《通信工程概论》PPT课件.ppt

1、,现代通信技术概论,2009年8月15日 电气信息工程学院 贾中宁,第1章 通信概述,1.1,通信系统的一般构成,信源 发送变换器 信道 接收变换器 信宿,噪声,声音 数据 文字 图像,信号 信号,声音 数据 文字 图像,1.2,通信系统分类,1.2.1 按信源产生消息的物理特征分类,电话通信、电报通信、电视通信、 数据通信、图像通信、多媒体通信 ,1.2.2 按传输信号的特征分类,模拟通信：传输的信号是模拟信号 数字通信：传输的信号是数字信号,1.2.3 按传输媒介和系统组成的特点分类,长波通信、 短波通信、微波通信 卫星通信、 光纤通信、移动通信,1.2.4 按用途分类,民用通信、军事通信

2、、气象通信 海洋通信、宇宙通信、应急通信、,1.3,通信方式概要,1.3.1 按通信对象的数量分类,（1） 点对点：电话 （2） 一点对多点：广播、电视 （3） 多点对多点：Ad Hoc,1.3.2 按接入方式分类,上行链路,下行链路,BS: Base Station,MS:Mobile Station,问题：MS用什么方法把信号发送到BS？ BS用什么方法把信号发送到MS？,接入方法问题,常用的接入方式（多址技术）有：,（1）频率分割多址接入（频分多址） FDMA ：Frequency division Multiple Access （2）时间分割多址接入（时分多址） TDMA：Time

3、division Multiple Access （3）编码分割多址复用（码分多址） CDMA：Code division Multiple Access,1.3.3 按消息传递方向与时间分类（双工方式）,（1）单工方式 消息只能单向传输，通信双方交替地进行接收和发。,f1,f1(f2),T,T,R,R,T: Transmitter; R: Receiver,f1,f1(f2),(2) 半双工方式 其中一方双向通信，另一方交替收或发。,f1,f2,T,T,R,R,f1,f2,双工器：能够让发射机和接收机 共用一副天线的设备。,f1,f2,T,T,R,R,f1,f2,(3) 全双工方式 通信双方

4、均可同时发送或接收,1.4,通信系统的主要性能指标,用有效性和可靠性衡量通信系统的性能,有效性：在给定的信道内，传输信息量多少 的能力。 具体指标用频谱利用率 和数据传输速率R表示,可靠性：接收端恢复信息的正确程度。,模拟通信用接收信号的信噪比SNR（Signal to Noise ratio）表示 数字通信用接收信号的误码率BER（Bit Error Rate ）表示,BER=,接收数据中的错误比特数,接收数据的总比特数,第2章 数字通信简介,模拟传输与数字传输,2.1,2.2,PCM：Pulse Code Modulation,t1 t2 t3 t4,+3,+5,+4,-7,1 0 0 0

5、 1 1 1 0 0 1 0 11 0 0 1 0 00 0 0 1 1 1,(a) 原模拟信号,抽样值信号 PAM:Pluse Amplitude modulation,(c) 数字信号式PCM,(d) 接收抽样(PAM信号),(e) 解调信号,信源编码和信道编码,格式 化,信源 编码,加密,信道 编码,复用,调制 扩频,多路 复用,发送,信道,接收,多路 分离,逆 扩散,解调,分离,信道 译码,解密,信源 译码,格式 化,同步,基带处理 载波处理,2.3,Signal to Noise ratio,传输信号的频带宽度,数据传输速率 (bit/s),2.4,Shannon定理,数字调制技术,

6、2.5.1 问什么要调制？ 1. 天线的长度与发射信号的波长可比拟时才能有效地发射电磁波。基带信号的频率较低，必须将基带信号的频谱搬移到频率很高的载波附近，该频谱搬移过程称为调制。 2. 不同的调制方式，其可靠性和有效性不同。选择不同的调制方式满足不同的服务品质。,2.5,调制电路,带通滤波器,RF放大器,本振670MHz,本振130MHz,频率合成,130+670=800MHz,800MHz,带通滤波器,RF放大器,带通滤波器,IF滤波器,解调电路,本振670MHz,800MHz,频率合成,800MHz-670MHz=130MHz,无线数据传输系统的简化图,2.5.2 调制信号的一般表达式,

