第五章-通信原理...ppt

第5章信道复用 本章学习要求 掌握 信道的定义掌握 无线信道与有线信道掌握 复用技术和多址技术掌握 频分复用FDM和时分复用TDM了解 分多址FDMA 时分多址TDMA 码分多址CDMA和混合多址等几种方式 5 1通信信道概述 信道定义 以传输媒质为基础的信号通道 狭义信道 信号的传输媒质 广义信道 包括有关的变换装置 调制信道 编码信道 有线信道 明线 电缆 光纤 波导管等 无线信道 地波 短波电离层反射 超短波或微波视距中继 人造卫星中继等 关心的是调制器输出的信号形式 解调器输入端信号与噪声的最终特性 编码器输出端到译码器输入端的部分 狭义信道 调制信道 编码信道 明线 5 双绞线 568A标准 绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕568B标准 橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 抗干扰能力较差 带宽和传输距离 决定于铜线的粗细 同轴电缆 CoaxialCable 同轴电缆的分类 基带同轴电缆 50欧姆电缆 用于数字传输 数据传输速率 10Mb s 信号传输距离 1 1 2km 宽带同轴电缆 75欧姆电缆 用于模拟传输 CATV中标准传输电缆 带宽可达 300 450MHz 传输距离 100km 同轴电缆的优缺点 抗干扰能力强带宽宽 数据传输速率高 传输距离远 价格贵 很重 无法结构化布线 应用 电视网络 近距离计算机网络 长途电话传输 光纤 光缆 轴心 玻璃材质 用来传送光波讯号 被覆层 折射率极低的物质 外皮 不透光的材质 用以隔绝外在的干扰源 保护脆弱的轴心 光纤结构纤芯包层按折射率分类阶跃型梯度型按模式分类多模光纤单模光纤 光电转换器 光纤的类型 单模光纤 轴心直径较细 约5 10微米 传输距离长 散射率小 传输效能极佳 多模光纤 轴心直径较宽 约50 100微米 传输距离短 传输效能略差 光纤工作波段 目前 在试验室中光纤带宽超过50Tbps 8 2 5Gbps 8 10Gbps 32 10Gbps的光纤传输已经实用常用的三个波长窗口 光纤波段 0 85um 衰减 attenuation 大 传输速率和距离受限制 但价格便宜1 30um 衰减小 无色散 dispersion 补偿 功率放大情况下 最大传40km 最坏情况 1 55um 衰减小 无色散补偿 功率放大情况下 最大传80km 最坏情况 无线信道无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制地球大气层的结构对流层 地面上0 10km平流层 约10 60km电离层 约60 400km 电离层对于传播的影响反射散射大气层对于传播的影响散射吸收 电磁波的分类 地波频率 2MHz有绕射能力距离 数百或数千千米天波频率 2 30MHz特点 被电离层反射一次反射距离 4000km寂静区 17 复用技术MultiplexingTechniques 一般来说 正在通信的两个站点不会完全用尽数据链路的全部带宽 复用 multiplexing 就是使一条数据链路能同时传输多路信号的一组技术 复用技术最常用在使用大容量光纤 同轴电缆或微波链路的长途通信方面 以及广域网的主干连接 P105图6 1 复用与无复用Multiplexingvs NoMultiplexing 链路和通道 信道 LinkandChannel 在多路复用技术中 链路 一词指的是物理路线 通道 信道 一词指的链路的一部分 它能在一对给定的线路间实现数据的传输 一条链路可以有许多 n 条通道 Inmultiplexing thewordlinkreferstothephysicalpath Thewordchannelreferstotheportionofalinkthatcarriesatransmissionbetweenagivenpairoflines Onelinkcanhavemany n channels 在多路复用技术中 链路 一词指的是物理路线 通道 信道 一词指的链路的一部分 它能在一对给定的线路间实现数据的传输 一条链路可以有许多 