現(xiàn)代通信技術(shù)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)課件

目的消除無(wú)線(xiàn)信道傳播對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀核ヂ涞挠绊懧窂綋p耗和慢衰落多譜勒頻移和快衰落干擾和噪聲的影響碼間干擾（ISI)同頻干擾鄰信道干擾交調(diào)干擾熱噪聲調(diào)制（Modulation）對(duì)移動(dòng)通信的數(shù)字調(diào)制技術(shù)要求

高的帶寬效率；高的功率效率；低的帶外輻射；對(duì)多徑衰落不敏感；恒定包絡(luò)；低成本，易實(shí)現(xiàn)；

移動(dòng)通信中的調(diào)制技術(shù)一般數(shù)字調(diào)制方法存在的問(wèn)題：頻譜利用率和功率利用率的矛盾頻譜利用率和恒定包絡(luò)的矛盾希望尋找一類(lèi)調(diào)制方法，具有較好的頻譜利用率、功率利用率，同時(shí)又具有恒定包絡(luò)。GSM系統(tǒng)采用了GMSKCDMA系統(tǒng)采用PSK無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用M-aryQAM,M-aryPSK分組數(shù)據(jù)傳輸采用自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC)信源編碼(SourceCoding)信源編碼技術(shù)信源編碼的意義保證信息質(zhì)量(數(shù)字化+信道編碼糾錯(cuò))提高頻譜利用率提高系統(tǒng)容量有較強(qiáng)的抗噪聲干擾和抗誤碼的性能編譯碼延時(shí)要求編譯碼器復(fù)雜度要求信源編碼實(shí)現(xiàn)方法根據(jù)業(yè)務(wù)要求對(duì)信源數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼語(yǔ)音編碼（CELP）音頻編碼（MPEG）圖像編碼（JPEG）視頻編碼（MPEG）分集（Diversity）分集原理原理：利用無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境中來(lái)自不同途徑的多徑信號(hào)的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性進(jìn)行合并，從而實(shí)現(xiàn)分集。首先要找出來(lái)自不同途徑的多徑信號(hào)，這些途徑可以是不同的空間、不同的極化、不同的頻率、不同的時(shí)間。其次要以某種方法進(jìn)行合并。應(yīng)該指出：分集技術(shù)不僅能改善頻率選擇性衰落，同時(shí)也能改善非頻率選擇性衰落。分集技術(shù)分集的目的信號(hào)傳輸方式獲得多路信號(hào)的方式宏觀分集（抗長(zhǎng)期衰落）微觀分集（抗短期衰落）顯分集隱分集交織和編碼技術(shù)跳頻技術(shù)直接序列擴(kuò)頻技術(shù)空間位置分集(多天線(xiàn)宏分集)空間角度分集(智能天線(xiàn))時(shí)間分集(T>Tc)頻率分集(跳頻或DSSS)極化分集分集方法分集合并方式合并信號(hào)的表達(dá)式信號(hào)從分集信號(hào)中以什么方式作為輸出？選擇式合并：選擇最好的支路作為輸出，其它支路丟棄。等增益合并：調(diào)整各個(gè)支路主徑的相位，使之同相，然后進(jìn)行等增益相加。最大比合并：調(diào)整各個(gè)支路的相位，使之同相，然后按照各個(gè)支路的信噪比數(shù)值進(jìn)行加權(quán)相加。時(shí)間隱分集：交織技術(shù)原理：在無(wú)線(xiàn)通信中由于發(fā)生深衰落或遇到突發(fā)干擾，誤碼的分布就不是平穩(wěn)、純隨機(jī)的，而是存在隨機(jī)誤碼和突發(fā)誤碼。采用交織可以減少突發(fā)誤碼的影響。交織不增加額外開(kāi)銷(xiāo)。交織可以保護(hù)信源編碼中的特殊比特。交織與糾錯(cuò)編碼同時(shí)使用，進(jìn)一步提高傳輸質(zhì)量。交織器二種類(lèi)型：分組交織、卷積交織。交織器會(huì)引入時(shí)延（對(duì)語(yǔ)音不能超過(guò)40ms）?？諘r(shí)發(fā)送分集技術(shù)正交發(fā)送分集(OTD)時(shí)間切換發(fā)送分集(TSTD)選擇發(fā)送分集(STD)空時(shí)發(fā)送分集(STTD)分層的空時(shí)處理BLAST(BellLayeredSpace-Timearchitecture)空時(shí)柵格編碼均衡（Equalization）均衡原理均衡器是傳輸信道的逆濾波器；由于傳輸信道的時(shí)變性，均衡器必需是參數(shù)可變的自適應(yīng)均衡器；均衡器的效果是補(bǔ)償信道的頻率選擇性，使衰落趨于平坦、相位趨于線(xiàn)性。均衡器不能抵銷(xiāo)平衰落。均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡器：減少碼間干擾。工作模式：訓(xùn)練模式和跟蹤模式。均衡器分類(lèi)頻域均衡器，時(shí)域均衡器；線(xiàn)性均衡器，非線(xiàn)性均衡器。均衡器實(shí)現(xiàn)方法中頻均衡器；基帶均衡器。Equalization-3EqualizerLinearNonlinearDFEMLSymbolDetectorMLSETransversalLatticeTransversalLatticeTransversalChannelEst.ZeroForcingLMSRLSFastRLSSq.RootRLSGradientLMSRLSFastRLSSq.RootRLSLMSRLSFastRLSSq.RootRLSGradientTypesStructureAlgorithmsDEF:DecisionFeedbackEqualizationMLSE:MaximumLikelihoodSequenceEstimation信道編碼（ChannelCoding）基本概念信道編碼的目的

