无线通信关键技术介绍.ppt资料课件.ppt

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1、无线通信关键技术介绍主讲人:孔繁庭2023/2/31一、从有线通信到无线通信1.莫尔斯电码（通、断、长断）1844年5月24日，华盛顿-巴尔的摩，64.4km，“上帝创造了何等奇迹！”2.1876年3月7日，贝尔获得发明电话专利，专利证号码NO:174655。“沃森特先生，快来帮我啊！”3.电磁波的发现：1820年，丹麦物理学家奥斯特发现变化的电流通过导线会引起磁针的偏转，英国物理学家法拉第指出该实验证明了“电能生磁”，即“电磁感应现象”；1864年，麦氏发表了电磁场理论，成为人类历史上预言电磁波存在的第一人。1887年，亨利希鲁道夫赫兹通过实验证明了电磁波的存在。2023/2/324.无线电

2、报的发明-“要是我能指挥电磁波，就可飞越整个世界”1896年，俄国的波波夫成功地用无线电进行莫尔斯电码的传送，距离为250米，电文内容为“海因里斯赫兹”；在1897年5月18日，意大利的马可尼，通过改进了的无线电传送和接收设备，在英国的布里斯托尔海峡进行无线电通信取得成功，把信息传播了12公里；于1909年获得诺贝尔物理学奖。2023/2/335.无线电通信的发明 载着声音飞翔的电波无线电广播之父美国人巴纳特史特波斐德，他于1886年便开始研究无线电广播，在1902年，他在肯塔基州穆雷市进行了第一次无线电广播。他们在穆雷广场放好话筒，由巴纳特史特波斐德的儿子在话筒前说话、吹奏口琴，他在附近的树

3、林里放置了5台矿石收音机，均能清晰地听到说话和口琴声，试验获得了成功。之后又在费城进行了广播，并获得了专利权。2023/2/34与此同时，无线电通信逐渐被用于战争。在第一次和第二次世界大战中，它都发挥了很大的威力，以致有人把第二次世界大战称之为“无线电战争”。二、无线通信的特点1.传输环境的复杂性2.电磁波的传播不需要任何有形介质3.接收信号的时变多径4.多个无线电载波同存于同一空间5.频率资源有限，需统一划分2023/2/36无线传输的电磁频谱2023/2/37无线频谱的分配频率统一分配（FCC/ITU_R/各个国家）根据信息类型分配频谱（AM/FM无线电台、TV、蜂窝电话）工业科学医学频段

4、（ISM）可自由使用但限制功率专用于非许可的商业用途救护车、出租车、无线遥控玩具、无线电家用设备等2023/2/38无线信号传播理想情况下，无线信号在从发射器到接收器间的一条直线上传播，称为“视线”（line of sight,LOS）实际情况下，由于传输障碍物等传输环境的影响，无线信号的传播将发生如下三种现象：反射、衍射和散射。其中物体的几何形状决定了将产生哪种现象。2023/2/39反射（reflection）反射：当信号遇到表面大于信号波长的障碍物（地球表面、高建筑物、大型墙面）导致信号的相位发生漂移2023/2/310衍射（Diffraction）衍射：当信号遇到大于波长的不可穿透物的

5、边缘（如无线电波中途遇到的尖锐不规则的边缘物），即使没有来自发送器的视线信号，也可接收到信号。2023/2/311散射（Scattering）散射：当信号遇到波长更小的物体（树叶、街牌、灯柱）就发散成几个弱的出境信号2023/2/312散射（Scattering）散射还与障碍物表面的粗糙度有关。表面越粗糙，越容易引起散射。例如，在户外，树木和路标都会导致移动电话信号的散射。在室内，椅子、书籍和计算机都会导致无线Lan信号的散射。2023/2/313电波的多径传播和衰落电波传播的长期慢衰落由传播路径上固定障碍物的阴影引起，也称为阴影衰落。2023/2/314无线传输技术调制技术抗衰落及抗干扰技术

