無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)介紹.ppt

1、無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)介紹主講人:孔繁庭2022-1-251一、從有線通信到無(wú)線通信1. 莫爾斯電碼（通、斷、長(zhǎng)斷） 1844年5月24日，華盛頓-巴爾的摩，64.4km， “上帝創(chuàng)造了何等奇跡！” 2. 1876年3月7日，貝爾獲得發(fā)明電話專(zhuān)利，專(zhuān)利證號(hào)碼NO:174655。 “沃森特先生，快來(lái)幫我啊！” 3. 電磁波的發(fā)現(xiàn)：1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)變化的電流通過(guò)導(dǎo)線會(huì)引起磁針的偏轉(zhuǎn)，英國(guó)物理學(xué)家法拉第指出該實(shí)驗(yàn)證明了“電能生磁”，即“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”；1864年，麥?zhǔn)习l(fā)表了電磁場(chǎng)理論，成為人類(lèi)歷史上預(yù)言電磁波存在的第一人。1887年，亨利希魯?shù)婪蚝掌澩ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。2022-

2、1-2524. 無(wú)線電報(bào)的發(fā)明-“要是我能指揮電磁波，就可飛越整個(gè)世界” 1896年，俄國(guó)的波波夫成功地用無(wú)線電進(jìn)行莫爾斯電碼的傳送，距離為250米，電文內(nèi)容為“海因里斯赫茲”；在1897年5月18日，意大利的馬可尼，通過(guò)改進(jìn)了的無(wú)線電傳送和接收設(shè)備，在英國(guó)的布里斯托爾海峽進(jìn)行無(wú)線電通信取得成功，把信息傳播了12公里；于1909年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 2022-1-2535.無(wú)線電通信的發(fā)明 載著聲音飛翔的電波無(wú)線電廣播之父美國(guó)人巴納特史特波斐德，他于1886年便開(kāi)始研究無(wú)線電廣播，在1902年，他在肯塔基州穆雷市進(jìn)行了第一次無(wú)線電廣播。他們?cè)谀吕讖V場(chǎng)放好話筒，由巴納特史特波斐德的兒子在話筒前

3、說(shuō)話、吹奏口琴，他在附近的樹(shù)林里放置了5臺(tái)礦石收音機(jī)，均能清晰地聽(tīng)到說(shuō)話和口琴聲，試驗(yàn)獲得了成功。之后又在費(fèi)城進(jìn)行了廣播，并獲得了專(zhuān)利權(quán)。 2022-1-254與此同時(shí)，無(wú)線電通信逐漸被用于戰(zhàn)爭(zhēng)。在第一次和第二次世界大戰(zhàn)中，它都發(fā)揮了很大的威力，以致有人把第二次世界大戰(zhàn)稱(chēng)之為“無(wú)線電戰(zhàn)爭(zhēng)”。二、無(wú)線通信的特點(diǎn)1.傳輸環(huán)境的復(fù)雜性2.電磁波的傳播不需要任何有形介質(zhì)3.接收信號(hào)的時(shí)變多徑4.多個(gè)無(wú)線電載波同存于同一空間5.頻率資源有限，需統(tǒng)一劃分2022-1-256無(wú)線傳輸?shù)碾姶蓬l譜2022-1-257無(wú)線頻譜的分配頻率統(tǒng)一分配（FCC/ITU_R/各個(gè)國(guó)家） 根據(jù)信息類(lèi)型分配頻譜（AM/FM無(wú)線

4、電臺(tái)、TV、蜂窩電話）工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)頻段（ISM） 可自由使用但限制功率 專(zhuān)用于非許可的商業(yè)用途 救護(hù)車(chē)、出租車(chē)、無(wú)線遙控玩具、無(wú)線電家用設(shè)備等2022-1-258無(wú)線信號(hào)傳播理想情況下，無(wú)線信號(hào)在從發(fā)射器到接收器間的一條直線上傳播，稱(chēng)為“視線”（line of sight, LOS）實(shí)際情況下，由于傳輸障礙物等傳輸環(huán)境的影響，無(wú)線信號(hào)的傳播將發(fā)生如下三種現(xiàn)象：反射、衍射和散射。其中物體的幾何形狀決定了將產(chǎn)生哪種現(xiàn)象。2022-1-259反射（reflection）反射：當(dāng)信號(hào)遇到表面大于信號(hào)波長(zhǎng)的障礙物（地球表面、高建筑物、大型墻面）導(dǎo)致信號(hào)的相位發(fā)生漂移2022-1-2510衍射（Diffr

