移动通信基本原理要点课件.ppt

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1、第2章 移动通信基本原理,2.1 手机发展概况 2.2 移动通信网的组成 2.3 多址接入技术 2.4 语音处理技术 2.5 数字调制与解调技术 2.6 用户通信终端设备 2.7 SIM卡与UIM卡 习题二,2.1 手机发展概况,1.模拟式手机 模拟式手机泛指第一代移动通信的终端设备。第一代移动通信俗称“本地通”,多采用TACS制,频分多址(FDMA)方式。,2.数字式手机 现在正处于移动通信的第二阶段,数字式手机泛指第二代移动通信的终端设备。第二代数字式手机,俗称“全球通”,我国现有GSM、CDMA两种制式。我国首先采用GSM制,它属时分多址(TDMA)方式。,3.第三代手机 实用的第三代手

2、机已经问世,主要采用CDMA 2000技术。显然,它必须与第三代移动通信相适应,第三代手机应具备以下几个特点:(1)不仅能传送语音信号,也为传递图像信号奠定了基础。(2)手机中可加装微型摄像头,可实时拍摄景物,使可视通信成为可能,可随意拨打可视电话。,(3)由于通频带拓宽,通过无线电网络技术,能轻松地上网,能浏览网页,收发电子邮件,能下载网上文件和图片,实现多媒体通信。(4)手机与商务通浑然一体,能以手写体录入文字。,4.第四代手机 第三代手机以能达到3G频段为主要特征,第四代移动电话机的4G技术已经问世。美国AT&T实验室正在研究第四代移动通信技术,其研究的目标是提高手机访问互联网的速率。目

3、前,手机上网的连接速率大约为调制解调器的1/4,而采用4G技术的连接速率一开始就能达到拨号调制解调器的十几倍,但现在还不能将这种技术转向实用化。表1-1为三代移动通信的主要特点。,表2-1 三代移动通信的比较,5 小灵通PHS 小灵通又叫无线市话,英文简称为PHS(Personal Handphone System),是一种个人无线接入系统。在不少城市,“小灵通”已成为人们日常生活中不可缺少的通信工具。“小灵通”采用的是微蜂窝技术,将用户终端以无线的方式接入固定电话网,使传统意义上的电话不再固定在某个位置,用户可在小灵通网络覆盖范围内自由移动实现通信。正是由于无线市话小巧、价廉、环保的特点,人

4、们亲切地称之为“小灵通”。,小灵通定位在对固定电话的补充与延伸上。它的最大特点是通信费用低廉,其手机发射功率小,平均发射功率为10 mW,手机通话时间较长。但其室内信号覆盖比较差,且它的移动速度一般不能超过35 km/h。在最后一章将详细讨论其工作原理。,2.2 移动通信网的组成,1.2.1 数字移动通信系统基本组成 一个数字移动通信系统主要由交换网络子系统NSS、基站子系统BSS和手机MS组成。基站子系统与移动电话机之间依赖无线信道来传输信息。移动通信系统与其他通信系统如PSTN固定电话网之间,需要通过中继线相连,实现系统之间的互连互通,其组成框图如图1-1所示。当然,对整个通信网络需要进行

5、管理和监控,这是由操作维护子系统OMS来完成的。,图1-1 移动通信系统组成框图,1.手机MS 终端设备就是移动客户设备部分,它由两部分组成:移动终端(MS)和客户识别模块(SIM)。移动终端在早期是以车载台、便携台形式出现的,现在多为大众化的移动电话机手机所取代,车载台仍有少量生产,主要用于通信部门和军事上。,2.基站子系统BSS 基站又称基地台,它是一个能够接收和发送信号的固定电台,负责与手机进行通信。基站(BSS)系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制,与MS进行通信的系统设备,它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)。,

