无线通信关键技术介绍课件

2020/9/24,1,无线通信关键技术介绍,主讲人:孔繁庭,2020/9/24,2,一、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。,2020/9/24,3,4. 无线电报的发明-“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。,2020/9/24,4,5.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。,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”。,2020/9/24,6,二、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,2020/9/24,7,无线传输的电磁频谱,2020/9/24,8,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（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,2020/9/24,9,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。,2020/9/24,10,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,2020/9/24,11,衍射（Diffraction）,衍射：当信号遇到大于波长的不可穿透物的边缘（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。,2020/9/24,12,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,2020/9/24,13,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。,2020/9/24,14,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。,2020/9/24,15,无线传输技术,调制技术 抗衰落及抗干扰技术 多天线与空时编码技术 多址技术,2020/9/24,16,调制技术,无线通信系统框图,2020/9/24,17,调制技术,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。,2020/9/24,18,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(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。,2020/9/24,19,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。,2020/9/24,20,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。,2020/9/24,21,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。,2020/9/24,22,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。,2020/9/24,23,分集方式,空间分集： 使用多个天线 频率分集： 用多个频率传同一信息,各频率之差大于相关带宽 角度分集： 天线指向不同 极化分集： 接收水平、垂直极化波,2020/9/24,24,信道编码和交织技术,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。,2020/9/24,25,3.跳频技术,2020/9/24,26,2020/9/24,27,2020/9/24,28,2020/9/24,29,跳频通信的优点,跳频抗多径 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 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 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互独立。,2020/9/24,30,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。,2020/9/24,31,直接序列扩频系统,2020/9/24,32,直接序列扩展频谱,2020/9/24,33,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,2020/9/24,34,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。 时域均衡 频域均衡,2020/9/24,35,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。该系统能够抗频率选择性衰落或窄带干扰。,2020/9/24,36,2020/9/24,37,OFDM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,2020/9/24,38,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,2020/9/24,39,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 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 一般采用46天线阵元结构，阵元间距1/2波长。,2020/9/24,40,开关多波束天线的波束模式顶视图,2020/9/24,41,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,2020/9/24,42,1. 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),2020/9/24,43,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,2020/9/24,44,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,2020/9/24,45,7C29822.030-Cimini-9/97,2.频分多路复用( Frequency Division Multiplexing),2020/9/24,47,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,2020/9/24,48,4.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。,7C29822.031-Cimini-9/97,2020/9/24,50,TDMA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,7C29822.032-Cimini-9/97,4.码分多路复用,2020/9/24,52,多路复用方法比较,2020/9/24,53,5.SDMA技术,采用天线的