信道編碼是為了保證信息傳輸?shù)目煽啃?、提高傳輸質(zhì)量而設(shè)計(jì)的一種編碼。它是在信息碼中增加一定數(shù)量的多余碼元，使碼字具有一定的抗干擾能力。信道編碼的實(shí)質(zhì)

信道編碼的實(shí)質(zhì)就是在信息碼中增加一定數(shù)量的多余碼元（稱(chēng)為監(jiān)督碼元），使它們滿(mǎn)足一定的約束關(guān)系，這樣由信息碼元和監(jiān)督碼元共同組成一個(gè)由信道傳輸?shù)拇a字。信道編碼的種類(lèi)根據(jù)監(jiān)督元與信息組之間關(guān)系可分為：分組碼和卷積碼。在移動(dòng)通信中大都使用卷積編碼,Turbo碼

直接序列擴(kuò)頻（DSSS）直接序列擴(kuò)頻原理框圖

頻譜圖擴(kuò)頻調(diào)制信息比特發(fā)送擴(kuò)頻序列載波解擴(kuò)解調(diào)擴(kuò)頻序列同步載波同步信息比特接收f(shuō)bfcf0f0fcfb2fc窄帶干擾信號(hào)干擾擴(kuò)頻調(diào)制接收解擴(kuò)G＝fc/fb擴(kuò)頻增益直接擴(kuò)頻抗多徑

當(dāng)發(fā)送的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的碼片(chip)寬度等于或小于最小多徑時(shí)延差時(shí)，接收端利用直擴(kuò)信號(hào)的自相關(guān)特性進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)后，將有用信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，從而具有抗多徑的能力。若最小多徑延遲時(shí)間差為1s，則要求直擴(kuò)信號(hào)的碼片(chip)寬度Tc等于或小于1s

，即要求碼片速率Rc等于或大于1Mchip/s。若利用直接擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行多徑的分離與合并時(shí)，則可構(gòu)成RAKE接收機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間分集的作用。直接擴(kuò)頻抗干擾由頻譜擴(kuò)展對(duì)抗干擾性帶來(lái)的好處，稱(chēng)擴(kuò)頻處理增益，可表示為：式中，為發(fā)射擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬；為信碼的速率。其中與所采用的偽碼（偽隨機(jī)序列或偽噪聲序列的簡(jiǎn)稱(chēng)）速率有關(guān)直接擴(kuò)頻抗蜂窩系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾的原理，也是利用直擴(kuò)信號(hào)的自相關(guān)特性，經(jīng)相關(guān)接收和窄帶通濾波后，將有用信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，而那些窄帶干擾和多址干擾都處理為背景噪聲。其抗干擾的能力可用直接擴(kuò)頻處理增益來(lái)表征。

直接擴(kuò)頻抗衰落

直接擴(kuò)頻抗衰落是指抗頻率選擇性衰落。當(dāng)直擴(kuò)信號(hào)的頻譜擴(kuò)展寬度較大時(shí)，其頻譜成份同時(shí)發(fā)生衰落的可能性很小，接收端通過(guò)對(duì)直接擴(kuò)頻信號(hào)的相關(guān)處理，則起到頻率分集的作用

