移動通信技術第2章

第2章移動通信的關鍵技術2.1多址技術2.2均衡與分集接收技術2.3語音編碼及信道編碼技術2.4擴頻技術2.5移動通信的組網技術本章小結習題與思考題

2.1多址技術

移動通信系統是一個多信道同時工作的系統，具有廣播信道和大面積覆蓋的特點。在無線通信環(huán)境的電波覆蓋區(qū)內，如何建立用戶之間的無線信道的連接，是多址方式的問題。解決多址方式問題的方法叫做多址技術。多址技術是指射頻信道的復用技術，對于不同的移動臺和基站發(fā)出的信號賦予不同的特征，使基站能從眾多的移動臺發(fā)出的信號中區(qū)分出是哪個移動臺的信號，移動臺也能識別基站發(fā)出的信號中哪一個是發(fā)給自己的。信號特征的差異可表現在某些特征上，如工作頻率、出現時間、編碼序列等，多址技術直接關系到蜂窩移動通信系統的容量。

蜂窩移動系統中常用的多址方式有頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)。下面將分別介紹它們的原理。2.1.1頻分多址(FDMA)

FDMA把可以使用的總頻段劃分成為若干個占用較小帶寬的等間隔的頻道，這些頻道在頻域上互不重疊，每個頻道就是一個通信信道，分配給一個用戶。其寬度能傳輸一路語音或數據信息，而在相鄰頻道之間無明顯的串擾。圖2-1所示為FDMA的頻道劃分示意圖。圖2-2所示為FDMA系統的工作示意圖。圖2-1FDMA的頻道劃分示意圖圖2-2FDMA系統的工作示意圖由以上兩圖可以看出，在頻分雙工(FDD)系統中，分配給用戶一個信道，即一對頻率。一個頻率做下行信道，即BS向MS方向的信道；另一個頻率做上行信道，即MS向BS方向的信道。在頻率軸上，下行信道占有較高的頻帶，上行信道占有較低的頻帶，中間為上、下行的保護頻帶。在用戶頻道之間，設有保護頻隙Fg，以免因系統的頻率飄移而造成頻道間的重疊。

在工作過程中，FDMA系統的基站必須同時發(fā)射和接收多個不同頻率的信號；任意兩個移動用戶之間進行通信都必須經過基站的轉接，因而必須占用2個信道(2對頻率)才能實現雙工通信。不過，移動臺在通信過程中所占用的頻道并不是固定分配的，它通常是在通信建立階段由系統控制中心臨時分配，通信結束后，移動臺將退出它所占用的頻道，這些頻道又可以分配給別的用戶使用。該多址方式有如下幾個特點：

(1)單路單載頻。每個頻道一對頻率，只可傳送一路語音，頻率利用率低，系統容量有限。

(2)信息連續(xù)傳輸。系統分配給移動臺和基站一對FDMA信道，它們利用此信道連續(xù)傳輸信號，直到通話結束，信道收回。

(3)需要周密的頻率計劃，頻率分配工作復雜。

(4)基站有多部不同頻率的收/發(fā)信機同時工作，基站的硬件配置取決于頻率計劃和頻道配置。

(5)技術成熟,設備簡單,但頻率利用率低,系統容量小。

(6)單純的FDMA只能用于模擬蜂窩系統中。2.1.2時分多址(TDMA)

在時分多址系統中，把時間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時隙(幀或時隙互不重疊)，每一個時隙就是一個通信信道，然后根據一定的時隙分配原則，使各個移動臺在每幀內只能按指定的時隙向基站發(fā)送信號。在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收到各移動臺的信號而不發(fā)生干擾。同時基站發(fā)向多個移動臺的信號都按順序安排在預定的時隙中傳輸，各移動臺只要在指定的時隙內接收就能在合路的信號中把發(fā)給自己的信號區(qū)分出來。圖2-3所示為TDMA系統的工作示意圖。該多址方式有如下主要特點：

(1)每載頻多路信道。TDMA系統在每一頻率上產生多個時隙，每個時隙就是一個信道，在基站控制分配下，可為任意一個移動用戶提供電話或非話業(yè)務。

(2)利用突發(fā)脈沖序列傳輸。移動臺信號功率的發(fā)射是不連續(xù)的，只是在規(guī)定的時隙內發(fā)射脈沖序列。

(3)傳輸速率高，自適應均衡。每載頻含有時隙多，則頻率間隔寬，傳輸速率高，但數字傳輸帶來了時間色散，使時延擴展加大，故必須采用自適應均衡技術。

(4)傳輸開銷大。由于TDMA分成時隙傳輸，因此收信機在每一突發(fā)脈沖序列上都得重新獲得同步。為了把一個時隙和另一個時隙分開，保護時間也是必須的。因此，TDMA系統通常比FDMA系統需要更多的開銷。

(5)對于新技術是開放的。例如，當語音編碼算法的改進而使比特速率降低時，TDMA系統的信道很容易重新配置，以接納新技術。

(6)共享設備的成本低。由于每個載頻為多個客戶提供服務，因此TDMA系統共享設備的每客戶平均成本與FDMA系統相比是大大降低了。

(7)移動臺設計較復雜。它比FDMA系統移動臺完成更多的功能，需要復雜的數字信號處理。圖2-3TDMA系統的工作示意圖2.1.3碼分多址(CDMA)

