《现代通信技术基础》第5章-第三版

现代通信技术基础第三版IntroductiontoModernCommunicationTechnology第5章无线通信本章学习目标理解无线传播的基本特性。了解天线及无线信道的基本知识。了解无线通信中的关键技术应用特点。了解微波通信技术及其应用特点。了解卫星通信技术及其应用特点。了解无线接入技术及其应用特点。内容简介5.1无线通信概述5.2无线通信的主要关键技术5.3微波通信5.4卫星通信5.5无线接入放映结束内容简介5.1无线通信概述5.1.1无线传播的基本特性5.1.2天线基本知识5.1.3无线通信的频率资源返回主目录内容简介5.2无线通信的主要关键技术5.2.1多址技术5.2.2扩频技术5.2.3正交频分复用（OFDM）技术返回主目录内容简介5.3微波通信5.3.1微波通信概述5.3.2微波中继通信5.3.3微波通信技术的应用与发展返回主目录内容简介5.4卫星通信5.4.1卫星通信概述5.4.2卫星通信系统5.4.3卫星移动通信返回主目录内容简介5.5无线接入5.5.1无线接入概述5.5.2Wi-Fi5.5.3蓝牙技术返回主目录5.1无线通信概述无线通信系统大致可以分成两类，一类是利用无线电波来解决信息传输问题，如微波传输系统、卫星传输系统；另外一类是利用无线方式作为系统接入，形成具有覆盖能力的通信网络，如陆地移动通信系统、卫星移动通信系统以及各种短距离无线通信等。返回5.1.1无线传播的基本特性无线信道的基本特征如下：带宽有限干扰和噪声影响大在移动通信中存在多径衰落无线传播的基本特性1.电波的自由空间传播无线电波是由导体中或由若干导体组成的天线中的电子流动而产生的，并以横向电磁波（TEM）的形式在空间中传播。自由空间是指理想的电磁波传播环境。自由空间传播损耗的实质是因电波扩散损失的能量，其特点是接收电平与距离的平方及频率的平方均成反比关系。无线传播的基本特性2.电波的地面传播电波的地球表面传播与自由空间传播的最明显区别：地面传播的范围常常受到地平面的限制，信号从地球本身反射回来，而且在发射机与接收机之间存在各种各样的障碍物（1）视距传播视距传播的实际通信距离受到地球表面曲率的限制，一般无线通信的视距距离要比可视的视距长1／3。无线传播的基本特性（2）多径传播尽管视距传播使用从发射机到接收机的直接路径，但是接收机有时也能拾取反射信号，直接信号与反射信号将会相互干扰，干扰是加强型或削弱型，取决于两信号间相位关系。若两信号为同相，结果信号则加强；若两信号的相位相差180度，则会有部分抵消，其效应称为衰落。如图5-1所示。无线传播的基本特性（3）移动环境当发射机和接收机的一方或多方均处于运动中时，将会使接收信号的频率发生偏移，即多普勒效应，且移动速度越快，多普勒效应越严重。无线传播的基本特性3.电波的多径传播和衰落（1）长期慢衰落（2）短期快衰落如图5-2所示。返回5.1.2天线基本知识1.天线的作用无线通信是利用无线电波进行通信。无线电发射机输出的射频信号功率通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来（仅接收很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机天线基本知识2.天线的特性（1）天线方向性发射天线有两种基本功能：一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去；二是将大部分能量向所需的方向辐射。天线根据其方向性可分为全向天线和方向性（或定向）天线。天线基本知识（2）天线增益在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的球型辐射单元在空间同一点处所产生信号的功率密度之比，定量描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。其物理含义为：在相同距离上某点产生相同大小信号所需发送信号的功率比。