量碼表代替來量化差值信號。 對插入的語音信號按對插入的語音信號按 頻率進行抽樣；頻率進行抽樣； 將其分為幀長將其分為幀長 ，每一幀含，每一幀含 160個抽樣的語音幀；個抽樣的語音幀； 將該幀中的將該幀中的160樣點值生成樣點值生成3個參數(shù)子幀個參數(shù)子幀,即線性預(yù)測編碼濾波器參數(shù)（它對即線性預(yù)測編碼濾波器參數(shù)（它對 任何速率都是每任何速率都是每 更新一次）；音調(diào)參數(shù)（它的更新次數(shù)隨速率不同而異）；更新一次）；音調(diào)參數(shù)（它的更新次數(shù)隨速率不同而異）； 碼表參數(shù)（其更新次數(shù)也隨速率而變）；碼表參數(shù)（其更新次數(shù)也隨速率而變）； 3個參數(shù)更新后按一定幀結(jié)構(gòu)送至接收端，由接收端從接

15、收的數(shù)據(jù)流中解包個參數(shù)更新后按一定幀結(jié)構(gòu)送至接收端，由接收端從接收的數(shù)據(jù)流中解包 而獲得這些參數(shù)；而獲得這些參數(shù)； 根據(jù)這些參數(shù)重組語音信號。根據(jù)這些參數(shù)重組語音信號。 Khz8 ms20 s20 5635 分集技術(shù)與Rake接收 多徑快衰落：空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和時間選擇性衰 落的快衰落。 CDMA的分集接收技術(shù)：空間分集、頻率分集和時間分集等 空間分集利用不同空間收到的信號衰落的獨立性來完成抗衰落功能?？臻g分集利用不同空間收到的信號衰落的獨立性來完成抗衰落功能。 頻率分集將待發(fā)送的信息分別以不同載波調(diào)制后發(fā)送至信道，減少頻率分集將待發(fā)送的信息分別以不同載波調(diào)制后發(fā)送至信道，減少

16、了接收天線設(shè)備數(shù)量，但它占用了更多的頻譜資源且發(fā)射機數(shù)目相了接收天線設(shè)備數(shù)量，但它占用了更多的頻譜資源且發(fā)射機數(shù)目相 應(yīng)增加。應(yīng)增加。 時間分集技術(shù)利用隨機衰落信號當其取樣時間間隔足夠大時，任意時間分集技術(shù)利用隨機衰落信號當其取樣時間間隔足夠大時，任意 兩個取樣點之間的衰落相互獨立的性質(zhì)，使待發(fā)送信號每隔一個大兩個取樣點之間的衰落相互獨立的性質(zhì)，使待發(fā)送信號每隔一個大 于時間相關(guān)區(qū)域的間隔于時間相關(guān)區(qū)域的間隔T重復發(fā)送，則接收端得到相應(yīng)獨立的各分重復發(fā)送，則接收端得到相應(yīng)獨立的各分 集支路。集支路。 Rake接收技術(shù)是在手機內(nèi)設(shè)計多個接收機，同時分別接收每一路 的信號并獨立進行解調(diào)，然后再將接收并解調(diào)了的信號綜合疊加， 濾掉噪聲后通過放大使輸出增強，形成清晰悅耳的話音信號，富 有立體效果。 564 CDMA標準 CDMA標準的發(fā)展大致過程為： 第一階