跳頻擴(kuò)頻（FHSS）跳頻擴(kuò)頻原理框圖

跳擴(kuò)頻增益G＝N調(diào)制變頻信息比特發(fā)送中頻載波跳頻頻綜解跳載波同步信息比特接收f(shuō)bfif01f02...f0N跳頻圖案f01f02...f0N跳頻頻綜跳頻圖案同步fi解調(diào)跳頻抗多徑

若發(fā)射的信號(hào)載波頻率為0，當(dāng)存在多徑傳播環(huán)境時(shí)，因多徑延遲的不同，信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間有先有后。若接收機(jī)在收到最先到達(dá)的信號(hào)之后立即將載波頻率跳變到另一頻率1上，則可避開(kāi)由于多徑延遲對(duì)接收信號(hào)的干擾。為此，要求跳頻信號(hào)駐留時(shí)間小于多徑延遲時(shí)間差，換句話(huà)說(shuō)，要求跳頻的速率應(yīng)足夠的快。比如，若多徑延遲時(shí)間差為1s

，則要求跳頻速率為106跳/秒。目前，要實(shí)現(xiàn)這樣高的跳頻速率，跳頻通信系統(tǒng)在技術(shù)上尚存在困難。所以，目前在數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信中采用跳頻技術(shù)的目的主要用于抗干擾和抗衰落。

跳頻抗同頻干擾

同頻干擾是蜂窩移動(dòng)通信小區(qū)制蜂窩結(jié)構(gòu)和頻率重用模式的必然產(chǎn)物，因此，克服同頻干擾是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。采用跳頻圖案的正交性組成正交跳頻網(wǎng)，從而避免頻率重用引起的同頻干擾。即使利用跳頻技術(shù)構(gòu)成準(zhǔn)正交跳頻網(wǎng)，也能使同頻干擾離散化，即減少同頻干擾的重合次數(shù)，從而減少同頻干擾的影響。跳頻抗衰落

跳頻抗衰落的原理是：當(dāng)跳頻的頻率間隔大于信道相關(guān)帶寬時(shí)，可使各個(gè)跳頻駐留時(shí)間內(nèi)的信號(hào)相互獨(dú)立。換句話(huà)說(shuō)，在不同的載波頻率上同時(shí)發(fā)生衰落的可能性很小。對(duì)于快跳頻系統(tǒng)，應(yīng)滿(mǎn)足傳輸?shù)姆?hào)速率小于跳頻速率這一條件，即一位符號(hào)是在多個(gè)跳頻載波上傳輸。這相當(dāng)于對(duì)符號(hào)的頻率分集。因?yàn)樘l是在時(shí)間頻率域上進(jìn)行的，所以每一位符號(hào)還是在不同時(shí)隙中傳輸?shù)?，這又相當(dāng)于對(duì)符號(hào)的時(shí)間分集。因此，快跳頻技術(shù)同時(shí)具有頻率分集和時(shí)間分集對(duì)于慢跳頻系統(tǒng)，傳輸?shù)姆?hào)速率大于跳頻速率，即在一跳駐留時(shí)間內(nèi)傳輸多個(gè)符號(hào)。因此，慢跳頻不能起到對(duì)符號(hào)的頻率分集作用。但是，采用慢跳頻可將深衰落的影響分散開(kāi)來(lái)，從而減輕深衰落對(duì)傳輸?shù)挠绊?。為了更好地發(fā)揮跳頻抗衰落的作用，可將慢跳頻技術(shù)與交織編碼技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成具有時(shí)間分集和頻率分集作用的隱分集。

天線(xiàn)陣（AntennaArray）天線(xiàn)陣列開(kāi)關(guān)波束天線(xiàn)自適應(yīng)智能天線(xiàn)空時(shí)處理+MIMO本質(zhì)：空間過(guò)采樣，分集技術(shù)基本分類(lèi)：根據(jù)天線(xiàn)間的位置天線(xiàn)信號(hào)不相關(guān)---分集技術(shù)天線(xiàn)信號(hào)相關(guān)---智能天線(xiàn)技術(shù)(角分集技術(shù))目的：抗多徑、抗衰落、抗干擾智能天線(xiàn)的基本概念基本概念：基于天線(xiàn)陣列原理利用天線(xiàn)陣的波束賦性產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的波束并自適應(yīng)的調(diào)整波束方向來(lái)跟蹤每一個(gè)用戶(hù)達(dá)到提高信號(hào)干擾噪聲比(SINR)增加系統(tǒng)容量的目的利用信號(hào)傳輸?shù)目臻g特性來(lái)抑制干擾利用信號(hào)與干擾的來(lái)波方向不同區(qū)分信號(hào)和干擾智能天線(xiàn)形成的波束可實(shí)現(xiàn)空間濾波波束隨用戶(hù)移動(dòng)變化很快智能天線(xiàn)的波束成形技術(shù)形成方向圖在不同的到達(dá)方向上給予不同的天線(xiàn)增益，可以提高接收信號(hào)的信噪比，從而提高系統(tǒng)的容量?？梢詫㈩l率相近但空間可分離的信號(hào)分離開(kāi)。開(kāi)關(guān)多波束天線(xiàn)的波束模式