6、多天线与空时编码技术多址技术2023/2/315调制技术信源电信号调制接收机解调发射机电信号信宿无线信道噪声和干扰消息模拟或数字信号无线通信系统框图2023/2/316调制技术调制调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道适合信道传输的信号。该信号称为已调信号。调制过程用于通信系统的发端。在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，该过程称为解调解调。2023/2/317 按照调制器输入信号(该信号称为调制信号)的形式，调制可分为模拟调制(或连续调制)和数字调制。模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制(或改变)载波(正弦波)的振幅、频率或相位，从而得到调幅(AM)、调频(FM)或调相

7、(PM)信号。数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。常用的数字调制有：ASK、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)等。2023/2/318对已调信号的要求 针对无线通信信道的特点，已调信号应具有高的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落的能力。即：已调信号所占的带宽要窄。经调制解调后的输出信噪比(S/N)较大或误码率较低。2023/2/319 抗衰落及抗干扰技术1.分集技术 陆地移动信道、短波电离层反射信道等随参信参信道引起的多径时散、多径衰落、频率选择性衰落、频率弥散等，会严重影响接收信号质量，使通信系统性能大大降低。为了提高随参信道中信号传输质量，必须采用抗衰落的有效措施。常采用

8、的技术措施有抗衰落性能好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交织结合的差错控制技术、分集接收技术等。其中分集接收技术是一种有效的抗衰落技术，已在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用。2023/2/320分集接收技术是分别接收若干个独立地携带同一信息的信号，并将它们合并在一起，这些信号同时被衰减掉的概率很小，因而可改善随参信道的传输特性。2023/2/321分集原理分集原理所谓分集接收，是指接收端按照某种方式使它收到的携带同一信息的多个信号衰落特性相互独立，并对多个信号进行特定的处理，以降低合成信号电平起伏，减小各种衰落对接收信号的影响。从广义信道的角度来看，分集接收可看作是随参信道中的一

9、个组成部分，通过分集接收使包括分集接收在内的随参信道衰落特性得到改善。分集接收包含有两重含义：一是分散接收，使接收端能得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号；二是集中处理，即接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能。2023/2/322分集方式分集方式空间分集：空间分集：使用多个天线使用多个天线 频率分集：频率分集：用多个频率传同一信息用多个频率传同一信息,各频率之差大于相关带宽各频率之差大于相关带宽 角度分集：角度分集：天线指向不同天线指向不同 极化分集：极化分集：接收水平、垂直极化波接收水平、垂直极化波2023/2/323信道编码和交织技术信

10、道编码和交织技术信道编码：通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能交织编码：目的是把一个由衰落造成的较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码(FEC)技术消除随机差错。2023/2/3243.跳频技术2023/2/3252023/2/3262023/2/3272023/2/328跳频通信的优点跳频抗多径跳频抗多径 要求跳频信号驻留时间小于多径延迟时间差要求跳频信号驻留时间小于多径延迟时间差跳频抗同频干扰跳频抗同频干扰 采用跳频图案的正交性组成正交跳频网，从而避免频率重用引起的同频干扰采用跳频图案的正交性组成正交跳频网，从而避免频率重用引起的同频干扰跳频抗频率选择性衰落跳

11、频抗频率选择性衰落 当当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个调频驻留时间内的信号相跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个调频驻留时间内的信号相互独立。互独立。2023/2/329直接序列扩频技术扩频是通过注入一个更高频率的信号将基带信号扩展到一个更宽的频带内的射频通信系统，即发射信号的能量被扩展到一个更宽的频带内使其看起来如同噪声一样。既把序列（也称为码）加入到通信信道，插入序列的方式正好定义了所讨论的扩频技术（直接序列扩频或跳频扩频技术）。术语“扩频”指将信号带宽扩展几个数量级，在信道中加入序列即可实现扩频。2023/2/330直接序列扩频系统2023/2/331直接序列扩展频谱2

12、023/2/332直接扩频的基本原理每个比特由扩展码的多个比特表示扩展码信号占有更宽的频率 扩展后的频率与所用的扩展码比特数成比例 10比特的扩展码将信号扩展到10倍宽的频道2023/2/333均衡技术均衡技术指对信道特性的均衡，补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰码间干扰。时域均衡 频域均衡2023/2/334多载波和OFDM技术多载波传输把数据流分成若干个低速率的子比特流，用低速率、多状态符号的子比特流再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。正交频分复用OFDM系统是一种特殊的多载波传输技术。其特点是各子载波相互正交，减小了子载波间的相互干扰，提高了频谱利用率

