通信原理教材配套课件－第12章.ppt

1、第12章 先进的数字通信技术, 1、主要内容:几种交换技术的工作原理及各自特点，扩频通信的基本概念、工作原理及主要工作方式，OFDM技术的基本概念、原理及应用实例，三种多址技术的介绍。 2、基本要求:掌握三种交换技术的工作原理及特点。掌握扩频通信的理论基础，理解其工作原理和主要工作方式。了解OFDM技术的基本原理和应用实例。理解三种多址技术的工作原理及特点。,(参考学时为8学时),主要交换技术的工作原理及应用 扩频通信的基本概念及工作原理 OFDM技术的主要原理 几种多址技术的技术特点,12.2 交换技术,图12.2.1全连接网示意图,（b）共享链路方式,（a）全连接网, 系统组成框图,是一种

2、采用公共控制方式，在源端和目的端之间实时地建立起电路连接，并构成一条信息通道，专供两端用户通信的交换技术。,12.2.1 电路交换（circuit switching ）, 电路交换过程,电路交换方式就是从通信开始搭建一条物理链路用来通信，直到通信结束再拆除。 过程：电路建立数据传送电路断链,图12.2.3 电路交换示例, 电路交换原理,1).空分交换（Space Division Switching）,图12.2.4空分交换矩阵, 电路交换原理,2).时分交换（Time Division Switching）,图12.2.4 时隙交换示意图,12.2.2 分组交换 数据交换方式 报文交换（M

3、essage Switching）,原理：“存储转发”（store-and-forward）,报文交换特点:,与电路交换相比，报文交换对中继线使用率高，无需在通信两端点间预先建立一条通路。 缺点：交换时延长 一个节点对一份报文造成的时延 存储处理时间排队时间转发时间,12.2.2 分组交换 数据交换方式(续) 分组交换（Packet Switching）,也是一种“存储转发”交换，兼有电路交换和报文交换的优点 。 它是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。,分 组 示 意,12.2.2 分组交换(续) 分组交换原理,数据报方式 虚电路方式,分组交换的特点,等长的信包便于节点上

4、的存储、处理和控制； 时延性能比报文交换有明显改善； 线路利用率高： 不同种类的终端可以相互通信： 信息传输可靠性高（节点上进行包检验）： 分组多路通信： 计费与传输距离无关： 多用于公用数据网通信., 基本概念,12.2.3 ATM交换,ATM信元,12.2.10 ATM信元结构,虚通路VP和虚通道VC,传输通道、虚通路VP、虚通道VC的关系图,VC交换,VP交换,ATM交换工作原理 ATM交换的特点 与电路交换和分组交换比较,7.4 ATM交换, ATM交换原理,12.2.3 ATM交换,扩频通信与传统的窄带通信相比，具有抗干扰、抗噪声、抗多径衰落、具有保密性、功率谱密度低、具有隐蔽性和低

5、的截获概率、可多址复用和任意选址、高精度测量等优点。 目前扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。 扩频通信与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。,12.3 扩频通信（spread spectrum）,所谓扩频通信，可简单表述如下：它是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽是通过编码及调制的方法实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。,12.3.1 基本概念,1.信号的频谱被展宽了。 2.采用扩频码序列调制的方式来展宽信

6、号频谱。 3.在接收端采用相关解调来解扩。,基本含义:,仙农（Shannon）定理就是扩频技术的理论基础。 C是信道容量,它是在理论上可接受的误码率下所允许的最大数据速率； B是要求的信道带宽； S/N是信噪比。,12.3.2 工作原理及主要工作方式, 理论基础, 工作原理,图12.3.1扩频通信原理,扩频系统的主要特征,载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带信号； 载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多； 接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。, 工作原理（续）扩频和解扩,图12.3.2扩频和解扩后的带宽效果,可见，扩频占用了更宽的频带，浪费了有限的

7、频率资源。然而，所占用的频带可以通过多用户共享同一扩大了的频带得到补偿，,图12.3.3通过多用户来弥补带宽浪费, 工作原理（续）扩频和解扩,直接序列扩频（DS）（Direct Sequence Spread Spectrum）简称直扩方式 跳频扩频（FH） （Frequency Hopping）简称跳频方式 跳时扩频（TH） （Time Hopping）简称跳时方式 线性调频（Chirp Modulation）简称Chirp方式, 主要工作方式,直接序列扩频,跳频扩频,与跳频相似，跳时（TH）是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片，然后由扩频码序列去控制一帧内的哪个时片发射信号