5、action）衍射：當(dāng)信號(hào)遇到大于波長(zhǎng)的不可穿透物的邊緣（如無(wú)線電波中途遇到的尖銳不規(guī)則的邊緣物），即使沒(méi)有來(lái)自發(fā)送器的視線信號(hào)，也可接收到信號(hào)。2022-1-2511散射（Scattering）散射：當(dāng)信號(hào)遇到波長(zhǎng)更小的物體（樹(shù)葉、街牌、燈柱）就發(fā)散成幾個(gè)弱的出境信號(hào)2022-1-2512散射（Scattering）散射還與障礙物表面的粗糙度有關(guān)。表面越粗糙，越容易引起散射。例如， 在戶(hù)外，樹(shù)木和路標(biāo)都會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)電話信號(hào)的散射。 在室內(nèi)，椅子、書(shū)籍和計(jì)算機(jī)都會(huì)導(dǎo)致無(wú)線Lan信號(hào)的散射。2022-1-2513電波的多徑傳播和衰落電波傳播的長(zhǎng)期慢衰落由傳播路徑上固定障礙物的陰影引起，也稱(chēng)為陰影衰

6、落。2022-1-2514無(wú)線傳輸技術(shù)調(diào)制技術(shù)抗衰落及抗干擾技術(shù)多天線與空時(shí)編碼技術(shù)多址技術(shù)2022-1-2515調(diào)制技術(shù)信源電信號(hào)調(diào)制接收機(jī)解調(diào)發(fā)射機(jī)電信號(hào)信宿無(wú)線信道噪聲和干擾消息模擬或數(shù)字信號(hào)無(wú)線通信系統(tǒng)框圖2022-1-2516調(diào)制技術(shù)調(diào)制調(diào)制的目的是把要傳輸?shù)哪M信號(hào)或數(shù)字信號(hào)變換成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)。該信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)。 調(diào)制過(guò)程用于通信系統(tǒng)的發(fā)端。在接收端需將已調(diào)信號(hào)還原成要傳輸?shù)脑夹盘?hào)，該過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)解調(diào)。 2022-1-2517 按照調(diào)制器輸入信號(hào)(該信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào))的形式，調(diào)制可分為模擬調(diào)制(或連續(xù)調(diào)制)和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制是利用輸入的模擬信號(hào)直接調(diào)制(或改變)載波(正

7、弦波)的振幅、頻率或相位，從而得到調(diào)幅(AM)、 調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM)信號(hào)。 數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號(hào)來(lái)控制載波的振幅、頻率或相位。常用的數(shù)字調(diào)制有：ASK、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)等。2022-1-2518對(duì)已調(diào)信號(hào)的要求 針對(duì)無(wú)線通信信道的特點(diǎn)，已調(diào)信號(hào)應(yīng)具有高的頻譜利用率和較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落的能力。即：已調(diào)信號(hào)所占的帶寬要窄。經(jīng)調(diào)制解調(diào)后的輸出信噪比(S/N)較大或誤碼率較低。2022-1-2519 抗衰落及抗干擾技術(shù)1.分集技術(shù) 陸地移動(dòng)信道、短波電離層反射信道等隨參信道引起的多徑時(shí)散、多徑衰落、頻率選擇性衰落、頻率彌散等，會(huì)嚴(yán)重影響接收信號(hào)質(zhì)量，使通信系統(tǒng)性能大大

8、降低。為了提高隨參信道中信號(hào)傳輸質(zhì)量，必須采用抗衰落的有效措施。常采用的技術(shù)措施有抗衰落性能好的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)、功率控制技術(shù)、與交織結(jié)合的差錯(cuò)控制技術(shù)、分集接收技術(shù)等。其中分集接收技術(shù)是一種有效的抗衰落技術(shù)，已在短波通信、移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 2022-1-2520分集接收技術(shù)是分別接收若干個(gè)獨(dú)立地?cái)y帶同一信息的信號(hào)，并將它們合并在一起，這些信號(hào)同時(shí)被衰減掉的概率很小，因而可改善隨參信道的傳輸特性2022-1-2521分集原理分集原理所謂分集接收， 是指接收端按照某種方式使它收到的攜帶同一信息的多個(gè)信號(hào)衰落特性相互獨(dú)立，并對(duì)多個(gè)信號(hào)進(jìn)行特定的處理，以降低合成信號(hào)電平起伏，減小各