在碼分多址(CDMA)通信系統中，不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來區(qū)分的，而是用不同的碼型(也稱為地址碼)來區(qū)分的，系統中所使用的地址碼必須相互(準)正交。在該方式中，碼型即為信道。如果從頻域或時域來觀察，多個CDMA信道是互相重疊的。接收機用相關器可以在多個CDMA信號中選出其中使用預定碼型的信號，而其他使用不同碼型的信號不被解調。圖2-4所示為CDMA系統的工作示意圖。圖2-4CDMA系統的工作示意圖

CDMA技術近幾年來得到了迅速的發(fā)展，已成為一項全球性的無線通信技術，它具有如下優(yōu)點：

(1)系統具有軟容量，能實現多媒體通信；

(2)語音質量高，抗干擾能力強；

(3)無需防護間隔；

(4)實現低功耗；

(5)建網成本下降。2.1.4空分多址(SDMA)

空分多址(SDMA)是指利用無線電波束在空間的不重疊分割構成不同的信道，將這些空間信道分配給不同地址的用戶使用，空間波束與用戶具有一一對應的關系，依波束的空間位置區(qū)分來自不同地址的用戶信號，從而完成的多址連接。在移動通信中，能實現空間分割的基本技術就是采用自適應陣列天線，在不同用戶方向上形成不同的波束。SDMA系統的工作示意圖如圖2-5所示。圖2-5SDMA系統的工作示意圖

SDMA使用定向波束天線來服務于不同的用戶。相同的頻率或不同的頻率用來服務于被天線波束覆蓋的這些不同區(qū)域。扇形天線可被看做是SDMA的一個基本方式。在極限情況下，自適應陣列天線具有極小的波束和極快的跟蹤速度，它可以實現最佳的SDMA。將來有可能使用自適應天線，迅速地引導能量沿用戶方向發(fā)送，這種天線最適合于TDMA和CDMA。

CDMA和SDMA有相互補充的作用，當幾個用戶靠得很近的時候，SDMA技術無法精確分辨用戶位置，每個用戶都會因受到臨近用戶的強干擾而無法正常工作，所以采用CDMA的擴頻技術可以很輕松地降低其他用戶的干擾。因此，將SDMA和CDMA技術結合起來，即SCDMA可以充分發(fā)揮這兩種技術的優(yōu)越性。

2.2均衡與分集接收技術

由于傳輸信道特性的不理想，因此在實際的數字通信系統中總是存在碼間干擾。為了克服這個干擾，可在接收端抽樣判決之前附加一個可調濾波器，來校正或補償信號傳輸中產生的線性失真。這種對系統中的線性失真進行校正的過程就叫做均衡，而實現均衡的濾波器就是均衡濾波器。均衡技術就是用來克服信道中碼間干擾的一種技術。

分集技術就是研究如何利用多徑信號來改善系統的性能。它利用多條具有近似相等的平均信號強度和相互獨立衰落特性的信號路徑來傳輸相同信息，并在接收端對這些信號進行適當的合并，以便大大降低多徑衰落的影響，從而改善傳輸的性能。

下面分別介紹均衡技術和分集接收技術的工作原理。2.2.1均衡技術

均衡分為頻域均衡和時域均衡兩類。頻域均衡是指使包括均衡器在內的整個系統的總傳輸函數滿足無失真?zhèn)鬏數臈l件。時域均衡是指直接從時間響應的角度去考慮，使均衡器與實際傳輸系統總和的沖擊響應接近無碼間干擾的條件。頻域均衡比較直觀且易于理解，常用于模擬通信系統中，而數字通信系統中常用的是時域均衡。因此，本節(jié)只介紹時域均衡的原理。

時域均衡的基本原理可通過圖2-6來說明。它利用波形補償的方法對失真波形直接加以校正，這可以通過觀察波形的方法直接進行調節(jié)。圖2-6(a)所示為單個脈沖的發(fā)送波形，圖2-6(b)所示為經過信道和接收濾波器后輸出的信號波形。由于信道特性的不理想和干擾造成了波形的失真，附加了一個“拖尾”。這個尾巴將在t0－2Tb、t0－Tb、t0+Tb、t0+2Tb各抽樣點上對其他碼元信號的抽樣判決造成干擾。如果設法加上一個與拖尾波形大小相等、極性相反的補償波形(如圖2-6(c)所示)，那么這個波形恰好就把原失真波形中多余的“尾巴”抵消掉。這樣，校正后的波形就不再有“拖尾”了，如圖2-6(d)所示，這樣就消除了該碼元對其他碼元信號的干擾，達到了均衡的目的。圖2-6時域均衡的原理接下來的問題就是如何得到補償波形及如何實現時域均衡。時域均衡所需要的補償波形可以由接收到的波形經過延遲加權后得到，所以均衡濾波器實際上由一抽頭延遲線加上一些可變增益的放大器組成，如圖2-7(a)所示。它共有2N節(jié)延遲線，每節(jié)的延遲時間都等于碼元寬度Tb，在各節(jié)延遲線之間引出抽頭共(2N+1)個。每個抽頭的輸出經可變增益(增益可正可負)放大器加權后輸出。因此，當輸入有失真的波形x(t)時，只要適當選擇各個可變增益放大器的增益Ci

