無線通信基礎(chǔ)

第1章無線通信根底1.1概述1.1.1通信的含義通信(Communication)就是信息的傳遞，是指由一地向另一地進行信息的傳輸與交換，其目的是傳輸消息。然而，隨著社會生產(chǎn)力的開展，人們對傳遞消息的要求也越來越高。在各種各樣的通信方式中，利用“電”來傳遞消息的通信方法稱為電信(Telecommunication)，這種通信具有迅速、準確、可靠等特點，且?guī)缀醪皇軙r間、地點、空間、距離的限制，因而得到了飛速開展和廣泛應(yīng)用。在古代，人們通過驛站、飛鴿傳書、烽火報警、符號、身體語言、眼神、觸碰等方式進行信息傳遞。到了今天，隨著科學(xué)水平的飛速開展，相繼出現(xiàn)了無線電、固定、移動、互聯(lián)網(wǎng)甚至視頻等各種通信方式。通信技術(shù)拉近了人與人之間的距離，提高了經(jīng)濟的效率，深刻的改變了人類的生活方式和社會面。1.1.2無線通信的概念無線通信(Wirelesscommunication)是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。近些年信息通信領(lǐng)域中，開展最快、應(yīng)用最廣的就是無線通信技術(shù)。無線通信可以分為兩大類：無線移動通信和無線局域網(wǎng)(LAN)通信。它們的傳輸設(shè)施不同。無線移動通信：是指在移動中實現(xiàn)的無線通信，又稱移動通信。無線移動通信需要電信局或其它公共效勞，來為“離開辦公室”或“正在旅途中”的用戶提供設(shè)施，使用分組無線電、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星站來傳輸和接收信號。無線局域網(wǎng)(LAN)通信：無線局域網(wǎng)通信使用發(fā)射器和接收器，它們都是放在公司希望的地方，并且屬于這家公司所有。1.1.3無線通信的特點1.無線信道。2.帶寬有限。取決于可使用的頻率資源和信道的傳播特性。3.干擾和噪聲影響大。由無線通信工作的電磁環(huán)境所決定。4.在移動通信中存在多徑衰落。在移動環(huán)境下，接收信號起伏變化。1.1.4無線通信系統(tǒng)的分類無線通信包含的面很廣，按不同的分類標準，有不同的類型。1.按頻段范圍分：短波、超短波、微波、毫米波等。2.按傳播方式分：地面視距、地面超視距、對流層散射、電離層反射、衛(wèi)星等。3.按多址方式分：點對點、點對多點等。4.按應(yīng)用背景分：固定接入、移動接入、數(shù)據(jù)接入等。5.按連接方式分：電路連接、分組連接等。1.1.5無線通信簡史圖1-1展示了無線系統(tǒng)的開展歷史進程。圖1-1無線系統(tǒng)開展進程1.1.6無線通信的開展方向近幾年來，全球通信技術(shù)的開展日新月異，尤其是近兩三年來，無線通信技術(shù)的開展速度與應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)超過了固定通信技術(shù)，呈現(xiàn)出如火如荼的開展態(tài)勢。其中最具代表性的有蜂窩移動通信、寬帶無線接入，也包括集群通信、衛(wèi)星通信，以及視頻業(yè)務(wù)與技術(shù)。蜂窩移動通信從上世紀80年代出現(xiàn)到現(xiàn)在，已經(jīng)開展到了第三代移動通信技術(shù)，目前業(yè)界正在研究面向未來第四代移動通信的技術(shù)；寬帶無線接入也在全球不斷升溫，近幾年來我國的寬帶無線用戶數(shù)增長勢頭強勁。寬帶無線接入研究重點主要包括無線城域網(wǎng)〔WMAN〕、無線局域網(wǎng)(WLAN)和無線個域網(wǎng)(WPAN)技術(shù)；模擬集群通信的應(yīng)用開始得比較早，但隨著技術(shù)的開展，數(shù)字集群通信技術(shù)越來越贏得大家的關(guān)注；衛(wèi)星通信以其特殊的技術(shù)特性，已經(jīng)成為無線通信技術(shù)中不可無視的一個領(lǐng)域；視頻播送作為一種新的無線業(yè)務(wù)與技術(shù)，正在成為目前最熱門的無線應(yīng)用之一。1．無線技術(shù)與業(yè)務(wù)開展趨勢〔1〕網(wǎng)絡(luò)覆蓋的無縫化，即用戶在任何時間、任何地點都能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入?！?〕寬帶化是未來通信開展的一個必然趨勢，窄帶的、低速的網(wǎng)絡(luò)會逐漸被寬帶網(wǎng)絡(luò)所取代?！?〕融合趨勢明顯加快，包括：技術(shù)融合、網(wǎng)絡(luò)融合、業(yè)務(wù)融合?！?〕數(shù)據(jù)速率越來越高，頻譜帶寬越來越寬，頻段越來越高，覆蓋距離越來越短?！?〕終端智能化越來越高，為各種新業(yè)務(wù)的提供創(chuàng)造了條件和實現(xiàn)手段?！?