9、種衰落對(duì)接收信號(hào)的影響。從廣義信道的角度來(lái)看，分集接收可看作是隨參信道中的一個(gè)組成部分，通過(guò)分集接收使包括分集接收在內(nèi)的隨參信道衰落特性得到改善。 分集接收包含有兩重含義：一是分散接收，使接收端能得到多個(gè)攜帶同一信息的、統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)；二是集中處理，即接收端把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?，從而降低衰落的影響，改善系統(tǒng)性能。 2022-1-2522分集方式分集方式空間分集：空間分集：使用多個(gè)天線使用多個(gè)天線 頻率分集：頻率分集：用多個(gè)頻率傳同一信息用多個(gè)頻率傳同一信息, 角度分集：角度分集：天線指向不同天線指向不同 極化分集：極化分集：接收水平、垂直極化波接收水平、垂直極化波2

10、022-1-2523信道編碼和交織技術(shù)信道編碼和交織技術(shù) 信道編碼：通過(guò)在發(fā)送信息時(shí)加入冗余的數(shù)據(jù)位來(lái)改善通信鏈路的性能 交織編碼：目的是把一個(gè)由衰落造成的較長(zhǎng)的突發(fā)差錯(cuò)離散成隨機(jī)差錯(cuò)，再用糾正隨機(jī)差錯(cuò)的編碼(FEC)技術(shù)消除隨機(jī)差錯(cuò)。2022-1-25243.跳頻技術(shù)2022-1-25252022-1-25262022-1-25272022-1-2528跳頻通信的優(yōu)點(diǎn)跳頻抗多徑跳頻抗多徑 要求跳頻信號(hào)駐留時(shí)間小于多徑延遲時(shí)間差要求跳頻信號(hào)駐留時(shí)間小于多徑延遲時(shí)間差跳頻抗同頻干擾跳頻抗同頻干擾 采用跳頻圖案的正交性組成正交跳頻網(wǎng)，從而避免頻率重用引起的同頻干擾采用跳頻圖案的正交性組成正交跳頻網(wǎng)

11、，從而避免頻率重用引起的同頻干擾跳頻抗頻率選擇性衰落跳頻抗頻率選擇性衰落 當(dāng)當(dāng)跳頻的頻率間隔大于信道相關(guān)帶寬時(shí)，可使各個(gè)調(diào)頻駐留時(shí)間內(nèi)的信號(hào)跳頻的頻率間隔大于信道相關(guān)帶寬時(shí)，可使各個(gè)調(diào)頻駐留時(shí)間內(nèi)的信號(hào)相互獨(dú)立。相互獨(dú)立。2022-1-2529直接序列擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻是通過(guò)注入一個(gè)更高頻率的信號(hào)將基帶信號(hào)擴(kuò)展到一個(gè)更寬的頻帶內(nèi)的射頻通信系統(tǒng)，即發(fā)射信號(hào)的能量被擴(kuò)展到一個(gè)更寬的頻帶內(nèi)使其看起來(lái)如同噪聲一樣。既把序列（也稱(chēng)為碼）加入到通信信道，插入序列的方式正好定義了所討論的擴(kuò)頻技術(shù)（直接序列擴(kuò)頻或跳頻擴(kuò)頻技術(shù)）。術(shù)語(yǔ)“擴(kuò)頻”指將信號(hào)帶寬擴(kuò)展幾個(gè)數(shù)量級(jí)，在信道中加入序列即可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。2022-1-25

12、30直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)2022-1-2531直接序列擴(kuò)展頻譜2022-1-2532直接擴(kuò)頻的基本原理每個(gè)比特由擴(kuò)展碼的多個(gè)比特表示擴(kuò)展碼信號(hào)占有更寬的頻率 擴(kuò)展后的頻率與所用的擴(kuò)展碼比特?cái)?shù)成比例 10比特的擴(kuò)展碼將信號(hào)擴(kuò)展到10倍寬的頻道2022-1-2533均衡技術(shù)均衡技術(shù)指對(duì)信道特性的均衡，補(bǔ)償時(shí)分信道中由于多徑效應(yīng)而產(chǎn)生的碼間干擾。 時(shí)域均衡 頻域均衡2022-1-2534多載波和OFDM技術(shù)多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分成若干個(gè)低速率的子比特流，用低速率、多狀態(tài)符號(hào)的子比特流再去調(diào)制相應(yīng)的子載波，從而構(gòu)成多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。 正交頻分復(fù)用OFDM系統(tǒng)是一種特殊的多載波傳輸技術(shù)。其特點(diǎn)