6、1)基站收发信台BTS BTS完全由BSC控制,主要负责无线传输,完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。2)基站控制器BSC 基站控制器是基站的智能控制部分,负责本基站的收发信机的运行、呼叫管理、信道分配、呼叫接续等。一个基站控制器可以控制管理最多可达256个基站收发器。,3 交换网络子系统NSS 交换网络子系统(NSS)主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。交换网络子系统NSS能在任意选定的两条用户线(或信道)之间建立和(而后)释放一条通信链路,并实现整个通信系统的运行、管理。,1)移动交换中心MSC MSC是计算机控制的全自动交换系统。MS

7、C与基站以光缆相连进行通信,一个MSC可以管理数十个基站,并组成局域网。,MSC支持的呼叫业务是:(1)本地呼叫、长途呼叫和国际呼叫。(2)通过MSC进行移动用户与市话、长话之间的联系,控制不同蜂窝小区的运营。(3)支持移动电话机的越区切换、漫游、入网登录和计费。,2)访问位置寄存器VLR 访问位置寄存器VLR是一个用于存储来访用户信息的数据库。一个VLR通常为一个MSC控制区服务,也可以为几个相邻的MSC控制区服务。移动台MS的不断移动导致了其位置信息的不断变化,这种变化的位置信息在VLR中进行登记。,3)归属位置寄存器HLR HLR是一种用来储存本地用户位置信息的数据库。当一个移动用户购机

8、后首次使用SIM卡加入蜂窝系统时,必须通过MSC在该地的HLR中登记注册,把其有关参数存放在HLR中。4)鉴权中心AUC 鉴权中心AUC的作用是可靠地识别用户的身份,只允许有权用户接入网络并取得服务。,5)设备号识别寄存器EIR 设备号识别寄存器EIR存放设备类型信息,每个移动电话机都有一个国际移动设备识别码IMEI,EIR用来监视和鉴别移动设备,并拒绝非法移动台入网。,6)操作维护子系统OMS 操作维护子系统OMS,又称操作维护中心。其任务主要是对整个GSM网络进行管理和监控。通过OMS实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。,2.2.2 CDMA数字移动通信系统的基本

9、组成 各种CDMA系统的主要技术、具体构成不完全相同,我国主要是联通的800 MHz CDMA数字系统。一种CDMA数字移动通信系统的基本组成如图1-2所示。,图1-2 CDMA数字移动通信系统基本组成,CDMA的基本组成与GSM的大同小异,交换网络子系统NSS、基站子系统BSS、操作维护子系统OMS和手机MS是必不可少的组成部分。图1-2中,PCF部分主要实现对分组数据业务的处理功能。它能够提供强大的分组数据处理能力,满足用户对高速分组数据的传输要求,能适应目前和将来不断增长的业务需要。OMC-R部分主要是对整个BSS子系统来进行管理和控制,它是整个BSS子系统的操作维护中心。,2.3 多址

10、接入技术,多址技术就是要使众多的客户共用公共通信信道所采用的一种技术。实现多址的方法基本上有三种,即采用频率、时间或码元分割的多址方式,人们通常称它们为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。,2.3.1 频分多址(FDMA)FDMA是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道(或称信道)分配给不同的用户使用。这些频道互不交叠,其宽度应能传输一路话音或数据信息,而在相邻频道之间无明显的串扰。如图1-3所示。,图1-3 频分多址的频道划分,2.3.2 时分多址(TDMA)TDMA将每个频带信道分成若干时隙(时间片),然后把每个时隙再分配给每个用户,根据一定的时隙分配原则

11、,使各个移动用户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个移动用户的信号而不混扰。,图2-4 频分多址和时分多址工作示意图(a)FDMA;(b)TDMA,图2-4中所示((a)为FDMA,(b)为TDMA)是一个方向的情况,在相反方向上必定有一组对应的频率/时隙(FDMA/TDMA)。TDMA信道的划分如图1-5所示。现在正广泛使用的GSM数字移动通信系统采用的就是TDMA/FDMA相结合的方式。,图2-5 TDMA信道的划分,TDMA系统具有如下特性:(1)每载频多路。(2)突发脉冲序列传输。(3)传输速率高,自适应均衡。(4)传输开销