〕從兩個方向相向開展：1)移動網(wǎng)增加數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：1xEV-DO、HSDPA等技術(shù)的出現(xiàn)使移動網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率逐漸增加，在原來的移動網(wǎng)上疊加，覆蓋可以連續(xù);另外，WiMAX的出現(xiàn)加速了新的3G增強型技術(shù)的開展；2)固定數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增加移動性：WLAN等技術(shù)的出現(xiàn)使數(shù)據(jù)速率提高，固網(wǎng)的覆蓋范圍逐漸擴大，移動性逐漸增加;移動通信、寬帶業(yè)務(wù)和WiFi的成功，促成802.16/WiMAX等多種寬帶無線接入技術(shù)的誕生。〔7〕B3G的概念兼顧了移動性和數(shù)據(jù)速率。2．各種無線通信技術(shù)開展演進〔1〕蜂窩移動通信標準的演進總結(jié)這些年來蜂窩移動通信技術(shù)的演進過程，可以得出這樣幾個特點:1〕無線接口頻譜效率更高，速率更快。首先，每10年出現(xiàn)一代新技術(shù)，每15～20年退出一代；速率從幾十kbit/s、幾百kbit/s到幾Mbit/s再到幾百Mbit/s。其次，技術(shù)在平穩(wěn)中演進。第一代模擬系統(tǒng)已經(jīng)根本退出；第二代GSM/CDMA數(shù)字系統(tǒng)處于主導(dǎo)地位，占據(jù)約95%的市場；3G技術(shù)已經(jīng)成熟開始商用，今后10年將與2G長期并存，最終逐步替代2G；超3G正處在初期研究階段，將在10年后進入實質(zhì)商用階段。2〕核心網(wǎng)既考慮與現(xiàn)有網(wǎng)的后向兼容，又積極向基于IP的方向演進?！?〕寬帶無線接入技術(shù)的開展在IEEE802涉及的無線領(lǐng)域中，目前主要分為四類無線接入技術(shù)，分別是個域網(wǎng)〔PAN:802.15〕、局域網(wǎng)WiFi〔LAN:802.11〕、城域網(wǎng)WiMAX〔MAN:802.16)、廣域網(wǎng)〔WAN:802.20〕。這里著重介紹WiMAX技術(shù)〔802.16〕。802.16d是一種固定無線接入技術(shù)，802.16e技術(shù)目標是一種移動寬帶無線接入技術(shù)，支持車速移動(120km/h)，可以提供寬帶接入〔幾十Mbit/s〕，覆蓋范圍一般在幾公里之內(nèi)。802.16e具備后向兼容802.16d的能力，物理層主要采用OFDM、OFDMA技術(shù)。目前只對無線接口物理層和MAC層進行標準化，預(yù)計明年中完成;核心網(wǎng)局部標準化尚不明朗。其頻譜可能包括現(xiàn)有的固定無線接入頻段、WLAN頻段或新劃分許可頻段；WiMAX可能的應(yīng)用包括:接入移動通信網(wǎng)、固定網(wǎng)無線寬帶接入、單獨組網(wǎng)。它與3G、B3G的不同在于:3G及其增強型技術(shù)強調(diào)無處不在(連續(xù)覆蓋)、移動性和全業(yè)務(wù)(話音和數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)速率較高；WiMAX提供的是熱點覆蓋、游牧式移動或有限移動，以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主，數(shù)據(jù)速率高;B3G那么以蜂窩移動通信技術(shù)為主，多種無線技術(shù)集成應(yīng)用，提供全業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)速率高、覆蓋連續(xù)。802.16的目標與3G、3G增強型及B3G有交疊，并在動態(tài)地變化，采用的關(guān)鍵技術(shù)也較接近。但從標準化程度、產(chǎn)品成熟度、市場應(yīng)用和頻譜情況等綜合分析，3G及其增強型和B3G等蜂窩移動通信的主導(dǎo)地位難以撼動。總體上來講，3G、WiMAX和B3G是滿足不同速率和不同需求，在不同時間推出的技術(shù)，是互補和共存的。國際上對WiMAX監(jiān)管主要表達在頻譜分配方面，目前只有韓國在2004年底發(fā)放了許可證，使用頻段為2.3GHz～2.4GHz?！?〕RFID技術(shù)的開展RFID〔無線射頻識別技術(shù)〕的理念是實現(xiàn)物與物的通信，它的開展經(jīng)過了物品識別、跟蹤記錄、環(huán)境感知階段，正向著物物通信和實時控制方向演進?！?〕集群通信技術(shù)集群通信是多個用戶共用一組無線電信道的專用移動通信系統(tǒng)的技術(shù)，群組內(nèi)用戶共享前向信道，支持群組呼叫;它采用PTT方式，呼叫接續(xù)快，被叫不需摘機，適合調(diào)度類業(yè)務(wù)和專用系統(tǒng)。相比過去的模擬集群技術(shù)，數(shù)字集群通信在系統(tǒng)性能、用戶體驗等方面有著模擬集群不能比較的優(yōu)點。(1)數(shù)字集群采用的大區(qū)制和蜂窩小區(qū)技術(shù)頻率復(fù)用率高;(2)采用數(shù)字信令方式、語音編碼、調(diào)制解調(diào)；頻譜利用率高、抗無線信道衰落能力強;(3)在覆蓋漫游范圍、容量、保密性、業(yè)務(wù)種類〔數(shù)據(jù)、短消息〕等方面彌補了模擬集群通信的種種缺乏。