13、是各子載波相互正交，減小了子載波間的相互干擾，提高了頻譜利用率。該系統(tǒng)能夠抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。2022-1-25352022-1-2536OFDM的優(yōu)點(diǎn)OFDM有較高的帶寬效率 系統(tǒng)因時(shí)延所產(chǎn)生的碼間干擾不那么嚴(yán)重 當(dāng)信道在某個(gè)頻率出現(xiàn)較大幅度衰減或較強(qiáng)的窄帶干擾時(shí)，只是影響個(gè)別的子信道 由于可以采用DFT實(shí)現(xiàn)OFDM信號(hào)，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng) 的硬件結(jié)構(gòu) 2022-1-2537 多天線與空時(shí)編碼技術(shù)多天線技術(shù)：估計(jì)無(wú)線電信號(hào)的來(lái)波方位角；提高無(wú)線通信中的鏈路性能多天線系統(tǒng)的分類(lèi)： 多發(fā)單收MISO 單發(fā)多收SIMO 多發(fā)多收MIMO空時(shí)編碼技術(shù)：空間分組碼、空間格形碼2022-1-2538

14、智能天線技術(shù)智能天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用用戶(hù)信號(hào)，并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。 多波束智能天線多波束智能天線 利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶(hù)區(qū)，每個(gè)波束的指向是固定的，波束的寬度也隨陣元數(shù)目的確定而確定。 自適應(yīng)陣智能天線自適應(yīng)陣智能天線 一般采用46天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距1/2波長(zhǎng)。 2022-1-25392022-1-2540開(kāi)關(guān)多波束天線的波束模式頂視圖 多址技術(shù)1.多址的基本原理2. FDMA技術(shù)3. TDMA技術(shù)4. CDMA技術(shù)5. SDMA技術(shù)6. 隨機(jī)接入多址技術(shù)7. 雙工技術(shù)2

15、022-1-25411. 多址的基本原理用于多信道共用。多信道共用是指在網(wǎng)內(nèi)的大量用戶(hù)共享若干無(wú)限信道。多址技術(shù)：指區(qū)分不同用戶(hù)的技術(shù)。主要解決多用戶(hù)如何高效共享給定頻譜資源問(wèn)題。常規(guī)的多址方式有三種： 頻分多址 (FDMA) 時(shí)分多址(TDMA) 碼分多址(CDMA)2022-1-2542多路復(fù)用（multiplexing） 為了提高信道利用率，使多路信號(hào)沿同一信道傳輸而互不干擾的技術(shù)2022-1-2543多路復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的關(guān)鍵 把多路信號(hào)匯合到一條信道上之后，在接收端必須能正確地分割出各種信號(hào)分割信號(hào)的依據(jù)：信號(hào)之間的差別 信號(hào)頻率上的不同 信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間上的不同 信號(hào)碼型結(jié)構(gòu)上的不

16、同頻分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用碼分多路復(fù)用2022-1-25442022-1-2545The total system bandwidth is divided into channels which are allocated to the different users.7C29822.030-Cimini-9/972.頻分多路復(fù)用( Frequency Division Multiplexing)FDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)每信道占用一個(gè)載頻符號(hào)時(shí)間較大，即碼速率較低基站設(shè)備復(fù)雜越區(qū)切換較為復(fù)雜和困難2022-1-25474.時(shí)分多路復(fù)用 時(shí)分多址：是把時(shí)間分割成周期性的幀，每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙

17、。幀和時(shí)隙都是不重疊的。 在頻分雙工(FDD)方式中，上行鏈路（移動(dòng)臺(tái)到基站）和下行鏈路（基站到移動(dòng)臺(tái)）的幀分別在不同的頻率上。 在時(shí)分雙工(TDD)方式中，上下行幀在相同的頻率上，各移動(dòng)臺(tái)在上下行幀內(nèi)只能按指定的時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)。2022-1-2548Time is divided into slots which are allocated to the different users.7C29822.031-Cimini-9/97TDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)突發(fā)傳輸速率高基站復(fù)雜性較小相比FDMA，抗干擾能力強(qiáng)，頻率利用率高，系統(tǒng)容量大越區(qū)切換簡(jiǎn)單2022-1-2550Time and bandwidth are used simultaneously by different users, modulated by orthogonal or semi- orthogonal codes (e.g. spread spectrum).7C29822.032-Cimini-9/974.碼分多路復(fù)用多路復(fù)用方法比較2022-1-25525.SDMA技術(shù)采用天線的波束成形技術(shù)，使不同的波束對(duì)準(zhǔn)不同的用戶(hù)，達(dá)到多用戶(hù)共享頻率資源、時(shí)間資源和碼資源。2022-1-2553SDMA多址方式示意圖6. 隨機(jī)接入多址技術(shù)隨機(jī)接入多