12、大。(5)对于新技术是开放的。(6)共享设备的成本低。,2.3.3 码分多址(CDMA)在码分多址CDMA通信系统中,不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的,而是用不同的编码序列来区分的,或者说,靠信号的不同波形来区分。如果从频率域或时间域来观察,多个CDMA信号是互相重叠的。,在FDMA和TDMA系统中,为了扩大通信用户容量,都尽力压缩信道带宽,但这种压缩是有限度的,因为信道带宽的变窄将导致通话质量的下降。而CDMA却相反,可大幅度地增加信道宽度,这是因为它采用了扩频通信技术。,CDMA的关键是所用扩频码有多少个不同的互相正交的码序列,就有多少个不同的地址码,也就有多少个

13、码分信道。为了扩大系统容量,人们正在致力于这种正交码序列的编码研究。CDMA按照其采用的扩频调制方式的不同,可以分为直接序列扩频(DS)、跳频扩频(FH)、跳时扩频(TH)和复合式扩频,如图1-6所示。直接序列扩频(DS-SS)CDMA发射和接收电路构成如图1-7所示。,图2-6 CDMA扩频调制方式,图2-7 直接序列扩频(DS-SS)发射和接收电路构成框图,CDMA技术近年得到了迅速的发展,正在成为一项全球性的无线通信技术,它具有如下优点:(1)系统具有软容量。(2)能实现多媒体通信。(3)语音质量高。(4)无需防护间隔。(5)能实现软切换。(6)保密性强。(7)实现低功耗。(8)建网成本

14、下降。,2.4 语音处理技术,2.4.1 语音编码 由于GSM系统是一种全数字系统,语音或其它信号都要进行数字化处理,因而第一步要把语音模拟信号转换成数字信号(即1和0的组合)。语音信号有多种编码方式,但最基本的是脉冲编码调制PCM。典型的脉冲编码调制电路组成如图1-8所示。,图2-8 脉冲编码调制电路组成,PCM编码是采用A律波形编码,分为三步:(1)采样。(2)量化。(3)编码。,声码器编码可以是很低的速率(可以低于5 kbs),虽然不影响语音的可懂性,但语音的失真很大,很难分辨是谁在讲话。波形编码器语音质量较高,但要求的比特速率相应的较高。因此GSM系统语音编码器是采用声码器和波形编码器

15、的混合物混合编码器,全称为线性预测编码-长期预测编码-规则脉冲激励编码器(LPC-LTP-RPE编码器),见图1-9。,图2-9 GSM语音编码器框图,2.4.2 信道编码 1.信道编码的基本原理 语音信号经过语音编码后,紧接着还要进行信道编码。由语音编码过程可以看出,采用LPC-LTP-RPE 编码方案,可以降低数字信号的传输速率,实现数字信号压缩。,采用数字传输时,所传信号的质量常常用接收比特中有多少是正确的来表示,并由此引出比特差错率(BER)的概念。BER表明总比特率中有多少比特被检测出错误,差错比特数目或所占的比例要尽可能小。为了有所补益,可使用信道编码。信道编码能够检出和校正接收比

16、特流中的差错。这是因为加入一些冗余比特,把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特,但这种方法可以有效地减少数据差错。,为了便于理解,我们举一个简单的例子加以说明。假定要传输的信息是一个“0”或是一个“1”,为了提高保护能力,各添加3个比特:信息 添加比特 发送比特 0 000 0000 1 111 1111,对于每一比特(0或1),只有一个有效的编码组(0000或1111)。如果收到的不是0000或1111,就说明传输期间出现了差错。比例关系是14,必须发送的是该信息所需要的4倍的比特。保护作用如何?接收编码组可能为:0000 0010 01

