第五章-通信原理

1、 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 51 通信信道概述 信道定义：信道定义： 以传输媒质为基础的信号通道。以传输媒质为基础的信号通道。 狭义信道狭义信道: : 信号的传输媒质信号的传输媒质 广义信道广义信道: :包括有关的变换装置包括有关的变换装置 调制信道：调制信道： 编码信道：编码信道： 有线信道：有线信道：明线明线,电缆电缆,光纤光纤,波导管等。波导管等。 无线信道：无线信道： 地波、短波电离层反射、超短波或微波视距中继

2、、人造地波、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造 卫星中继等。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。声的最终特性。 编码器输出端到译码器输入端的部分。编码器输出端到译码器输入端的部分。 编 码 器 收 端 转 换 器 解 调 器 译 码 器 媒 质 发 端 转 换 器 调 制 器 狭义信道狭义信道 调制信道调制信道 编码信道编码信道 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 n抗干扰能力较差。抗干扰能力较差。 n带

3、宽和传输距离带宽和传输距离：决定于铜线的粗细 同轴电缆同轴电缆(Coaxial Cable) 同轴电缆的分类同轴电缆的分类 基带同轴电缆：基带同轴电缆：50欧姆电缆，用于数字传欧姆电缆，用于数字传 输。数据传输速率：输。数据传输速率：10Mb/s，信号传输距信号传输距 离：离：1-1.2km。 宽带同轴电缆：宽带同轴电缆：75欧姆电缆，用于模拟传欧姆电缆，用于模拟传 输。输。CATV中标准传输电缆，带宽可达：中标准传输电缆，带宽可达： 300-450MHz,传输距离：传输距离：100km。 同轴电缆的优缺点同轴电缆的优缺点 q抗干扰能力强抗干扰能力强 q带宽宽，数据传输速率高，传输距离远。带宽

4、宽，数据传输速率高，传输距离远。 q价格贵，很重，无法结构化布线价格贵，很重，无法结构化布线 应用：电视网络、近距离计算机网络、长途电应用：电视网络、近距离计算机网络、长途电 话传输话传输 光纤、光缆光纤、光缆 q轴心轴心：玻璃材：玻璃材质质, 用来传送用来传送光波光波讯号讯号。 q被覆被覆层层：折射率：折射率极极低的物低的物质质。 q外皮：不透光的材外皮：不透光的材质质, 用以隔用以隔绝绝外在的干外在的干扰源扰源, 保保护护脆弱的脆弱的轴心轴心。 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 折射率 n1n2 折射率 n1 n2 710 125 折射率

5、 n1n2 单模阶跃折射单模阶跃折射 率光纤率光纤 (a) (b) (c) 光电转换器光电转换器 光纤的类型光纤的类型 q单模光纤单模光纤：轴心直径较细轴心直径较细, 约约 510 微米微米, 传输距离长传输距离长, 散射率小散射率小,传输传输效能效能极佳极佳。 q多模光多模光纤纤：轴心直径较宽轴心直径较宽,约约50100 微米微米, 传输距离传输距离短短, 传输传输效能效能略差略差。 光纤工作波段光纤工作波段 目前，在试验室中光纤带宽超过目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；8 2.5 Gbps，8 10 Gbps ，32 10 Gbps的光纤传输已经的光纤传输已经 实用实用 常用的三个

6、波长窗口（光纤波段）常用的三个波长窗口（光纤波段） 0.85um：衰减（衰减（attenuation)大，传输速率和距离受大，传输速率和距离受 限制，但价格便宜限制，但价格便宜 1.30um：衰减小，无色散（衰减小，无色散（dispersion）补偿、功率补偿、功率 放大情况下，最大传放大情况下，最大传40km（最坏情况）最坏情况） 1.55um：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最 大传大传80km（最坏情况）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 10 km 平流层：约10 60 km 电离层

