移动通信技术基础

主讲人：王淑君2007 年 3月

移动通信技术基础

感受通信给我们生活带来的巨大变化

2

© 2004, CCID Consulting(HK8235) 　 All Rights Reserved

主要内容

第一部分历史回顾第二部分移动通信概述第三部分数字移动通信的相关技术第四部分典型的移动通信系统简介第五部分下一代网络（ NGN ）和无线移动互联网（ WMI ）的发展将改变人类生活和工作方式


3


第三部分数字移动通信的相关技术一、多址技术（转）二、调制技术（转）三、抗噪声和干扰技术（转）四、分集接收技术（转）五、蓝牙技术（转）


4


一、多址技术


5


多址技术的含义

　

所谓多址技术就是使多个用户接入并共享同一个无线通信信道 , 以提高频谱利用率的技术。思路：把同一个无线信道按照时间、或频率等因素进行分割 , 使不同的用户都能够在不同的分割段中使用这一信道 , 而又不会明显地感觉到他人的存在 , 就好像自己在专用这一信道一样。


6


占用不同的分割段就像是拥有了不同的地址 , 使用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地址。这就是多址技术，亦称多址接入技术。


7


三种多址方式TDMAFDMACDMA


8


三种方式


9



10


频分多址 (FDMA)


11


频分多址 (FDMA)

频分多址技术按照频率来分割信道 , 即给不同的用户分配不同的载波频率以共享同一信道。频分多址技术是模拟载波通信、微波通信、卫星通信的基本技术 , 也是第一代模拟移动通信的基本技术。在 FDMA 系统中 , 信道总频带被分割成若干个间隔相等且互不相交的子频带 (地址 ), 每个子频带分配给一个用户 , 每个子频带在同一时间只能供给一个用户使用 , 相邻子频带之间无明显的干扰。


12


频分多址 (FDMA)

　　

»ùÕ¾W

T

F 1

¡

ÒÆ¶¯Ì¨

F 1

F2

f1

f2

fm

F m

¡

F 1 F 2 F 3 F 4 F m

¡

f

W


13


FDMA 的特点

每个载波构成一个单独的环路，每一频道为一个话路的模拟或数字传输；连续发射；较小的带宽；移动台复杂度较低（相比 TDMA 而言， TDMA 系统需要均衡、帧结构同步等复杂的技术）；基站是多部不同载波频率的发射机同时工作；对发射信号功率控制的要求不严格。


14


时分多址 (TDMA)


15


时分多址技术按照时隙来划分信道 , 即给不同的用户分配不同的时间段以共享同一信道。

时分多址技术是数字数据通信和第二代移动通信的基本技术。

时分多址 (TDMA)


16


时分多址 (TDMA)在 TDMA 系统中 , 时间被分割成周期性的帧 , 每一帧再分割成若干个时隙 (地址 )。

无论帧或时隙都是互不重叠的。根据一定的时隙分配原则 , 使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号 , 在满足定时和同步的条件下 , 基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而互不混扰。

基站发向多个移动台的信号都按顺序安排 , 在预定的时隙中传输。

各移动台只要在指定的时隙内接收 , 就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。


17


时分多址 (TDMA)　　

»ùÕ¾

¡

¡

T

W

T 1 T m

T 1 T 2 T 3 T 4 T m t

1Ö¡

ÒÆ¶¯Ì¨

¡

T 1 T 1 T 1

¡ ¡

T 2 T 2 T 2

¡ ¡

Tm

Tm

¡ ¡


18


(1)突出优点是频率利用率高，在同一频道可供几个移动台同时进行通信，在每一载频上产生多个时隙 , 每个时隙都是一个信道 , 提高频谱利用率 , 增加系统容量。

(2) 抗干扰能力强。

（ 3）缺点是需要全网同步，技术比较复杂。　　　

时分多址 (TDMA)


19


时分多址 (TDMA)

(5) 共享设备成本低。每一载频为许多客户提供业务 , 每客户平均成本与 FDMA 系统相比大大降低了。

(6) 不存在频率分配问题。对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配简单而经济，所以 , TDMA 系统更容易进行时隙的动态分配。

(7) 基站可以只用一台发射机。可以避免因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰。


20


码分多址 (CDMA)


21


码分多址 (CDMA)

码分多址技术按照码序列来划分信道 , 给不同的用户分配一个不同的编码序列以共享同一信道。码分多址技术是第二代移动通信的演进技术和第三代移动通信的基本技术。在 CDMA 系统中 , 每个用户被分配给一个惟一的伪随机码序列 (扩频序列 ), 各个用户的码序列相互正交 , 因而相关性很小 , 由此可以区分出不同的用户。


22


码分多址 (CDMA)

与 FDMA 划分频带和 TDMA 划分时隙不同 , CDMA既不划分频带又不划分时隙 , 而是让每一个频道使用所能提供的全部频谱 , 因而 CDMA采用的是扩频技术 , 它能够使多个用户在同一时间、同一载频以不同码序列来实现多路通信。CDMA示意图如图所示。


23


码分多址 (CDMA)