自適應(yīng)陣天線(xiàn)波束模式

多址技術(shù)

頻分多址（FDMA）時(shí)分多址（TDMA）碼分多址（CDMA）空分多址（SDMA）隨機(jī)接入多址技術(shù)基本概念：實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)不同用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)無(wú)線(xiàn)信道傳輸：(f，t，C，S)的函數(shù)分類(lèi)：頻分多址(FDMA)頻道劃分頻帶獨(dú)享時(shí)間共享時(shí)分多址(TDMA)時(shí)隙劃分時(shí)隙獨(dú)占頻率共享碼分多址(CDMA)碼型劃分時(shí)隙頻率共享空分多址(SDMA)空間角度劃分頻率/時(shí)隙/碼共享雙工技術(shù)多址還要考慮雙工方式FDD：收發(fā)頻率分開(kāi)、接收和發(fā)送通過(guò)濾波器來(lái)完成；特點(diǎn)：合理安排頻率；TDD：收發(fā)共用一個(gè)頻率、接收和發(fā)送通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)完成；特點(diǎn)：收發(fā)存在時(shí)間間隔。FDMA優(yōu)點(diǎn)每一個(gè)信道占用一個(gè)載頻，相鄰的載頻之間相隔25KHZ或30KHZ。FDMA方式每一個(gè)信道同時(shí)只傳送一路信息，信號(hào)的頻帶較窄。因此所受的多徑時(shí)延擴(kuò)展的作用可忽略。由于碼間干擾影響而產(chǎn)生的誤碼很小，不需要均衡器。通過(guò)減少信息比特率和使用有效的數(shù)字碼可獲得容量的增加。缺點(diǎn)基站的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，共用設(shè)備成本較高，功率損耗大。發(fā)射機(jī)功率放大器的非線(xiàn)性會(huì)產(chǎn)生交調(diào)干擾頻譜展寬或泄露會(huì)產(chǎn)生鄰信道干擾過(guò)區(qū)切換復(fù)雜，只能采用硬切換。在移動(dòng)臺(tái)切換時(shí)，有幾十毫秒的中斷，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)的丟失。FDMA與模擬相同沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，提高容量只依賴(lài)于減小S/I的比。但窄帶數(shù)字化方法在這方面僅給出有限的優(yōu)勢(shì)，在給定的頻譜分配中，希望得到適度的容量改善。窄帶技術(shù)需要窄帶濾波器，但它無(wú)法用VLSI數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。每個(gè)信道的最大比特率是固定的，較低的。這對(duì)將來(lái)信息比特率可變的需求是不行的。TDMA（1）在TDMA系統(tǒng)中，每個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)在稱(chēng)為時(shí)隙的一段時(shí)間內(nèi)傳送，幾個(gè)時(shí)隙組成一幀。每個(gè)時(shí)隙由時(shí)隙頭加信息比特。時(shí)隙頭的作用是提供識(shí)別和偶發(fā)的信息，在預(yù)接收機(jī)保證時(shí)隙的同步。保護(hù)時(shí)間用于每個(gè)用戶(hù)的傳輸時(shí)減少信道之間的串話(huà)。要求系統(tǒng)同步：復(fù)幀/幀/時(shí)隙/比特TDMA（2）

TDMA的優(yōu)點(diǎn)：TDMA允許靈活的比特率。既可以是基本單信道速率的幾倍，對(duì)于低比特率的廣播型業(yè)務(wù)也可以是它的幾分之一；TDMA不需要窄帶濾波器，可用VLSI集成；TDMA提供了對(duì)幀到幀的信號(hào)強(qiáng)度/比特錯(cuò)誤率的監(jiān)視機(jī)會(huì)，以使得移動(dòng)臺(tái)或基站能夠啟動(dòng)和執(zhí)行切換；TDMA能更有效的利用帶寬，沒(méi)有保護(hù)頻帶；TDMA傳送信號(hào)時(shí)，在時(shí)隙之間預(yù)留了足夠的保護(hù)時(shí)間，以適用下述情況：時(shí)鐘不穩(wěn)定造成的時(shí)間不精確；時(shí)延擴(kuò)展；由傳播距離造成的傳輸時(shí)延；信號(hào)脈沖的拖尾。