17、10 0111 1111 判决结果:0 0 X 1 1,图2-10表示了数字信号传输的过程,其中信源可以是语音、数据或图像的电信号“s”,经信源编码构成一个具有确定长度的数字信号序列“m”,人为地再按一定规则加进非信息数字序列,以构成一个一个码字“c”(信道编码),然后再经调制器变换为适合信道传输的信号。,图2-10 数字信息传输方框图,移动通信的传输信道属变参信道,它不仅会引起随机错误,更主要的是会造成突发错误。随机错误的特点是码元间的错误互相独立,即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否是无关的。分组编码的原理框图见图2-11。卷积编码的原理框图见图2-12。,图2-11 分组编码,图2

18、-12 卷积编码,2 GSM数字语音的信道编码 在GSM系统中,上述两种编码方法均在使用。首先对一些信息比特进行分组编码,构成一个“信息分组+奇偶(检验)比特”的形式,然后对全部比特做卷积编码,从而形成编码比特。这两次编码适用于语音和数据二者,但它们的编码方案略有差异。采用“两次”编码的好处是:在有差错时,能校正的校正(利用卷积编码特性),能检测的检测(利用分组编码特性)。,GSM系统首先是把语音分成20 ms的音段,这20 ms的音段通过语音编码器被数字化和语音编码,产生260个比特流,并被分成:(1)50个最重要比特。(2)132个重要比特。(3)78个不重要比特。如图1-13所示,对上述

19、50个最重要比特添加3个奇偶检验比特(分组编码),这53个比特同132个重要比特与4个尾比特一起卷积编码,比率12,因而得378个比特,另外78个比特不予保护。,图2-13 GSM数字话音的信道编码,2.4.3 交织技术 1 交织技术的一般原理 假定由一些4比特组成的消息分组,把4个相继分组中的第1个比特取出来,并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组,称作第一帧,4个消息分组中的比特24,也作同样处理,如图1-14所示。,图2-14 交织原理,2 GSM系统中交织方式 在GSM系统中,信道编码后进行交织。交织分为两次,第一次交织为内部交织,第二次交织为块间交织。话音编码器和信道编码器将每一2

20、0 ms语音数字化并编码,提供456个比特。首先对它进行内部交织,即将456个比特分成8帧,每帧57比特,见图1-15。,图2-15 GSM 20 ms话音编码交织,如果将同一20 ms语音的2组57比特插入到同一普通突发脉冲序列中(见图1-16),那么该突发脉冲串丢失则会导致该20 ms的语音损失25的比特,显然信道编码难以恢复这么多丢失的比特。因此必须在两个话音帧间再进行一次交织,即块间交织。,图2-16 普通突发脉冲串,把每20 ms语音456比特分成的8帧为一个块,假设有A、B、C、D四块,见图1-17。在第一个普通突发脉冲串中,两个57比特组分别插入A块和D块的各1帧(插入方式如图1

21、-18所示.,图2-17 话音信道编码,图2-18 二次交织,1.4.4 CDMA系统的话音编码 目前CDMA系统的话音编码主要有两种,即码激励线性预测编码(CELP)8 kb/s和13 kb/s。8 kb/s的话音编码达到GSM系统的13 kb/s的话音水平甚至更好。13 b/s的话音编码已达到有线长途话音水平。CELP采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理,只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。,2.5 数字调制与解调技术,1.5.1 调制与解调 1.什么是调制 人的耳朵能够听到语音的频率在2020 000 Hz的范围内。一般认为只要有3003400 Hz,就足以表达说话的内容了。如果考虑

22、到语音的原始声音和真实度问题,则需要5015 000 Hz的频率范围。声音范围的频率被称作低频或音频。,2.常见的调制解调 调制时必须具备调制信号和载波。调制信号可以分为模拟信号和数字信号。可供使用的载波有正弦波和方波。调制方式可以按照调制信号的形式和载波形式的组合来分类。表1-2示出了调制方式的分类情况,可以依照信息的形式、传送线路的特性和对传送质量的要求来选择调制方式。,表2-2 调 制 方 式,载波具有振幅、频率、相位和宽度等要素。调制就是让载波的某一个要素随调制信号变化,如图1-19所示。数字调制是指调制信号是数字基带信号,载波为高频正弦波的调制。与模拟调制相同,数字调制也同样是让载波