n 条通道 Note 复用技术种类CategoriesofMultiplexing 异步时分复用 亦称统计时分复用 STDM 5 2频分复用 FDM Frequency divisionMultiplexing 频分复用FrequencyDivisionMultiplexing FDM是一种模拟技术 用于链路带宽大于要传输的几路信号带宽之和的情况 每路信号都被调制到一个不同的载波频率上 然后组合成一个复合信号 各载波频率之间应有一定间隔 防护频带 保证各路信号不会重叠 应用示例 广播电台和有线电视信道分配后 即使没有数据传送也被占用 FDM 模拟复用技术FDM AnalogMultiplexingTechnique 如果源端发送的是数字信号 复用前要先转换为模拟信号 频分复用是一种模拟多路复用技术 用于将多路模拟信号合成为一路复合信号 FDMisananalogmultiplexingtechniquethatcombinesanalogsignals Note 频分复用示意图FrequencyDivisionMultiplexingDiagram 频分复用 齐头并进 型复用 P106图6 3 频分复用系统FDMSystem 复合基带调制信号的频谱SpectrumofCompositebasebandmodulatingsignal FDM复用过程时域图FDMMultiplexing TimeDomain 复用器 FDM解复用过程时域图FDMDemultiplexing TimeDomain P106图6 5 FDM复用过程频域图FDMMultiplexing FrequencyDomain FDM解复用过程频域图FDMDemultiplexing FrequencyDomain 例 5个通道 带宽均为100kHz 如果通道间需要10kHz的防护频带 求链路的最小带宽 解 5 100 4 10 540kHz 模拟载波系统AnalogCarrierSystems 由美国AT T公司推出的分级的FDM结构基群12路话音信道 每路4kHz 48kHz频谱60kHz 108kHz超群60路话音信道由5个基群信号通过FDM二次调制形成 超群复用器主群10个超群组成 600路话音信道 主群复用器巨群由 个主群组成 模拟载波系统层次结构示意图AnalogHierarchy P108图6 9 应用示例 ADSLExampleofFDMApplication ADSL 非对称数字用户线路 利用现有电话线 实际带宽1 1MHz 实现宽带网络连接非对称 Asymmetric 的含义下行速率大于上行采用频分复用技术最低的25kHz用于传统电话话音传输使用回声抵消或FDM技术来分配两个频带 上行和下行 在频带内部使用FDM技术距离可达5 5千米 ADSL信道设置ADSLChannelConfiguration 6 2波分复用Wavelength divisionMultiplexing 波分复用示意图Wavelength divisionMultiplexingDiagram 波分复用 光纤通道上的频分复用 波分复用WavelengthDivisionMultiplexing 不同频率的多路光线在同一光纤上传输 即在一根光纤上采用频分复用技术 承载若干不同频率的光信号 FDM的一种形式 每一种颜色 波长 的光承载一个数据信道 波分复用与分离过程中棱镜的作用PrismsinWavelength divisionMultiplexingandDemultiplexing WDM技术非常复杂 原理却非常简单 光源的组成与分离由棱镜完成 P109图6 11 5 3时分复用Time DivisionMultiplexing TDM 数字复用技术TDM DigitalMultiplexingTechnique 如果源端发送的是模拟信号 复用前要先转换为数字信号 时分复用是一种数字多路复用技术 用于将多个低速通道组合成为一个高速通道 TDMisadigitalmultiplexingtechniqueforcombiningseverallow ratechannelsintoonehigh rateone Note 时分复用示意图TimeDivisionMultiplexing