數(shù)字集群的根底技術(shù)包括:TDMA〔GT800〕、FDMA/CDMA〔GoTa〕和FHMA〔跳頻〕等;運營方式分專網(wǎng)和共網(wǎng)兩種，專網(wǎng)由某一單位單獨建設(shè)、維護和使用，共網(wǎng)由運營商負責(zé)建設(shè)和維護，多個單位通過VPN方式共同使用。共網(wǎng)運營將是數(shù)字集群的開展方向。〔5〕視頻業(yè)務(wù)與技術(shù)視頻業(yè)務(wù)的開展是電信與播送行業(yè)融合的起點之一，其根本工作模式有三種:1〕根本傳播方式:播送方式/蜂窩移動通信方式;2〕頻帶利用方式:獨占方式/共享方式;3〕信息選播方式:選臺方式/VOD方式。〔6〕IPTV業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)電信運營商和播送電視經(jīng)營者都想借此機遇，以用戶已經(jīng)熟悉的TV業(yè)務(wù)為突破口，將寬帶業(yè)務(wù)帶入億萬家庭，為下一步提供交互式的寬帶電信業(yè)務(wù)打下良好的根底。3．我國無線通信技術(shù)的標準化工作〔1〕蜂窩移動通信:已經(jīng)制訂了由100多個標準組成的3G系列標準，包括了TD-SCDMA、WCDMA、cdma2000系列標準；同時積極參與3GPPs面向未來的標準制訂。〔2〕寬帶無線接入:SCDMA系列標準、WLAN系列標準〔包括與蜂窩移動通信的互通、互操作標準〕、WiMAX的行業(yè)標準正在制訂中?！?〕數(shù)字集群:我國已經(jīng)制訂了基于GSM〔GT800〕和CDMA〔GoTa〕技術(shù)的數(shù)字集群標準?！?〕短距離通信:UWB、RFID等技術(shù)標準正在研究中。4．無線網(wǎng)絡(luò)融合趨勢融合的層面包括技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)融合、業(yè)務(wù)融合和行業(yè)融合三方面?！笆晃濉逼陂g，政府對實現(xiàn)三網(wǎng)融合將采取積極政策，出臺系列的政策和法規(guī)，促進協(xié)調(diào)開展。推動融合的四個決定因素是:〔1〕消費者需要:無縫網(wǎng)絡(luò)單一契約享受所有需要的業(yè)務(wù);多種技術(shù)融合的環(huán)境提供優(yōu)化的效勞性能價格比體系?！?〕運營商需求:業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型；降低根底設(shè)施建設(shè)、運維和業(yè)務(wù)開發(fā)推介本錢?！?〕效勞和內(nèi)容提供商需要隨時隨地通過更多種類的終端獲得更多的受眾。〔4〕各種特性的無線接入技術(shù)、NGI/NGN、IMS、家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)融合提供了技術(shù)支持。網(wǎng)絡(luò)融合時代有三個開展趨勢:無線技術(shù)和移動技術(shù)的融合、多媒體數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過寬帶固定與無線的融合、播送業(yè)務(wù)和電信業(yè)務(wù)的融合，最終到達無處不在的網(wǎng)絡(luò)效勞。1.2無線通信系統(tǒng)的構(gòu)成模型1.2.1一般通信系統(tǒng)的構(gòu)成模型通信就是將信息從發(fā)送方傳送到接收方的過程。實現(xiàn)信息傳送所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng)。圖1-2通信系統(tǒng)的一般模型框圖信源是消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，稱之為消息信號或基帶信號。機、電視攝像機和電傳機、計算機等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。發(fā)送設(shè)備的根本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｗ儞Q方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。對數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼設(shè)備與信道編碼設(shè)備。信道是指傳輸信號的物理媒質(zhì)。在無線信道中，信道可以是大氣〔自由空間〕，在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。有線和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對象的不同，需要對實際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型，以反映傳輸媒質(zhì)對信號的影響。噪聲源不是人為參加的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。