河南移動培訓(xùn)課件-1

1、無線通信技術(shù) 授課：楊守義 鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院 電話：7763882轉(zhuǎn)2171 EMAIL： 開場白 n 教學(xué)目標(biāo) n 教學(xué)計劃 n 參考書 n 考試問題 教學(xué)目標(biāo) 【教學(xué)目標(biāo)】講授無線通信系統(tǒng)的基本概念、基 本技術(shù)和基本原理。 【教學(xué)重點】無線通信的基本概念、基本原理、 無線信道特性和信道分析、信息論基礎(chǔ)、多載 波寬帶無線通信系統(tǒng)。 【教學(xué)要求】掌握無線通信的基本概念、基本原 理，初步了解其發(fā)展史和發(fā)展現(xiàn)狀、掌握無線 信道的一些基本概念和初步定量分析方法、了 解寬帶無線通信新技術(shù)。 基礎(chǔ)知識要求 現(xiàn)代通信原理 各種編碼調(diào)制技術(shù) 信號與系統(tǒng) 付氏和拉氏變換 信號的時域和頻域表示 卷積 自相關(guān)

2、函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)、功率譜等 電路原理 參考書 1. 尹長川等，多載波寬帶無線通信技術(shù)，北京郵 電大學(xué)出版社，2004年7月第一版 2. 達(dá)新宇等，通信原理教程，北京郵電大學(xué)出版 社，2005年1月 無線通信-緒論 第一章 緒論 n通信的基本概念 n通信系統(tǒng)的組成 n通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) n無線通信的發(fā)展歷史 第一章：緒論（1/36） 1.1 通信的基本概念通信的基本概念 通信的定義：通信的定義： 一般地說，通信(communication)是指由一地向另一地進(jìn) 行消息的有效傳遞。 在各種各樣的通信方式中，利用“電”來傳遞消息的通 信方式稱之為電信(telecommunication)。這種通

3、信具有迅速、 準(zhǔn)確、可靠等特點，而且?guī)缀醪皇軙r間、地點、空間、距離 的限制，因而得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 第一章：緒論（2/36） 在自然科學(xué)中，“通信”與“電信”幾乎 是同義詞了。我們所說的通信，均指電信。這 里不妨對通信重新定義：即利用電子等技術(shù)手 段，借助電信號(含光信號)實現(xiàn)從一地向另一 地(多地)進(jìn)行消息的有效傳遞和交換稱為通信。 從本質(zhì)上講，通信是實現(xiàn)信息傳遞功能的 一門科學(xué)技術(shù)，它要將大量有用的信息無失真、 高效率地進(jìn)行傳輸，同時還要在傳輸過程中將 無用信息和有害信息抑制掉。 第一章：緒論（3/36） 通信的分類：通信的分類： 通信的目的是傳遞消息。通信按照不同的 分法，可分成

4、許多類，因此將會引出諸多名詞 術(shù)語，下面介紹幾種較常用的分類方法。 1. 按傳輸媒介分按傳輸媒介分 按消息由一地向另一地傳遞時傳輸媒介的 不同，通信可分為兩大類：一類稱為有線通信， 另一類稱為無線通信。 第一章：緒論（4/36） 2. 按信道中所傳信號的不同分 根據(jù)通信信道中傳送的信號類型，通信可分為數(shù)字通信 和模擬通信。 3. 按工作頻段分 根據(jù)通信設(shè)備的工作頻率不同通信通常可分為長波通 信、中波通信、短波通信、微波通信等。 通信中，工作頻率和工作波長可互換，公式為 =c/f 第一章：緒論（5/36） 第一章：緒論（6/36） 4. 按調(diào)制方式分 根據(jù)消息在送到信道之前是否采 用調(diào)制，通信可