(i=

－N，－N+1，…，0，…，N)，就可以使相加器輸出的信號y(t)對其他碼元波形造成的串擾最小。圖2-7(b)、(c)分別為存在碼間干擾的信號x(t)和經過均衡后在判決時刻不存在碼間干擾的信號y(t)的波形。理論上，拖尾只有當t→∞時才會為0，故必須用無限長的均衡濾波器才能對失真波形進行完全校正，但事實上拖尾的幅度小于一定值時就完全可以忽略其影響了，即一般信道只需要考慮一個碼元脈沖對其臨近的有限幾個碼元產生串擾的情況就足夠了，故在實際中只要采用有限個抽頭的濾波器就可以了。

均衡器在實際使用過程中，通常都用示波器來觀察均衡濾波器的輸出信號的眼圖，通過反復調整各個增益放大器的增益Ci，使眼圖的眼睛達到最大且最清晰為止。圖2-7均衡濾波器2.2.2分集接收技術

1．分集接收的概念

所謂分集接收，是指接收端對它收到的多個衰落特性互相獨立(攜帶同一個信息數據流)的信號進行特定的處理，以降低信號電平起伏的方法。其基本思想是：將接收到的多徑信號分離成獨立的多路信號，然后將這些多路分離信號的能量按一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號能量最大，數字信號誤碼率最小。

分集有兩重含義：一是分散傳輸，使接收端能獲得多個統計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號；二是集中處理，即接收機把收到的多個統計獨立的衰落信號進行合并，以降低衰落的影響。

2．常用的分集接收技術

分集接收技術的種類有很多種，人們分別從時域、頻域和空域上考慮去克服多徑效應所帶來的衰落，因此分集接收技術就包括了時間分集、頻率分集、空間分集和極化分集等。下面分別加以介紹。

1)時間分集

對于一個隨機衰落的信道來說，若對其振幅進行順序取樣，那么在時間上間隔足夠遠(大于相干時間)的2個樣點是互不相關的。這就提供了實現分集的一種方法——時間分集，即發(fā)射機將給定的信號在相隔一定的時間上重復傳輸M次，只要時間間隔大于相干時間，接收機就可以得到M條獨立的分集支路，接收機再將這一重復收到的多路同一信號進行合并，就能減小衰落的影響。時間分集主要用于在衰落信道中傳輸數字信號，這有利于克服移動信道中因多普勒效應而引起的信號衰落現象。由于它的衰落速率與移動臺的運動速度及工作波長有關，為了使重復傳輸的數字信號具有獨立的特性，必須保證數字信號的重發(fā)時間間隔滿足以下關系：

ΔT≥(2-1)式中：fm為衰落速率；v為移動臺的運動速度；λ為工作波長。若移動臺處于靜止狀態(tài)，即v=0，由式(2-1)可知，要求ΔT為無窮大，表明時間分集對靜止狀態(tài)的移動臺無助于減小此種衰落。時間分集只需使用一部接收機和一副天線。

2)頻率分集

由于頻率間隔大于相關帶寬的兩個信號所遭受的衰落可以認為是不相關的，因此可以用兩個以上不同的頻率傳輸同一信息，以實現頻率分集。根據相關帶寬的定義有Bc=1/(2πΔ)，其中Δ為延時擴展。例如，市區(qū)中，Δ=3μs，Bc約為53kHz，這樣頻率分集需要兩部發(fā)射機(頻率相隔

53kHz以上)同時發(fā)送同一信號，并用兩部獨立的接收機來接收信號。另外，在移動通信中，可采用信號載波頻率跳變(調頻)技術來達到頻率分集的目的，只是要求頻率跳變的間隔應大于信道的相關帶寬。

3)空間分集

空間分集是利用場強隨空間的隨機變化實現的。在移動通信中，空間的任何變化都可能引發(fā)場強的變化。一般兩副天線間的間距越大，多徑傳播的差異也越大，接收場強的相關性就越小，因此衰落也就很難同時發(fā)生。換句話說，利用兩副天線的空間間隔可以使接收信號的衰落降低到最小。

移動通信中空間分集的基本做法是在基站的接收端使用兩副相隔一定距離的天線對上行信號進行接收，這兩幅天線分別稱為接收天線和分集接收天線。這兩副接收天線的距離相隔為d，d與工作波長λ、地物及天線高度有關，在移動信道中，通常取：市區(qū)d=0.5λ

郊區(qū)d=0.8λ

在滿足上述條件時，兩信號的衰落相關性已很弱；d越大，相關性就越弱。

在900MHz的頻段工作時，兩副天線的間隔也只需

0.27m，在小汽車的頂部安裝這樣兩副天線并不困難，因此空間分集不僅適用于基站(取d為幾個波長)，也可用于移動臺。

4)極化分集

移動環(huán)境下，兩個在同一地點，極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號具有不相關的特性。利用這一點，在發(fā)送端同一地點分別裝上垂直極化天線和水平極化天線，就可得到兩路衰落特性互不相關的信號。極化分集實際上是空間分集的特殊情況，其分集支路只有兩路。這種方法的優(yōu)點是結構比較緊湊，節(jié)省時間；缺點是由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，因此信號功率要損失3dB。

目前，可以將這種分集天線集成于一副發(fā)射天線和一副接收天線。若采用雙工器，則只需一副收/發(fā)合一的天線，但對天線要求較高。

3．分集合并方式

接收端收到M(M≥2)個分集信號后，如何利用這些信號以減小衰落的影響，這就是合并問題。一般均使用線性合并器，把輸入的M個獨立衰落信號相加后合并輸出。

假設M個輸入信號電壓為r1(t)，r2(t)，…，rM(t)，則合并器輸出電壓r(t)為(2-2)式中，ak為第k個信號的加權系數。選擇不同的加權系數ak，就可以構成不同的合并方式。常用的合并方式有如下3種。