TDM 交替前进 型多路复用 同步时分复用SynchronousTDM TDM是一种数字复用技术 它将不同源端的数字数据合并到一个时间共享的链路上 适用于媒体数据速率容量超过要传输的几路数字信号总速率的情况 几路数字信号可以通过交替使用不同的 时隙 timeslot 亦译成 时间片 或 时槽 在一条传输线路上传送 交替可以按位 按字节块或大数据块进行 时隙被预先固定分配给每个数据源 即使某个数据源并没有数据传送 该时隙也得分配给它 每个数据源对应的时隙数量可以是不同的 TDM帧TDMFrames 交替Interleaving 同步时分复用技术SynchronousTDM 复用器将不同的输入交替组合成帧 然后送入传输链路 传输链路的容量必须能容纳所有的输入 如果上图中每路输入的带宽是9 6kbps 传输链路所需总带宽至少要48kbps 复用过程MultiplexingProcess 因为将每个时隙分配给特定的输入线路 如果这些输入线路没有全部进入工作状态 就会出现空闲的时隙 上图中 只有前三个帧是完全填满的 而24个时隙中有6个空闲未用 意味着链路传输能力的四分之一被浪费了 同步TDM系统 分离过程DemultiplexingProcess 5 6多址通信方式 基本概念多址接入与信道分类频分多址 FDMA 频道划分 频带独享 时间共享时分多址 TDMA 时隙划分 时隙独享 频率共享码分多址 CDMA 码型划分 时隙 频率共享空分多址 SDMA 空间角度划分 频率 时隙 码共享 53 多址概念 以信道区分通信对象 一个信道只容纳一个用户进行通话 不同的用户同时进行通话 互相以信道来区分 多址接入 如何建立用户之间的无线信道的连接 多址方式是移动通信网体制范畴 关系到系统容量 小区构成 频谱和信道利用效率以及系统复杂性 54 FDMATDMACDMA 数分多址概念 CDMA基本原理 55 共52页 56 SDMA FDMA TDMA CDMA 频分多址 FDMA 频道划分 频带独享 时间共享时分多址 TDMA 时隙划分 时隙独享 频率共享码分多址 CDMA 码型划分 时隙 频率共享空分多址 SDMA 空间角度划分 频率 时隙 码共享 57 频分多址方式 系统原理频分多址 FrequencyDivisionMultipleAccess FDMA 频道划分 频带独享 时间共享 共52页 58 频分多址方式 7 2频分多址方式 FDMA系统的频谱管理FDD FrequencyDivisionDuplex 共52页 59 反向信道保护频带前向信道 保护频隙 f1 f2 fN f1f2fN 共52页 60 频分多址方式 FDMA系统的特点1 单路单载波传输 每个频道只传送一路业务信息 载波间隔必须满足业务信息传输带宽的要求 2 信号连续传输 在分配好话音信道后 基站和移动台同时连续不断的发送和接收 3 需要周密的频率规划 是一个频道受限和干扰受限系统 4 实现简单 无需自适应均衡 5 基站需要多个收发信道设备 越区切换复杂 6 频率利用率低 容量小 7 3时分多址 共52页 61 GSM系统的帧长为4 6ms 每帧8个时隙 每一个时隙分配给一个用户 时分多址系统原理 TimeDivisionMultipleAccess TDMA 时隙划分 时隙独享 频率共享 共52页 62 7 3时分多址 时分复用 各个移动台在上行帧内只能按指定的时隙向基站发送信号 为了保证在不同传播时延情况下 各移动台到达基站处的信号不会重叠 通常上行时隙内必须有保护间隔 在该间隔内不传送信号 基站按顺序安排在预定的时隙中向各移动台发送信息 2TDMA的帧结构 63 保护间隙 TDMA TDD 64 一个帧 时分多址 TDMA FDD GSM 65 f 延时3个时隙 时分多址 TDMA系统的同步与定时位同步针对每个时隙 接收机解调所需方法 1 用专门的信道传输 2 插入业务信道中传输帧同步针对每个帧 进行复用 解复用所需方法 在每帧的前面设置一个同步码同步码的要求 传输效率高 码短 同步可靠性 抗干扰强 码长 建立时间短 错误捕获概率小 同步保持时间长 失步概率小 66 矛盾 7 3时分多址 TDMA系统的特点突发传输速率高 语音编码速率 