7、瞬时相位,瞬时相位偏移,瞬时振幅（包络线振幅）,2.5.3 调制信号的矢量表示形式,实轴(I),虚轴(Q),2.5.4 幅度调制与相位调制,调制信号,幅度调制：瞬时幅度随调制信号线性变化。 相位调制：瞬时相位偏移随调制信号线性变化。,2.5.5 ASK: Amplitude Shift Keying,A,I,“1” “0”,Q,ASK调制的信号空间配置（ PSK调制的星座图）,2.5.6 PSK: Phase Shift Keying,令 则,-A A,I,Q,PSK调制的信号空间配置（ PSK调制的星座图）,2.5.7 QPSK: Quadrature Phase Shift Keying,

8、发送数据,串并转换 电平转换,低通滤波器,低通滤波器,移相,乘法器,乘法器,I相基带信号,Q相基带信号,QPSK调制的原理图,QPSK调制的星座图,第5章 移动通信概述,移动通信的概念,5.1,移动通信的基本概念 通信双方至少有一方在移动的通信系统 2. 移动通信的特点 (1) 多经传输问题 多经传输引起信号衰落和时延扩展。,时延扩展：,发射机,发射机发送一个窄脉冲，由于多经效应，接收机接收到多个幅度不同、延迟时间也不同扩展信号。,接收机,时延扩展,时延扩展越大,相干带宽BC越窄,衰落分类： 快衰落和慢衰落； 平坦衰落和频率选择性衰落 平坦衰落: 接收信号的幅度有时大有时小,但是不丢失频率成分

9、. 频率选择性衰落:接收信号不但幅度变化,而且丢失某些频率成分. 当发射信号的带宽小于信道的相干带宽时,产生平坦衰落;反之产生频率选择性衰落.,(2) 多普勒频移: 移动终端移动导致接收的频率不等于发射频率,这种现象称为多普勒频移. 移动通信中的特有干扰:同信道干扰. 位置登记,越区切换及漫游. 移动台小型化问题,移动通信系统分类,5.2,大区制与蜂窝 (大区制与小区制) 移动通信的工作方式 单工方式 半双工方式 全双工方式,3. 移动通信的接入方式,上行链路,下行链路,BS: Base Station,MS:Mobile Station,问题：MS用什么方法把信号发送到BS？ BS用什么方法

10、把信号发送到MS？,接入方法问题,常用的接入方式（多址技术）有：,（1）频率分割多址接入（频分多址） FDMA ：Frequency division Multiple Access （2）时间分割多址接入（时分多址） TDMA：Time division Multiple Access （3）编码分割多址复用（码分多址） CDMA：Code division Multiple Access,ch-1 ch-2 ch-3 ch-N,信道带宽,保护带,ch-3 ch-2 ch-1,user 1,user 2,user 3,user 4,user 5,user 5 user 4 user 3 us

11、er 2 user 1,FDMA (Frequency Division Multiple Access),保留時間,系统带宽,time,frequency,frame j frame j+1,#1 #2 #3 #N #1 #2 #3 #N #1 #2,Time,Time,f_uplink,f_downlink,TDMA/FDD (Time Division Multiple Access /Frequency Division Duplex),Uplink Downlink,Frequency,Frequency interval,#1 #2 #3 #N #1 #2 #3 #N #1 #2,

12、Slot,1 2 3 15,Downlink Uplink Downlink,time,frequency,Code,TDD,Code,time,FDD,CDMA TDD and FDD,Downlink,Uplink,5M,5M,frequency,移动通信系统的基本组成,5.3,BS,BS,BS,移动交换中心,MSC,PSTN,移动网,移动通信频率分配和抗干扰技术,5.4,频率分配 GSM: MS BS 890MHz-915MHz BS MS 935MHz-960MHz,载频间隔: 200kHz, 25MHz带宽分为124个载频 频道间隔:25kHz.,中国移动：18801900MHz，2

13、0102025MHz， 共35M频率资源 中国电信：19201935MHz，21102125MHz ， 共30M频率资源 中国联通：19401955MHz，21302145MHz ， 共30M频率资源,3G 移动通信频率分配,2. 抗干扰技术 (1) 发射功率控制 (2) 分集接收 (3) 跳频技术 (4) 均衡技术 (5) 间断传输,第6章 第3代移动通信概述,80年代,90年代,21世纪,AMPS, NTT GSM,PDC, W-CDMA TACS IS-95, PHS cdma2000 TD-SCDMA,黎明期 成长期 量变扩展期 质变扩展期,以语言为中心 语言,低速数据64kbit/s