(1)選擇式合并：它檢測所有分集支路的信號，以選擇其中信噪比最高的那一條支路的信號作為合并器的輸出。圖2-8所示為二重分集選擇式合并的示意圖。兩個支路的高頻信號分別經過解調，然后進行信噪比比較，將其中有較高信噪比的支路接到接收機的共用部分。選擇式合并又稱開關式相加。這種方法簡單，實現容易。但由于未被選擇的支路信號棄之不用，因此抗衰落效果不好。圖2-8二重分集選擇式合并圖2-9最大比值合并方式

(2)最大比值合并：它是一種最佳的合并方式，其方框圖如圖2-9所示。每一支路信號包絡為rk，每一支路的加權系數ak與包絡rk成正比而與噪聲功率Nk成反比，即由此可得，最大比值合并器輸出的信號包絡為式中，下標R表征最大比值合并方式。

(3)等增益合并：當最大比值合并法中的加權系數ak為1時，就是等增益合并。它無需對信號加權，其方框圖如圖

2-10所示。等增益合并性能僅次于最大比值合并，但由于省了加權系數的選定，實現起來比較容易。

等增益合并方式輸出的信號包絡為式中，下標E表示等增益合并方式。圖2-10等增益合并方式

2.3語音編碼及信道編碼技術

語音編碼及信道編碼技術是移動通信中的兩個重要的技術領域。語音編碼技術屬于信源編碼，可提高系統的頻譜利用率和信道容量；信道編碼技術可提高系統的抗干擾能力，從而保證良好的通話質量。2.3.1語音編碼技術

語音編碼是為了把模擬語音轉變?yōu)閿底中盘栆员阍谛诺乐袀鬏敚Z音編碼技術在移動通信系統中與調制技術直接決定了系統的頻譜利用率。在移動通信中，節(jié)省頻譜是至關重要的，移動通信中對語音編碼技術的研究目的是在保證一定的語音質量的前提下，盡可能地降低語音編碼的比特率。

語音編碼技術通常分為三類：波形編碼、參量編碼和混合編碼。

1．波形編碼

波形編碼是將隨時間變化的信號直接變換為數字代碼，盡量使重建的語音波形保持原語音信號的波形形狀。其基本原理是對模擬語音波形信號進行抽樣、量化、編碼而形成的數字語音信號。解碼是與其相反的過程，將收到的數字序列經過解碼和濾波恢復成模擬信號。

為了保證數字語音信號解碼后的高保真度，波形編碼需要較高的編碼速率，一般為16～64kb/s。通信原理中講過的脈沖編碼調制(PCM)、增量調制(ΔM)以及它們的各種改進形式—自適應增量調制(ADM)、自適應差分編碼調制(ADPCM)等都屬于波形編碼技術。

波形編碼有比較好的語音質量和成熟的實現方法，但其所用的編碼速率比較高，占用的帶寬比較寬，因此波形編碼多用于有線通信中。

2．參量編碼

參量編碼是基于人類語言的發(fā)聲機理，找出表征語音的特征參量，對特征參量進行編碼的一種方法，因此也稱之為聲碼器編碼。參量編碼僅傳送反映語音波形的主要變化參量，在接收端，根據所接收的語音特征信息參量恢復出原來的語音。參量編碼由于只傳送語音的特征參量，因此可實現低速率的語音編碼，其編碼速率一般為1.2～4.8kb/s。線性預測編碼(LPC)及其變形均屬于參量編碼。參量編碼的語音可懂度較好，但有明顯的失真，不能滿足商用語音通信的要求。

3．混合編碼

混合編碼是基于參量編碼和波形編碼發(fā)展的一類新的編碼技術，它將波形編碼和參量編碼結合起來，力圖保持波形編碼語音的高質量與參量編碼的低速率。在混合編碼信號中，既包括若干語音特征參量，也包括部分波形編碼信息。其比特率一般為4～16kb/s，語音質量可達到商用語音通信的要求。因此，混合編碼技術在數字移動通信中得到了廣泛的應用。使用較多的編碼方案是規(guī)則脈沖激勵長期預測編/解碼器(RPE-LTP)和碼激勵線性預測編碼器(CELP)。2.3.2信道編碼技術

在移動通信中傳送數字語音信號時，采用信道編碼主要是使系統具有一定的糾錯能力和抗干擾能力，可極大地避免傳送中誤碼的發(fā)生，提高系統傳輸的可靠性。信道編碼實際上是一種差錯控制編碼，其基本思想是在發(fā)送端給被傳輸的信息附上一些監(jiān)督碼元，這些多余的碼元與信息碼元之間以某種確定的規(guī)則相互制約。接收端按照既定的規(guī)則校驗信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關系，一旦傳輸發(fā)生差錯，信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關系就受到破壞，從而接收端可以發(fā)現錯誤并且能夠糾正錯誤。