TDMA的缺點(diǎn)：對(duì)手機(jī)上行的峰值功率較大，這樣減少電池的壽命；TDMA為了時(shí)隙同步需要匹配濾波器和相關(guān)檢測(cè)等相當(dāng)多的信號(hào)處理。TDMA（3）TDMA系統(tǒng)可以用TDD方式使用一個(gè)頻帶。在TDD方式中，用一種簡(jiǎn)單型的方法就可獲得雙向信息，這種方法是在同一頻率上時(shí)間上傳輸方向自動(dòng)交替進(jìn)行。由于一方使用這個(gè)頻率時(shí)另外一方必須停止，因此TDD只能提供半連續(xù)的雙向流。然而對(duì)于信道上足夠高速的傳輸率，在通話(huà)過(guò)程中停止的時(shí)間是不用注意的。TDMA也可以使用FDD方式。CDMA技術(shù)CDMA技術(shù)是基于擴(kuò)展頻譜技術(shù),用正交的碼字來(lái)標(biāo)識(shí)不同的用戶(hù)和信道，在接收端用相應(yīng)的碼字作相關(guān)接收。由于不同信道之間的碼字是正交的，在相關(guān)接收時(shí)，只有相應(yīng)的能量被接收，其它的信號(hào)能量在相關(guān)后，只剩下少量的殘余。CDMA特點(diǎn)每個(gè)基站只需一個(gè)射頻系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)以CDMA建立信道連接是一個(gè)多址干擾受限系統(tǒng)需要相當(dāng)嚴(yán)格的功率控制具有軟容量具有軟切換能力可變速率聲碼器DS-CDMA系統(tǒng)的參數(shù)信息速率：原始信息的速率碼片（chip）速率：地址碼速率擴(kuò)頻比：碼片速率和信息速率的比值地址碼周期、地址碼碼長(zhǎng)地址碼的正交性及數(shù)目地址碼的同步及捕獲性能DS-CDMA的優(yōu)點(diǎn)用戶(hù)共享一個(gè)頻率，無(wú)需頻率規(guī)劃；PN碼的正交性；遠(yuǎn)近效應(yīng)：功率控制；具有軟容量限制，用戶(hù)越多，性能越差，用戶(hù)減少，性能就變好；抗多徑衰落：固有的頻率分集；利用宏分集可以實(shí)現(xiàn)軟越區(qū)切換；多用戶(hù)干擾：PN碼不完全正交；利用多用戶(hù)檢測(cè)提高系統(tǒng)性能和容量；利用多徑，采用RAKE技術(shù)提高系統(tǒng)性能。地址碼的選擇介紹一種常用的地址碼：PN碼（偽噪聲碼）。最典型的是m序列，即：最長(zhǎng)線(xiàn)性移位寄存器序列。模二和TTT移位時(shí)鐘m序列輸出地址碼的選擇（續(xù)）m序列的性質(zhì)：類(lèi)似于噪聲，所以也稱(chēng)為偽噪聲序列n級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的m序列，其周期為2n－1。除全0狀態(tài)外，n級(jí)移位寄存器可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)都在m序列的一個(gè)周期中出現(xiàn)，而且只出現(xiàn)一次。m序列中“0”碼和“1”碼個(gè)數(shù)大致相同。將m序列循環(huán)移位后還是一組m序列。m序列的自相關(guān)函數(shù)：2n－1－1012移位數(shù)地址碼的選擇（續(xù)）m序列具有很好的自相關(guān)及互相關(guān)特性，因而在無(wú)線(xiàn)及移動(dòng)通信中有廣泛的使用。但是，應(yīng)該注意m序列不是一種理想正交序列，因此當(dāng)用戶(hù)數(shù)增加時(shí)，會(huì)引入很大的碼型噪聲干擾。如何選擇正交碼組？ －對(duì)m序列的改進(jìn)，如：插入一些“0”。 －構(gòu)造新的地址碼，如：Gold序列、Walsh序列。良好自相關(guān)、互相關(guān)及正交的前提是地址碼的同步，如果不能達(dá)到準(zhǔn)確的同步，會(huì)引入附加的碼型噪聲，嚴(yán)重影響CDMA系統(tǒng)的正常工作。正交Walsh函數(shù)

Walsh函數(shù)矩陣的遞推關(guān)系

遠(yuǎn)近效應(yīng)與功