23、的振幅、频率或者相位产生变化,但调制信号是1或0。,图2-19 载波的要素,2.5.2 数字移动通信系统的调制方式 经语音编码后的信号是数字信号,此信号向外发送还需要经过调制。应用于移动通信的数字调制技术,按信号相位是否连续可分为相位连续型调制和相位不连续型调制;按信号包络是否恒定可分为恒包络调制和非恒包络调制。频移键控FSK是数字信号的频率调制,可看成调频的一种特例。产生频移键控信号的基本原理如图1-20所示。,图2-20 FSK基本原理示意图,传送编码为10001101,其工作波形示意如图1-21所示。从图中可以看出,FSK调制相当于D/A变换,经过调制后的数字信号变成了f1、f2二值频率

24、变化,显然,这个信号具有模拟信号的特点。完成频移键控后,接收端如何解调出这个二进制码呢?FSK解调如图2-22所示。,图2-21 FSK波形示意图,图2-22 FSK解调,1.5.3 高斯最小频移键控GMSK 调制技术。其中应用最多的是最小频移键控MSK、平滑调频TFM、高斯最小频移键控GMSK。GSM系统采用高斯最小频移键控GMSK。GMSK与FSK不同之处是:(1)在调制时,使高、低电平所调制的两个频率f1、f2尽可能接近,即频移最小,这样可节省频带。,(2)GMSK调制可以控制相位的连续性,在每个码元持续期Ts内,频移恰好引起/2的相位变化。(3)在MSK之前加入了高斯滤波器,因其滤波特

25、性与高斯曲线相似,故以此相称。GMSK信号产生原理如图1-23所示,电路框图如图1-24所示。,图2-23 GMSK信号产生原理,图2-24 GMSK调制器电路框图,2.6 用户通信终端设备,1.6.1 手机组成 手机与SIM卡共同构成GSM移动通信系统的终端设备,也是移动通信系统的重要组成部分。虽然手机品牌、型号众多,但从电路结构上都可简单地分为射频部分、逻辑音频部分、接口部分和电源部分。手机的简单组成框图如图1-25所示。,图2-25 GSM手机组成框图,1)射频部分 射频部分由天线、接收、发送、调制解调器和振荡器等高频系统组成。2)逻辑音频部分 发送通道的处理包括语音编码、信道编码、加密

26、、TDMA帧形成。3)接口部分 接口模块包括模拟语音接口、数字接口及人机接口三部分。,4)电源 电源部分为射频部分和逻辑部分供电,同时又受到逻辑部分的控制。另外,软件也是手机的重要组成部分。手机的整个工作过程由CPU(中央处理器)控制,CPU由其内部的软件程序控制,而软件程序来源于GSM规范。后面的章节将详细介绍各部分电路的组成和功能。双频 GSM手机的技术指标见表1-3。,表2-3 双频 GSM手机的技术指标,2.6.2 CDMA手机 1 CDMA手机技术指标 CDMA手机一般的技术指标见表1-4。,表2-4 CDMA手机的技术指标,2 CDMA手机比GSM手机更具有优越性(1)接通率高。(

27、2)手机电池的使用寿命延长。(3)“绿色手机”。(4)话音质量高。(5)不易掉话。(6)保密性能更好。,2.7 SIM卡与UIM卡,1.7.1 概述 手机与SIM卡共同构成移动通信终端设备。GSM手机用户在“入网”时会得到一张SIM卡,机卡分离式CDMA手机“入网”时也需配置UIM卡,SIM或UIM卡是“用户识别模块”的意思。,2.7.2 手机卡的内容 手机卡是一张符合通信网络规范的“智能”卡,它内部包含了与用户有关的、被存储在用户这一方的信息。SIM卡内部保存的数据可以归纳为以下四种类型:,(1)由SIM卡生产商存入的系统原始数据,如生产厂商代码、生产串号、SIM卡资源配置数据等基本参数。(