5、分為基帶傳輸和頻帶傳 輸。所謂基帶傳輸是指信號沒有經(jīng)過調(diào) 制(即頻率搬移)，直接送到信道中去傳 輸?shù)囊环N方式；而頻帶傳輸是指信號在 發(fā)送端經(jīng)過調(diào)制后再送到信道中傳輸， 接收端有相應(yīng)解調(diào)措施的通信系統(tǒng)。 第一章：緒論（7/36） 5. 按業(yè)務(wù)的不同分 根據(jù)通信的具體業(yè)務(wù)可分為電報、電話、 傳真、數(shù)據(jù)傳輸、可視電話、無線尋呼等。另 外從廣義的角度來看，廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo) 航、遙控、遙測等也應(yīng)列入通信的范疇，因為 它們都滿足通信的定義。由于廣播、電視、雷 達(dá)、導(dǎo)航等的不斷發(fā)展，目前它們已從通信中 派生出來，形成了獨立的學(xué)科。 第一章：緒論（8/36） 6. 按收信者是否移動分 通信還可按通信者是否

6、運動分為移動通信和固定 通信。移動通信是指通信雙方至少有一方在運動中進(jìn) 行信息交換。由于移動通信具有建網(wǎng)快、投資少、機 動靈活等特點，使用戶能隨時隨地快速可靠地進(jìn)行信 息傳遞，因此，移動通信已成為現(xiàn)代通信中的三大新 興通信方式之一。 另外，通信還有其他一些分類方法，如按多地址 方式可分為頻分多址通信、時分多址通信、碼分多址 通信等，按用戶類型可分為公用通信和專用通信等。 第一章：緒論（9/36） 通信方式通信方式 通常，按消息傳送的方向與時間不同，通信的工 作方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信。 第一章：緒論（10/36） 1.2 1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成 一般組成一般組成

7、 第一章：緒論（11/36） 模擬通信系統(tǒng)的組成模擬通信系統(tǒng)的組成 第一章：緒論（12/36） 數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 1. 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 第一章：緒論（13/36） 2數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng) 在數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)中，如果把發(fā)送端的數(shù)字調(diào)制在數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)中，如果把發(fā)送端的數(shù)字調(diào)制 器和接收端的解調(diào)器取掉，就變成了數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。器和接收端的解調(diào)器取掉，就變成了數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。 第一章：緒論（14/36） 3模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng) 第一章：緒論（15/36） 1.3 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

8、 (1)有效性。指通信系統(tǒng)傳輸消息的“速度”問題，即快慢問題。 (2)可靠性。指通信系統(tǒng)傳掐消息的“質(zhì)量”問題，即好壞問題。 (3)適應(yīng)性。指通信系統(tǒng)使用時的環(huán)境條件。 (4)經(jīng)濟性。指系統(tǒng)的成本問題。 (5)標(biāo)準(zhǔn)性。指系統(tǒng)的各種接口、結(jié)構(gòu)及協(xié)議等是否符合國際、國家 標(biāo)準(zhǔn)。 (6)維修性。指系統(tǒng)是否維修方便。 (7)工藝性。指通信系統(tǒng)各種工藝要求。 (8)保密性。 第一章：緒論（16/36） 對于模擬通信系統(tǒng)，系統(tǒng)的有效性用系統(tǒng)有效帶 寬衡量，系統(tǒng)的頻帶利用率，可用系統(tǒng)允許最大傳輸 帶寬(信道的帶寬)與每路信號的有效帶寬之比來表征， 即 n=Bw/Bi 第一章：緒論（17/36） 信息及其量度

9、信息及其量度 “信息(information)”一詞在概念上與消息 (message)的意義相似，但它的含義卻更具普遍性、抽 象性。信息可被理解為消息中包含的有意義的內(nèi)容， 消息可以有各種各樣的形式，但消息的內(nèi)容可統(tǒng)一用 信息來表述。傳輸信息的多少可直觀地使用“信息量” 進(jìn)行衡量。 第一章：緒論（18/36） 消息中包含的信息量I可以用下式計算： I=-logaP(x) 信息量最常使用的單位為bit。對于多個消息符號 組成的信息，通常用平均信息量I來衡量。設(shè)每個符 號出現(xiàn)的概率為 則平均信息量為 第一章：緒論（19/36） 數(shù)字通信系統(tǒng)有效性指標(biāo)的具體表述數(shù)字通信系統(tǒng)有效性指標(biāo)的具體表述 數(shù)字