»ùÕ¾ Cm

C 2

C1

ÒÆ¶¯Ì¨

¡

ÂëC m

ÂëC 3

ÂëC 2

fW

ÂëC 1T

W

¡


24


码分多址 (CDMA) 的特点

频率和时间资源均为共享；

每个载波有多个信道；

带宽相对更宽；

符号带宽窄，提高了定时精度，有利于定时测量和多径信号恢复；

移动台复杂度高；


25


三种多址技术的比较


26


三种多址技术的比较

CDMA 技术的频谱利用率最高 , 所能提供的系统容量最大 , 它代表了多址技术的发展方向 ;其次是 TDMA 技术 , 目前技术比较成熟 , 应用比较广泛 ;FDMA 技术由于频谱利用率低 , 将逐渐被 TDMA和 CDMA 所取代 , 或者与后两种方式结合使用, 组成 TDMA/FDMA 、 CDMA/FDMA 方式。

结束


27


二、调制技术


28


主要内容

一、调制的基本概念（转）二、模拟调制技术（转）三、数字调制技术（转）


29


调制：把要传输的信号变换成适合信道传输的信号的过程。

调制信号：调制器的输入信号。（调制前）已调信号：调制器的输出信号 ( 调制后 ) 。

调制的有关概念


30


无线通信系统框图

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


31


调幅 (AM) ：载波振幅

调频 (FM) ：载波频率

调相 (PM) ：载波相位

按随调制信号变化的参数

按调制信号形式划分模拟调制数字调制


32


模拟调制技术

在介绍数字调制技术之前，我们先要了解一下模拟调制的基本原理。

山东理工大学

模拟调制与解调

目的

解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

山东理工大学

接收放大器的输出信号中

取出放大了的缓变信号。

微弱的缓变信号加载到高频载波中去

交流放大器

调制

传输

解调

过程

山东理工大学

分类

调制信号x(t)

0 t

载波信号 )2cos()( ftAtz

z(t)

0 t

山东理工大学

a) 幅度调制 (AM)

)2cos()](*[)( fttxAty

b) 频率调制 (FM)

)*)]([2cos()( 0 ttxfAty

c) 相位调制 (PM)

)])([2cos()( 0 txftAty

山东理工大学

幅度调制与解调过程（波形分析）从示波器上抓取

乘法器乘法器

放大器放大器

x(t)z(t)

x m(t)

乘法器乘法器

滤波器滤波器

z(t)

x(t)

山东理工大学

幅度调制与解调过程（数学分析）

乘法器乘法器

放大器放大器

x(t)z(t)

x m(t)

乘法器乘法器

滤波器滤波器

z(t)

x(t)

)(tx

)2cos()()( tftxtx zm

)(tz

)(tz

tftxty zm 2cos)()( 2

)22cos()()(2

121 tftxtx z

山东理工大学

频率调制

调频波是一种随信号 x(t) 的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波 .

)*)]([2cos()( 0 ttxfAty

山东理工大学

山东理工大学

优点：抗干扰能力强。

调频波为调幅所要求带宽的 20倍；（宽带）

频率调制是一种非线性调制。（复杂）

因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中．

缺点：占频带宽度大，复杂


42


数字调制技术主要内容概述分类技术实现线性调制与非线性调制


43


数字调制技术简介移动通信信道的基本特征： 1. 带宽有限。 2. 干扰和噪声影响大。 3. 存在多径衰落。对调制的要求：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) 要大或误码率较低。

数字调制技术更具有优势


44


数字调制技术简介调制信号是离散的，载波是连续波。方法：一种利用模拟方法去实现数字调制，也就是把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；（很少使用了）

一种：利用数字信号的离散取值特点键控载波，从而实现数字调制。这种技术称为键控法。（移动通信常用的方法）


45


基带信号

未经调制的数字信号所占据的频带通常从直流和低频开始，称为数字基带信号。

来自计算机、网络或其它数字设备的各种数字代码，通常是二进制数字信息；来自数字电话终端的脉冲编码信号。


46


基带传输

传输距离不太远、有线信道，数字基带信号可以直接传送，称为数字信号的基带传输。

整个传输过程不需要调制和解调设备。

大多数局域网（ LAN ）使用的都是基带传输。


47


数字调制后传输

为了使数字信号在有限带宽的高频信道中远距离传输，特别是在无线或光纤信道上传输时，必须经过调制才能在信道中传输。


48


数字调制的分类按载波的变化参数按数字信号的状态数


49


按载波的变化参数分类

数字信号的载波调制有三种方式：

数字调幅（ ASK ）幅移键控幅移键控

数字调频（ FSK ）频移键控频移键控

数字调相（ PSK ）相移键控相移键控


50


按数字信号的状态数

数字信号可分为二进制编码信号多进制编码信号数字信号调制可分为二进制二进制数字调制 2ASK2ASK 、 2FSK2FSK 、 2PSK2PSK

多进制多进制数字调制（ QPSKQPSK ）


51


二进制调制与多进制调制


52


二进制数字调制二进制幅移键控（ 2ASK ）

Amplitude shift keying （转）

二进制频移键控（ 2FSK ）Frequency shift keying （转）

二进制相移键控（ 2PSK ）Phase shift keying （转）


53


二进制幅移键控 (2ASK)