噪聲的來源是多樣的，它可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而且外部噪聲往往是從信道引入的，因此為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象參加到信道。接收設(shè)備的根本功能是：完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號來，對于多路復(fù)用信號，還包括解除多路復(fù)用，實現(xiàn)正確分路。信宿是傳輸信息的歸宿點，其作用是將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。圖1-2中概括地描述了一個通信系統(tǒng)的組成，它反映了通信系統(tǒng)的共性，因此稱之為通信系統(tǒng)的一般模型。根據(jù)研究的對象以及所關(guān)注的問題不同，通信模型中的各小方框的內(nèi)容和作用將有所不同，因而相應(yīng)有不同形式的更具體的通信模型。而我們本課程所討論的就是圍繞著通信系統(tǒng)的模型而展開的。1.2.2在圖1-2中，信源發(fā)出的消息雖然有多種形式，但可分為兩大類：一類稱為連續(xù)消息；另一類稱為離散消息。連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語音、活動圖片等。離散消息那么是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的，如符號、數(shù)據(jù)等。消息的傳遞是通過它的物質(zhì)載體------電信號來實現(xiàn)的，即把消息寄托在電信號的某一參量上〔如連續(xù)波的幅度、頻率或相位；脈沖波的幅度、寬度或位置〕。按信號參量的取值方式不同可把信號分為兩類，即模擬信號和數(shù)字信號。凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個值的，且直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為模擬信號，如機送出的語音信號等。模擬信號有時也稱連續(xù)信號，這個連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化，或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個值，而不一定在時間上也連續(xù)，如圖1-3〔b〕所示，抽樣信號等。圖1-3模擬信號波形圖1-4數(shù)字信號波形凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為數(shù)字信號，如電報信號、計算機輸入/輸出信號、PCM信號等。數(shù)字信號有時也稱離散信號，這個離散是指信號的某一參量是離散變化的，而不一定在時間上也離散，如圖1-4(b)所示的2PSK信號。按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。1．模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。我們知道，信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號，基帶的含義是指信號的頻譜從零頻附近開始，如語音信號為300～3400Hz，圖像信號為0～6MHz。由于這種信號具有頻率很低的頻譜分量，一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?，并可在接收端進行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。經(jīng)過調(diào)制以后的信號稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號有三個根本特征：一是攜帶有信息，二是適合在信道中傳輸，三是信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻，因而已調(diào)信號又稱頻帶信號。需要指出，消息從發(fā)送端到接收端的傳遞過程中，不僅僅只有連續(xù)消息與基帶信號和基帶信號與頻帶信號之間的兩種變換，實際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對信號的變化起決定性作用，而其他過程對信號不會發(fā)生質(zhì)的變化，只是對信號進行了放大或改善了信號特性，因而被認為是理想的而不予討論。模擬通信系統(tǒng)模型可由圖1-2略加演變而成，如圖1-5所示。圖中的調(diào)制器和解調(diào)器就代表圖1-2中的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。圖1-5模擬通信系統(tǒng)模型2．數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)，如圖1-6所示。