在數字通信中，要利用信道編碼對整個通信系統進行差錯控制。差錯控制編碼主要有兩種：分組編碼和卷積編碼。分組編碼是按照代數規(guī)律構造的，故又稱為代數編碼。其編碼原理框圖見圖2-11。將k個信息比特編成n個比特的碼組，每個碼組的r?=n－k個監(jiān)督碼元僅與本碼組的k個信息位有關，而與其他碼組無關，一般可用(n，k)表示。n為碼長，k表示信息位數目，R?=?k/n為分組碼的編碼效率。圖2-11分組編碼卷積編碼的原理框圖見圖2-12。卷積編碼也是將k個比特編成n個比特的碼組，但k和n通常很小，適合以串行形式進行傳輸，時延小。與分組編碼不同，卷積編碼是一種有記憶的編碼，它是以其編碼規(guī)則遵循卷積運算而得名的。卷積編碼可記為(n，k，m)碼，其中k表示輸入信息的碼元數，n表示輸出碼元數，而m表示編碼中寄存器的節(jié)數。

卷積編碼后的n個碼元不僅與當前的k個信息位有關，而且還與前面的m段信息有關?；蛘哒f，各碼段內的監(jiān)督碼元不僅對本碼段而且對前面m段內的信息元起監(jiān)督作用。N?=?m+1為編碼約束度，表示相互約束的碼段個數；nN為編碼約束長度，表示相互約束的碼元個數；R?=?k/n為編碼效率。圖2-12卷積編碼

2.4擴頻技術

2.4.1擴頻基本概念

擴展頻譜(SpreadSpectrum，SS)通信簡稱為擴頻通信。擴頻通信是一種信息傳輸方式，在發(fā)送端采用擴頻碼調制，使信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬，在接收端采用同樣的擴頻碼進行相關解擴以恢復所傳信息數據。

圖2-13所示為典型擴頻系統框圖。它主要由信源、信源編/譯碼、信道編/譯碼(差錯控制)、載波調制、擴頻調制、解擴頻、符號解調和信道幾大部分組成。信源編碼的目的是去掉信息的冗余度，壓縮信源的碼速率，提高信道的傳輸效率(即通信的有效性)。信道編碼的目的是增加信息在信道傳輸中的冗余度，使其具有檢錯或糾錯能力，提高信道傳輸質量(即通信的可靠性)。調制部分是為使經信道編碼后的符號能在適當的頻段傳輸，如微波頻段、短波頻段等。擴頻調制和解擴頻是為了某種目的而進行的信號頻譜展寬和還原技術。圖2-13典型擴頻系統框圖2.4.2擴頻通信系統的理論基礎

擴頻通信系統的理論基礎是基于信息論中著名的香農公式。香農(Shannon)在其信息論中得出了帶寬與信噪比互換的關系。香農公式如下：(2-3)式中：C為信道容量(信息的傳輸速率)，單位為b/s；B為信號頻帶寬度，單位為Hz；S為信號平均功率，單位為W；N為噪聲平均功率，單位為W；lb表示以2為底的對數。由香農公式可知，為了提高信息的傳輸速率C，可通過兩種途徑實現，即加大帶寬B或提高信噪比S/N。換句話說，當信號的傳輸速率C一定時，信號帶寬B和信噪比S/N是可以互換的，即增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據。2.4.3擴頻通信系統的工作原理

擴頻通信系統的工作原理框圖如圖2-14所示。在發(fā)送端輸入的信號經信息調制形成數字信號，然后由擴頻碼發(fā)生器產生的擴頻碼序列去調制數字信號，以展寬信號的頻譜。展寬以后的信號再對載頻進行調制(如PSK、QPSK、OQPSK等)，通過射頻功率放大送到天線上發(fā)射出去。在接收端，從接收天線上收到的寬帶射頻信號，經過輸入電路、高頻放大器后送入變頻器，下變頻至中頻，然后由本地產生的與發(fā)送端完全相同的擴頻碼序列去解擴，最后經信息解調，恢復成原始信息輸出。由圖2-14可見，擴頻通信系統與普通數字通信系統相比較，就是多了擴頻調制和擴頻解調兩部分。圖2-14擴頻通信系統的工作原理框圖擴頻通信系統傳輸中信息的頻譜變換圖如圖2-15所示。信息數據經過信息調制后，輸出的是窄帶信號，其頻譜如圖2-15(a)所示；經過擴頻調制后頻譜展寬如圖2-15(b)所示，其中Rc>>Ri；在接收機的輸入信號中加有干擾信號，其頻譜如圖2-15(c)所示；經過解擴后有用信號頻譜變窄，恢復出原始信號帶寬，而干擾信號頻譜變寬，如圖2-15(d)所示；再經過窄帶濾波，有用信號帶外干擾信號被濾除，如圖2-15(e)所示，從而降低了干擾信號的強度，改善了信噪比。

圖2-15擴頻通信系統頻譜變化圖(a)信息調制器輸出信號；(b)發(fā)送的擴頻信號；(c)接收信號；(d)解擴后的信號；(e)窄帶濾波器輸出信號2.4.4擴頻通信系統的主要特點

擴頻通信具有許多窄帶通信難以替代的優(yōu)良性能，使得它能迅速推廣到各種公用和專用通信網絡之中。簡單來說，擴頻通信主要有以下幾個特點：

(1)易于同頻使用，提高了無線頻譜利用率。無線頻譜十分寶貴，雖然從長波到微波都已得到開發(fā)利用，但仍然滿足不了社會需求。為此，世界各地都設立了頻譜管理機構，用戶只能使用申請獲得的頻率，依靠頻道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。擴頻通信采用了相關接收技術，信號發(fā)送功率極低(小于1W，一般為1～100mW)，且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復使用同一頻率，也可以與現今各種窄帶通信共享同一頻率資源。