载波的幅度随着调制信号而变化，2ASK 是用二进制调制信号 1 1 或 00 来控制载波的通通或断断。故 2ASK 也称为 OOKOOK通断键控。


54


2． 2ASK的调制解调器（ 1）调制器

1 ）模拟调制器 ×s(t) eo(t)

)cos( tc2 ） OOK 调制器 )cos( tc 开关

s(t)

eo(t)

（ 2）解调器1）非相干解调器——整流

B. P. F 整流 L. P. F抽样判决

定时

输入输出

2 ）相干解调 B. P. F L. P. F

抽样判决

定时

输入输出×

ωcB.P.F 带通滤波器

L.P.F 低通滤波器

相干解调的关键是在接收端需产生一个与发端载波同频同相的载波信号


55


SystemView

0

0

100.e-3

100.e-3

200.e-3

200.e-3

300.e-3

300.e-3

400.e-3

400.e-3

500.e-3

500.e-3

-1

-500.e-3

0

500.e-3

1

Am

plitu

de

Time in Seconds

Sink 3

OOK 信号的时域波形


56


1 、 2ASK 信号的频谱由连续谱连续谱和离散谱离散谱组成，连续谱由基带信号决定，离散谱由载波分量确定。 2 、 2ASK 信号的带宽是调制信号带宽的两倍。

OOK信号的频谱

结论：


57


二进制移频键控 2FSK

1 ．基本原理用载波的频率来传递数字信号，也就

是用所要传送的数字基带信号来控制载波的频率。在频移键控调制中，幅度恒定不变，其载波信号的频率随着两种可能的状态而切换。（恒包络调制）

低频率（ f1） ----数字基带信号的 1高频率（ f2 ） ----数字基带信号的 0


58



59



60


2FSK的时域波形 SystemView

0

0

50.e-3

50.e-3

100.e-3

100.e-3

150.e-3

150.e-3

200.e-3

200.e-3

250.e-3

250.e-3

-1

-500.e-3

0

500.e-3

1

Am

plitu

de

Time in Seconds

Sink 2

2FSK 可以看成 2个不同频的幅移键控已调信号的和；2FSK=2ASK1+2ASK2


61


2FSK的频谱图


62


解调器

(a)非相干解调器

(b) 相干解调器

(c)过零检测法


63



64



65



66


二进制移相键控 2PSK（ BPSK）

2PSK是用载波的两种不同相位来分别

表示调制数字信号的“ 1” 或“ 0”

。

通常采用的两种相位是 00 和，

或是 - - /2/2 和 /2/2 。


67



68


调制和解调器

（ 1）调制器相乘法：

电平转换器 ×

载波发生器

二进制

NRZ单极

NRZ双极已调信号

Acos2π f ct

数字选相器：选相开关

移相器

载波发生器

二元基带信号

0 π

已调信号


69


2PSK 的波形


70



71



72


三种键控方式频带的比较


73


多进制数字调制

多进制幅度键控 (MASK)多进制频移键控 (MFSK)多进制相移键控 (MPSK)


74


多进制数字调制系统的特点：第一，在信道传输速率一定的情况下，多进制系统的信息传输速率信息传输速率比二进制系统的高。

第二，在信道传输速率一定的情况下，多进制方式的信道传输速率可以比二传输速率可以比二进制的低一些进制的低一些，因而，信号码元的持续时间可以比二进制的宽。就会增加信号码元的能量，也能减小由于信道引起的串码的影响。


75


线性调制与非线性调制

在数字调制中，根据已调信号的结构形式又可分为线性调制

非线性调制


76


线性调制

已调信号表示为基带信号与载波信号的乘积（时域相乘）

已调信号的频谱结构和基带信号的频谱结构相同，只不过搬移了一个频率位置。

如幅移键控（ ASK ）、相移键控（ PSK ）。


77


非线性调制

已调信号的频谱结构和基带信号的乘积关系（

频域相乘） ;

其频谱不是简单的搬移 ;

如频移键控（ FSK ）、最小相移键控 (MSK)


78


线性调制与非线性调制比较

线性调制比非线性调制使用更少的带宽；线性调制的带宽效率是以昂贵的硬件花费、功耗和衰减为代价的 ------

线性调制易受振幅和相位起伏的影响；

线性调制所使用的放大器也必须是线性的，线性放大器比非线性放大器要贵，而且低效。

线性调制用于大多数的无线局域网产品中；非线性调制用于大多数的蜂窝系统和广域无线数据系统。


79


现代数字调制技术

在前述基本调制方式的基础上，根据系统的实际情况，在应用中不断加以改造和完善。

高斯最小频移键控（ GMSK）： GSM系统采用

正交相移键控（ QPSK ）： CDMA 系统采用

正交振幅调制（ MQAM ）： 3G系统采用

Documents

移动通信技术基础