數(shù)字通信涉及的技術(shù)問題很多，其中主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、同步以及加解密等。下面對這些技術(shù)作簡要介紹。圖1-6數(shù)字通信系統(tǒng)模型〔1〕信源編碼與譯碼信源編碼有兩個作用：一是當信息源給出的是數(shù)據(jù)數(shù)字信號時，設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說的數(shù)據(jù)壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。二是當信息源給出的是模擬語音信號時，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。模擬信號數(shù)字化常見的有兩種方式為脈沖編碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制(ΔM)。信源譯碼是信源編碼的逆過程?！?〕信道編碼與譯碼數(shù)字信號在信道傳輸時，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會引起過失。為了減少過失，信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)那么參加保護成分〔監(jiān)督碼元〕，組成所謂“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)那么進行解碼，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實現(xiàn)可靠通信?！?〕加密與解密在需要實現(xiàn)保密通信的場合，為了保證所傳信息的平安，人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過程叫加密。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對收到的數(shù)字序列進行解密，恢復(fù)原來信息，叫解密。〔4〕數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號。根本的數(shù)字調(diào)制方式有：振幅鍵控〔ASK〕、頻移鍵控〔FSK〕、絕對相移鍵控〔PSK〕、相對〔差分〕相移鍵控〔DPSK〕。對這些信號可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)復(fù)原為數(shù)字基帶信號。對高斯噪聲下的信號檢測，一般用相關(guān)器接收機或匹配濾波器實現(xiàn)。數(shù)字調(diào)制是數(shù)字通信技術(shù)的重點內(nèi)容之一，另外也是理解現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)的根底，后面第2章還要進一步重點講述。〔5〕同步與數(shù)字復(fù)接同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準確、可靠工作的不可缺少的前提條件。同步是使收、發(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致。按照同步的功用不同，可分為：載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時分復(fù)用根本原理把假設(shè)干個低速數(shù)字信號合并成一個高速的數(shù)字信號，以擴大傳輸容量和提高傳輸效率。需要說明的是，圖1-6是數(shù)字通信系統(tǒng)的一般化模型，實際的數(shù)字通信系統(tǒng)不一定包括圖1-6中的所有環(huán)節(jié)。如在某些有線信道中，假設(shè)傳輸距離不太遠且通信容量不太大時，數(shù)字基帶信號無需調(diào)制，可以直接傳送，稱之為數(shù)字信號的基帶傳輸，其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)。應(yīng)該指出的是，模擬信號經(jīng)過數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，數(shù)字系統(tǒng)就是以數(shù)字方式傳輸模擬語音信號的例子。當然，數(shù)字信號也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸，如計算機數(shù)據(jù)可以通過模擬線路傳輸，但這時必須使用調(diào)制解調(diào)器〔Modem〕將數(shù)字基帶信號進行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性?？梢?，模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘柗N類。3.數(shù)字通信的主要優(yōu)點目前，無論是模擬通信還是數(shù)字通信，在不同的通信業(yè)務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，數(shù)字通信的開展速度已明顯超過模擬通信，成為當代通信技術(shù)的主流。