14、,语言,高速数据 384kbit/s (2Mbit/s),手机,车载电话 无绳电话 1G,手机,车载电话 短信息 2G,IMT-2000 3G,6.1 移动通信的时代变迁,System beyond IMT-2000 4G,宽频带（大于100Mbps) 所有信息,IMT-2000：International Mobile Telecommunication -2000,第一代 第二代 第三代 第四代,6.2 IMT-2000 的服务目标,6.3 IMT-2000陆地系统无线接入方式,IMT-2000 CDMA Direct Spread (W-CDMA, UTRA FDD) IMT-2000

15、CDMA Multi-Carrier (cdma 2000) IMT-2000 CDMA TDD (UTRA TDD，TD-SCDMA) IMT-2000 CDMA Single-Carrier (UWC-136) IMT-2000 FDMA/TDMA (DECT),ITU-R的推荐方案,ITU-R：International Telecommunication Union Radio UTRA：Universal Terrestrial Radio Access,6.4 多址技术与双工,上行链路,下行链路,BS: Base Station,MS:Mobile Station,问题：MS用什么

16、方法把信号发送到BS？ BS用什么方法把信号发送到MS？,接入方法问题, FDMA (Frequency division Multiple Access) TDMA/FDD (Time Division Multiple Access /Frequency division Duplex) TDMA/TDD (Time Division Multiple Access /Time division Duplex) CDMA(Code Division Multiple Access) Random Access Methods,6.4 多址技术与双工,6.5 蜂窝通信的概念,FDMA/TDM

17、A CDMA,6.6 CDMA原理,6.6.1 扩频与解扩的过程,6.6.2 W-CDMA收发信机结构,自适应天线阵的方向性图,6.7 自适应天线阵列,7,第4代移动通信的构想,7.1 ITU的4G构想（一）,7.2 ITU的4G构想（二）,新业务平台 新业务快速开发 新业务开发简单化 不同业务系统间无缝隙接续/切换,100Mbps (移动环境峰值速度） 1Gbps (室内环境峰值速度） 10倍以上（与3G比） 每比特1/101/100以下 All IP （多业务质量类，支持IPv6） 50ms以下,追加新功能 开拓新业务,改善性能 使已有业务高级化,信息速率：384kbps 系统容量 费用

18、基站网络 传输系统：ATM 传输延迟,IMT2000 第4代移动通信系统（2010年左右）,7.3 4G系统的主要目标能力和性能,EMC：Electro-Magnetic Compatibility QoS : Quality of Service,7.4 4G系统的无线技术课题,7.5 4G系统的构想（三),AP: Access Point,7.6 利用多跳扩大服务区,8,OFDM技术概述,OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing,LPF,LPF,LPF,data,data,串并转换 S/P,信道,并串转换 P/S,8.1 多载波调制的

19、概念,8.2 OFDM信号的构成,OFDM信号由载波频率不同的多个数字调制信号构成，各个载波之间保持正交关系。,设 表示符号的长度，,表示OFDM信号的载波间隔,令,则， OFDM的基本信号的复数表示形式为,是对第n个载波（nf0)进行调制的数据符号,8.3 OFDM的基本信号,8.4 OFDM基带信号,设载波数为N，则N个载波合成的基带信号SB(t)为：,注意： 1. an,bn及载波都在变化，每个载波的振幅和相位都随 调制符号an,bn变化。 2. 每个载波经an,bn调制后构成一个基本信号，每个基 本信号是一个正弦信号。,3. N个基本信号合成的信号是一个不规则的像噪声 一样的信号。,O

20、FDM信号接近随机信号，频谱平坦、频谱利用率高。,4. 合成信号具有随机性，但能够利用三角函数的正交关系正确解调出an,bn,8.5 OFDM的频带信号S(t),频带信号,基带信号,8.6 多载波信号在时域的波形,OFDM信号随载波的变化关系,8.7 OFDM信号的频谱,8.8 OFDM信号的解调方法：,同理，,对所有载波作如上处理，恢复出所有符号ak,bk。 在时间T（Sec）内，同时传输N个载波能够正确解调。,8.9 OFDM调制器的构成,构成思想如下：,设,只要能生成u(t),就能生成SB(t),8.9.1 u(t)的生成方法,用 的间隔对 取样 在一个符号长度 之间采样，得到N个样本值,dn的付氏逆变换,8.9.2 OFDM调制器的基本构成,符号影射,串并转换,IFFT,并串转换,取实部,本振,BFT,IFFT: Inverse Fast Fourier Transform,9,MIMO: Multiple Input Multiple Output,用相同的无线资源，用多个发射机并行地发送多个不同的数据。,用多个发送天线，发送同一个信息数据。采用空时编码方法。,发射天线的最大辐射方向对准接收机。,STBC: Space Time Block Coding,信道编码 数据调制,STBC