28、2)由GSM网络运营商写入的SIM卡所属网络与用户有关的、被存储在用户这一方的网络参数和用户数据等,包括:,鉴权和加密信息Ki(Kc算法输入参数之一:密钥号)国际移动用户号(IMSI);A3:IMSI认证算法;A5:加密密钥生成算法;A8:密钥(Kc)生成前,用户密钥(Kc)生成算法;移动电话机用户号码、呼叫限制信息等。,(3)由用户自己存入的数据。如缩位拨号信息、电话号码簿、移动电话机通信状态设置等。(4)用户在使用SIM卡过程中自动存入及更新的网络接续和用户信息。,在实际使用中有两种功能相同而形式不同的SIM卡:(1)卡片式(俗称大卡)SIM卡,这种形式的SIM卡符合有关IC卡的ISO标准

29、,类似IC卡。(2)嵌入式(俗称小卡)SIM卡,其大小只有25 mm15 mm,是半永久性地装入到移动台设备中的卡。,图2-26 SIM卡外形,2.7.3 SIM卡的构造 SIM卡是带有微处理器的芯片,包括五个模块,每个模块对应一个功能:微处理器、程序存储器、工作存储器、数据存储器和串行通信单元。最少有五个端口:电源;时钟;数据;复位;接地端。图1-27为SIM卡触点端口功能,图1-28为移动电话机中SIM卡座。,图2-27 SIM卡触点功能,图2-28 SIM卡座,2.7.4 SIM卡相关知识 1.国际移动设备识别码(IMEI码)在移动电话机背面标签上有一些代码,这些代码有其特殊的含义。首先

30、是15位数字组成的国际移动设备识别码(IMEI码),每部移动电话机出厂时设置的该号码是全世界惟一的,作为移动电话机本身的识别码,不仅标在机背的标签上,还以电子方式存储于移动电话机中,具体地说是在移动电话机电路板中的电可擦除存储器(EEPROM)中。IMEI码各部分含义如下:,第16位数字(TAC(6位)型号批准号,由欧洲型号批准中心分配;第78位数字(FAC(2位)最后装配号码,表示生产厂家或最后装配所在地,由厂家进行编码;第914位数字(SNR(6位)序号码,这个独立序号惟一地识别每个TAC和FAC中的每个移动设备;第15位数字(SP(1位)备用,一般为0。,2.开户管理 开户管理主要是在办

31、理登记和购机时选定移动电话机号码。只有在运营商指定的业务处,或电信管理部门授权允许经营移动电话机的商业点购机,才给予办理入网登记手续,允许入网使用。3.收费管理 目前收费管理分为开户入网收费和通话计费管理。开户入网费包括开户费和SIM卡费,不同的GSM网络运营商的此项费用价格也不同,而且和地区也有关。,2.7.5 UIM卡 机卡分离式CDMA手机,“入网”时需要配置UIM卡(机卡一体式手机无须配置)。UIM卡功能、外型与SIM卡相似,同样有电源、时钟、数据、复位、接地端,只是各个触点的具体位置排列与SIM略有差异。相应的,CDMA手机中必须有一个UIM卡电路,以给UIM卡提供电源、时钟、数据、复位等。,习 题 二,1.简述手机的发展概况。2.说明数字移动通信系统的基本组成。3.什么是多址接入技术?有哪些基本方法?4.CDMA技术有什么特点?5.什么是信道编码?信源编码与信道编码有什么不同?6.什么是交织技术?7.什么是信号调制技术?,8.GSM系统采用什么调制方法?画出GMSK调制电路的框图。9.简述GSM手机的组成。10试比较CDMA手机、GSM手机的技术指标,它们有什么异同?,

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