N Rbit s 发射信号速率随N的增大而提高 需要自适应均衡 不需双工器 基站复杂性减小 只需一部收发信机 频率利用率高 容量大越区切换简单 共52页 67 5 6CDMA蜂窝移动通信系统 5 6 1CDMA系统的基本原理5 6 1 1CDMA的基本概念频分多址FDMA时分多址TDMA码分多址CDMA 三种基本多址接入方式示意 5 6 1 2CDMA移动通信系统分类根据系统所采用的扩频技术 即获得宽带信号所采用的调制方式进行划分 把CDMA移动通信系统分为直接序列扩频DS系统 跳频FH系统 跳时TH以及它们的混合等几种 1 直扩DS方式 直接序列扩频调制方式 它将数字信号与高速率的扩频序列码直接相乘后调制到载波上进行发射 其原理框图如下图所示 2 跳频FH方式 简称FH方式 其载频在同一个时间周期内不变 但在下一个时间周期内却可能跳变到了另一个许可的频率上 其跳变的模式由伪随机扩频序列码决定 一般将所有可用的载波频率集合称为跳频集 DS CDMA收发框图 FH CDMA收发框图 3 跳时方式 跳时扩频的信号以快速突发脉冲的形式在时隙上传输 而使用的时隙则由分配给用户的编码决定 简称TH方式 4 混合方式 指为了综合利用各多址方式的优点并抑制其缺点 同时采用前述三种多址方式中的两种或多种的调制方式 目前常用的混合方式是DS CDMA方式 5 6 1 3CDMA移动通信系统的网络结构CDMA系统网络结构 5 6 2CDMA移动通信系统的特点 1 强抗干扰能力 2 系统容量大 接通率高 3 系统容量的配置灵活 4 语音质量更佳 5 不易掉话 6 延长手机电池寿命 7 低拦截概率LPI 5 6 3CDMA移动通信系统关键技术 通信系统的性能衡量从有效性 可靠性和安全性三个方面着 CDMA移动通信系统采取的措施主要包括 用于抗慢衰落的功率控制技术 抗频率选择性衰落的Rake接收 抗空间选择性衰落的分集接收和发送技术 抗掉话现象的软切换技术 提高通话质量的线性预测话音编码技术 5 6 3 1功率控制技术 远近效应 现象 如果所有的移动台都以同样的发射功率工作 则离基站远的移动台的信号在到达基站时将受到离基站近的移动台信号的影响甚至被淹没 出现强信号压制弱信号的情况 解决上述现象的有效技术是功率控制 反向开环功率控制 用于控制小区内所有移动台发射信号在到达基站时都达到标称功率 以补偿阴影 拐弯等效应及平均路径衰落 反向闭环功率控制 根据接收信号估算出移动台的开环功率并立即进行调整或补偿 使移动台保持最适当的发射功率 前向功率控制 基站根据测量结果自行调整每个移动台的发射功率 对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率 而对那些远离基站的和误码率较高的移动台分派较大的前向链路功率 5 6 3 2PN地址码的选择与实现 CDMA系统中的信号都占用同样的频段同时发送 它们对信道的区分完全依赖于用收端的再生地址码对信号的相关解调来完成 地址码选择的好坏必将影响系统的容量 抗干扰力 接入及切换速率等性能 所选用的地址码应该具有足够多的地址码码组序列 各地址码组间彼此独立 互相关函数值为零或很小 不同的码元数应平衡相等等几个特点 通常用伪噪声序列模拟符合上述要求的高斯噪声信号 常用的有序列 序列和码 5 6 3 3软切换技术 硬切换 方式 即当一个正在通话中的移动用户从一个基站覆盖区进入另一个基站覆盖区时 因为原基站与新基站的载波频率不同 移动台必须在接收新基站的信号之前 切断与原基站的联系 然后再寻找新进入的覆盖区的基站频率进而与之进行联系 此即通常所说的 先断开后连接 软切换 技术 即先连接 再断开 在通信用户进行越区切换时 手机并不断掉与原基站的联系而是同时与新基站进行联系 只有当手机确认已经和新基站联系上已后 它才将与原基站的联系断开 使掉话的发生率大为降低 5 6 3 4CDMA的话音编码技术 CDMA通信系统的话音编码主要采用码激励线性预测QCELP语音编码技术 QCELP技术将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替来量化差值信号 对插入的语音信号按频率进行抽样 将其分为帧长 每一帧含160