(2)抗干擾性強，誤碼率低。擴頻通信在空間傳輸時所占有的帶寬相對較寬，而接收端又采用相關檢測的辦法來解擴，使有用寬帶信號恢復成窄帶信號，而把非所需信號擴展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波技術提取有用的信號。

(3)可以實現碼分多址。擴頻通信提高了抗干擾能力，但付出了占用頻帶寬度的代價，多用戶共用這一寬頻帶，可提高頻率利用率。在擴頻通信中可利用擴頻碼優(yōu)良的自相關和互相關特性實現碼分多址，提高頻率利用率。

(4)保密性好。由于擴頻后的有用信號被擴展到很寬的頻帶上，單位頻帶內的功率很小，即信號的功率譜密度很低，信號被淹沒在噪聲里，因此非法用戶很難檢測出信號。

(5)抗多徑干擾。在無線通信中，抗多徑干擾問題一直是難以解決的問題，利用擴頻編碼之間的相關特性，在接收端可以用相關技術從多徑信號中提取分離出最強的有用信號，也可把多個路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強，從而達到有效的抗多徑干擾。2.4.5擴頻通信系統的主要性能指標

擴頻通信系統的主要性能指標有兩個：處理增益Gp和干擾容限Mj。

擴頻通信系統由于在發(fā)送端擴展了信號頻譜，在接收端解擴還原了信息，這樣的系統帶來的好處是大大提高了抗干擾容限。理論分析表明，各種擴頻系統的抗干擾性能與信息頻譜擴展后的擴頻信號帶寬比例有關。一般把擴頻信號帶寬B與信息帶寬Bm之比稱為處理增益Gp，工程上常以分貝(dB)來表示，即

(2-4)處理增益Gp是擴頻通信系統的一個重要的性能指標。它表示了擴頻系統信噪比改善的程度。

僅僅知道擴頻系統的處理增益，還不能充分說明系統在干擾環(huán)境下的工作性能。因為通信系統要正常工作，還需要保證輸出端有一定的信噪比，并需扣除系統內部信噪比的損耗，因此需引入抗干擾容限Mj，其定義如下：

(2-5)式中：(S/N)o為輸出端的信噪比；Ls為系統損耗。例如：某擴頻通信系統的處理增益Gp=33dB，系統損耗Ls=3dB，接收機的輸出信噪比為10dB，則該系統的干擾容限Mj=20dB。這表明該系統最大能承受20dB(100倍)的干擾，即當干擾信號功率超過有用信號功率20dB時，該系統不能正常工作，而二者之差不大于20dB時，系統仍能正常工作。

由此可見，干擾容限Mj與擴頻處理增益Gp成正比，擴頻處理增益提高后，干擾容限大大提高，甚至信號在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴頻設備總是將用戶信息(待傳輸信息)的帶寬擴展到數十倍、上百倍甚至上千倍，以盡可能地提高處理增益。2.4.6擴頻通信系統的分類及實現

按照擴展頻譜的方式不同，目前的擴頻通信系統可分為直接序列擴頻(DirectSequenceSpreadSpectrum，DS)、跳頻(FrequencyHopping，FH)、跳時(TimeHopping，TH)以及混合方式(上述幾種方式的組合)。

1．直接序列擴頻

所謂直接序列擴頻(簡稱直擴方式)，就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)送端去擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。它是一種數字調制方法，其原理如圖2-16所示。具體說，就是將信源發(fā)出的信息與一定的PN碼(偽隨機碼)進行模二加。例如，在發(fā)送端將“1”用11000100110而將“0”用00110010110去代替，即可實現擴頻；在接收機處把收到的11000100110恢復成“1”，00110010110恢復成“0”，這就是解擴。這樣信源速率被提高了11倍，同時也使處理增益達到10dB以上，有效地提高了整機信噪比。圖2-16直接序列擴頻原理框圖

2．跳頻

所謂跳頻，就是用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調制，使載波頻率不斷地跳變，因此稱為跳頻。

簡單的頻移鍵控如2FSK，只有兩個頻率，分別代表“1”碼和“0”碼。而跳頻系統則有幾個、幾十個甚至上千個頻率，由復雜的擴頻碼去控制頻率的變化。圖2-17(a)所示為跳頻的原理示意圖。在發(fā)送端信息碼序列經信息調制變成帶寬為B的基帶信號后，進入載波調制，產生載波頻率的頻率合成器在擴頻碼發(fā)生器的控制下，產生的載波頻率在帶寬為W(W>>B)的頻帶內隨機地跳變，如圖2-17(b)所示。在接收端，為了解調跳頻信號，需要有與發(fā)送端完全相同的本地擴頻碼發(fā)生器去控制本地頻率合成器，使其輸出的跳頻信號能在擴頻解調器中與接收信號差頻出固定的中頻信號，然后經中頻帶通濾波器及信息解調器輸出恢復的信息。由此可見，跳頻系統占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶。圖2-17跳頻系統(a)原理示意圖；(b)頻率跳變圖案