天线基本知识（3）天线的极化天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直（或平行）于地面时，此电波称为垂直（或水平）极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时将在大地表面产生极化电流。返回5.1.3无线通信的频率资源1.长波信道2.中波信道3.短波信道4.超短波信道5.微波信道6.卫星信道7.散射信道返回5.2无线通信的关键技术在无线通信中，为了充分利用信道，在多点之间实现相互间互不干扰的多边通信，常采用不同的多址技术，如频分多址、时分多址、码分多址、空分多址等。同时，还采用了多类先进的调制技术，如具有抗干扰能力强和信号隐蔽等突出特点的扩频技术；具有无线环境高速传输特征的正交频分复用（OFDM）技术等。返回5.2.1多址技术1.多址接入概述在无线通信中，一个信道只容纳一个用户进行通话；许多同时通话的用户，可以共享无线媒体；用某种方式可区分不同的用户，即为多址方式。解决多址接入的方法称为多址接入技术。如图5-3所示多址接入。多址技术2.频分多址（FDMA）技术（1）FDMA系统原理FDMA原理：将给定频谱资源按频率划分，把传输频带划分为若干较窄且互不重叠的子频带（或称信道），每个用户分配到一个固定子频带，按频带区分用户；将信号调制到该子频带内，各用户信号同时传送；接收时分别按频带提取，实现多址通信。多址技术（2）FDMA系统应用在模拟蜂窝移动通信系统中，采用频分多址方式是唯一的选择；在数字蜂窝移动通信系统中，则很少采用纯频分的方式。其目前仍在卫星通信、移动通信、一点多址微波通信等系统中应用。多址技术3.时分多址（TDMA）技术（1）TDMA系统原理TDMA是在给定传输频带的条件下，把传递时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（帧或时隙均互不重叠）。各用户在同一频带中传送，用户收发各使用一个指定的时隙，时间上互不重叠。多址技术（2）TDMA系统应用TDMA系统的收发双工可采用频分双工（FDD）方式或时分双工（TDD）方式。在FDD方式中，上行链路和下行链路的帧结构既可相同也可不同。在TDD方式中，通常收发工作在相同频率上；在一帧中，一半的时隙用于移动台发送，另一半的时隙用于移动台接收。多址技术4.码分多址（CDMA）技术（1）CDMA系统原理当以不同的互相正交的码序列来区分用户并建立多址接入时，称为码分多址（CDMA）方式。CDMA系统中，各用户使用相同的载波频率，占用相同频带，发射时间任意；各用户的频率和时间可相互重叠，用户划分利用不同地址码序列实现。多址技术CDMA方式是频谱扩展的通信方式，即扩频方式。用户信号经过扩频处理，再经载波调制后发送出去。接收端使用完全相同的扩频码序列，同步后与接收的宽带信号作相关处理，把宽带信号解扩为原始数据信息。不同用户使用不同的码序列，其占用相同频带，可以同时传输，接收机虽然能收到但不能解出，这样可实现互不干扰的多址通信。多址技术（2）CDMA系统应用CDMA将是今后无线通信中主要的多址手段，应用范围已涉及数字蜂窝移动通信、卫星通信、微蜂窝系统、一点多址微波通信和无线接入网等领域。多址技术5.空分多址（SDMA）技术（1）SDMA系统原理空分多址（SDMA）利用不同的用户空间特征（用户位置）区分用户，从而实现多址通信的方式。采用智能天线技术，可构成空间上用户的分割。配合电磁波被传播的特征，可使不同地域的用户在同一时间使用相同频率，实现互不干扰的通信。多址技术（2）SDMA系统应用蜂窝移动通信中充分运用了SDMA方式，用有限的频谱构成大容量的通信系统。卫星通信用窄波束天线实现SDMA，提高了频谱利用率。智能天线技术利用数字信号处理技术产生空间定向波束，高效利用用户信号并可删除或抑制干扰信号。返回5.2.2扩频技术扩展频谱通信（简称扩频通信）技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，并用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。