與模擬通信相比，數(shù)字通信更能適應(yīng)現(xiàn)代社會對通信技術(shù)越來越高的要求，其特點是：(1)抗干擾能力強。以二進制為例，信號的取值只有兩個，這樣接收端只需判別兩種狀態(tài)。信號在傳輸過程中受到噪聲的干擾，必然會發(fā)生波形畸變，接收端對其進行抽樣判決，以區(qū)分是兩個狀態(tài)中的哪一個。只要噪聲的大小缺乏以影響判決的正確，就能正確接收。而模擬通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖沁B續(xù)變化的模擬信號，它要求接收機能夠高度保真地重現(xiàn)信號波形，如果模擬信號疊加上噪聲后，即使噪聲很小，也很難消除它。此外，在遠距離傳輸，如微波中繼通信時，各中繼站可利用數(shù)字通信特有的判決再生接收方式，對數(shù)字信號波形進行整形再生而消除噪聲積累。(2)過失可控?？梢圆捎眯诺谰幋a技術(shù)使誤碼率降低，提高傳輸?shù)目煽啃浴?3)易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計算技術(shù)對信號進行處理、加工、變換、存儲，從而形成智能網(wǎng)。(4)易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。(5)易于加密處理，且保密強度高。但是，數(shù)字通信的許多優(yōu)點都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶為代價而換取的。以為例，一路模擬通常只占據(jù)4KHz帶寬，但一路接近同樣話音質(zhì)量的數(shù)字可能要占據(jù)20～60KHz的帶寬，因此數(shù)字通信的頻帶利用率不高。另外，由于數(shù)字通信對同步要求高，因而系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。不過，隨著新的寬帶傳輸信道〔如光導(dǎo)纖維〕的采用、窄帶調(diào)制技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的開展，數(shù)字通信的這些缺點已經(jīng)弱化。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛開展和廣泛應(yīng)用，數(shù)字通信在今后的通信方式中必將逐步取代模擬通信而占主導(dǎo)地位。在無線通信系統(tǒng)中，人們也在不斷在研究新的調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)等，來提高信道的利用率。如QAM調(diào)制技術(shù)、MSK調(diào)制技術(shù)、OFDM調(diào)制技術(shù)等。1.2.3無線通信利用電磁波作為傳輸介質(zhì)的通信系統(tǒng)稱為無線通信系統(tǒng)。典型的無線通信系統(tǒng)的組成框圖如圖1-7：圖1-7無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可見，無線通信系統(tǒng)一般有發(fā)信機、收信機以及與其相連的天線〔含饋線〕構(gòu)成。1．發(fā)信機發(fā)信機的主要作用是將所要傳送的信號首先對載波信號進行調(diào)制，形成已調(diào)載波；已調(diào)載波信號經(jīng)過變頻(有的發(fā)射機不經(jīng)過這一步驟)成為射頻載波信號，送至功率放大器，經(jīng)功率放大后送至天(饋)線。圖1-8是一種短波發(fā)信機的組成框圖。圖1-8一種短波發(fā)信機的組成框圖2．天線天線是無線通信系統(tǒng)的重要組成局部。其主要作用:是把射頻載波信號變成電磁波或者把電磁波變成射頻載波信號。按照標準性的定義，“天線就是把導(dǎo)行模式的射頻電流變成擴散模式的空間電磁波的傳輸模式轉(zhuǎn)換器，及其逆變換的傳輸模式轉(zhuǎn)換器”。饋線的主要作用:是把發(fā)射機輸出的射頻載波信號高效地送至天線。這一方面要求饋線的衰耗要小；另一方面其阻抗應(yīng)盡可能與發(fā)射機的輸出阻抗和天線的輸入的阻抗相匹配。3．收信機圖1-9一種短波收信機的組成框圖收信機的主要作用是把天線接收下來的射頻載波信號首先進行低噪聲放大，然后經(jīng)過變頻(一次、兩次甚至三次變頻)、中頻放大和解調(diào)后復(fù)原出原始信號，最后經(jīng)低頻放大器放大后輸出。圖1-9是一種短波收信機的組成框圖。1.2.4單工與雙工通信無線通信的工作方式可分為單向通信方式和雙向通信方式兩大類別，而后者又分為單工通信方式、雙工通信方式和半雙工通信方式三種。1．單向通信方式所謂單向通信方式就是通信雙方中的一方只能接收信號，而另一方只能發(fā)送信號，不能互逆。收信方不能對發(fā)信方直接進行信息反應(yīng)。例如：陸地移動通信系統(tǒng)中的無線尋呼系統(tǒng)就采用這種工作方式。BP機(或BB機)只能收信而不能發(fā)信，反應(yīng)信息只能通過“打”間接地來完成。