3．跳時

與跳頻相似，跳時是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。我們先把時間軸分成許多時片，在一幀內哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制。因此，可以把跳時理解為用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。由于采用了窄得多的時片去發(fā)送信號，相對說來，信號的頻譜也就展寬了。圖2-18所示為跳時系統的原理方框圖。在發(fā)送端，輸入的數據先存儲起來，由擴頻碼發(fā)生器的擴頻碼序列去控制通－斷開關，經二相或四相調制后再經射頻調制后發(fā)射。在接收端，由射頻接收機輸出的中頻信號經本地產生的與發(fā)送端相同的擴頻碼序列控制通－斷開關，再經二相或四相解調器，送到數據存儲器經再定時后輸出數據。只要收、發(fā)兩端在時間上嚴格同步進行，就能正確地恢復原始數據。跳時也可以看成是一種時分系統，所不同的地方在于它不是在一幀中固定分配一定位置的時片，而是由擴頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時片。跳時系統的處理增益等于一幀中所分的時片數。由于簡單的跳時抗干擾性不強，故很少單獨使用。跳時通常與其他方式結合使用，組成各種混合方式。圖2-18跳時系統(a)組成框圖；(b)跳時圖例

4．混合方式

在上述幾種基本的擴頻方式的基礎上，可以將其組合起來，構成各種混合方式,例如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH等。

一般說來，采用混合方式看起來在技術上要復雜一些，實現起來也要困難一些。但是，不同方式結合起來的優(yōu)點是有時能得到只用其中一種方式得不到的特性。例如DS/FH系統，就是一種中心頻率在某一頻帶內跳變的直接序列擴頻系統。其信號的頻譜如圖2-19所示。由圖可見，一個DS擴頻信號在一個更寬的頻帶范圍內進行跳變，DS/FH系統的處理增益為DS和FH處理增益之和。因此，有時采用DS/FH反而比單獨采用DS或FH可獲得更寬的頻譜擴展和更大的處理增益。甚至有時相對來說，其技術復雜性比單獨用DS來展寬頻譜或用FH在更寬的范圍內實現頻率的跳變還要容易些。對于DS/TH方式，它相當于在DS擴頻方式中加上時間復用，采用這種方式可以容納更多的用戶。在實現上，DS本身已有嚴格的收、發(fā)兩端擴頻碼的同步，加上跳時，只不過增加了一個通－斷開關，并不增加太多技術上的復雜性。對于DS/FH/TH，它把三種擴頻方式組合在一起，在技術實現上肯定是很復雜的。但是對于一個有多種功能要求的系統，DS、FH、TH可分別實現各自獨特的功能。因此，對于需要同時解決諸如抗干擾、多址組網、定時定位、抗多徑和遠－近問題時，就不得不同時采用多種擴頻方式。圖2-19DS/FH混合擴頻示意圖

2.5移動通信的組網技術

要實現移動用戶在大范圍內進行有序的通信，就必須解決組網過程中的一系列技術問題。下面主要介紹移動通信的組網制式、正六邊形無線區(qū)群結構、網絡結構、多信道共用技術等內容。2.5.1組網制式

根據服務區(qū)覆蓋方式的不同，可將移動通信網分為大區(qū)制和小區(qū)制。

1．大區(qū)制移動通信網

大區(qū)制是指在一個服務區(qū)(如一個城市或地區(qū))只設置一個基站(BaseStation，BS)，并由它負責移動通信網的聯絡和控制，如圖2-20所示。為了增大覆蓋區(qū)域，大區(qū)制中基站的天線架設得很高，可達幾十米至幾百米。發(fā)射機的輸出功率也很大，一般為25～200W。系統的基站頻道數有限，容量不大，不能滿足用戶數目日益增加的需要，一般用戶數為幾十至數百個。在大區(qū)制中，基站的天線高、輸出功率大，移動臺(MS)在這個服務區(qū)內移動時，均可收到基站發(fā)來的信號，即下行信號；由于移動臺的電池容量有限，并且其發(fā)射機的輸出功率也比較小，當移動臺遠離基站時，基站卻收不到移動臺發(fā)來的信號，即上行信號衰減過大。為了解決兩個方向通信不一致的問題，可以在服務區(qū)域中的適當地點設置若干個分集接收臺，即圖2-20中的R，這樣可以保證服務區(qū)內的雙向通信質量。圖2-20大區(qū)制移動通信示意圖大區(qū)制的主要優(yōu)點是建網簡單、投資少、見效快，在用戶數較少的地域非常合適。但為了避免相互之間的干擾，服務區(qū)內的所有頻率均不能重復使用，因而這種體制的頻譜利用率及用戶數都受到了限制。為了滿足用戶不斷增長的需求，在頻率有限的條件下，必須采用小區(qū)制的組網方式。

2．小區(qū)制移動通信網

小區(qū)制就是把整個服務區(qū)域劃分為若干個無線小區(qū)，每個無線小區(qū)中分別設置一個基站，負責本小區(qū)移動通信的聯絡和控制。同時還要在幾個小區(qū)間設置移動業(yè)務交換中心(MSC)。移動業(yè)務交換中心統一控制各小區(qū)之間用戶的通信接續(xù)，以及移動用戶與市話網的聯系。例如，將圖2-20所示的大區(qū)制服務區(qū)域一分為五，如圖2-21所示。圖2-21小區(qū)制移動通信示意圖圖中每個小區(qū)各設一個小功率基站(BS1～BS5)，發(fā)射機的輸出功率一般為5～10W，覆蓋半徑一般為5～10km?？山o每個小區(qū)分配不同的頻率，但這樣需要大量的頻率資源，且頻譜利用率降低。為了提高頻譜利用率，需將相同的頻率在相隔一定距離的小區(qū)中重復使用，例如小區(qū)1與小區(qū)4、小區(qū)2與小區(qū)3就可以使用相同的頻率而不會產生嚴重的干擾。在一個較大的服務區(qū)中，同一組信道可以多次重復使用，這種技術稱為同頻復用。此外，隨著用戶數目的增多，小區(qū)還可以進一步劃小，即實現“小區(qū)分裂”，以適應用戶數的增加。采用小區(qū)制最大的優(yōu)點是有效地解決了頻道數量有限和用戶數增大之間的矛盾。其次是由于基站功率減小，也使相互之間的干擾減小了。所以，公用移動電話網均采用這種體制。