7、：约60 400 km 地 面 对流层 平流层 电离层 10 km 60 km 0 km 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 2 MHz 有绕射能力 距离：数百或数千千米 天波 频率：2 30 MHz 特点：被电离层反射 一次反射距离：语音编码速率，NR bit/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 5.6 CDMA蜂窝移动通信系统 5 56 61 CDMA1 CDMA系统的基本原理系统的基本原理 5 56 61 1

8、1 CDMA1 CDMA的基本概念的基本概念 频分多址频分多址FDMA FDMA 时分多址时分多址TDMA TDMA 码分多址码分多址CDMA CDMA 三种基本多址接入方式示意 5612 CDMA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

9、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。 DSDSCDMACDMA收发框图收发框图 FHCDMA收发框图 载波 发生器 数据信息 调制 向上 转换器 向下 转换器 数据信息 解调 本地PN码 生成 本地载波 发生 PN码 生成 同步追踪 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DSCDMA方式。 5613 CDMA移动通信

10、系统的网络结构 CDMA系统网络结构 562 CDMA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 . 563 CDMA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用于抗慢衰落的功率控制技术; 抗频率选择性衰落的抗频率选择性衰落的Rake接收接收; 抗空间选择性衰落的分集接收和发送技术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抗掉话现象

11、的软切换技术; 提高通话质量的线性预测话音编码技术。提高通话质量的线性预测话音编码技术。 5631 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，

12、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。 5632 PN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。 PN mGoldWalsh 5633 软切换技

13、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。 5634 CDMA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

14、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对插入的语音信号按 频率进行抽样；频率进行抽样； 将其分为帧长将其分为帧长 ，每一帧含，每一帧含 160个抽样的语音帧；个抽样的语音帧； 将该帧中的将该帧中的160样点值生成样点值生成3个参数子帧个参数子帧,即线性预测编码滤波器参数（它对即线性预测编码滤波器参数（它对 任何速率都是每任何速率都是每 更新一次）；音调参数（它的更新次数随速率不同而异）；更新一次）；音调参数（它的更新次数随速率不同而异）； 码表参数（其更新次数也随速率而变）；码表参数（其更新次数也随速率而变）； 3个参数更新后按一定帧结构送至接收端，由接收端从接

15、收的数据流中解包个参数更新后按一定帧结构送至接收端，由接收端从接收的数据流中解包 而获得这些参数；而获得这些参数； 根据这些参数重组语音信号。根据这些参数重组语音信号。 Khz8 ms20 s20 5635 分集技术与Rake接收 多径快衰落：空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰 落的快衰落。 CDMA的分集接收技术：空间分集、频率分集和时间分集等 空间分集利用不同空间收到的信号衰落的独立性来完成抗衰落功能。空间分集利用不同空间收到的信号衰落的独立性来完成抗衰落功能。 频率分集将待发送的信息分别以不同载波调制后发送至信道，减少频率分集将待发送的信息分别以不同载波调制后发送至信道，减少

16、了接收天线设备数量，但它占用了更多的频谱资源且发射机数目相了接收天线设备数量，但它占用了更多的频谱资源且发射机数目相 应增加。应增加。 时间分集技术利用随机衰落信号当其取样时间间隔足够大时，任意时间分集技术利用随机衰落信号当其取样时间间隔足够大时，任意 两个取样点之间的衰落相互独立的性质，使待发送信号每隔一个大两个取样点之间的衰落相互独立的性质，使待发送信号每隔一个大 于时间相关区域的间隔于时间相关区域的间隔T重复发送，则接收端得到相应独立的各分重复发送，则接收端得到相应独立的各分 集支路。集支路。 Rake接收技术是在手机内设计多个接收机，同时分别接收每一路 的信号并独立进行解调，然后再将接收并解调了的信号综合叠加， 滤掉噪声后通过放大使输出增强，形成清晰悦耳的话音信号，富 有立体效果。 564 CDMA标准 CDMA标准的发展大致过程为： 第一阶