扩频技术1.扩频通信的概念扩频通信方式具有以下特点(与窄带通信方式相比)：信息的频谱扩展后形成宽带传输；相关处理后恢复成窄带信息数据。扩频技术扩频通信的优良特性：抗干扰、抗噪声、抗多径衰落保密性、功率谱密度低、隐蔽性和低截获率可多址复用和任意选址可高精度测量图5-4示出了扩频通信的信号特性。扩频技术2.扩频通信的基本原理在扩频通信中，系统占用频带宽度远大于要传输的用户基带信号原始带宽。在发送端，频带的展宽通过编码及调制（即扩频调制）的方法来实现；在接收端，则用与发送端完全相同的扩频码进行相关解调（解扩）来恢复信息数据。扩频技术在由扩频实现的码分复用及多址连接构成的无线移动通信系统中，各用户采用不同的互为正交的伪随机码序列作为地址码，可使大量用户共享数兆赫以上的扩频带宽，且具有极强的抗干扰的能力。扩频通信将用户信号的频谱扩展，然后再进行传输，因而提高了通信的抗干扰能力，即使在强干扰情况下（甚至在信号被噪声淹没时）仍可保持可靠的通信。扩频技术3.扩频通信系统的主要技术指标：（1）处理增益：处理增益Gp是指扩频信号带宽W与基带数据信号带宽B之比，了系统信噪比改善的程度。（2）干扰容限：在保证系统正常工作的条件下（即保证输出端有一定的信噪比），接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号所高出的分贝（dB）数。扩频技术4.扩频通信系统的特点：抗干扰能力强、误码率低、保密性能强、隐蔽性好；功率谱密度低，对其他系统及人体干扰影响小；易于实现大容量多址通信；能精确定时与测距；适合于随参信道的无线通信；占用信道频带宽（缺点）。扩频技术5.扩频通信系统的工作方式（1）直接序列扩频方式（DS）如图5-5所示。直接序列扩频（直扩）方式：实现频谱扩展方便，是最典型的扩频系统，关键过程为扩频和解扩。扩频技术扩频：基带信号的信码是需传输的信号，通过速率很高的编码序列进行调制，将其频谱展宽；对频谱展宽后的序列进行射频调制，其输出则是扩展频谱的射频信号，经天线辐射出去。解扩：在接收端，射频信号经混频后变为中频信号，与本地的发端相同的编码序列进行反扩展，将宽带信号恢复成窄带信号。解扩后的中频窄带信号经普通信息解调器进行解调，恢复成原始的信息码。扩频技术（2）跳变频率扩频方式（FH）跳变频率扩频（跳频）：载波频率在很宽的频带范围内，按某种序列进行跳变，即在工作频率范围内，在一个伪随机码（PN）码的控制下，载频的频率按PN码的规律不断地变化。跳频是以躲避干扰来提高信噪比。扩频技术跳频指令（又称为跳频图案）由所传送的信息码与PN码的组合（按模2加规律）来构成。由时间和频率组成的该平面称为时频域图；平面中的阴影线即为跳频图案，其表征了在何时以何频率进行通信，通信频率随时间不同而异。跳频系统指标为跳变速率，可分为慢跳频和快跳频，如图5-6所示。扩频技术跳频系统发送端的信息码与伪随机码调制后，按不同跳频指令去控制频率合成器，发射机输出频率在宽范围内随机改变，使射频载波也在宽范围内变化，形成一个宽带离散谱。在接收端，收发跳频必须同步，以保证通信的建立。为了对输入信号进行解扩（即解跳），需要有与发端相同的跳频指令去控制频率合成器，使其输出的跳频信号在混频器中，能与接收到的跳频信号差频出一个固定中频信号；经中频放大器后，送到解调器恢复出原基带数据信号信息。如图5-7所示跳频原理。扩频技术（3）跳变时间扩频方式（TH）跳变时间扩频（跳时）：已调载波在PN码的控制下，伪随机地在一帧的不同时隙内以时发信号形式发送；由于在时隙中传送的突发信号速率要比原信号高，从而达到扩频的目的。扩频技术（4）混合式扩频方式混合扩频：若系统仅用单一方式不能满足要求时，往往采用两种或两种以上工作方式，如：FS／DS，DS／TH，FH／TH。返回5.2.3正交频分复用（OFDM））正交频分复用（OFDM）技术是一种无线环境下的高速传输技术，属多载波调制。其基本思想：在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，且各子载波并行传输。正交频分复用