2．雙向通信方式(1)單工通信方式通信雙方只能交替地進行發(fā)信和收信，不能同時進行。如圖1-10所示。圖1-10單工通信方式示意圖例如：常用的對講機就采用這種通信方式，平時天線與收信機相連接，發(fā)信機也不工作。當一方用戶講話時，接通信時，接通“按-講”開關(guān)，天線與發(fā)信機相連〔發(fā)信機開始工作〕。另一方的天線接至收信機，因而可收到對方發(fā)來的信號。(2)全雙工通信方式通信雙方可同時發(fā)信與收信，即雙方同時處于收信與發(fā)信狀態(tài)。這時收信與發(fā)信必須采用不同的工作頻率。用戶使用時與“打”時的情況一樣。這時通信雙方的設(shè)備一般通過雙工器來完成這種功能。如下列圖1-11所示。圖1-11全雙工通信方式示意圖(3)半雙工通信方式通信雙方可同時發(fā)信和收信。但發(fā)信時要按下“按-講”開關(guān)。如圖1-12所示。圖1-12半雙工通信方式示意圖1.2.5無線通信網(wǎng)絡(luò)1．無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)是由許多獨立的無線接點通過無線電波相互通信而構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)。廣義地說，但凡采用了無線傳媒體的網(wǎng)絡(luò)都可以稱為無線網(wǎng)絡(luò)，它的傳媒體可以是無線電波、光波或者紅外線等。無線網(wǎng)絡(luò)的連接方式有很多種，最根本的有星形連接、超級星形連接和網(wǎng)形連接三種連接方式如圖1-13，1-14，1-15所示。圖1-13星形連接方式圖1-14超級星形連接方式圖1-15網(wǎng)形連接方式2.現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代通信技術(shù)開展到今天，已經(jīng)不再是局限于單一的通信模式，其中一個重要的標志就是網(wǎng)絡(luò)化，無線通信與有線通信的結(jié)合構(gòu)成了直接面向用戶的無線通信網(wǎng)。無線通信網(wǎng)分核心網(wǎng)和接入網(wǎng)兩局部。無線網(wǎng)絡(luò)主要扮演接入網(wǎng)的角色，提供用戶在移動中進行通信的可能性。目前，無線接入技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代通信的一大熱點問題。圖1-16現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)1.3無線信道特性不同的無線信道對無線通信系統(tǒng)的性能、設(shè)備要求有很大的影響，討論和分析無線信道特性對分析和設(shè)計無線通信系統(tǒng)有現(xiàn)實意義。1.3.1無線信道的概念和傳播特性1.無線信道通信系統(tǒng)中，信號從發(fā)射端送出之后，在到達接收端之前經(jīng)過的所有路徑，統(tǒng)稱為信道。對于無線通信，電磁波傳播所經(jīng)過的路徑就稱為無線信道。信道是對無線通信中發(fā)送端和接收端之間的通路的一種形象比喻，對于無線電波而言，它從發(fā)送端傳送到接收端，其間并沒有一個有形的連接，它的傳播路徑也有可能不只一條，但是為了形象地描述發(fā)送端與接收端之間的工作，我們想象兩者之間有一個看不見的道路銜接，把這條銜接通路稱為信道。信道具有一定的頻率帶寬，正如公路有一定的寬度一樣。2.時延擴展無線信道中電波的傳播不是單一路徑，而是許多路徑來的眾多反射波的合成。由于電波通過各個路徑的距離不同，因而各個路徑來的反射波到達時間不同，也就是各信號的時延不同。當發(fā)送端發(fā)送一個極窄的脈沖信號時，移動臺接收的信號由許多不同時延的脈沖組成，我們稱為時延擴展。3.多徑衰落〔快衰落〕同時由于各個路徑來的反射波到達時間不同，相位也就不同。不同相位的多個信號在接收端迭加，有時迭加而加強〔方向相同〕，有時迭加而減弱〔方向相反〕。這樣，接收信號的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生了快衰落。這種衰落是由多種路徑引起的，所以稱為多徑衰落。4.慢衰落此外，接收信號除瞬時值出現(xiàn)快衰落之外，場強中值〔平均值〕也會出現(xiàn)緩慢變化。主要是由地區(qū)位置的改變以及氣象條件變化造成的，以致電波的折射傳播隨時間變化而變化，多徑傳播到達固定接收點的信號的時延隨之變化。這種由陰影效應(yīng)和氣象原因引起的信號變化，稱為慢衰落。5.多普勒效應(yīng)波在波源移向觀察者時接收頻率變高，而在波源遠離觀察者時接收頻率變低。當觀察者移動時也能得到同樣的結(jié)論。這是奧地利一位名叫多普勒的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的。多普勒效應(yīng)適用于所有類型的波，包括電磁波、聲波、水波等。由于移動通信中移動臺的移動性，無線信道中同樣會有多普勒效應(yīng)。在移動通信中，當移動臺移向基站時，頻率變高，遠離基站時，頻率變低。我們在移動通信中要充分考慮“多普勒效應(yīng)”。雖然，由于日常生活中，我們移動速度的局限，不可能