10、通信系統(tǒng)的有效性具體可用傳輸速率來衡量，傳輸速率 越高，則系統(tǒng)的有效性越好。通?？蓮囊韵聝蓚€不同的角度來定 義傳輸速率。 1碼元傳輸速率 碼元速率是指單位時間(每秒)內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位為波 特(Baud)，常用符號B表示。設(shè)碼元寬度為TB，則 第一章：緒論（20/36） 2信息傳輸速率 信息速率是指單位時間(通常為每秒)內(nèi)傳送的信 息量多少。單位為比特秒(bit/s)。 3信息速率與碼元速率之間的互換 第一章：緒論（21/36） 數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的具體表述數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的具體表述 1碼元差錯率碼元差錯率 是指通信系統(tǒng)收發(fā)過程中，系統(tǒng)出現(xiàn)的錯誤碼元數(shù)在系統(tǒng)傳送的總 碼元數(shù)中所占

11、的比例。 2信息差錯率信息差錯率 第一章：緒論（22/36） 1.4 通信的發(fā)展歷史 通信的歷史可追溯到17世紀(jì)初期。從 1600-1750年開始研究電、磁的現(xiàn)象，到19世 紀(jì)40年代為通信理論基礎(chǔ)準(zhǔn)備階段。從19世紀(jì) 40年代通信才進(jìn)入實用階段，近幾十年來通信 技術(shù)得到了飛速發(fā)展。下面展示了通信史中相 關(guān)重大事件，從中可清楚地看到通信的發(fā)展過 程。 n 1834年，高斯與韋伯制造出電磁式電報機； n 1837年，庫克與惠斯登制造成電報機； 第一章：緒論（23/36） n1838年，莫爾斯發(fā)明有線電報； n1842年，實現(xiàn)莫爾斯電報通信； n1864年，麥克斯韋提出電磁輻射方程； n1876年

12、，貝爾發(fā)明電話； n1896年，馬可尼發(fā)明無線電報； n1906年，發(fā)明真空管； n1918年，調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機問世； 第一章：緒論（24/36） n1925年，開始采用三路明線載波電話、多路通 信； n1936年，調(diào)頻無線電廣播開播， n1937年，發(fā)明脈沖編碼調(diào)制原理； n1938年，電視廣播開播； n1940-1945年，“二次大戰(zhàn)”刺激了雷達(dá)和微 波通信系統(tǒng)的發(fā)展； n1948年，發(fā)明晶體管，香農(nóng)提出了信息論； 第一章：緒論（25/36） n1950年，時分多路通信應(yīng)用于電話； n1956年，敷設(shè)越洋電纜； n1957年，發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星； n1958年，發(fā)射第一顆通信衛(wèi)

13、星； n1960午，發(fā)明激光； n1961年，發(fā)明集成電路； 第一章：緒論（26/36） n1962年，發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星，脈沖編碼 調(diào)制進(jìn)入實用階段； n1960-1970年，彩色電視問世、阿波羅宇宙飛 船登月、數(shù)字傳輸?shù)睦碚摵图夹g(shù)得到了迅速發(fā) 展，出現(xiàn)高速數(shù)字電子計算機； n1970-1980年，大規(guī)模集成電路、商用衛(wèi)星通 信、程控數(shù)字交換機、光纖通信系統(tǒng)、微處理 機等迅速發(fā)展； 第一章：緒論（27/36） n1980年以后，超大規(guī)模集成電路、長波 長光纖通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)崛起； n1990年以后，衛(wèi)星通信、移動通信、光 纖通信等進(jìn)一步發(fā)展，DTV(清晰度電視)、 HDTV(高清

14、晰度電視)不斷成熟，GPS(全 球定位系統(tǒng))廣泛應(yīng)用。 第一章：緒論（28/36） 其中，對于無線通信來說，最具有代表性的幾個 事件是： n1864年，英國物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)造性地總結(jié) 了已有的電磁學(xué)知識，預(yù)言了電磁波的存在； n1887年，德國科學(xué)家赫茲用實驗產(chǎn)生出電磁波， 證明了麥克斯韋的預(yù)言； n1897年，意大利科學(xué)家馬可尼和俄國軍官波波 夫首次使用無線電波進(jìn)行信息傳輸并獲得成功； 第一章：緒論（29/36） n1901年，馬可尼實現(xiàn)了從英國到紐芬蘭的跨大 西洋無線電信號接收，這是一次超過2700公里 的遠(yuǎn)距離通信，充分顯示了無線通信的巨大發(fā) 展?jié)摿Α?n在隨后一個多世紀(jì)的時間里，伴隨