8、。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。,跳时扩频,一般说来，采用混合方式看起来在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。但是，不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。例如DSFH系统，就是一种中心频率在某一邻带内跳变的直接序列扩频系统。其信号的频谱如图所示。,混合方式,12.3.3 主要特点, 易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率； 抗干扰性强，误码率低 ；,图12.3.8 扩频系统抗宽带干扰能力示意图,12.3.3 主要特点(续), 抗干扰性强，误码率低 ；,图12.3.9 扩频系统抗脉冲干扰能力示意图, 隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小

9、,12.3.3 主要特点(续), 可以实现码分多址 抗多径干扰 能精确地定时和测距 适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务 安装简便，易于维护,Orthogonal Frequency Division Multiplexing 中文含义为正交频分复用技术 OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，引起了广泛关注 。,12.4 OFDM技术,12.4.1 基本概念, 历史发展 在20世纪60年代中期就被首次提出，由多载波调制（MCM）技术发展而来。 OFDM技术的发展遇到了很多困难 直到20世纪70年代，人们提出了采用离散傅立叶变换 80年代以来，大规模集成电路技术的发展

10、,OFDM主要特点, 主要优点 OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。 可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输 通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力 OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道； 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法； 信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要,OFDM主要特点（续）, 主要缺点 对频率偏移和相位噪声很敏感。 峰值与均值功率比相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率,12.4.2 主要原理及技术, 基本原理,图12.4.1FDM与OFDM频

11、带利用率的比较示意图, OFDM系统,图12.4.3OFDM系统典型框图,串并转换 OFDM实际是一种并行数据传输系统，系统中每个传输符号的速率大约在几十bit/s到几十kbit/s之间，单个用户的信息流需要被串并转换为多个低速率码流，每个码流都用一条载波发送。,调制解调原理 简单地说，OFDM的基本调制解调原理是高速串行数据经过串并转换后形成多路低速数据（不归零方波）分别对多个正交的子载波进行调制，迭加后构成OFDM发送信号。,保护间隔（GI）和循环前缀（CP）,图12.4.5 添加保护间隔的OFDM码元,升余弦窗,加窗后的OFDM信号可表示为:,将输入信号由0填充后转换为串行符号，然后进行

12、IFFT，输出即为OFDM基带信号； 加入循环前缀以设定保护间隔； 加升余弦窗滤除子载波的带外功率； 接收端进行相应的反变换即可恢复出输入信号。,实现,12.4.3 应用举例, 在非对称数字用户线（ADSL）中的应用,图12.4.6 ADSL基本系统图,12.4.3 应用举例(续), 在高清晰度电视（HDTV）传输中的应用,图12.4.7阻止同频干扰的OFDM频谱结构图,HDTV地面广播传输系统信道最为复杂，环境十分恶劣，除噪声外，还有回波干扰和同频干扰（由于同播的要求）。HDTV传输系统实质是一个高速数字通信系统，受多径传输的影响很严重，且对传输质量的要求高。,12.4.3 应用举例(续),

13、 在无线局域网中的应用IEEE 802.11a,图12.4.8 OFDM符号结构,12.5 多址技术,12.5.1 概述, 多路复用与多址技术 复用就是多个信息源共享一个公共信道。 多路复用和多址接入技术都是为了共享通信信道，两者有许多共同之处，但也有很多区别。 在多路复用中资源是预先固定分配给用户的，而在多址技术中，资源通常是动态分配的，而且可以由用户在远端随时提出共享的要求。, 三种多址方式,系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号； 技术成熟，易于与模拟系统兼容，对信号功率控制要求不严格。 在系统设计中需要周密的频率规划； 基站需要多部不同载波频率发射机同时工作； 设备多且容易产生信道间的互调干扰。,12.5.2 三种多址方式的技术特点, 频分多址（FDMA）,TDMA系统的基站只需要一部发射机； 频率规划简单； 便于测