13、。该系统能够抗频率选择性衰落或窄带干扰。2023/2/3352023/2/336OFDM的优点OFDM有较高的带宽效率 系统因时延所产生的码间干扰不那么严重 当信道在某个频率出现较大幅度衰减或较强的窄带干扰时，只是影响个别的子信道 由于可以采用DFT实现OFDM信号，极大简化了系统 的硬件结构 2023/2/337 多天线与空时编码技术多天线技术：估计无线电信号的来波方位角；提高无线通信中的链路性能多天线系统的分类：多发单收MISO 单发多收SIMO 多发多收MIMO空时编码技术：空间分组码、空间格形码2023/2/338智能天线技术智能天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束

14、对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用用户信号，并删除或抑制干扰信号的目的。多波束智能天线多波束智能天线 利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束的宽度也随阵元数目的确定而确定。自适应阵智能天线自适应阵智能天线 一般采用46天线阵元结构，阵元间距1/2波长。2023/2/3392023/2/340开关多波束天线的波束模式顶视图 多址技术1.多址的基本原理2.FDMA技术3.TDMA技术4.CDMA技术5.SDMA技术6.随机接入多址技术7.双工技术2023/2/3411.多址的基本原理用于多信道共用。多信道共用是指在网内的大量用户共享若干无限

15、信道。多址技术：指区分不同用户的技术。主要解决多用户如何高效共享给定频谱资源问题。常规的多址方式有三种：频分多址(FDMA)时分多址(TDMA)码分多址(CDMA)2023/2/342多路复用（multiplexing）为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传输而互不干扰的技术2023/2/343多路复用技术实现多路复用的关键把多路信号汇合到一条信道上之后，在接收端必须能正确地分割出各种信号分割信号的依据：信号之间的差别信号频率上的不同信号出现时间上的不同信号码型结构上的不同频分多路复用时分多路复用码分多路复用2023/2/3442023/2/345The total system band

16、width is divided into channels which are allocated to the different users.7C29822.030-Cimini-9/972.频分多路复用(Frequency Division Multiplexing)FDMA系统的特点每信道占用一个载频符号时间较大，即码速率较低基站设备复杂越区切换较为复杂和困难2023/2/3474.时分多路复用时分多址：是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙。帧和时隙都是不重叠的。在频分双工(FDD)方式中，上行链路（移动台到基站）和下行链路（基站到移动台）的帧分别在不同的频率上。在时

17、分双工(TDD)方式中，上下行帧在相同的频率上，各移动台在上下行帧内只能按指定的时隙向基站发送信号。2023/2/348Time is divided into slots which are allocated to the different users.7C29822.031-Cimini-9/97TDMA系统的特点突发传输速率高基站复杂性较小相比FDMA，抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大越区切换简单2023/2/350Time and bandwidth are used simultaneously by different users,modulated by orthogo

18、nal or semi-orthogonal codes(e.g.spread spectrum).7C29822.032-Cimini-9/974.码分多路复用多路复用方法比较2023/2/3525.SDMA技术采用天线的波束成形技术，使不同的波束对准不同的用户，达到多用户共享频率资源、时间资源和码资源。2023/2/353SDMA多址方式示意图6.随机接入多址技术随机接入多址技术每个用户可以随机接入无线信道发送信息，如果发现碰撞，则采每个用户可以随机接入无线信道发送信息，如果发现碰撞，则采用相应的退避算法重发，直到发送成功。具有非实时、分组、突用相应的退避算法重发，直到发送成功。具有非实时、分组、突发等特点。发等特点。2023/2/354随机时延退避示意图7.双工技术对于无线接入，实现双向通信的方式主要有两种：a)频分双工FDD：收发两个方向的通信采用不同的频带，可以使用任何多址方式。b)时分双工TDD：收发两个方向的信号在时间上分开，频率上使用相同资源，可与TDMA和CDMA方式结合。2023/2/355 谢谢！2023/2/356