在這種體制中，從一個小區(qū)到另一個小區(qū)通話，移動臺需要經常更換工作頻道，這樣對控制交換功能的要求提高了，加上基站的數目增多，建網的成本增加，所以小區(qū)范圍不宜過小，要綜合考慮而定。2.5.2正六邊形無線區(qū)群結構

1．小區(qū)形狀

在研究無線區(qū)域服務網的劃分與組成時，涉及無線區(qū)的形狀，它取決于電波傳播條件和地形地物，所以小區(qū)的劃分應根據環(huán)境和地形條件而定。為了研究方便，假定整個服務區(qū)的地形地物相同，并且基站采用全向天線，它的覆蓋區(qū)大體是一個圓，即無線區(qū)是圓形的。

又考慮到多個小區(qū)彼此鄰接來覆蓋整個區(qū)域，用圓內接正多邊形代替圓。圓內接正多邊形彼此鄰接來覆蓋整個區(qū)域而沒有重疊和間隙的幾何形狀只有三種可能的選擇：正三角形、正方形和正六邊形，如圖2-22所示。對這三種圖形進行比較，如表2.1所示。圖2-22小區(qū)圖形(a)正三角形；(b)正方形；(c)正六邊形通過表2.1的比較結果可以看出，正六邊形小區(qū)的中心距離最大，覆蓋面積也最大，重疊區(qū)面積最小，即對于同樣大小的服務區(qū)域，采用正六邊形構成小區(qū)所需的小區(qū)數最少，從而所需的頻率個數也最少，因此采用正六邊形組網是最經濟的方式。正六邊形構成的網絡形同蜂窩，因此把小區(qū)形狀為六邊形的小區(qū)制移動通信稱為移動蜂窩網。基于蜂窩狀的小區(qū)制是目前公共移動通信網的主要覆蓋方式。

2．無線區(qū)群的構成

蜂窩移動通信網通常是由若干鄰接的無限小區(qū)組成一個無限區(qū)群，再由若干無線區(qū)群構成整個服務區(qū)。在頻分信道的蜂窩系統中，每個小區(qū)占有一定的頻道，而且各個小區(qū)占用的頻道是不相同的。假設每個小區(qū)分配一組載波頻率，為避免相鄰小區(qū)產生干擾，各小區(qū)的載波頻率不應相同。但因為頻率資源有限，當小區(qū)覆蓋面積不斷擴大并且小區(qū)數目不斷增加時，將出現頻率資源不足的問題。因此，為了提高頻譜利用率，可用空間劃分的方法，在不同的空間進行頻率復用。即將若干個小區(qū)組成一個區(qū)群，每個區(qū)群內不同的小區(qū)使用不同的頻率，另一區(qū)群中對應的小區(qū)可重復使用相同的頻率。不同區(qū)群中的相同頻率的小區(qū)之間將產生同頻干擾，但當兩個同頻小區(qū)間隔足夠大時，同頻干擾不會影響正常通信。區(qū)群的構成應滿足兩個條件：①無線區(qū)群之間彼此鄰接并且無空隙地覆蓋整個面積；②相鄰無線區(qū)群中，同頻小區(qū)之間的距離相等且為最大。滿足上述兩個條件的區(qū)群形狀和區(qū)群個數不是任意的?？梢宰C明，區(qū)群內的小區(qū)數滿足下式：(2-6)式中：a、b均為正整數。a、b取不同值代入可確定N?=?3，4，7，9，12，13，16，19，21，…。不同區(qū)群內同頻小區(qū)之間最小距離為，其中N為區(qū)群內小區(qū)數量，r為小區(qū)輻射半徑。相應的區(qū)群形狀如圖2-23所示。圖2-23區(qū)群的組成

3．激勵方式

移動通信網中各小區(qū)的基站可以設置在小區(qū)的不同的兩個位置上，因此就產生了兩種不同的激勵方式。

(1)中心激勵：基站設置在小區(qū)的中央，采用全向天線實現無限區(qū)的覆蓋，如圖2-24(a)所示。

(2)頂點激勵：基站設置在每個小區(qū)相間的三個頂點上，并采用三個互成120°扇形覆蓋的定向天線，分別覆蓋三個相鄰小區(qū)的各1/3區(qū)域，每個小區(qū)由三幅120°扇形天線共同覆蓋，如圖2-24(b)所示。圖2-24無線小區(qū)的兩種激勵方式(a)中心激勵；(b)頂點激勵2.5.3移動通信的網絡結構

移動通信的網絡結構如圖2-25所示。圖2-25移動通信的網絡結構

1．服務區(qū)

服務區(qū)是指移動臺可獲得服務的區(qū)域，即不同通信網(如PLMN、PSTN或ISDN)用戶無需知道移動臺的實際位置而可與之通信的區(qū)域。

一個服務區(qū)可由一個或若干個公用陸地移動通信網(PLMN)組成，可以是一個國家或是一個國家的一部分，也可以是若干個國家。