15、著計算機技 術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，無線通信的 理論和技術(shù)不斷取得進(jìn)步，今天無線通信（主 要是移動通信）技術(shù)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁?可缺少的重要通信方式。 第一章：緒論（30/36） 無線移動通信的發(fā)展無線移動通信的發(fā)展 n第一代移動通信系統(tǒng)（1G），20世紀(jì)80 年代初開始； n第二代移動通信系統(tǒng)（2G），20世紀(jì)80 年代末開始； n第三代移動通信系統(tǒng)（3G），研究起始 于20世紀(jì)80年代中期，使用2GHz頻段， 當(dāng)時預(yù)計2000年投入使用； 第一章：緒論（31/36） n第4代(4G)無線通信系統(tǒng) 根據(jù)無線通信每10年發(fā)展一代的特點，20 世紀(jì)90年代末，自ITU-R推出3G移動通

16、信的標(biāo) 準(zhǔn)之后，各個國家和地區(qū)為了在下一代無線通 信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)中占有一席之地，紛紛啟動了新 一代無線通信系統(tǒng)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。 有關(guān)新一代無線通信系統(tǒng)的名稱日前尚不統(tǒng)一， 這些名稱有4G、Beyond 3G等多種。 第一章：緒論（32/36） n在4G移動通信系統(tǒng)中，為了提高頻譜利用率以 適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，所使用的一項關(guān)鍵 技術(shù)，就是OFDM技術(shù)，比如目前NTT DoCoMo公司提出了基于正交頻率碼分復(fù)用 (OFCDM)技術(shù)具有可變擴頻因子的4G系統(tǒng)實現(xiàn) 方案，并于2002年10月推出了下行鏈路速率為 100Mbits、上行鏈路速率為20Mbit/s的實驗 系統(tǒng)。這也是我們在這里要

17、給大家重點介紹 OFDM多載波無線通信系統(tǒng)的一個重要原因。 第一章：緒論（33/36） 本章小結(jié)本章小結(jié) 通信是指出一地向另一地進(jìn)行消息的有效 傳遞。通信的目的是傳遞消息。通信可以按許 多形式進(jìn)行分類，如無線和有線通信；數(shù)字通 信和模擬通信；長波通信、中波通信、短波通 信、微波通信；移動通信和固定通信等；基帶 傳輸與頻帶傳輸；電報、電話、傳真、數(shù)據(jù)傳 翰、可視電話、無線尋呼；頻分多址通信、時 分多址通信、碼分多址通信等。通信工作方式 有：單工、半雙工、全雙工通信；串序傳輸和 并序傳輸。 第一章：緒論（34/36） 通信系統(tǒng)一般由發(fā)送端、接收端、信道三 大部分組成。模擬通信系統(tǒng)通常由模擬信息源、 調(diào)制器、信道、解調(diào)器器、收信者組成；數(shù)字 通信系統(tǒng)由信息源、編碼器、調(diào)制器、信道、 解調(diào)器、譯碼器、收信者等組成。編碼有信源 編碼、信道編碼之分。數(shù)字通信系統(tǒng)可分為數(shù) 字基帶傳輸通信系統(tǒng)、數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)、 模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)。數(shù)字通信的主 要優(yōu)點是抗干擾能力強、差錯可控、易加密、 易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。 第一章：緒論（35/36） 衡量通信系統(tǒng)性能指標(biāo)主要是有效 性和可靠性，這兩者始終是一對矛盾。 對于模擬通信系統(tǒng)，有效性用系統(tǒng)有效 帶寬衡量，可靠性指標(biāo)通常用輸出信噪 比，或者均方誤差來衡量；數(shù)字通信系 統(tǒng)的有效性具體可用